机电系-机械电子工程-冀鹏程-150513028 -矿井提升机的选型及控制系统的设计.doc

矿井提升机的选型及控制系统的设计

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机电系-机械电子工程-冀鹏程-150513028 -矿井提升机的选型及控制系统的设计
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内容简介:
目 录 矿井提升机设备的选型及设计 I 摘 要 I SELECTION OF MINE HOIST AND DESIGN OF CONTROL SYSTEM .II ABSTRACT .II 1 绪论 .1 1.1 提升机的简介 .1 1.2 提升机的用途和发展概况 .2 1.3 提升机的工作原理 .3 2 提升机的组成选型及计算 .6 2.1 工作机构 .6 2.2 制动系统 .7 2.3 机械传动系统 .7 2.4 润滑系统 .8 2.5 观测和操纵系统 .8 2.6 拖动,控制和自动保护系统 .8 3 提升机的选型计算 10 3.1 设计依据 10 3.2 提升容器选择 10 3.3 钢丝绳选择 13 3.4 提升机选择 14 3.5 提升系统的确定 15 3.6 提升容器最小自重校核 19 3.7 钢丝绳与提升机的效验 20 3.8 预选电动机 20 3.9 提升运动学及提升能力计算 21 3.10 提升系统动力学计算 .25 3.11 电机等效功率计算 .26 3.12 电耗及效率计算 .28 3.13 提升机的防滑验算 .29 4 减速器的设计计算 31 4.1 方案选择 31 4.2 传动比的分配 31 4.3 齿轮参数设计 31 4.4 减速器轴的设计 45 5 滚筒主轴设计计算 53 5.1 求主轴的转速、功率和转矩 53 5.2 初步确定轴的最小直径 53 5.3 主轴的结构设计 53 6 提升机的制动系统 55 7 提升机的液压站 56 8 基于 PLC 的提升机电控系统 58 8.1 PLC 硬件设计 .58 8.2 PLC 软件设计 .60 参考文献 .69 外文资料 .71 中文翻译 .78 致 谢 .87 1 矿井提升机设备的选型及设计 摘 要 本文对多绳磨擦式矿井提升机发展及应用、种类及结构进行了综合阐述,对多绳 摩擦式矿井提升的优缺点进行了分类和研究;论证了多绳摩擦提升的工作原理;介绍 了多绳摩擦式矿井提升机的各种型号;在制动工作原理进行说明的基础上,对制动器 进行了选型。结合特定的矿井的采煤及地质情况,对多绳摩擦式矿井提升机进行设备 选型,形成一整套完备的矿井提升系统,整个系统的电控系统非常重要,所以最后对 所设计的系统进行了电控系统设计。 多绳摩擦式矿井提升机系统的各系统的型号选型计算,及对各系统的统一布置, 确定各系统的工作位置和尺寸,这些对多绳摩擦式矿井提升机在实际应用中提供了必 要参数。 关键词:多绳摩擦式矿井提升机;选型;PLC 1 Selection of Mine Hoist and Design of Control System Abstract In this paper, rope and more friction-mine hoist the development and application, type and structure of a comprehensive elaboration of multi-rope friction-mine the advantages and disadvantages of upgrading the classification and study of multi-rope friction demonstration enhance the work of principle; introduced a multi - - Rope friction-mine hoist the various models in principle that brake work on the basis of a selection of the brake. With a specific mine coal mining and geological conditions, the multi-rope friction-mine hoist a selection of equipment, a set of comprehensive mine hoist system, the whole system of electronic control is very important, so the final design of the system The control design. Multi-rope friction- mine hoist system of the Selection System Model, and the layout of the unified system, the system determine the location and size of these multi-rope friction-mine hoist in practical application to provide the necessary Parameters. Keywords: Multi rope friction mine hoist; type selection; power supply; control system; PLC 山西工程技术学院毕业设计说明书 1 绪论 1.1 提升机的简介 矿井提升机是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备,以带动钢丝绳从而 带动容器在井筒中升降,完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演 变而来。现代的矿井提升机提升量大,速度高,安全性高,已发展成为电子计算机控 制的全自动重型矿山机械。 矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒(或摩擦轮)、制动系统、深度指示系 统、测速限速系统和操纵系统等组成,采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工 作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷 筒两种,钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳,连 接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳,连接两个容器,运转时一个容器上升, 另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在 120 万吨以下、井深小于 400 米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上,利用与摩擦轮衬垫的摩擦 力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器,或一端连接容器,另一端连接平衡重。 摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机(机房设在井筒顶部塔架 上)和落地摩擦式矿井提升机(机房直接设在地面上)两种。按提升绳的数量又分为 单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是:可采用较细的钢丝 绳和直径较小的摩擦轮,从而机组尺寸小,便于制造;速度高、提升能力大、安全性 好。年产 120 万吨以上、井深小于 2100 米的竖井大多采用这种提升机 矿井提升机具有以下特点: (1)安全性 所谓安全性,就是不能发生突然事故。由于矿井提升设备在矿山生产中所占的地 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。因此各国都对矿井提升设备提出了极严格的要求。在我国这些规定包括在 煤矿安全规程只中。 (2)可靠性 所谓可靠性,是指能够可靠地连续长期运转而不需在短期内检修。矿井提升设备 所担负的任务十分艰巨,不仅每年要把数十万吨到数百万吨的煤炭和矿石从井下提升 山西工程技术学院毕业设计说明书 到地面,而且还要完成其他辅助工作。一个年产 150 万吨的矿井,停产一天就要损失 大约 20 万元。因此矿井提升机至少要服务二十年以上而不需大修。 (3)经济性 矿井提升设备是矿山大型设备之一,功率大,耗电多,大型矿井提升机的功率超 过 1000KW。因此矿井提升设备的造价以及运转费用,也就成为影响矿井生产技术经济 指标的重要因素之一。 1.2 提升机的用途和发展概况 矿井提升设备是矿山运输中的咽喉设备,又是矿山最大的耗电设备。西德、瑞典等 国是当今世界上制造矿井提升机较先进的国家,特别是多绳摩擦式提升机更为突出。在 这些国家的竖井中几乎全部采用较先进的多绳摩擦式提升机,不仅广泛采用庞大井塔的 塔式多绳摩擦提升机,而且越来越多地使用较低的井架的落地式多绳提升机。它们的发 展特点是体积小,重量轻,终端提升量大,提升速度高,衬垫材料摩擦系数大又耐磨,液压制 动,运转安全可靠,自动化程度高,多机集中控制等。生产的产品供世界上二十多个国家使 用。我国矿井提升设备在上述技术方面与发达国家相比有一定的差距,自动化和多机 集中控制技术方面差距大,产品在国际市场上缺乏竞争能力。 内装式提升机在我国已有多台运行,作为高度机电一体化的,节能新产品应重点 发展。同时开展斜井提摩擦提升和布雷尔提升机的研制。 1.2.1 目前国外矿井提升机总的发展趋向 (1)向大型化发展 矿井大型化和要求提升机大型化之目的主要在于获得更大的 矿产量。1O 年前,年产 90120 万 t 的矿为大型矿。目前,就世界范围而言, 年产 200300 万 t 的矿山也不算大,仅仅算中、小型矿 瑞典最大地下矿将达 1000 2500 万 ra。大型化主要体现在大容量的提升容器。目前,世界上一次提升最大重量已达 63t。国外大型提升机都采用多绳摩擦式提升机。 (2)向自动化、遥控方向发展 自动化不仅仅是为了节省人力,更重要的是适应 大生产、集中控制、集中管理、系统联动的需要,也是保证产量和提高劳动生产率的 有效手段 ,同时也包含减轻劳动强度、节省人力、电力和提高运行安全性。国外大型 矿井提升机都广泛采用以多种保护为基础的自动化运行,并能记录和处理各种生产数 据、运行等资料。英国完善了包括有全功能维护设计的可控硅供电,直接连接直流电 山西工程技术学院毕业设计说明书 动机驱动系统和在井简中的提升机控制系统 目前国外主井几乎都是自动化运行,主竖 井由于机动性大,一般都是采用按钮控制和在罐笼内遥控。 (3)继续发展多绳提升机,一般浅井、提升重量不大时,可采用常规缠绕式提升机; 但当深井、提升重量大时,须采用多绳摩擦式提升机。有相当一部分提升任务既可采 用缠绕式提升机也可采用多绳提升机,如果现场条件允许,则多绳摩擦式提升机更为 经济。目前多绳缠绕式提升机继续向更先进方向投展。有些国家生产的多绳提升机, 塔式和落地式多绳提升机大致各占 5O%。 (4)发展各种新型和专用提升设备除目前已出现的落地式提升机、布雷尔提升机和 采用钢芯胶带牵引的摩擦式提升机外,国外还研制了起重式提升机、各种不同包围角 的多绳摩擦式提升机(用于浅井)。另外,还研制了不同形式的无绳提升设备,现已知的 有机械式、电磁式、水力式和风动式。 (5)采用“四新”(新技术、新结构、新材料和新工艺),采用“四新” 后,提升机 主轴装置、制动系统、液压系统、操纵系统和驱动系统等各部分不断改进提高,使整 个多绳摩擦式提升机结构朝着体积小、重量轻、效率高的方向发展。 1.2.2 国内矿井提升机的发展趋向 (1)发展多绳摩擦轮提升机,特别是大型落地式多绳提升机,以及斜井、斜坡道用 的多绳提升机; (2)不断改进研制新型单绳及多绳缠绕式矿井提升机; (3)可控硅供电及徽电子技术在提升机上应用,以及可编程序控制器,遥控技 术交交变频调速等先进技术; (4)研制应用高性能摩擦衬垫,高比压闸瓦等新技术、新材料; (5)不断引进、消化、吸收国外先进技术,并用于制造国产矿井提升机。淘汰落后 技术,如块式闸及角移式闸,气动制动器,铸造结构并限制减速器和控制继电器的使 用。 1.3 提升机的工作原理 按工作原理不同,矿井提升机可分为两类:单绳缠绕式和多绳摩擦式提升机。单 绳缠绕式又可分为单卷筒提升机和双卷筒提升机。 单绳缠绕式提升机的工作原地如图 l1 所示,简单地说,就是用一根较粗的钢丝 山西工程技术学院毕业设计说明书 绳在卷筒上缠上和缠下来实现容器的提升和下放运动。 图1-1 单绳缠绕式提升机 图1-2 多绳摩擦式提升机 1-滚筒;2-钢丝绳;3-天轮; 1-主导轮;2-导向轮;3-钢丝 绳; 4-天轮;5-平衡尾绳 4-容器;5-平衡尾绳 提升机安装在地面提升机房里,钢丝绳一端固定在卷筒上,另一端绕过天轮后悬 挂提升容器。图 11 所示为单绳缠绕式单卷筒提升机,卷筒上固定两根钢丝绳,并应 使每根钢丝绳在卷简上的缠绕方向相反。这样,当电动机经过减速器带动卷筒旋转时, 两根钢丝绳便经过天轮在卷筒上缠上和缠下,从而使提升容器在井筒里上下运动。不 难看出,单绳缠绕式提升机的一个根本特点和缺点是钢丝绳在卷筒上不断的缠上和缠 下,这就要求卷筒必须具备一定的缠绕表面积,以便能容纳下根据井深或提升高度所 确定的钢丝绳悬垂长度。单绳缠绕式提升机的规格性能、应用范围、机械结构等都是 由这一特点来确定的。单绳缠绕式双卷筒提升机具有两个卷筒,每个卷筒上固定一根 钢丝绳,并应使钢丝绳在两卷筒上的缠绕方向相反,其工作原理和特点与单卷筒提升 机完全相同。 多绳摩擦式提升机的工作原理与单绳缠绕式提升机不同,钢丝绳不是固定和缠绕 在主导轮上,而是搭放在主导轮的摩擦衬垫上,如图 1-2 所示,提升容器悬挂在钢丝 绳的两端,在容器的底部还悬挂有平衡尾绳。提升机工作时,拉紧的钢丝绳必须以一 定的正压力紧压在摩擦衬垫上。当主导轮由电动机通过减速器带动向某一个方向转动 时,在钢丝绳和摩擦衬垫之间使发生很大的摩擦力,使钢丝绳在这种摩擦力的作用下, 山西工程技术学院毕业设计说明书 跟随主导轮一起运动,从而实现容器的提升和下放。不难看出,多绳摩擦式提升机的 一个根本特点和优点是钢丝绳不在主导轮上缠绕,而是搭放在主导轮的摩擦衬垫上, 靠摩擦力进行工作。同样,多绳摩擦式提升机的规格性能、应用范围和机械结构等, 都是由这一特点来确定的。 多绳摩擦式提升机特别适应于深井和大产量的提升工作。 多绳摩擦式提升机与单 绳缠绕式提升机比较,在规格性能、应用范围、机械结构和经济效果等方而都优越得 多,就深井和大产量来说,是坚井提升的发展方向。 但是,根据我国目前浅井多、斜井多的特点,单绳缠绕式提升机仍然是目前制造 和使用的重点。对于部分深井和大产量的矿井,则应该合理的选用多绳摩擦式提升机, 而不宜选用大型的单绳缠绕式提升 山西工程技术学院毕业设计说明书 2 提升机的组成选型及计算 2.1 工作机构 2.1.1 工作机构的作用 (1)缠绕或搭放提升钢丝绳; (2)承受各种正常载荷(包括固定静载荷和工作载荷),并将此载荷经过轴承传给 基础; (3)承受在各种紧急事故情况下所造成的非常载荷,在非常载荷作用下,主轴装 置的各部分不应有残余变形; (4)当更换提升水平时,能调节钢丝绳的长度(仅限于单绳缠绕式双卷筒提升机)。 因此,主轴装置应保证主轴、卷筒和其它部分有足够的强度和刚度。 保安规程规定,主轴装置的卷筒或主导轮直径与钢丝绳和钢丝直径的比值应符合 下列要求: 对地面提升设备 1200,80 d sk d DD 对于井下提升设备 900,60 d sk d DD 式中 提升机卷筒或主导轮名义直径(毫米); D 钢丝绳直径(毫米); k d 钢丝直径(毫米); s d 2.1.2 调绳装置的作用 当更换提升水平需要调节钢丝组的长度时,利用调绳装置使游动卷筒与主轴脱开, 从而可以转动固定卷筒(此时游动卷筒应用制动器闸住)调节钢丝绳长度。调绳结束时, 利用调绳装置使游动卷筒与主轴合上(即连接上),以便恢复正常的提升工作。 山西工程技术学院毕业设计说明书 2.2 制动系统 2.2.1 制动装置的功用 (1)在提升机正常工作的减速阶段或下放重物时,参与调整提升机的运行速度, 并在提升终了时使之正常停车,即工作制动; (2)当提升机工作异常时使之迅速停车,以免事故扩大,即安全制动; (3)当提升机检修时,使之保持不动; (4)双筒提升机在进行调绳操作时,使卷筒保持不动。 2.2.2 制动装置的类型 制动装置中的制动器按结构分为块闸和盘闸;传动装置按传动能源分为油压、气 压及弹簧等。 JK 型 m32 和 BM 型提升机使用油压角移式制动装置。JK 型 m64 和 HKM3 型提升机使用压气平移制动装置。JKA 型提升机使用液压综合式制动装置。XKT 型、 JK 型、GKT 型 m2 、JKD 型、JKM 型、JKMD 型提升机使用液压盘式制动装置。矿用提 升绞车使用手动角移式制动器作为工作制动,重锤-电磁铁丝杠螺母操纵的角移式制动 器或重锤-电力液压推杆操纵的平移式制动器作为安全制动,担新系列 JT 型 m6 . 12 . 1 提升绞车则使用液压盘式制动装置。 2.3 机械传动系统 机械传动系统包括减速器和联轴器 2.3.1 减速器的作用 矿井提升机主轴的转数由于受提升速度的限制,一般在 l0 一 60 转/分之间,而用 作拖动的电动机的转数,一般在 480 一 960 转/分之间。这样,除采用低速直流电动机 拖动外,一般情况下不能将主轴与电动机直接联接,中间必须经过减速器。因而减速 器的作用是减速以传递动力。 2.3.2 联轴器 联轴器是用来联接提升机的旋转部分,并传递动力。主要有两种: (1)蛇形弹簧联轴器(用于联接电动机和减速器高速轴) 山西工程技术学院毕业设计说明书 (2)齿轮联轴器(用于联接提升机主轴和减速器低速轴) 2.4 润滑系统 在提升机工作时,不间断地向主轴承、减速器轴承和啮合齿面压送润滑油,以保 证轴承和齿轮能良好的工作。润滑系统必须与自动保护系统和电功机联锁:即润滑系 统失灵时(如润滑油压力过高或过低、轴承温升过高等),主电动机断电,提升机进行 安全制动。启动主电动机之前,必须先开动润滑油泵,以确保机器在充分润滑的条件 下工作。 2.5 观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台、深度指示器和测速发电机装置。 深度指示器的作用: (1)指示提升容器的运行位置; (2)容器接近井口卸载位置和井底停车场时,发出减速信号; (3)当提升机超速和过卷时进行限速和过卷保护; (4)对于多绳摩擦式提升机,深度指示器还应能自动调零,以消除由于钢丝绳在主 导轮摩擦衬垫上的滑动、蛹动和自然伸长等所造成的指示误差。 2.6 拖动,控制和自动保护系统 拖动、控制和自动保护系统包括主拖动电动机系统、微拖动电动机、电气控制系 统和自动保护系统。 矿井提升机根据交直流拖动系统的不同可分别采用三相绕线式感应电动机或直流 电动机。 矿井提升机自动保护系统的作用是:在司机不参与的情况下,发生故障时能自动 将主电功机断开并同时进行安全制动而实现对系统的保护。 自动保护系统应具有如下性能: (1)提升机超速时(包括等速和减速阶段的超速)自动对系统进行保护; (2)提升容器过卷时自动对系统进行保护; (3)制动油欠压或超压时自动对系统进行保护; (4)润滑油欠压或超压时自动对系统进行保护; (5)轴承温升过高和制动油温升过高时自动对系统进行保护; 山西工程技术学院毕业设计说明书 (6)闸瓦磨损超过规定值时自动对系统进行保护; (7)电功机过电流或失压(断电)时自动对系统进行保护。 根据上述各项自动保护作用的要求,自动保护可分为提升机运行过程中的自动保 护和一次提升结束时的自动保护。 山西工程技术学院毕业设计说明书 3 提升机的选型计算 3.1 设计依据 (1)矿井年产量 180 万吨 (2)年工作日 br=300 天 (3)每日工作 t=16 小时 (4)井筒深度 Hs=480m (5)装载高度 Hz=22m (6)卸载高度 Hx=18m (7)煤的松散密度为 0.92kg/m3 (8)电压等级 6000V 3.2 提升容器选择 3.2.1 提升高度 H 的计算 (米) (3-1) tSxz = +H HHH 480+18+22520(米) 式中-井筒深度 480 米 S H -卸载高度 18 米 x H -装载高度 22 米 Z H 3.2.2 确定合理的经济速度 j V (米/秒) (3-2)0.30.5=0.35 j VHH:()= 0.35 520 7.98(米/秒) 式中 H提升高度 520(米) 山西工程技术学院毕业设计说明书 3.2.3 估算一次合理经济提升循环时间 j T (秒) (3-3) j j j V H T V 1 a 7.98520 1016 0.87.98 + 101.1(秒) 式中提升加速度值,箕斗可取米/秒 2; 1 a 8 . 0 1 a 容器爬行阶段附加时间,箕斗可暂取 10 秒; 装卸载休止时间取 16 秒; 3.2.4 估算一次合理的经济提升量 , Q (3-4) 4 n 180 101.1 1.2 101.1 13.9 36003600 300 16 fj r A Ca T Q b t 吨/ 次 式中矿井设计年产量 180 万吨; n A 提升能力富裕系数;取 f a 2 . 1 f a C提升不均衡系数;考虑井底设置煤仓,取 C=1.1 提升设备年工作日数 300 天; br 提升设备日工作小时数 14 小时。 t 根据一次合理的经济提升量,查表选箕斗选择 JDGY16/1504 型多绳箕斗, , Q 箕斗其技术规格如下: 箕斗名义载荷 16 吨; 箕斗有效容积 17.6 米; 提升主绳根数 4 根; 箕斗自身质量 15000kg; 箕斗全高 15.6 米。 山西工程技术学院毕业设计说明书 3.2.5 计算实际一次提升量 (一)实际装载 (3-5 17.6 0.9216.192 r Qvr 实 吨/ 次 ) 式中:标准箕斗有效容积,吨 实 Q 煤的松散密度,吨/米 3 r (二)计算一次提升循环时间 (3-6) 1 4 3600 3600 16.192 300 16 1.1 1.2 180 10 117.76( ) r g fn Q b t T ac A s 实 (三) 计算提升机所需的提升速度 (3-7) 2 ()()4 2 xx m a TTaH V 2 a 2 2 0.8117.7610 160.8117.7610 164 0.8 520 2 6.19(米/秒) 提升机的最大提升速度应符合煤矿安全规程的规定: 对立井箕斗13.68 (m/s) m V0.6 H0.6 520 mm 6.1913.68 ss =5000h 由以上可知,选用轴承的寿命满足要求。 减速器上轴承的寿命验算的公司和表参考机械设计 。 4.4.4 减速器轴上键的校核 (1)高速轴上键的验算 与联轴器联接处键,根据轴径 90d=1m m选取45 25b h= , 100L=m m, l1404595lLbmm-键的工作长度, 对A型键 由机械设计 4T dhl pp (4-34) TN mm mm mm 式中:转矩, d-轴径, h-键的高度, 2 150 p N mm 则 2 4 4437000 76 190 25 95 pp N mm 由以上可知,键的强度通过。 (2)低速轴输出端键的验算 与联轴器联接处键,根据轴径 350d=m m选取b h=56 32,L=300m m, l30056244lLbmm-键的工作长度, 对A型键 由式(4-34)得 4T dhl pp NTmm mm mm 式中:转矩, d-轴径, h-键的高度, 2 150N mm p 则 2 4 61689000 132N mm 240 32 244 pp 由以上可知,键的强度通过。 山西工程技术学院毕业设计说明书 齿轮上键的设计参考机械设计和机械设计手册 。 5 滚筒主轴设计计算 5.1 求主轴的转速、功率和转矩 已知减速器输出轴的功率 P=1897kW,转速 n=38.1 / minr 联轴器的效率 1 0.99 滚动轴承的效率 2 0.99 则主轴功率 P=1897 99 . 0 98. 0 =1840kw 主轴转矩 T=191804.70.980.99=182329.5(N.m) 主轴转速 n=38.1 / minr 5.2 初步确定轴的最小直径 先初步估算轴的最小直径,选取轴的材料为45号优质碳素结构钢,并进行热处理, 其强度极限为 420 到 560Mpa,硬度为 160 到 200。 3 P dA n 取轴的最小直径 min 250dmm 5.3 主轴的结构设计 5.3.1 拟定主轴上零件的装配方案 主轴的设计草图如图 3-1 所示 5.3.2 确定主轴的各段直径和长度 山西工程技术学院毕业设计说明书 图 3-1 主轴结草图 半联轴器与轴配合的毂孔长度去 1 352dmm , 1 140lmm 2、4 段左端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位. 24 404ddmm 并将 2 段和 4 段的 长度设计 2 l 4 650l 3 段上安装主导轮,主导轮的宽度 B=1755mm,因此 3 464dmm , 3 600lmm 5 段取 5 352dmm , 5 247lmm 6 段安装轴承 6 300dmm , 6 200lmm 7 段取 7 280dmm , 6 313lmm 至此,已初步确定了主轴的各段直径和长度。 山西工程技术学院毕业设计说明书 6 提升机的制动系统 制动系统是提升机的重要组成部分,它直接关系到提升设备的安全运行。制动系 统由执行机构(制动器,通常称闸)和传动机构组成。制动器是直接作用于制动轮产生 制动力矩的机构。制动器按其结构可分为盘闸和块闸,块闸又分为角移式和平移式, 传动机构是控制并调节制动力矩的部分,按动力源分为液压、气压和弹簧等。 KJ23m、KJ46m 提升机分别采用油压和气压块闸制动系统,JK 系列提升机及多绳摩擦 式提升机采用液压盘闸制动系统 盘式制动器是为了克服块式制动器的可靠性不高的缺点而发展的新型制动装置, 目前国内外生产的提升机或提升绞车都使用了盘式制动器.盘式制动器具有以下:制 动力矩可在较大范围内调节,而且容易调整;制动系统空行程小、动作快、响应速 度快、灵敏度高;重量轻,外形尺寸小,结构紧凑;通用性好,可通过改变盘形 闸的数量来满足不同绞车的制动要求;安全可靠性高,多副盘形闸同时工作,其中 少数部分盘形闸失灵或故障,其余完好盘闸一般仍可刹住提升机;而且传动环节(如管 路破裂失、压断电等)均可自动施闸。 盘式制动器都是依靠碟形的预压缩恢复张力使闸块压向制动盘,从而产生制动力 矩;当松闸时,向活塞腔内注入压力油,压力油推动活塞后移并压缩碟形弹簧,带动 闸瓦离开制动盘,从而实现松闸。 目前国内外提升机使用的盘式制动器形式多样,主要有前腔式盘形闸,后腔式盘 形闸单缸双作用盘形闸,以及钳式盘形闸。 山西工程技术学院毕业设计说明书 7 提升机的液压站 7.1 液压站的功用 盘式制动器液压站的控制系统同提升机的类型、自动化程度相适应的。在直流拖 动系统的提升系统中,由于提升机的调速性能较好,液压站控制的制动器一般只用于 提升终了时停车和安全制动。而在交流拖动的提升系统中,液压系统除上述功用外, 因制动器还要参与提升机速度的控制,所以液压站还有调节制动力矩的作用。 7.2 提升机液压站的工作要求 1.按矿井提升实际需要,产生不同的工作油压,控制制动器的工作制动力矩,从 而实现提升机的工作制动。 2.在安全制动时能迅速回油,并实现提升机二级制动。 3.根据矿井多水平生产、或因提升钢丝绳伸长而需要调绳时,能控制双滚筒提升 机的游动滚筒的调绳装置。 4.根据多水平生产、或钢丝绳伸长时间时调绳的需要,控制双筒提升机滚筒的调 绳装置。 7.3 液压站的维护及注意事项 1.要注意排除系统油液内的空气。液压系统中油液的可缩性很小,在一般情况下 它的影响可忽略不计。但是,低压空气的可缩性很大,约为油液的 1000 倍,所以,即 使液压系统中含有少量空气,其影响也是很大的。溶解在油液中的空气,会使系统在 工作时产生噪声,在提升机制动过程中会使制动器发生颤动,在盘式制动器工作时将 会延长松闸时间。因此,在使用中应经常注意排除油液中的空气。 2.油泵的吸油管不宜太短,所有回油管的出油口均需在油箱的油面一下。吸油管 与回油管不能靠的太近,以免回油飞溅成泡沫,容易将空气吸入油泵; 3.平时要及时更换实效的密封元件和摩损超限的液压元件; 4.工作中要保证油液的清洁,防止杂质或污物混入油液,否则就会使液压系统产 生各种障碍; 5.经常检查滤油器的工作状况。对粗滤油器应定期清洗。纸质滤油器经常使用一 定时间后,纸质滤油器芯会被赃物堵塞而失效,失效的滤芯不能清洗复用,而需要更 山西工程技术学院毕业设计说明书 换新的滤芯; 6.平时要注意检查油液温度,液压温度最好维持在通常温度下工作。过高过低都 会影响油液的工作特点 山西工程技术学院毕业设计说明书 8 基于 PLC 的提升机电控系统 可编程控制器(Programmable Logic Controller)是计算机技术与自动化控制技 术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置,是作为传统继电器的 替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器,在其内部存储执行逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,通过数字式或模拟式的输入输出来控制 各种类型的机械设备或生产过程。 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,可编程控制器更多地具有了计算机的 功能,不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序(步进)控制,还具有了模拟 量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。 由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程,并且编程简单,同时采用了模块 化结构设计,易于扩展和拆装,因而具有体积小,功耗低,可靠性高,组装维护方便, 控制功能完善和抗干扰能力强等特点,已广泛应用于工业控制的各个领域,成为当今 自动化电气控制的主流。 根据前面的设计,综合分析后来设计提升机的控制系统,在设计中为解决多层生 产线运输产品的不便,本设计采用可编程控制器来实现提升机的逻辑控制。PLC 具有功 能齐全、可靠性高、维护量小等特点,将其应用于提升系统是使用提升机实现现代化 生产和管理的重要途径之一。本设计首先分析提升机系统的控制要求。然后以 PLC 为 核心设计具有自锁、互锁等功能的提升系统。整个系统设计紧凑、便于调试和安装, 可靠性极强。 8.1 PLC 硬件设计 矿井提升机硬件结构主要包括控制系统、调速装置、放大驱动系统、换向回路、 安全回路等部分,本系统硬件设计构成如图 9-1 所示。 山西工程技术学院毕业设计说明书 图 8-1 系统硬件组成 采用 PLC 作主控制系统,分别接收来自司机操作台、检测系统、放大驱动控制系 统、闸控回路、安全回路、井筒信号系统、报警显示和外部各个监测元件的信息,这 些信息多数首先要经过主控程序的相应处理,并将相应的信息和指令发送到上述各个 系统中,来控制提升机系统运行。主控系统的软件主要用来执行提升机运行的逻辑、 比较、顺序控制、算术计算和位置控制等功能。 在全自动运行方式下,不需要司机操作,只要井底装载和井口卸载完成,发出完 成信号,提升机就自动起车,通过井底初加速和井筒主加速,进入等速运行,过减速 点后,按给定速度图减速、停车,并完成装载和卸载全过程;在手动控制和检修运行 方式下,井口给出开车控制信号后,由司机通过行程开关控制车组在各阶段的运行过 程,停车及装、卸载过程仍由系统自动控制完成。 为操作及检修的方便,首先 PLC 内部自检功能的故障输出接点直接进入安全回路, 一旦 PLC 出现故障,安全回路便立即动作,实现安全制动;同时系统中各种相应的运 行状态和各个外部线路,在 PLC 的输入和输出模块上,都要有相应的指示,通过指示 灯可以直接判断信号传输是否正常。 提升机是典型的顺序控制,控制信号决定其运行状态。提升机信号检测主要由一 系列的行程开关和光电传感器完成。 8.1.1 系统硬件设计 变频调速系统是由主电路和控制电路组成的。 山西工程技术学院毕业设计说明书 主电路是给异步电动机提供可控电源的电力转换部分,变频器的主电路分为两类, 其中电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波部分是电容。电 流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波部分是电感。它由三部 分构成,将工频电源变换为直流功率的整流部分,吸收在转变中产生的电压脉动的平 波回路部分,将直流功率变换为交流功率的逆变部分。控制电路是给主电路提供控制 信号的回路,它有决定频率和电压的运算电路,检测主电路数值的电压、电流检测电 路,检测电动机速度的的速度检测电路,将运算电路的控制信号放大的驱动电路,以 及对逆变器和电动机进行保护的保护电路组成。 (1)变频 PLC 调速主电路 根据预选电动机的额定功率、额定电压及变频器的选型规范,本设计应选用 1250KW/10KV 的高压变频器。 控制系统的核心部件为西门子公司的 S7-200PLC 和 MM440 变频器,采用并行连接, 其连接方式分为模拟量和开关量连接。其中开关量的连接方式抗干扰能力强。当重车 快到井口时,重车减速上行,延时 20 s 后, MM440 切换到第 3 频率段(设为 8 Hz),此 阶段一般为低速爬行,便于在规定位置停车;同样,再延时 5 s 后,MM440 切换到第 4 频率段(设为 0),重车减速到零,提升过程结束。 (2)变频 PLC 调速辅助电路 变频 PLC 调速辅助电路主要包括变/工频切换电路和变频器声光报警电路以及变频 器制动控制电路。 变/工频切换和声光报警电路 该电路设计方案有 2 种:一是报警设备设置在 PLC 端,即利用 Q4.6 和 Q4.7。二是 设在变频器端。这里讨论第 2 种,如图 2-2 所示。无论哪种方案均可满足以下要求:在 “变频运行”时,一旦变频器因故障而跳闸时,可自动切换为“工频运行”,同时进行声光 报警。 山西工程技术学院毕业设计说明书 图 8-2 变/工频切换和声光报警电路 当 PLC 的 Q3.1,Q3.2 输出开关量“1”,Q3.3 输出开关量“0”时,接触器 KM2 动作, 将电动机接至变频器的输出端。接触器 KM2 动作后 KM1 也动作,将工频电源接至变频 器的输入端,并允许电机起动。同时使连接到接触器 KM3 线圈控制电路中的接触器 KM2 常闭触点断开,确保接触器 KM3 不能接通。从而系统运行于变频状态。在变频运 行中,如果变频器因故障跳闸,则变频器的“NC-COM”触点断开, KM1 和 KM2 线圈 均失电,其主触点切断变频器与电源之间,以及变频器与电机之间的连接。同时“NO- COM”触点闭合,报警扬声器 HA 和报警灯 HL 进行声光报警。同时,时间继电器 KT(PLC 内)得电,其触点延时一段时间后闭合,使 Q3.3 输出为“1”并保持,电机进入工频运行 状态。 制动单元 在提升机工作过程中,当重车减速,由于提升机负载惯性较大,常常造成不能控 制准确停车;另外有占 10%的时间单独运送货物到井下时,电机长时间处于再生发电 状态,需要进行有效的制动。 8.2 PLC 软件设计 8.2.1 流程图 山西工程技术学院毕业设计说明书 图 8-3 流程图(1) 山西工程技术学院毕业设计说明书 图 8-4 流程图(2) 山西工程技术学院毕业设计说明书 8.2.2 梯形图 提升机运输梯形图如下图所示 (1)启动电机,开始初加速阶段 山西工程技术学院毕业设计说明书 (2)初加速阶段结束,加速阶段开始 (3)加速阶段结束,开始 山西工程技术学院毕业设计说明书 (4)匀速阶段结束,开始减速 (5)减速阶段结束,开始匀速 (6)提升机给定频率不断增加,向电机设定频率靠近 山西工程技术学院毕业设计说明书 (7)匀速阶段结束,开始减速 (8)减速阶段结束,开始制动 山西工程技术学院毕业设计说明书 (9)制动结束,提升机停车 (10)程序结束 山西工程技术学院毕业设计说明书 1 类型地址符 2 模拟量输出值 VW112 3 提升机制动 M0.3 4 提升机开始爬行 M0.2 5 提升机匀速 M0.1 6 提升机给定频率 VD100 7 提升机开始加速 M0.0 8 电机启动按钮 I0.0 9 电机停止按钮 I0.1 10 电机过载 I0.2 山西工程技术学院毕业设计说明书 11 电机过卷 IO.3 12 电机过热 I0.4 13 电机运行 Q0.0 14 电机制动 Q0.1 15 电机频率输出 AQW0 16 电机设定频率 VD200 表 8-1 符号表 山西工程技术学院毕业设计说明书 参考文献 1.潘英矿山提升机机械设计徐州:中国矿业大学出版社,2001 2.庄严.矿山运输与提升.徐州:中国矿业大学出版社,2009.2 3.许谬.电气控制与 PLC 应用(第四版):机械工业出版社,2012.1 4.方慎权煤矿机械徐州:中国矿业大学出版社,1986.11 5.成远葛煤矿提升设备的改造煤矿工业出版社,1988.8 6.肖兴明摩擦提升重大故障分析及预防北京:中国矿业大学出版社,1994 7.张复德矿井提升设备北京:北京煤炭工业出版社,1980 8.夏荣海.郝玉琛矿井提升机械设备徐州:中国矿业大学出版社,1997 9.濮良贵 纪名刚主编,机械设计(第七版),高等教育出版社,2002.7 10.赖昌干.矿山电工学.北京:煤炭工业出版社,2006.9 11.原艳红.煤矿电工.北京:机械工业出版社,2013.11 12.王栋.煤矿设备电气控制与PLC应用技术.北京:机械工业出版社,2014.1 13.成大先.姬奎生机械设计手册北京:化学工业出版社,2002 14.种庆福.高压变频调速技术在矿井提升机中的应用J.内燃机与配件,2018; 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本文标题:矿井提升机的选型及控制系统的设计
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