【文章內(nèi)容簡介】 ： 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 交流提升設備和直流提升設備 (其中又有電動一發(fā)電機組供電與可控硅供電之分 )。 按井筒的角度可分為： a、立井提升設備，提升容器在井中做上下往復運動 ，具有位勢負載性質。 b、斜井提升設備， 可采用斜井串車提升，即采用礦車作為提升容器。也可采用斜 井箕斗提升，具有生產(chǎn)能力大、裝卸載自動化等優(yōu)點。還可采用斜井膠帶運輸提 升，具有安全可靠、運輸量大等優(yōu)點。 c、露天礦斜坡提升設備。 礦井提升機的主要組成部分及工作原理 礦井提升設備的主要組成部分有：提升容器、提升鋼絲繩、提升機 (包括機械及拖動控制 )、井架或井塔以及裝卸設備等，這些設備構成了礦井提升系統(tǒng)。一般的礦井提升機都有兩個提升容器，并且兩個提升容器在礦井中做方向相反的直線運動，即一個提升容器以一定的速 度上升時另一個提升容器以相同的速度下降。礦井提升系統(tǒng)也可分為兩大類，即用以提升煤炭、礦石的主井箕斗提升系統(tǒng)和完成其它輔助任務的副井罐籠提升系統(tǒng)。礦井提升機的系統(tǒng)并非只是上面所示的提升機部分，它還包括潤滑系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、觀測與操縱系統(tǒng)、拖動控制和自動保護系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)等。 1)潤滑系統(tǒng)：在提升機運行過程中不間斷的給軸承以及齒輪嚙合面壓送潤滑油，保證軸承和齒輪的正常工作。 2)機械傳動系統(tǒng)：由減速器和連軸器組成。減速器用來減速并傳遞動力 。連軸器用來連接提升機的旋轉部分，并向其傳遞動力。 3)觀測與操縱系統(tǒng) ：包括操作臺、深度指示器等裝置。其中深度指示器可以顯示提升容器的所處的深度位置。 4)拖動控制和自動保護系統(tǒng)：包括主拖動電機和微拖動電機、電氣控制系統(tǒng)以及由 PLC控制的保護系統(tǒng)。 5)制動系統(tǒng)：一般都是液壓制動系統(tǒng)，包括制動器和液壓傳動裝置兩部分。制動系統(tǒng)的功能就是使提升機卷筒剎車，停止提升機的運行，它的可靠性直接關系到提升機的安全運行 [33]。制動系統(tǒng)不但需要在提升機停車時牢固的閘住提升機卷筒，還需要參與提升機的速度控制，保持提升運行的速度不偏離預設的數(shù)值，同時在雙滾筒提升機中，制動系統(tǒng)還被用來調(diào)節(jié)鋼絲繩 的長度 [8]。熟悉礦井提升機的結構和工作原理，對于確保提升機的安全，防止和杜絕故障及事故的發(fā)生具有重大意義。下面簡單介紹一下提升機的結構及其工作原理。 單繩纏繞式提升機的工作原理如圖 2— 1 所示。提升機安裝在地面的提升機機房里， 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 圖 2— 1 單繩纏繞式提升機工作原理示意圖 1 卷筒； 2 鋼絲繩； 3 天輪； 4 提升容器； 5 平衡尾繩 鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端繞過天輪后懸掛提升容器，卷筒上固定兩根鋼絲繩，并應使每根鋼絲繩在卷筒上的纏繞方向相反。這樣，當電動機經(jīng)過減速器帶動卷筒旋轉時，兩根鋼絲繩便經(jīng)過天輪 在卷筒上纏上和纏下，從而使提升容器在井筒里做上下運動。 單繩纏繞式雙卷筒提升機具有兩個卷簡，每個卷筒上固定一根鋼絲繩，并應使鋼絲繩在兩卷筒上的纏繞方向相反，其工作原理和特點與單卷筒提升機完全相同。單繩纏繞式提升機的一個特點就是需要用較粗的鋼絲繩纏繞在卷筒上，這就要求卷筒必須具備一定的繞組表面積，以便能容納下根據(jù)井深或提升高度所確定的鋼絲繩懸垂長度。單純纏繞式提升機的規(guī)格性能、應用范圍和機械結構等，都是由這一特點來確定的。目前我國淺井及中等深度的礦井多使用單繩纏繞式雙滾筒提升機。其為不平衡提升系統(tǒng)。 多繩摩擦 式提升機如圖 2— 2 所示，由于使用了數(shù)根鋼絲繩代替一根鋼絲繩，鋼絲繩的直徑變小了，摩擦輪的直徑因而變小，但由于有鋼絲繩的根數(shù)增加，所以摩擦輪的寬度相應的也要增加。多根鋼絲繩連接在兩個容器之間，分別繞過摩擦筒 1 和天輪 2，通過摩擦筒的轉動來帶動容器提升或者下放。與單繩纏繞式相比較，鋼絲繩與摩擦筒的直徑都有明顯的減小 [27]。由于多繩提升系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點，目前被廣泛采用。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 圖 2— 2 多繩摩擦式提升機工作原理示意圖 卷筒 ； 天輪 ； 鋼絲繩 ； 提升容器 礦井提升機的運行 礦井提升設備 的工作過程是提升容器在井筒中往返運動的過程，通常以提升容器的運動速度與時間的關系來表示其運動規(guī)律，稱為速度圖 [6]。圖 2— 3 為提升機的五階段速度圖。 圖 2— 3 五階段速度圖 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 （ 1） 加速階段 tl：兩個提升容器離開卸載曲軌，以較大的加速度 al 運行，直至最大提升速度 Vmax。 （ 2） 等速階段 t2：此階段中兩個提升容器以不變的速度 Vmax、在井筒中運行。 （ 3） 減速階段 t3：此時上升的提升容器己接近井口，下降的提升容器接近裝載點，應該減速，減速度為 a3，直至速度降至 V4。 （ 4） 爬行階段 t4：此時提升容器進入卸載曲軌，為了減少沖擊， 容器以低速 V4進行“爬行”。 （ 5） 停車休止階段 t5：此時提升機剎車，停止運行。 提升機的運行情況，如圖 2— 4 所示： 圖 2— 4 提升機運行情況示意圖 礦井提升機的運行特點有： （ 1） 具有周期性 在 1t 時刻，提升機啟動，容器 A 開始上提、容器 B 開始下放，到 2t 時刻提升機由靜止加速到最高運行速度 m? ，當運行到 3t 時刻時，提升機開始減速，到 4t 時刻速度降至爬行速度，爬行速度是為了使容器準確停在需要的位置而設置的。當達到 5t 時刻時，容器 A到達最終位置，提升機停車，而容器 B 到達井底，下一次提升是容器 B 按照上述速度圖運行，如此按一定規(guī)律，往返周期運行。 （ 2） 電動機存在兩種運行狀態(tài) 根據(jù)電動機負載情況的不同，電動機軸上的受力方向有時與容器的運動方向相反，如向上提升重物，就需要電動機發(fā)出拖動轉矩，即為電動狀態(tài)，我們稱之為正力。有時軸上受力的方向與容器運動方向相同，如提升機下放重物，此時 為了限制下放重物的速度，可采用制動狀態(tài)，使電動機發(fā)出轉矩的方向與重物方向相反，我們稱之為負力。 （ 3） 繞線型感應電動機轉子回路串電阻交流拖動系統(tǒng)在減速階段電動機的運行狀態(tài)，可能有三種情況：自由滑行、負力減速、正力減速。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 自由滑行。減速時，電動機從電網(wǎng)斷開，電動機的拖動轉矩為零，系統(tǒng)在阻力作用下逐漸減速。 負力減速。減速時，使電動機產(chǎn)生的力矩的方向與運動方向相反，此時電動機工作在制動狀態(tài)，保證系統(tǒng)按照要求的減速度進行減速。 正力減速。此時電動機仍處于電動狀態(tài)，只不過產(chǎn)生的轉矩小于負載轉矩，以使提升系統(tǒng)按要求的減速度 減速，避免減速度過大。 （ 4） 加速度、減速度的限制 由于提升系統(tǒng)存在有繩索（彈性環(huán)節(jié)），多數(shù)情況下還存在著減速器齒輪間隙，加速度過大，則會產(chǎn)生過大的機械震動應力，對機械有害?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定，當升降人員時，加速度不得大于 ，而在主井提升中，一般根據(jù)設計規(guī)定，加、減速度也最好不大于 。近年來，為了改善鋼絲繩在啟動、制動過程中可能出現(xiàn)的動態(tài)張力，采用變加速度控制，或稱加速度變化率限制，這樣就可以在加、減速 階段減小沖擊，同時也可減小鋼絲繩的擺動。 提升機后備保護 礦井提升機本身帶有一些保護裝置，但由于監(jiān)控方法和手段的局限性以及礦井中相對惡劣的環(huán)境，常使這些保護裝置失效，人們?yōu)榱嗽鰪妼μ嵘龣C的保護，做出了許多嘗試，經(jīng)理論與實踐的證明，為提升機增加一套后備保 護裝置是提高其安全性的非常有效的方法國內(nèi)外的后備保護裝置產(chǎn)品有許多種 [9]，但其都具備以下的后備保護功能 : l)顯示功能 提升容器位置 (深度、斜坡長 )顯示 — 對容器在井筒中運行位置進行動態(tài)顯示。 速度顯示 — 動態(tài)顯示提升容器在整個過程中的瞬時速度。 提 升次數(shù)顯示 — 自動記錄顯示提升機次數(shù)。 2)保護功能 等速段超速保護 — 在等速段的瞬時速度超過最大提升速度巧 %時，保護儀發(fā)出聲光報警信號，并發(fā)出制動信號。 自動減速 — 容器到達減速點時，保護裝置發(fā)出自動減速控制信號并有聲光提示。 減速段保護 — 在減速段對提升機瞬時速度實行包絡線保護，近井口實現(xiàn)限速保護。 深度指示器失效保護 — 深度指示器失效后，保護裝置發(fā)出聲光報警信號，并且在接近井口時發(fā)出制動信號。 卡箕斗保護 — 當提升箕斗卡阻時發(fā)出保護控制信號，并伴有聲光報警。 過卷保護 — 過卷保護是礦井提升機所有保護中的 最后一道安全保護，在礦井提升機前面的安全保護失靈后，過卷保護發(fā)揮作用，實施安全保護。當提升容器超過正常終端位置的 米時，發(fā)出制動信號并有聲光信號提示。 3)打印功能 可用打印機將存入保護裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)打印出來。 目前國內(nèi)提升機后備保護裝置主要都是基于單片機、 PLC(可編程控制器 )或工控機為核心。用這些方法在開發(fā)裝置時，其軟、硬件方面都要花費相當大的人力、物力和時間，特別是國內(nèi)的一些后備保護裝置，人機界面不友好，功能不夠完善，靈活性欠佳，中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 可操作性不好，同時易外界環(huán)境的干擾，需要改進 [35]。 礦 井提升機的傳動方式 礦井提升系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)中極其重要的環(huán)節(jié)，它的正常運行與否直接影響到礦井的產(chǎn)量。對于提升機傳動方式的選擇，必須在滿足礦井生產(chǎn)工藝要求即滿足各種可能出現(xiàn)的運行速度圖的前提下，對各種可能的傳動方案進行技術經(jīng)濟比較后，選擇最合理的一種傳動方式。 我國在 20世紀 50— 60 年代，一般采用交流傳動方式。交流傳動的最大優(yōu)點是：技術比較簡單，設備及安裝費用低，占地面積小，運行維護容易。但它的最大缺點是：電氣調(diào)速性能差，在減速和爬行階段需要另外增設傳動裝置，如動力制動、低頻傳動以及晶鬧管串級傳動等，雖然調(diào)速 性能得到了改善，然而設備投資和系統(tǒng)的復雜性也增加了。由于交流傳動受主電動機和控制設備制造容量的限制，所以，對要求提升容量大、速度高的大型礦井，一 般 采用直流傳動裝置 。 我國進人 20 世紀 70 年代后，礦井的規(guī)模愈來愈大，年設計生產(chǎn)能力為 300 萬 t、 400萬 t 或 500 萬 t，甚至更大。特別是對于 一 些 井 深 600 m 以上的礦井，要求裝載容量大、提升速度高，箕斗容且從 12t、 18t 增大到 32t，提升速度從 6m/s、 8m/s提高到 14m/s，甚至還高，對于提升自動化的水平要求也愈來愈高，因此，原來的交流傳動已遠遠不能滿足需要 ，必須采用直流傳動方式。 直流傳動的最大優(yōu)點是：調(diào)速平滑穩(wěn)定，調(diào)速范圍寬，容易實現(xiàn)提升自動化。因為電動機的轉速幾乎與提升負載無關，在低速范圍內(nèi)也能穩(wěn)定運行。負力減速時可將機械能轉換為電能返回電網(wǎng)。它的缺點是建設投資大，基礎費用高。 直流傳動方式又分為發(fā)電機 — 電動機傳動和晶閘管變流器 — 電動機傳動兩種，兩者相比，晶閘管變流器 — 電動機傳動又具有動作速度快、可靠性高、維護工作量小、故障少、運行效率高、體積小、重量輕和占地面積小等優(yōu)點。它的缺點是對交流電網(wǎng)的無功沖擊大，因而產(chǎn)生較大的啟動壓降；它的高次諧波會引起交流電 網(wǎng)電壓正弦波形的畸變，干擾其他用電設備；運行功率因數(shù)低；等等。但如對變流器采取特殊接線方式，電 樞 回路用兩組晶閘管橋串聯(lián)，采用 “ 順序控制 ” 方法可以提高功率因數(shù)，特別是系統(tǒng)中配置無功補償和諧波吸收裝置后，將大大削弱晶閘管整流裝置對交流電網(wǎng)的無功沖擊和諧波污染，為此，晶閘管交流變流器供電的直流傳動裝置具有廣闊的前景。 20 世紀 70年代后期，我國煤炭系統(tǒng)從瑞典、德國、法國、波蘭等國引進了多臺晶閘管變流器供電的直流提升機，其中有 一 批為建井期間施工用提升機。 隨著晶閘管變流器供電傳動技術的引進和發(fā)展，國內(nèi)也進行了設計和 制造， 并 取得了良好的效果。目前晶間管元件的容量已發(fā)展到 4000 V， 3000 A 以上，直流快速斷路器的容量已擴展到 6000 A 以上。 隨著世界電力半導體技術和交流同步機傳動的開發(fā)和生產(chǎn)， 礦井 提升機傳動裝置又向交流傳動方式發(fā)展。目前我國大容量交 交變頻器 和交 直 交變頻器 供電的交流同步機 傳動系統(tǒng)已經(jīng)被普遍引進，全數(shù)字化的自動化提升機已經(jīng)成為當今礦井提升技術的發(fā)展方向。 礦井提升機全自動化運行的實現(xiàn)將極大的提高系統(tǒng)的可靠性、運行效率，以及控制的中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 精確性，減少人為因素的影響，使主提升系統(tǒng)成為具有自動判斷、顯示故障， 自我調(diào)整運行速度，多重互鎖和后備保護，實現(xiàn)遠程監(jiān)測等全自動化、智能化的控制系統(tǒng)。為礦山進一步實那數(shù)據(jù)采集離散化、設備控制智能化、調(diào)度操作集中化、生產(chǎn)管理信息化 、 辦公管理自動化等綜合自動化礦井打下堅實的基礎 3 礦井提升機 PLC 保護與控制系統(tǒng)功能定義 控制系統(tǒng)功能有主令操作控制和保護監(jiān)視控制。 主令操作控制包括：對系統(tǒng)迸行管理，實現(xiàn)提升機與操作臺之間的指令傳遞，向提升系統(tǒng)發(fā)出相應的指令，并改變相應電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升機按照預定的力圖和速度圖安全運行，運行方式可分為啟動、等速運行、減速、爬行、停車。 PIC 根據(jù)運行方式對變頻器實現(xiàn) S 形速度給定控制，實現(xiàn)箕斗運行速度的準 S形曲線。 保護監(jiān)控控制主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實時速度監(jiān)視、井筒