应急提升辅助驱动系统在千米深井提升机的应用

赵光辉 ，郭空斐 ，徐永福 ，刘坤良

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

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。

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。

图1 辅助驱动系统的原理Fig.1 Principle of auxiliary drive 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。

2.1 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。

图2 应急传动装置的结构 Fig.2 Structure of emergency drive device

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、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。

图3 应急液压系统的原理Fig.3 Principle of emergency hydraulic system

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。

图4 应急电控系统的原理Fig.4 Principle of emergency electric control system

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。

山东某公司东副立井采用 JKMD-5.5×4PⅢ 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。

表1 JKMD-5.5×4 型提升机的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of JKMD-5.5×4 hoist

3.1 应急电动机选型

(1) 系统总的转动惯量

(2) 卷筒转矩 根据动量矩定理

卷筒转矩

(3) 电动机功率

式中：n为卷筒转速，r/min；
K为实际使用系数，取 1.2；
η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

(2) 减速器速比

(3) 减速器转矩 克服系统惯量及阻力所需的启动力矩

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

减速器额定输出转矩

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。

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、完善后备保护功能具有重要的意义。

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