關(guān)于SQ無極繩連續(xù)牽引車的電控改造

＊胡鵬程

（山西焦煤汾西礦業(yè)正中煤業(yè) 山西 032000）

2000年以來，隨著采煤行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代礦井自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提升，無極繩絞車在運(yùn)輸大巷及采煤工作面順槽的安裝使用將逐步普及，結(jié)束運(yùn)輸大巷及順槽小絞車接力運(yùn)輸物料的時(shí)代，提升礦井物料運(yùn)輸安全系數(shù)及運(yùn)輸效率。

1.無極繩絞車工作原理和結(jié)構(gòu)原理

（1）工作原理。在無極繩絞車使用前，通過在已施工好的無極繩絞車硐室內(nèi)打地錨，將絞車固定在底板，同時(shí)在無極繩絞車機(jī)尾處通過打地錨將尾輪固定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在安裝好的底座上，電控系將使電機(jī)動(dòng)力通過減速機(jī)或者變速箱傳遞至滾筒上，使得滾筒上鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩帶動(dòng)與其固定在一起的重物移動(dòng)從而達(dá)到牽引的目的。

（2）結(jié)構(gòu)原理。無極繩絞車由傳動(dòng)裝置、主軸裝置和制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)等組成。

①傳動(dòng)裝置。傳動(dòng)裝置包括電動(dòng)機(jī)、液力耦合器、減速器、齒輪聯(lián)軸器和一級(jí)開式齒輪傳動(dòng)。

A.減速器。減速器用ZHQ-85型標(biāo)準(zhǔn)兩級(jí)圓弧齒輪減速器。機(jī)殼為水平剖分結(jié)構(gòu)，機(jī)蓋和機(jī)座用鑄鐵鑄成，并以螺栓連接。

B.液力耦合器。液力耦合器以液壓油為工作介質(zhì)，通過泵輪和渦輪實(shí)現(xiàn)設(shè)備的機(jī)械能和液體的動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，從而使得與其連接的電動(dòng)機(jī)和減速器實(shí)現(xiàn)二者之間的動(dòng)力傳遞。

②主軸裝置。主軸裝置由卷筒、主軸、齒輪和滑動(dòng)軸承等組成。卷筒有夾鉗式和拋物線型兩種。夾鉗式卷筒有驅(qū)動(dòng)力大、鋼絲繩使用壽命長和無滑動(dòng)現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)是在輪體上裝有12塊扇形壓板，扇形壓板內(nèi)裝有左、右卡鉗和彈、銷軸組成的夾鉗，鋼絲繩則卡在夾鉗內(nèi)。拋物線型卷筒是由輪體和開有拋物線形繩槽的輪圈組成，它們用螺栓連接。這種卷筒的優(yōu)點(diǎn)是制造簡單和可以正反轉(zhuǎn)。

③制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)。制動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)包括工作制動(dòng)器和安全制動(dòng)器。

A.工作制動(dòng)器。它采用電動(dòng)液壓推動(dòng)器自動(dòng)操縱，推動(dòng)器的電動(dòng)機(jī)與主電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)。主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，電動(dòng)液壓推動(dòng)器使其外部陽的框架升起，進(jìn)而通過長軸和連桿使重錘升起，于是杠桿抬起，工作制動(dòng)閘松開。主電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)液壓推動(dòng)器也停止工作，制動(dòng)閘通過重錘自身重力的作用閘住卷筒，使得卷筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，工作制動(dòng)閘還可以通過千把拉動(dòng)桿進(jìn)行操作。電動(dòng)液壓推動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理為動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)油室內(nèi)的油液輸送到活塞的下腔。這一過程是逐步實(shí)現(xiàn)的，從渦輪排出的油液先使緩沖裝置下部的活動(dòng)升起。當(dāng)該活動(dòng)套上升到使開口露出時(shí)，油液才進(jìn)入活塞的下腔。隨著套的繼續(xù)上升，開口逐斬增大，直到套的上端頂?shù)綔u輪外罩時(shí)，開口達(dá)到最大。這時(shí)，活塞在油液壓力的作用下上升，帶動(dòng)框架升起，使工作制動(dòng)閘松開。制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪也停止運(yùn)轉(zhuǎn)，油液失去壓力，活塞在重錘自身重力的作用下使得油液返回到油腔內(nèi)，并在彈簧作用下，開口越來越小，回油速度越來越慢，因而使制動(dòng)過程進(jìn)行的比較平穩(wěn)。

B.安全制動(dòng)器。安全制動(dòng)器由電動(dòng)液壓推動(dòng)器、重錘、制動(dòng)杠桿和帶形閘等組成。主電路供電時(shí)，液壓推動(dòng)器動(dòng)作，重錘提起，使帶形閘處于松閘狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障，總電路被切斷時(shí)，液壓推動(dòng)器停止工作，重錘即刻下降，帶形閘在制動(dòng)杠桿作用下使得卷筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)操作者安全。安全制動(dòng)與工作制動(dòng)動(dòng)作原理相同，安全制動(dòng)沒有緩沖裝置，一旦觸動(dòng)即刻制動(dòng)，動(dòng)作加快，能夠很好的起到保護(hù)作用。

④逆止裝置

逆止裝置的作用是當(dāng)工作制動(dòng)器不能正常工作時(shí)，防止絞車在貨載的作用下反轉(zhuǎn)而造成事故。它由固定在主軸端的單向離合器、固定在離合器上的模板、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和按鈕開關(guān)組成。絞車正常工作時(shí)，離合器不轉(zhuǎn)，模板位置不變。一旦工作制動(dòng)器失靈，絞車在貨載的作用下反轉(zhuǎn)時(shí)，離合器便立即動(dòng)作，其上的模板觸動(dòng)按鈕開關(guān)而切斷液壓推動(dòng)器的電源，使安全制動(dòng)器即刻開始動(dòng)作，防止絞車的反轉(zhuǎn)；同時(shí)，安全制動(dòng)器上的閉鎖裝置切斷主電動(dòng)機(jī)的電路而使之停止轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。

2.無極繩絞車的優(yōu)缺點(diǎn)

(1)無極繩絞車具有以下優(yōu)點(diǎn)

①簡化礦井運(yùn)輸系統(tǒng)。無極繩絞車的運(yùn)用，可以減少運(yùn)輸路線上工人摘掛鉤的次數(shù)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少斜巷運(yùn)輸跑車事故發(fā)生的概率，提升運(yùn)輸效率和運(yùn)輸安全性能，為采煤工作面快速、高效安裝提供了保障。②減少礦車摘掛鉤次數(shù)和倒車的次數(shù)，避免了井下因斷繩、跑車而引發(fā)的事故，優(yōu)化井下運(yùn)輸系統(tǒng)和程序，減少運(yùn)輸中存在的危險(xiǎn)點(diǎn)，降低運(yùn)輸事故發(fā)生概率。③液壓張緊系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)輸車輛的多少、運(yùn)輸材料的重量而調(diào)節(jié)鋼絲繩的張緊力，減少鋼絲繩的張緊次數(shù)，延長了鋼絲繩的使用壽命。④無極繩絞車通過通訊裝置，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸中的打點(diǎn)、通話、急停等控制功能，為長距離的運(yùn)輸提供了技術(shù)保障。⑤在井下運(yùn)輸中，實(shí)現(xiàn)了長距離連續(xù)運(yùn)輸，無需轉(zhuǎn)載，基本上一部設(shè)備能實(shí)現(xiàn)一條巷道的連續(xù)運(yùn)輸，杜絕了調(diào)度絞車接力運(yùn)輸帶來的其他影響。⑥無極繩絞車尾輪固定方式簡單，能方便快遞移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無極繩絞車運(yùn)輸?shù)难永m(xù)或者縮短。

(2)無極繩絞車缺點(diǎn)

①無極繩絞車鋼絲繩需要每月檢查鋼絲繩磨損情況，并定期進(jìn)行更換。②無極繩絞車需要大量空間來滿足安裝、起重要求，工程施工周期長，施工量大。③無極繩絞車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及其他復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要定期維護(hù)保養(yǎng)，維護(hù)成本高。④無極繩絞車重量較大，井下運(yùn)輸、安裝周期長。

3.改造背景

（1）初期使用情況。2015年，礦井采區(qū)軌道巷安設(shè)一套淮南凱盛重工有限公司生產(chǎn)的SQ-120/200型無極繩連續(xù)牽引車，用于采區(qū)軌道大巷物料運(yùn)輸。電控系統(tǒng)使用兩臺(tái)QBZ-200型電磁起動(dòng)器，由于礦井初采為薄煤層開采，開采工藝最初為高檔普采，設(shè)備及物料質(zhì)量較輕，無極繩連續(xù)牽引車可以滿足安全運(yùn)輸要求。

（2）存在問題。礦井上下2號(hào)煤層交替開采，上2號(hào)運(yùn)輸最大件綜采液壓支架重量10t左右，下2號(hào)煤層運(yùn)輸最大件綜采液壓支架重量達(dá)20t；采區(qū)巷道最大坡度達(dá)16°，采用電磁起動(dòng)器直接（高低速）起動(dòng)的無極繩連續(xù)牽引車已經(jīng)不再滿足安全運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>

①采用電磁起動(dòng)器直接起動(dòng)電機(jī)，在運(yùn)輸大型設(shè)備期間，過大的沖擊轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致無極繩絞車減速器輸出軸扭斷；電機(jī)與減速器軟連接用的尼倫銷需頻繁更換。②索車的制動(dòng)無法準(zhǔn)確把控，特別是在車輛連接期間，難以將索車準(zhǔn)確停至合適位置，在摘掛車期間，碰手或碰腳事件經(jīng)常發(fā)生，增加了運(yùn)輸難度，降低了運(yùn)輸效率。③電網(wǎng)沖擊：過大的起動(dòng)電流，造成電網(wǎng)電壓下降，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行，造成欠壓保護(hù)動(dòng)作跳閘。④在到達(dá)坡度大的地方，不能平緩運(yùn)行；需其它運(yùn)輸設(shè)備輔助牽引才能提升至坡上。在運(yùn)輸中厚煤層開采設(shè)備時(shí)，以上問題造成的影響，將進(jìn)一步明顯的展現(xiàn)出。

4.改造方案

通過更換控制系統(tǒng)設(shè)備，將電磁起動(dòng)器直接起動(dòng)方式的無極繩連續(xù)牽引車，改造成為變頻調(diào)速控制方式。具體情況如下：

(1)控制系統(tǒng)采用變頻器控制

①將兩臺(tái)QBZ-200型電磁起動(dòng)器，分別更換為礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻調(diào)速裝置用逆變器（型號(hào)：ZJT-500/600K-N）和礦用隔爆型輸入濾波電抗器（型號(hào)：DKB1-500/600LR）。②更換配套的礦用本質(zhì)安全型操作臺(tái)（型號(hào)：TH-12(A)礦用本質(zhì)安全型操作臺(tái)）。

(2)變頻器工作面原理

主回路系統(tǒng)電源由進(jìn)線接觸器進(jìn)入輸入濾波電抗器，再通過整流器和逆變器進(jìn)行逆變實(shí)現(xiàn)變頻輸出，最后經(jīng)過輸出濾波電抗器供給電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。

①輸入電抗：可以抑制浪涌電壓和浪涌電流，并且可以改善由變頻調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的高次諧波和波形畸變，濾除諧波電壓和諧波電流保護(hù)變頻器，改善電網(wǎng)質(zhì)量。電動(dòng)狀態(tài)下起儲(chǔ)能作用，形成正弦電流波形。回饋狀態(tài)下，起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。

②整流單元：由IGBT組成的三相全橋整流單元，將三相交流電變?yōu)橹绷麟?；采用AFE變頻技術(shù)，將變頻器供電側(cè)的不可控整流橋換成可控整流橋，對(duì)供電電網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進(jìn)行檢測(cè)，采用PWM控制方式，使交流輸入（輸出）電流接近正弦波，大幅降低了高次諧波，并使輸入電流與電源電壓相位角相同，使系統(tǒng)的功率因數(shù)總是接近1。

③逆變單元：由IGBT組成的三相逆變橋，將直流電逆變?yōu)轭l率、電壓可調(diào)的三相交流電，解決了負(fù)載在快速減速或急停時(shí)再生發(fā)電能量處理問題，把變頻器直流母線電壓保持在安全范圍，保證了變頻器的安全運(yùn)行。

④輸出電抗：通過加大負(fù)載電抗，從而有效抑制逆變器的IGBT模塊快速開關(guān)時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓，降低了輸出dv/dt，使電機(jī)電流更加平滑，從而降低電機(jī)的噪音及渦流損耗，也保護(hù)變頻器內(nèi)部的功率器件，并能夠起到延長變頻器到電機(jī)的有效傳輸距離。

⑤控制系統(tǒng)：控制回路由PLC、操作臺(tái)、各種輸入信號(hào)（啟動(dòng)、停止、泄漏通訊、編碼器等）、輸出控制信號(hào)組成。PLC通過對(duì)變頻裝置各路信號(hào)的采集，觸摸屏顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

(3)變頻器調(diào)速及控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

①變頻調(diào)速

A.采用全數(shù)字直接轉(zhuǎn)矩控制，使得系統(tǒng)調(diào)速范圍加寬，并且提升了調(diào)速的精度，即使變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)，也能輸出額定力矩的100%。最大輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍。

B.網(wǎng)側(cè)變頻器，采用有源前端AFE自換向變頻新技術(shù)，使無極繩牽引車在減速段或重物下放操作時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電回饋狀態(tài)，使電機(jī)制動(dòng)更加平穩(wěn)，操作簡單，并提高了系統(tǒng)安全可靠性能。AFE回饋技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)有2個(gè)：a.使輸入電流波形為正弦波，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，對(duì)交流網(wǎng)側(cè)沒有諧波干擾，屬于凈化的變流技術(shù)；b.采用PWM斬波調(diào)制方式，功率因數(shù)≈1，回饋的質(zhì)量好。

C.變頻器加/減速時(shí)間可調(diào)?？筛鶕?jù)實(shí)際需要，改變變頻器內(nèi)的加速值或減速值，滿足工況要求。

D.采用DSP全數(shù)字控制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并完成漏電閉鎖、過載、短路、斷相、欠壓、過壓、失速、過熱等保護(hù)功能。

E.系統(tǒng)具有電能回饋功能，當(dāng)無極繩牽引車在重車下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能傳送給變頻器，變頻器再生能量反饋至供電電網(wǎng)，節(jié)省電能明顯。

F.可以實(shí)現(xiàn)無極繩牽引車電動(dòng)機(jī)大范圍內(nèi)的無級(jí)平滑調(diào)速，既滿足了低速掛鉤、挪車的需要，也滿足了在巷道中高速運(yùn)輸?shù)男枨?，改變了只有高、低兩種速度的狀況，既保證了安全生產(chǎn)，也提高了生產(chǎn)效率。

②控制系統(tǒng)

控制部分由PLC、觸摸屏、編碼器和泄漏通訊等部分組成。

A.系統(tǒng)有手動(dòng)、自動(dòng)、檢修等控制方式，觸摸屏顯示系統(tǒng)的運(yùn)行位置狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)采用自動(dòng)控制模式時(shí)，PLC根據(jù)泄漏通訊信號(hào)和編碼器提供的位置信號(hào)，能夠控制無極繩牽引車自動(dòng)加減速和停止；當(dāng)采用手動(dòng)控制模式時(shí)，由主控臺(tái)的主令手柄控制無極繩牽引車運(yùn)行方向和停止位置。B.根據(jù)煤礦實(shí)際軌道工況，可以通過觸摸屏設(shè)定無極繩牽引車的自動(dòng)運(yùn)行距離與速度的運(yùn)行曲線，PLC根據(jù)此運(yùn)行曲線，自動(dòng)完成無極繩牽引車的運(yùn)行軌跡。C.系統(tǒng)控制無極繩牽引車與泄漏通訊的運(yùn)行方向信號(hào)、急停信號(hào)連鎖，并對(duì)系統(tǒng)超速、欠速、變頻故障和過卷等故障進(jìn)行保護(hù)停車控制[2-4]。

5.經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）實(shí)現(xiàn)了索車實(shí)時(shí)停車，誤差控制在10cm左右，大大減少了碰手碰腳事件的發(fā)生，同時(shí)為摘掛車創(chuàng)造了良好的條件，提升了摘掛車的速度；（2）運(yùn)輸重型設(shè)備時(shí)，起、停平穩(wěn)，減少了大扭矩對(duì)減速器、尼倫銷、鋼絲繩等設(shè)備及部件的沖擊，間接減少了設(shè)備、部件的損壞，延長了使用壽命及更換周期；（3）拓寬了無極繩連續(xù)牽引車的安全牽引能力，為礦井中厚煤層開采所需設(shè)備的采區(qū)軌道大巷運(yùn)輸創(chuàng)造了必要條件。