李玉強 謝德凌

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

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

目前，國內(nèi)外普遍使用的礦井提升機主要由電動機、減速器、聯(lián)軸器、制動裝置、主軸裝置、液壓站、潤滑站、電控系統(tǒng)等組成。較先進的驅(qū)動連接方式是去掉減速器用電動機和主軸裝置直接相連接的直聯(lián)式礦井提升機。此類礦井提升機有減速器、聯(lián)軸器、潤滑站等環(huán)節(jié)，存在維護量大、傳動效率低、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。

1 永磁內(nèi)裝式礦井提升機的應(yīng)用發(fā)展

永磁內(nèi)裝式礦井提升機與傳統(tǒng)礦井提升機的傳動形式不同，它是一種機電一體化的新型礦井提升機。其連接方式不是簡單地把電動機裝在摩擦輪中，而是將機械和電氣部分融為一體，摩擦輪作為電動機的外轉(zhuǎn)子，同時具有承載鋼絲繩載荷的雙重功能；電動機定子與摩擦輪采用同軸同心布置，即摩擦輪的軸同時為電動機定子的軸，轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)，摩擦輪和電動機合二為一，電動機處于2個主軸承正中間，減小了影響電動機偏心距的因素，提高了運行的安全可靠性。1988年，世界上第1臺內(nèi)裝式礦井提升機在德國豪斯·阿登礦的新魯姆貝格7號井投入運行。該礦井提升機機械部分由德國的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，電動機額定功率為2200 kW。 該礦井提升機體現(xiàn)了較高的機電相互融合性和高度機電一體化，使提升機的傳動技術(shù)進入了一個嶄新的階段[3]。內(nèi)裝式礦井提升機具有以下優(yōu)點：

(1)安全可靠，當制動器失效后，電動機變?yōu)榘l(fā)電機，產(chǎn)生反方向制動力矩，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)，整機效率可達95%以上，綜合節(jié)電比傳統(tǒng)提升機節(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，電動機不需要安裝基礎(chǔ)，減小了機房占地面積，特別是對塔式礦井提升機而言，可降低井塔造價，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)機械效率高，電動機的轉(zhuǎn)矩直接傳遞給摩擦輪的筒殼，傳動鏈短且傳動效率高；

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

(6)機電一體化，只需維護電動機，維護量小，運行費用較低。

既然機電一體結(jié)構(gòu)具有這么多明顯的優(yōu)點，那么為什么從1956年發(fā)明到1988年實現(xiàn)應(yīng)用還要經(jīng)過32年的漫長時間才成功呢？原因就是當時大型提升機的驅(qū)動電機只能采用慢速直流電機，它的整流子需要經(jīng)常維護,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，是不可能實現(xiàn)的[4]。

一段時間以來，內(nèi)裝式礦井提升機的缺點是設(shè)備價格昂貴，2005年，原國投新集能源股份有限公司劉莊礦引進的2套井塔式4.65×6內(nèi)裝式礦井提升機，當時的費用高達2億多元。我國使用的內(nèi)裝式礦井提升機均為國外高價全套引進，如開灤集團東歡坨礦副井1994年引進1臺落地式4.3 m礦井提升機；永夏礦區(qū)陳四樓礦主井 1996年引進1臺落地式4 m礦井提升機，均為德國西瑪格公司制造。內(nèi)裝式礦井提升機只是礦井提升機發(fā)展中的一個新的形式，是機械和電氣完美的結(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。在國內(nèi)，貴州高原礦山機械有限公司率先研發(fā)和應(yīng)用內(nèi)裝式礦井提升機填補了國內(nèi)研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用的空白，并達到了國際先進水平，逐步替代進口礦井提升機。

2 永磁內(nèi)裝式礦井提升機原理及設(shè)備構(gòu)成

永磁礦井提升機主要采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機原理制成，永久性磁鐵置于滾筒內(nèi)壁，作為永磁電機外轉(zhuǎn)子。內(nèi)定子工作繞組線圈裝于提升機主軸上，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)裝式礦井提升機驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)需要，可設(shè)計成16～100極的永磁體，電壓等級有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。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，利用磁力帶動外轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由同步驅(qū)動裝置控制，通過調(diào)節(jié)頻率控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變頻控制，永磁內(nèi)裝式礦井提升機驅(qū)動原理如圖2所示。

1-支撐座;2-主軸;3-散熱器進風口;4-滾筒;5-制動器;6-制動盤;7-永磁體;8-定子;9-滾子軸承;10-提升鋼絲繩

圖2 永磁內(nèi)裝式礦井提升機驅(qū)動原理

永磁內(nèi)裝式礦井提升機是對傳統(tǒng)礦井提升機的傳動方式進行創(chuàng)新設(shè)計，直接將永磁電動機內(nèi)置于滾筒，實現(xiàn)傳統(tǒng)提升機的重大技術(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)、制動器、轉(zhuǎn)子裝配組件、冷卻系統(tǒng)、液壓站、制動系統(tǒng)、電控裝置等組成，永磁內(nèi)裝式礦井提升機系統(tǒng)組成如圖3所示。

3 永磁內(nèi)裝式礦井提升機關(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)是在盤式制動器不施加制動力的情況下，永磁內(nèi)裝式礦井提升機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)裝式礦井提升機在滿載的狀態(tài)下先打開盤式制動器，電控系統(tǒng)在檢測到盤式制動器完全打開的情況下，按照給定速度運行，減少提升沖擊。

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

(2)電動機的靜態(tài)識別技術(shù)。該技術(shù)是在電動機不轉(zhuǎn)動的情況下，可以精確識別到電動機的相位角，并準確識別出電動機的電阻值、電感值等相關(guān)參數(shù)，達到永磁電機的最佳控制狀態(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不會退磁或失磁。為了防止磁鋼在高溫下退磁或失磁，當系統(tǒng)溫度達到60℃時會自動啟動冷卻系統(tǒng)；為了防止大電流時失去磁性，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機額定電流的5倍以上，供電驅(qū)動裝置最大電流大于電動機額定電流的2倍以上；為了防止永磁體化學腐蝕退磁，在永磁體表面采取鍍鎳處理；為防止振動消磁，永磁內(nèi)裝式礦井提升機安裝使用要求振動小于1.8 mm/s2，并且加裝振動傳感器。

(4)散熱技術(shù)。為了確保永磁內(nèi)裝式礦井提升機在最佳溫度下工作，需要采取散熱措施。目前常用的散熱技術(shù)有風冷和水冷2種方法。風冷是通過冷卻風機產(chǎn)生流動的冷氣體使定子繞組線圈產(chǎn)生的熱量帶到電機外部。水冷是冷卻介質(zhì)通過冷卻站、冷卻管道、定子冷卻腔，將電動機熱量帶至冷卻站進行冷卻。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)裝式礦井提升機風冷式系統(tǒng)如圖4所示。

1-出風口過濾網(wǎng)；2-內(nèi)定子；3-外轉(zhuǎn)子；4-風筒；5-離心風機

4 永磁內(nèi)裝式礦井提升機應(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)第三方評估機構(gòu)、國內(nèi)煤機行業(yè)和科研院所專家組分析論證對比，永磁內(nèi)裝式提升機(型號為JKN-3x2.2P)較傳統(tǒng)礦井提升機(型號為JN-3x2.2P)在同樣大小尺寸的情況下對比來看，在許多關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)上有優(yōu)勢，最顯著的特點是較傳統(tǒng)提升機使用電流下降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)對比見表1。

表1 永磁內(nèi)裝式提升機與傳統(tǒng)提升機使用參數(shù)對比

5 結(jié)語

目前我國永磁內(nèi)裝式礦井提升機技術(shù)發(fā)展已達到國際先進水平，并成功在國內(nèi)生產(chǎn)礦井進行推廣應(yīng)用，如永煤集團、淮南礦業(yè)集團、內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團等，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。永磁內(nèi)裝式礦井提升機技術(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，可以讓礦井開采變得更加節(jié)能高效和自動化，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。