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      應急重力滑行裝置在副井提升機的應用

      發(fā)布時(shí)間：

      2023-05-09

      來(lái)源：

      http://m.ds992.com/

      針對煤礦副井提升機因故障無(wú)法正常運行、罐籠中途緊急停車(chē)、乘員被困的問(wèn)題，提出了采用應急重力滑行裝置進(jìn)行緊急救援的技術(shù)方案。介紹了應急重力滑行裝置的研究背景，提出了3種應急重力滑行裝置的技術(shù)方案，對比分析了3種方案與原電控系統的關(guān)聯(lián)程度以及各自的特點(diǎn)。以單相備用電源+應急液壓站+應急操控臺的技術(shù)方案為例，闡述了其工作原理及雙閉環(huán)控制策略；針對備用電源的選型，結合各方案的設備配置情況，給出了指導性意見(jiàn)。

      導讀

      針對煤礦副井提升機因故障無(wú)法 正常運行、罐籠中途緊急停車(chē)、乘員被困的問(wèn)題，提出了采用應急重力滑行裝置進(jìn)行緊急救援的技術(shù)方案。介紹了應急重力滑行裝置的研究背景，提出了3種應急重力滑行裝置的技術(shù)方案，對比分析了3種方案與原電控系統的關(guān)聯(lián)程度以及各自的特點(diǎn)。以單相備用電源+應急液壓站+應急操控臺的技術(shù)方案為例，闡述了其工作原理及雙閉環(huán)控制策略；針對備用電源的選型，結合各方案的設備配置情況，給出了指導性意見(jiàn)。

      副井提升機用于升降人員和物料。在運行過(guò)程中，一旦出現供電失敗，或者電動(dòng)機、減速器、調速器(變頻器)等關(guān)鍵部件出現重大故障，提升機被迫中途停車(chē)，提升容器中的乘員被困井筒。副井提升機如果不能在短時(shí)內恢復運行，被困人員可能出現急躁、焦慮等不良情緒，安 全隱患則隨停機時(shí)長(cháng)的增加而增加。出現上述故障后，要在盡可能短的時(shí)間內恢復副井提升機的運行，哪怕是低速運轉進(jìn)行應急提升。在故障當次恢復提升機運行，將乘員撤離到井口或其他安 全處；也可根據實(shí)際需要，繼續應急提升，直至完成應急救援任務(wù)。

      《煤礦安 全規程》第四百零一條規定：檢修時(shí)，提升容器的速度一般為0.3～0.5 m/s，zui大不得超過(guò)2 m/s。

      1應急重力滑行裝置

      靈東煤礦副井采用JKM 4×4(Ⅲ)型提升機，其直流電動(dòng)機的功率為1 500 kW，系統供電電壓為10 kV。若提升機因停電等故障無(wú)法 正常運行，簡(jiǎn)單做法是利用1臺備用柴油發(fā)電機作為電源。按照提升負荷的需要，發(fā)電機的裝機容量至少為額定容量的1.6倍；此外，至少需要增設1套2 400 kW/10 kV三相高壓發(fā)電機組、1臺10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜、1組安裝上述設備的機房(包括油料庫)。

      上述裝備和相應的基建費用相對較多，日常管理和維護也需要一定的成本；但全礦停電事故發(fā)生的概率較小，大型設備常備而不常用，造成資源的浪費。

      在應急救援中，提升機也需要提升或下放重物。在下放重物的過(guò)程中，提升機處于發(fā)電狀態(tài)，促使網(wǎng)側電壓(靈東礦為10 kV)泵升，電壓泵升至一定值，可能損害包括三相高壓發(fā)電機組在內的與該電網(wǎng)相關(guān)的設備和元件，這為應急救援埋下了安 全隱患。在此情形下，較好的處理方式是通過(guò)液壓制動(dòng)系統，借助提升鋼絲繩的張力差或乘員的重力，控制副井提升機在安 全速度下滑行，將被困人員應急提升至安 全位置，如井口、井底或中段水平馬頭門(mén)處，安 全撤離。

      2應急重力滑行裝置技術(shù)方案

      2.1方案內容

      針對副井提升機應急重力滑行裝置的選擇，筆者提出了3種技術(shù)方案，具體方案內容如表1所列。

      3種方案中，方案1相對獨立于原控制系統及液壓站；方案2應急時(shí)使用原操作臺對提升機重力滑行進(jìn)行啟停和速度控制；方案3增設三相備用電源為控制系統及液壓制動(dòng)系統供電。液壓站中油泵電動(dòng)機為AC 380 V三相交流電動(dòng)機，考慮此電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，三相備用電源的容量要大于方案1和方案2中的單相備用電源容量。

      2.2原理分析

      以方案1為例，其原理框圖如圖1所示。圖1中虛框內為原電控設備和液壓站，其中：a為輔助電源(AC 380 V)，雙回路進(jìn)線(xiàn)，為電控設備和液壓站供電；b為網(wǎng) 絡(luò )化操作臺；c為PLC控制柜；d為液壓站。

      1.單相備用電源2.應急操控臺3.應急液壓站4.手動(dòng)單向閥5.測速元件6.提升機主井設備7.制動(dòng)器

      圖1中，應急操控臺2作為重力滑行應急提升的控制設備，由單相備用電源1(AC 220 V)供電，并對應急液壓站3進(jìn)行控制；應急液壓站中的油泵電動(dòng)機為單相交流電動(dòng)機或直流電動(dòng)機，轉速和容量與油泵相匹配。如同原液壓站，應急液壓站輸出油管也設有2只手動(dòng)截止閥4.1，通過(guò)三通分別接入液壓制動(dòng)系統油路的A管和B管。正常情況下，關(guān)閉手動(dòng)截止閥4.1，液壓制動(dòng)系統的油壓由原液壓站控制；應急提升情況下，打開(kāi)手動(dòng)截止閥4.1、關(guān)閉4.2，液壓制動(dòng)系統的油壓由應急液壓站控制；通過(guò)切換手動(dòng)截止閥4.1和4.2的狀態(tài)，進(jìn)行日常提升或應急提升。

      3應急液壓站及其雙閉環(huán)控制

      3.1工作原理

      重力滑行是利用提升系統的不平衡力來(lái)移動(dòng)提升容器，速度由液壓站通過(guò)松閘和合閘進(jìn)行控制。本應急系統不設驅動(dòng)動(dòng)力，松閘的情況下，較重一側的罐籠下降，較輕一側上升。應急液壓站是應急重力滑行裝置的重要部件，其原理如圖2所示。應急液壓站安裝時(shí)，油路通過(guò)三通閥分別與原油路的A管、B管連接。使用應急液壓站前，當盤(pán)式制動(dòng)器處于全制動(dòng)的狀態(tài)下，將2個(gè)手動(dòng)截止閥打開(kāi)，同時(shí)關(guān)閉原液壓站的手動(dòng)截止閥。

      圖2中，應急液壓站的油泵電動(dòng)機4要優(yōu)先選擇直流電動(dòng)機或單相交流電動(dòng)機，方便由直流備用電源或單相交流電源供電，并要求具有一定的續航能力；比例溢流閥2可設定應急液壓站的額定工作油壓，通常與原液壓站的額定工作油壓相匹配；比例溢流閥受應急操控臺上速度操縱桿控制，從而控制應急液壓站的實(shí)際壓力，達到控制重力滑行速度的目的。參考《煤礦安 全規程》第四百零一條規定，重力滑行速度通常限制在1 m/s以?xún)取?/p>

      應急液壓站的工作過(guò)程：安 全電磁閥G1得電、G2斷電，油泵電動(dòng)機4運轉，比例溢流閥KT2處于卸油狀態(tài)，等待應急操控臺的指令；當比例溢流閥2收到開(kāi)閘信號，應急液壓站開(kāi)始升壓，油壓根據開(kāi)閘信號大小可以連續線(xiàn)性控制，隨著(zhù)壓力上升，盤(pán)式制動(dòng)器逐漸松閘，在兩側罐籠不平衡力的作用下，提升機往較重的一側低速滑行。配套的應急操控臺具有保護措施，當發(fā)生超速、閘盤(pán)超溫、壓力過(guò)壓等故障時(shí)，應急操控臺可聲光報警；同時(shí)，比例溢流閥2和安 全電磁閥G1斷電、G2得電，應急液壓站卸壓，使提升機安 全制動(dòng)，重力滑行停止。應急液壓站的聯(lián)鎖基本要求如表2所列。表中，“-”代表斷電，“+”代表得電。

      3.2雙閉環(huán)控制

      利用應急操控臺上操縱桿控制應急液壓站的松閘或合閘，從而控制重力滑行速度，通過(guò)油壓和滑行速度的雙閉環(huán)控制，達到穩定滑行速度的目的。雙閉環(huán)控制原理如圖3所示。

      圖3中，雙閉環(huán)的內環(huán)為油壓閉環(huán)，設有油壓調節器5、油壓斜率限制器4和功率放大器3。功率放大器的輸出直接控制比例溢流閥2.2的線(xiàn)圈，使得應急液壓站的油壓隨電信號作線(xiàn)性變化；油壓斜率限制器對油壓的變化速率進(jìn)行限制，以免油壓變化太快，影響滑行速度的平穩性。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的重力滑行，閘盤(pán)可能過(guò)熱，當非接觸式溫度傳感器1檢測到過(guò)熱情況，發(fā)出指令使應急液壓站實(shí)施安 全制動(dòng)，在油壓斜率限制器的作用下，更平穩地緊急停車(chē)。壓力閉環(huán)的反饋信號取自壓力傳感器2.1。Ug為滑行速度給定信號，由應急操控臺上操縱桿控制，速度閉環(huán)的反饋信號取自安裝于提升機主軸的測速機或光電編碼器。根據速度和壓力的跟隨情況，雙閉環(huán)的滑行速度調節器6和油壓調節器5可設置為PI或P調節器。

      4備用電源的選型

      4.1選型原則

      首先，備用電源的選型主要以重力滑行所用液壓站中油泵電動(dòng)機的額定容量(電流)和電壓作為基礎參數?？紤]油泵電動(dòng)機在直接啟動(dòng)瞬間，zui大電流可能是其額定電流的5～7倍；加之應急重力滑行裝置還有其他負荷，備用電源的額定容量通常不小于應急液壓站(方案1和方案2)或原配液壓站(方案3)中油泵電動(dòng)機額定容量的10倍。如果采用方案1和方案2，其油泵電動(dòng)機的額定容量為1.0 kW/單相AC 220 V，則備用電源的額定容量通常不小于10 kW/單相AC 220 V；如果采用方案3，其油泵電動(dòng)機的額定容量為3.0 kW/三相AC 380 V，則備用電源的額定容量通常不小于30 kW/三相AC 380 V。

      其次，備用電源的續航能力是個(gè)重要的參數，必須在設計選型中予以體現。以重力滑行的平均速度0.5 m/s計，備用電源的續航時(shí)間至少為H/0.5(H為提升高度，m)，并留有充分的裕量。例如，提升高度H為500 m，按平均速度0.5 m/s重力滑行一個(gè)行程，至少則需17 min，考慮一定的裕量，備用電源的續航能力通常為不低于30 min。

      4.2方案選擇

      備用電源有兩種選擇：一是不間斷電源UPS；一是交流發(fā)電機組。

      (1)UPS主要由整流器、逆變器和電池組等組成。UPS額定容量取決于其整流器和逆變器容量，輸出的額定電流與其容量成正比；UPS的續航能力取決于電池組的容量，電池組的容量越大、續航能力越強，如果要求UPS輸出容量大且續航時(shí)間長(cháng)，則需配置相當多數量的電池。UPS的優(yōu)點(diǎn)在于靜音；缺點(diǎn)在于需要定期或經(jīng)常處于在線(xiàn)充電狀態(tài)，一旦長(cháng)時(shí)間不在線(xiàn)，電池組的能量可能耗凈或大為減少，應急時(shí)UPS不能發(fā)揮作用或續航能力不夠。市場(chǎng)上UPS的輸出多為單相，如果采用方案1和方案2，可選用；UPS也有三相輸出，但是三相大容量的UPS，在設備體積、價(jià)格、日常維護保養方面不具有優(yōu)勢，如果采用方案3，通常不選用UPS作為備用電源。

      (2)交流發(fā)電機組可分為單相發(fā)電機和三相發(fā)電機兩種。單相發(fā)電機輸出電壓為AC 220 V，方案1和方案2可選用；三相發(fā)電機輸出電壓為AC 380 V，方案3可選用。燃油發(fā)電機是依靠柴油或汽油燃燒產(chǎn)生動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機組的，相較于UPS，其優(yōu)點(diǎn)在于耐用，續航能力取決于備用油料量；缺點(diǎn)在于有噪聲和尾氣排放，對小環(huán)境有一定的不利影響。

      5干預重力平衡

      在兩邊罐籠交鋒的區域內，且兩邊罐籠載重相差無(wú)幾的情況下，鋼絲繩張力差接近于零或較小，即張力處于平衡狀態(tài)。此時(shí)，制動(dòng)閘即使全部松開(kāi)，罐籠也可能處于靜止狀態(tài)，無(wú)法滑行。打破張力平衡狀態(tài)zui簡(jiǎn)單的做法是人為干預，推動(dòng)卷筒轉動(dòng)。在張力平衡狀態(tài)下，人為干預使卷筒轉動(dòng)并不困難。在有條件的煤礦，可設置重力平衡破壞裝置，如在卷筒的內側增設內齒圈，以及與內齒圈配套的齒輪，通過(guò)小型電動(dòng)機驅動(dòng)齒輪帶動(dòng)卷筒轉動(dòng)，達到破壞重力平衡的目的；也可以在提升機的主軸上、減速器的輸出軸或主電動(dòng)機的輸出軸上增設小型驅動(dòng)裝置，也能達到破壞重力平衡的目的。

      需要注意的是，重力平衡破壞裝置所使用的電源要與備用電源相匹配，包括電壓等級和容量等。

      6結語(yǔ)

      靈東煤礦副井應急重力滑行裝置采用技術(shù)方案1，即單相備用電源+應急液壓站+應急操控臺的方案，單相備用電源采用小型單相柴油發(fā)電機組。安裝后，經(jīng)輕載、半載和全載的調試和試驗，重力滑行速度平穩，閘盤(pán)溫度控制在容許的范圍內。礦方制定了相應的設備運維管理措施，做到平急結合，確保在應急過(guò)程中，設備安 全可靠，乘罐人員能夠撤離到安 全地點(diǎn)，這為乘罐人員的應急救援增添了一個(gè)新的方案。

      引文格式：

      [1]王增仁，陳 國 峰.應急重力滑行裝置在副井提升機的應用.[J].礦山機械,2023,51(4):21-24.

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