礦井提升機技術改造與設備更新分析與對策（3）

肖慧儒，施海斌，高寶錄，何方金，崔哲峰，顧永剛

（1.承德銅興礦業有限責任公司，河北承德 067250；2.承德恒力機電制造有限責任公司，河北承德 067250；3.中信重工機械股份有限公司，河南洛陽 471039）

3 提升機技術改造與設備更新的分析與對策

銅興公司5 臺提升機技術改造與設備更新既有整機更新，亦有主軸裝置、制動系統、高低壓變頻電控系統、傳動系統、天輪裝置及電機擴容等改造與更新，還有卷筒塑襯、天輪襯墊、高速級聯軸器等改造與更新及處理主軸裝置故障等。經對銅興公司及其他礦山提升機技術改造與設備更新及設備檢測檢驗等實際應用中遇到的問題進行論述，并給出對策。

3.1 對老舊提升機盡早進行技術改造或設備更新

隨著提升機技術水平的不斷提高，目前仍在使用的老舊提升機已經落后。由于其制造年代較早，故存在一些設計缺陷，由于其服役時間較長，設備已老化，已不能滿足《規程》相關規定，存在安全隱患。因此，必須對超期服役的老舊提升機采用“五新”，盡早對其進行技術改造或設備更新，以大幅度提升其可靠性及性能參數，從而切實保障礦井安全生產。

3.2 對老舊提升機進行技術改造與設備更新的思路

制定提升機技術改造與設備更新方案，首先應以可靠性、實用性、先進性、節能性及性價比等為原則和標準；其次應切忌盲目追求高指標，防止功能過剩，以保障良好的投資效益。改造或更新后的提升機，應具有較高的可靠性與良好的性能參數等，裝備水平要與礦井產量和服役年限相當。

3.2.1 技術改造的分析與效果

（1）機械部分技術改造的分析與效果

就老舊提升機結構而言，其技術改造的重點是主軸裝置和制動系統，近年來，銅興公司和許多礦山采用“五新”對其進行技術改造，均獲得了很好的效果[17-24]。減速器也很重要，老舊提升機主要采用ZL 與ZD 型單入軸平行軸漸開線（后續機型改為圓弧齒形）人字圓柱齒輪減速器，雖然與漸開線行星齒輪減速器相比，在傳動效率和承載能力等方面有一定差距，但其仍具有較高的可靠性。行星齒輪減速器雖然性價比較高，但原減速器更新為行星減速器時，應考慮2.2.2（8）所述的更新注意事項。為此，傳動系統更新工期較長，投入較大。故若更新性能參數及運行狀況尚可的減速器，應慎重考慮必要性。如前所述，銅興公司迄今更新了2 臺提升機的傳動系統：1 套是隨整機更新而被動更新；1套是因減速器發生2 起設備事故，致其性能參數及運行狀況下降后而主動更新。其余3 臺提升機的減速器均為原洛陽礦山機器廠制造，其時間及型號為：1960年5月/ZL-150-20 型；1960年7月/ZD-100-11.5 型；1981年3月/ZHLR-150K-11.5 型。這3 臺減速器的性能參數及運行狀況迄今尚可，故2011年10月及2013年8月更新前2 臺提升機的主軸裝置與制動系統時，均未更新其傳動系統，即便現在，若將其更新為行星齒輪減速器，仍為盲目追求高指標，從而產生功能過剩，則投資效益將事倍功半，這違背了“裝備水平與礦井產量和服役年限相當”的原則。

（2）調速控制系統進行變頻電控技術改造的分析與效果

淤變頻電控系統性能與應用的分析。變頻器是交流電機最理想的調速裝置，其不僅具有卓越的調速性能，還具有顯著的節能作用；就計算機技術在工業現場應用情況而言，可編程控制器PLC 是目前工業控制最理想的機型，其采用計算機技術、按照事先編好并存儲在計算機內一段程序來完成提升機的操控，采用PLC 控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維修量小，PLC技術已廣泛應用于各種提升機控制。使用PLC 改造老舊設備的電控系統，能使故障率下降90﹪以上[25]。變頻電控是交流調速與電控系統改造的最理想的調速、電控與節能裝置。目前調速電控系統改造已普遍采用變頻電控技術，改造需設計控制電路，并對參數進行設置。變頻調速控制電路簡單、調速范圍大、性能好、精度高、減速與爬行自然過渡，無級平滑，電機實現軟啟動，節能效果顯著，安全回路由PLC 內部和外部AC 回路串聯實現冗余，系統可實現智能顯示，運行穩定性及可靠性強、故障和停機頻次及運行成本低、提升能力提高[7]220-221，[18-19]。近年來，我國許多礦山對提升機采用變頻電控方式替代原調速電控方式，取得了顯著成效。

隨著我國科技水平的不斷提高，變頻電控技術也在日臻完善，而變頻電控技術在提升機自動化中的應用，不是一種創新的突破，而更是一種發展趨勢，故技術及相關人員應積極探索，使變頻電控技術最大限度地發揮其潛力，以使提升機更加安全可靠和高效低耗，從而使我國礦山企業獲得更大的經濟和社會效益。

于合理選擇變頻器電壓等級的分析。變頻器的合理電壓等級由功率器件能承受的電壓水平決定，而某一電壓等級下變頻器可能的功率范圍則由功率器件的承載電流能力決定。受電力電子器件電壓及電機允許的電壓變化率dv/dt 限制，高壓變頻器必須多電平、多器件串聯。故高壓變頻器線路及結構復雜，價格昂貴，可靠性低，維修成本高。而低壓變頻器線路及結構簡單，價格便宜，技術成熟，可靠性高，dv/dt 小，維修成本低。

調速控制系統實施變頻電控技術改造的應用效果證明，變頻器的正確選用對于變頻電控系統的正常運行至關重要。選擇變頻器，首先要根據實際工況，合理選擇變頻器電壓等級，電機功率在800 kW 以下時應選用低壓變頻器。采用低壓與高壓變頻電控裝置的價格差別較大，前者約為后者價格的55﹪。而且，國產品牌就目前質量而言，前者較后者可靠性高，可維修性亦好，并且后期的設備維修成本和維修的技術要求也均低。因此使用低壓變頻器對系統來說更為可靠、簡單和經濟。關于低壓變頻器目前可制作容量、其對電機過載系數、660 V 及380 V 時與電機功率匹配等狀況和關系，在文獻[21]中已有闡述。

盂變頻電控系統結構與配置的分析[26]。當電機功率800 kW時，變頻電控系統多采用660 V 及380 V 四象限2 電平交直交拓撲結構，其由全數字變頻調速和雙線制PLC 控制系統組成。全數字變頻調速無級平滑，功率因數高，諧波電流低，下放重物時具有能量回饋電網功能，節能降耗。主控系統采用S7-300 PLC，配網絡化控制操作臺并預留上一級接口。監控系統亦采用同系列PLC，部分參數用觸摸屏設置。銅興公司盲主井提升機電機為450 kW/660 V，其變頻電控系統采用的四象限2 電平交直交拓撲結構如圖16 所示，其自動化控制機房布置如圖17 所示。銅興公司4 m 主井和灤縣司家營鐵礦2 個主井的提升機電機均為630 kW/6 kV，其變頻電控系統采用的四象限多電平交直交拓撲結構圖及其自動化控制機房布置圖見文獻[21]。目前變頻電控系統配置一般采用ABB ACS 880 系列變頻器和2 套S7-300 PLC。

圖16 450 kW/660 V 變頻電控系統結構

圖17 450 kW/660 V 變頻電控系統自動化控制機房布置

3.2.2 設備更新的分析與效果

老舊提升機設備更新時，應根據具體情況分類進行。

（1）零部件的更新。對于技術落后的小型零部件的更新應盡早進行，如應將高速級的齒輪聯軸器和蛇形彈簧聯軸器均盡早更新為彈性棒銷聯軸器。此類更新花費小，更新快，效果好。諸如此類更新應盡早進行為宜。

（2）檢測檢驗等裝置的重要性。有條件的礦山在進行大中型提升機設備更新時，還應增加一些保護、監控監測以及檢測檢驗等裝置，以提高提升系統的可靠性水平。如TCK 鋼絲繩在線無損定量檢測系統（以下簡稱“TCK 檢測”）可大幅提升鋼絲繩的安全、節約和高效水平。鋼絲繩是提升機的關鍵部件，一旦發生故障易導致惡性事故。長期以來，因無科學可靠的檢測設備，國內礦山還在沿用人工檢測方法對鋼絲繩進行管理，因此鋼絲繩的安全運行始終是設備管理的難點。TCK 檢測能隨時檢測出鋼絲繩的使用狀態，有效防止因突發性斷繩導致的惡性事故，準確可靠地判定鋼絲繩的使用壽命，避免因不當換繩造成的損失[7]224。峰峰集團多年來TCK 檢測的使用表明，TCK 弱磁檢測技術能克服礦井工況差異、鋼絲繩差異、提升機差異等影響檢測結果的各種因素，在多個礦井使用效果良好，測試結果準確[27-29]。TCK 檢測的推廣應用，為改變鋼絲繩使用中存在的“隱患、浪費和低效”現狀，實現“安全、節約和高效”的目標提供了可靠的技術保障。

為避免或減少提升機事故，按《規程》規定對提升機進行檢測檢驗等極其重要。提升機是集機械、電氣和液壓等技術于一體的大型關鍵設備，其結構復雜，采用超聲波、滲透等無損檢測技術[30-33]，可及時發現其存在的隱患或故障，以便及時處理隱患或排除故障，從而最大限度地使設備保持完好或基本正常狀態。無損檢測技術在礦井提升系統的應用范圍按《規程》規定[16]為：

“6.3.5.25 主要提升裝置，應由有資質的檢測檢驗機構按規定的檢測周期進行檢測。檢測項目如下：

6.3.5.10、6.3.5.11 條所規定的各種安全保護裝置；

天輪的垂直度和水平度，有無輪緣變形和輪輻彎曲現象；

電氣傳動裝置和控制系統的情況；

各種保護、調整和自動記錄裝置(儀表)，以及深度指示器等的動作狀況和準確、精密程度；

工作制動和安全制動的工作性能，并驗算其制動力矩，測定安全制動的速度；

井塔或井架的結構、腐蝕和振動；

防墜器、防過卷裝置、罐道、裝卸礦設施等。

對檢測發現的問題，礦山企業應提出整改措施，限期整改。”無論《規程》規定還是礦山認真檢測和嚴格整改，都在改變工作方式。無損檢測技術幫助和保障相關人員礦山比以往任何時候都更加安全、可靠、可預測和專注，而且其潛力非常大。

（3）電控系統與電機的更新換代。國家《節能環保產業發展規劃》[34]把節能技術和裝備列為節能產業重點領域。采用變頻調速和使用高效節能電機是提高電機效率的兩個重要途徑。變頻調速作為一種新型調速方法，性能優越，高效安全，性價比高，節能效果顯著，是目前大中型企業應廣泛采用的一種節能控制手段。電機更新設計時，應合理匹配負載所需電機的功率和優先采用高效節能電機，從根本上實現電機節能。

（4）系統或整機的更新換代。企業具備經濟、技術和發展潛力條件時，應針對老舊提升機主軸裝置、制動系統、交流繞線轉子異步電機拖動的電控系統以及傳動系統等進行更新換代。而且，分期對以上各裝置和系統等進行更新不如一次性將整機更新更好。經估算，整機更新方案通常可以獲得更好的投資效益。綜上所述，技術改造或設備更新的選擇，應根據設備現狀、礦井產量及其壽命、投資額度以及停產時間等礦山具體狀況確定。實踐證明：技術改造投資少、工期短、見效快，是老礦山設備實現技術進步、提高生產效率及經濟效益、推進節能減排、促進安全生產等的重要途徑[35]；當企業具備條件時，針對老舊提升機的薄弱環節乃至整機進行更新換代，則可獲得更大的投入產出比。

4 結語

綜上所述，老舊提升機已不能滿足礦井現代化安全生產、高效低耗等要求，但因其數量大，尚有一定的使用價值，短期內難以全部更新，故國家提倡以技術改造或設備更新提升其技術性能。雖然目前世界礦井提升機發展的總趨勢是大負載、高速度、大型化、自動化、智能化和高可靠性等，但我國仍以實用、經濟、高效和可靠的提升機產品為主[7]23。對老舊提升機的技術改造與設備更新應遵循以下原則：

（1）按照《規程》規定，針對老舊提升機的狀況，以可靠性、實用性、先進性、節能性及性價比等為原則和標準，采用“五新”制定科學的技術改造與設備更新方案。切忌盲目追求高指標，防止功能過剩，以保障良好的投資效益。

（2）針對老舊提升機的薄弱部分乃至整機的技術改造與設備更新的把握，應視其技術經濟指標與礦山的具體狀況確定。技術改造或設備更新后的提升機，應具有較高的可靠性與良好的性能參數等，裝備水平要與礦井產量和服役年限相當。

（3）編制能切實指導施工的“施工組織設計”，以保障技術改造與設備更新方案的順利實施。