李玉強(qiáng) 謝德凌

(1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西省長治市，046011；2.貴陽高原礦山機(jī)械股份有限公司，貴州省貴陽市，550000)

礦井提升機(jī)是連接井上和井下的“咽喉”要道，是運(yùn)送礦山物料、設(shè)備和人員的關(guān)鍵設(shè)備。礦井提升機(jī)的技術(shù)水平和可靠程度決定了礦井的生產(chǎn)效益和安全生產(chǎn)水平。礦井提升機(jī)的技術(shù)發(fā)展歷史悠久，驅(qū)動(dòng)方式從原始的牲畜力到蒸汽機(jī)，再到電力拖動(dòng)和現(xiàn)代自動(dòng)化控制的交—直流電機(jī)變頻控制直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。我國最初的提升設(shè)備是仿制前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)制造，后又發(fā)展到自行設(shè)計(jì)制造。1953年，撫順重型機(jī)器廠制造了我國第1臺(tái)單繩纏繞式雙筒提升機(jī)；1958年，洛陽礦山機(jī)器廠設(shè)計(jì)制造了我國第1臺(tái)井塔式JKM2×4多繩摩擦式提升機(jī)，1960年又設(shè)計(jì)生產(chǎn)了1臺(tái)井塔式 JKM3×4多繩摩擦式提升機(jī)，并逐漸形成批量生產(chǎn)能力，擺脫了依賴進(jìn)口的局面[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國生產(chǎn)或引進(jìn)的礦井提升設(shè)備約有12000臺(tái)，目前同時(shí)服役的礦井提升設(shè)備約有7000臺(tái)[2]。

目前，國內(nèi)外普遍使用的礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、制動(dòng)裝置、主軸裝置、液壓站、潤滑站、電控系統(tǒng)等組成。較先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)連接方式是去掉減速器用電動(dòng)機(jī)和主軸裝置直接相連接的直聯(lián)式礦井提升機(jī)。此類礦井提升機(jī)有減速器、聯(lián)軸器、潤滑站等環(huán)節(jié)，存在維護(hù)量大、傳動(dòng)效率低、設(shè)備安裝占地面積大、能耗高、基建投資大等問題?；诖?，研發(fā)了永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)。

1 永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)的應(yīng)用發(fā)展

永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)與傳統(tǒng)礦井提升機(jī)的傳動(dòng)形式不同，它是一種機(jī)電一體化的新型礦井提升機(jī)。其連接方式不是簡單地把電動(dòng)機(jī)裝在摩擦輪中，而是將機(jī)械和電氣部分融為一體，摩擦輪作為電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子，同時(shí)具有承載鋼絲繩載荷的雙重功能；電動(dòng)機(jī)定子與摩擦輪采用同軸同心布置，即摩擦輪的軸同時(shí)為電動(dòng)機(jī)定子的軸，轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)，摩擦輪和電動(dòng)機(jī)合二為一，電動(dòng)機(jī)處于2個(gè)主軸承正中間，減小了影響電動(dòng)機(jī)偏心距的因素，提高了運(yùn)行的安全可靠性。1988年，世界上第1臺(tái)內(nèi)裝式礦井提升機(jī)在德國豪斯·阿登礦的新魯姆貝格7號(hào)井投入運(yùn)行。該礦井提升機(jī)機(jī)械部分由德國的GHH公司制造，電控部分由西門子公司制造， 其摩擦輪直徑為6.5 m，電動(dòng)機(jī)額定功率為2200 kW。 該礦井提升機(jī)體現(xiàn)了較高的機(jī)電相互融合性和高度機(jī)電一體化，使提升機(jī)的傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段[3]。內(nèi)裝式礦井提升機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)安全可靠，當(dāng)制動(dòng)器失效后，電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，產(chǎn)生反方向制動(dòng)力矩，防止飛車事故的發(fā)生；

(2)節(jié)能高效，省去了減速器、聯(lián)軸器、潤滑站等中間環(huán)節(jié)，整機(jī)效率可達(dá)95%以上，綜合節(jié)電比傳統(tǒng)提升機(jī)節(jié)約37%以上，由于無中間環(huán)節(jié)，基本無故障；

(3)結(jié)構(gòu)緊湊，電動(dòng)機(jī)不需要安裝基礎(chǔ)，減小了機(jī)房占地面積，特別是對(duì)塔式礦井提升機(jī)而言，可降低井塔造價(jià)，減少基礎(chǔ)施工量30%，井下硐室相應(yīng)的空間小，投入硐室成本低；

(4)機(jī)械效率高，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直接傳遞給摩擦輪的筒殼，傳動(dòng)鏈短且傳動(dòng)效率高；

(5)改善主軸運(yùn)行條件，主軸裝置兩端受力對(duì)稱，使得主軸及軸承受力均勻，同時(shí)改善了主軸的剛度，不必采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子懸掛式結(jié)構(gòu)，減小了主軸的撓度，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙偏差減小，運(yùn)行更穩(wěn)定；

(6)機(jī)電一體化，只需維護(hù)電動(dòng)機(jī)，維護(hù)量小，運(yùn)行費(fèi)用較低。

既然機(jī)電一體結(jié)構(gòu)具有這么多明顯的優(yōu)點(diǎn)，那么為什么從1956年發(fā)明到1988年實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還要經(jīng)過32年的漫長時(shí)間才成功呢？原因就是當(dāng)時(shí)大型提升機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能采用慢速直流電機(jī)，它的整流子需要經(jīng)常維護(hù),不適宜裝到滾筒中去；更何況讓整流子作為轉(zhuǎn)子的一部分去與滾筒結(jié)成一體，是不可能實(shí)現(xiàn)的[4]。

一段時(shí)間以來，內(nèi)裝式礦井提升機(jī)的缺點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格昂貴，2005年，原國投新集能源股份有限公司劉莊礦引進(jìn)的2套井塔式4.65×6內(nèi)裝式礦井提升機(jī)，當(dāng)時(shí)的費(fèi)用高達(dá)2億多元。我國使用的內(nèi)裝式礦井提升機(jī)均為國外高價(jià)全套引進(jìn)，如開灤集團(tuán)東歡坨礦副井1994年引進(jìn)1臺(tái)落地式4.3 m礦井提升機(jī)；永夏礦區(qū)陳四樓礦主井 1996年引進(jìn)1臺(tái)落地式4 m礦井提升機(jī)，均為德國西瑪格公司制造。內(nèi)裝式礦井提升機(jī)只是礦井提升機(jī)發(fā)展中的一個(gè)新的形式，是機(jī)械和電氣完美的結(jié)合，隨著關(guān)鍵核心技術(shù)的不斷突破與應(yīng)用，它將逐步取代直聯(lián)式礦井提升機(jī)。在國內(nèi)，貴州高原礦山機(jī)械有限公司率先研發(fā)和應(yīng)用內(nèi)裝式礦井提升機(jī)填補(bǔ)了國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用的空白，并達(dá)到了國際先進(jìn)水平，逐步替代進(jìn)口礦井提升機(jī)。

2 永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)原理及設(shè)備構(gòu)成

永磁礦井提升機(jī)主要采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)原理制成，永久性磁鐵置于滾筒內(nèi)壁，作為永磁電機(jī)外轉(zhuǎn)子。內(nèi)定子工作繞組線圈裝于提升機(jī)主軸上，滾筒通過兩側(cè)腹板、軸承與主軸連接，并固定在軸承座上，永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)需要，可設(shè)計(jì)成16～100極的永磁體，電壓等級(jí)有380 V、660 V、1140 V、3 kV、 6 kV 、10 kV系列,功率有90～10000 kW系列，額定頻率為0.01～20 Hz系列的低頻永磁礦井提升機(jī)。它的工作原理為：外轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上安裝有N極(綠色)和S極(黃色)永磁體磁極，內(nèi)定子繞組通電后產(chǎn)生三相的旋轉(zhuǎn)磁場，三相對(duì)稱電流合成旋轉(zhuǎn)磁場與外轉(zhuǎn)子永久磁體產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生扭矩力，利用磁力帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由同步驅(qū)動(dòng)裝置控制，通過調(diào)節(jié)頻率控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻控制，永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示。

1-支撐座;2-主軸;3-散熱器進(jìn)風(fēng)口;4-滾筒;5-制動(dòng)器;6-制動(dòng)盤;7-永磁體;8-定子;9-滾子軸承;10-提升鋼絲繩

圖2 永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)是對(duì)傳統(tǒng)礦井提升機(jī)的傳動(dòng)方式進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，直接將永磁電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于滾筒，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)提升機(jī)的重大技術(shù)變革。它由主軸、支撐座、有繞組定子鐵心、滾筒組件(單繩和多繩)、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)子裝配組件、冷卻系統(tǒng)、液壓站、制動(dòng)系統(tǒng)、電控裝置等組成，永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)系統(tǒng)組成如圖3所示。

3 永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用日新月異，已經(jīng)成熟應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場的關(guān)鍵核心技術(shù)如下所述。

(1)提升容器的懸停技術(shù)。該技術(shù)是在盤式制動(dòng)器不施加制動(dòng)力的情況下，永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)可在任意工作速度下把滿載重物的提升容器懸停在任意位置而不下滑，這樣可以使永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)在滿載的狀態(tài)下先打開盤式制動(dòng)器，電控系統(tǒng)在檢測到盤式制動(dòng)器完全打開的情況下，按照給定速度運(yùn)行，減少提升沖擊。

1-液壓站；2-冷卻系統(tǒng)；3-制動(dòng)器；4-有繞組定子鐵心；5-滾筒組件

(2)電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)是在電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，可以精確識(shí)別到電動(dòng)機(jī)的相位角，并準(zhǔn)確識(shí)別出電動(dòng)機(jī)的電阻值、電感值等相關(guān)參數(shù)，達(dá)到永磁電機(jī)的最佳控制狀態(tài)。這樣可以解決更換編碼器和變頻器后重新找磁極相位角的問題。

(3)防止磁鋼退磁消磁技術(shù)。雖然磁鋼采用號(hào)稱“磁王”的釹鐵硼永磁體，退磁或消磁的可能性較小(經(jīng)研究論證，該磁鋼自然退磁率100年為0.2%左右)。但為了確保萬無一失，必須采取措施確保磁鋼永遠(yuǎn)不會(huì)退磁或失磁。為了防止磁鋼在高溫下退磁或失磁，當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到60℃時(shí)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)；為了防止大電流時(shí)失去磁性，使磁鋼擁有足夠的退磁安全系數(shù)，必須使退磁電流大于電動(dòng)機(jī)額定電流的5倍以上，供電驅(qū)動(dòng)裝置最大電流大于電動(dòng)機(jī)額定電流的2倍以上；為了防止永磁體化學(xué)腐蝕退磁，在永磁體表面采取鍍鎳處理；為防止振動(dòng)消磁，永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)安裝使用要求振動(dòng)小于1.8 mm/s2，并且加裝振動(dòng)傳感器。

(4)散熱技術(shù)。為了確保永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)在最佳溫度下工作，需要采取散熱措施。目前常用的散熱技術(shù)有風(fēng)冷和水冷2種方法。風(fēng)冷是通過冷卻風(fēng)機(jī)產(chǎn)生流動(dòng)的冷氣體使定子繞組線圈產(chǎn)生的熱量帶到電機(jī)外部。水冷是冷卻介質(zhì)通過冷卻站、冷卻管道、定子冷卻腔，將電動(dòng)機(jī)熱量帶至冷卻站進(jìn)行冷卻。2種冷卻方式一般設(shè)定為60℃以上才開啟冷卻系統(tǒng)。永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)風(fēng)冷式系統(tǒng)如圖4所示。

1-出風(fēng)口過濾網(wǎng)；2-內(nèi)定子；3-外轉(zhuǎn)子；4-風(fēng)筒；5-離心風(fēng)機(jī)

4 永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢

通過在國內(nèi)主力生產(chǎn)礦井的使用情況數(shù)據(jù)采集，經(jīng)第三方評(píng)估機(jī)構(gòu)、國內(nèi)煤機(jī)行業(yè)和科研院所專家組分析論證對(duì)比，永磁內(nèi)裝式提升機(jī)(型號(hào)為JKN-3x2.2P)較傳統(tǒng)礦井提升機(jī)(型號(hào)為JN-3x2.2P)在同樣大小尺寸的情況下對(duì)比來看，在許多關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)上有優(yōu)勢，最顯著的特點(diǎn)是較傳統(tǒng)提升機(jī)使用電流下降1/3，效率提高近1/4，節(jié)能環(huán)保、噪音小、占地面積小、施工周期短且調(diào)速精度大幅度提高。具體技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 永磁內(nèi)裝式提升機(jī)與傳統(tǒng)提升機(jī)使用參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語

目前我國永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)技術(shù)發(fā)展已達(dá)到國際先進(jìn)水平，并成功在國內(nèi)生產(chǎn)礦井進(jìn)行推廣應(yīng)用，如永煤集團(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)、內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)等，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)技術(shù)的應(yīng)用是礦井提升系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢，應(yīng)用前景廣闊，對(duì)綠色礦井開采提供了節(jié)能、可靠和安全的技術(shù)保證。同時(shí)，可以讓礦井開采變得更加節(jié)能高效和自動(dòng)化，大大節(jié)省能源消耗，提高煤礦開采的安全性、可靠性和節(jié)能性，減少安全事故的發(fā)生。