JZ-16/1000凿井绞车理论计算及分析与过流保护继电器的选择及整定

郑屿

【摘 要】本文以JZ-16/1000凿井绞车为例，通过理论计算及分析，说明了大模板断绳的主要原因；介绍了凿井绞车过流保护装置选择及整定的原则，为大模板悬吊绳的安全使用寻找理论依据。

【关键词】断绳 计算分析 方案

【中图分类号】 F224-39【文献标识码】B【文章编号】1672-5158（2013）07-0308-01

JZ-16/1000凿井绞车卷筒直径，φ1.0m；允许缠绕的钢丝绳最大直径，φ40.5mm；钢丝绳最大净张力，160KN；钢丝绳最大缠绕7层；总减速比，快档506.6，慢档1013.2；平均绳速，快档6m/min，慢档3m/min；电动机型号，YZR250M2-8；电动机轴输出的额定机械功率37kw，电机额定工作电流78.1A，额定转速720r/min，额定效率0.89，额定功率因数0.83，最大转矩/额定转矩=2.7；减速器为二级齿轮配合蜗轮、蜗杆传动，总传递效率，0.85*0.7=0.6。下面对JZ-16/1000凿井绞车进行理论计算及分析，说明凿井绞车过流保护装置选择及整定的原则，为大模板悬吊绳的安全使用寻找理论依据。

一、绳速计算

以缠绕18×7+FC-φ40-1770钢丝绳7层为例，在井筒工程刚刚开工，凿井绞车提升使用最外层钢丝绳时：

Vmax=πDn/i=3.142×1.456×720÷506.6（1013.2）=6.502（3.251） r/min=0.1087（0.054）m/s

在井筒工程快到底，凿井绞车提升使用最里层钢丝绳时：

Vmax=πDn/i=3.142×1.04×720÷506.6（1013.2）=4.644（2.322） r/min=0.077（0.039）m/s

说明：括号内为凿井绞车使用慢档时的计算数据（“计算分析”这节里均同）。

二、电动机功率估算

在井筒工程刚刚开工，凿井绞车提升使用最外层钢丝绳时：

P=FVmax /η=QVmax/（102η）=160×0.1087（0.054）÷0.6=28. 99（14.50）kw

在井筒工程快到底，凿井绞车提升使用最里层钢丝绳时：

P=FVmax /η=QVmax/（102η）=160×0.077÷0.6=20.53（10.27） kw

由以上计算可以看出，厂家标配的37kw电机，当凿井绞车为慢档最里层钢丝绳工作状态时，负载率仅为：10.27÷37=0.28，电机能力过大，属于典型的大马拉小车。

三、额定工作状态下电机作用在卷筒上力计算

在井筒工程刚刚开工，凿井绞车提升使用最外层钢丝绳时：

Q=102Pη/ Vmax=102×37×0.6÷0.1087（0.054）=20.83（41.66）t

在井筒工程快到底，凿井绞车提升使用最里层钢丝绳时：

Q=102Pη/ Vmax=102×37×0.6÷0.077（0.039）=29.41（58.82）t

当大模板被卡阻仍强行上升，在电机接近堵转时，电机转轴输出的最大转矩传递到卷筒钢丝绳上的力为：

在井筒工程刚刚开工，凿井绞车提升使用最外层钢丝绳时：

Q=20.83（41.66）×2.7=56.24（112.48）t

在井筒工程快到底，凿井绞车提升使用最里层钢丝绳时：

Q=29.41（58.82）×2.7=79.41（158.81）t

由以上计算可以看出，JZ-16/1000凿井绞车在快档状态下，如果对大模板强行上拉在电机堵转之前，其56.24～79.41t的上提能力，对于18×7+FC-φ32-1770以下钢丝绳也相当危险；如果在慢档状态，该凿井绞车112.48～158.81t的上提能力，能拉断其所允许缠绕的所有规格钢丝绳。即使是该凿井绞车电机工作在额定状态下，当处于慢档时，其传递到钢丝绳上41.66～58.82t的拉力对于18×7+FC-φ28-1770以下钢丝绳也是致命的。

然而，各施工单位在升降大模板时基本上都习惯使用凿井绞车慢档工作。该凿井绞车在慢档工作状态下8极15～18.5kw电机就可以满足其160KN最大静张力的要求，使用8极37kw电机显然能力过大，当操作司机在错误操作时对模板悬吊钢丝绳是十分危险的。

四、过流保护继电器的选择及整定

凿井绞车启动柜对绞车电机保护，早年生产老柜子多采用电磁式瞬动继电器作电机的速断保护，热继电器作为电机的过载保护。常规整定时，速断保护一般按电机启动电流的1.2倍整定，热机电器热元件一般按稍大于电机的额定工作电流整定。缺陷是电磁式瞬动继电器受环境因素影响比较大，当机构或弹簧疲劳时速断保护不太准确可靠。

新生产的凿井绞车启动柜基本上采用JD系列电机综合保护器，为电子式过流保护器，具有反时限过流保护、电机欠相保护。其反时限过流保护1.2倍动作电流时3～120s。整定时一般在现场动态调整，按躲过电机的正常工作电流及启动时间来整定，动作电流值应稍大于电机的长时工作电流，动作时限3～5s左右，能躲过电机的正常启动时间即可。以上计算可以看出，当凿井绞车处在慢档最里层钢丝绳工作状态时，其电机在额定工作时作用在卷筒悬吊钢丝绳的力非常大，是凿井绞车钢丝绳最大静张力的2. 6～3.7倍，电机的负载率仅为额定值的0.39～0.28倍，当非正常提升造成钢丝绳安全系数大幅下降时，电机尚未过载，此种情况下对大模板悬吊钢丝绳仍然较危险。

那么，通过合理的计算，对凿井绞车的电机的过流保护限定一个过流动作值从而达到既保护电机又能保证钢丝绳不被拉断的目的也比较困难。原因之一是要准确的计算动作电流值非常难，因为电机定子从电网吸收的工作电流I1=P2/η= P2/（1.732ηUConφ） ，其中P2是电机转轴输出的机械功率，U是电网电压取380v，η是电机的工作效率，电机从空载～额定负载线形增加时，η从0～额定效率非线性增加；Conφ是电机的功率因数，电机从空载～额定负载线形增加时，Conφ从0.3左右～额定功率因数非线性增加。电机在空载状态下η及Conφ最低，在额定负载状态下最大，超过额定负载时下降。因此电机的负载成一定倍率增加或下降到某数值时，无法确定此状态下的η及Conφ值。当悬吊总重量约为11600kg，立井JZ-16/1000大模板悬吊凿井绞车慢档提升模板时电机输出的机械功率为11600×0.081÷102÷0.6=15.35kw，工作电流为50A，η与Conφ的乘积为15.35×1000÷50÷1.732÷380=0.466；快档提升模板时电机输出的机械功率为11600×0.162÷102÷0.6=30.70kw，工作电流为70A，η与Conφ的乘积为30.70×1000÷70÷1.732÷380=0.667。假如慢档提升模板时模板受卡阻，悬吊总重量为原悬吊重量的2倍时，η与Conφ的乘积才为原来的1.4倍，电机电流也只为原正常状态的1.4倍，不成线性变化关系。

原因之二是现场调整大模板时多为点动提升，如果信号传递或观察有误，模板卡阻时司机仍间断点动开车，这时电机工作电流与正常值比虽然在不断增大处于过载状态（慢档时电流变化比较缓慢），钢丝绳受力也在逐渐增大，但是过流整定时，由于为躲过电机启动时间的时限限制，过流在时限内不会动作，仍然能够造成拉断绳事故。

因此按实际工作电流整定电机过流保护也只能作为防止拉断绳的后备保护。

参考文献

[1] 崔云龙，简明建井设计手册，北京：煤炭工业出版社，2000

[2] 王介峰等，凿井工程图册，北京：煤炭工业出版社，1986

[3] 顾永辉等，煤矿电工手册，北京：煤炭工业出版社，1995