CN110921471A - 垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，包括钢丝绳提升系统、直线电机辅助提升系统与控制系统；在原有钢丝绳提升系统的基础上，取消原有的罐道结构，用内嵌式直线导轨代替罐道作用，在塔架、井壁内桁架以及箕斗上安装垂直运动的直线电机，通过直线电机的上下直线运动产生电磁驱动力来辅助运输矿物；加装的直线电机辅助驱动系统与钢丝绳提升系统协同工作，在保证提升系统结构强度的前提下，增加了提升系统的提升吨位和提升深度，使其满足超深井特大吨位箕斗提升的要求。

Description

垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统

技术领域

本发明涉及一种箕斗提升系统，具体涉及一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统。

背景技术

‌我国是世界煤炭资源大国，煤炭开采量和消耗量都居世界前列，在煤炭开采体系中，矿井运输与提升是开采过程中的重要的组成环节，而箕斗是矿井运输与提升中最重要的设备之一，一般用于矿山主井提升煤炭、矸石等物料。

随着经济和科学技术的发展，人类对自然资源愈加依赖，由于埋藏较浅的煤炭、金属和非金属等自然资源的储量已大幅减少，因此未来我国矿井的开采势必会朝着超深井与特大吨位箕斗提升的方向发展。

但随着提升深度的增加，存在着以下问题限制了箕斗提升系统朝着超深井方向发展：

（1）钢丝绳的力学性能严重影响了提升深度，随着提升深度的增加，钢丝绳逐渐变长加粗，安全系数减小，在自重中所占的比例也越来越大，在这个过程中而钢丝绳的疲劳磨损、断裂与腐蚀的问题也更加严重。

（2）目前的矿井提升均采用罐道与罐耳配合的方式对箕斗导向，但随着提升深度的增加，在建造过程中，单侧罐道的直线度与两侧罐道的平行度难以保证，且罐道长期处于潮湿环境下，容易发生结构变形，因此在超深井提升过程中，罐道与罐耳配合的形式可靠性不高。

与此同时为了增加生产规模，提高煤炭产量，箕斗的提升载荷也越来越大，目前虽然箕斗的最大的单次提升量已经达到了50吨，但仍无法满足箕斗向着超大吨位发展的需求。

随着箕斗朝着超大吨位提升负载发展，随之也产生一些新的问题：

（1）钢丝绳通常要承受重载荷，受到了很大的拉伸应力与弯曲应力，而钢丝绳由于材料与规格的限制，其最大的拉伸应力与弯曲应力是一定的，随着提升载荷的增加，箕斗朝着超大吨位发展，钢丝绳的各项力学性能不可能被无限增大，而提升载荷的增大也会严重缩短钢丝绳的寿命，使其提前报废。

（2）现有的箕斗提升系统依靠提升滚筒带动钢丝绳来完成提升工作，为了增加箕斗的提升吨位，所需的提升滚筒体积与主提升电机的功率也越来越大，其他配套设施的体积也需要相应的增大，这些都极大的提高了矿井主井箕斗提升系统的建造难度与使用维护成本。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，增加原有提升系统的提升高度，提升载荷，制动效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，包括主提升电机、提升滚筒、摩擦天轮、箕斗、PLC和主变频器；竖井口以下的井壁相对两侧设有桁架，竖井口以上与桁架对应的两侧架设有塔架，导轨安装支架、初级安装支架纵向连接在塔架和桁架上，导轨安装支架上设置内嵌式直线导轨，初级安装支架上间隔设置直线电机初级，塔架顶部设有摩擦天轮，主提升电机、提升滚筒设置在井上地面，主提升电机的输出轴与提升滚筒连接，主提升电机输出轴上设有转矩转速传感器，提升滚筒上设有制动器，制动器与液压站连接，提升滚筒上设有提升钢丝绳，提升钢丝绳绕过摩擦天轮与箕斗顶部连接，箕斗位于竖井中，箕斗底部连接有配重锤，箕斗的左右两侧面纵向方向分别设有滚轮罐耳组、直线电机次级，滚轮罐耳组、直线电机次级设置位置分别与内嵌式直线导轨、直线电机初级对应，滚轮罐耳组嵌入到内嵌式直线导轨内，直线电机初级之间通过隔爆电缆串联，液压站、主变频器、转矩转速传感器均与PLC电连接，直线电机初级通过直线电机用变频器与主变频器电连接，主提升电机与主变频器电连接。

进一步的，所述滚轮罐耳组由多个滚轮罐耳纵向间隔设置组成，滚轮罐耳包括滚轮安装底板、外滚轮和销轴，外滚轮通过销轴安装在滚轮安装底板上，滚轮安装底板设置在箕斗的侧面。

进一步的，所述箕斗顶部设有钢丝绳连接器，提升钢丝绳与钢丝绳连接器连接，箕斗左右侧面纵向设有若干条加强筋，滚轮罐耳组设置在加强筋上，直线电机次级也设置在加强筋上。

进一步的，所述箕斗左右侧面分别设有两列直线电机次级，滚轮罐耳组位于两列直线电机次级之间，与之对应的塔架和桁架的每个侧面也分别设有两列初级安装支架，每列初级安装支架上间隔设置直线电机初级。

进一步的，所述箕斗的前侧面的上部为箕斗入料口，下部为箕斗卸料口。

与现有技术相比，本发明在保证原来矿井箕斗的钢丝绳提升系统的基础上，通过加装直线电机辅助提升系统，利用直线电机的电磁驱动力垂直提升箕斗；直线电机辅助提升系统的使用，能够解决因钢丝绳载荷不足造成的提升载荷低、提升距离短的问题，减轻了钢丝绳提升系统的工作负担，同时提高了箕斗的提升吨位与提升距离，实现了超深井特大吨位提升的目的；将原有矿井箕斗提升系统的罐道与罐耳的配合导向形式替换为滚轮罐耳组与内嵌式直线导轨配合组成的导轨副的形式，也避免了提升过程因罐道变形带来的安全隐患；此外，主制动系统与直线电机辅助提升系统协同工作，利用直线电机的电磁驱动力反向制动，缩减了制动时间，提高了制动效率，增加了箕斗提升的安全性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明箕斗结构示意图；

图3为本发明滚轮罐耳结构示意图；

图4为本发明直线电机辅助驱动系统俯视图；

图5为本发明直线电机初级与内嵌式直线导轨安装图；

图6为本发明钢丝绳提升系统结构图；

图7为本发明驱动与制动系统结构图；

图中：1、主提升电机；2、摩擦天轮；3、转矩转速传感器；4、提升滚筒；5、制动器；6、液压站；7、提升钢丝绳；8、塔架；9、箕斗；10、配重锤；11、桁架；12、直线电机初级；13、直线电机次级；14、钢丝绳连接器；15、滚轮罐耳组；16、井壁；17、初级绕组；18、内嵌式直线导轨；19、导轨安装支架；20、初级安装支架；21、隔爆电缆；22、PLC；23、主变频器；24、直线电机用变频器；25、初级安装螺钉；26、导轨安装螺钉；27、供电所；501、外滚轮；502、滚轮安装底板；503、销轴；504、滚轮罐耳；901、箕斗入料口；902、箕斗卸料口；903、加强筋；904、次级安装螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，本发明提供一种技术方案：包括钢丝绳提升系统、直线电机辅助提升系统和控制系统；

钢丝绳提升系统包括主提升电机1、提升滚筒4、摩擦天轮2、箕斗9；直线电机辅助提升系统包括直线电机初级12、直线电机次级13；控制系统包括PLC 22、主变频器23、直线电机用变频器24、转矩转速传感器3；

竖井口以下的井壁16相对两侧设有桁架11，竖井口以上与桁架11对应的两侧架设有塔架8，导轨安装支架19、初级安装支架20纵向连接在塔架8和桁架11上，导轨安装支架19上通过导轨安装螺钉26设置内嵌式直线导轨18，初级安装支架20上通过初级安装螺钉25间隔设置直线电机初级12，直线电机初级12的个数随井壁16的深度而变化直线电机初级12上还安装有初级绕组18来提供三相旋转磁场；

塔架8顶部设有摩擦天轮2，主提升电机1、提升滚筒4设置在井上地面，如图6所示，主提升电机1的输出轴与提升滚筒4连接，主提升电机1输出轴上设有转矩转速传感器3，提升滚筒4上设有制动器5，制动器5与液压站6连接，提升滚筒4上设有多根提升钢丝绳7，提升钢丝绳7绕过摩擦天轮2与箕斗9顶部连接，箕斗9位于竖井中，箕斗9底部连接有配重锤10；

如图2所示，箕斗9的前侧面的上部为箕斗入料口901，下部为箕斗卸料口902，箕斗9的左右两侧面（即非卸载侧面）纵向方向分别设有滚轮罐耳组15、直线电机次级13，直线电机次级13的长度随箕斗9的长度而变化，如图3所示，所述滚轮罐耳组15由多个滚轮罐耳504纵向间隔设置组成，滚轮罐耳504包括滚轮安装底板502、外滚轮501和销轴503，外滚轮501通过销轴503安装在滚轮安装底板502上，滚轮安装底板502设置在箕斗9的侧面；滚轮罐耳组15、直线电机次级13设置位置分别与内嵌式直线导轨18、直线电机初级12对应，外滚轮501嵌入到内嵌式直线导轨18内，箕斗9在运行过程中依靠内嵌式直线导轨18与滚轮罐耳组15实现导向与定位；所述箕斗9顶部设有钢丝绳连接器14，提升钢丝绳7与钢丝绳连接器14连接，箕斗9左右侧面纵向设有若干条加强筋903，滚轮罐耳组15设置在加强筋903上，直线电机次级13也设置在加强筋903上，增设加强筋903能够增加箕斗9牢固性的同时作为直线电机次级13和滚轮罐耳组15的安装载体，有助于提高箕斗9运行的稳定性；为了提高提升效果，所述箕斗9左右侧面分别设有两列直线电机次级13，滚轮罐耳组15位于两列直线电机次级13之间，与之对应的塔架8和桁架11的每个侧面也分别设有两列初级安装支架20，每列初级安装支架20上间隔设置直线电机初级12。

如图5所示，直线电机初级12之间通过隔爆电缆21串联,供电所27通过隔爆电缆21给直线电机初级12供电，供电所27先给A号直线电机初级与B号直线电机初级供电，随后A号直线电机初级所在列与B号直线电机初级所在列依次通电工作；如图7所示，液压站6、主变频器23、转矩转速传感器3均与PLC22电连接，直线电机初级12通过直线电机用变频器24与主变频器23电连接，主提升电机1与主变频器23电连接。

直线电机初级12上的初级绕组17在通电后会三相交变磁场，直线电机次级13在交变磁场的作用下产生电磁驱动力，箕斗9在直线电机次级13的电磁驱动力作用下会在沿着内嵌式直线导轨18与滚轮罐耳组15组成的滚动导轨副上垂直运行来实现辅助提升。

箕斗9运行过程中有两种运行模式，分别是空载下放工作模式与装载上升工作模式；供电所27持续给主提升电机1与直线电机初级12供电，直线电机辅助提升系统在空载下放工作模式下仅通电处于通电待机状态，在装载上升工作模式中处于工作状态；

箕斗9在运行过程中的最大允许速度为V，预先在PLC 22中对箕斗最大允许速度进行设置；

（1）空载下放工作模式

当箕斗9处在空载下放工作模式时，箕斗9只承担自身的载荷，仅使用钢丝绳提升系统即可满足工作要求，具体操作如下：

启动过程：PLC 22向液压站6发送开关电信号，液压站6在电信号作用下控制制动器5完成松闸；PLC 22控制主变频器23从0~50Hz变频软启动主提升电机1，主提升电机1驱动提升滚筒4旋转运动来带动提升钢丝绳7运动，塔架8上方的摩擦天轮2在提升钢丝绳7的摩擦力牵引的作用下稳定下放箕斗9；

正常制动过程： PLC 22通过主变频23控制主提升电机1减速制动，制动结束后，制动器5抱闸，下放过程结束。

（2）装载上升工作模式

当箕斗9处在装载上升工作模式时，钢丝绳提升系统无法满足超深井大型箕斗提升的载荷需求，此时需要钢丝绳提升系统与直线电机辅助提升系统协同工作，具体操作如下：

启动过程：箕斗9通过箕斗入料口901完成装煤后，PLC 22控制直线电机辅助提升系统启动；控制系统采用主从控制模式，主变频器23为主机，直线电机用变频器24为从机；PLC22给定主频器23转速电信号，主变频器23给两个直线电机用变频器24发送转矩电信号，主提升电机1与直线电机辅助提升系统根据给定的转矩与转速信号同时启动协同驱动箕斗9提升；

正常制动过程： PLC 22给主变频器23发送减速电信号，在保持钢丝绳提升系统与直线电机辅助提升系统提供的提升转矩不变的情况下，主变频器23控制主提升电机1减速制动，同时2个直线电机变频器24给直线电机初级12施加反向电流，直线电机初级12产生了反向的三相交变磁场，在反向的三相交变磁场作用下，直线电机次级12产生的电磁制动力阻碍箕斗9上行进而对箕斗9运行降速完成复合制动,制动结束了物料通过箕斗卸料口902卸载；

（3）紧急制动模式

在箕斗9上下行时，转矩转速传感器3实时监测箕斗9的运行速度与负载大小并将信号传递给PLC 22，此外通过PLC 22的内部模块进行积分运算可以实时监测箕斗9在井壁16内的位置；当转矩转速传感器3检测到箕斗9运行速度超过1.2V，判断为提升机出现故障，PLC22通过两个直线电机用变频器24控制直线电机辅助提升系统紧急启动，通过直线电机次级13对箕斗9产生电磁制动力对箕斗9进行减速制动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，其特征在于，包括主提升电机（1）、提升滚筒（4）、摩擦天轮（2）、箕斗（9）、PLC（22）和主变频器（23）；

竖井口以下的井壁（16）相对两侧设有桁架（11），竖井口以上与桁架（11）对应的两侧架设有塔架（8），导轨安装支架（19）、初级安装支架（20）纵向连接在塔架（8）和桁架（11）上，导轨安装支架（19）上设置内嵌式直线导轨（18），初级安装支架（20）上间隔设置直线电机初级（12），

塔架（8）顶部设有摩擦天轮（2），主提升电机（1）、提升滚筒（4）设置在井上地面，主提升电机（1）的输出轴与提升滚筒（4）连接，主提升电机（1）输出轴上设有转矩转速传感器（3），提升滚筒（4）上设有制动器（5），制动器（5）与液压站（6）连接，提升滚筒（4）上设有提升钢丝绳（7），提升钢丝绳（7）绕过摩擦天轮（2）与箕斗（9）顶部连接，箕斗（9）位于竖井中，箕斗（9）底部连接有配重锤（10），

箕斗（9）的左右两侧面纵向方向分别设有滚轮罐耳组（15）、直线电机次级（13），滚轮罐耳组（15）、直线电机次级（13）设置位置分别与内嵌式直线导轨（18）、直线电机初级（12）对应，滚轮罐耳组（15）嵌入到内嵌式直线导轨（18）内，

直线电机初级（12）之间通过隔爆电缆（21）串联，液压站（6）、主变频器（23）、转矩转速传感器（3）均与PLC（22）电连接，

直线电机初级（12）通过直线电机用变频器（24）与主变频器（23）电连接，主提升电机（1）与主变频器（23）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，其特征在于：所述滚轮罐耳组（15）由多个滚轮罐耳（504）纵向间隔设置组成，滚轮罐耳（504）包括滚轮安装底板（502）、外滚轮（501）和销轴（503），外滚轮（501）通过销轴（503）安装在滚轮安装底板（502）上，滚轮安装底板（502）设置在箕斗（9）的侧面。

3.根据权利要求1所述的一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，其特征在于：所述箕斗（9）顶部设有钢丝绳连接器（14），提升钢丝绳（7）与钢丝绳连接器（14）连接，箕斗（9）左右侧面纵向设有若干条加强筋（903），滚轮罐耳组（15）设置在加强筋（903）上，直线电机次级（13）也设置在加强筋（903）上。

4.根据权利要求1所述的一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，其特征在于：所述箕斗（9）左右侧面分别设有两列直线电机次级（13），滚轮罐耳组（15）位于两列直线电机次级（13）之间，与之对应的塔架（8）和桁架（11）的每个侧面也分别设有两列初级安装支架（20），每列初级安装支架（20）上间隔设置直线电机初级（12）。

5.根据权利要求1所述的一种垂直式直线电机辅助驱动的超深井特大吨位箕斗提升系统，其特征在于：所述箕斗（9）的前侧面的上部为箕斗入料口（901），下部为箕斗卸料口（902）。

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