应急提升辅助驱动系统在千米深井提升机的应用_赵光辉.pdf

第 51 卷 2023 年第 2 期编辑安秀清提运17应急提升辅助驱动系统在千米深井提升机的应用赵光辉1,2，郭空斐1,2，徐永福1,2，刘坤良1,21洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳4710392智能矿山重型装备全国重点实验室河南洛阳471039摘要：针对千米深井大载荷、大惯量的提升特点，提出了一种外动力应急提升辅助驱动系统。该系统可在全矿停电或主传动系统失效时，通过在非传动侧引入一套由发电机组供电的传动装置，带动卷筒实现被困人员的安全升井。以 JKMD-5.54 摩擦式提升机为例，对关键部件如应急电动机、减速器进行了选型计算，并配套该应急提升辅助驱动系统在实际项目中进行了应用。关键词：千米深井；矿井提升机；应急提升；辅助驱动系统中图分类号：TD534+.5文献标志码：B文章编号：1001-3954(2023)02-0017-04Application of emergency hoisting auxiliary drive system on hoist in kilometer deep mineZHAO Guanghui1,2,GUO Kongfei1,2,XU Yongfu1,2,LIU Kunliang1,21Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co.,Ltd.,Luoyang 471039,Henan,China2State Key Laboratory of Intelligent Mining Heavy Equipment,Luoyang 471039,Henan,ChinaAbstract：According to the hosting features of large load and large inertia in the kilometer deep mine,an exogenetic force emergency hoisting auxiliary drive system was proposed.At the time of the power being off or the main drive system failing,a drive system powered by generator was introduced from the non-drive side to drive the drum,so as to realize the safe hoisting of trapped personnel.Moreover,JKMD-5.54 friction hoist was taken as the example,the sizing calculation of the critical components such as the emergency motor and the reducer was conducted,and the emergency hoisting auxiliary drive system was applied to actual project.Key Words：kilometer deep mine;mine hoist;emergency hoisting;auxiliary drive system矿 井提升机是矿山的重要“咽喉”设备，承担着 矿物的提升、人员的上下、材料和设备的运送任务1。近年来，随着经济社会发展对矿物资源需求的快速上升，市场对大型化、重载化、成套化超千米深井2提升设备的需求日益增多。与此同时，设备故障导致矿工被困井下的事件时有发生。究其原因，部分是由于全矿停电或主传动系统损坏，提升机停止运行，此时提升容器滞留在井筒中。倘若为提人的罐笼，则相当危险3，轻则矿工被困无法升井，重则还会造成重大的人员伤亡。如何提高矿井提升机运行时的安全性与可靠性，越来越引起国家应急管理部门以及各地政府的重视。在此形势下，开发一种极端工况下，用于安全升降人员的应急提升辅助驱动系统显得越来越重要。目前，常用的应急提升方法有无动力下放型4、齿圈传动外动力型5两种，无动力下放型适用于低速单次运行，运行速度多为 1 m/s；齿圈传动外动力型受安装位置和结构的限制，电动机功率较小，不能实现大载荷的应急提升。针对超千米深井大载荷、大惯量的提升特点，我公司设计了一种非传动侧应急提升辅助驱动系统。基金项目：河南省重点研发专项(221111220500)作者简介：赵光辉，男，1990 年生，工程师，主要从事矿井提升机的设计与研发工作。DOI:10.16816/ki.ksjx.2023.02.006第 51 卷 2023 年第 2 期编辑安秀清提运181辅助驱动系统原理应急提升辅助驱动系统是在电动机、变频器等出现故障或全矿突然断电等极端工况下，用于安全升降人员的一种应急救援设施，可满足千米深井提升速度及载荷的需求。它由应急传动装置、应急液压站、应急电控系统等组成，原理如图 1 所示。半联轴器及若干个螺栓、防尘密封圈组成。它传递转矩大，并具有补偿安装时两轴的微量偏斜及不同心的功能，安装难度底，维护工作量少。传递转矩依靠连接螺栓完成，拆掉该螺栓，即可方便地将联轴器完全脱开。电动机与减速器之间采用弹性柱销联轴器连接。该联轴器主要由一个整体外套、弹性棒销和两个半联轴器组成。联轴器传递的转矩顺序为：一侧的半联轴器本侧的弹性棒销整体外套另一侧的弹性棒销另一侧的半联轴器。弹性棒销受到的是挤压作用，而其他一般棒销类联轴器的棒销受到的是剪切作用，相比之下，前种结构的弹性棒销具有冲击小、噪声小、寿命长、安全可靠等特点。伞齿轮为两瓣式，与信号接口装置中的伞齿轮啮合，用于安装测速发电机、编码器等元器件，为电控系统提供提升机的速度和位置信号。2.2应急液压站应急液压站是辅助驱动系统的安全和控制部件，与盘形制动器、电控柜组合成为一套完整的应急液压系统，原理如图 3 所示。应急液压站通过管路连接到主制动系统的油路中，应急模式下，可以为盘形制动器提供压力可调节1.应急传动装置2.卷筒3.制动器4.主传动系统5.应急液压站6.柴油发电动机组7.应急电控系统8.提升容器图 1辅助驱动系统的原理Fig.1 Principle of auxiliary drive system1.应急电动机2.弹性柱销联轴器3.减速器4.鼓形齿式联轴器5.伞齿轮6.卷筒图 2应急传动装置的结构 Fig.2 Structure of emergency drive device1.盘形制动器2.管路3.主液压站4.管路接头5.球阀6.应急液压站图 3应急液压系统的原理Fig.3 Principle of emergency hydraulic system正常工作时，提升机由主传动系统驱动，以完成正常提升或下放提升容器的工作，此时应急传动装置处于脱开状态。当全矿停电或主传动系统损坏且短时间无法恢复，井下矿工需要紧急升井时，就需要使用应急辅助驱动系统。首先，将鼓形齿式联轴器快速连接，应急传动装置投入使用；随后，启动应急电源(柴油发电动机组)给应急液压站及电控系统供电，待电压稳定后，通过应急液压站使提升机盘形制动器松闸；最后，缓慢启动应急电控系统，卷筒转动带动提升容器安全升井。2辅助驱动系统构成2.1应急传动装置应急传动装置布置在提升机卷筒的非传动侧，与主传动系统之间设置手动脱开式鼓形齿式联轴器，主要由鼓形齿式联轴器、减速器、弹性柱销联轴器、应急电动机、伞齿轮组成，结构如图 2 所示。减速器为行星齿轮减速器，采用渗碳淬火硬齿面渐开线齿轮传动，具有体积小、质量轻、承载能力大、传动效率高、工作平稳、噪声低等优点。卷筒的非传动侧外伸轴与减速器之间采用鼓形齿式联轴器连接。该联轴器主要由内齿圈、外齿轴套、第 51 卷 2023 年第 2 期编辑安秀清提运19的高压油，使提升机在紧急工况下获得不同的制动力矩。应急液压站与主液压站之间通过球阀进行切换，同时具有闭锁功能。应急液压站主要特点和优势如下：(1)采用进口电液比例阀，滞环、线性度和重复精度较优；(2)采用恒压变量柱塞泵，噪声小、发热少；(3)配备电加热器、压力传感器和温度传感器，环境适应能力强；(4)采用囊式蓄能器，响应速度快，结构简单可靠；(5)优化了液压回路，精简了元件，故障率低。2.3应急电控系统应急电控系统主要由柴油发电机、配电柜、变频柜及配套传感器等组成，原理如图 4 所示。应急电控系统采用柴油发电机，它能满足提升系统各种运行工况需求，同时为辅助驱动控制系统、变频器控制系统、井口与井底操车信号系统、井口与井底照明提供用电，并预留一定容量。系统采用主、从双 PLC 设计6，两套 PLC 通过网络通信交换运行数据，配置冗余功能，具有数字量、模拟量、高速计数等数据采集及处理功能。3选型计算山东某公司东副立井采用 JKMD-5.54P 落地式多绳摩擦式提升机，提升高度为 1 011.8 m，配套中信重工生产的应急提升辅助驱动系统。笔者以此项目为例，介绍辅助驱动系统主要部件的选型计算。该项目所用提升机的主要技术参数如表 1 所列。3.1应急电动机选型(1)系统总的转动惯量 JmDmmmmDddd1d2d3d4=+4422()=2 221 212 kg/m2。(1)(2)卷筒转矩根据动量矩定理dddftJMmgFF R=+()，(2)其中 =v/R，dv/dt=a。卷筒转矩M筒=J amgFF RRdf+()2=408 406 N m。(3)(3)电动机功率PMnK=9 550=693 kW，(4)式中：n 为卷筒转速，r/min；K 为实际使用系数，取 1.2；为功率传递系数，取 0.9。根据计算结果，选择电动机参数为：额定功率为 710 kW，额定转速为 495 r/min，额定电压为 1 140 V。3.2减速器选型(1)卷筒转速辅助提升的最大速度为 3.5 m/s，则卷筒的最大转速nvDmax=60=12.15 r/min。(5)(2)减速器速比inn=40 74.。(6)(3)减速器转矩克服系统惯量及阻力所需的启动力矩MkPn19 550=47.1 kN m，(7)式中：k 为功率损耗系数，取 0.02；P主 为主传动系统电动机功率，P主=3 000 kW。静力矩MFD22=291 kN m。(8)图 4应急电控系统的原理Fig.4 Principle of emergency electric control system表 1JKMD-5.54 型提升机的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of JKMD-5.54 hoist参数类型摩擦轮直径 D/mm钢丝绳最大静张力 F1/kN钢丝绳最大静张力差 Fmax/kN辅助提升最大载荷 m/kg系统其他不平衡力 F/kN系统摩擦力 Ff/kN辅助提升最大速度 v/(ms-1)辅助提升最大加速度 a/(ms-2)主轴装置变位质量 md1/kg天轮装置变位质量 md2/kg主电动机变位质量 md3/kg提升容器及钢丝绳变位质量 md4/kg数值5 50057018010 8003.3103.50.136 60016 000210 000215 114主电动机第 51 卷 2023 年第 2 期编辑安秀清提运20减速器额定输出转矩M减=f1 Sf(M1+M2)=763 kN m，(9)式中：f1 为设备使用系数，取 1.6；Sf 为可靠性系数，取 1.4。根据计算结果，选择减速器参数为：名义速比为 40.74，额定输出转矩为 763 kN m。4结语中信重工设计开发的应急提升辅助驱动系统已在某项目中得到应用。该系统的提升载荷为 10.8 t，应急提升速度为 3.5 m/s，可以满足千米深井应急提升需求。此外，提升机正常工作时，该系统处于脱开状态，不影响主传动系统运行；当出现应急运行需求时，能够快速切换到辅助驱动运行模式。新系统的开发，对于提高提升系统的运行安全性