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礦井提升機(jī)的最新技術(shù)發(fā)展

發(fā)布時(shí)間：

2024-12-06

來源：

礦井提升機(jī)的最新技術(shù)發(fā)展

圍繞礦山提升技術(shù)的快速發(fā)展，闡述了提升裝備在大型化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、控制與傳動(dòng)系統(tǒng)等方面的技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)了重載、超深提升機(jī)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破；介紹了與提升機(jī)配套的主要輔機(jī)設(shè)備在新技術(shù)、新工藝、新材料方面的應(yīng)用；指出了大功率變頻器是國內(nèi)廠家需重點(diǎn)關(guān)注的研發(fā)方向之一。

提升機(jī)是礦井的主要設(shè)備，用于升降人員和物料。按照工作原理，提升機(jī)可分為單繩纏繞式和多繩摩擦式。

礦井提升裝備由主機(jī)、閘控系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、電控系統(tǒng)四部分組成，還包括其他配套輔機(jī)。近年來，隨著礦山超深、重載、高速需求的增多，礦井提升機(jī)大型化發(fā)展迅速，各組成部分都取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，國內(nèi)多座礦山已經(jīng)使用了大型、特大型提升機(jī)。本研究主要從主機(jī)技術(shù)、閘控技術(shù)、電動(dòng)機(jī)技術(shù)、電氣控制以及其他輔機(jī)方面介紹提升設(shè)備的最新技術(shù)進(jìn)展。

1 主機(jī)技術(shù)發(fā)展

1.1 大型化

隨著提升設(shè)備的大型化，相關(guān)單位及時(shí)修訂了主要類別礦井提升機(jī)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，增補(bǔ)了大型規(guī)格，且許多大規(guī)格提升產(chǎn)品已投入運(yùn)行，如表1 所列。

表1 大型提升機(jī)使用典型案例

(1) 單繩纏繞式提升機(jī) 2018 年 10 月 1 日開始實(shí)施的 GB/T 20961—2018《單繩纏繞式礦井提升機(jī)》，是修訂標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將單筒最大規(guī)格增加到JK-5×3.5，雙筒最大規(guī)格增加到 2JK-6×2.5。目前實(shí)際投運(yùn)的單筒提升機(jī)最大規(guī)格為 JK-5×2.4，雙筒提升機(jī)最大規(guī)格為 2JK-6×2.4。

(2) 多繩摩擦式提升機(jī) 2024 年 7 月 1 日開始實(shí)施的 GB/T 10599—2023《多繩摩擦式提升機(jī)》，是修訂標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將落地式最大規(guī)格增加到 JKMD-7.5×6，井塔式最大規(guī)格增加到 JKM-7.5×8，并且同規(guī)格產(chǎn)品的提升能力有了顯著增加。目前實(shí)際投運(yùn)的落地式提升機(jī)最大規(guī)格為 JKMD-6.2×4，井塔式最大規(guī)格為 JKM-6.75×6。

(3) 鑿井提升機(jī) 2015 年 10 月 1 日開始實(shí)施的JB/T 12193—2015《鑿井提升機(jī)》，為首次制訂標(biāo)準(zhǔn)。其中單筒鑿井提升機(jī)最大規(guī)格為 JKZ-5.5×5，雙筒鑿井提升機(jī)最大規(guī)格為 2JKZ-5.5×4。目前實(shí)際投運(yùn)的單筒鑿井提升機(jī)最大規(guī)格為 JKZ-5.5×3，雙筒鑿井提升機(jī)最大規(guī)格為 JKZ-5×3。

(4) 井下防爆提升絞車和提升機(jī) 2017 年 7 月1 日開始實(shí)施的 JB/T 13006—2017《井下電器防爆單繩纏繞式礦井提升機(jī)和礦用提升絞車》，為首次制訂標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)以“井上提升絞車和提升機(jī)的繩徑比(D/d) 為 80，而井下提升機(jī)可以降至 60”為突破口，使井下提升絞車和提升機(jī)的提升能力大幅度增加。該標(biāo)準(zhǔn)中單筒最大規(guī)格為 JKB-4.5×3，雙筒最大規(guī)格為2JKB-5×2.3。目前實(shí)際投運(yùn)的單筒最大規(guī)格為 JKB-4×2.4，雙筒最大規(guī)格為 2JKB-3.5×2。

1.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

(1) 特大型剖分結(jié)構(gòu)摩擦輪、天輪、導(dǎo)向輪的開發(fā) 受運(yùn)輸所限，大直徑提升機(jī)的摩擦輪、天輪、導(dǎo)向輪都采用剖分結(jié)構(gòu)，即分體發(fā)貨、現(xiàn)場組裝。各廠家剖分結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本遵循“精準(zhǔn)定位+可靠連接”的原則，通過定位銷將兩瓣結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定位，通過高強(qiáng)度螺栓連接。目前已生產(chǎn)了摩擦輪直徑為 6.75、6.50、6.20 m，天輪直徑為 6.2、6.0 m，導(dǎo)向輪直徑為 6 m 等一系列產(chǎn)品。

(2) 多繩天輪裝置升級 采用軸瓦一體化加工、定位塊定位，增加軸瓦潤滑槽等多項(xiàng)升級技術(shù)，消除了軸瓦螺母剪斷、異響的故障，延長了天輪壽命。

(3) 滾動(dòng)軸承支承游動(dòng)輪的多繩天輪裝置將游動(dòng)天輪的支撐由軸瓦改為滾動(dòng)軸承的新型天輪裝置，降低了旋轉(zhuǎn)阻力，避免了軸瓦磨損，減少了加油的維護(hù)工作量。

(4) 采用高速銑刀的多繩提升機(jī)銑槽裝置 采用高速銑刀主動(dòng)銑削模式，代替原有車刀被動(dòng)車削模式，提高了繩槽處理效率和精度，平衡了張力。

(5) 應(yīng)用剖分式滾動(dòng)軸承 靠近電動(dòng)機(jī)端采用剖分式滾動(dòng)軸承，可在更換或維護(hù)軸承時(shí)，不需拆裝電動(dòng)機(jī)，減少了停機(jī)時(shí)間。此技術(shù)還可對老提升產(chǎn)品進(jìn)行改造。國內(nèi)某廠家 2015 年對河北北洺河鐵礦 JKM-3.5×6ZⅢ提升機(jī)進(jìn)行了傳動(dòng)端軸承改造，利用原有軸承座，將整體滾動(dòng)軸承更換為剖分滾動(dòng)軸承。改造后，設(shè)備一直穩(wěn)定運(yùn)行至今。

(6) 軸承干油集中潤滑裝置 該潤滑裝置由干油泵、分配閥、管路及接頭組成，可準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、可靠地對各潤滑點(diǎn)進(jìn)行集中自動(dòng)潤滑，既保證了潤滑效果，也降低了維護(hù)工作量。

(7) 高比壓摩擦襯墊 針對超深、重載摩擦式提升機(jī)，摩擦襯墊的比壓往往成為選型“瓶頸”。2018 年依托國家科技部重點(diǎn)課題“深豎井大噸位高速提升裝備與控制關(guān)鍵技術(shù)”，國內(nèi)某廠家成功開發(fā)了新型高比壓摩擦襯墊，并通過實(shí)驗(yàn)室檢測和第三方檢測驗(yàn)證。襯墊比壓可由原來的 2.0 MPa 提升為 2.5 MPa。

(8) 應(yīng)急提升系統(tǒng) 這是一套獨(dú)立于主提升系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，在主提升設(shè)備故障或全礦停電的極端狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)人員安全升井。此產(chǎn)品既可應(yīng)用于多繩摩擦式提升機(jī)，也可應(yīng)用于單繩纏繞式提升機(jī)。

2 閘控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

(1) 盤形制動(dòng)器 國內(nèi)廠家新開發(fā)了正壓力為125、150、200、250 kN 的制動(dòng)器，并取得應(yīng)用。國產(chǎn)制動(dòng)器碟形彈簧、密封圈、管接頭采用國際知名品牌，并采用精密鑄造、數(shù)控加工、鏡面磨削等技術(shù)，其制動(dòng)器性能達(dá)到與進(jìn)口品牌等同的水準(zhǔn)。

(2) 液壓站中閘控品種多樣化 除原有的恒力矩 (二級制動(dòng)) 液壓站、高壓恒減速液壓站外，新開發(fā)了上提、下放二級制動(dòng)油壓可分別設(shè)定的中低壓雙設(shè)定值二級制動(dòng)液壓站，6.3 MPa 的恒減速液壓站，智能型高壓雙通道恒減速液壓站，智能型高壓三通道恒減速液壓站。

(3) 閘檢測系統(tǒng) 應(yīng)用于閘檢測系統(tǒng)的各類保護(hù)技術(shù)先進(jìn)、功能完善。以西門子 PLC 作為主控制器，配置高精度傳感器，完成對外部變量的采集、檢測值的內(nèi)部運(yùn)算、保護(hù)及報(bào)警功能輸出，可實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)閘盤間隙、溫度、偏擺以及制動(dòng)油壓值的動(dòng)態(tài)檢測。國內(nèi)某廠家開發(fā)的“礦井提升機(jī)智能恒減速電液制動(dòng)系統(tǒng)”通過鑒定。結(jié)論為：該系統(tǒng)具有制動(dòng)原理科學(xué)、智能化程度高、制動(dòng)性能優(yōu)越、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有效提高了礦井提升機(jī)安全運(yùn)行水平。系統(tǒng)整體達(dá)到了國際先進(jìn)水平，在制動(dòng)控制原理及方法上具有國際領(lǐng)先水平。

3 電動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展

用于提升系統(tǒng)的低速交流同步變頻電動(dòng)機(jī)、低速永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)步顯著。

(1) 低速交流同步變頻電動(dòng)機(jī) 目前國產(chǎn)電動(dòng)機(jī)額定功率已達(dá) 8 000 kW，額定轉(zhuǎn)速為 51 r/min，為國內(nèi)一線電動(dòng)機(jī)廠家制造，配套于遼寧本溪思山嶺JKM-6.75×4PⅣ 特大型提升機(jī)。根據(jù)市場需求，國內(nèi)廠家具備更大功率、轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造能力，且目前國產(chǎn)電動(dòng)機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了對進(jìn)口電動(dòng)機(jī)的替代。

(2) 低速永磁同步變頻電動(dòng)機(jī) 它具有節(jié)能、質(zhì)量輕、維護(hù)量少的優(yōu)點(diǎn)，在提升機(jī)中的應(yīng)用率顯著提高。該類電動(dòng)機(jī)功率已可達(dá) 5 000 kW，目前在提升機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用功率為 2 000 kW，具有廣闊的發(fā)展前景。

4 電氣控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

(1) 無人值守控制系統(tǒng)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦井提升從機(jī)房到井筒的全流程集中監(jiān)控和就地?zé)o人值守，減少了各環(huán)節(jié)操作間隙時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行效率至少提高了 5%，減員增效效果顯著。

(2) 智慧罐籠 該裝置可實(shí)現(xiàn)電梯式運(yùn)行模式，在罐內(nèi)選擇去向，具有操車控制及顯示功能，可與集控人員語音通話和視頻；具有罐內(nèi)人員識別和權(quán)限管理功能，罐籠及各中段上下區(qū)域圖像監(jiān)控和識別功能，以及罐籠鋼絲繩張力自動(dòng)檢測功能等。

(3) 低速直驅(qū)高壓變頻調(diào)速技術(shù) 國內(nèi)廠家的高壓級聯(lián)變頻器取得了顯著進(jìn)步。國內(nèi)廠家目前已掌握了低速直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)高性能矢量控制、零速懸?？刂频燃夹g(shù)，開發(fā)了 7 MW 級高性能四象限變頻器。與中壓三電平變頻器相比，它具有電流小、諧波小、單元故障可旁路運(yùn)行、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。它采用雙變頻器并聯(lián)方案，可滿足 7 000 kW 的電動(dòng)機(jī)配套要求。

(4) 低速直驅(qū)永磁變頻節(jié)能技術(shù) 國內(nèi)廠家開發(fā)的產(chǎn)品采用永磁電動(dòng)機(jī)最優(yōu)控制策略，自動(dòng)補(bǔ)償齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行功率等條件，智能切換控制方案，使系統(tǒng)始終工作在最優(yōu)狀態(tài)。該技術(shù)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速時(shí)過載能力強(qiáng)，高速時(shí)運(yùn)行效率高；永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置靜態(tài)辨識功能可靠性高，能夠結(jié)合編碼器自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置定位，精度高；內(nèi)置高精度永磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載觀測器，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩前饋控制，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)合高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，它實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)懸停功能，減小系統(tǒng)啟停機(jī)械沖擊；具有永磁電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)自學(xué)習(xí)功能，更加精確構(gòu)建永磁電動(dòng)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效、高性能運(yùn)行。目前，此類產(chǎn)品已取得近 20 臺的應(yīng)用業(yè)績。

5 其他配套輔機(jī)

(1) 鋼絲繩 新開發(fā)了用于主繩的 7 股繩，這是國內(nèi)礦業(yè)標(biāo)準(zhǔn)新增結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)是根據(jù)國外使用經(jīng)驗(yàn)專門為深井開采設(shè)計(jì)的，取代了傳統(tǒng)的 6×36 WS、抗旋轉(zhuǎn)和三角股等鋼絲繩。這種新型鋼絲繩具有 7 條外股，可提高圓度，減小振動(dòng)；壓實(shí)股增加了金屬面積；較多的表面暴露有助于肉眼檢查；加固芯(鋼＋PPC) 提高了徑向剛度；塑料涂層芯確保其穩(wěn)定性。

新開發(fā)了用于尾繩的新型平行夾扁鋼絲繩，它采用夾鉚釘方式進(jìn)行編織，相比傳統(tǒng)編織方式具有更好的耐磨性和抗裂性，從而延長鋼絲繩使用壽命。平行夾扁鋼絲繩的編織結(jié)構(gòu)使得股與股間相互牽制，增加了整體的穩(wěn)定性，可減少鋼絲繩的變形和松弛；編織方式使得鋼絲繩的承載能力得到提升。夾鉚釘?shù)募庸套饔每梢栽黾愉摻z繩的強(qiáng)度和剛度，使其能夠承受更大的拉力和負(fù)荷；鋼絲繩的股線更加牢固，不易松散，從而提高了使用安全性。平行夾扁鋼絲繩安裝后，不像編織扁鋼絲繩綁得緊，而是有適當(dāng)活動(dòng)空間，可以自動(dòng)調(diào)整平衡度，平直平穩(wěn)平整性能優(yōu)于編織扁鋼絲繩。

(2) 特大型罐籠、箕斗 國產(chǎn)廠家的最大罐籠尺寸 (長×寬×高) 為 10.8 m×3.8 m×13.8 m，載質(zhì)量可達(dá) 150 t，自重≤135 t，將配套應(yīng)用于陜煤曹家灘煤礦副井 JKM-6.5×8PⅣ 提升機(jī)；最大箕斗尺寸 (長×寬×高) 為 2.945 m×2.21 m×18.8 m，容積為 50 m3，載質(zhì)量可達(dá) 75 t，自重達(dá) 72 t，將配套應(yīng)用于紫金金沙鉬業(yè)沙坪溝鉬礦 JKM-6×6PⅣ 特大型提升機(jī)。

(3) 換繩車 該設(shè)備用于立井摩擦式提升機(jī)主繩、平衡圓尾繩、罐道繩等更換工作。采用機(jī)械化專用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)提升主繩自動(dòng)化更換，全程繩不落地，人員僅在井口連接繩頭，危險(xiǎn)作業(yè)由換繩車完成。該裝置用人少，用時(shí)短，勞動(dòng)強(qiáng)度低，已得到廣泛應(yīng)用。

(4) 雙碼擇繩調(diào)換智能保護(hù)裝置 該智能保護(hù)裝置應(yīng)用于立井摩擦提升礦井中，可實(shí)現(xiàn)滑繩溜車保護(hù)、雙碼擇繩調(diào)換、自動(dòng)卡繩等多功能，方便完成天輪、襯墊、軸瓦、容器等更換工作。此設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。

(5) 鋼帶式防過卷緩沖裝置 該裝置是集緩沖裝置、拖罐裝置、防撞梁為一體的多功能防過卷保護(hù)裝置，采用金屬材料的塑性變形吸能緩沖，使制動(dòng)平緩且無反彈。逆止鎖由提升容器的動(dòng)能直接驅(qū)動(dòng)，防止容器反向下滑，提高托罐可靠性。此設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。

6 重載、超深提升機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

重載、超深提升機(jī)有別于常規(guī)提升機(jī)，其具有典型特點(diǎn)，常規(guī)技術(shù)不足以解決重載、超深提升機(jī)的問題，因此針對重載、超深提升機(jī)，開發(fā)了一系列新的關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 重載、超深提升鋼絲繩的選型技術(shù) 超深、重載的多繩摩擦式提升機(jī)，提升鋼絲繩損壞機(jī)理為：在提升重載的加速階段，提升側(cè)鋼絲繩受力最大，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，提升鋼絲繩上部產(chǎn)生松捻和應(yīng)力集中，松捻后的鋼絲繩在經(jīng)過摩擦輪時(shí)承受彎曲應(yīng)力。如果鋼絲繩繩芯支承力不足，就會在松捻后彎曲時(shí)造成繩股變形和應(yīng)力集中加劇。當(dāng)鋼絲繩繞過摩擦輪后，松捻后的鋼絲繩會突然緊捻，造成鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力重新分配。在內(nèi)部應(yīng)力巨變的過程中，在經(jīng)過導(dǎo)向輪和天輪時(shí)，鋼絲繩又承受了反向彎曲應(yīng)力，反向彎曲加速了內(nèi)部鋼絲繩的損壞。另外，井筒深度的增加會帶來較大的交變應(yīng)力、腐蝕等，為此需從鋼絲繩抗扭轉(zhuǎn)、減小彎曲應(yīng)力、增加繩芯支撐力、延緩反向彎曲、加強(qiáng)防腐等多方面來提高鋼絲繩壽命?；谏鲜鲈?，超深、重載的多繩摩擦式提升機(jī)，廣泛選用了進(jìn)口多層抗旋轉(zhuǎn)壓實(shí)股注塑鋼絲繩。

(2) 載荷動(dòng)態(tài)電氣校核技術(shù) 通過在鋼絲繩與容器間安裝高精度張力傳感器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行前的張力及張力差實(shí)時(shí)精確測量，避免過載危險(xiǎn)，避免電動(dòng)機(jī)和變頻器過載，避免滑繩及機(jī)械疲勞，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和聯(lián)鎖保護(hù)，促進(jìn)礦井提升的高效和安全運(yùn)行。

(3) 鋼絲繩振動(dòng)控制技術(shù) 該技術(shù)通過變頻器鋼絲繩振動(dòng)控制功能，調(diào)控電動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)加/減速度變化率、轉(zhuǎn)矩變化可控調(diào)整，主動(dòng)抑制鋼絲繩振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

(4) 大型副井鎖罐技術(shù) 該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)裝卸載大件時(shí)罐籠的穩(wěn)定，通過主動(dòng)釋放鋼絲繩彈性伸長，不需要反向開動(dòng)絞車；選擇性使用雙補(bǔ)功能與鎖定功能，既保證正常提升時(shí)的高效率，又能保證裝卸載大件的高安全；搖臺閉鎖控制滿足解鎖不完全時(shí)，搖臺不能打開，罐籠不能運(yùn)行，杜絕搖臺誤操作對罐籠等設(shè)備的損壞。

(5) 高速平穩(wěn)停車控制技術(shù) 該技術(shù)具有零速懸停功能，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的減速度平穩(wěn)停車，實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)停車后抱閘，有效抑制停車時(shí)鋼絲繩和容器出現(xiàn)的縱向跳動(dòng)。

(6) 緊急制動(dòng)平緩控制技術(shù) 該技術(shù)采用嵌入式高性能芯片的全數(shù)字控制器，制動(dòng)控制精度高，可自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩建立時(shí)間，有效降低緊急制動(dòng)初期的設(shè)備沖擊，平滑減小進(jìn)入或退出恒減速的加速度變化率，消除制動(dòng)過程中鋼絲繩的彈性振動(dòng)。

7 結(jié)語

提升機(jī)是一套機(jī)、電、液、輔機(jī)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)如果存在問題，都會影響提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行。提升系統(tǒng)的各部件分屬不同的廠家生產(chǎn)制造，各廠家長期形成了合作共贏的關(guān)系，協(xié)同發(fā)展，促使我國的提升技術(shù)整體有了很大提升。

目前，很多部件如電動(dòng)機(jī)、容器、鎖罐搖臺、裝卸載系統(tǒng)等，不僅配套國內(nèi)提升機(jī)廠家，也逐步成為國外提升機(jī)廠家的配套選擇，國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升。但大功率變頻器仍是明顯短板，國產(chǎn)品牌與 ABB、西門子仍存在差距，這是國內(nèi)廠家需重點(diǎn)關(guān)注的研發(fā)方向。

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