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矿井提升机的发展与展望

2017/10/17

  矿物开采和运输是矿物生产过程中的重要环节,矿井提升机作为矿山运输的关键设备,承担着煤炭和矿石的提升、人员的升降、材料和设备的运送任务,是联系井下与地面的重要设备。

  我国煤炭储量极为丰富,居世界前列,是我国经济可持续发展的保障性能源,在我国能源体系中发挥着主导作用。我国每年矿井提升机的生产数量主要与煤矿的需求量有关,特别是大型和特大型矿井提升机。

  1 国内提升机的发展

  我国提升设备的设计制造最初是仿制前苏联,后发展到自行设计制造。1953 年,抚顺重型机器厂制造了我国第 1 台单绳缠绕式双筒提升机。1958 年,洛阳矿山机器厂设计制造了我国第 1 台井塔式 JKM2×4 多绳摩擦式提升机,1960 年又设计生产了 1 台井塔式 JKM3×4 多绳摩擦式提升机,并逐渐形成批量生产能力,摆脱了依赖进口的局面。

  20 世纪 70 年代开始,仿制型提升机的结构缺陷日益突显。洛阳矿山机器厂开始重新审视我国矿井提升机的现状和发展方向,进行了一些新结构的试验和研究,在此基础上,借鉴国外矿井提升机的新技术,特别是盘形制动系统技术,设计出我国第 1 台大型单绳矿井提升机,卷筒直径达 6 m。

  此外,随着井塔式多绳提升机的广泛应用,其局限性也逐渐显现,如提升机安装在钢筋混凝土井塔上,其耐震力远不如钢结构井架;当矿井通过流砂层及地质条件差的地区时,采用钢筋混凝土井塔的地质钢结构井架。1977 年,洛阳矿山机器厂研制了我国第 1 台落地式 JKMD2×2 多绳摩擦式提升机。

  20 世纪 80 年代末期,通过引进一些国外新技术,洛阳矿山机器厂已可生产各种新型大型矿井提升机,包括电动机悬挂直联形式的大型多绳摩擦式提升机,其摩擦轮直径达 4 m。为使提升机的制造实现标准化、通用化和系列化,洛阳矿山机器厂制定了单绳缠绕式和多绳摩擦式提升机的国家标准。

  20 世纪 90 年代末,随着我国矿山矿井日益向大型化、高产化方向发展,多绳摩擦式提升机日趋成为主导的矿山设备,特别是大型多绳摩擦式提升机,因具有显著的优点而受到矿山用户的欢迎。同时随着控制技术的不断进步,开发研究技术先进、性能可靠、高效节能的新一代大型多绳摩擦式提升机日益迫切。1999 年,中信重工机械股份有限责任公司 (以下简称中信重工) 开始研发并于 2001 年成功制造了国内最大规格的双电动机直联形式的 JKMD-5.7×4 落地式多绳摩擦式提升机,其摩擦轮直径达 5.7 m,是国内首台采用双电动机悬挂直联形式的多绳摩擦式提升机,改变了我国特大型提升机依赖进口的局面。

  近十几年来,随着中信重工技术装备全面升级改造,使设备的装备规格、性能和精度都得到了全面升级,产品的制造工艺也得到了较大的提高,在产品开发手段和方法上进一步与国际接轨。从 2008 年到 2013 年,中信重工以每年 200 余台数量的各种规格及类型的提升机供应着国内市场,并出口孟加拉、伊朗、委内瑞拉、土耳其、巴基斯坦和赞比亚等多个国家。2014 年,中信重工向波兰出口了 1 台大型落地式 JKMD5.5×4PⅣ多绳摩擦式提升机,其摩擦轮直径为 5.5 m,采用双电动机拖动、直联悬挂式连接方式。

  近年来,我国矿井提升机的技术水平虽然与发达国家相比差距越来越小,但却始终存在,特别是在某些产品的性能、质量以及为具体用户解决个性化问题时提供解决方案的能力等方面。目前,我国每年仍进口一些矿井提升机,虽然进口额度不大,但其电控系统进口额度相对较多。

  目前,国产提升机有代表性的最大技术参数如表 1 所列。

  表 1 国产多绳摩擦式提升机的最大技术参数

  

 

  2 国外提升机的发展

  国外提升机的发展已有 150 多年的历史。其中有代表性的时期是:1827 年,西方国家出现第 1 台蒸汽式提升机;1877 年,制造出第 1 台单绳摩擦式提升机;1905 年,由于电力的发展,出现了第 1 台电气拖动的矿井提升机,并逐渐代替了蒸汽提升机;1938 年,第 1 台多绳摩擦式矿井提升机问世;1957 年,多绳缠绕式提升机问世。

  为了适应矿井向深部发展 (深井) 以及年产量日益增大的需求,多绳摩擦式提升机被研发出来,即利用几根直径较细的钢丝绳,代替原来只用 1 根直径较粗的钢丝绳来提升。

  从 1938 年第 1 台多绳摩擦式提升机被应用,到 1948 年以前,全世界总共只有 6 台提升机在运转,到 1959 年末,发展到 240 多台。瑞典 ASEA 公司从 1938 年开始到 1972 年,共制造 224 台摩擦式提升机,供应了 23 个国家,其中 4 绳提升机占 57%;1968 年开始供应 6 绳提升机,占 10%;1972 年供应 8 绳及 10 绳提升机占 5%。截至 1974 年,估计全世界大约已有 600 多台多绳摩擦式提升机在运转。

  虽然多绳摩擦式提升机最初应用于深井提升,但目前许多国家在浅井提升中也采用。目前多绳摩擦提升已成为现代化提升的发展方向之一,且正在向大型化和全自动化的方向发展。

  根据资料统计,国外使用有代表性的多绳摩擦式提升机最大技术参数如表 2 所列。

  表 2 国外多绳摩擦式提升机的技术参数

  

 

  3 内装式提升机

  内装式提升机即内装电动机式多绳摩擦式提升机,与常规提升机的传动形式不同,它是一种机电一体化的新型提升机。其连接方式不是简单地把电动机装在摩擦轮中,而是将机械和电气部分融为一体,摩擦轮作为电动机的外转子,同时具有承载钢丝绳载荷的双重功能;电动机定子与摩擦轮采用同轴同心布置,即摩擦轮的轴同时为电动机定子的轴,转子在外,定子在内,摩擦轮和电动机合二为一,电动机处于 2 个主轴承正中间,减小影响电动机偏心距的因素,提高运行的安全可靠性。

  1988 年,世界上第 1 台内装式提升机在德国 New Ramberg 矿井正式投产使用。该提升机机械部分由德国的 GHH 公司制造,电控部分由西门子公司制造,其摩擦轮直径为 6.5 m,电动机额定功率为 2 200 kW。该提升机体现了很高的机电相互融合性和高度机电一体化,使提升机的传动技术进入了一个崭新的阶段,引起了国内外同行的关注。

  内装式提升机具有以下优点:

  (1) 结构紧凑,电动机不需要安装基础,减小了机房占地面积,特别是对塔式提升机而言,可降低井塔造价;

  (2) 电动机的转矩直接传递给摩擦轮的筒壳,传动链短,传动效率高;

  (3) 主轴装置两端受力对称,使得主轴及轴承受力均匀,同时改善了主轴的刚度;

  (4) 不必采用电动机转子悬挂式结构,减小了主轴的挠度,使电动机转子和定子之间的气隙偏差减小,运行更稳定;

  (5) 电动机的温升不会导致不对称,不会影响电动机的气隙量;

  (6) 机电一体,提升机维护量小,运行费用较低。

  内装式提升机的缺点是设备价格昂贵。2005 年,新集刘庄矿引进的 2 套井塔式 4.65×6 内装式提升机,当时的费用达 2 亿多元人民币。

  我国使用的内装式提升机均为国外全套引进,如东欢坨矿副井 1994 年引进 1 台落地式 4.3 m 提升机;大雁煤业公司三矿主井 1995 年引进 1 台井塔式 4 m 提升机;永夏矿区陈四楼矿主井 1996 年引进 1 台落地式 4 m 提升机,均为德国西玛格公司制造。

  虽然目前我国在内装式提升机的制造领域还处于空白,但内装式提升机只是提升机发展中的一个新的形式,是机械和电气完美的结合,它将与直联形式的提升机同时存在,并不会取代直联式提升机。在提升机连接方式的选择上,通常要兼顾设备的价格及运行可靠性等多方面因素,应综合考虑,选择合理的性价比。

  4 千米深井的发展前景

  我国目前煤矿开采深度普遍小于 800 m,大量煤炭因深埋超过 1 000 m 的地下尚未开发。随着经济的快速发展,社会对能源的需求越来越大,煤矿深井开采已成为世界主要采煤国需要面临和解决的问题。据统计,目前我国煤炭的开采深度平均约 500 m,并正以每年 8 ~ 12 m 的速度向深部发展。未来 10 年内,我国矿山的开采深度必将达到 1 000 ~ 2 000 m。

  20 世纪 80 年代初,德国煤矿开采深度已达 1 443 m,到 80 年代中期,国外深度超千米的矿山至少有 79 个。1977 年,我国赵各庄煤矿开拓深度达 1 154.4 m,目前我国开采深度超千米的矿井至少有 17 个。

  多绳摩擦式提升机在深井中使用时,由于提升机钢丝绳加长,不仅加大提升负荷,而且在深井提升工况下钢丝绳因张力变化过大,其寿命将急剧下降,这成为制约矿井提升安全与效率的主要因素。深井提升钢丝绳普遍存在的问题有:断丝较早且不均匀,钢丝绳有效金属截面减小,抗拉强度降低,整体破断力下降等,使得钢丝绳使用寿命较短。如铜陵冬瓜山铜矿提升高度为 1 100 m,钢丝绳平均使用寿命约为 3 个月;徐州庞庄张小楼主井提升机的提升高度为 1 039.6 m,钢丝绳平均使用寿命为 6 个月;因此,国内多绳摩擦式提升机不建议在深度超过 1 200 m 的情况下使用。

  一般情况下,对于深井提升,可采用分段提升方式,即采用成熟的单绳缠绕式提升机或多绳摩擦式提升机进行分段开采,技术方面很容易实现,但所需的设备较多,生产和管理成本会明显增大,并且增加了故障的发生概率;另一种方式是采用布雷尔提升机 (即多绳缠绕式提升机),只需 1 套提升设备就可完成,避免了多段提升带来的复杂的运转系统及硐室工程,节省了投资成本。

  1958 年,南非开始采用多绳缠绕式提升机,并普遍应用于 2 000 m 左右提升高度的矿井。多绳缠绕式提升机是一种双筒缠绕式提升机,其每个卷筒中间有 1 个挡绳板,使得每个卷筒上可同时缠绕 2 根钢丝绳,钢丝绳采用多层缠绕,通过天轮装置后 2 根钢丝绳与同一个提升容器连接。由于是无尾绳提升,避免了深井提升中由于尾绳的变化使得提升钢丝绳张力变化过大而对其使用寿命带来的影响。

  多绳缠绕式提升机具有提升能力大、卷筒直径较小、作双钩提升时可用于多水平提升、不需要尾绳装置、适用于特深井提升等许多优点,解决了多绳摩擦式提升机在深井提升中存在的钢丝绳问题,改变了深井开采的提升模式。该提升技术在国外已有一定的应用,目前在国内的应用还是空白。

  深部煤炭资源是我国能源保障的重要组成部分,今后将有许多矿井陆续进入深部开采;因此,深部开采将成为未来采矿业的发展趋势。深部提升是深部采矿需解决的一个重要问题,由于千米深井的高应力和高温的特殊地质环境,对提升运输设备提出了新的要求,同时也对技术人员提出了新的挑战。如何安全、高效、低成本地开采及运输深部煤炭资源,将成为我国煤矿行业需要突破的重大技术问题。

  5 国内提升机行业现状

  纵观我国提升机的发展史,从单绳缠绕式到多绳摩擦式,从减速器传动到电动机与主轴直联传动方式,提升机的研发和制造都有了长足的进展。

  近 10 年来,国产提升机在国内市场中始终占据绝对优势,这与价格因素和国家政策有关,但也客观反映出国内市场对国产设备较高的依存度。虽然进口设备质量好,但价格高,用户更加注重产品的性价比。近些年来,国产提升机性能和质量的提高推动了其市场占有率的提升。

  目前国内生产矿井提升机的企业主要有中信重工、上海冶金矿山机械厂、山西新富生机器制造公司、四川矿山机器集团有限责任公司、锦州矿山机器集团有限公司和重庆泰丰矿山机器有限公司等。

  随着煤炭产量的快速增长,矿井提升机的需求也不断增加,ABB 公司和西玛格公司已在中国建立提升机制造基地,以期通过降低制造成本扩大国内市场,加剧了国内提升机制造行业的竞争力度。跨国公司的产品在可靠性、智能化、自动控制等方面代表了现代提升设备的技术制造水平,也激励着国内市场提升机制造业,改变设计理念,优化设计方法,开拓思路,不断创新以适应市场的要求。

  值得注意的是,由于我国产业基础薄弱、技术创新能力欠缺和产品技术标准落后等诸多因素制约,使得我国矿山机械制造业整体实力不强,缺乏国际竞争力。相当数量的矿山机械制造企业只能从事一些技术水平低的简单产品的仿制,无力从事新产品开发,只能靠低价位参与市场竞争。

  从当前煤炭经济运行形势来看,受我国宏观经济增速放缓、煤炭产能建设超前、进口煤增加等多重因素的影响,煤炭需求大幅回落,矿井提升机的需求量大幅削减,对提升机产业提出了新的、更高的要求。在产品方面,一是要时刻关注市场需求的变化,及时调整产品结构,以取得市场竞争的主动权;二是要提高产品质量,以质量求生存、求效益、求发展。

  6 提升机的技术改造前景

  随着矿井提升设备技术水平的不断提高,目前许多正在使用的老式提升机已相对落后,且由于其出厂年代较早,服役时间较长[13-14],设备老化,存在一些不可忽视的缺陷,甚至不能满足煤矿安全规程的相关规定,存在较大安全隐患,必须对超期服役的提升机进行技术改造。本着节约投资成本,减少停产时间的原则,一些矿山要求在现有承载结构和基础上,对提升机进行全面技术改造,采用新参数、新技术、新结构,用现代化提升机更换老式提升机。

  合理地对老设备进行技术改造,对矿山企业十分重要,也是目前设备制造企业拓展提升机市场的有效途径。在满足矿井技术要求的前提下,应本着节约能源、降低消耗、减低成本、改善设备的安全性和可维修性的原则,达到提高设备的整体技术水平的目的。另外,还应尽量缩短改造工期,减少对生产的不利影响。

  在对设备进行技术改造时,应综合考虑矿井的产量、生产状况、服务年限、改造费用和安装工期等,针对不同用户提升机的使用情况及检测出的问题等方面进行深入分析,提出改造对策并从理论上进行验证,在费用不足的情况下可采取分段改造方式,逐步进行。

  近些年来,中信重工对许多矿山的提升机改造做了大量的工作,实践证明效果显著。改造后,提高了提升机运行的可靠性、安全性和自动化程度,节省了大量的工程费用,为使用单位创造了较大的经济效益。同时,中信重工将一些老式带减速器的多绳摩擦式提升机成功改造成电动机悬挂直联式的多绳提升机,提高了设备的工作效率,降低了能耗,减少了设备的故障率。

  7 结语

  经济全球化与区域一体化已是大势所趋,在今后中国经济的持续发展中,随着技术进步和手段的完善,新技术、新结构、新材料、新工艺的不断发展,矿井提升机的发展也将会呈现出多元化的形式,以其特有的性能及优点必将得到更加完善及广泛的应用。

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