一種傳動系統內置式礦井提升機

耿寶光 閆煥景

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030031； 2.山西省平遙減速器有限責任公司，山西 平遙 031100）

本文設計的是一種單繩纏繞式礦井提升機。其電機采用體積小、重量輕、轉動慣量小、動態響應高、能耗低、效率高的永磁同步電動機[1]，充分利用卷筒內部空間，合理設計減速器，提高其傳動效率，減低能耗，使提升機結構布置更合理。

1 傳統單繩纏繞式礦井提升機

1.1 傳統單繩纏繞式礦井提升機存在的問題

目前傳統的礦井提升機絕大多數采用異步電動機，由于其功率因數低，能耗較大，造成電能資源的浪費；而且異步電機啟動電流大，約為額定電流的5～7 倍左右，容易使電網受到沖擊，進而影響其他用電設備[2]。JK 型提升機其聯軸器、減速器、電動機是高速旋轉部件，在運轉過程中存在一定的安全隱患。

減速器選用通用系列減速器，在選型時一般偏大，其傳動效率有待進一步提高。該類型提升機的綜合效率約為70%～80%。

1.2 傳統單繩纏繞式礦井提升機傳動鏈分析

表1 為常用的幾種單繩纏繞式單卷筒礦井提升機傳動鏈長度、主軸裝置長度以及占有的比例（有效利用率）。通過表1 可以得出，傳統的單繩纏繞式礦井提升機在占地面積上的有效利用率在41%～44%。

表1 傳動鏈分析

2 傳動系統內置式提升機

2.1 結構概述

提升機采用傳動系統內置式，在設計中，采用節能環保的設計理念。傳動系統采用永磁同步電動機與行星齒輪減速器直接連接，減速器直接驅動卷筒旋轉，通過卷筒上纏繞的鋼絲繩來實現容器的提升或下降。

圖1 所示為傳動系統內置式提升機的結構示意圖。該提升機結構主要由以下幾部分組成：主軸裝置（包括防爆接線盒2、電機支撐軸6、永磁同步電機8 及行星齒輪減速器10 等）、制動裝置(包括盤式制動器1、液壓系統、電力液壓塊式制動器14等)、卷筒裝置（包括卷筒7、卷筒左支撐3、卷筒右支撐12 等）、卷筒支撐座3、13，安裝座4、15 等。卷筒7 通過卷筒左右支撐和軸承固定在卷筒左支撐座3、卷筒右支撐座13 上，卷筒支座固定在基礎上。電動機支撐軸6 與電機8 連接，并通過與卷筒左支撐座3 將電機固定。電機通過花鍵與減速器的輸入軸聯接，減速器輸出軸與卷筒右支撐通過螺栓和柱銷聯接，卷筒右支撐與卷筒通過螺栓聯接，并驅動卷筒旋轉。減速器、電機均在卷筒內部，外露只有卷筒旋轉，安全性高。

動力傳遞路線為：電機8 通過防爆接線盒2 接通電源，電機驅動減速器運轉，減速器將動力傳遞給滾筒右支撐，從而驅動卷筒旋轉。

圖1 提升機結構示意圖

2.2 驅動和傳動系統結構及耗能分析

永磁同步電動機8 為整個提升機系統的動力提供裝置，永磁同步電動機與異步電動機在輸出功率與額定功率比值相同時，永磁同步電動機比異步電動機的效率高、功率因數高、啟動電流小、對電網沖擊小等[2]。

永磁同步電動機可以滿足國家一級能耗標準，變頻器可以保證整個系統的多驅動以及軟啟動電動機之間的功率平衡[3]。永磁電動機可根據轉矩、轉速要求進行設計，電機轉速為500～600r/min；行星齒輪減速器可根據體積、重量等最優設計成三級，傳動效率為94%～96%。由高速轉動部件旋動不平衡造成的振動，噪聲也會下降，減速器齒輪的嚙合頻率也隨之降低，齒輪嚙合產生的噪聲也會降低[3]。對采用的減速器齒輪用CAD 軟件進行優化設計，并對齒輪進行合理的修形。在減速器輸出扭矩相同的條件下，體積和重量分別為NBD 及ZZL 型減速器的50%、60%。

綜合上述，采用永磁同步電動機可以使效率提高，能耗減低，再配優化設計的行星減速器，綜合效率達93%左右。

2.3 提升機性能參數設計

（1）根據用戶實際需求性能參數

根據《煤礦安全規程》的規定：節能型提升機專為升降物料，新鋼絲繩的安全系數m 不得小于6.5。選擇鋼絲繩：結構為6 △19，繩徑為Φ31，如表2 所示。

表2 新型提升機性能參數表

（2）卷筒寬度的確定

根據《煤礦安全規程》的規定：在斜井中升降物料時，允許纏繞三層 。依據提升機性能參數表中最大拖運長度600m，由公式：

ψ-考慮提升系統運轉時，有加、減速度及鋼絲繩重量等因素影響的系數，箕斗提升ψ=1.2～1.4，罐籠提升ψ=1.4；

η-減速器傳動效率，94%～96%。

經式（2）計算，選擇電機功率為132kW，轉速為600r/min 的永磁同步電動機。

（4）減速器速比的確定

由提升機性能參數表中，鋼絲繩平均線速度0.8m/s，卷筒直徑Φ1200，由公式：

經式（4）計算得減速器速比為47.13，選取減速器的公稱傳動比為50，采用三級行星齒輪傳動減速器。

（5）減速器結構及原理

如圖2 所示為優化設計的減速器，采用三級行星齒輪傳動，輸出軸9 與卷筒右支撐座10 通過鍵固定，內齒輪7 與卷筒6 通過卷筒右支撐8 固定；電動機輸出動力經第一級太陽輪1 傳遞到第一級行星架2，由第二級太陽輪3 傳遞到第二級行星架4，最終由第三級太陽輪5 傳遞到內齒輪7，內齒輪通過卷筒右支撐驅動卷筒旋轉。

圖2 行星齒輪減速器結構示意圖

（6）減速器齒輪參數設計

在設計過程中，齒輪參數采用鄭州機械研究的齒輪ZGCAD 軟件，并結合提升機的具體結構優化設計。依據減速器結構（整體外徑相同）優化分配減速器各級傳動比為：第一級為3.15、第二級為4、第三級為4。減速器各級齒輪參數如表3 所示。減速器總傳動比為49.32，滿足三級傳動減速器速比偏差為5%的要求[4]。

表3 減速器各級齒輪參數

減速器各級齒輪承載能力分析，考慮到礦井提升機的安全性能要求高，使用系數取1.5，不均載數為1.05，接觸強度最小安全系數為1.05，彎曲強度安全系數[4]為1.5。經過測試知各級齒輪的承載能力滿足使用要求。

2.4 提升機傳動鏈長度分析

驅動裝置內置式新型提升機的驅動部分（電動機及減速器），均安裝在卷筒內部，傳動鏈長度是兩個卷筒支座之間的距離；在占地面積上的有效利用率為84%左右，僅為同規格的傳統礦井提升機的50%。

3 結論

（1）傳動系統結構簡化，減少了日常維護量；

（2）傳動系統旋轉部件少，安全性提高；

（3）提升機整體結構緊湊，占地面積少，僅為同規格傳統礦井提升機的50%；

（4）綜合傳動效率高，比傳統的礦井提升機提高13%～23%；

（5）整機無高速旋轉部件，噪聲及振動??；

（6）永磁同步電機及行星齒輪減速器免維護，維修費用降低；

（7）本傳動系統內置式礦井提升機已申請外觀專利，專利號為ZL201930349622.9。

基于以上優勢，此種結構的提升機會在更多工礦企業獲得廣泛的應用，也為許多企業所青睞。