JZ-16/1000鑿井絞車理論計算及分析與過流保護繼電器的選擇及整定

鄭嶼

【摘 要】本文以JZ-16/1000鑿井絞車為例，通過理論計算及分析，說明了大模板斷繩的主要原因；介紹了鑿井絞車過流保護裝置選擇及整定的原則，為大模板懸吊繩的安全使用尋找理論依據。

【關鍵詞】斷繩 計算分析 方案

【中圖分類號】 F224-39【文獻標識碼】B【文章編號】1672-5158（2013）07-0308-01

JZ-16/1000鑿井絞車卷筒直徑，φ1.0m；允許纏繞的鋼絲繩最大直徑，φ40.5mm；鋼絲繩最大凈張力，160KN；鋼絲繩最大纏繞7層；總減速比，快檔506.6，慢檔1013.2；平均繩速，快檔6m/min，慢檔3m/min；電動機型號，YZR250M2-8；電動機軸輸出的額定機械功率37kw，電機額定工作電流78.1A，額定轉速720r/min，額定效率0.89，額定功率因數0.83，最大轉矩/額定轉矩=2.7；減速器為二級齒輪配合蝸輪、蝸桿傳動，總傳遞效率，0.85*0.7=0.6。下面對JZ-16/1000鑿井絞車進行理論計算及分析，說明鑿井絞車過流保護裝置選擇及整定的原則，為大模板懸吊繩的安全使用尋找理論依據。

一、繩速計算

以纏繞18×7+FC-φ40-1770鋼絲繩7層為例，在井筒工程剛剛開工，鑿井絞車提升使用最外層鋼絲繩時：

Vmax=πDn/i=3.142×1.456×720÷506.6（1013.2）=6.502（3.251） r/min=0.1087（0.054）m/s

在井筒工程快到底，鑿井絞車提升使用最里層鋼絲繩時：

Vmax=πDn/i=3.142×1.04×720÷506.6（1013.2）=4.644（2.322） r/min=0.077（0.039）m/s

說明：括號內為鑿井絞車使用慢檔時的計算數據（“計算分析”這節里均同）。

二、電動機功率估算

在井筒工程剛剛開工，鑿井絞車提升使用最外層鋼絲繩時：

P=FVmax /η=QVmax/（102η）=160×0.1087（0.054）÷0.6=28. 99（14.50）kw

在井筒工程快到底，鑿井絞車提升使用最里層鋼絲繩時：

P=FVmax /η=QVmax/（102η）=160×0.077÷0.6=20.53（10.27） kw

由以上計算可以看出，廠家標配的37kw電機，當鑿井絞車為慢檔最里層鋼絲繩工作狀態時，負載率僅為：10.27÷37=0.28，電機能力過大，屬于典型的大馬拉小車。

三、額定工作狀態下電機作用在卷筒上力計算

在井筒工程剛剛開工，鑿井絞車提升使用最外層鋼絲繩時：

Q=102Pη/ Vmax=102×37×0.6÷0.1087（0.054）=20.83（41.66）t

在井筒工程快到底，鑿井絞車提升使用最里層鋼絲繩時：

Q=102Pη/ Vmax=102×37×0.6÷0.077（0.039）=29.41（58.82）t

當大模板被卡阻仍強行上升，在電機接近堵轉時，電機轉軸輸出的最大轉矩傳遞到卷筒鋼絲繩上的力為：

在井筒工程剛剛開工，鑿井絞車提升使用最外層鋼絲繩時：

Q=20.83（41.66）×2.7=56.24（112.48）t

在井筒工程快到底，鑿井絞車提升使用最里層鋼絲繩時：

Q=29.41（58.82）×2.7=79.41（158.81）t

由以上計算可以看出，JZ-16/1000鑿井絞車在快檔狀態下，如果對大模板強行上拉在電機堵轉之前，其56.24～79.41t的上提能力，對于18×7+FC-φ32-1770以下鋼絲繩也相當危險；如果在慢檔狀態，該鑿井絞車112.48～158.81t的上提能力，能拉斷其所允許纏繞的所有規格鋼絲繩。即使是該鑿井絞車電機工作在額定狀態下，當處于慢檔時，其傳遞到鋼絲繩上41.66～58.82t的拉力對于18×7+FC-φ28-1770以下鋼絲繩也是致命的。

然而，各施工單位在升降大模板時基本上都習慣使用鑿井絞車慢檔工作。該鑿井絞車在慢檔工作狀態下8極15～18.5kw電機就可以滿足其160KN最大靜張力的要求，使用8極37kw電機顯然能力過大，當操作司機在錯誤操作時對模板懸吊鋼絲繩是十分危險的。

四、過流保護繼電器的選擇及整定

鑿井絞車啟動柜對絞車電機保護，早年生產老柜子多采用電磁式瞬動繼電器作電機的速斷保護，熱繼電器作為電機的過載保護。常規整定時，速斷保護一般按電機啟動電流的1.2倍整定，熱機電器熱元件一般按稍大于電機的額定工作電流整定。缺陷是電磁式瞬動繼電器受環境因素影響比較大，當機構或彈簧疲勞時速斷保護不太準確可靠。

新生產的鑿井絞車啟動柜基本上采用JD系列電機綜合保護器，為電子式過流保護器，具有反時限過流保護、電機欠相保護。其反時限過流保護1.2倍動作電流時3～120s。整定時一般在現場動態調整，按躲過電機的正常工作電流及啟動時間來整定，動作電流值應稍大于電機的長時工作電流，動作時限3～5s左右，能躲過電機的正常啟動時間即可。以上計算可以看出，當鑿井絞車處在慢檔最里層鋼絲繩工作狀態時，其電機在額定工作時作用在卷筒懸吊鋼絲繩的力非常大，是鑿井絞車鋼絲繩最大靜張力的2. 6～3.7倍，電機的負載率僅為額定值的0.39～0.28倍，當非正常提升造成鋼絲繩安全系數大幅下降時，電機尚未過載，此種情況下對大模板懸吊鋼絲繩仍然較危險。

那么，通過合理的計算，對鑿井絞車的電機的過流保護限定一個過流動作值從而達到既保護電機又能保證鋼絲繩不被拉斷的目的也比較困難。原因之一是要準確的計算動作電流值非常難，因為電機定子從電網吸收的工作電流I1=P2/η= P2/（1.732ηUConφ） ，其中P2是電機轉軸輸出的機械功率，U是電網電壓取380v，η是電機的工作效率，電機從空載～額定負載線形增加時，η從0～額定效率非線性增加；Conφ是電機的功率因數，電機從空載～額定負載線形增加時，Conφ從0.3左右～額定功率因數非線性增加。電機在空載狀態下η及Conφ最低，在額定負載狀態下最大，超過額定負載時下降。因此電機的負載成一定倍率增加或下降到某數值時，無法確定此狀態下的η及Conφ值。當懸吊總重量約為11600kg，立井JZ-16/1000大模板懸吊鑿井絞車慢檔提升模板時電機輸出的機械功率為11600×0.081÷102÷0.6=15.35kw，工作電流為50A，η與Conφ的乘積為15.35×1000÷50÷1.732÷380=0.466；快檔提升模板時電機輸出的機械功率為11600×0.162÷102÷0.6=30.70kw，工作電流為70A，η與Conφ的乘積為30.70×1000÷70÷1.732÷380=0.667。假如慢檔提升模板時模板受卡阻，懸吊總重量為原懸吊重量的2倍時，η與Conφ的乘積才為原來的1.4倍，電機電流也只為原正常狀態的1.4倍，不成線性變化關系。

原因之二是現場調整大模板時多為點動提升，如果信號傳遞或觀察有誤，模板卡阻時司機仍間斷點動開車，這時電機工作電流與正常值比雖然在不斷增大處于過載狀態（慢檔時電流變化比較緩慢），鋼絲繩受力也在逐漸增大，但是過流整定時，由于為躲過電機啟動時間的時限限制，過流在時限內不會動作，仍然能夠造成拉斷繩事故。

因此按實際工作電流整定電機過流保護也只能作為防止拉斷繩的后備保護。

參考文獻

[1] 崔云龍，簡明建井設計手冊，北京：煤炭工業出版社，2000

[2] 王介峰等，鑿井工程圖冊，北京：煤炭工業出版社，1986

[3] 顧永輝等，煤礦電工手冊，北京：煤炭工業出版社，1995