矿井提升机技术改造与设备更新分析与对策（3）

肖慧儒，施海斌，高宝录，何方金，崔哲峰，顾永刚

（1.承德铜兴矿业有限责任公司，河北承德 067250；2.承德恒力机电制造有限责任公司，河北承德 067250；3.中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471039）

3 提升机技术改造与设备更新的分析与对策

铜兴公司5 台提升机技术改造与设备更新既有整机更新，亦有主轴装置、制动系统、高低压变频电控系统、传动系统、天轮装置及电机扩容等改造与更新，还有卷筒塑衬、天轮衬垫、高速级联轴器等改造与更新及处理主轴装置故障等。经对铜兴公司及其他矿山提升机技术改造与设备更新及设备检测检验等实际应用中遇到的问题进行论述，并给出对策。

3.1 对老旧提升机尽早进行技术改造或设备更新

随着提升机技术水平的不断提高，目前仍在使用的老旧提升机已经落后。由于其制造年代较早，故存在一些设计缺陷，由于其服役时间较长，设备已老化，已不能满足《规程》相关规定，存在安全隐患。因此，必须对超期服役的老旧提升机采用“五新”，尽早对其进行技术改造或设备更新，以大幅度提升其可靠性及性能参数，从而切实保障矿井安全生产。

3.2 对老旧提升机进行技术改造与设备更新的思路

制定提升机技术改造与设备更新方案，首先应以可靠性、实用性、先进性、节能性及性价比等为原则和标准；其次应切忌盲目追求高指标，防止功能过剩，以保障良好的投资效益。改造或更新后的提升机，应具有较高的可靠性与良好的性能参数等，装备水平要与矿井产量和服役年限相当。

3.2.1 技术改造的分析与效果

（1）机械部分技术改造的分析与效果

就老旧提升机结构而言，其技术改造的重点是主轴装置和制动系统，近年来，铜兴公司和许多矿山采用“五新”对其进行技术改造，均获得了很好的效果[17-24]。减速器也很重要，老旧提升机主要采用ZL 与ZD 型单入轴平行轴渐开线（后续机型改为圆弧齿形）人字圆柱齿轮减速器，虽然与渐开线行星齿轮减速器相比，在传动效率和承载能力等方面有一定差距，但其仍具有较高的可靠性。行星齿轮减速器虽然性价比较高，但原减速器更新为行星减速器时，应考虑2.2.2（8）所述的更新注意事项。为此，传动系统更新工期较长，投入较大。故若更新性能参数及运行状况尚可的减速器，应慎重考虑必要性。如前所述，铜兴公司迄今更新了2 台提升机的传动系统：1 套是随整机更新而被动更新；1套是因减速器发生2 起设备事故，致其性能参数及运行状况下降后而主动更新。其余3 台提升机的减速器均为原洛阳矿山机器厂制造，其时间及型号为：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。这3 台减速器的性能参数及运行状况迄今尚可，故2011年10月及2013年8月更新前2 台提升机的主轴装置与制动系统时，均未更新其传动系统，即便现在，若将其更新为行星齿轮减速器，仍为盲目追求高指标，从而产生功能过剩，则投资效益将事倍功半，这违背了“装备水平与矿井产量和服役年限相当”的原则。

（2）调速控制系统进行变频电控技术改造的分析与效果

淤变频电控系统性能与应用的分析。变频器是交流电机最理想的调速装置，其不仅具有卓越的调速性能，还具有显著的节能作用；就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器PLC 是目前工业控制最理想的机型，其采用计算机技术、按照事先编好并存储在计算机内一段程序来完成提升机的操控，采用PLC 控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维修量小，PLC技术已广泛应用于各种提升机控制。使用PLC 改造老旧设备的电控系统，能使故障率下降90﹪以上[25]。变频电控是交流调速与电控系统改造的最理想的调速、电控与节能装置。目前调速电控系统改造已普遍采用变频电控技术，改造需设计控制电路，并对参数进行设置。变频调速控制电路简单、调速范围大、性能好、精度高、减速与爬行自然过渡，无级平滑，电机实现软启动，节能效果显著，安全回路由PLC 内部和外部AC 回路串联实现冗余，系统可实现智能显示，运行稳定性及可靠性强、故障和停机频次及运行成本低、提升能力提高[7]220-221，[18-19]。近年来，我国许多矿山对提升机采用变频电控方式替代原调速电控方式，取得了显著成效。

随着我国科技水平的不断提高，变频电控技术也在日臻完善，而变频电控技术在提升机自动化中的应用，不是一种创新的突破，而更是一种发展趋势，故技术及相关人员应积极探索，使变频电控技术最大限度地发挥其潜力，以使提升机更加安全可靠和高效低耗，从而使我国矿山企业获得更大的经济和社会效益。

于合理选择变频器电压等级的分析。变频器的合理电压等级由功率器件能承受的电压水平决定，而某一电压等级下变频器可能的功率范围则由功率器件的承载电流能力决定。受电力电子器件电压及电机允许的电压变化率dv/dt 限制，高压变频器必须多电平、多器件串联。故高压变频器线路及结构复杂，价格昂贵，可靠性低，维修成本高。而低压变频器线路及结构简单，价格便宜，技术成熟，可靠性高，dv/dt 小，维修成本低。

调速控制系统实施变频电控技术改造的应用效果证明，变频器的正确选用对于变频电控系统的正常运行至关重要。选择变频器，首先要根据实际工况，合理选择变频器电压等级，电机功率在800 kW 以下时应选用低压变频器。采用低压与高压变频电控装置的价格差别较大，前者约为后者价格的55﹪。而且，国产品牌就目前质量而言，前者较后者可靠性高，可维修性亦好，并且后期的设备维修成本和维修的技术要求也均低。因此使用低压变频器对系统来说更为可靠、简单和经济。关于低压变频器目前可制作容量、其对电机过载系数、660 V 及380 V 时与电机功率匹配等状况和关系，在文献[21]中已有阐述。

盂变频电控系统结构与配置的分析[26]。当电机功率800 kW时，变频电控系统多采用660 V 及380 V 四象限2 电平交直交拓扑结构，其由全数字变频调速和双线制PLC 控制系统组成。全数字变频调速无级平滑，功率因数高，谐波电流低，下放重物时具有能量回馈电网功能，节能降耗。主控系统采用S7-300 PLC，配网络化控制操作台并预留上一级接口。监控系统亦采用同系列PLC，部分参数用触摸屏设置。铜兴公司盲主井提升机电机为450 kW/660 V，其变频电控系统采用的四象限2 电平交直交拓扑结构如图16 所示，其自动化控制机房布置如图17 所示。铜兴公司4 m 主井和滦县司家营铁矿2 个主井的提升机电机均为630 kW/6 kV，其变频电控系统采用的四象限多电平交直交拓扑结构图及其自动化控制机房布置图见文献[21]。目前变频电控系统配置一般采用ABB ACS 880 系列变频器和2 套S7-300 PLC。

图16 450 kW/660 V 变频电控系统结构

图17 450 kW/660 V 变频电控系统自动化控制机房布置

3.2.2 设备更新的分析与效果

老旧提升机设备更新时，应根据具体情况分类进行。

（1）零部件的更新。对于技术落后的小型零部件的更新应尽早进行，如应将高速级的齿轮联轴器和蛇形弹簧联轴器均尽早更新为弹性棒销联轴器。此类更新花费小，更新快，效果好。诸如此类更新应尽早进行为宜。

（2）检测检验等装置的重要性。有条件的矿山在进行大中型提升机设备更新时，还应增加一些保护、监控监测以及检测检验等装置，以提高提升系统的可靠性水平。如TCK 钢丝绳在线无损定量检测系统（以下简称“TCK 检测”）可大幅提升钢丝绳的安全、节约和高效水平。钢丝绳是提升机的关键部件，一旦发生故障易导致恶性事故。长期以来，因无科学可靠的检测设备，国内矿山还在沿用人工检测方法对钢丝绳进行管理，因此钢丝绳的安全运行始终是设备管理的难点。TCK 检测能随时检测出钢丝绳的使用状态，有效防止因突发性断绳导致的恶性事故，准确可靠地判定钢丝绳的使用寿命，避免因不当换绳造成的损失[7]224。峰峰集团多年来TCK 检测的使用表明，TCK 弱磁检测技术能克服矿井工况差异、钢丝绳差异、提升机差异等影响检测结果的各种因素，在多个矿井使用效果良好，测试结果准确[27-29]。TCK 检测的推广应用，为改变钢丝绳使用中存在的“隐患、浪费和低效”现状，实现“安全、节约和高效”的目标提供了可靠的技术保障。

为避免或减少提升机事故，按《规程》规定对提升机进行检测检验等极其重要。提升机是集机械、电气和液压等技术于一体的大型关键设备，其结构复杂，采用超声波、渗透等无损检测技术[30-33]，可及时发现其存在的隐患或故障，以便及时处理隐患或排除故障，从而最大限度地使设备保持完好或基本正常状态。无损检测技术在矿井提升系统的应用范围按《规程》规定[16]为：

“6.3.5.25 主要提升装置，应由有资质的检测检验机构按规定的检测周期进行检测。检测项目如下：

6.3.5.10、6.3.5.11 条所规定的各种安全保护装置；

天轮的垂直度和水平度，有无轮缘变形和轮辐弯曲现象；

电气传动装置和控制系统的情况；

各种保护、调整和自动记录装置(仪表)，以及深度指示器等的动作状况和准确、精密程度；

工作制动和安全制动的工作性能，并验算其制动力矩，测定安全制动的速度；

井塔或井架的结构、腐蚀和振动；

防坠器、防过卷装置、罐道、装卸矿设施等。

对检测发现的问题，矿山企业应提出整改措施，限期整改。”无论《规程》规定还是矿山认真检测和严格整改，都在改变工作方式。无损检测技术帮助和保障相关人员矿山比以往任何时候都更加安全、可靠、可预测和专注，而且其潜力非常大。

（3）电控系统与电机的更新换代。国家《节能环保产业发展规划》[34]把节能技术和装备列为节能产业重点领域。采用变频调速和使用高效节能电机是提高电机效率的两个重要途径。变频调速作为一种新型调速方法，性能优越，高效安全，性价比高，节能效果显著，是目前大中型企业应广泛采用的一种节能控制手段。电机更新设计时，应合理匹配负载所需电机的功率和优先采用高效节能电机，从根本上实现电机节能。

（4）系统或整机的更新换代。企业具备经济、技术和发展潜力条件时，应针对老旧提升机主轴装置、制动系统、交流绕线转子异步电机拖动的电控系统以及传动系统等进行更新换代。而且，分期对以上各装置和系统等进行更新不如一次性将整机更新更好。经估算，整机更新方案通常可以获得更好的投资效益。综上所述，技术改造或设备更新的选择，应根据设备现状、矿井产量及其寿命、投资额度以及停产时间等矿山具体状况确定。实践证明：技术改造投资少、工期短、见效快，是老矿山设备实现技术进步、提高生产效率及经济效益、推进节能减排、促进安全生产等的重要途径[35]；当企业具备条件时，针对老旧提升机的薄弱环节乃至整机进行更新换代，则可获得更大的投入产出比。

4 结语

综上所述，老旧提升机已不能满足矿井现代化安全生产、高效低耗等要求，但因其数量大，尚有一定的使用价值，短期内难以全部更新，故国家提倡以技术改造或设备更新提升其技术性能。虽然目前世界矿井提升机发展的总趋势是大负载、高速度、大型化、自动化、智能化和高可靠性等，但我国仍以实用、经济、高效和可靠的提升机产品为主[7]23。对老旧提升机的技术改造与设备更新应遵循以下原则：

（1）按照《规程》规定，针对老旧提升机的状况，以可靠性、实用性、先进性、节能性及性价比等为原则和标准，采用“五新”制定科学的技术改造与设备更新方案。切忌盲目追求高指标，防止功能过剩，以保障良好的投资效益。

（2）针对老旧提升机的薄弱部分乃至整机的技术改造与设备更新的把握，应视其技术经济指标与矿山的具体状况确定。技术改造或设备更新后的提升机，应具有较高的可靠性与良好的性能参数等，装备水平要与矿井产量和服役年限相当。

（3）编制能切实指导施工的“施工组织设计”，以保障技术改造与设备更新方案的顺利实施。