矿山机械论文范文

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篇1

一、煤炭在我国能源结构中的重要作用

煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。我国煤炭资源丰富，煤炭资源分布面积约60多万平方公里，占国土面积的6%。根据第三次全国煤炭资源预测与评价，全国煤炭资源总量5.57万亿吨，煤炭资源潜力巨大，煤炭资源总量居世界第一。已查明资源中精查资源量仅占25%，详查资源仅占17%。探明储量达到10202亿吨。其中可开采储量1891亿吨，占18%，人均占有量仅145吨，低于世界平均水平。国务院制订的《能源中长期发展规划纲要（2004-2020）》（草案）指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略”。鉴于我国“多煤、贫油、少气（天然气）”的特点，在今后一段相当长的时间内，能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占70%左右。2004年煤炭占我国一次能源生产的70%以上，在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用。

根据我国全面建设小康社会的需求，煤炭消费的趋势将有明显上升。在煤炭消费用户的构成中，电力、冶金、建材、化工4个行业煤炭消费量占煤炭消费总量从1990年的50%提高到2004年的84%，其中电力占51.8%，冶金11.64%，年占27%提高到2004年的51%，将近增长一倍。

二、我国煤炭工业发展现状

进入21世纪，我国煤炭工业快速发展，2000年全国产煤9.9亿吨，2001年产煤11.04亿吨，2002年13.8亿吨，2003年16.67亿吨。2004年全国产煤19.56亿吨，占全国一次性能源生产总量的74.3%，当年煤炭销售量为18.91亿吨，占全国一次性能源消费总量的65%，生产力水平显著提高，产业结构调整取得重大进展。一些企业开始跨地区、跨行业的产业联合，煤、电、化、路、港、航产业链开始形成，形成了一批在国内领先、在国际上具有一定竞争力的大集团，如神华集团、山西焦煤集团、兖州矿业集团等。我国煤炭产量急剧上升，得到了全世界的关注。

煤炭是我国能源安全的基石。煤炭工业是我国重要的基础产业，我国的煤炭产量已是世界第一位，是煤炭生产大国，现在我国煤炭工业已具备了设计、施工、装备及管理千万吨露天煤矿和大中型矿井的能力。现代化综采设备、综掘设备和大型高效露天剥、采、运、支成套设备在大中型煤矿大量使用。同时，我国煤炭开采技术装备总体水平低，煤炭生产技术装备是机械化、部分机械化和手工作业并存的多层次结构。技术和装备水平低。全国煤矿非机械化采煤60%。大中型国有重点煤矿装备水平较先进，但设备老化程度较大；小型矿井生产技术装备水平极低，煤矿生产工艺落后，作业人员过多、效率低。保障煤炭供应是国家加强煤炭工业宏观调控的重点之一，挖掘煤炭生产潜力，加快大型煤炭基地建设，是重要措施。为此，只有大幅提高大中型煤矿产量，才能在保障煤炭稳定供应的前提条件下，遏制小煤矿发展和淘汰小煤矿，完成煤炭生产结构优化调整。1998年12月以来，国家对煤炭产业结构进行了重大调整，关闭了五万多处小煤矿，淘汰了一批落后的生产能力，通过宏观调控，煤炭生产形势好转，供求关系趋于平衡。目前我国煤炭生产企业2.5万多家，其中规模以上的企业约占60%左右，2005年计划关闭2000多家小煤矿。

三、我国煤炭工业存在的问题和与国际先进产煤国家的差距

1、我国煤炭企业规模小、产业集中度低我国煤炭企业的突出特点是，规模小、效率低、安全状况不好，产业集中度低。据煤炭行业统计数据分析，2002年国有重点煤矿占52%，国有地方煤矿占18%，乡镇煤矿占30%。按井型划分，大型矿井占32%，中型矿井占18%，小型矿井（含乡镇煤矿）占48%。2004年，全国约有煤矿2.5万处，95%以上的小煤矿，矿井年产能力不足3万吨的矿井约占40%，煤炭产业的集中度只有15%，远远低于世界主要产煤国家的水平。国际先进的产煤国家，煤炭产业规模集中化，世界排名前10名的大公司，依靠核心竞争力，做强做大，提高了全球煤炭产业的集中化程度。2003年10大煤炭公司的煤炭产量约占全球产量的18.81%，有5家公司的煤炭产量超过1亿吨，其中排名第一的皮博迪公司达到1.83亿吨，力拓公司达到1.43亿吨，美国前4家企业的煤炭产量占本国煤炭总量的46.9%。

2、我国煤炭装备落后，机械化、自动化程度低、缺少大型成套设备.我国煤矿生产基础薄弱、国有煤矿连续紧张生产的矿井占总数的近50%，矿井主要生产设备严重老化，超期服役的占30-40%，部分乡镇煤矿设备简陋、生产条件差，有的根本没有机械设备，仅为人工开采，不符合有关煤炭法规要求，当前我国资源破坏和浪费严重。部分煤炭企业存在着“采厚弃薄”、“吃肥丢瘦”等浪费资源现象，全国煤矿平均资源回收率为30-35%左右，资源富集地区的小型矿井资源会回收率只有10-15%。据煤炭行业统计数据分析，2002年我国国有重点煤矿采煤机械化程度为77.78%，综合采煤机械化为62.98%，掘进机械化程度为81.15%，综合掘井机械化程度为15.03%，地方国有煤矿机械化程度更低。当前全国采煤机械化程度仅为42%，除国有大中型煤矿采掘机械化程度达到75%之外，大多数煤矿生产技术水平低，装备差、效率低。特别是乡镇煤矿，基本上是非机械化开采。2004年乡镇煤矿产量占我国煤炭总产量的39%。对不适宜用放顶采煤的5.5米以上煤层，要采用一次采全高是最合理有效的采煤方法，但目前国内没有相适应的高产高效的综采成套设备。而国外美国久益（JOY）公司、德国德伯特（DBT）公司和德国艾克夫（Eickhoff）公司，都具有成熟的高煤层一次采全高的高产、高效综采成套设备。神华集团引进的成套设备年产突破1085万吨，工作面长度突破300米，最长的工作面已超过400米，工作面总装机功率已超过5000kw。而国际先进的产煤国家，煤炭生产呈现出大功率重型化、自动化、集约化、按照环保的特点。国外先进的采煤设备向大功率、重型化发展，设备储备系数大、运行可靠性高。DBT（德国德伯特）、JOY（美国久谊）和Eickhoof（德国艾克夫）等采矿设备公司都制造出具有自动化功能的产品。美国联邦2号矿在工作面实现了跟机自动移架。澳大利亚Batana煤矿实现了自动割煤和跟机自动移架。特别是信息技术在煤矿生产中得到广泛应用，先进煤矿广泛采集工作面设备运行参数和环境安全检测信息，在工作面集中显现并通过以太网传输到地面计算机，实现远程运输和故障诊断。运输系统、供电系统和通风系统均无人值守。实行集中远程操作、视频监视，辅助有专人巡视。井巷布置集约化，生产系统和环节少、实现了生产高度集中。通常是一矿、一井、一面生产。有些先进的长壁工作面每班只需6人，其中采煤机司机2人，维修工1人，机头集中操作工1人，另外2人替换休息。高度重视工作环境的改善和人体安全防护。实现计算机监测安全信息，监测探头遍布整个矿井。液压支架具有跟机自动喷雾和移架自动喷雾功能；采煤机上方安装导风板，减少煤尘进入人行空间。采煤机运行的下风侧几乎无人作业。

3、煤矿安全生产事故多我国煤矿安全生产方面，重大瓦斯事故多发，煤矿事故的总死亡人数达到了高峰，2004年我国生产约20亿吨煤，事故死亡约六千人，这几年煤炭产量大幅度增长，煤矿百万吨死亡率还是下降的。由1994年的5.59人下降到2004年3.08人，美国生产约10亿吨煤死27-31人，百万吨死亡率约为0.039；波兰百万吨死亡率为0.09；南非百万吨死亡率为0.13；俄罗斯百万吨死亡率为0.34。我国百万吨死亡率是美国的约100倍，俄罗斯的约10倍，印度的约12倍，大大超过煤炭先进生产国家。据有关专家讲，矿井安全检测仪表，安全设备均在设计中作了考虑，多数事故都是矿井管理问题，真正因设备问题而发生事故较少。先进产煤国家依靠大型、强力综采技术装备已经完成从普通综采机械化向矿井高效集约化和自动化生产的过渡。高产高效煤矿的建设不仅提高煤炭生产效率，实现煤矿集约化生产，并为煤矿生产过程中的安全监测、监控创造条件，从而有效的预防和控制煤矿安全生产事故。先进产煤国家安全生产上十分重视，不仅有健全的安全生产法规体系，还有严细的生产安全措施，严格的煤矿生产准入制度，而且实现了计算机监测安全信息，监测探头遍布整个矿井，保证了安全生产。

四、煤炭工业发展对矿山机械设备的需求

1、我国煤炭工业发展趋势

据煤炭行业发展规划相关内容，“十一五”期间，我国将新建煤矿3亿吨左右，其中投产2亿吨。国家将在“十一五”期间，对煤炭行业的工业结构进行调整，大力整合、改造、关闭小煤矿，同时适度加快大型煤炭基地的建设，开工一批现代化大型煤矿、置换落后的生产能力。“十一五”期间煤炭行业现代企业制度要进一步得到完善，大型煤炭企业集团基本形成，到2010年要形成5-6个亿吨级生产能力的特大型企业集团，5-6个5000万吨级生产能力的大型企业，产量将占全国煤炭总产量的60%左右。通过新建和老矿井技术改造，全国将建成300处高产高效矿井，高产高效的矿井产量将占全国总产量的50%左右。“十一五”期间，国家将建设神东、晋北、晋东、蒙东（东北）、云贵、河南、鲁西、晋中、两淮、黄陇（华亭）、翼中、宁东、陕北等13个大型煤炭基地，这些基地的储量，占全国储量的70%以上，作为煤炭供应规划和建设的核心。初步预测全国煤炭需求量：2010年为25-27亿吨、2020年为30-32亿吨，均占能源需求量的60%以上。据相关部分统计，2004年国有重点煤矿原煤产量9.22亿吨，超过其核定生产能力50%以上，煤炭生产能力严重不足。经测算，到2020年，新建和在建的国有煤矿的生产能力约为7.1亿吨。如果届时中国小煤矿的产量仍保持目前的6亿吨，按需求预测的高端方案，未来20年中国需新增煤矿产能17亿吨，年均8500万吨；按需求预测的低端方案，未来20年中国需新增煤矿产能13亿吨，年均6500万吨。2、对矿山机械设备的需求

“十一五”期间，煤炭工业的生产技术水平将明显提高。国家将建成140个高效安全现代化矿井，国家将加大对煤矿建设项目的支持力度，已先后有17个煤炭建设项目，由国家开发银行出具贷款承诺，还将100多个高档普采工作面升为综采工作面，100多个普采工作面升为高档普采工作面。这样，中国大型煤矿采掘机械化程度将达到95%。中型煤矿的机械化程度将达到80%以上；大型煤矿国内先进水平装备率达到20%，国际先进水平装备率达到6%，中型煤矿国内先进水平装备率达到10%，小型煤矿机械化、半机械化程度达30%以上。据此分析，煤炭需求的急剧增长，上述煤矿采掘机械化指标还会有所突破，这为煤矿装备的发展提供了广阔的市场前景。

（1）井下综采重点设备

我国煤炭开采90%以上的井工开采的，井工开采占煤炭开采的主导地位。为迅速提高我国综合装备水平，要以科学发展观为指导，采取跨越式发展模式。在“十一五”期间应以日产2.5-3万吨（年产1000万吨左右）的综采成套设备国产化为突破口，全国实现综采成套设备国产化，推动我国矿山机械工业的发展。

预计从2004年到2020年，每年新增综采工作面成套设备为30套、普采工作面成套设备50套，每年设备更新量约为现有的基数的六分之一。粗略估算，2010年采煤成套设备年需求量将达到500台套左右。高产高效综采技术的核心是井下工作面综合机械化采煤输送设备，主要有采煤机、刮板输送机、液压支架和带式输送机。急需开发研究的电牵引采煤机：装机总功率为2000kw左右，供电电压为3.3KV、采高范围为5-6m，生产能力达3000t/h左右。

重型刮板输送机：输送能力3000-5000t/h，铺设长度250-400m，链速1.4m/s，装机功率3×700或2×1000kw，供电电压为3.3KV。

液压支架：最大工作阻力12000KN，立柱最大缸径ф480mm，支护高度6m，架间距1.75-2m，支架降移升时间8-12s，采用电液控制系统。

大型带式输送机：装机功率1500-4000KN，电压3.3KV，带宽≥1.4m，带速≥5m/s，运量≥5000t/h，距离50000m以上，托辊寿命5万小时以上，减速器寿命7万小时以上。

（2）井下综掘设备

我国目前综掘机械化程度比较低，仅为12.81%，远远跟不上综采机械化的发展，其中掘进机虽有较大的发展，但整体技术水平仍比国际先进水平有较大差距。

需研究开发先进的掘进机：其截割功率300kw以上，截割断面最大可达42m2，经济截割硬度达f12，可靠性要求，齿轮寿命在20000h以上，轴承寿命在30000h以上，力争整机掘进10000米无故障。

同时要结合我国国情和煤矿实际工矿，开发研制集切割、装运、行走、锚杆支护、机载、除尘等功能为一体的掘锚联合装备机组，可大大提高掘进速度。

（3）全自动刨媒设备

我国薄煤层储量约占总储量的21%左右，但是由于煤层薄，作业空间小，工作条件恶劣，薄煤层高产高效开采技术一直是我国煤炭工业研究探讨的重要难题。刨煤机作为一种“浅截深、多循环”的采煤设备，是实现薄煤层高产高效的有效途径。提高薄煤层机械化水平加快薄煤层资源的开采进度，不仅可以充分利用有限的资源，提高矿井整体生产能力，同时，也有利于保障煤矿的安全生产。开发研制大功能、高强度、高效率、紧凑型的全自动刨煤成套设备势在必行。全自动刨煤成套设备（采高0.6-1.8m），主要包括刨煤机、配套刮板输送机、薄煤层液压支架、顺槽转载机、破碎机等产品。我国目前主要从德国DBT进口主机——刨煤机及配套刮板输送机，由北京煤炭机械厂配套薄煤层液压支架，张家口煤矿机械有限公司配套转载机和破碎机。到目前已进口六套（铁法2套、晋城、西山、阳泉、大同各1套）。开发研制的全自动刨煤成套设备：其生产能力1000吨/小时，铺设长度250-300米，适应煤层厚度0.8-2米，适应煤质硬度F≤3.5，适应煤层倾角≤25度，功率2×400kw（刨头部分）、刨煤方式为双速混合式，上行速度0.88米，下行速度1.76米，刨深≤120毫米，上行90毫米，下行30毫米、下链牵引，牵引链38毫米D级，刨煤机采用智能控制系统，能自动监视故障性质和位置。

（4）矿井提升设备

目前我国约90%的原煤是靠井工开采的，矿井提升设备是井工开采的咽喉设备，它不仅关系到矿井的产煤量，而且直接影响到人身和整个矿井的安全。我国煤炭产量到2020年将达20-32亿吨，估计每年需新增大型、特大型矿井提升机约30台套，考虑到更新改造，综合估算在“十一五”期间平均年需各类提升机150-180台套，其中大型和特大型约占20%，中小型约占80%，每年新增提升机产值5.4亿元左右。开发研制适用于年产1000万吨的特大型矿井提升设备，其规格为6×4、7×4多绳提升机、最大拖动功率单机为6000KW、双机为2×4000KW、最大提升速度14×16米/秒，整机使用寿命为25年。

采用恒力矩、恒减速液压控制系统：采用计算机数字控制自动化运行，提升速度及容器位置的监控全由电气自动检测、反馈、调整。实现提升机的全自动化监控运行。

（5）露天矿井开采成套设备

露天开采占我国煤炭总开采量的10%左右。露天开采与井工开采相比具有煤炭资源利用率高，开采成本低，作业现场和工作人员更加安全等优点。所以，发展露天开采更有其井工开采无法相比的作用和意义。大型露天矿设备从设计、制造到使用的技术性强，世界各国都争相把最先进的技术成果用在大型露天矿设备上，因此发展大型露天矿设备可以带动机械、电气、液压、信息等行业的发展，推动和促进我国民族工业的发展。当前世界露天矿开采特点是：高度集中化开采与集约化经营；开采工艺的多样化；企业管理的计算机化与智能矿山；合理充分利用资源，重建生态环境保持可持续发展等几个方面。在我国大型煤炭基地建设总体规划方案中，神东、晋北、蒙东（东北）、云贵、黄陇（华亭）、陕西等基地都建有大型露天煤矿，仅霍林河、伊敏河、胜利、平朔哈尔乌苏2000万t采选项目中16-45m3矿用挖掘机市场需求量就可达30-50亿元；哈尔乌、武家塔、马家塔采选项目等需大型拉铲15-20亿元，又比如对半连续开采工艺设备仅蒙东要建7个5000万t级煤炭基地，建设一批保证胜利一二三号、百音花、伊敏河、宝日希勒一号和二号等超过千瓦吨级大型露天煤矿，加上神府、哈尔乌苏和原有五大露天煤矿的改建及二、三期扩建，移动式、半移动式破碎站需求量在40-60台（套）之间，要求移动式（半移动式）破碎站的生产能力达到每小时2000-4000吨（碎煤），最高达到每小时6000吨（碎岩）。在上述煤矿建设中对矿用卡车的需求量，估计，“十一五”期间需100t级矿用车在250辆左右。当前需要开发研制斗容28m3、45m3的大型机械式正铲，斗容70m3、90m3、100m3臂长约为100m的大型拉铲，降低电能消耗17%，减少机械零部件应力载荷约30%，提高零部件使用寿命，使平均无故障时间达到国际先进水平。开发研制斗轮挖掘机，争取与国外合作制造3600m3大型斗轮挖掘机，达到国际先进水平。开发研制移动式、半移动式大型破碎站，其生产能力4000-6000-8000t/h，破碎物料强度≤150Mpa，给料粒度1500×1500×1500-2500×2500×2500mm，排料粒度≤350mm，立机形式新型双齿辊破碎机（中心距1500-1800mm，辊长2500-4000mm，功率2×300-2×500KW）。开发研制带宽2m的大型带式输送机，功率3×1400KW，运输量12000t/h，半固定式单机长8820m，移置式单机长5270m，在-45℃低温下能正常运行。争取与国外合作，开发研制载重170-360t的大型电动轮自卸车，并达到国际同类产品的先进水平。

（6）煤炭洗选加工设备煤炭清洁洗选加工技术是资源综合利用的基础，是提高煤炭热效率的有效途径，也是保障国民经济可持续发展和环境保护的需要，煤炭洗选加工业在政策扶持、科技进步、市场拉动、投资增加和环保要求的推动下，呈现出快速发展、总体推进、扩量提质、增效降污的可喜局面，原煤入洗比例不断提高。到2004年末，全国共有年入洗3万吨及以上的选煤厂2000余座，设计能力7.5亿吨以上，原煤入洗量为5亿吨左右。2005年，全国原煤入洗能力将突破8亿吨，入洗量将达到6亿吨，入洗比例达40%，根据煤炭工业规划，到2010年原煤入洗率达50%，原煤入洗量提高到11亿吨，炼焦煤全部入洗，动力煤入洗率达到40%以上。据此计算，每年将新增8000-10000万吨原煤入洗，按400万吨规模洗选煤厂计算，每年将新增25座大型洗选煤厂，加上现有洗选煤厂的技术改造每年约需洗选煤设备250套左右，洗选煤设备的发展潜力很大。为适应煤洗选加工的要求，应开发研制单机处理能力为1000-2000m3/h的新型浮选机，其主要参数能够实现自动控制。开发研制筛子面积≥28m3的高可靠性大型直线振动筛。开发研制入料粒度25-400mm、处理能力为300-400T/h的高效液压动筛淘汰机。开发研制筛篮直径≥1.4米，处理能力≥300T/h的大型卧式振动离心脱水机和400m2高效精煤压滤机、处理能力≥35T/h的沉降式离心脱水机等高效脱水设备。开发研究并解决300-400万吨/年的大型选煤厂的集中控制和智能化管理技术与装备，实现选煤的全过程的主要工艺参数，煤炭灰分、水分、发热量、悬浮液密度、入料浓度、流量、旋流器入口压力、跳汰机床层厚度、松散度、浮选加药量、耙工浓缩机溢流水的浊度、皮带输送机的煤流量等指标的在线检测、实现跳淘机、浮选机、重介旋流器、压滤机等主要分选设备单机自动化控制系统和选煤厂全厂的综合自动化控制系统。

篇2

【关键词】矿山机械;情感化设计;研究与应用

一、概述

1.1情感化设计的含义

根据本文总结，得出情感化设计的大概含义。本文认为情感化设计是一种人性化的设计，其改变了传统的器械设计过程中只关注产品实用性的特点，将着眼点放于产品外形特征对于使用者的情感慰藉方面的作用，通过对产品外观的设计，使得使用者对器械进行更加有效的使用。

1.2对实现矿山机械情感化的作用的研究

本文认为，实现矿山机械情感化设计的作用表现在两个方面。首先是对于矿山作业者工作效率的影响。前文也有所提及，矿山作业相较于其他的工作来说其工作量是较为巨大的，因此，在矿山工作者工作时易产生疲劳的情绪，对工作提不起精神。而这时情感化设计就可以起到一定的作用，通过对颜色、外形等方面的改造，使得矿山工作者在进行机械使用时更具有精力。第二个影响即是对于安全性的影响。结合以往的对于矿山安全事故的报道可以得知，矿山作业的安全性虽然在近年得到了很大的提升，但是仍然具有一定的危险性，尤其是在警示不够且操作者疲乏的时候，更容易发生安全事故。情感化设计可以通过机械外形的刺激使得使用者具有警觉，从而减少事故的发生。

二、矿山机械情感化的实际应用

1、机械色彩应当保持明亮。在矿山机械的使用过程中，其外形对人产生最直接的冲击作用的就是机械的色彩。本文认为，在进行矿山机械设计的过程中，为了突出情感化设计的特点，其色彩应当从这两个方面加以注意。首先是从对使用者精神和视觉神经的刺激方面出发。据实验表明，深沉灰暗的色彩更容易使人出现疲乏的现象，而明亮的色彩可以振奋人的精神，因此，在进行矿山机械设计的时候，应当采用红、橙等明亮的颜色。但是，颜色整体应当趋于简单，不应当制造色彩斑斓的外形，尤其是仪表盘的应当尽量简单，以防使用者因为眼花缭乱而产生操作失误的现象。另一个方面是对于安全警示方面的作用。其实为了刺激人的视觉而选择的明亮色彩同时也具有个人提供警示的作用，但是本文认为，除了整体的颜色之外，为了机械操作的安全，机械上的关注部位应当用重点色彩进行标记，使得机械的使用者对其进行高度的关注，减少事故的发生。2、机械外形应当稳重可靠。除了矿山机械的色彩之外，其外形同样能给使用者起到心理暗示的作用。在我们传统的认知当中，普遍认为棱角分明的结构较之弯弯曲曲的结构更加具有安全感。而矿山机械由于其作业地点的特殊性以及其工作人员心理的特殊性，对其外表的稳重程度的要求比其他机械更高。因此，根据对矿山机械使用者情感的分析得出，其希望在较为不稳定工作环境中寻找一个稳定的依靠，因此，矿山机械的设计应当较多地利用直角和直线，以突出其稳定感。但是，从另一个方面而言，棱角分明的机械虽然看起来稳固可靠，但是也给人一种重机械的压抑感，影响矿山工作者的工作热情，因此，在进行矿山机械设计的时候，应当做到在保障整体结构的稳定可靠性的基础上融入较为柔和的线条，减缓重型机械给人心理带来的压抑感和严肃感。3、机械的操作应当具有规整性。至于矿山机械操作的规整性，可能是一个较为难于理解的概念。本文想突出的是，在矿山机械的操作过程中，其作用的效果应当具有一定的规律。例如，在运用挖煤机器的时候，挖煤机器挖出的煤最好是具有统一的大小和形状，这样的机械工作，不仅可以使得工作者心理因为煤块的整齐而感到舒心而且可以生出一种对这种机械操作的成就感。因此，要想实现矿山机械的情感化设计不仅需要对其外形进行改造，使其的作业方式变得更规整也是对增进工作者的工作效率具有重大影响的举措之一。

总的来说，要想实现矿山机械情感化设计的成功应用，就应把握住矿山工作则在工作的时候与其他工作者心理的不同，再通过研究，将能对其心理产生积极影响的元素融入到矿山机械的设计中去，以实现更安全高效的矿山工作。

作者:孔德博 张莉婷 单位:1.五矿邯邢矿业邯郸地质勘查有限公司 2.五矿邯邢矿业邯郸中冶建设有限公司

参考文献

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篇3

关键词：4象限运行 DTC控制技术 整流和逆变 无功功率 谐波

Application of Variable Frequency Control in the Mine Incline Hoist

Zhang Ansheng

Abstract: The paper describes the superior performance of variable-frequency control , quite fit for the mine hoist driving system in respect of speed control characteristics and special stroke control property. For the 4-quadrant operation required by hoist position load , DTC frequency converter is selected, as can not only perform 4-quadrant operation , but also offer high power factor without characteristic harmonic in spite of higher cost for the frequency converter .It can save the cost for dynamic reactive compensator and filter, and less space is required for the whole system.

Keywords: 4-quadrant operation DTC control technology rectification and reverse conversion reative power harmonic

1 引言

矿井提升机是有色金属矿山生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。提升机属于往复运动的生产机械。它的运行方式是反复的启动加速—等速—加速—匀速—减速—爬行—停车，是典型的位势负载。在选择提升机的拖动装置时，应满足提升机对电控系统的一些要求。

1）满足4象限运行。

2）调速平滑，调速精度高。

3）要设置准确可靠的速度给定装置。

4）设置行程显示和行程控制器。

5）完善的故障监视装置。

6）可靠的闸控装置。

根据提升机对电控系统的要求，提升机的电气传动方案现在大约有：绕线式异步电动机转子回路串金属电阻调速、可控硅直流调速、变频调速。

绕线式异步电动机转子回路串金属电阻调速：普遍采用交流绕线式电动机串金属电阻调速系统，金属电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行一段时间后，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子电路上所串的金属电阻将消耗相当大的能量。这种交流绕线式电动机串金属电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；金属电阻上消耗的转差功率大，节能较差；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。

可控硅直流调速：直流电机的调速性能良好，调速方法简便、调速范围宽广平滑。可控硅直流调速在低速时功率因数很低，产生谐波对供电电网有影响。由于可控硅整流电路交流侧电流波形为方块形波形，它由与电源频率相同的基波及5，7，11，13等次的高次偕波电流组成；还由于换相时两相电压的瞬时短路造成交流电压波形的缺口，它使电压具有高频的分量；因此整流电路可以被看成是一个高次谐波电源。高次谐波电流在供电电网上会造成谐波压降，引起电网电压波形的畸变，它将影响供电电网向其它设备的供电。

变频调速：随着变频的控制技术的日益成熟和变频功率元件的加大，变频调速已广泛的应用于工业领域。变频调速节能特点显著，调试方便。

现将变频调速在矿井提升上的应用及其功能、特性、控制方式介绍如下。

2 应用事例 2.1 系统构成

提升机电控系统分为以下几部分：电源柜、变频器、PLC控制台、操作控制台和各种传感器等几部分组成。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1.1 电源柜

电源柜主要通过断路器向变频器、提升电动机供电，同时为PLC控制台、操作控制台提供工作电源。 本提升机系统采用PLC进行控制，PLC监视运行状况，当系统出现故障时，捕捉到第一故障信号,并在操作台的触摸屏上有醒目的故障显示，提醒维修人员对其进行针对性维护，将维护时间大大缩短，为尽快恢复生产提供了有力保障。

2.1.3 变频器设备的选型

该斜井提升机是单卷筒提升机。它采用货物串车重车上行轻（重）车下行、载人上下行的方式。在下行时电动机处于发电状态。上行时处于电动状态。这种拖动系统要求电动机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电动机的转速按一定规律变化。

对于处于发电状态的电动机用变频器驱动可采用2种方式。

1）选用标准的变频器+制动单元+刹车电阻,将再生能量通过电阻发热消耗掉。这种调速方式虽然一次投资较小，但是不能达到良好的节能效果。而且制动单元和制动电阻功率的选择要根据制动容量来选择。制动电阻还要占用本来就很狭小的坑内硐室面积。制动电阻的散热问题较难解决。所以在方案论证时就被否定掉了。

2）采用整流/回馈单元,将再生能量通过一整流桥回馈到电网。

这种方式的整流单元有两种电路：一种是以可控硅整流电流做整流/回馈单元。因为是采用的可控硅电路就有谐波产生（上面已经论述的）。

另一种调速方案是采用可调整的整流输入单元（回馈单元，IGBT元件）后经传动单元（正常逆变单元，IG

BT元件）送电给提升电动机。当电动机处于发电状态时将能量通过整流单元回馈到电网。本方案就采用的是这种调速方案。

目前许多国外品牌的变频器都能够实现这一功能。其中水平较高的产品是ABB公司的ACS800多传动系列和西门子公司6SE70带AFE整流/回馈单元的产品。

ABB公司ACS800-17系列先进的变频器，是第一代采用直接转矩控制技术（DTC）的变频器。它能控制提升交流电动机达到完美的极限。经过论证选择了ABB公司的ACS800-17-0390-3全数字交流变频调速装置。它的一些功能在下面叙述。

2.1.4 三体式控制台

控制台上设有自动、手动、检修转换开关，前方操作台上设有液晶触摸屏及各种仪表、信号灯，左侧操作台设有液压站工作闸控制手柄、右侧操作台设有正反向速度给定手柄。

1）在控制台上的液晶触摸屏上采用翻页的方式做有多幅组态界面：监控主界面、闸控液压站界面、后备保护界面、故障查询界面、电源监控界面、变频器运行界面、提升信号状态界面。

2）每个界面上均有返回主界面的按钮，主界面上主要监视矿车的实际运行位置、提升时每个时刻的速度、液压站的运行状况、较严重的故障报警。主界面上还有相应的提升信号显示。

3）闸控液压站界面主要显示液压站的油压、油温、液位、液压站的电动机工作状态、液压工作闸指示、油压力等。

4）后备保护界面主要显示：深度指示器监视、松绳保护、冷却风机、电机温度保护、减速器温度保护、减速点保护、减速点失效保护、上2 m开关故障、下2 m开关故障、上同步开关故障、下同步开关故障、上过卷、下过卷、上减速开关故障、下减速开关故障、错向保护、减速过速、等速过速、一级制动、二级制动、电流过载等。

5）故障查询界面主要用于对各种故障情况进行查询、追忆，便于对设备的维护和管理。

6）电源监控界面主要显示系统的电源原理图及主回路电流和电压。

7）变频器运行界面可以显示变频器运行时的各种参数：散热器的温度、电流、频率、转矩及各种故障。

2.2 电动机的工作过程

提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动加速、稳定运行、减速制动停车等3个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定。不论它工作在何种速段，电动机只是处于电动机状态和发电机状态。图2中将6号人车上提和人车下放的各个速段的工作情况说明如下：由于人车是在斜井中运行，可以省去中速运行和低速爬行的2个阶段，因此本系统由7阶段速度图改为3阶段速度图。载人的力图如图3所示。

图2 速度图

2.2.1 人车提升工作状态

1）第1阶段t0～t1：人车初始位置于靠近井下提升中段以上的斜井卷扬道上，待人员上满后，

图3 载人的力图

发一个联络信号给井口PLC，PLC回复一个信号到井底，然后开机加速提升。重车从井下开始上行，变频器拖动交流电动机上行。这时的电动机处于电动状态，变频器输出功率给电动机。在启动的瞬间的力矩较大，随着人车的上升变频器的出力有所减少。 3）第3阶段t2～t3：当重车快到井口时PLC发出减速信号，人车开始减速，变频器减少输出功率，重车的速度逐渐下降，直到速度为零。达到停车位置后，在工作制动闸起作用之前，由于车厢还载有重物，虽然电动机的转速为零，但是变频器依然可以提供满力矩拉住重车。一旦PLC发出机械抱闸信号，在下工作闸的同时，变频器也停止工作。整个提升过程结束。

经过t3～t4：20 s的休止时间间隙开始人车下放工作状态

2.2.2 人车下放工作状态

1）第1阶段t4～t5：重车从井口下放。PLC给变频器输出给定信号，松工作闸，人车下滑。由于此时的工作状态是下行，电动机处于发电状态，变频器处于能量回馈到电网状态。在启动瞬间以后随着人车的下放，重力增加，变频器的能量回馈有所增加。

2）第2阶段t5～t6：重车以最大速度稳定运行，电动机始终处于发电状态，这段过程时间最长。随着人车不断下放，系统重力不断增加，变频器能量回馈随之增加。

3）第3阶段t6～t7：当重车快到停车位置时PLC发出减速信号，人车减速，变频器能量回馈再次增加，重车的速度逐渐下降。直到速度为零。 达到停车位置后，在工作制动闸起作用之前，由于车厢还载有重物，虽然电动机的转速为零，但是变频器依然可以提供满力矩拉住重车。一旦PLC发出机械抱闸信号，在下工作闸的同时，变频器也停止工作。整个提升过程结束。

3 先进的控制方式

本系统采用ABB的ACS800-17变频器是ABB公司先进的变频器，它是第一代采用直接转矩控制技术（DTC）的交流变频器，作为提升专用变频器它还具有特殊的提升功能：特殊的应用程序，包括标准提升机系统的功能；转矩记忆，功率优化，限幅开关监控，机械制动器控制，转矩验证等。

它的功率部分（见图4）有LCL滤波器，供电模块（回馈模块），逆变器（传动单元）组成。

图4 功率部分框图 图5 IGBT供电单元原理图

电机的控制采用直接转矩控制技术（DTC）的方法。为了实现这一功能，需要测量二相电流和中间直流回路的电压。第三相的控制测量用于接地（对地）故障保护。

从提升和下放两个工作状态上看，该系统的运行过程主要分为两个过程：

1）提升电动机在提升过程中始终是电动机拖动人车上行，电动机始终处于电动状态，即变频器始终向电动机提供能量的过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成。如图6所示。其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。

图6 传动单元原理图

2）提升电动机在下放过程中始终是人车拖动电动机下行，电动机始终处于发电状态，即变频器始终向电网回馈能量的过程。该过程主要由整流、回馈逆变 和输出滤波三部分组成。其中该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分。电容的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。

ABB的ACS800多传动采用了先进的直接转矩控制方式（DTC）。

3.1 直接转矩控制

直接转矩控制技术是ABB公司开发研制的。逆变器的通断直接控制电动机关键的变量：磁通和转矩。

传动单元初次启动时自动进入励磁识别模式，传动单元带动电动机运行一段时间后传动单元建立并优化电动机的数学模型。

测量电动机电流和电压作为自适应电动机模型的输入，这个模型每隔25 μs产生一组精确的转矩和磁通的实际值。直接转矩控制的性能就是基于准确的电动机模型。

3.2 零转速满转矩

在电动机获得解除封锁信号后，电动机的速度设定值还未给定时，由于人车的重力作用有一个向下的力。这时变频器虽然没有输出电压但已经有电流输出，它使电动机有一个和重力相反的力矩使人车不下滑。而且可以使电动机输出满转矩。

ABB变频器带动的电动机能够获得在零速时电动机的额定转矩。

3.3 直流励磁

当选择了直流励磁功能后，变频器在启动前可自动给电动机定子绕组加一个直流电流励磁，这个特性保证有足够高的启动转矩，甚至200％的电动机额定转矩。电动机建立磁场的时间可以根据情况进行调整，也可以通过变频器根据电动机的数学模型来决定。在机械抱闸释放的时候已经建立起转矩，以保持电动机不会被重车拖动而发生转动。

3.4 加速/减速斜波 因为矿井提升是需要平稳的、圆滑的、特别是人车还要乘坐的人尽量在无知觉的行进中改变速度。对于矿井提升选用S曲线比较好。

3.5 磁通制动

在电动机制动过程中变频器根据在启动开始获得的电动机数学模型提高电动机的磁场以达到快速制动的目的。

变频器能通过提高电动机的磁场来提供足够快的减速。当增加电动机磁通后，电动机在制动过程中产生的能量能够被转化为电动机的发热能量。变频器持续监视电动机的状态，在磁通制动时也不停止监视。因此，磁通制动也能用于停止电动机和从一个转速变换到另一个转速。从一个转速变换到另一个转速用直流注入制动是不可能实现的。磁通制动与直流注入制动相比还有其它一些优点。

1）在停止命令给出后，制动迅速启动。在直流注入制动中，在停止命令给出后通常有一段时间的延时，制动才能启动。

2）电动机冷却的速率更高。在磁通制动过程中电动机定子的电流增加。在直流注入制动过程中电动机的转子电流增加。定子的散热比转子散热的速度更快。

3.6 磁通优化

ABB变频器的磁通优化减少了总能耗，并且减小了当传动运行在低于额定负载时的电动机噪音。总效率（电动机和传动）能提高1% ~ 10%，大小取决于负载转矩和速度。

4 系统中变频器部分先进功能简述

1）速度监视。本功能用于监测电动机速度：确定电动机零速旋转、在电动机超速时给出跳闸信号。

2）转矩监视。监测电动机在加速和减速时是否能够跟随速度给定，在正常运行和加/减速期间是否产生过度的速度偏差

3）快速停车。可设定不同的停车类型：

①仅带有转矩限制；

②带有转矩限制和机械制动；

③仅带有机械制动。

4）其他还有：转矩验证、功率优化、位置测量等等很多专门用于提升应用的功能,变频器本身具有松绳及过载保护功能。

5 系统的优点

1）软启动软停车。减小了机械冲击, 启动及加速换档时对电网冲击电流很小,使提升系统和电网运行更加稳定可靠. 变频器本身提供的功能使机械制动与电制动有机的结合起来，保证系统的绝对安全。

2）外围控制采用PLC。其与各部传感器,构成闭环控制(也可采用开环控制)，友好的人机界面时时监测系统运行情况,简化了系统构成,减小了人工劳动强度。

3）实现了无级调速。调速范围宽,运行曲线呈S型,使加/减速平滑,无冲击感。

4）安全保护功能齐全。外壳IP54防护等级,变频器除一般过流、直流过压、直流欠压、变频器过温、短路、输入缺相、环境温度、过频、I/O控制板内部故障外, 还具可编程故障保护功能、 AI 5）系统4象限运行。能量直接回馈电网,且不受回馈能量大小的限制,则保证了提升机运行时可频繁的停车,启动及换向，节约大量电能。

6）控制精度高、动态性能好。采用全数字、IGBT逆变器变频单元向负载提供变频电源，使所有控制功能均由参数设定完成。直接转矩控制，可实现高动态性能的转速控制、转矩控制。旋转脉冲编码器的使用，可实现提升机的精确定位。

1 ABB-ACS800硬件手册

2 ABB-ACS800多传动模块手册

3 ABB-ACS800-104逆变器模块硬件手册

4 ABB-ACS800标准应用程序

5 采矿手册(5). 冶金工业出版社

6 洪晓华，陈军. 矿井运输提升.中国矿业大学出版社