导读
针对矿山提升机设备的安全性要求越来越高，开发了一种新型矿井提升辅助传动系统。该系统可在供电或主传动系统发生故障时，通过变频电动机驱动齿轮传动，带动卷筒在设定的速度下进行提升操作；并通过选型和强度计算，使整个辅助传动系统安全可靠，为矿井人员的救援提供了一种新型有效的方法。
近年来，随着国内矿山开采大型化、成套化的发展趋势加强，对提升机设备的需求也日益增多，特别是多绳摩擦提升的应用越来越广泛。由于提升设备在矿山生产中所占地位十分重要，其运转的安全性不仅直接影响整个矿井的生产，而且还涉及人员的生命安全。因此，提升机的安全运行及后备安全保护系统显得尤为重要。
笔者所研究的辅助传动系统是在提升设备出现矿井供电故障、电动机或传动系统故障等极端工况后的一种安全保护装置。利用在主传动系统中扩展电控、加装变频电动机、大齿圈、小齿轮轴及传动箱等装置，可在发生故障时用于矿井人员的救援。
1 辅助传动系统原理及功能
1.1 原理
辅助提升系统仅用于紧急情况下的提升，主要在供电故障或主系统故障的情况下救援提升困在罐笼或井底人员，所以机械传动、控制系统设计尽可能简单。
由于存在供电故障可能，辅助传动系统需配备一个外部紧急电源，其机械传动部分原理如图1所示。
1.大齿圈 2.变频电动机 3.变速箱 4.基础底座
2.5.小齿轮轴 6.主轴装置
图1 辅助传动系统原理
图1中，大齿圈通过高强度螺栓把合到主轴装置制动盘的联接板上；交流变频电动机通过联轴器与变速箱联接或直接在变速箱上预装交流变频电动机；变速箱安装在基础底座上，并且能够在底座上沿轴向移动；变速箱输出端与小齿轮轴联接或者直接在变速箱输出轴上加工配合齿轮。正常工作时，齿轮轴与大齿圈通过在底座上的滑动，使其脱开；当出现紧急工况时，将变速箱沿底座轴向移动，使齿轮轴与大齿圈良好啮合，通过变频电动机驱动，使主机按设计提升参数运行。
1.2 功能
辅助传动系统对安装空间要求较小，一般卷筒直径φ3.5m及其以上规格摩擦式提升机在现有基础即可加装；也可在订货时直接配套使用，减小改造时安装难度。由于正常工作时，小齿轮与大齿圈处于脱开状态，辅助传动系统不参与正常提升运行工况，故对正常运行安全无影响。目前该系统在淮南矿业已经有应用实例，如图2所示。
图2 辅助传动系统现场应用实例
提升系统正常工作时，常规电源给整个电控系统供电，控制主传动驱动提升机正常运转。若全矿突然出现供电故障或主传动系统损坏等导致提升机停止运行的事故时，提升系统安全制动，提升机停止运行。此时提升容器存在被卡在井筒中间的可能，倘若为提人的罐笼，则相当危险[4]。在这种情况下，可以借助辅助传动系统按照设定的参数运行，将困在井筒中的罐笼内人员提升到井口。同时，如果供电系统故障或者短期内无法排除，该系统还能往复运行，也可将被困井底的人员缓慢提升至井口。
辅助传动系统运行步骤如下：启动后备电源，其正常工作后，供电切换到后备电源；后备电源通过低压配电柜给部分系统供电，如计算机柜、操作台、液压站、位置开关、编码器等，主传动柜、润滑站等则不予供电；通过操作台进行应急开车操作，使提升机工作处于应急工作方式；启动液压站，选方向，推闸手柄、速度控制手柄，应急变频器驱动变频电动机，带动卷筒按照系统设定参数安全运行。
2 选型计算方法
2.1 选型计算
以JKM(D)-4×4型摩擦式提升机为例，对辅助传动系统的主要部件选型计算方法进行介绍，其主要技术参数如表1所列。
2.1.1 系统驱动电动机
(1)系统总转动惯量
(2)动量矩定理
因ω=v/R，dv/dt=a，于是卷筒转矩
(3)电动机功率
式中：n为主机卷筒转速，r/min；K为实际使用系数，取K=1.3；η为功率传递系数，取η=0.9。
根据计算结果初步选择变频电动机参数为：功率，75kW；电压，V；电流，A；转速，r/min。
2.1.2 齿轮传动速比和减速器速比
(1)主机卷筒转速。辅助最大提升速度为1m/s，则主轴卷筒的最大转速
(2)齿轮传动速比。假定传动齿轮模数m=20，小齿轮轴齿数为17个，大齿圈齿数为个，此级传动比
(3)减速器速比
可根据减速器减速比31.64，选择减速器名义速比、输出转矩及输入最大转速等参数，并对这些参数进行校核。
2.2 齿轮传动强度校核
齿轮传动为该辅助提升系统的核心部件，其强度性能的优劣直接影响整个辅助传动系统功能的安全可靠性。传动齿轮材料采用40CrMnMo，模数m=20，小齿轮齿数为17个，大齿圈齿数为个。
除对齿轮进行常规的强度计算外，利用有限元软件对其进行强度分析。齿轮传动应力分布和齿面应力分布分别如图3、4所示。由计算结果可知小齿轮轴齿部最大综合应力为37.8MPa，大齿圈齿部最综合大应力为46.3MPa，其齿轮设计强度完全能够满足使用要求。
图3 齿轮传动应力
图4 齿面应力分布
3 电控系统
提升设备机房的低压两回路V电源为：一路正常工作电源直接引自矿井工业场地10kV变电所V低压母线；另一路V电源引自现场的后备电源。后备电源容量假定为80kV·A，故障后手动切换。此外，辅助提升系统应具有一个硬接线地安全连锁回路(辅助回路)，这个回路需要的保护功能有：过卷、过速、机房所有急停开关、井筒外所有急停开关、辅助提升控制急停开关、辅助提升限位开关、辅助提升断路器监控等。电控系统控制原理如图5所示。
图5 电控系统控制原理
当矿井出现故障时，通过操作台进行应急开车操作，使提升机在应急工作方式下工作；启动液压站，选方向，推闸手柄、速度控制手柄，应急变频器驱动变频电动机带动卷筒，通过设置变频器参数将提升最大速度控制在≤1m/s，最大提升加减速度≤0.1m/s2范围内安全运行。
4 结语
设计开发的辅助传动系统在提高提升系统运行安全与后备保护功能完善方面有着重要意义。该装置结构简单，工作可靠。提升系统正常工作时，辅助传功系统与主传动脱开，并且不参与主控系统。当发生供电、电动机或主传动故障时，能够迅速切换到辅助传动保护模式，为矿井人员提供一种可靠有效的救援方式。
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