礦井提升機應(yīng)急提升方法研究

張傳明，王正國，齊學(xué)海，梁 曉，夏勇波

1山東新巨龍能源有限責(zé)任公司 山東菏澤 274900 2洛陽中重自動化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039 3新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山東泰安 271200

礦 井提升系統(tǒng)用于在井筒中運輸人員、物料和 礦石，是井工開采礦山的咽喉設(shè)備[1]。當(dāng)井下工作面出現(xiàn)異常狀況時，礦井必須做出應(yīng)急響應(yīng)，利用提升機保障井下人員安全升井。一旦提升機無法正常運行，將嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)以及人員安全。礦山企業(yè)必須將安全生產(chǎn)放在第一位，解決礦井提升系統(tǒng)應(yīng)急運行問題一直是礦山企業(yè)面臨的重要議題。

從提升設(shè)備的控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)到制動系統(tǒng)，提高提升設(shè)備自身可靠性的方法有很多，如控制系統(tǒng)設(shè)計有局部故障時的故障開車模式；傳動系統(tǒng)設(shè)計有 2 套直流或變頻裝置，單套故障時切換為全載半速模式運行；液壓制動系統(tǒng)的安全制動回路為多路恒減速冗余等。筆者進(jìn)一步討論全礦停電或電動機故障等特殊情況下，原提升系統(tǒng)短時間內(nèi)無法恢復(fù)時，礦井可采用的應(yīng)急提升方法。

1 無動力重力下放

1.1 原理

無動力重力下放的原理如圖 1 所示。利用兩側(cè)容器的張力差，通過調(diào)整制動器的開閘壓力，將較重一側(cè)的提升容器慢速下放，較輕一側(cè)的容器慢速上升，到達(dá)預(yù)定位置后平穩(wěn)停車[2]。當(dāng)發(fā)生全礦停電、電動機損壞等故障，短時提升系統(tǒng)無法恢復(fù)正常運行，人員被困罐籠時，重力下放裝置可及時將罐籠移動到臨近的工作面，實現(xiàn)人員脫困。中信重工及 ABB 公司在國內(nèi)已有相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用案例。

圖1 重力下放工作原理Fig.1 Working principle of gravity lowering

重力下放是通過控制制動器壓力來控制速度，閘盤溫度會在運行中不斷上升，只適用于短時間內(nèi)幫助罐籠內(nèi)人員緊急脫困。為了保證運行安全，重力下放時，運行速度通?？刂圃?1 m/s 以下[3]。國內(nèi)多數(shù)應(yīng)用案例中，操作人員手動控制油壓來控制速度，操作難度較高，下放裝置運行速度不平穩(wěn)。相對而言，中信重工的重力下放裝置采用了速度-油壓雙閉環(huán)自動控制原理，更易操作。司機通過操作臺旋鈕或觸摸屏直接給定速度，經(jīng)過速度環(huán)和油壓環(huán) PID 自動調(diào)節(jié)，輸出油壓信號到盤形制動器，實現(xiàn)提升機按給定速度連續(xù)平穩(wěn)運行。

1.2 所需設(shè)備

重力下放功能的實現(xiàn)需要液壓系統(tǒng)、操作控制元件和應(yīng)急電源。ABB 公司一般將重力下放功能集成在其閘控系統(tǒng)中，利用閘控系統(tǒng)的液壓站和控制柜實現(xiàn)重力下放功能。中信重工除此之外，還有一種更適用于現(xiàn)場改造用的獨立重力下放裝置，它包括獨立的液壓站、小型操作臺和電池柜。液壓站與原系統(tǒng)液壓站通過管路上的開關(guān)手動切換；操作臺裝有速度-油壓雙閉環(huán)控制器，采用編碼器作為速度監(jiān)測元件；電池柜為操作臺和液壓站供電，能在全礦停電時使用。重力下放過程中，系統(tǒng)能時刻監(jiān)控速度和閘盤溫度等狀態(tài)，并具有過速、制動油壓高、電源故障、閘盤溫度超限等安全保護(hù)；從安全性考慮，為實現(xiàn)罐籠精確停車和過卷保護(hù)，系統(tǒng)還能準(zhǔn)確計算容器位置。

為滿足千米級深井重力下放運行時間較長的需求，如果采用應(yīng)急電源，應(yīng)按工作時長大于 2 h 來考慮；如果采用電池供電，應(yīng)設(shè)有電壓監(jiān)測或管理設(shè)備，避免在長期未使用情況下電池過放電產(chǎn)生損壞。

1.3 適用工況

無動力重力下放方法設(shè)備投入成本較低，可以解決特殊工況下被困罐籠人員的救援問題。但該方法僅適用于短時低速單次運行，解決不了類似全礦長時間停電、井下水位上升、需全員安全升井時，提升系統(tǒng)要在數(shù)小時內(nèi)往復(fù)持續(xù)運行的問題。重力下放也并不適用于所有礦井和工況，如提升系統(tǒng)兩側(cè)容器及載荷相近、出現(xiàn)張力平衡時，則存在無法運行的可能。

2 外動力應(yīng)急輔助提升

外動力應(yīng)急輔助提升是在電動機、電氣傳動裝置等出現(xiàn)故障或全礦斷電等極端工況下，采用新投入的外動力，用于連續(xù)安全升降人員的一種應(yīng)急救援方式。該輔助提升設(shè)備通常由機械傳動系統(tǒng)、輔助提升液壓系統(tǒng)、輔助提升電控系統(tǒng)、應(yīng)急電源組成。根據(jù)緊急救援時不同的載荷與速度需求，設(shè)計時要采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式。

2.1 機械傳動系統(tǒng)

2.1.1 齒圈傳動型

某煤礦在用提升機主機規(guī)格為 JKMD-4×4ZⅢ，應(yīng)急提升需求：罐籠乘坐 40 人，運行速度為 1.2 m/s，電動機功率計算為 90 kW。電動機功率較小，現(xiàn)場場地空間有限，設(shè)計采用齒圈傳動型機械結(jié)構(gòu) (見圖 2)，它包括大齒圈、小齒輪、減速器、電動機和底座等。

本文首先分析了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中目前存在的問題，設(shè)計了便于數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，提出在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺中用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來挖掘和分析在線學(xué)習(xí)時的音視頻數(shù)據(jù)，分析音視頻中的語言和表情，幫助教師對眾多學(xué)習(xí)者進(jìn)行察言觀色，讓教師可以把更多的精力應(yīng)用于教學(xué)。用機器學(xué)習(xí)技術(shù)來挖掘和分析學(xué)生的基本信息、學(xué)習(xí)日志信息、課程評價信息及練習(xí)考試中的錯題及成績。這樣一方面可以起到監(jiān)督學(xué)生的效果，另一方面還能根據(jù)學(xué)生的特點為其提供個性化的學(xué)習(xí)服務(wù)，為其提供用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建的個性化網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺。數(shù)據(jù)挖掘使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中的個性化學(xué)習(xí)成為可能，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方案和教學(xué)個體之間的精準(zhǔn)匹配將極大地提高學(xué)習(xí)效率。

圖2 齒圈傳動型應(yīng)急輔助提升結(jié)構(gòu)Fig.2 Emergency auxiliary hoisting mechanism driven by ring gear

齒圈傳動型機械結(jié)構(gòu)的工作原理：減速器輸出軸安裝有一個小齒輪，在提升機主軸裝置非傳動側(cè)制動盤內(nèi)緣處新增一個大齒圈；小齒輪與大齒圈平時脫開，應(yīng)急提升時通過滑軌將小齒輪與大齒圈嚙合，驅(qū)動提升機摩擦輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)提升機正常運轉(zhuǎn)。

受卷筒周邊安裝位置所限，此種機械結(jié)構(gòu)雖占地面積小，但傳動總功率受限，不能實現(xiàn)大載荷的提升。即使原提升設(shè)備主機規(guī)格較大，軸承座兩側(cè)空間均能安裝減速器和電動機，也僅能安裝 2 臺功率約為 90 kW 的電動機。

2.1.2 聯(lián)軸器型

為了滿足數(shù)噸到十幾噸的應(yīng)急提升載荷、以及更高的應(yīng)急提升速度的要求，可采用快速連接聯(lián)軸器型輔助提升機械結(jié)構(gòu) (見圖 3)，它包括聯(lián)軸器、齒輪箱、電動機等。

圖3 聯(lián)軸器型輔助提升結(jié)構(gòu)Fig.3 Auxiliary lifting mechanism with coupling

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司東副立井采用 1 臺中信重工 JKMD-5.5×4PⅢ落地式多繩摩擦式提升機，配功率為 3 000 kW、轉(zhuǎn)速為 35 r/min 低速交流變頻同步電動機，提升速度為 10 m/s，鋼絲繩最大靜張力差為 450 kN。應(yīng)急輔助提升需求：提升有效載荷 ≥10.8 t，提升速度 ≥ 3.5 m/s。應(yīng)急提升采用圖 3 所示的結(jié)構(gòu)，輔助提升電動機采用 1 臺異步變頻電動機，計算選型功率為 710 kW、轉(zhuǎn)速為 495 r/min、12 極，采用強迫風(fēng)冷散熱方式，自帶冷卻風(fēng)機，電壓等級 1 140 V，防護(hù)等級 IP55。

工作原理：在提升機主軸裝置的非傳動側(cè)引入一套由發(fā)電機組供電的驅(qū)動系統(tǒng)；主軸裝置非傳動側(cè)外伸軸 (低速端) 通過齒式聯(lián)軸器與減速器連接；電動機通過彈性柱銷聯(lián)軸器與行星減速器高速端連接。其中，主軸與減速器之間采用快速拆裝式齒式聯(lián)軸器，提升機正常運行時，輔助提升系統(tǒng)不投入運行，減速器與主軸聯(lián)軸器為脫開狀態(tài)[4]；當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急運行需求時，該齒式聯(lián)軸器可快速連接，輔助提升系統(tǒng)投入使用。

2.2 輔助提升液壓系統(tǒng)

應(yīng)急提升速度通常不快，輔助提升液壓系統(tǒng)可選用傳統(tǒng)的二級制動液壓站，即可長時間持續(xù)工作。為保證可靠性，液壓站應(yīng)設(shè)置兩套油泵裝置和電液比例調(diào)壓裝置，一套工作，一套備用。液壓站應(yīng)裝設(shè)壓力、溫度、液位等傳感器，以及并聯(lián)冗余的回油管路，滿足安全規(guī)程要求。

輔助提升液壓站與原提升機液壓站可采用閥臺轉(zhuǎn)換，應(yīng)有閉鎖功能。制動器采用原提升系統(tǒng)的制動器。

2.3 輔助提升電控系統(tǒng)

為滿足一段時間內(nèi)持續(xù)安全工作的可靠性，輔助提升電控系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足安全規(guī)程要求。主控采用主、從兩套 PLC 系統(tǒng)，配置冗余的位置、速度等監(jiān)測傳感器；有滿足手動/半自動/慢動操作方式可供選擇；具有數(shù)字行程監(jiān)控、系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)顯示及故障報警功能。此外，還應(yīng)具備以下功能：

(1) 供電回路電源開關(guān)監(jiān)視功能；

(2) 液壓系統(tǒng)、散熱風(fēng)機等輔助設(shè)備的控制及監(jiān)視功能；

(3) 與變頻器配合，實現(xiàn)速度、力矩的調(diào)節(jié)控制功能；

(4) 井筒中開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)視功能；

(5) 卷徑計算功能，以校正提升機深度計算系數(shù)；

(6) 提升機控制系統(tǒng)與提升信號相互閉鎖；

(7) 監(jiān)測及故障自診斷系統(tǒng)。

安全回路設(shè)計為硬件安全回路加軟件安全回路的多重化保護(hù)，滿足安全規(guī)程規(guī)定的保護(hù)及雙線制保護(hù)，過卷、超速及限速等保護(hù)采用主編碼器、從編碼器監(jiān)測等多線制保護(hù)。

變頻傳動系統(tǒng)采用閉環(huán)矢量控制的交-直-交變頻器。如果應(yīng)急電源為專用的柴油發(fā)電機，變頻器應(yīng)設(shè)計為能耗制動型，配置制動單元及滿功率的制動電阻，當(dāng)提升機負(fù)載重力方向與發(fā)電機運行方向一致時，發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)，此時可以通過制動單元將產(chǎn)生的能量釋放到制動電阻上。

2.4 應(yīng)急電源

礦山企業(yè)多數(shù)備有柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源，但礦井提升機是四象限運行設(shè)備，存在重物下放發(fā)電運行狀態(tài)[5]。如果柴油發(fā)電機同時為提升機和其他功率相近的設(shè)備供電，則下放發(fā)電時的電能可被電網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備所消耗，電網(wǎng)能夠保持穩(wěn)定；如果柴油發(fā)電機主要為提升系統(tǒng)供電，那么輔助提升變頻器應(yīng)設(shè)計為能耗制動型，將下放發(fā)電時的能量通過制動單元消耗在電阻上，以維持柴油發(fā)電機供電電壓的穩(wěn)定性，避免造成過壓停機。

與電動機直接啟動時電壓高、電流大、突加負(fù)載大的情況不同，變頻啟動加速過程中輸出端電流可控 (通常小于 2 倍電動機額定電流)，且輸出電壓逐步上升至電動機額定電壓，即總輸出功率逐步上升，但不會出現(xiàn)對柴油發(fā)電機造成突加負(fù)載大于 50% 的工況，柴油發(fā)電機容量選型略大于 2 倍電動機額定功率，既能滿足輔助提升運行工況需求，同時還能為操車控制、信號系統(tǒng)以及照明提供用電。

3 結(jié)論

無動力重力下放設(shè)備投資低，僅能用于罐內(nèi)人員的緊急救援，適用性較窄。外動力應(yīng)急輔助提升機構(gòu)可將重力下放功能集成于自身系統(tǒng)中，既能進(jìn)行滿載時的罐籠內(nèi)人員救援，也能夠?qū)崿F(xiàn)較輕載荷的連續(xù)提升運行，適用范圍更廣。其中，聯(lián)軸器型應(yīng)急輔助提升機構(gòu)占地面積較大，投資較高，適用于新建礦井；齒圈傳動型應(yīng)急輔助提升機構(gòu)占地面積小，投資較少，更適用于現(xiàn)有提升設(shè)備的改造，有更高的適用性和較廣的應(yīng)用前景。