永磁內裝式提升機在正令煤業提升中的應用

李 坤

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

礦井提升機是礦山關鍵設備之一，主要用于煤、矸石提升及礦井設備運輸，是聯系井上下的重要運輸設備。傳統的礦井提升機由電機、減速機、聯軸器、纏繩滾筒、提升機主軸、制動裝置等系統組成[2]，系統中傳動部件的效率決定了整機效率，導致在日常生產中，提升機存在傳動效率低、維護量大、可靠運行要求高、能耗高、投資大等問題。隨著開采深度的增加，為了確保提升效率時，提升速度和提升機配套電機功率相應提高。

作為周期性運動式輸送設備，設備選型的合理性具有重要的技術和經濟意義。隨著提升技術的不斷提高，對無減速機、聯軸器等傳動環節的永磁內裝式提升機正在進一步深入研究[3]。永磁內裝式提升機的原理是采用外轉子永磁同步電機，永久磁鐵裝于滾筒內壁作外轉子，內定子工作繞組線圈裝于提升機主軸。繞組通電產生的三相旋轉磁場與外轉子永久磁鐵相互作用產生轉矩，利用磁引力驅動外轉子同步旋轉。該類型提升機具有結構緊湊、系統運行穩定、電機運行效率高等特點。目前永磁內裝式提升機系統多處于理論研究和裝備研發階段，對于設計階段的選型計算和工程應用效果研究相對較少。

針對正令煤業副斜井提升，設計采用永磁內裝式提升方案，通過對提升機的選型計算，論證永磁內裝式提升機節能的特點，對礦井輔助提升工程應用起到理論支撐作用。

1 工程概述

正令煤業生產規模為0.9Mt/a，礦井布置有副斜井、主立井、進風立井、回風立井四個井筒。副斜井工業場地屬于黃土高原，地貌主要為侵蝕黃土。場地南高北低，最高點海拔+1032.4m，位于南部；最低點海拔+853.0m，位于東部，最大高差179.4m。本區抗震設防烈度Ⅶ度。副斜井井筒落底于7號煤層底板+590m標高，軌道大巷通過井底車場繞道與副斜井連接，形成輔助運輸系統。

設計副斜井提升采用單鉤串車，裝備永磁內裝式單繩纏繞式提升機，擔負礦井最重件(液壓支架)設備運輸及矸石提升任務。

2 可行性分析

2.1 地面場地布置

經過現場勘察，并綜合礦井地形地貌和井巷系統部署，最終確定提升系統地面場地采用臺階式布置方式。該方式場地布置上、下兩個臺階，副斜井井口及井口房布置在下臺階，標高+983.00m左右；天輪架、提升機房、配電室布置在井口對面的上臺階，標高+990.30m左右。提升系統地面布置如圖1所示。

圖1 提升系統地面布置圖(m)

2.2 井筒布置

根據井筒運輸條件及通風要求，設計副斜井井筒凈寬4m，凈高3.5m，凈斷面12.2 m2；井口標高+983.345m，落底標高+590.000m，傾角23°，斜長1006.69m。井筒內鋪設30kg/m單軌，井筒左側設有臺階。擔負礦井最重件設備運輸及矸石提升任務，并作安全出口，井筒斷面如圖2所示。

圖2 副斜井斷面圖(mm)

井筒擔負礦井最重件設備運輸，最重件為液壓支架，設計采用ZF8000/17/33型支架，其外形尺寸為6883mm×1420mm×1700mm，平板車外形尺寸為3750mm×1500mm×450mm，高度方向距管路支撐梁底凈間距為500mm，寬度方向距井筒墻壁凈間距為1250mm，安全間隙滿足規程要求。

2.3 井筒坡度

根據《煤礦井下輔助運輸設計規范》相關要求[8]，提升機在運送大件時井筒最大傾角不宜超過25°；本次設計副斜井井筒坡度為23°，滿足要求。

3 輔助提升設計方案

3.1 設計依據

井筒斜長1006.69m，傾角23°，井底車場長20m，天輪至井口水平距離70m；采用單鉤串車提升，井口為平車場布置；最重件30t(含平板車重)，升降最重件采用特制平板車；提升矸石量41車/班，每鉤4輛1.0t礦車組列，礦車自重0.6t。

3.2 設備選型計算

3.2.1 鋼絲繩的繩端荷載

根據《礦山固定設備選型使用手冊》，鋼絲繩的繩端荷載Md按下式計算：

Md=m(sinα+f1cosα)

(1)

式中，m表示提升重件重量(含平板車重)，為30t；α表示井筒傾角23°；f1表示阻力系數，取0.01。將參數代入式(1)，計算得出Md=1.21×104kg。

3.2.2 鋼絲繩的單重

根據上述計算結果，設計選用40ZBB 6V×34+FC 1770 ZS 962 648(GB 8918—2006)鋼絲繩，其技術參數如下：直徑d為40mm，單重Pk為6.48kg/m，公稱抗拉強度σB為1770MPa，全部鋼絲破斷拉力總和Qq為1132kN。

3.2.3 鋼絲繩的安全系數校驗

鋼絲繩的安全系數(m′)按下式檢驗：

將前述參數代入式(3)，計算得出m′=7.12，大于規程要求的6.5，所選鋼絲繩滿足要求。

3.2.4 鋼絲繩最大靜張力

鋼絲繩最大靜張力Fjmax按下式計算：

將前述參數代入式(4)，計算得出Fjmax=159.1kN。

3.2.5 提升機選定

根據上述參數設計選用JKN-3.5×2.5P永磁內裝式礦井提升機一套，技術參數如下：滾筒直徑DG為3500mm，滾筒寬度B為2500mm，最大靜張力Fj為170kN，最大提升速度Vmax為3.8m/s。

3.2.6 滾筒寬度校驗

3.2.7 電動機選型計算

電動機選型計算均按提最重件考慮。

1)電動機功率估算。電動機功率Ns按下式估算：

2)等效力計算。等效力Fd按下式計算：

3)最大提升速度計算。提升機最大提升速度(Vmax)按下式計算：

式中，n為所選電動機的額定轉速，取20.7r/min；i為減速比，取1。將參數代入式(8)，計算得出Vmax=3.8m/s。

4)電動機容量校驗。電動機等效容量Ndx校驗按下式計算：

式中，K為電動機容量儲備系數，取1.1。將參數代入式(9)，計算得出Ndx=646.40kW<710kW，滿足要求。

5)電動機額定力計算。電動機額定力Fe按下式計算：

式中，P為電動機的額定功率，取710kW。將參數代入式(10)，計算得出Fe=187.156kN。

6)電動機過載能力校驗。電動機過載能力λ′按下式校驗：

式中，Fmax為運動力學中最大運動力，見表2，取202.69kN。將參數代入式(11)，計算得出λ′=1.083<0.95×2=1.9，滿足《煤礦提升系統工程設計規范》要求[7]。

3.3 提升系統分析

3.3.1 提升系統圖

根據計算結果，最終確定提升系統如圖3所示。

圖3 提升系統示意圖(m)

3.3.2 提升系統的變位質量

提矸石和最重件時，提升系統變位質量分別按下式計算：

M1=Mj+Mt+Mp+MG

(12)

M2=Mj+Mt+Mp+MZ

(13)

提升系統變位質量見表1，將表中參數代入式(12)和式(13)，計算得出M1=43237kg，M2=63669kg。

表1 提升系統變位質量

3.3.3 提升系統運動學計算

圖4 提升系統速度圖

提升系統速度如圖4所示，其中取提矸時的最大速度V0=3.46m/s，可得出提升矸石時θ=25s，Tq=725.52s。

3.3.4 提升系統動力學計算

提升系統動力學計算結果見表2。

表2 運動力學計算結果 kN

3.3.5 安全制動力計算

下放大件時：FZmin=0.75∑M2+Fj

提升大件時：FZmax=Ac∑M2-Fj

式中，Ac為斜井提升的自然減速度，m/s2，Ac=(sinα+f1cosα)g，為 3.973；將參數代入式(14)、式(15)，計算得出FZmin=206.851kN，FZmax=93.856kN。

計算結果最大制動力小于最小制動力，在提升和下放時應采用不同的恒力矩進行制動，按照經驗選取1.1～2.7m/s2，提升大件時，選取安全制動減速度2.7 m/s2，下放大件時，取安全制動減速度1.1m/s2，最大制動力矩取900kN·m，能夠滿足要求

3.4 提升系統年耗電計算

3.4.1 最大班作業時間

最大班作業時間t按下式計算：

式中，11表示大班提升次數；Tq為提矸時一次循環使用時間，取725.52s。將參數代入式(14)，計算得出t=2.21h。

3.4.2 提升系統年耗電計算

提升系統年耗電按提升矸石任務考慮。

1)等效力按下式計算：

2)電動機等效容量按下式計算：

式中，K為電動機容量儲備系數，取1.1；η為電動機傳動效率，對于傳統提升機采用行星齒輪減速器時[7]，取0.92，本次設計采用永磁內裝式提升機，取1。將參數代入式(16)，計算得出Ndx=249.90kW。

3)提升系統年耗電按下式計算：

式中，ηD為電網效率，取0.9。將前述參數代入式(17)，計算得出E=6.075×105kW·h。

4 應用效果

若采用傳統提升機(假設所選電機功率相同且提升速度一致)，根據表1、2中參數對提矸時的工況重新計算，得出結果見表3。

表3 計算結果對比

從上述分析得出，對于同一提升工況，在所選提升機型號、電機功率和提升速度相同的前提下，永磁內裝式提升機較傳統提升機具有以下特點：

1)提升系統電機等效容量降低約9%，更加節能、高效。

2)提升年耗電降低約9%，節能節電效果明顯。

3)提升系統的變位質量較小，很大程度節省了土建施工費用，施工周期明顯縮短。

4)提升系統各階段的受力較小，對電機過載能力要求降低。大大提高提升機運行的可靠性和安全性。

5 結 語

最終正令煤業副斜井提升采用了永磁內裝式單繩纏繞式提升機，于2019年8月安裝并調試完畢，至今系統運行穩定，滿足礦井輔助提升要求。進一步證實了本設計方案的合理性。該副斜井輔助提升設計選型計算理論方法，在傳統提升機選型計算的基礎上，提出了永磁內裝式提升機的選型計算，具有運行節能、高效的特點。該方法后期可推廣應用到同類型礦井輔助提升設計選型計算中，具有一定的理論支撐和工程應用價值。