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礦井提升機的最新技術發展
發布時間：
2024-12-06
來源：
礦井提升機的最新技術發展
圍繞礦山提升技術的快速發展，闡述了提升裝備在大型化、結構設計、液壓制動系統、控制與傳動系統等方面的技術創新，推動了重載、超深提升機的多項關鍵技術突破；介紹了與提升機配套的主要輔機設備在新技術、新工藝、新材料方面的應用；指出了大功率變頻器是國內廠家需重點關注的研發方向之一。
提升機是礦井的主要設備，用于升降人員和物料。按照工作原理，提升機可分為單繩纏繞式和多繩摩擦式。
礦井提升裝備由主機、閘控系統、電動機、電控系統四部分組成，還包括其他配套輔機。近年來，隨著礦山超深、重載、高速需求的增多，礦井提升機大型化發展迅速，各組成部分都取得了顯著的技術進步，國內多座礦山已經使用了大型、特大型提升機。本研究主要從主機技術、閘控技術、電動機技術、電氣控制以及其他輔機方面介紹提升設備的最新技術進展。
1 主機技術發展
1.1 大型化
隨著提升設備的大型化，相關單位及時修訂了主要類別礦井提升機的產品標準，增補了大型規格，且許多大規格提升產品已投入運行，如表1 所列。
表1 大型提升機使用典型案例
(1) 單繩纏繞式提升機 2018 年 10 月 1 日開始實施的 GB/T 20961—2018《單繩纏繞式礦井提升機》，是修訂標準。該標準將單筒最大規格增加到JK-5×3.5，雙筒最大規格增加到 2JK-6×2.5。目前實際投運的單筒提升機最大規格為 JK-5×2.4，雙筒提升機最大規格為 2JK-6×2.4。
(2) 多繩摩擦式提升機 2024 年 7 月 1 日開始實施的 GB/T 10599—2023《多繩摩擦式提升機》，是修訂標準。該標準將落地式最大規格增加到 JKMD-7.5×6，井塔式最大規格增加到 JKM-7.5×8，并且同規格產品的提升能力有了顯著增加。目前實際投運的落地式提升機最大規格為 JKMD-6.2×4，井塔式最大規格為 JKM-6.75×6。
(3) 鑿井提升機 2015 年 10 月 1 日開始實施的JB/T 12193—2015《鑿井提升機》，為首次制訂標準。其中單筒鑿井提升機最大規格為 JKZ-5.5×5，雙筒鑿井提升機最大規格為 2JKZ-5.5×4。目前實際投運的單筒鑿井提升機最大規格為 JKZ-5.5×3，雙筒鑿井提升機最大規格為 JKZ-5×3。
(4) 井下防爆提升絞車和提升機 2017 年 7 月1 日開始實施的 JB/T 13006—2017《井下電器防爆單繩纏繞式礦井提升機和礦用提升絞車》，為首次制訂標準。該標準以“井上提升絞車和提升機的繩徑比(D/d) 為 80，而井下提升機可以降至 60”為突破口，使井下提升絞車和提升機的提升能力大幅度增加。該標準中單筒最大規格為 JKB-4.5×3，雙筒最大規格為2JKB-5×2.3。目前實際投運的單筒最大規格為 JKB-4×2.4，雙筒最大規格為 2JKB-3.5×2。
1.2 結構創新
(1) 特大型剖分結構摩擦輪、天輪、導向輪的開發 受運輸所限，大直徑提升機的摩擦輪、天輪、導向輪都采用剖分結構，即分體發貨、現場組裝。各廠家剖分結構不盡相同，但基本遵循“精準定位+可靠連接”的原則，通過定位銷將兩瓣結構準確定位，通過高強度螺栓連接。目前已生產了摩擦輪直徑為 6.75、6.50、6.20 m，天輪直徑為 6.2、6.0 m，導向輪直徑為 6 m 等一系列產品。
(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升級技術，消除了軸瓦螺母剪斷、異響的故障，延長了天輪壽命。
(3) 滾動軸承支承游動輪的多繩天輪裝置將游動天輪的支撐由軸瓦改為滾動軸承的新型天輪裝置，降低了旋轉阻力，避免了軸瓦磨損，減少了加油的維護工作量。
(4) 采用高速銑刀的多繩提升機銑槽裝置 采用高速銑刀主動銑削模式，代替原有車刀被動車削模式，提高了繩槽處理效率和精度，平衡了張力。
(5) 應用剖分式滾動軸承 靠近電動機端采用剖分式滾動軸承，可在更換或維護軸承時，不需拆裝電動機，減少了停機時間。此技術還可對老提升產品進行改造。國內某廠家 2015 年對河北北洺河鐵礦 JKM-3.5×6ZⅢ提升機進行了傳動端軸承改造，利用原有軸承座，將整體滾動軸承更換為剖分滾動軸承。改造后，設備一直穩定運行至今。
(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，可準確、定時、定量、可靠地對各潤滑點進行集中自動潤滑，既保證了潤滑效果，也降低了維護工作量。
(7) 高比壓摩擦襯墊 針對超深、重載摩擦式提升機，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課題“深豎井大噸位高速提升裝備與控制關鍵技術”，國內某廠家成功開發了新型高比壓摩擦襯墊，并通過實驗室檢測和第三方檢測驗證。襯墊比壓可由原來的 2.0 MPa 提升為 2.5 MPa。
(8) 應急提升系統 這是一套獨立于主提升系統的輔助系統，在主提升設備故障或全礦停電的極端狀態下，可以實現人員安全升井。此產品既可應用于多繩摩擦式提升機，也可應用于單繩纏繞式提升機。
2 閘控系統技術發展
(1) 盤形制動器 國內廠家新開發了正壓力為125、150、200、250 kN 的制動器，并取得應用。國產制動器碟形彈簧、密封圈、管接頭采用國際知名品牌，并采用精密鑄造、數控加工、鏡面磨削等技術，其制動器性能達到與進口品牌等同的水準。
(2) 液壓站中閘控品種多樣化 除原有的恒力矩 (二級制動) 液壓站、高壓恒減速液壓站外，新開發了上提、下放二級制動油壓可分別設定的中低壓雙設定值二級制動液壓站，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 應用于閘檢測系統的各類保護技術先進、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、檢測值的內部運算、保護及報警功能輸出，可實現對提升機閘盤間隙、溫度、偏擺以及制動油壓值的動態檢測。國內某廠家開發的“礦井提升機智能恒減速電液制動系統”通過鑒定。結論為：該系統具有制動原理科學、智能化程度高、制動性能優越、安全可靠性高等優點，有效提高了礦井提升機安全運行水平。系統整體達到了國際先進水平，在制動控制原理及方法上具有國際領先水平。
3 電動機技術發展
用于提升系統的低速交流同步變頻電動機、低速永磁同步變頻電動機進步顯著。
(1) 低速交流同步變頻電動機 目前國產電動機額定功率已達 8 000 kW，額定轉速為 51 r/min，為國內一線電動機廠家制造，配套于遼寧本溪思山嶺JKM-6.75×4PⅣ 特大型提升機。根據市場需求，國內廠家具備更大功率、轉矩電動機設計、制造能力，且目前國產電動機基本實現了對進口電動機的替代。
(2) 低速永磁同步變頻電動機 它具有節能、質量輕、維護量少的優點，在提升機中的應用率顯著提高。該類電動機功率已可達 5 000 kW，目前在提升機上的實際應用功率為 2 000 kW，具有廣闊的發展前景。
4 電氣控制系統技術發展
(1) 無人值守控制系統該系統實現了礦井提升從機房到井筒的全流程集中監控和就地無人值守，減少了各環節操作間隙時間，系統運行效率至少提高了 5%，減員增效效果顯著。
(2) 智慧罐籠 該裝置可實現電梯式運行模式，在罐內選擇去向，具有操車控制及顯示功能，可與集控人員語音通話和視頻；具有罐內人員識別和權限管理功能，罐籠及各中段上下區域圖像監控和識別功能，以及罐籠鋼絲繩張力自動檢測功能等。
(3) 低速直驅高壓變頻調速技術 國內廠家的高壓級聯變頻器取得了顯著進步。國內廠家目前已掌握了低速直驅同步電動機高性能矢量控制、零速懸停控制等技術，開發了 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、單元故障可旁路運行、性價比高的優點。它采用雙變頻器并聯方案，可滿足 7 000 kW 的電動機配套要求。
(4) 低速直驅永磁變頻節能技術 國內廠家開發的產品采用永磁電動機最優控制策略，自動補償齒槽轉矩脈動，根據負載轉矩、轉速、運行功率等條件，智能切換控制方案，使系統始終工作在最優狀態。該技術啟動轉矩大，低速時過載能力強，高速時運行效率高；永磁電動機轉子位置靜態辨識功能可靠性高，能夠結合編碼器自動實現轉子位置定位，精度高；內置高精度永磁電動機負載觀測器，進行轉矩前饋控制，提高系統動態響應。結合高動態響應特點，它實現了提升機懸停功能，減小系統啟停機械沖擊；具有永磁電動機關鍵參數自學習功能，更加精確構建永磁電動機模型，實現系統高效、高性能運行。目前，此類產品已取得近 20 臺的應用業績。
5 其他配套輔機
(1) 鋼絲繩 新開發了用于主繩的 7 股繩，這是國內礦業標準新增結構。此種結構是根據國外使用經驗專門為深井開采設計的，取代了傳統的 6×36 WS、抗旋轉和三角股等鋼絲繩。這種新型鋼絲繩具有 7 條外股，可提高圓度，減小振動；壓實股增加了金屬面積；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定性。
新開發了用于尾繩的新型平行夾扁鋼絲繩，它采用夾鉚釘方式進行編織，相比傳統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構使得股與股間相互牽制，增加了整體的穩定性，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。夾鉚釘的加固作用可以增加鋼絲繩的強度和剛度，使其能夠承受更大的拉力和負荷；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，而是有適當活動空間，可以自動調整平衡度，平直平穩平整性能優于編織扁鋼絲繩。
(2) 特大型罐籠、箕斗 國產廠家的最大罐籠尺寸 (長×寬×高) 為 10.8 m×3.8 m×13.8 m，載質量可達 150 t，自重≤135 t，將配套應用于陜煤曹家灘煤礦副井 JKM-6.5×8PⅣ 提升機；最大箕斗尺寸 (長×寬×高) 為 2.945 m×2.21 m×18.8 m，容積為 50 m3，載質量可達 75 t，自重達 72 t，將配套應用于紫金金沙鉬業沙坪溝鉬礦 JKM-6×6PⅣ 特大型提升機。
(3) 換繩車 該設備用于立井摩擦式提升機主繩、平衡圓尾繩、罐道繩等更換工作。采用機械化專用設備，實現提升主繩自動化更換，全程繩不落地，人員僅在井口連接繩頭，危險作業由換繩車完成。該裝置用人少，用時短，勞動強度低，已得到廣泛應用。
(4) 雙碼擇繩調換智能保護裝置 該智能保護裝置應用于立井摩擦提升礦井中，可實現滑繩溜車保護、雙碼擇繩調換、自動卡繩等多功能，方便完成天輪、襯墊、軸瓦、容器等更換工作。此設備已得到廣泛應用。
(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裝置，采用金屬材料的塑性變形吸能緩沖，使制動平緩且無反彈。逆止鎖由提升容器的動能直接驅動，防止容器反向下滑，提高托罐可靠性。此設備已得到廣泛應用。
6 重載、超深提升機的關鍵技術
重載、超深提升機有別于常規提升機，其具有典型特點，常規技術不足以解決重載、超深提升機的問題，因此針對重載、超深提升機，開發了一系列新的關鍵技術。
(1) 重載、超深提升鋼絲繩的選型技術 超深、重載的多繩摩擦式提升機，提升鋼絲繩損壞機理為：在提升重載的加速階段，提升側鋼絲繩受力最大，在扭轉應力作用下，提升鋼絲繩上部產生松捻和應力集中，松捻后的鋼絲繩在經過摩擦輪時承受彎曲應力。如果鋼絲繩繩芯支承力不足，就會在松捻后彎曲時造成繩股變形和應力集中加劇。當鋼絲繩繞過摩擦輪后，松捻后的鋼絲繩會突然緊捻，造成鋼絲繩內部應力重新分配。在內部應力巨變的過程中，在經過導向輪和天輪時，鋼絲繩又承受了反向彎曲應力，反向彎曲加速了內部鋼絲繩的損壞。另外，井筒深度的增加會帶來較大的交變應力、腐蝕等，為此需從鋼絲繩抗扭轉、減小彎曲應力、增加繩芯支撐力、延緩反向彎曲、加強防腐等多方面來提高鋼絲繩壽命。基于上述原因，超深、重載的多繩摩擦式提升機，廣泛選用了進口多層抗旋轉壓實股注塑鋼絲繩。
(2) 載荷動態電氣校核技術 通過在鋼絲繩與容器間安裝高精度張力傳感器，實現運行前的張力及張力差實時精確測量，避免過載危險，避免電動機和變頻器過載，避免滑繩及機械疲勞，實現監控和聯鎖保護，促進礦井提升的高效和安全運行。
(3) 鋼絲繩振動控制技術 該技術通過變頻器鋼絲繩振動控制功能，調控電動機功率和轉矩，實現提升系統加/減速度變化率、轉矩變化可控調整，主動抑制鋼絲繩振動，實現提升系統平穩運行。
(4) 大型副井鎖罐技術 該技術可實現裝卸載大件時罐籠的穩定，通過主動釋放鋼絲繩彈性伸長，不需要反向開動絞車；選擇性使用雙補功能與鎖定功能，既保證正常提升時的高效率，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，搖臺不能打開，罐籠不能運行，杜絕搖臺誤操作對罐籠等設備的損壞。
(5) 高速平穩停車控制技術 該技術具有零速懸停功能，可以實現預定的減速度平穩停車，實現電氣制動停車后抱閘，有效抑制停車時鋼絲繩和容器出現的縱向跳動。
(6) 緊急制動平緩控制技術 該技術采用嵌入式高性能芯片的全數字控制器，制動控制精度高，可自動調節制動力矩建立時間，有效降低緊急制動初期的設備沖擊，平滑減小進入或退出恒減速的加速度變化率，消除制動過程中鋼絲繩的彈性振動。
7 結語
提升機是一套機、電、液、輔機組成的復雜系統，任何一個環節如果存在問題，都會影響提升機的安全可靠運行。提升系統的各部件分屬不同的廠家生產制造，各廠家長期形成了合作共贏的關系，協同發展，促使我國的提升技術整體有了很大提升。
目前，很多部件如電動機、容器、鎖罐搖臺、裝卸載系統等，不僅配套國內提升機廠家，也逐步成為國外提升機廠家的配套選擇，國產化率穩步提升。但大功率變頻器仍是明顯短板，國產品牌與 ABB、西門子仍存在差距，這是國內廠家需重點關注的研發方向。
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