矿井提升机新技术的应用研究及展望

赵瑞峰

1山西工程职业学院 山西太原 030031

2山西新富升机器制造有限公司 山西太原 030031

矿井提升机是矿山重要的设备之一，是联系井下和地面的主要运输工具。随着科学技术的进步及用户需求的增长，矿井提升机的技术一直在快速发展。笔者介绍了国内近年来发展较快的永磁电动机传动、新型电液制动和无人值守矿井提升机新技术，并对无绳矿井提升机的发展进行了展望。

1 矿井提升机发展历程

1.1 国外提升机

1827 年，德国设计出世界上第 1 台蒸汽提升机，1877 年生产出第 1 台摩擦提升机，1905 年制造出第 1 台电动提升机。目前，特大型提升机技术在世界上依然占据绝对领先地位，尤其是内装电动机式、多绳缠绕式 (布莱尔)、应急救援式及带辅助拖动装置的提升机技术优势依然明显[1]。国外著名的提升机制造商有德国 SIEMAG 公司、瑞典 ABB 公司、捷克 INCO 公司，这些公司凭借强大的提升机选型、设计、机械制造、电气传动和智能控制等综合实力，为客户提供整套设备及矿井提升问题的解决方案。

1.2 国内提升机

国产矿井提升机经历了一条从引进、消化、仿制到自主创新的历程。19 世纪末，唐山开平矿务局从国外引入了当时世界最先进的蒸汽绞车，如图 1 所示，开启了中国矿井提升机的历史。1958 年，洛阳矿山机器厂 (现中信重工机械股份有限公司) 成功研制出中国首台φ2.5 m 双筒提升机，如图 2 所示，开启了中国批量制造矿井提升机的历史。进入 21 世纪以来，以中信重工机械股份有限公司为代表的国内一大批制造企业对矿井提升机进行了技术改造升级，使提升机的规格、性能和精度都得到了全面提升[2]。机械部分(主轴、卷筒和天轮等部件) 的技术和安全可靠性已达到国际先进水平[3]；高端电液闸控系统、中压三电平大容量变频系统等技术已经成熟并广泛应用。国内提升机经历了从小型到大型、从通用到特殊、从单机到成套的发展历程，已经能够满足国内矿山绝大部分的需求。

图1 唐山开平矿务局从国外引入的蒸汽绞车Fig.1 Steam winch imported from abroad by Tangshan Kaiping Mining Bureau

图2 中国首台 φ 2.5 m 双筒提升机Fig.2 First φ2.5 m double-drum hoist in China

近十年来，国内进口大型提升机的份额持续减少，提升机国产化实现了跨越成长。机械制造技术达到国外先进技术水平，电气控制、制动控制与国外差距一直在持续缩小，但电控 PLC、IGBT、高精度传感器等器件，制动控制用的比例溢流阀和一部分轴承依然需要进口。从整体来说，中国矿井提升机技术与国外的差距越来越小。尤其近几年，中国在智能制造的驱动下，科研动力十足，提升机的技术进步更加明显。

近几年来，具有中国自主知识产权的永磁电动机传动矿井提升机、新型电液制动矿井提升机和无人值守矿井提升机已经在矿山开始使用，迎合了国家发改委 2020 年《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中“加强科技创新，实施机械化换人、自动化减人专项行动，提高智能装备的成套化和国产化水平”的要求。随着无绳提升机及各种矿井提升机新技术的不断出现，矿井提升机必将迎来新一轮的技术改革。

2 矿井提升机技术应用

2.1 永磁电动机传动

继 1990 年成功研制 JKM-4×4 单电动机悬挂式锥孔直联井塔式多绳摩擦提升机后，中信重工机械股份有限公司又在 2001 年成功研制了国内最大规格的双电动机直联 JKMD-5.7×4 落地式多绳摩擦提升机。上述 2 类大型提升机结构紧凑，机械效率高，由于没有使用减速器、联轴器等齿轮机械传动装置，改变了国产特大型提升机直联电动机传动依赖进口的局面。

2.1.1 永磁电动机内置

悬挂式直联提升机电动机轴要求为高精度锥孔，加工难度大，电动机装配及拆卸困难，存在一定的缺陷。永磁电动机由于其恒转矩特性，特别是低速大转矩特性，契合矿井提升机负载特性，另外其尺寸小，质量轻，噪声低，可以装入提升机卷筒内与卷筒直接连接。2017 年贵州高原矿山机械有限公司成功研制了永磁电动机内置单绳缠绕式及多绳摩擦式矿井提升机，永磁电动机内置多绳摩擦式矿井提升机如图 3 所示。该型式的提升机没有减速器等齿轮机械传动装置，主要采用外转子永磁同步电动机，与直联悬挂式提升机相比，减小了提升机轴向尺寸。永久性磁铁置于滚筒内壁，作为永磁电动机外转子；内定子工作绕组线圈装于提升机主轴上，滚筒通过两侧腹板、轴承与主轴连接，并固定在轴承座上[4]。摩擦轮既作为永磁电动机的外转子用，又兼具承载钢丝绳载荷的功能，体现了机电相互融合及高度机电一体化[5]。

图3 永磁电动机内置多绳摩擦矿井提升机Fig.3 Structure of multi-rope friction mine hoist with built-in permanent magnet motor

2.1.2 永磁传动系统内置

永磁电动机尽管有较高的性价比，但比常规应用的异步变频电动机制造成本还是较高，且速度越低，电动机制造成本越高。为此，山西新富升机器制造有限公司研制了永磁传动系统内置矿井提升机，传动系统采用永磁同步电动机与行星齿轮减速器直接连接，减速器直接驱动卷筒旋转，通过卷筒上缠绕的钢丝绳来实现容器的提升或下降[6]。永磁传动系统内置矿井提升机结构如图 4 所示，永磁电动机内转子直联一级行星齿轮减速器 (减速永磁电动机)，并安装提升机卷筒中。由于一级行星减速器能够降低配套永磁电动机功率，进而降低了提升机的成本。将永磁电动机高效节能和减速器高效大转矩组合为一体的提升机结构，具有体积小、整体性好的特点。

图4 永磁传动系统内置矿井提升机结构Fig.4 Structure of mine hoist with built-in permanent magnet drive system

2.1.3 应用及发展前景

永磁电动机传动矿井提升机安全可靠，节能高效，结构紧凑。随着关键核心技术的不断突破，特别是高温永磁材料解决了永磁体退磁的缺陷后，永磁电动机传动矿井提升机已被市场广泛接受，将逐步取代电动机悬挂式直联摩擦矿井提升机。目前，我国已有逾 60 台永磁电动机传动矿井提升机投入使用。永磁内置矿井提升机技术已达到国际先进水平，在未来这种新技术将成为提升机的主导应用技术。

2.2 电液制动技术

2.2.1 机械制动器

矿井提升机制动经历了以重锤做制动力源 (以油压松闸)、以重锤和压气做制动力源 (工作制动用压气，紧急制动用压气和重锤)、以弹簧做制动力源 (油压松闸) 的发展历程。油压松闸液压制动系统的松闸动力来自于液压站提供的液压力，主控系统指令需要经过溢流阀、减压阀和换向阀等多个阀类部件，最终将液压泵松闸动力传递至液压机械闸制动单元。为克服液压系统抗污染能力差、系统复杂、维护工作量大、可靠性低等缺陷，山西新富升机器制造有限公司研发了矿井提升机机械闸制动器，如图 5 所示。该制动器以弹簧做动力源，以电动机动力进行松闸，去掉了液压传动必须配置的液压站及液压管路系统，是一种无液压控制的提升机制动技术。

图5 矿井提升机机械闸制动器Fig.5 Mechanical brake of mine hoist

当直线电动机电流从小到大变化时，直线电动机带动连接轴向离开制动闸瓦方向运动，使筒体里碟形弹簧受压缩，带动制动闸瓦离开制动盘，制动器处于松闸状态；反之，当直线电动机电流从大到小变化时，在碟形弹簧力的作用下，带动制动闸瓦逐渐向制动盘方向移动，当电流降到最低值时，制动闸瓦作用在制动盘上的正压力达到最大，提升机处于正常工作制动状态。当矿井提升机在提升过程中因突发事件需要紧急制动时，该制动器可以实现恒力矩二级制动。与液压制动技术相比，电动机机械制动技术省去了电能转化为液压能的中间环节，具有响应迅速、效率高的优点。

2.2.2 电动缸液压制动器

山西工程职业学院与山西新富升机器制造有限公司共同研发了一种提升机电动缸液压制动器，如图 6 所示。与液压机械闸制动技术相比，电动缸液压制动器保留了液压制动闸执行机构部分，去掉了液压站，采用电动机作为松闸动力源，电动缸产生的油压作为中间能量传递环节，能够满足《煤矿安全规程》的各项要求。

图6 提升机电动缸液压制动器Fig.6 Hydraulic brake of electric cylinder of hoist

电动缸中活塞一侧与直线电动机装置相连，非电动机侧置于电动缸内，电动液压缸通过油压管路与液压机械制动器中的制动缸连接，形成整个设备的密闭液压系统。当提升机需要松闸时，直线电动机推动电动液压缸活塞向非电动机侧直线运动，则密闭液压系统液压油受到挤压，使得密闭液压系统油腔压力增大，密闭液压系统产生液压力并输送至液压机械制动器中的制动缸，制动缸压缩碟形弹簧并带动制动闸块远离制动盘，制动器完成松闸工作。当提升机需要制动时，直线电动机装置拉动活塞向电动机侧直线运动，密闭液压系统液压油压力缓慢降低，制动系统内的油压逐渐降低，碟形弹簧推动制动闸块向制动盘方向运动，制动闸块与制动盘接触产生正压力，形成摩擦力矩，达到制动的目的。系统还配置紧急泄油装置，以便在直线电动机故障或电动液压缸活塞卡滞不能工作时，使密闭系统油压通过旁路紧急泄油装置泄压，进行紧急制动，达到安全冗余制动的目的。

2.2.3 提升机磁摩耦合制动器

图7 提升机磁摩耦合制动器Fig.7 Magnetic friction coupling brake of hoist

提升机磁摩耦合制动器如图 7 所示[7]。制动盘两侧的励磁线圈通入同方向的励磁电流产生磁场，磁力线在制动盘及制动盘两侧的闸瓦、背板、筒体的套筒、制动器体和制动器架形成闭合回路。当提升机工作时，制动盘在磁场中旋转，切割磁力线产生电涡流制动，实现磁场制动。当摩擦制动和磁场制动同时工作时，磁场的存在会对摩擦产生有益的影响，稳定摩擦和减小磨损；反过来摩擦也会影响磁场的大小，实现摩擦制动和磁场制动的耦合，提高摩擦制动器的制动性能和可靠性。

2.3 无人值守矿井提升机

2.3.1 立井箕斗无人值守提升机

在国外，立井箕斗提升机无人值守作为一项成熟技术，已经得到广泛应用[8]。在国内，无人值守矿井提升机技术在立井箕斗得到了大量应用，无人值守提升机控制系统如图 8 所示。2016 版《煤矿安全规程》第四百二十八条规定“自动化运行的专用于提升物料的箕斗提升机，可不配备司机值守”。通过Profinet 现场总线和工业以太网实现智能联网控制，使提升机控制系统实现网络化、远程化和自动化，实现了提升机系统的自动启动、加速、减速和停车功能。该系统不仅减少了劳动力，实现了立井箕斗提升机无人值守，而且采用传感器和数字式视频监控系统对提升机进行全面诊断并预警，实现了控制系统预警及信号故障的准确、快速反应。

2.3.2 副井无人值守提升机

随着智慧矿山的发展，无人值守提升机不仅用于主立井箕斗，在非煤矿山斜井箕斗及副立井罐笼提升中也逐步开始使用。副井提升控制系统非常复杂，需要考虑的问题比较多，如规程规范、提升任务种类、井下设备、安装环境、生产管理等[9]。新版《金属非金属矿山安全规程》规定矿山企业可以只设跟罐信号工，不再强调井筒中段必须设置信号工和井口总信号工。同时还规定提升机操作员不必在提升机房进行提升操作，也可以在集中控制室控制提升机的运行。这些规定为无人值守技术在副井的应用提供了政策支持。

副井无人值守系统的核心是智能罐笼、智能摇台和安全门的智能检测，罐帘门和阻车器的控制及检测。其中智能罐笼由自动感应照明系统、电梯式面板装置、人脸识别系统、语音对讲系统、高清视频系统、无线通信和无线充电系统组成。

提升机房智能化无人值守系统、副井电梯式无人值守操车控制系统及主井无人值守装卸载控制系统与视频监控系统和上提升系统综合集控中心组成了全矿山提升机信息化系统。

图8 无人值守提升机控制系统Fig.8 Control system of unattended operation hoist

3 无绳提升机发展趋势

随着矿山特别是非煤矿山开采深度的增加，单绳缠绕式提升机钢丝绳自重越来越大，有效提升载荷小、提升效率低的问题越来越突出。采用摩擦式提升机能解决单绳提升机钢丝绳自重过大的问题，但受到尾绳质量大的影响，会造成钢丝绳应力幅急剧变化。当应力幅超过 11.5%，钢丝绳寿命急剧降低，因此，钢丝绳自重已经成为制约深井提升的主要因素，造成多绳摩擦提升机在超深井中的应用受到限制。多绳缠绕式提升机多用于金矿等产量较小的矿井。在超深井中采用标准矿井提升机进行分段开采，在技术方面没有问题，但每段矿井都需要一套独立的提升机，生产和管理成本明显增大，并且提升效率降低。传统旋转电动机驱动滚筒运转，通过滚筒带动钢丝绳牵引货物的提升系统已难以满足深井运输的需求，无绳矿井提升机会随着井深的增加而显得越来越重要。

永磁直线同步电动机由于响应速度快，定位精度高，提升高度不受限制而成为无绳提升机的理想动力源及执行机构。20 世纪 90 年代初，国外首次提出了“直线同步电动机驱动的垂直运输系统”的构想，并开始理论和试验研究，主要包括高层建筑电梯和矿井提升系统两个方面的应用[10]。国内河南理工大学、浙江大学、太原理工大学都进行了相关研究。

无绳提升机如图 9 所示。若干个电动机定子均匀安装在提升井筒导轨架上，带有负载的提升容器与电动机转子为一体机，电动机转子由永磁体构成。电动机定子通电时，电动机转子会沿着电动机定子的安装方向垂直运动，从而带动提升容器相对于井筒导轨进行移动，实现了提升机在井筒上下运行的目的。无绳提升机采用定子线圈分段供电模式，只给需要使用的定子线圈短时通电。其优点是作为转子的永磁体体积和自重较小，垂直提升有效载荷大、利用率高、永磁体防护简单、维修方便等；缺点是有多少段电动机定子，就需要多少段供电切换装置。

图9 无绳提升机Fig.9 Ropeless hoist

无绳提升机采用直线电动机作为动力，因不受矿井深度的影响，显示出了独特的优越性。深井提升是未来我国矿山提升的主要组成部分，但国内无绳提升机的研究尚处于起步阶段，其技术还不成熟，需要各有关高校、研究院及制造企业加大投入，尽早实现其在矿山的商业运行。

4 前景展望

矿井提升机应坚持目标及问题导向，以开发智能矿井提升机为目标。节能环保、无人化和智能化是矿井提升机发展的趋势。

(1) 节能环保 提升机必须以节能环保为主要发展方向。永磁电动机传动矿井提升机由于其显著的节能特点会得到快速发展，国内在此方面也已取得了重大进展，未来 1 MW 以上功率的永磁直驱提升机是研究的重点。

(2) 智能控制 为响应国家智慧矿山、智能煤矿建设的相关要求及满足矿山企业发展的需求，负载自适应、力矩自调整、柔性无冲击、无人值守智能矿井提升机是提升机行业的发展趋势。提升机自动化及信息化技术需要结合当前快速发展的人工智能、大数据、云计算等新技术，通过信息网络技术的应用，使得提升机产品功能设计、制造、运行和管理等向信息化、智能化方向发展。

(3) 智能运维 构建基于物联网的提升机大数据远程运维监控云平台，改变“一机一平台”的信息孤岛状况。对矿井提升机进行实时数据采集和信息传输，结合工业互联网平台实现矿井提升机远程维护服务，实现提升机生产企业、矿山用户和管理部门信息的实时共享。

(4) 超深井用大型提升机 随着我国矿山向大型化、高产化方向快速发展，开采深度在 1 200 m 以上的矿井越来越多，超深井用大型提升机已成为我国矿山企业重点关注的方向。

5 结语

电力电子技术、电动机技术和物联网技术的快速发展为矿井提升机技术的发展提供了技术基础，如永磁电动机传动采用了永磁电动机制造技术，新型电液制动利用了伺服直线电动机技术，无人值守则依托智能传感器及物联网技术，无绳提升机则依靠同步直线电动机及智能控制技术。矿井提升机已经由一个集机械、液压和电气复合的技术装备发展为集高端电动机技术、电力电子技术、互联网无线通信技术和计算机信息技术的高科技产品。永磁电动机传动提升机、新型电液制动提升机、无人值守提升机、无绳提升机也会得到进一步的发展与应用，柔性、自适应智能矿井提升机已见雏形，提升机新技术会迭代更新，迎来前所未有的发展新时代。