一种传动系统内置式矿井提升机.pdf

1092020 年第 7 期 收稿日期 2020-01-21 基金项目 山西省优质校建设基金（JY2019-YZ08） 作者简介 耿宝光（1976-），山西平遥人，讲师，硕士，现主要 从事煤矿机电设备的研究和教学工作。 一种传动系统内置式矿井提升机 耿宝光 1 闫焕景2 （1. 山西工程职业学院，山西 太原 030031； 2. 山西省平遥减速器有限责任公司，山西 平遥 031100） 摘 要 为了解决当前提升机系统能耗大、占地面积大的问题，设计研制了一种传动系统内置式矿井提升机设备。该设 备提高了提升系统传动效率，安全性高，能耗低，传动链短，能够降低噪声和振动。 关键词 节能 内置传动系统 永磁同步电动机 行星齿轮减速器 中图分类号 TD534 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.07.041 A Transmission System Built-in Mine Hoist Geng Bao-guang1 Yan Huan-jing2 （1.Shanxi Engineering Vocational College, Shanxi Taiyuan 030031; 2.Shanxi Pingyao Reducer Co., Ltd., Shanxi Pingyao 031100） Abstract In order to solve the problems of high energy consumption and large floor area of the current hoist system, a mine hoist equipment with transmission system built-in is designed and developed. The equipment improves the transmission efficiency of the lifting system, with high safety, low energy consumption, short transmission chain, and can reduce noise and vibration. Key words energy conservation built-in drive system permasyn motor planetary gear reducer 本文设计的是一种单绳缠绕式矿井提升机。其 电机采用体积小、 重量轻、 转动惯量小、 动态响应高、 能耗低、效率高的永磁同步电动机 [1]，充分利用卷 筒内部空间，合理设计减速器，提高其传动效率， 减低能耗，使提升机结构布置更合理。 1 传统单绳缠绕式矿井提升机 1.1 传统单绳缠绕式矿井提升机存在的问题 目前传统的矿井提升机绝大多数采用异步电动 机，由于其功率因数低，能耗较大，造成电能资源 的浪费；而且异步电机启动电流大，约为额定电流 的 57 倍左右，容易使电网受到冲击，进而影响其 他用电设备 [2]。JK 型提升机其联轴器、减速器、电 动机是高速旋转部件，在运转过程中存在一定的安 全隐患。 减速器选用通用系列减速器，在选型时一般偏 大，其传动效率有待进一步提高。该类型提升机的 综合效率约为 7080。 1.2 传统单绳缠绕式矿井提升机传动链分析 表 1 为常用的几种单绳缠绕式单卷筒矿井提 升机传动链长度、主轴装置长度以及占有的比例 （有效利用率）。通过表 1 可以得出，传统的单绳 缠绕式矿井提升机在占地面积上的有效利用率在 41 ～ 44。 表 1 传动链分析 型号 矿井提升机 传动链长度 （mm） 主轴装置长度 （mm） 有效利用率 （） JTP-1.2 型5000205041 JTP-1.6 型6150265043 JK-21.5 型7600330043.4 JK-2.52 型9450400042.3 2 传动系统内置式提升机 2.1 结构概述 提升机采用传动系统内置式，在设计中，采用 节能环保的设计理念。传动系统采用永磁同步电动 机与行星齿轮减速器直接连接，减速器直接驱动卷 1102020 年第 7 期 筒旋转，通过卷筒上缠绕的钢丝绳来实现容器的提 升或下降。 图 1 所示为传动系统内置式提升机的结构示意 图。该提升机结构主要由以下几部分组成主轴装 置（包括防爆接线盒 2、电机支撑轴 6、永磁同步 电机 8 及行星齿轮减速器 10 等）、制动装置 包括 盘式制动器 1、液压系统、电力液压块式制动器 14 等 、卷筒装置（包括卷筒 7、卷筒左支撑 3、卷筒 右支撑12等） 、 卷筒支撑座3、 13， 安装座4、 15等。 卷筒 7 通过卷筒左右支撑和轴承固定在卷筒左支撑 座 3、卷筒右支撑座 13 上，卷筒支座固定在基础上。 电动机支撑轴 6 与电机 8 连接，并通过与卷筒左支 撑座 3 将电机固定。电机通过花键与减速器的输入 轴联接，减速器输出轴与卷筒右支撑通过螺栓和柱 销联接，卷筒右支撑与卷筒通过螺栓联接，并驱动 卷筒旋转。减速器、电机均在卷筒内部，外露只有 卷筒旋转，安全性高。 动力传递路线为电机 8 通过防爆接线盒 2 接 通电源，电机驱动减速器运转，减速器将动力传递 给滚筒右支撑，从而驱动卷筒旋转。 1. 盘式制动器；2. 防爆接线盒；3. 卷筒左支撑座；4. 安装底座； 5. 卷筒左支撑；6. 电机支撑轴；7. 卷筒；8. 永磁同步电机； 9. 旋转分离装置；10. 大扭矩行星减速器；11. 轴承； 12. 卷筒右支撑；13. 卷筒右支撑座；14. 高速制动器；15. 制动器安装座 图 1 提升机结构示意图 2.2 驱动和传动系统结构及耗能分析 永磁同步电动机 8 为整个提升机系统的动力提 供装置，永磁同步电动机与异步电动机在输出功率 与额定功率比值相同时，永磁同步电动机比异步电 动机的效率高、功率因数高、启动电流小、对电网 冲击小等 [2]。 永磁同步电动机可以满足国家一级能耗标准， 变频器可以保证整个系统的多驱动以及软启动电动 机之间的功率平衡 [3]。永磁电动机可根据转矩、转 速要求进行设计，电机转速为 500600r/min；行星 齿轮减速器可根据体积、重量等最优设计成三级， 传动效率为 9496。由高速转动部件旋动不平 衡造成的振动，噪声也会下降，减速器齿轮的啮合 频率也随之降低，齿轮啮合产生的噪声也会降低 [3]。 对采用的减速器齿轮用 CAD 软件进行优化设计， 并对齿轮进行合理的修形。在减速器输出扭矩相同 的条件下，体积和重量分别为 NBD 及 ZZL 型减速 器的 50、60。 综合上述，采用永磁同步电动机可以使效率提 高，能耗减低，再配优化设计的行星减速器，综合 效率达 93 左右。 2.3 提升机性能参数设计 （1）根据用户实际需求性能参数 根据煤矿安全规程的规定节能型提升机 专为升降物料，新钢丝绳的安全系数 m 不得小于 6.5。选择钢丝绳结构为 6 △ 19，绳径为 Φ31， 如表 2 所示。 表 2 新型提升机性能参数表 卷筒直径 （mm） 钢丝绳最 大静张力 kN 钢丝绳最大 静张力差 kN 最大拖 运长度 m 钢丝绳平 均速度 （m/s） 12001001006000.8 （2）卷筒宽度的确定 根据煤矿安全规程的规定在斜井中升降 物料时，允许缠绕三层 。依据提升机性能参数表中 最大拖运长度 600m，由公式 3043 3 P H B D d k Dπ π ε    （1） 式中 B - 提升机所需的滚筒缠绳宽度，mm； Dp- 多 层 缠 绕 时 平 均 缠 绕 直 径， 即 2 2 -1 4- 2 P k DDddε ； k- 缠绕层数。 经式（1）计算及圆整后卷筒宽度为 2m，钢丝 绳缠绕 3 层。 （3）电机型号的确定 由公式 100 m k Q v Pψ η ⋅⋅ （2） 式中 P- 提升电动机估算功率，kW； vm- 提升机的标准速度，m/s； k- 矿井阻力系数，箕斗提升 k1.15，罐笼提升 k1.2； Q- 一次提升实际货载重量，N； ψ- 考虑提升系统运转时，有加、减速度及钢 丝绳重量等因素影响的系数，箕斗提升 ψ1.21.4， 1112020 年第 7 期 罐笼提升 ψ1.4； η- 减速器传动效率，9496。 经式（2）计算，选择电机功率为 132kW，转 速为 600r/min 的永磁同步电动机。 （4）减速器速比的确定 由提升机性能参数表中，钢丝绳平均线速度 0.8m/s，卷筒直径 Φ1200，由公式 60000 D n v π⋅⋅ （3） 式中 π- 钢丝绳平均线速度，m/s； D- 卷筒平均直径，mm； n- 卷筒转速，r/min； 经式（3）计算得卷筒转速为 12.73r/min。 由公式 P n i n （4） 式中 i- 减速器传动比； np- 电机转速，r/min； n- 卷筒转速，r/min。 经式（4）计算得减速器速比为 47.13，选取减 速器的公称传动比为 50，采用三级行星齿轮传动减 速器。 （5）减速器结构及原理 1. 第一级太阳轮；2. 第一级行星架；3. 第二级太阳轮； 4. 第二级行星架；5. 第三级太阳轮；6. 卷筒；7. 内齿轮； 8. 卷筒右支撑；9. 输出轴；10. 卷筒右支撑座 图 2 行星齿轮减速器结构示意图 如图 2 所示为优化设计的减速器，采用三级行 星齿轮传动，输出轴 9 与卷筒右支撑座 10 通过键 固定，内齿轮 7 与卷筒 6 通过卷筒右支撑 8 固定； 电动机输出动力经第一级太阳轮 1 传递到第一级行 星架 2，由第二级太阳轮 3 传递到第二级行星架 4， 最终由第三级太阳轮 5 传递到内齿轮 7，内齿轮通 过卷筒右支撑驱动卷筒旋转。 （6）减速器齿轮参数设计 在设计过程中，齿轮参数采用郑州机械研究 的齿轮 ZGCAD 软件，并结合提升机的具体结构优 化设计。依据减速器结构（整体外径相同）优化分 配减速器各级传动比为第一级为 3.15、第二级为 4、第三级为 4。减速器各级齿轮参数如表 3 所示。 减速器总传动比为 49.32，满足三级传动减速器速 比偏差为 5 的要求 [4]。 表 3 减速器各级齿轮参数 传动 级数 太阳轮 齿数 Za 行星轮 齿数 Zc 内齿圈 齿数 Zb 齿轮模 数 Mn 齿宽 /mm 传动比 /i 总传动 比 /i 第一级3319726453.182 49.32第二级2727817754.000 第三级24226981503.875 减速器各级齿轮承载能力分析，考虑到矿井提 升机的安全性能要求高，使用系数取 1.5，不均载 数为 1.05，接触强度最小安全系数为 1.05，弯曲强 度安全系数 [4] 为 1.5。经过测试知各级齿轮的承载 能力满足使用要求。 2.4 提升机传动链长度分析 驱动装置内置式新型提升机的驱动部分（电动 机及减速器），均安装在卷筒内部，传动链长度是 两个卷筒支座之间的距离；在占地面积上的有效利 用率为 84 左右，仅为同规格的传统矿井提升机的 50。 3 结论 （1）传动系统结构简化，减少了日常维护量； （2）传动系统旋转部件少，安全性提高； （3）提升机整体结构紧凑，占地面积少，仅 为同规格传统矿井提升机的 50； （4）综合传动效率高，比传统的矿井提升机 提高 1323； （5）整机无高速旋转部件，噪声及振动小； （6）永磁同步电机及行星齿轮减速器免维护， 维修费用降低； （7）本传动系统内置式矿井提升机已申请外 观专利，专利号为 ZL201930349622.9。 基于以上优势，此种结构的提升机会在更多工 矿企业获得广泛的应用，也为许多企业所青睐。 【参考文献】 ［1］ 李红梅，陈涛 . 永磁同步电机参数辨识研究综述 1122020 年第 7 期 开关柜管理系统实时动态显示各种遥测值，并 生成日报表、月报表、季报表、年报表和趋势图， 提供实时声光报警并记录在数据库中。 开关柜管理系统在线监测柜内温湿度。在环境 相对湿度较高和温差较大的地方，容易产生凝露， 发生危险，柜内装设了加热器和环境温湿度传感器。 通过开关柜管理系统可以自动控制柜内温湿度，防 止凝露的发生。 开关柜管理系统在线监测柜内断路器运行状态 参数。传感器与断路器本体集成，可实现对断路器 运行状态参数实时在线监测，实时反映断路器运行 状态，针对潜在故障进行预判并采用声光报警。 开关柜管理系统是一个完全开放的系统，可以 与各开关柜互相通信，还可以与上级系统互动，实 现远方监控。 3.4 12kV 智能开关柜的视频监控设计 智能型高压开关柜断路器室、电缆室内放置有 微型摄像头，直观显示断路器、接地开关的操作过 程和合分状况，为维检时的统一管理和宏观调控提 供直观依据。如图 2 所示。 图 2 柜内视频监控 3.5 12kV 智能开关柜的在线无线测温系统设计 智能开关柜无线测温在线监测系统主要由显示 器、传感器和监测主控模块三部分组成。 温度显示器集成到开关柜管理系统中，由无线 收发模块、报警输出、数据处理、显示和通讯接口 组成。无线收发模块接收来自温度采集模块的数据， 经过数据处理，把测到的温度值显示在面板上，同 时判断温度是否超过报警上限，如果超过则发出报 警输出信号。 温度传感器应用表面波技术，可在非常规的运 行环境下高电压， 高电流实现无线温度数据采集， 具有数字化、高精度、高耐温的特点。温度测量范 围 30℃ 125℃，精度为 0.1℃。表带式安装。 监测主控模块是系统主要部分，由实时数据、 实时曲线、历史曲线、数据报表、系统接线图以及 网络拓扑图六部分组成。可以进行异常温度报警， 当被测点的温度超过系统设定值时，主控模块发出 报警事件，并通过数据报表的形式保存。 3.6 12kV 智能开关柜的消防设计 智能开关柜的消防系统采用液体介质一体化灭 火装置，以氟化酮为灭火剂，集控制单元为一体， 结合实际环境采用多种火情探测方式（如温感、烟 感、光感、气体等），对火情隐患实现全方位监测 和快速有效保护。 灭火装置由灭火剂罐体、控制器、探测装置、 声光报警装置、手动启动按钮、管道及喷嘴组成。 4 结语 本文所设计的智能高压开关柜符合 IEC61850 协议和智能开关柜的要求，实现了高压开关柜的智 能化、高可靠性、少维护，具备了全电动操作和控 制、保护、实时监测、测量、视频监控、管理、诊断、 报警等功能，提高了供电系统的安全性和可靠性。 通过在东华重工 35kV 智能变电所和东方机电高压 变电所的应用，取得很好的效果，深受用户好评。 【参考书目】 ［1］ 黄新波，王列华，唐书霞，等 . 智能变电站开关 柜综合状态监测 IED 设计 [J]. 中国电力，2014， 47（02）84-89. ［2］ 张平 . 高压开关柜的发展与现状分析 [J]. 中国科 技信息，2007（24）89-89. ［3］ 应丽华.10kV高压开关柜设计研究[J].机电信息， 2012，348（30）136-138. ［4］ 张红光，王玲 .KYN44-12 型中置柜联锁装置的改 进设计 [J]. 工矿自动化，2012（04）97-101. [J]. 电子测量与仪器学报，2015，29（05）638- 647. ［2］ 张荣，贾清华，李丽，等 . 智能永磁直驱系统在 煤矿井下带式输送机上的应用 [J]. 中国煤炭， 2018，44（08）99-102. ［3］ 陈建玲 . 改善齿轮噪声的措施 [J]. 机械传动， 2004（01）61-632. ［4］ 齿轮手册编委会 . 齿轮手册（第 2 版）. 北京机 械工业出版社，2008. （上接第 102 页）