關于SQ無極繩連續牽引車的電控改造

＊胡鵬程

（山西焦煤汾西礦業正中煤業 山西 032000）

2000年以來，隨著采煤行業的發展，現代礦井自動化、信息化、數字化、智能化建設標準的提升，無極繩絞車在運輸大巷及采煤工作面順槽的安裝使用將逐步普及，結束運輸大巷及順槽小絞車接力運輸物料的時代，提升礦井物料運輸安全系數及運輸效率。

1.無極繩絞車工作原理和結構原理

（1）工作原理。在無極繩絞車使用前，通過在已施工好的無極繩絞車硐室內打地錨，將絞車固定在底板，同時在無極繩絞車機尾處通過打地錨將尾輪固定，驅動電機固定在安裝好的底座上，電控系將使電機動力通過減速機或者變速箱傳遞至滾筒上，使得滾筒上鋼絲繩運動，鋼絲繩帶動與其固定在一起的重物移動從而達到牽引的目的。

（2）結構原理。無極繩絞車由傳動裝置、主軸裝置和制動操縱機構等組成。

①傳動裝置。傳動裝置包括電動機、液力耦合器、減速器、齒輪聯軸器和一級開式齒輪傳動。

A.減速器。減速器用ZHQ-85型標準兩級圓弧齒輪減速器。機殼為水平剖分結構，機蓋和機座用鑄鐵鑄成，并以螺栓連接。

B.液力耦合器。液力耦合器以液壓油為工作介質，通過泵輪和渦輪實現設備的機械能和液體的動能相互轉化，從而使得與其連接的電動機和減速器實現二者之間的動力傳遞。

②主軸裝置。主軸裝置由卷筒、主軸、齒輪和滑動軸承等組成。卷筒有夾鉗式和拋物線型兩種。夾鉗式卷筒有驅動力大、鋼絲繩使用壽命長和無滑動現象等優點，結構是在輪體上裝有12塊扇形壓板，扇形壓板內裝有左、右卡鉗和彈、銷軸組成的夾鉗，鋼絲繩則卡在夾鉗內。拋物線型卷筒是由輪體和開有拋物線形繩槽的輪圈組成，它們用螺栓連接。這種卷筒的優點是制造簡單和可以正反轉。

③制動操縱機構。制動操縱機構包括工作制動器和安全制動器。

A.工作制動器。它采用電動液壓推動器自動操縱，推動器的電動機與主電動機聯動。主電動機啟動后，電動液壓推動器使其外部陽的框架升起，進而通過長軸和連桿使重錘升起，于是杠桿抬起，工作制動閘松開。主電動機停止轉動時，電動液壓推動器也停止工作，制動閘通過重錘自身重力的作用閘住卷筒，使得卷筒停止轉動。此外，工作制動閘還可以通過千把拉動桿進行操作。電動液壓推動器的結構原理為動作狀態時，電動機帶動渦輪旋轉油室內的油液輸送到活塞的下腔。這一過程是逐步實現的，從渦輪排出的油液先使緩沖裝置下部的活動升起。當該活動套上升到使開口露出時，油液才進入活塞的下腔。隨著套的繼續上升，開口逐斬增大，直到套的上端頂到渦輪外罩時，開口達到最大。這時，活塞在油液壓力的作用下上升，帶動框架升起，使工作制動閘松開。制動狀態時，電動機停止運轉，渦輪也停止運轉，油液失去壓力，活塞在重錘自身重力的作用下使得油液返回到油腔內，并在彈簧作用下，開口越來越小，回油速度越來越慢，因而使制動過程進行的比較平穩。

B.安全制動器。安全制動器由電動液壓推動器、重錘、制動杠桿和帶形閘等組成。主電路供電時，液壓推動器動作，重錘提起，使帶形閘處于松閘狀態。當發生故障，總電路被切斷時，液壓推動器停止工作，重錘即刻下降，帶形閘在制動杠桿作用下使得卷筒停止轉動，保護操作者安全。安全制動與工作制動動作原理相同，安全制動沒有緩沖裝置，一旦觸動即刻制動，動作加快，能夠很好的起到保護作用。

④逆止裝置

逆止裝置的作用是當工作制動器不能正常工作時，防止絞車在貨載的作用下反轉而造成事故。它由固定在主軸端的單向離合器、固定在離合器上的模板、中間傳動機構和按鈕開關組成。絞車正常工作時，離合器不轉，模板位置不變。一旦工作制動器失靈，絞車在貨載的作用下反轉時，離合器便立即動作，其上的模板觸動按鈕開關而切斷液壓推動器的電源，使安全制動器即刻開始動作，防止絞車的反轉；同時，安全制動器上的閉鎖裝置切斷主電動機的電路而使之停止轉動[1]。

2.無極繩絞車的優缺點

(1)無極繩絞車具有以下優點

①簡化礦井運輸系統。無極繩絞車的運用，可以減少運輸路線上工人摘掛鉤的次數，減輕工人勞動強度，減少斜巷運輸跑車事故發生的概率，提升運輸效率和運輸安全性能，為采煤工作面快速、高效安裝提供了保障。②減少礦車摘掛鉤次數和倒車的次數，避免了井下因斷繩、跑車而引發的事故，優化井下運輸系統和程序，減少運輸中存在的危險點，降低運輸事故發生概率。③液壓張緊系統可根據運輸車輛的多少、運輸材料的重量而調節鋼絲繩的張緊力，減少鋼絲繩的張緊次數，延長了鋼絲繩的使用壽命。④無極繩絞車通過通訊裝置，實現運輸中的打點、通話、急停等控制功能，為長距離的運輸提供了技術保障。⑤在井下運輸中，實現了長距離連續運輸，無需轉載，基本上一部設備能實現一條巷道的連續運輸，杜絕了調度絞車接力運輸帶來的其他影響。⑥無極繩絞車尾輪固定方式簡單，能方便快遞移動，實現無極繩絞車運輸的延續或者縮短。

(2)無極繩絞車缺點

①無極繩絞車鋼絲繩需要每月檢查鋼絲繩磨損情況，并定期進行更換。②無極繩絞車需要大量空間來滿足安裝、起重要求，工程施工周期長，施工量大。③無極繩絞車采用電機驅動以及其他復雜機械結構，需要定期維護保養，維護成本高。④無極繩絞車重量較大，井下運輸、安裝周期長。

3.改造背景

（1）初期使用情況。2015年，礦井采區軌道巷安設一套淮南凱盛重工有限公司生產的SQ-120/200型無極繩連續牽引車，用于采區軌道大巷物料運輸。電控系統使用兩臺QBZ-200型電磁起動器，由于礦井初采為薄煤層開采，開采工藝最初為高檔普采，設備及物料質量較輕，無極繩連續牽引車可以滿足安全運輸要求。

（2）存在問題。礦井上下2號煤層交替開采，上2號運輸最大件綜采液壓支架重量10t左右，下2號煤層運輸最大件綜采液壓支架重量達20t；采區巷道最大坡度達16°，采用電磁起動器直接（高低速）起動的無極繩連續牽引車已經不再滿足安全運輸的需求。

①采用電磁起動器直接起動電機，在運輸大型設備期間，過大的沖擊轉矩導致無極繩絞車減速器輸出軸扭斷；電機與減速器軟連接用的尼倫銷需頻繁更換。②索車的制動無法準確把控，特別是在車輛連接期間，難以將索車準確停至合適位置，在摘掛車期間，碰手或碰腳事件經常發生，增加了運輸難度，降低了運輸效率。③電網沖擊：過大的起動電流，造成電網電壓下降，影響其它用電設備的正常運行，造成欠壓保護動作跳閘。④在到達坡度大的地方，不能平緩運行；需其它運輸設備輔助牽引才能提升至坡上。在運輸中厚煤層開采設備時，以上問題造成的影響，將進一步明顯的展現出。

4.改造方案

通過更換控制系統設備，將電磁起動器直接起動方式的無極繩連續牽引車，改造成為變頻調速控制方式。具體情況如下：

(1)控制系統采用變頻器控制

①將兩臺QBZ-200型電磁起動器，分別更換為礦用隔爆兼本質安全型交流變頻調速裝置用逆變器（型號：ZJT-500/600K-N）和礦用隔爆型輸入濾波電抗器（型號：DKB1-500/600LR）。②更換配套的礦用本質安全型操作臺（型號：TH-12(A)礦用本質安全型操作臺）。

(2)變頻器工作面原理

主回路系統電源由進線接觸器進入輸入濾波電抗器，再通過整流器和逆變器進行逆變實現變頻輸出，最后經過輸出濾波電抗器供給電機，以實現對電動機的調速控制。

①輸入電抗：可以抑制浪涌電壓和浪涌電流，并且可以改善由變頻調速時產生的高次諧波和波形畸變，濾除諧波電壓和諧波電流保護變頻器，改善電網質量。電動狀態下起儲能作用，形成正弦電流波形。回饋狀態下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。

②整流單元：由IGBT組成的三相全橋整流單元，將三相交流電變為直流電；采用AFE變頻技術，將變頻器供電側的不可控整流橋換成可控整流橋，對供電電網側交流電流的大小和相位進行檢測，采用PWM控制方式，使交流輸入（輸出）電流接近正弦波，大幅降低了高次諧波，并使輸入電流與電源電壓相位角相同，使系統的功率因數總是接近1。

③逆變單元：由IGBT組成的三相逆變橋，將直流電逆變為頻率、電壓可調的三相交流電，解決了負載在快速減速或急停時再生發電能量處理問題，把變頻器直流母線電壓保持在安全范圍，保證了變頻器的安全運行。

④輸出電抗：通過加大負載電抗，從而有效抑制逆變器的IGBT模塊快速開關時，產生的瞬時高壓，降低了輸出dv/dt，使電機電流更加平滑，從而降低電機的噪音及渦流損耗，也保護變頻器內部的功率器件，并能夠起到延長變頻器到電機的有效傳輸距離。

⑤控制系統：控制回路由PLC、操作臺、各種輸入信號（啟動、停止、泄漏通訊、編碼器等）、輸出控制信號組成。PLC通過對變頻裝置各路信號的采集，觸摸屏顯示系統各種狀態，從而實現對系統的控制。

(3)變頻器調速及控制系統的優點

①變頻調速

A.采用全數字直接轉矩控制，使得系統調速范圍加寬，并且提升了調速的精度，即使變頻器在低頻運行時，也能輸出額定力矩的100%。最大輸出轉矩為額定轉矩的2倍。

B.網側變頻器，采用有源前端AFE自換向變頻新技術，使無極繩牽引車在減速段或重物下放操作時，系統能自動轉入發電回饋狀態，使電機制動更加平穩，操作簡單，并提高了系統安全可靠性能。AFE回饋技術最突出的優點有2個：a.使輸入電流波形為正弦波，減少對電網的諧波污染，對交流網側沒有諧波干擾，屬于凈化的變流技術；b.采用PWM斬波調制方式，功率因數≈1，回饋的質量好。

C.變頻器加/減速時間可調。可根據實際需要，改變變頻器內的加速值或減速值，滿足工況要求。

D.采用DSP全數字控制方式對系統進行監控，并完成漏電閉鎖、過載、短路、斷相、欠壓、過壓、失速、過熱等保護功能。

E.系統具有電能回饋功能，當無極繩牽引車在重車下運行時，電動機進入發電運行狀態，此時系統自動將電動機發出的電能傳送給變頻器，變頻器再生能量反饋至供電電網，節省電能明顯。

F.可以實現無極繩牽引車電動機大范圍內的無級平滑調速，既滿足了低速掛鉤、挪車的需要，也滿足了在巷道中高速運輸的需求，改變了只有高、低兩種速度的狀況，既保證了安全生產，也提高了生產效率。

②控制系統

控制部分由PLC、觸摸屏、編碼器和泄漏通訊等部分組成。

A.系統有手動、自動、檢修等控制方式，觸摸屏顯示系統的運行位置狀態和系統狀態。當采用自動控制模式時，PLC根據泄漏通訊信號和編碼器提供的位置信號，能夠控制無極繩牽引車自動加減速和停止；當采用手動控制模式時，由主控臺的主令手柄控制無極繩牽引車運行方向和停止位置。B.根據煤礦實際軌道工況，可以通過觸摸屏設定無極繩牽引車的自動運行距離與速度的運行曲線，PLC根據此運行曲線，自動完成無極繩牽引車的運行軌跡。C.系統控制無極繩牽引車與泄漏通訊的運行方向信號、急停信號連鎖，并對系統超速、欠速、變頻故障和過卷等故障進行保護停車控制[2-4]。

5.經濟效益分析

（1）實現了索車實時停車，誤差控制在10cm左右，大大減少了碰手碰腳事件的發生，同時為摘掛車創造了良好的條件，提升了摘掛車的速度；（2）運輸重型設備時，起、停平穩，減少了大扭矩對減速器、尼倫銷、鋼絲繩等設備及部件的沖擊，間接減少了設備、部件的損壞，延長了使用壽命及更換周期；（3）拓寬了無極繩連續牽引車的安全牽引能力，為礦井中厚煤層開采所需設備的采區軌道大巷運輸創造了必要條件。