关于SQ无极绳连续牵引车的电控改造

＊胡鹏程

（山西焦煤汾西矿业正中煤业 山西 032000）

2000年以来，随着采煤行业的发展，现代矿井自动化、信息化、数字化、智能化建设标准的提升，无极绳绞车在运输大巷及采煤工作面顺槽的安装使用将逐步普及，结束运输大巷及顺槽小绞车接力运输物料的时代，提升矿井物料运输安全系数及运输效率。

1.无极绳绞车工作原理和结构原理

（1）工作原理。在无极绳绞车使用前，通过在已施工好的无极绳绞车硐室内打地锚，将绞车固定在底板，同时在无极绳绞车机尾处通过打地锚将尾轮固定，驱动电机固定在安装好的底座上，电控系将使电机动力通过减速机或者变速箱传递至滚筒上，使得滚筒上钢丝绳运动，钢丝绳带动与其固定在一起的重物移动从而达到牵引的目的。

（2）结构原理。无极绳绞车由传动装置、主轴装置和制动操纵机构等组成。

①传动装置。传动装置包括电动机、液力耦合器、减速器、齿轮联轴器和一级开式齿轮传动。

A.减速器。减速器用ZHQ-85型标准两级圆弧齿轮减速器。机壳为水平剖分结构，机盖和机座用铸铁铸成，并以螺栓连接。

B.液力耦合器。液力耦合器以液压油为工作介质，通过泵轮和涡轮实现设备的机械能和液体的动能相互转化，从而使得与其连接的电动机和减速器实现二者之间的动力传递。

②主轴装置。主轴装置由卷筒、主轴、齿轮和滑动轴承等组成。卷筒有夹钳式和抛物线型两种。夹钳式卷筒有驱动力大、钢丝绳使用寿命长和无滑动现象等优点，结构是在轮体上装有12块扇形压板，扇形压板内装有左、右卡钳和弹、销轴组成的夹钳，钢丝绳则卡在夹钳内。抛物线型卷筒是由轮体和开有抛物线形绳槽的轮圈组成，它们用螺栓连接。这种卷筒的优点是制造简单和可以正反转。

③制动操纵机构。制动操纵机构包括工作制动器和安全制动器。

A.工作制动器。它采用电动液压推动器自动操纵，推动器的电动机与主电动机联动。主电动机启动后，电动液压推动器使其外部阳的框架升起，进而通过长轴和连杆使重锤升起，于是杠杆抬起，工作制动闸松开。主电动机停止转动时，电动液压推动器也停止工作，制动闸通过重锤自身重力的作用闸住卷筒，使得卷筒停止转动。此外，工作制动闸还可以通过千把拉动杆进行操作。电动液压推动器的结构原理为动作状态时，电动机带动涡轮旋转油室内的油液输送到活塞的下腔。这一过程是逐步实现的，从涡轮排出的油液先使缓冲装置下部的活动升起。当该活动套上升到使开口露出时，油液才进入活塞的下腔。随着套的继续上升，开口逐斩增大，直到套的上端顶到涡轮外罩时，开口达到最大。这时，活塞在油液压力的作用下上升，带动框架升起，使工作制动闸松开。制动状态时，电动机停止运转，涡轮也停止运转，油液失去压力，活塞在重锤自身重力的作用下使得油液返回到油腔内，并在弹簧作用下，开口越来越小，回油速度越来越慢，因而使制动过程进行的比较平稳。

B.安全制动器。安全制动器由电动液压推动器、重锤、制动杠杆和带形闸等组成。主电路供电时，液压推动器动作，重锤提起，使带形闸处于松闸状态。当发生故障，总电路被切断时，液压推动器停止工作，重锤即刻下降，带形闸在制动杠杆作用下使得卷筒停止转动，保护操作者安全。安全制动与工作制动动作原理相同，安全制动没有缓冲装置，一旦触动即刻制动，动作加快，能够很好的起到保护作用。

④逆止装置

逆止装置的作用是当工作制动器不能正常工作时，防止绞车在货载的作用下反转而造成事故。它由固定在主轴端的单向离合器、固定在离合器上的模板、中间传动机构和按钮开关组成。绞车正常工作时，离合器不转，模板位置不变。一旦工作制动器失灵，绞车在货载的作用下反转时，离合器便立即动作，其上的模板触动按钮开关而切断液压推动器的电源，使安全制动器即刻开始动作，防止绞车的反转；同时，安全制动器上的闭锁装置切断主电动机的电路而使之停止转动[1]。

2.无极绳绞车的优缺点

(1)无极绳绞车具有以下优点

①简化矿井运输系统。无极绳绞车的运用，可以减少运输路线上工人摘挂钩的次数，减轻工人劳动强度，减少斜巷运输跑车事故发生的概率，提升运输效率和运输安全性能，为采煤工作面快速、高效安装提供了保障。②减少矿车摘挂钩次数和倒车的次数，避免了井下因断绳、跑车而引发的事故，优化井下运输系统和程序，减少运输中存在的危险点，降低运输事故发生概率。③液压张紧系统可根据运输车辆的多少、运输材料的重量而调节钢丝绳的张紧力，减少钢丝绳的张紧次数，延长了钢丝绳的使用寿命。④无极绳绞车通过通讯装置，实现运输中的打点、通话、急停等控制功能，为长距离的运输提供了技术保障。⑤在井下运输中，实现了长距离连续运输，无需转载，基本上一部设备能实现一条巷道的连续运输，杜绝了调度绞车接力运输带来的其他影响。⑥无极绳绞车尾轮固定方式简单，能方便快递移动，实现无极绳绞车运输的延续或者缩短。

(2)无极绳绞车缺点

①无极绳绞车钢丝绳需要每月检查钢丝绳磨损情况，并定期进行更换。②无极绳绞车需要大量空间来满足安装、起重要求，工程施工周期长，施工量大。③无极绳绞车采用电机驱动以及其他复杂机械结构，需要定期维护保养，维护成本高。④无极绳绞车重量较大，井下运输、安装周期长。

3.改造背景

（1）初期使用情况。2015年，矿井采区轨道巷安设一套淮南凯盛重工有限公司生产的SQ-120/200型无极绳连续牵引车，用于采区轨道大巷物料运输。电控系统使用两台QBZ-200型电磁起动器，由于矿井初采为薄煤层开采，开采工艺最初为高档普采，设备及物料质量较轻，无极绳连续牵引车可以满足安全运输要求。

（2）存在问题。矿井上下2号煤层交替开采，上2号运输最大件综采液压支架重量10t左右，下2号煤层运输最大件综采液压支架重量达20t；采区巷道最大坡度达16°，采用电磁起动器直接（高低速）起动的无极绳连续牵引车已经不再满足安全运输的需求。

①采用电磁起动器直接起动电机，在运输大型设备期间，过大的冲击转矩导致无极绳绞车减速器输出轴扭断；电机与减速器软连接用的尼伦销需频繁更换。②索车的制动无法准确把控，特别是在车辆连接期间，难以将索车准确停至合适位置，在摘挂车期间，碰手或碰脚事件经常发生，增加了运输难度，降低了运输效率。③电网冲击：过大的起动电流，造成电网电压下降，影响其它用电设备的正常运行，造成欠压保护动作跳闸。④在到达坡度大的地方，不能平缓运行；需其它运输设备辅助牵引才能提升至坡上。在运输中厚煤层开采设备时，以上问题造成的影响，将进一步明显的展现出。

4.改造方案

通过更换控制系统设备，将电磁起动器直接起动方式的无极绳连续牵引车，改造成为变频调速控制方式。具体情况如下：

(1)控制系统采用变频器控制

①将两台QBZ-200型电磁起动器，分别更换为矿用隔爆兼本质安全型交流变频调速装置用逆变器（型号：ZJT-500/600K-N）和矿用隔爆型输入滤波电抗器（型号：DKB1-500/600LR）。②更换配套的矿用本质安全型操作台（型号：TH-12(A)矿用本质安全型操作台）。

(2)变频器工作面原理

主回路系统电源由进线接触器进入输入滤波电抗器，再通过整流器和逆变器进行逆变实现变频输出，最后经过输出滤波电抗器供给电机，以实现对电动机的调速控制。

①输入电抗：可以抑制浪涌电压和浪涌电流，并且可以改善由变频调速时产生的高次谐波和波形畸变，滤除谐波电压和谐波电流保护变频器，改善电网质量。电动状态下起储能作用，形成正弦电流波形。回馈状态下，起滤波作用，滤掉电流波形的高频成分。

②整流单元：由IGBT组成的三相全桥整流单元，将三相交流电变为直流电；采用AFE变频技术，将变频器供电侧的不可控整流桥换成可控整流桥，对供电电网侧交流电流的大小和相位进行检测，采用PWM控制方式，使交流输入（输出）电流接近正弦波，大幅降低了高次谐波，并使输入电流与电源电压相位角相同，使系统的功率因数总是接近1。

③逆变单元：由IGBT组成的三相逆变桥，将直流电逆变为频率、电压可调的三相交流电，解决了负载在快速减速或急停时再生发电能量处理问题，把变频器直流母线电压保持在安全范围，保证了变频器的安全运行。

④输出电抗：通过加大负载电抗，从而有效抑制逆变器的IGBT模块快速开关时，产生的瞬时高压，降低了输出dv/dt，使电机电流更加平滑，从而降低电机的噪音及涡流损耗，也保护变频器内部的功率器件，并能够起到延长变频器到电机的有效传输距离。

⑤控制系统：控制回路由PLC、操作台、各种输入信号（启动、停止、泄漏通讯、编码器等）、输出控制信号组成。PLC通过对变频装置各路信号的采集，触摸屏显示系统各种状态，从而实现对系统的控制。

(3)变频器调速及控制系统的优点

①变频调速

A.采用全数字直接转矩控制，使得系统调速范围加宽，并且提升了调速的精度，即使变频器在低频运行时，也能输出额定力矩的100%。最大输出转矩为额定转矩的2倍。

B.网侧变频器，采用有源前端AFE自换向变频新技术，使无极绳牵引车在减速段或重物下放操作时，系统能自动转入发电回馈状态，使电机制动更加平稳，操作简单，并提高了系统安全可靠性能。AFE回馈技术最突出的优点有2个：a.使输入电流波形为正弦波，减少对电网的谐波污染，对交流网侧没有谐波干扰，属于净化的变流技术；b.采用PWM斩波调制方式，功率因数≈1，回馈的质量好。

C.变频器加/减速时间可调。可根据实际需要，改变变频器内的加速值或减速值，满足工况要求。

D.采用DSP全数字控制方式对系统进行监控，并完成漏电闭锁、过载、短路、断相、欠压、过压、失速、过热等保护功能。

E.系统具有电能回馈功能，当无极绳牵引车在重车下运行时，电动机进入发电运行状态，此时系统自动将电动机发出的电能传送给变频器，变频器再生能量反馈至供电电网，节省电能明显。

F.可以实现无极绳牵引车电动机大范围内的无级平滑调速，既满足了低速挂钩、挪车的需要，也满足了在巷道中高速运输的需求，改变了只有高、低两种速度的状况，既保证了安全生产，也提高了生产效率。

②控制系统

控制部分由PLC、触摸屏、编码器和泄漏通讯等部分组成。

A.系统有手动、自动、检修等控制方式，触摸屏显示系统的运行位置状态和系统状态。当采用自动控制模式时，PLC根据泄漏通讯信号和编码器提供的位置信号，能够控制无极绳牵引车自动加减速和停止；当采用手动控制模式时，由主控台的主令手柄控制无极绳牵引车运行方向和停止位置。B.根据煤矿实际轨道工况，可以通过触摸屏设定无极绳牵引车的自动运行距离与速度的运行曲线，PLC根据此运行曲线，自动完成无极绳牵引车的运行轨迹。C.系统控制无极绳牵引车与泄漏通讯的运行方向信号、急停信号连锁，并对系统超速、欠速、变频故障和过卷等故障进行保护停车控制[2-4]。

5.经济效益分析

（1）实现了索车实时停车，误差控制在10cm左右，大大减少了碰手碰脚事件的发生，同时为摘挂车创造了良好的条件，提升了摘挂车的速度；（2）运输重型设备时，起、停平稳，减少了大扭矩对减速器、尼伦销、钢丝绳等设备及部件的冲击，间接减少了设备、部件的损坏，延长了使用寿命及更换周期；（3）拓宽了无极绳连续牵引车的安全牵引能力，为矿井中厚煤层开采所需设备的采区轨道大巷运输创造了必要条件。