世界上机电一体矿山提升机发展现状及展望.pdf

7 0 S e r i e s No 2 48 F e b ina r y 1 9 9 7 金 属 矿 山 METAI M I NE 总 第2 4 8 期 1 9 9 7 丰 幕 2期 盒鸱 ． 1中国煤炭工业进 出口总套司 摘要介绍 了机 电一体提升机在世界上发展过程和现状。扼要 描述 了它 的 4种典型结构设 计模 式． 即德国的鲁姆贝 克横式与 雷敦模式 和币国 的大雁模式与陈四楼 模式。介绍它 的组装过程和 安装步 i n t heW o r l d Yu Pe n gf e i I Ch i 口N口 t i 。 a l Co a l i n du s t r y I mp ．＆ Ex p- C o r p Al l r a e t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p i n g p r o g r e s s a n d p r e s e n t s i t u a t i o n o f i n t e g r a t e d mi n e h o is t s i n t h e wo rl d ． b r i e fl y d esc r i b e s i t s{ o u r t y p i c a l d e s i g n mod e s ， i e Ro mb e r g mo d e a n d R e c l e mod e i n Ge r ma x t ， a n d Da y a n mo d e a nd Ch e n s h i l o u mod e i n Ch i n a ， a n d i n t r o d u c e s i t s a s s e mb l i n g p r o c e s s e s a n d i n s t a l l a t i o n s t e p s Th e a d v a n t a g es o f i n t e g r a t e d mi n e h o i s t a r e s u mm a ri z e d ． a n d i t s d e v e lo p i n g t r e n d p o i n t e d o u t Ke y wo r d s I n t e g r a t e d ． M i n e h o i s t ， P r e s e n t s i t u a t i o n ， Tr e n d 机电一体矿山提升机就是习惯称呼的内装 电机式提升机。由于这种提升机 已经不是简单 地把电机装到摩擦轮中去了事， 而是发展成机 械和电气溶合成一体了， 所以称为机 电一体提 升机比较确切。例如， 摩擦轮的壳体可 以也是 电机转子的磁轭， 电机的端盖能 同摩擦盘成为 一 件东西 ， 摩擦轮的轴就是电机的轴等等。 世界 上 第一 台 机 电一 体 矿 山提 升 机 是 1 9 8 8年 9 月 在 德 国 鲁 尔 区 的 鲁 姆 贝 克 R o mb e r g 矿诞生的。不到两年， 也 就是 1 9 9 0 年初， 第二台机 电一体提升机又在德国萨尔区 的雷敦 R e d e n 矿投入运行。它们立刻 引起国 际上的关注。我 国也有许 多团组 前往参 观考 察， 也曾组 织专家讨论 。从那时候起到现在， 我 国已先后引进了 3台这种结构的提升机， 此外， 还有项 目在谈 判引进。南非 的帕拉波 拉 P a l 一 30 a b o r a 铜矿不久前也订购了 3台大型机 电一体 提升机。澳大利亚也还有项 目在谈判。以上 已 投产和 已订购的机 电一体提升机的详细规格见 表 1 。 1 提升机结构从机电分体到机电一体的沿革 德 国 人 哈 德 摩 托 阿 诺 尔 德 Ha r t mu t Ar n o l d ， 于 1 9 5 6年 7月第一个提 出矿山提 升 机机 电一体结构原理， 1 9 6 0年 1 1月获得专利， 专利号 1 0 9 5 4 8 5 。顾名思义， 机 电一体是指提 升机滚筒和电机成为一体， 是 区别于机 电分体 即滚筒和传动装置分体安装而言的。现结合我 国矿 山提升机构的沿革， 来看从机电分体到机 电一体的演变过程。 俞鹏 飞． 中 堞炭工业进 出 口总公司， 教授级 高缓 工程师 已 退休 ． 1 0 0 1 3 2 8北京朝用区左家庄静安东里 3号楼 1 5 0 2室。 红 一 一 ～ 一 一 盛 一 甜现 篙 撕 诃 拥 趣 一 P 维普资讯 静鹏 飞 世界上机电一体矿山提升机发展现状及展 望 1 9 9 7午 第2期 表 1 世再上已投产和已订购的机电一体提升机皓主要参熬 使用矿 井 鲁姆 皿克 所 ■国家和地 区 薷 国鲁尔 台敛 1 订货年月 一 投产年月 1 9 8 89 供赏者 摩擦轮直径／ m 6 2 绳敷 绳径／ m,a 4 x 6 5 提升容嚣 双罐笼 用逮和能力 材书 } 和 人 安装方式 落地 赣定转矩t k N l i t 5 5 0 鞭韪转速， r I n i n ～ 3 5 、 l m s l 2 静张力差／ t 2 O 电机功率l k W 2 2 0 0 提升高度／ m 1 0 5 0 钢丝绳蓑荷／ t 1 3 0 r } E i 噼 太 主井 陈四 楼主井 帕拉蛙拉主井 帕拉 搜拉酎 井 茁国萨尔 中国开壤 中国太雁 中国永夏 南非 南非 1 1 1 1 2 1 1 9 9 2 1 2 1 9 9 56 1 99 5 1 l 1 9 963 1 9 963 1 9 9 0 韧 新计 1 9 9 8 前珂计 1 9 9 9 前 瑗什 1 9 9 7 预计 1 9 9 8 磺计 1 9 9 8 E 忤 ”A 酬 N G 子 H 4． 5 4 3 4． 0 4． 0 6 2 6． 2 24 8 ／ 4 4 4 4 4 0 44 4 44 3 44 8 6x4 8 罐笼平着锤 罐笼平衡锤 珥舞斗 取箕斗 职箕斗 耀笼平衡锤 材料和 人 材料和 原煤， h 原煤 ． 9 3 0 t ／ h 铜矿石 ， 9 ∞t ， h 材料和人 j 暮地 落地 塔式 塔式 塔式 塔式 4 6 6 2 5 5 5 5 3 ． 5 5 2 0 1 1 0 0 7 8 0 1 9 3 0 5 0 9 5 5 2 5 2 4 7 ． 7 1 6 2 l 4 7 ． 7 5 5 5 5 3 7 1 2 ． 0 9． 8 1 3． 0 l 0． 0 1 8． 0 1 2 ． 0 2 6 ． 2 1 18 ／ 2 0 2 5 2 3 ． 5 3 2 3 5 ／ 拈 2 5 0 0 i 2 5 0 2 7 6 5 ／ 3 6 0 0 2 6 0 0 6 4 o 0 3 o o o 4 6 6 5 1 9 ／ 7 0 9 ／ 1 0 o 9 3 7 1 1 5 ／ 6 2 1 1 5 4 8 5 0 5 I 2 7 9 1 2 6 3 6 8 5 2 7 6 7 0 1 24 1 7 0 解放后我国兴建 的大批矿井． 以及原有的 矿井． 装备的大 多是减速传动的提升机。从 电 机减速机到滚筒三大件分体安装。传动系统的 结构特点为 从电机到减速机输入级的轴线以 及从减速帆输出级到滚筒的轴线中间都经联轴 节连接， 对制造 精度 和安 装精度要求都很 高。 如果不能完全满足， 或长期运行后磨损过度， 或 基础变动， 都会引起毁齿或烧轴承。 以致提升机 停运， 矿井停产。这类恶性事故当时屡见 不鲜。 以后有直流慢速 电机直联传动的提升机， 有4个或 3 个轴承支撑， 虽然减少了齿轮这个 薄弱环节， 但轴承发热和烧毁事故还在所难免。 7 0年代开始射进直流电机悬臂传动的矿 山提升桃。速燕国外 3 O年代出现的技术， 我国 8 o年代也开始翩 遣。它进 一蚩减少 了因翩造 或安装不良所造戚的事故 但这种结构对悬装 在轴端的电机有不好影响， 那就是当滚筒承载 或超载时， 主轴产生的变形会使电机的定子和 转子前偏心距 扩大， 氖辣不 均， 产生磁拉 力， 超 出一定限值时就会使转子摩擦定子， 遣成烧电 机或破坏基础， 这也是有过教训的。此外， 中间 的主轴承因受力较大， 容易磨损， 甚至发热。 在提升机结构土， 主辅的刷 度、 轴承座的刚 度、 轴承间泼、 定子的刚麂、 安装精度， 运行中电 机发热和在基础中产生反作用力所造成的定子 变形， 所有这些 因素 以及长期运行后袖承磨损 过度或基础变动， 都是影响电机偏心距而造成 事故的因素 但要对以上因素进行估算就过于 繁琐。为求得安全可靠， 采用的结构又往往偏 于保守， 影响设备投资和土建成本。 实现机 电一体以后， 电机在滚筒 内正好处 于两个轴承中间， 影响电机偏心距的因素大大 减少。在滚筒带载和超载时， 滚筒 转子 和主 轴 定子 的变形都在同一方向． 影响电机气隙 很小 ； 而且主轴承 由滑动改为滚动以后， 问隙极 小， 根本不会影响电机气隙； 基础对电机气隙也 是不敏感 的。这样， 提 升机就基本上不会产生 由于 电机偏心所造成的事故， 安全可靠程度显 著提高 ； 而且， 对都件刚度的要求也可以降低， 不必要 的保险系数可以取消， 加上悬臂轴端也 不要了， 提升机结构轻型化了， 占有空间也缩小 了， 提高 了设备可用性， 降低了基建投资。 既然机 电一体结 构具有这 么多明显的 优 点， 那么为什么从 1 9 5 6年发 明到 1 9 8 8年实 现 还要经过 3 2 a的漫长时 间才成功呢原因就 是当时大型提升机的驱动电机只舷采用慢速直 31 - 维普资讯 总 第 2 4 8期 金 属 矿 山 1 9 9 7年第 2期 流电机． 它的整流子需要经常维护， 不适宜装到 滚筒中去； 更何况让整流子作为转子的一部分 去与滚筒结成一体， 是不可能实现的。 ． 事情出现转机是在 7 0年代西门子发明矢 量控制的_交一交变频原理以后， 标志着可以用 同步电机 来代替直 流 电机实现调 速。当 1 9 8 1 年德国摩诺波尔 Mo n o p o 1 矿第一台交一交变 频控制的同步 电机传动的提升机 问世以后． 即 使这台提升机还仍然是悬臂电机传动方式的， 就必然成为 1 9 8 8年鲁姆贝克矿诞 生机 电一体 提升机的前奏曲了。 图 l 是从直流电机悬臂传动经同步 电机悉 臂传动发展为机 电一体结构的沿革过程。 瀚 直藏 静 【 磕动一同步电机f 一Ij | 装式同步电丽 动。 田 1 矿山墨升机结构从机电分俸到 机电一体的沿草过 程 2 机电一体要解决的主要问曩爰 4种典型结 构 由于电机要 装到滚筒里边 去． 转子要 同滚 筒结合， 所以定子和转子的位置就要从传统的 位置调换过来， 也就是变成 转予 在外， 定子 在 内。这种电机称之为外极式同步电机。 转子同滚筒结合并不是简单地组装在一 起， 丽是要作为一个整体来进行设计和制造。 滚筒轴也就是 电机轴， 电机的定子在内1 I I ， 所以 提升机的主轴是静止不转动的， 它通过轴承支 撑着滚筒， 又用外部结构支撑在基础上。一个 非常关键的问题， 是如何对滚筒内的电机进行 有效冷却。除此 以外， 还有两个主要问题要解 决 一是选择最适当的途径． 让定子电源电缆通 过提 升机的静止部分进入滚筒 内向定子供 电； 二是 由于主轴成为静 止不转动了， 原来装在主 轴上的转子位置检测器要重新设计。其它部分 则与常规的提升机一样。 32 - 机 电一体就是要 围绕解决 以上 问题， 尤其 是 电机的冷却方式和定子 电源 电缆的引入方 式。1 9 8 8年以来， 出现了4种典型设计结构模 式 按出现时间的先后， 分别介绍如下。 2 ． 1 鲁姆贝克模式 图2 鲁姆 贝克提升机是 由蓥国 MAN G HH公 司和西 门子公司台作制造， 并于 1 9 8 8年 9月投 产的。它是机电一体提升机在世界上首次成功 的范倒， 到现在 已安 全运转 了 8 a 。我 国 1 9 9 2 年 9月引进的第一 台机 电一体提升机， 即开滦 东欢坨副井的单罐平衡锤提升机也是按鲁姆贝 克模式设计制造的； 已于 1 9 9 3年底到货． 因矿 井工程的变迁， 目前正在安装。 田 2 鲁 见克叠升帆总剞面喀田 该模式具有以下特点 1 电机冷却系统。冷却空气进入滚筒／ 电机内部的入口为一稠端盏上的检查孔． 然后 经气暾、 定子铁芯的通风槽和磁极间的空隙， 由 另一侧端 盖上的检查孔回风。由于端盖是随着 滚筒回转韵． 所以滚筒两僻要装两个大风罩， 进 风管和回风管各在风罩的下方。回转的滚筒和 静止的风罩之间要有刷形密封以减少清风。 这种通风方式的优点是 由于检查孔断面 的选择范 围很宽， 可以做到风速很低； 风罩可设 计成音障． 以降低外部噪声； 大多敷部件受风罩 保护． 经常处于经过 滤清并有温度监视的清洁 风流 中； 刷形密封处的少量漏风可用来吹拂制 动盘表面的积尘。缺点是 风罩大， 要大面积承 受风压， 要求有 良好的剐度， 比较笨重； 外加贵 维普资讯 俞鹏飞 世界上机电一体矿山提升机发展现状及展望 1 9 9 7年 第2期 重的密封材料， 所 成本较高， 结构也较复杂。 2 维修电机的入 口和空间。电机装入滚 筒后， 不能取出来进行维修， 所以要考虑让维修 人员能进到里边去维修。入口就是两侧端盖上 的检查孔 以及风罩上蕊留的门， 都要有足够的 大小。鲁姆贝克提升机要求的铜丝绳载荷大， 所以用粗钢丝绳和大滚筒， 但静张力差小， 所以 转矩低， 电机小， 这正好具备滚筒内有足够的维 修空间的条件。而东欢坨副井提升机则是由原 设计 的 4 ． 0 m 扩大到 4 ． 3 m，目的纯粹是为了 在滚筒内部留有足档大的维修 空间。此外， 还 备有能在滚筒内拆装磁极的专用工具。 3 定子 电源 电缆的通道。为从提 升机的 静止部分引进 定子的电源 电缆 ． 主轴设计成两 端空心并在二 ． 蛸 内侧开一个径 向孔， 作为电缆 引向定子绕组的入 口。但根据 德国 T A S规程 斜井和竖井提升的技术要求 第 3 ． 1 ． 4 ． 3条 规定， 在提升机主轴上开径向孔一般是不允许 的， 理 由是考虑轴 的断面变化处会 引起应力集 中， 而文献 中对这种应力升高敦值的变动范围 很广。为此， 这个径向孔的设计要取得德 国矿 山当局的批准。当时批准的条件是该孔要位于 不产生弯曲应力的区域内。这样的位置很容易 在计算钢丝绳裁荷和提升机自重时予以确定。 4 转子与滚筒的结合方式。把转子磁轭 设计成 T型环并焊在滚筒体的 内壁上。磁极 则用螺栓固定在磁轭上。 5 滚筒 和 电机定子支 撑在主 轴上 的方 式。滚筒体两侧焊有凸缘， 凸缘也就作为制 动 盘。电机端盖 的上端用螺栓 固定在凸缘上， 下 靖通过夹板甩夹紧螺栓固定在轴承座上方的凸 缘上 夹板上开有孔， 松开 夹紧螺栓可在孔 内 甩液压千斤顶局部调节 电机的间隙。端盖是锥 形的， 用以吸收钢丝绳偏摆和电机轴向窜动所 产生的轴 向力。电机的滑环以及转子位置检测 器各装在两侧的端盖上。 轴承采用适用于外圈回转的标准 自调心滚 动轴承。使用一种塑料对地绝缘， 以隔绝感应 产生的轴承 电流， 防止其损伤轴承。轴承在轴 承座 内用距离块径向固定。 电机定子铁心两侧通过夹板用高强度螺栓 固定在主轴的法兰凸缘上。 6 主轴支撑在基础上的方式。主轴两端 都缩装一个 带梢 的套， 用液 压装上， 以便 于夹 紧， 并经支撑件把钢丝绳载荷和提升机自重以 及 电机转矩都传到基础上 。夹紧力是用液压调 节的， 做成锥形是为了便于拆装支撑件。 东欢坨提升机的主轴支撑方式有改进 。两 端的支撑架各由 3个零件组成 主件为连在基 础上的支撑板， 用以承受钢丝绳载荷和机体 自 重 ； 另两件是一对剖分式夹板。 夹紧在主轴的四 方轴头上． 用 以承受转矩并传递到基础上。这 种结构能更好地保证提升方向改变时不发生任 何圆周方向的位移。 7 西门子新设计的转子位置检测器。它 是一种光学 电子 的光栅系统， 同固定在滚筒端 盖上的带槽的盘一起， 所产生的数字信号用来 检攮 I 转子的初始位置和进行速度调节。 2 ． 2 雷敦模式 图 3 雷敦提升机 由德国沙士基打 E P R公 司和 A E G公司合作制造， 1 9 9 0年初投产。它的供 货和安装甚至 比鲁姆贝克提升机还稍早 ， 只是 由于原来要安装的萨尔区的卡姆佛 内羡布赫 c a mp h a u s ∞ Nz b u e h 矿井当时停产 了， 不得 不迁往雷敦矿， 投产反而比鲁姆 贝克提升机晚 了不到两年。这台提升机的设计风格与鲁姆贝 克提升机显著不同， 其主要特点是 1 起主轴作甩的是一十静止的大 型结构 件 ． 它的中间部分为一个 圆筒， 两侧各为有 5根 幅条的构架， 三大件之 间用高强度螺杆连成一 体。定子铁心及其绕组装在中央圆筒上。在此 圆筒体和两侧构架之问 有用来调偏心距 的楔 块， 松开连接螺杆就可精 确调节 电机的气 隙。 电机冷却风 的入 口和 出口布置在两侧的构架 上。定子 电源 电缆从构架下方引入 构架外侧 有支撑架支撑在基础上。 2 滚筒是用两个大型剖分式滚动辅承直 接支撑在滚筒壳体和两侧的构架之间。这样， 3 3 维普资讯 总第2 4 8期 金 属 矿 山 1 9 9 7年第2期 就有一个很大的静止空问便于布置进风和回风 管以及必要时进入电机进行维修。 最 和 鞲 舡 围 3 置数提升机正视剖面略图 这种模式的优点是便于布置 电机的通风冷 却管和引进定子 电源 电缆 ， 维修空 间较大。缺 点是结构复杂， 高强度焊缝多， 成本高， 可 靠性 较差； 大型轴 承是非标准件， 采购周期长， 一旦 有问题 ， 难 以及时更换。该模式和鲁姆 贝克模 式一起开辟 了机 电一体 提升机的新纪元， 这台 提升机仍在安全运行中 2 ． 3 大雁模式 图 4 图 4 太雁提升机总剖 面囤 大雁提升机是 1 9 9 5年 6月 向德国西 马克 公司和西门子公司订购的， 将于 1 9 9 7年 4月交 货。这种模式是在以上两种模式基础上发展起 来的， 而有三处明显的突破 ， 它们是 1 得到专利的新通风系统和定子电源 电 缆通 道。_ 该 系 统 是 西 马 克 公 司 的 士 密 西 S i mi c h 和 鲁曼 R o l 1 ma n n 发 明的， 1 9 9 2年 7 月 提 出，1 9 9 3年 l 1月 取 得 专 利，专 利 号 4 2 2 0 9 4 。该系统的主体是一条空心 的主轴 ， 中 间为一个焊接的圆筒， 两侧各为一个锻造 的圆 筒和锥形筒的组合体， 三者焊接成一体。在锥 形筒上和中央圆筒上都布置有径 向通风孔。中 央 圆筒 内有一块隔板， 用 以隔开进风侧和 回风 侧。中央筒外表面焊两个凸缘用 以固定定子铁 芯。这种通风冷却 系统乍看很像就是 1 9 5 6年 阿诺 尔德提 出的原理， 它在雷敦模式基础上有 重大改进， 比鲁姆 贝克模式也 简单很多。致于 轴上的径向孔是否符合 T A S规程要求， 西马克 公司解释说， 他们对主轴进行 了有限元分析， 认 为主轴上各点的应力都没有超 出材料的限值， 但还 是具有德 国矿山当局的专项 批准手续较 好 。 2 突破了当初开发机电一体提升机时认 为滚筒内须预留电机维修空间的观念。鲁姆 贝 克和雷敦的经验表 明 电机在长期运行中气隙 稳定， 不须重调； 电机的绕组基于现代的优质绝 缘材料和先进的真空浸渍工艺， 预期寿命很长． 也是不需要维修的。电机装入滚筒后的机械性 损伤机会大大减少。大雁提升机的两侧没有风 罩， 实际上机体就成为一台外极式同步电机， 日 常维修甚至更换磁极都可以通过两侧端盖上的 检查孔进行， 即使万一有必要更换定子绕组或 重调间隙时， 也可以打开两侧的一半剖分式端 盖． 其修理空间并不 比在滚筒内预留的小， 也不 会有多大不便。其 实， 现代的大型 电机也都是 这样在现场进行各种修理操作的。更大的维修 则可打开半个滚筒把电机取出来送电机厂修 理。所以， 就没有必要在滚筒 内预留 电机 的维 修空问。根据这样 的新观念， 大雁提 升机就可 以按机械本身的要求来设计它的摩擦轮直径， 维普资讯 俞鹏飞 世界上机 电一体矿山提升机发展现状及展望 1 9 9 7年 第2期 选用 4 ． 0m就可以了， 而不必再象东欢坨副井 提升机那样加 以扩大， 机身就可小了好多。 3 找到了另一种把转子磁轭与滚筒相结 合的方法 。大雁提升机因 电机功率较大 2 8 0 0 k W 而尺寸就大， 摩擦 轮不必 扩大， 而直径较 小。 两者尺寸相近。在这样的条件下， 就可以把 滚筒的壳体加厚， 让它同时起转子磁轭的作用。 磁极直接 固定在滚筒壳体 内壁上， 其 固定螺栓 的头部可以伸出滚筒表面在外面紧固。滚筒壳 体加厚后， 其厚度允许把制动盘 直接用螺栓固 定在它的上面， 原来用来固定制动盘 的法兰凸 缘就省掉了。制动盘、 端盖和轴承座这三种零 件可合成一件， 即带有轮毂 的端盖兼 制动盘。 端盖经加厚后也不必制成锥形 ， 其强度足以吸 收钢丝绳偏 摆和 电机轴向窜动所产生 的轴 向 力 。 这样就有了两种把转子与滚筒相结台的方 法 当电机尺寸 比滚筒尺寸小得较多时． 采用鲁 姆贝克模式 的方法； 当电机尺寸与滚筒尺寸相 近时， 采用大雁模式的方法。我国现行煤 矿保 安规程规定滚筒直径与绳径之比减小为 9 O倍， 采用后一种方法机会就较多， 尤其是主井 。 电机尺寸主要取决于要求的转矩。要设计 已知转矩的电机． 它的铁心直径 D 和长度 L是 可以在一定范围内选取的． 只要 D L大体保持 为一常数就行 如果电机的转子外径 只出滚筒 直径小得不 多， 那么就可 以把电机转子外径选 得大一些， 让它 同滚筒直径匹配， 电机的转子磁 轭就可以同时成为滚筒壳体。这种设计具有以 下好处 滚筒和转子组件的结构大大简化了， 加 上电机端盖、 制动盘和轴承座三件合成一件， 也 简化了结构。 提高 了可用性， 降低 了成本 ； 滚筒 壳体加厚后提高了强度， 可靠性 也提高了； 滚筒 两侧法兰省掉后， 不仅结构简化了， 还去掉了它 的高强度焊缝． 提高了可靠性 ； 更换磁极可在滚 筒表面紧固螺栓， 而不必伸进端盖上的检查孔 去操作， 这样就更方便了； 电机直径加大以后， 其效率略有提高， 可以降低运行 费用。当然， 电 机直径也不能随意扩大 ， 首先要考虑到扩大后 极数加多了， 影响变频器的频率， 而变频器的频 率是不能超过某种限值的。 在选取电机直径时还必 须考虑噪声I 五 j 题。 由于滚 筒常常起 到 电机 噪声频率共振体的作 南， 在选取电机直径时必须让它在运行频率或 运行转速 下不会直接产生共振。 此外 ， 大雁提升机的主轴两端设计成正八 边形 ． 便于夹紧并把转矩传递到基础上。 2 ． 4 陈四楼模式 图 5 围 5 陈四楼提升机总剖 面略 圉 陈四楼提升机是 1 9 9 5年 1 1月向德国西门 子公司 和 MA N G HH 公司订 购的， 将于 1 9 9 6 年 9月交货。按这 种模 式设计制造的， 还有不 久前订货的南非帕拉波拉 P o l a b o r a 铜矿的 3 台大型提升机。 这种模式的一项最为突 出的贡献， 就是又 发 明了一种更为完善 的取得 专利的新通 风系 统。它 由 MAN G HH公司的舒伯特 S c h u b e r t 和西路德 S e h r o e d e r 在 1 9 9 4年 2月 申请专利， 并 于1 9 9 5 年7 月 批 准 生 效，专 利 号 D E 4 4 0 5 5 9 3 。该项发明的核心是一种称之为通 风环的零 件， 在主轴和滚筒两侧的轴承之间各 装一件． 它承受滚筒上的载荷 。在它的上面开 - 35 维普资讯 总第2 4 8期 金 属 矿 山 1 9 9 7年 第2期 有足够大的通风孔， 以得到最佳风速， 并让定子 电源电缆也从那里通过。由于这种通风方式的 出现 ， 主轴不必制成空心， 也没有径 向孔， 完全 成为常规的实心轴了。 r 在轴承下面加进通风环以后， 轴承直径要 加大。 但仍属于市场上能买到的标准轴承。轴 承加大后， 它的L 1 0寿命足以覆盖整台提升机 的使用年限． 所以轴承 应选 甩轻型的， 不仅 比较 便宜， 一旦要更换也比较容易操作。 此外。 主轴两端支撑架结构与东欢坨提升 机相同。 ， 由于这种通风系统也没有风罩， 就具有大 雁模式一样的优点． 即不必在滚筒内预留电机 维修空间， 滚筒壳体也可设计成为转子的磁轭。 此外． 这种模式的突出优点还有 主轴上没有任 何孔． 完全符合 德国 TA S规程的规 定； 主轴上 也没有需要采用特种工 艺和探伤 的高强度焊 缝． 可靠性明显提高 ； 主轴可选用优质的经二次 脱氧的 C K 4 5 N钢， 而不是有些模式所采用的 r 5 2 3普通锕， 质量也减轻了； 便于用主轴上 的法兰凸缘稳固地连接定子， 而不必另外焊接 凸缘来连接， 更牢固可靠了； 容易实现标准化。 总之， 它的可靠性高， 可用性好， 成本低， 标志着 机电一体提升机的结构已走向成熟。 3 机电一体提升机的优越性 为了对机电一体提升机的优越性有更清晰 的概念 。特选用了东欢坨副井 的两台提 升机 上的实际数据加以对 比。因为这两台提升机的 任务雷同． 规格相近， 电机功率相同， 又在同一 提升机房内。一台是机电一体的， 4 ． 3 4 ， 用于 单罐平衡锤提升； 另一台是同步 电机悬臂传动 的。 4 ． 0 x 4 ， 用于双罐提升。机电一体提升机的 优点可归结为以下几方面 1 最重要的是可靠性提高了． 表现在 ① 定子和转子间的同心度偏差 由设计 和 制遣保证， 受载荷影响很小， 对安装精度和基础 变动都不敏感； 运行中的电机 间隙很稳定 ； 尤其 是用滚动轴承代替滑动轴承后， 间隙只有后者 的约 2 0 ％， 运行一段后． 这个百分数还会更小， 3 6 即使轴承损坏， 也不会影响 电机的偏心距 。 ② 主轴承受力情况改善， 两个轴承受力均 匀 。 ③ 采用标准 自调心轴承， 璜期寿命 长， 可 覆盖提升机的整个服务年限； 即使万一要更换， 也能 比较容易地在市场上购到。 ④ 电机绕组受外 部机 械性 损伤的机会大 大减少。 ⑤ 电机转矩总是准确 而直接地 出现在需 要的地方即滚筒的钢丝绳上， 而不再经过传递 部件， 因而快速 、 准确、 及时。 2 显著的经济效益， 表现在 ① 可以降低对主要部件 的刚度要求。倒 如， 主轴在同时考虑省去悬臂段以后， 可减轻约 2 0 ％。 ② 基础 受力均匀而且较小． 正常载荷下只 相当于悬臂 电机传动方式的约 4 0 ％， 钢丝绳破 断时约 8 O ％。同时考虑 省去悬臂段 下的基础 后， 总的基础容积可缩小约 1 ／ 4 。 ③ 空间紧凑而缩小。东欢坨副井两台提 升机折算 成相 同直径后 比较， 机 电一体的占用 空间只相 当于悬臂 电机提升 机的 7 2 ％。再 以 南非帕拉波拉铜矿的两台主井机电一体提升机 为例。它们井排装在井塔的同一层上， 其所节 女 省的空间就不是单台提 升机所能节省的两倍 了， 原因是两台机电一体提 升机能 比两台悬臂 电机提升机靠得紧。这两台提升机还综合考虑 丁整个提升系统 ． 选用了自重较轻的箕斗， 加大 了箕斗 的有效 载荷． 又对井简 布置进行 优化。 这样， 原设计两台提升机分别装在井塔的两层 上就能改装在 同一层上了， 井塔去掉一层后总 高度降低 了． 取得了十分显著的效益， 值得我们 借鉴。 一 般来说， 机电一体提升机的机房可以较 小， 如为塔式安装， 井塔体积可缩小 1 0 ％左右， 而且受力更均匀， 结构更合理， 建设工期也可相 应缩短， 因而降低了土建总成本。 ④ 采用滚动轴承后， 可在原来滑动轴承基 础上节省一套强迫油润滑系统。 维普资讯 俞鹏 飞 世界上机 电一体矿 山提升机发展现状及展望 1 9 9 7年 第2期 安装时问缩短。由于机 电一体提升机 的部件减步 了， 底 少用了， 与基础连接 的部件 也少了。 操平找正也就 比较简单了， 加上电机的 定子和转子闻的同心度偏差精度 已在设计和制 造时得到保证， 不 需要在安装 时重 调， 这样 一 来。 机体安装时间可 比悬臂 电机提升机缩短几 个小时至一天。 机电一体提 升机 的维 护置小。在多数 情况下， 电机效率可以比较高， 以大雁和陈四楼 提升机为倒． 报价中机 电一体结构 的电机效 率 比悬臂电机结构提高了 1 ％左右， 这些都降低 了提升机的运行费用。 3 由于机 电一体提升机都是同步电机 传 动的， 所以与过去的宣流电机悬臂傅动的提升 机相比， 还应该 考虑到交 一交变频传动系统对 直流传动系统相比的优越性， 即 效率高， 因而 节能； 因为无整流子， 维护量小了； 电机结构简 化； 转速在零l甜近时的超载能力高 质量轻， 体 积小； 气隙大， 容易找正； 短路转矩低 ； 额定功率 没有限额。具体数据见西门子公司提供的表 2 。 。 衰2 3 8 0 0 k W的交 空变额同步 电机传动胃1巍电机传动对比 嚼 目 直流 电机同步电机 ■出功 率接 B瑷使 用／ w 辖 出功率接 F缎使用／ k w 簟 定电压， v 鞭定转投／ r ml n j ‘ ， 一 效率， 不计威蠢损失， 一 簧定■出 3 B 呻k W 时的损耗 橱 掼、 靛拉 、 风掼 廓t捏 损耗旨计 ’ 所需净却空气t， Ⅲ 】 s ～ 惯性矩， 气I ． ／ m 质量， t 定子， t 转子 ■件， t 基磕麓荷 謦藏荷， 馥簟葡肛N 薯 ， k N- m 2 50 2 0 2 0 1 63 3 8 0 0 4 3 70 ．I 6 5 0 4 5． 8 9 7． O t 3 8 1 l l O 1 6 5 4 西门子总结出的 3种不同传动方式的 效益比较见表 3 。 衰3 矿井提升机兰种不同传动方式的效益比较 5 至于机 电一体提升机同悬臂电机提升 机的设备本身价格的 比较， 根据近几年来各供 货厂商的报价来看． 大体相当。分开来说． 电气 部分要低一些， 这是因为电机的外壳省了， 电机 磁轭和j ；i； 盖都放到机械部分中去了。 以大雁提 升机为例， 电机总质量可降低 t ／ 3 ～1 ／ 4 ； 而机 械部分就必然价格要高一些。两者相抵， 总价 上大体相当。但 由于机电一体提升机近年来竞 争更加剧 烈． 所以可以得到 比较优意的成交价 格。以东欢坨为例， 成交价可 比悬臂 电机提 升 机低约 5 ％。随着机 电一体提 升机结构的进一 步完善和标准化， 成本还可以进一步降低， 可以 预期能得到比悬臂电机低一些的成本价。 4 回嗣与展叠 8 年前， 当机电一体提升机在德国鲁姆贝 克矿井和雷敦矿井相继取得成功以后． 德国园 矿业凋敝， 没有出现第 3台机电一体提升机。5 年前， 当我国准备进口第 1台机电一体提升机 时， 有人预言， 这是提 升机结构 的发展方向， 虽 然当时韵 结构还不算成熟， 也应当引进 l 、 2台 作为借鉴， 才不会落后世界期流太远。接着就 引进了3 。大雁提升机结构已有重大改进． 陈四楼提升机则得到进一步完善． 逐步实现 了 标准化。再过二三年， 也就 是大约用 了十年 时 间， 当引进的提升机调试和投产运行取得成功 后， 就可以说基本完成 了这项新技术的开发阶 段， 标志着这项技术已经成熟 用机电一体结 构逐步代替传统结构的总趋势已不可逆转。而 南非的 3台大型提升机以及澳大利亚和我国准 备引进的项 目， 都实际上已经是这项技术的应 用成果了。我国是世界上矿业大国． 有较大的 提升机市场， 如果以后再要进 口， 机电一体提升 机就 自然会成为首选方案． 因为这对用户有利。 呲 拼 誊 } “ 拼 誊 } “ 一 ～ 一 一 维普资讯 巷 幂． 2 4 8 { 期 9 7 一 一 i 8 金 属 矿 山 1 9 9 7年第 2期 我国也需要 自己开发这项新技术， 而这些引进 项 睁酣蔚 满噼磐 譬趱鄂壁要 的促进和借鉴作 用 。 l l 一 。 j 璁l在已订赞前世界上最大的机电一体提升 机是南非的 3台农 型塔 式提 升机 ， 规格是 6 ． 2 r 谋3 - ∞O ～ 6 4 0 0 k w， 这几台提升机 萑世弊 是属于最大的提升机之列。可见。 艟电4律提 升机的能力和规格是不存在上限 的 L 日 S 魄 来， 能力越大， 经济效益越显著。 ；。 现在世界上最小的机电一体提升机是我国 齐 畚欢坨矿副井正在安装的单罐平衡锤落地 式提升机， 规格是 4 ． 3 m4 绳， 1 2 5 0 k w。如 前所述， 这台提升机在设计时直径是经过扩大 的， 根据新的概念， 如果 只考虑到 适应 电机尺 寸， 那么摩擦轮直径 可以从 4 ． 3 m缩小到 3 ． 0 m， 静张力差还可以达到 1 5 t ， 不低于原设计的 l O ． 8 t 。可见， 机 电一体提升机 的设计能 力和 规格的下限， 可 以同交 一交变频传动方式 的经 济适用下限相一致 。西门子曾提议这个下限为 l 0 0 0 k W左右。随着交 一交变频技术韵进一 步发展， 这个下限有可能更低。 总之， 单从技术上看， 所有能够直联传动的 提升机都应当是机电一体结构的适用范围。目 前， 西门子和 MA N GH H公司正在进行标准化 的范围为 功率从 7 5 0 k W 到 1 3 0 0 0 k W； 滚简 直径从不到 3m到 7 ． 0m。 现在来谈机 电一体结构在缠绕式滚筒提升 机上的应用。显然， 单滚筒提升机很容 易设计 成机电一体结构。至于双滚筒提升机， 在机屯 一 体以后， 就成为同轴的两台单滚筒机电一体 提升机了。因此， 如果第 2台电机， 包括 电源和