礦 井提升系統(tǒng)用于在井筒中運(yùn)輸人員、物料和 礦石，是井工開(kāi)采礦山的咽喉設(shè)備。當(dāng)井下工作面出現(xiàn)異常狀況時(shí)，礦井必須做出應(yīng)急響應(yīng)，利用提升機(jī)保障井下人員安全升井。一旦提升機(jī)無(wú)法正常運(yùn)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(yùn)行問(wèn)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(dòng)系統(tǒng)到制動(dòng)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(jì)有局部故障時(shí)的故障開(kāi)車模式；傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有 2 套直流或變頻裝置，單套故障時(shí)切換為全載半速模式運(yùn)行；液壓制動(dòng)系統(tǒng)的安全制動(dòng)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(dòng)機(jī)故障等特殊情況下，原提升系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)時(shí)，礦井可采用的應(yīng)急提升方法。

1 無(wú)動(dòng)力重力下放

1.1 原理

         重力下放是通過(guò)控制制動(dòng)器壓力來(lái)控制速度，閘盤(pán)溫度會(huì)在運(yùn)行中不斷上升，只適用于短時(shí)間內(nèi)幫助罐籠內(nèi)人員緊急脫困。為了保證運(yùn)行安全，重力下放時(shí)，運(yùn)行速度通常控制在 1 m/s 以下。國(guó)內(nèi)多數(shù)應(yīng)用案例中，操作人員手動(dòng)控制油壓來(lái)控制速度，操作難度較高，下放裝置運(yùn)行速度不平穩(wěn)。相對(duì)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(dòng)控制原理，更易操作。司機(jī)通過(guò)操作臺(tái)旋鈕或觸摸屏直接給定速度，經(jīng)過(guò)速度環(huán)和油壓環(huán) PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出油壓信號(hào)到盤(pán)形制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)按給定速度連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 所需設(shè)備

重力下放功能的實(shí)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(shí)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(chǎng)改造用的獨(dú)立重力下放裝置，它包括獨(dú)立的液壓站、小型操作臺(tái)和電池柜。液壓站與原系統(tǒng)液壓站通過(guò)管路上的開(kāi)關(guān)手動(dòng)切換；操作臺(tái)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(cè)元件；電池柜為操作臺(tái)和液壓站供電，能在全礦停電時(shí)使用。重力下放過(guò)程中，系統(tǒng)能時(shí)刻監(jiān)控速度和閘盤(pán)溫度等狀態(tài)，并具有過(guò)速、制動(dòng)油壓高、電源故障、閘盤(pán)溫度超限等安全保護(hù)；從安全性考慮，為實(shí)現(xiàn)罐籠精確停車和過(guò)卷保護(hù)，系統(tǒng)還能準(zhǔn)確計(jì)算容器位置。

為滿足千米級(jí)深井重力下放運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的需求，如果采用應(yīng)急電源，應(yīng)按工作時(shí)長(zhǎng)大于 2 h 來(lái)考慮；如果采用電池供電，應(yīng)設(shè)有電壓監(jiān)測(cè)或管理設(shè)備，避免在長(zhǎng)期未使用情況下電池過(guò)放電產(chǎn)生損壞。

1.3 適用工況

無(wú)動(dòng)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(wèn)題。但該方法僅適用于短時(shí)低速單次運(yùn)行，解決不了類似全礦長(zhǎng)時(shí)間停電、井下水位上升、需全員安全升井時(shí)，提升系統(tǒng)要在數(shù)小時(shí)內(nèi)往復(fù)持續(xù)運(yùn)行的問(wèn)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(shí)，則存在無(wú)法運(yùn)行的可能。

2 外動(dòng)力應(yīng)急輔助提升

外動(dòng)力應(yīng)急輔助提升是在電動(dòng)機(jī)、電氣傳動(dòng)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(dòng)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(jī)械傳動(dòng)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(shí)不同的載荷與速度需求，設(shè)計(jì)時(shí)要采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式。

2.1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

2.1.1 齒圈傳動(dòng)型

某煤礦在用提升機(jī)主機(jī)規(guī)格為 JKMD-4×4ZⅢ，應(yīng)急提升需求：罐籠乘坐 40 人，運(yùn)行速度為 1.2 m/s，電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算為 90 kW。電動(dòng)機(jī)功率較小，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地空間有限，設(shè)計(jì)采用齒圈傳動(dòng)型機(jī)械結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖 2)，它包括大齒圈、小齒輪、減速器、電動(dòng)機(jī)和底座等。

齒圈傳動(dòng)型機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理：減速器輸出軸安裝有一個(gè)小齒輪，在提升機(jī)主軸裝置非傳動(dòng)側(cè)制動(dòng)盤(pán)內(nèi)緣處新增一個(gè)大齒圈；小齒輪與大齒圈平時(shí)脫開(kāi)，應(yīng)急提升時(shí)通過(guò)滑軌將小齒輪與大齒圈嚙合，驅(qū)動(dòng)提升機(jī)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

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(jī)械結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖 3)，它包括聯(lián)軸器、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)等。

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司東副立井采用 1 臺(tái)中信重工 JKMD-5.5×4PⅢ落地式多繩摩擦式提升機(jī)，配功率為 3 000 kW、轉(zhuǎn)速為 35 r/min 低速交流變頻同步電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)采用 1 臺(tái)異步變頻電動(dòng)機(jī)，計(jì)算選型功率為 710 kW、轉(zhuǎn)速為 495 r/min、12 極，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，自帶冷卻風(fēng)機(jī)，電壓等級(jí) 1 140 V，防護(hù)等級(jí) IP55。

工作原理：在提升機(jī)主軸裝置的非傳動(dòng)側(cè)引入一套由發(fā)電機(jī)組供電的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；主軸裝置非傳動(dòng)側(cè)外伸軸 (低速端) 通過(guò)齒式聯(lián)軸器與減速器連接；電動(dòng)機(jī)通過(guò)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)，輔助提升系統(tǒng)不投入運(yùn)行，減速器與主軸聯(lián)軸器為脫開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急運(yùn)行需求時(shí)，該齒式聯(lián)軸器可快速連接，輔助提升系統(tǒng)投入使用。

減速器宜采用行星齒輪減速器，它具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行效率高、在軸向和徑向部位的承載能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，可滿足應(yīng)急運(yùn)行時(shí)熱功率要求；高速軸、低速軸應(yīng)配有軸承溫度及油溫監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)超溫報(bào)警、停機(jī)等功能。

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(jí)制動(dòng)液壓站，即可長(zhǎng)時(shí)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(jī)液壓站可采用閥臺(tái)轉(zhuǎn)換，應(yīng)有閉鎖功能。制動(dòng)器采用原提升系統(tǒng)的制動(dòng)器。

2.3 輔助提升電控系統(tǒng)

為滿足一段時(shí)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(jì)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(cè)傳感器；有滿足手動(dòng)/半自動(dòng)/慢動(dòng)操作方式可供選擇；具有數(shù)字行程監(jiān)控、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示及故障報(bào)警功能。此外，還應(yīng)具備以下功能：

(1) 供電回路電源開(kāi)關(guān)監(jiān)視功能；

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

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

(4) 井筒中開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)視功能；

(5) 卷徑計(jì)算功能，以校正提升機(jī)深度計(jì)算系數(shù)；

(6) 提升機(jī)控制系統(tǒng)與提升信號(hào)相互閉鎖；

(7) 監(jiān)測(cè)及故障自診斷系統(tǒng)。

安全回路設(shè)計(jì)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(guò)卷、超速及限速等保護(hù)采用主編碼器、從編碼器監(jiān)測(cè)等多線制保護(hù)。

變頻傳動(dòng)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(jī)，變頻器應(yīng)設(shè)計(jì)為能耗制動(dòng)型，配置制動(dòng)單元及滿功率的制動(dòng)電阻，當(dāng)提升機(jī)負(fù)載重力方向與發(fā)電機(jī)運(yùn)行方向一致時(shí)，發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)可以通過(guò)制動(dòng)單元將產(chǎn)生的能量釋放到制動(dòng)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(jī)作為應(yīng)急電源，但礦井提升機(jī)是四象限運(yùn)行設(shè)備，存在重物下放發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。如果柴油發(fā)電機(jī)同時(shí)為提升機(jī)和其他功率相近的設(shè)備供電，則下放發(fā)電時(shí)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(jī)主要為提升系統(tǒng)供電，那么輔助提升變頻器應(yīng)設(shè)計(jì)為能耗制動(dòng)型，將下放發(fā)電時(shí)的能量通過(guò)制動(dòng)單元消耗在電阻上，以維持柴油發(fā)電機(jī)供電電壓的穩(wěn)定性，避免造成過(guò)壓停機(jī)。

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

3 結(jié)論

無(wú)動(dòng)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(dòng)力應(yīng)急輔助提升機(jī)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(shí)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(yùn)行，適用范圍更廣。其中，聯(lián)軸器型應(yīng)急輔助提升機(jī)構(gòu)占地面積較大，投資較高，適用于新建礦井；齒圈傳動(dòng)型應(yīng)急輔助提升機(jī)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。