礦山機械論文范文

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篇1

一、煤炭在我國能源結構中的重要作用

煤炭是我國的主要能源，是國民經濟和社會發展不可缺少的物資基礎。我國煤炭資源豐富，煤炭資源分布面積約60多萬平方公里，占國土面積的6%。根據第三次全國煤炭資源預測與評價，全國煤炭資源總量5.57萬億噸，煤炭資源潛力巨大，煤炭資源總量居世界第一。已查明資源中精查資源量僅占25%，詳查資源僅占17%。探明儲量達到10202億噸。其中可開采儲量1891億噸，占18%，人均占有量僅145噸，低于世界平均水平。國務院制訂的《能源中長期發展規劃綱要（2004-2020）》（草案）指出“要大力調整優化能源結構，堅持以煤炭為主體，電力為中心，油氣和新能源全面發展的戰略”。鑒于我國“多煤、貧油、少氣（天然氣）”的特點，在今后一段相當長的時間內，能源結構仍然以煤炭為主，煤炭在一次能源消耗中占70%左右。2004年煤炭占我國一次能源生產的70%以上，在我國能源結構上占主要地位，有舉足輕重的作用。

根據我國全面建設小康社會的需求，煤炭消費的趨勢將有明顯上升。在煤炭消費用戶的構成中，電力、冶金、建材、化工4個行業煤炭消費量占煤炭消費總量從1990年的50%提高到2004年的84%，其中電力占51.8%，冶金11.64%，年占27%提高到2004年的51%，將近增長一倍。

二、我國煤炭工業發展現狀

進入21世紀，我國煤炭工業快速發展，2000年全國產煤9.9億噸，2001年產煤11.04億噸，2002年13.8億噸，2003年16.67億噸。2004年全國產煤19.56億噸，占全國一次性能源生產總量的74.3%，當年煤炭銷售量為18.91億噸，占全國一次性能源消費總量的65%，生產力水平顯著提高，產業結構調整取得重大進展。一些企業開始跨地區、跨行業的產業聯合，煤、電、化、路、港、航產業鏈開始形成，形成了一批在國內領先、在國際上具有一定競爭力的大集團，如神華集團、山西焦煤集團、兗州礦業集團等。我國煤炭產量急劇上升，得到了全世界的關注。

煤炭是我國能源安全的基石。煤炭工業是我國重要的基礎產業，我國的煤炭產量已是世界第一位，是煤炭生產大國，現在我國煤炭工業已具備了設計、施工、裝備及管理千萬噸露天煤礦和大中型礦井的能力。現代化綜采設備、綜掘設備和大型高效露天剝、采、運、支成套設備在大中型煤礦大量使用。同時，我國煤炭開采技術裝備總體水平低，煤炭生產技術裝備是機械化、部分機械化和手工作業并存的多層次結構。技術和裝備水平低。全國煤礦非機械化采煤60%。大中型國有重點煤礦裝備水平較先進，但設備老化程度較大；小型礦井生產技術裝備水平極低，煤礦生產工藝落后，作業人員過多、效率低。保障煤炭供應是國家加強煤炭工業宏觀調控的重點之一，挖掘煤炭生產潛力，加快大型煤炭基地建設，是重要措施。為此，只有大幅提高大中型煤礦產量，才能在保障煤炭穩定供應的前提條件下，遏制小煤礦發展和淘汰小煤礦，完成煤炭生產結構優化調整。1998年12月以來，國家對煤炭產業結構進行了重大調整，關閉了五萬多處小煤礦，淘汰了一批落后的生產能力，通過宏觀調控，煤炭生產形勢好轉，供求關系趨于平衡。目前我國煤炭生產企業2.5萬多家，其中規模以上的企業約占60%左右，2005年計劃關閉2000多家小煤礦。

三、我國煤炭工業存在的問題和與國際先進產煤國家的差距

1、我國煤炭企業規模小、產業集中度低我國煤炭企業的突出特點是，規模小、效率低、安全狀況不好，產業集中度低。據煤炭行業統計數據分析，2002年國有重點煤礦占52%，國有地方煤礦占18%，鄉鎮煤礦占30%。按井型劃分，大型礦井占32%，中型礦井占18%，小型礦井（含鄉鎮煤礦）占48%。2004年，全國約有煤礦2.5萬處，95%以上的小煤礦，礦井年產能力不足3萬噸的礦井約占40%，煤炭產業的集中度只有15%，遠遠低于世界主要產煤國家的水平。國際先進的產煤國家，煤炭產業規模集中化，世界排名前10名的大公司，依靠核心競爭力，做強做大，提高了全球煤炭產業的集中化程度。2003年10大煤炭公司的煤炭產量約占全球產量的18.81%，有5家公司的煤炭產量超過1億噸，其中排名第一的皮博迪公司達到1.83億噸，力拓公司達到1.43億噸，美國前4家企業的煤炭產量占本國煤炭總量的46.9%。

2、我國煤炭裝備落后，機械化、自動化程度低、缺少大型成套設備.我國煤礦生產基礎薄弱、國有煤礦連續緊張生產的礦井占總數的近50%，礦井主要生產設備嚴重老化，超期服役的占30-40%，部分鄉鎮煤礦設備簡陋、生產條件差，有的根本沒有機械設備，僅為人工開采，不符合有關煤炭法規要求，當前我國資源破壞和浪費嚴重。部分煤炭企業存在著“采厚棄薄”、“吃肥丟瘦”等浪費資源現象，全國煤礦平均資源回收率為30-35%左右，資源富集地區的小型礦井資源會回收率只有10-15%。據煤炭行業統計數據分析，2002年我國國有重點煤礦采煤機械化程度為77.78%，綜合采煤機械化為62.98%，掘進機械化程度為81.15%，綜合掘井機械化程度為15.03%，地方國有煤礦機械化程度更低。當前全國采煤機械化程度僅為42%，除國有大中型煤礦采掘機械化程度達到75%之外，大多數煤礦生產技術水平低，裝備差、效率低。特別是鄉鎮煤礦，基本上是非機械化開采。2004年鄉鎮煤礦產量占我國煤炭總產量的39%。對不適宜用放頂采煤的5.5米以上煤層，要采用一次采全高是最合理有效的采煤方法，但目前國內沒有相適應的高產高效的綜采成套設備。而國外美國久益（JOY）公司、德國德伯特（DBT）公司和德國艾克夫（Eickhoff）公司，都具有成熟的高煤層一次采全高的高產、高效綜采成套設備。神華集團引進的成套設備年產突破1085萬噸，工作面長度突破300米，最長的工作面已超過400米，工作面總裝機功率已超過5000kw。而國際先進的產煤國家，煤炭生產呈現出大功率重型化、自動化、集約化、按照環保的特點。國外先進的采煤設備向大功率、重型化發展，設備儲備系數大、運行可靠性高。DBT（德國德伯特）、JOY（美國久誼）和Eickhoof（德國艾克夫）等采礦設備公司都制造出具有自動化功能的產品。美國聯邦2號礦在工作面實現了跟機自動移架。澳大利亞Batana煤礦實現了自動割煤和跟機自動移架。特別是信息技術在煤礦生產中得到廣泛應用，先進煤礦廣泛采集工作面設備運行參數和環境安全檢測信息，在工作面集中顯現并通過以太網傳輸到地面計算機，實現遠程運輸和故障診斷。運輸系統、供電系統和通風系統均無人值守。實行集中遠程操作、視頻監視，輔助有專人巡視。井巷布置集約化，生產系統和環節少、實現了生產高度集中。通常是一礦、一井、一面生產。有些先進的長壁工作面每班只需6人，其中采煤機司機2人，維修工1人，機頭集中操作工1人，另外2人替換休息。高度重視工作環境的改善和人體安全防護。實現計算機監測安全信息，監測探頭遍布整個礦井。液壓支架具有跟機自動噴霧和移架自動噴霧功能；采煤機上方安裝導風板，減少煤塵進入人行空間。采煤機運行的下風側幾乎無人作業。

3、煤礦安全生產事故多我國煤礦安全生產方面，重大瓦斯事故多發，煤礦事故的總死亡人數達到了高峰，2004年我國生產約20億噸煤，事故死亡約六千人，這幾年煤炭產量大幅度增長，煤礦百萬噸死亡率還是下降的。由1994年的5.59人下降到2004年3.08人，美國生產約10億噸煤死27-31人，百萬噸死亡率約為0.039；波蘭百萬噸死亡率為0.09；南非百萬噸死亡率為0.13；俄羅斯百萬噸死亡率為0.34。我國百萬噸死亡率是美國的約100倍，俄羅斯的約10倍，印度的約12倍，大大超過煤炭先進生產國家。據有關專家講，礦井安全檢測儀表，安全設備均在設計中作了考慮，多數事故都是礦井管理問題，真正因設備問題而發生事故較少。先進產煤國家依靠大型、強力綜采技術裝備已經完成從普通綜采機械化向礦井高效集約化和自動化生產的過渡。高產高效煤礦的建設不僅提高煤炭生產效率，實現煤礦集約化生產，并為煤礦生產過程中的安全監測、監控創造條件，從而有效的預防和控制煤礦安全生產事故。先進產煤國家安全生產上十分重視，不僅有健全的安全生產法規體系，還有嚴細的生產安全措施，嚴格的煤礦生產準入制度，而且實現了計算機監測安全信息，監測探頭遍布整個礦井，保證了安全生產。

四、煤炭工業發展對礦山機械設備的需求

1、我國煤炭工業發展趨勢

據煤炭行業發展規劃相關內容，“十一五”期間，我國將新建煤礦3億噸左右，其中投產2億噸。國家將在“十一五”期間，對煤炭行業的工業結構進行調整，大力整合、改造、關閉小煤礦，同時適度加快大型煤炭基地的建設，開工一批現代化大型煤礦、置換落后的生產能力。“十一五”期間煤炭行業現代企業制度要進一步得到完善，大型煤炭企業集團基本形成，到2010年要形成5-6個億噸級生產能力的特大型企業集團，5-6個5000萬噸級生產能力的大型企業，產量將占全國煤炭總產量的60%左右。通過新建和老礦井技術改造，全國將建成300處高產高效礦井，高產高效的礦井產量將占全國總產量的50%左右。“十一五”期間，國家將建設神東、晉北、晉東、蒙東（東北）、云貴、河南、魯西、晉中、兩淮、黃隴（華亭）、翼中、寧東、陜北等13個大型煤炭基地，這些基地的儲量，占全國儲量的70%以上，作為煤炭供應規劃和建設的核心。初步預測全國煤炭需求量：2010年為25-27億噸、2020年為30-32億噸，均占能源需求量的60%以上。據相關部分統計，2004年國有重點煤礦原煤產量9.22億噸，超過其核定生產能力50%以上，煤炭生產能力嚴重不足。經測算，到2020年，新建和在建的國有煤礦的生產能力約為7.1億噸。如果屆時中國小煤礦的產量仍保持目前的6億噸，按需求預測的高端方案，未來20年中國需新增煤礦產能17億噸，年均8500萬噸；按需求預測的低端方案，未來20年中國需新增煤礦產能13億噸，年均6500萬噸。2、對礦山機械設備的需求

“十一五”期間，煤炭工業的生產技術水平將明顯提高。國家將建成140個高效安全現代化礦井，國家將加大對煤礦建設項目的支持力度，已先后有17個煤炭建設項目，由國家開發銀行出具貸款承諾，還將100多個高檔普采工作面升為綜采工作面，100多個普采工作面升為高檔普采工作面。這樣，中國大型煤礦采掘機械化程度將達到95%。中型煤礦的機械化程度將達到80%以上；大型煤礦國內先進水平裝備率達到20%，國際先進水平裝備率達到6%，中型煤礦國內先進水平裝備率達到10%，小型煤礦機械化、半機械化程度達30%以上。據此分析，煤炭需求的急劇增長，上述煤礦采掘機械化指標還會有所突破，這為煤礦裝備的發展提供了廣闊的市場前景。

（1）井下綜采重點設備

我國煤炭開采90%以上的井工開采的，井工開采占煤炭開采的主導地位。為迅速提高我國綜合裝備水平，要以科學發展觀為指導，采取跨越式發展模式。在“十一五”期間應以日產2.5-3萬噸（年產1000萬噸左右）的綜采成套設備國產化為突破口，全國實現綜采成套設備國產化，推動我國礦山機械工業的發展。

預計從2004年到2020年，每年新增綜采工作面成套設備為30套、普采工作面成套設備50套，每年設備更新量約為現有的基數的六分之一。粗略估算，2010年采煤成套設備年需求量將達到500臺套左右。高產高效綜采技術的核心是井下工作面綜合機械化采煤輸送設備，主要有采煤機、刮板輸送機、液壓支架和帶式輸送機。急需開發研究的電牽引采煤機：裝機總功率為2000kw左右，供電電壓為3.3KV、采高范圍為5-6m，生產能力達3000t/h左右。

重型刮板輸送機：輸送能力3000-5000t/h，鋪設長度250-400m，鏈速1.4m/s，裝機功率3×700或2×1000kw，供電電壓為3.3KV。

液壓支架：最大工作阻力12000KN，立柱最大缸徑ф480mm，支護高度6m，架間距1.75-2m，支架降移升時間8-12s，采用電液控制系統。

大型帶式輸送機：裝機功率1500-4000KN，電壓3.3KV，帶寬≥1.4m，帶速≥5m/s，運量≥5000t/h，距離50000m以上，托輥壽命5萬小時以上，減速器壽命7萬小時以上。

（2）井下綜掘設備

我國目前綜掘機械化程度比較低，僅為12.81%，遠遠跟不上綜采機械化的發展，其中掘進機雖有較大的發展，但整體技術水平仍比國際先進水平有較大差距。

需研究開發先進的掘進機：其截割功率300kw以上，截割斷面最大可達42m2，經濟截割硬度達f12，可靠性要求，齒輪壽命在20000h以上，軸承壽命在30000h以上，力爭整機掘進10000米無故障。

同時要結合我國國情和煤礦實際工礦，開發研制集切割、裝運、行走、錨桿支護、機載、除塵等功能為一體的掘錨聯合裝備機組，可大大提高掘進速度。

（3）全自動刨媒設備

我國薄煤層儲量約占總儲量的21%左右，但是由于煤層薄，作業空間小，工作條件惡劣，薄煤層高產高效開采技術一直是我國煤炭工業研究探討的重要難題。刨煤機作為一種“淺截深、多循環”的采煤設備，是實現薄煤層高產高效的有效途徑。提高薄煤層機械化水平加快薄煤層資源的開采進度，不僅可以充分利用有限的資源，提高礦井整體生產能力，同時，也有利于保障煤礦的安全生產。開發研制大功能、高強度、高效率、緊湊型的全自動刨煤成套設備勢在必行。全自動刨煤成套設備（采高0.6-1.8m），主要包括刨煤機、配套刮板輸送機、薄煤層液壓支架、順槽轉載機、破碎機等產品。我國目前主要從德國DBT進口主機——刨煤機及配套刮板輸送機，由北京煤炭機械廠配套薄煤層液壓支架，張家口煤礦機械有限公司配套轉載機和破碎機。到目前已進口六套（鐵法2套、晉城、西山、陽泉、大同各1套）。開發研制的全自動刨煤成套設備：其生產能力1000噸/小時，鋪設長度250-300米，適應煤層厚度0.8-2米，適應煤質硬度F≤3.5，適應煤層傾角≤25度，功率2×400kw（刨頭部分）、刨煤方式為雙速混合式，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、下鏈牽引，牽引鏈38毫米D級，刨煤機采用智能控制系統，能自動監視故障性質和位置。

（4）礦井提升設備

目前我國約90%的原煤是靠井工開采的，礦井提升設備是井工開采的咽喉設備，它不僅關系到礦井的產煤量，而且直接影響到人身和整個礦井的安全。我國煤炭產量到2020年將達20-32億噸，估計每年需新增大型、特大型礦井提升機約30臺套，考慮到更新改造，綜合估算在“十一五”期間平均年需各類提升機150-180臺套，其中大型和特大型約占20%，中小型約占80%，每年新增提升機產值5.4億元左右。開發研制適用于年產1000萬噸的特大型礦井提升設備，其規格為6×4、7×4多繩提升機、最大拖動功率單機為6000KW、雙機為2×4000KW、最大提升速度14×16米/秒，整機使用壽命為25年。

采用恒力矩、恒減速液壓控制系統：采用計算機數字控制自動化運行，提升速度及容器位置的監控全由電氣自動檢測、反饋、調整。實現提升機的全自動化監控運行。

（5）露天礦井開采成套設備

露天開采占我國煤炭總開采量的10%左右。露天開采與井工開采相比具有煤炭資源利用率高，開采成本低，作業現場和工作人員更加安全等優點。所以，發展露天開采更有其井工開采無法相比的作用和意義。大型露天礦設備從設計、制造到使用的技術性強，世界各國都爭相把最先進的技術成果用在大型露天礦設備上，因此發展大型露天礦設備可以帶動機械、電氣、液壓、信息等行業的發展，推動和促進我國民族工業的發展。當前世界露天礦開采特點是：高度集中化開采與集約化經營；開采工藝的多樣化；企業管理的計算機化與智能礦山；合理充分利用資源，重建生態環境保持可持續發展等幾個方面。在我國大型煤炭基地建設總體規劃方案中，神東、晉北、蒙東（東北）、云貴、黃隴（華亭）、陜西等基地都建有大型露天煤礦，僅霍林河、伊敏河、勝利、平朔哈爾烏蘇2000萬t采選項目中16-45m3礦用挖掘機市場需求量就可達30-50億元；哈爾烏、武家塔、馬家塔采選項目等需大型拉鏟15-20億元，又比如對半連續開采工藝設備僅蒙東要建7個5000萬t級煤炭基地，建設一批保證勝利一二三號、百音花、伊敏河、寶日希勒一號和二號等超過千瓦噸級大型露天煤礦，加上神府、哈爾烏蘇和原有五大露天煤礦的改建及二、三期擴建，移動式、半移動式破碎站需求量在40-60臺（套）之間，要求移動式（半移動式）破碎站的生產能力達到每小時2000-4000噸（碎煤），最高達到每小時6000噸（碎巖）。在上述煤礦建設中對礦用卡車的需求量，估計，“十一五”期間需100t級礦用車在250輛左右。當前需要開發研制斗容28m3、45m3的大型機械式正鏟，斗容70m3、90m3、100m3臂長約為100m的大型拉鏟，降低電能消耗17%，減少機械零部件應力載荷約30%，提高零部件使用壽命，使平均無故障時間達到國際先進水平。開發研制斗輪挖掘機，爭取與國外合作制造3600m3大型斗輪挖掘機，達到國際先進水平。開發研制移動式、半移動式大型破碎站，其生產能力4000-6000-8000t/h，破碎物料強度≤150Mpa，給料粒度1500×1500×1500-2500×2500×2500mm，排料粒度≤350mm，立機形式新型雙齒輥破碎機（中心距1500-1800mm，輥長2500-4000mm，功率2×300-2×500KW）。開發研制帶寬2m的大型帶式輸送機，功率3×1400KW，運輸量12000t/h，半固定式單機長8820m，移置式單機長5270m，在-45℃低溫下能正常運行。爭取與國外合作，開發研制載重170-360t的大型電動輪自卸車，并達到國際同類產品的先進水平。

（6）煤炭洗選加工設備煤炭清潔洗選加工技術是資源綜合利用的基礎，是提高煤炭熱效率的有效途徑，也是保障國民經濟可持續發展和環境保護的需要，煤炭洗選加工業在政策扶持、科技進步、市場拉動、投資增加和環保要求的推動下，呈現出快速發展、總體推進、擴量提質、增效降污的可喜局面，原煤入洗比例不斷提高。到2004年末，全國共有年入洗3萬噸及以上的選煤廠2000余座，設計能力7.5億噸以上，原煤入洗量為5億噸左右。2005年，全國原煤入洗能力將突破8億噸，入洗量將達到6億噸，入洗比例達40%，根據煤炭工業規劃，到2010年原煤入洗率達50%，原煤入洗量提高到11億噸，煉焦煤全部入洗，動力煤入洗率達到40%以上。據此計算，每年將新增8000-10000萬噸原煤入洗，按400萬噸規模洗選煤廠計算，每年將新增25座大型洗選煤廠，加上現有洗選煤廠的技術改造每年約需洗選煤設備250套左右，洗選煤設備的發展潛力很大。為適應煤洗選加工的要求，應開發研制單機處理能力為1000-2000m3/h的新型浮選機，其主要參數能夠實現自動控制。開發研制篩子面積≥28m3的高可靠性大型直線振動篩。開發研制入料粒度25-400mm、處理能力為300-400T/h的高效液壓動篩淘汰機。開發研制篩籃直徑≥1.4米，處理能力≥300T/h的大型臥式振動離心脫水機和400m2高效精煤壓濾機、處理能力≥35T/h的沉降式離心脫水機等高效脫水設備。開發研究并解決300-400萬噸/年的大型選煤廠的集中控制和智能化管理技術與裝備，實現選煤的全過程的主要工藝參數，煤炭灰分、水分、發熱量、懸浮液密度、入料濃度、流量、旋流器入口壓力、跳汰機床層厚度、松散度、浮選加藥量、耙工濃縮機溢流水的濁度、皮帶輸送機的煤流量等指標的在線檢測、實現跳淘機、浮選機、重介旋流器、壓濾機等主要分選設備單機自動化控制系統和選煤廠全廠的綜合自動化控制系統。

篇2

【關鍵詞】礦山機械;情感化設計;研究與應用

一、概述

1.1情感化設計的含義

根據本文總結，得出情感化設計的大概含義。本文認為情感化設計是一種人性化的設計，其改變了傳統的器械設計過程中只關注產品實用性的特點，將著眼點放于產品外形特征對于使用者的情感慰藉方面的作用，通過對產品外觀的設計，使得使用者對器械進行更加有效的使用。

1.2對實現礦山機械情感化的作用的研究

本文認為，實現礦山機械情感化設計的作用表現在兩個方面。首先是對于礦山作業者工作效率的影響。前文也有所提及，礦山作業相較于其他的工作來說其工作量是較為巨大的，因此，在礦山工作者工作時易產生疲勞的情緒，對工作提不起精神。而這時情感化設計就可以起到一定的作用，通過對顏色、外形等方面的改造，使得礦山工作者在進行機械使用時更具有精力。第二個影響即是對于安全性的影響。結合以往的對于礦山安全事故的報道可以得知，礦山作業的安全性雖然在近年得到了很大的提升，但是仍然具有一定的危險性，尤其是在警示不夠且操作者疲乏的時候，更容易發生安全事故。情感化設計可以通過機械外形的刺激使得使用者具有警覺，從而減少事故的發生。

二、礦山機械情感化的實際應用

1、機械色彩應當保持明亮。在礦山機械的使用過程中，其外形對人產生最直接的沖擊作用的就是機械的色彩。本文認為，在進行礦山機械設計的過程中，為了突出情感化設計的特點，其色彩應當從這兩個方面加以注意。首先是從對使用者精神和視覺神經的刺激方面出發。據實驗表明，深沉灰暗的色彩更容易使人出現疲乏的現象，而明亮的色彩可以振奮人的精神，因此，在進行礦山機械設計的時候，應當采用紅、橙等明亮的顏色。但是，顏色整體應當趨于簡單，不應當制造色彩斑斕的外形，尤其是儀表盤的應當盡量簡單，以防使用者因為眼花繚亂而產生操作失誤的現象。另一個方面是對于安全警示方面的作用。其實為了刺激人的視覺而選擇的明亮色彩同時也具有個人提供警示的作用，但是本文認為，除了整體的顏色之外，為了機械操作的安全，機械上的關注部位應當用重點色彩進行標記，使得機械的使用者對其進行高度的關注，減少事故的發生。2、機械外形應當穩重可靠。除了礦山機械的色彩之外，其外形同樣能給使用者起到心理暗示的作用。在我們傳統的認知當中，普遍認為棱角分明的結構較之彎彎曲曲的結構更加具有安全感。而礦山機械由于其作業地點的特殊性以及其工作人員心理的特殊性，對其外表的穩重程度的要求比其他機械更高。因此，根據對礦山機械使用者情感的分析得出，其希望在較為不穩定工作環境中尋找一個穩定的依靠，因此，礦山機械的設計應當較多地利用直角和直線，以突出其穩定感。但是，從另一個方面而言，棱角分明的機械雖然看起來穩固可靠，但是也給人一種重機械的壓抑感，影響礦山工作者的工作熱情，因此，在進行礦山機械設計的時候，應當做到在保障整體結構的穩定可靠性的基礎上融入較為柔和的線條，減緩重型機械給人心理帶來的壓抑感和嚴肅感。3、機械的操作應當具有規整性。至于礦山機械操作的規整性，可能是一個較為難于理解的概念。本文想突出的是，在礦山機械的操作過程中，其作用的效果應當具有一定的規律。例如，在運用挖煤機器的時候，挖煤機器挖出的煤最好是具有統一的大小和形狀，這樣的機械工作，不僅可以使得工作者心理因為煤塊的整齊而感到舒心而且可以生出一種對這種機械操作的成就感。因此，要想實現礦山機械的情感化設計不僅需要對其外形進行改造，使其的作業方式變得更規整也是對增進工作者的工作效率具有重大影響的舉措之一。

總的來說，要想實現礦山機械情感化設計的成功應用，就應把握住礦山工作則在工作的時候與其他工作者心理的不同，再通過研究，將能對其心理產生積極影響的元素融入到礦山機械的設計中去，以實現更安全高效的礦山工作。

作者:孔德博 張莉婷 單位:1.五礦邯邢礦業邯鄲地質勘查有限公司 2.五礦邯邢礦業邯鄲中冶建設有限公司

參考文獻

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篇3

關鍵詞：4象限運行 DTC控制技術 整流和逆變 無功功率 諧波

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

礦井提升機是有色金屬礦山生產過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。提升機屬于往復運動的生產機械。它的運行方式是反復的啟動加速—等速—加速—勻速—減速—爬行—停車，是典型的位勢負載。在選擇提升機的拖動裝置時，應滿足提升機對電控系統的一些要求。

1）滿足4象限運行。

2）調速平滑，調速精度高。

3）要設置準確可靠的速度給定裝置。

4）設置行程顯示和行程控制器。

5）完善的故障監視裝置。

6）可靠的閘控裝置。

根據提升機對電控系統的要求，提升機的電氣傳動方案現在大約有：繞線式異步電動機轉子回路串金屬電阻調速、可控硅直流調速、變頻調速。

繞線式異步電動機轉子回路串金屬電阻調速：普遍采用交流繞線式電動機串金屬電阻調速系統，金屬電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行一段時間后，交流接觸器主觸頭易氧化，引發設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調速和制動，在轉子電路上所串的金屬電阻將消耗相當大的能量。這種交流繞線式電動機串金屬電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大；金屬電阻上消耗的轉差功率大，節能較差；起動過程和調速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。

可控硅直流調速：直流電機的調速性能良好，調速方法簡便、調速范圍寬廣平滑。可控硅直流調速在低速時功率因數很低，產生諧波對供電電網有影響。由于可控硅整流電路交流側電流波形為方塊形波形，它由與電源頻率相同的基波及5，7，11，13等次的高次偕波電流組成；還由于換相時兩相電壓的瞬時短路造成交流電壓波形的缺口，它使電壓具有高頻的分量；因此整流電路可以被看成是一個高次諧波電源。高次諧波電流在供電電網上會造成諧波壓降，引起電網電壓波形的畸變，它將影響供電電網向其它設備的供電。

變頻調速：隨著變頻的控制技術的日益成熟和變頻功率元件的加大，變頻調速已廣泛的應用于工業領域。變頻調速節能特點顯著，調試方便。

現將變頻調速在礦井提升上的應用及其功能、特性、控制方式介紹如下。

2 應用事例 2.1 系統構成

提升機電控系統分為以下幾部分：電源柜、變頻器、PLC控制臺、操作控制臺和各種傳感器等幾部分組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2.1.1 電源柜

電源柜主要通過斷路器向變頻器、提升電動機供電，同時為PLC控制臺、操作控制臺提供工作電源。 本提升機系統采用PLC進行控制，PLC監視運行狀況，當系統出現故障時，捕捉到第一故障信號,并在操作臺的觸摸屏上有醒目的故障顯示，提醒維修人員對其進行針對性維護，將維護時間大大縮短，為盡快恢復生產提供了有力保障。

2.1.3 變頻器設備的選型

該斜井提升機是單卷筒提升機。它采用貨物串車重車上行輕（重）車下行、載人上下行的方式。在下行時電動機處于發電狀態。上行時處于電動狀態。這種拖動系統要求電動機頻繁的正、反轉起動，減速制動，而且電動機的轉速按一定規律變化。

對于處于發電狀態的電動機用變頻器驅動可采用2種方式。

1）選用標準的變頻器+制動單元+剎車電阻,將再生能量通過電阻發熱消耗掉。這種調速方式雖然一次投資較小，但是不能達到良好的節能效果。而且制動單元和制動電阻功率的選擇要根據制動容量來選擇。制動電阻還要占用本來就很狹小的坑內硐室面積。制動電阻的散熱問題較難解決。所以在方案論證時就被否定掉了。

2）采用整流/回饋單元,將再生能量通過一整流橋回饋到電網。

這種方式的整流單元有兩種電路：一種是以可控硅整流電流做整流/回饋單元。因為是采用的可控硅電路就有諧波產生（上面已經論述的）。

另一種調速方案是采用可調整的整流輸入單元（回饋單元，IGBT元件）后經傳動單元（正常逆變單元，IG

BT元件）送電給提升電動機。當電動機處于發電狀態時將能量通過整流單元回饋到電網。本方案就采用的是這種調速方案。

目前許多國外品牌的變頻器都能夠實現這一功能。其中水平較高的產品是ABB公司的ACS800多傳動系列和西門子公司6SE70帶AFE整流/回饋單元的產品。

ABB公司ACS800-17系列先進的變頻器，是第一代采用直接轉矩控制技術（DTC）的變頻器。它能控制提升交流電動機達到完美的極限。經過論證選擇了ABB公司的ACS800-17-0390-3全數字交流變頻調速裝置。它的一些功能在下面敘述。

2.1.4 三體式控制臺

控制臺上設有自動、手動、檢修轉換開關，前方操作臺上設有液晶觸摸屏及各種儀表、信號燈，左側操作臺設有液壓站工作閘控制手柄、右側操作臺設有正反向速度給定手柄。

1）在控制臺上的液晶觸摸屏上采用翻頁的方式做有多幅組態界面：監控主界面、閘控液壓站界面、后備保護界面、故障查詢界面、電源監控界面、變頻器運行界面、提升信號狀態界面。

2）每個界面上均有返回主界面的按鈕，主界面上主要監視礦車的實際運行位置、提升時每個時刻的速度、液壓站的運行狀況、較嚴重的故障報警。主界面上還有相應的提升信號顯示。

3）閘控液壓站界面主要顯示液壓站的油壓、油溫、液位、液壓站的電動機工作狀態、液壓工作閘指示、油壓力等。

4）后備保護界面主要顯示：深度指示器監視、松繩保護、冷卻風機、電機溫度保護、減速器溫度保護、減速點保護、減速點失效保護、上2 m開關故障、下2 m開關故障、上同步開關故障、下同步開關故障、上過卷、下過卷、上減速開關故障、下減速開關故障、錯向保護、減速過速、等速過速、一級制動、二級制動、電流過載等。

5）故障查詢界面主要用于對各種故障情況進行查詢、追憶，便于對設備的維護和管理。

6）電源監控界面主要顯示系統的電源原理圖及主回路電流和電壓。

7）變頻器運行界面可以顯示變頻器運行時的各種參數：散熱器的溫度、電流、頻率、轉矩及各種故障。

2.2 電動機的工作過程

提升機無論正轉、反轉其工作過程是相同的，都有起動加速、穩定運行、減速制動停車等3個階段。每提升一次運行的時間，與系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關，各段加速度的大小，根據工藝情況確定。不論它工作在何種速段，電動機只是處于電動機狀態和發電機狀態。圖2中將6號人車上提和人車下放的各個速段的工作情況說明如下：由于人車是在斜井中運行，可以省去中速運行和低速爬行的2個階段，因此本系統由7階段速度圖改為3階段速度圖。載人的力圖如圖3所示。

圖2 速度圖

2.2.1 人車提升工作狀態

1）第1階段t0～t1：人車初始位置于靠近井下提升中段以上的斜井卷揚道上，待人員上滿后，

圖3 載人的力圖

發一個聯絡信號給井口PLC，PLC回復一個信號到井底，然后開機加速提升。重車從井下開始上行，變頻器拖動交流電動機上行。這時的電動機處于電動狀態，變頻器輸出功率給電動機。在啟動的瞬間的力矩較大，隨著人車的上升變頻器的出力有所減少。 3）第3階段t2～t3：當重車快到井口時PLC發出減速信號，人車開始減速，變頻器減少輸出功率，重車的速度逐漸下降，直到速度為零。達到停車位置后，在工作制動閘起作用之前，由于車廂還載有重物，雖然電動機的轉速為零，但是變頻器依然可以提供滿力矩拉住重車。一旦PLC發出機械抱閘信號，在下工作閘的同時，變頻器也停止工作。整個提升過程結束。

經過t3～t4：20 s的休止時間間隙開始人車下放工作狀態

2.2.2 人車下放工作狀態

1）第1階段t4～t5：重車從井口下放。PLC給變頻器輸出給定信號，松工作閘，人車下滑。由于此時的工作狀態是下行，電動機處于發電狀態，變頻器處于能量回饋到電網狀態。在啟動瞬間以后隨著人車的下放，重力增加，變頻器的能量回饋有所增加。

2）第2階段t5～t6：重車以最大速度穩定運行，電動機始終處于發電狀態，這段過程時間最長。隨著人車不斷下放，系統重力不斷增加，變頻器能量回饋隨之增加。

3）第3階段t6～t7：當重車快到停車位置時PLC發出減速信號，人車減速，變頻器能量回饋再次增加，重車的速度逐漸下降。直到速度為零。 達到停車位置后，在工作制動閘起作用之前，由于車廂還載有重物，雖然電動機的轉速為零，但是變頻器依然可以提供滿力矩拉住重車。一旦PLC發出機械抱閘信號，在下工作閘的同時，變頻器也停止工作。整個提升過程結束。

3 先進的控制方式

本系統采用ABB的ACS800-17變頻器是ABB公司先進的變頻器，它是第一代采用直接轉矩控制技術（DTC）的交流變頻器，作為提升專用變頻器它還具有特殊的提升功能：特殊的應用程序，包括標準提升機系統的功能；轉矩記憶，功率優化，限幅開關監控，機械制動器控制，轉矩驗證等。

它的功率部分（見圖4）有LCL濾波器，供電模塊（回饋模塊），逆變器（傳動單元）組成。

圖4 功率部分框圖 圖5 IGBT供電單元原理圖

電機的控制采用直接轉矩控制技術（DTC）的方法。為了實現這一功能，需要測量二相電流和中間直流回路的電壓。第三相的控制測量用于接地（對地）故障保護。

從提升和下放兩個工作狀態上看，該系統的運行過程主要分為兩個過程：

1）提升電動機在提升過程中始終是電動機拖動人車上行，電動機始終處于電動狀態，即變頻器始終向電動機提供能量的過程。該過程主要由整流、濾波和正常逆變三大部分組成。如圖6所示。其中正常逆變過程是其核心部分，它改變電機定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調速作用。

圖6 傳動單元原理圖

2）提升電動機在下放過程中始終是人車拖動電動機下行，電動機始終處于發電狀態，即變頻器始終向電網回饋能量的過程。該過程主要由整流、回饋逆變 和輸出濾波三部分組成。其中該部分的整流是由正常逆變部分中IGBT的續流二極管完成。二極管為隔離二極管，其主要作用是隔離正常逆變部分和回饋逆變部分。電容的主要作用是為回饋逆變部分提供一個穩定的電壓源，保證逆變部分運行更可靠。回饋逆變部分是整個回饋過程的核心部分，該部分實現回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位的一致。

ABB的ACS800多傳動采用了先進的直接轉矩控制方式（DTC）。

3.1 直接轉矩控制

直接轉矩控制技術是ABB公司開發研制的。逆變器的通斷直接控制電動機關鍵的變量：磁通和轉矩。

傳動單元初次啟動時自動進入勵磁識別模式，傳動單元帶動電動機運行一段時間后傳動單元建立并優化電動機的數學模型。

測量電動機電流和電壓作為自適應電動機模型的輸入，這個模型每隔25 μs產生一組精確的轉矩和磁通的實際值。直接轉矩控制的性能就是基于準確的電動機模型。

3.2 零轉速滿轉矩

在電動機獲得解除封鎖信號后，電動機的速度設定值還未給定時，由于人車的重力作用有一個向下的力。這時變頻器雖然沒有輸出電壓但已經有電流輸出，它使電動機有一個和重力相反的力矩使人車不下滑。而且可以使電動機輸出滿轉矩。

ABB變頻器帶動的電動機能夠獲得在零速時電動機的額定轉矩。

3.3 直流勵磁

當選擇了直流勵磁功能后，變頻器在啟動前可自動給電動機定子繞組加一個直流電流勵磁，這個特性保證有足夠高的啟動轉矩，甚至200％的電動機額定轉矩。電動機建立磁場的時間可以根據情況進行調整，也可以通過變頻器根據電動機的數學模型來決定。在機械抱閘釋放的時候已經建立起轉矩，以保持電動機不會被重車拖動而發生轉動。

3.4 加速/減速斜波 因為礦井提升是需要平穩的、圓滑的、特別是人車還要乘坐的人盡量在無知覺的行進中改變速度。對于礦井提升選用S曲線比較好。

3.5 磁通制動

在電動機制動過程中變頻器根據在啟動開始獲得的電動機數學模型提高電動機的磁場以達到快速制動的目的。

變頻器能通過提高電動機的磁場來提供足夠快的減速。當增加電動機磁通后，電動機在制動過程中產生的能量能夠被轉化為電動機的發熱能量。變頻器持續監視電動機的狀態，在磁通制動時也不停止監視。因此，磁通制動也能用于停止電動機和從一個轉速變換到另一個轉速。從一個轉速變換到另一個轉速用直流注入制動是不可能實現的。磁通制動與直流注入制動相比還有其它一些優點。

1）在停止命令給出后，制動迅速啟動。在直流注入制動中，在停止命令給出后通常有一段時間的延時，制動才能啟動。

2）電動機冷卻的速率更高。在磁通制動過程中電動機定子的電流增加。在直流注入制動過程中電動機的轉子電流增加。定子的散熱比轉子散熱的速度更快。

3.6 磁通優化

ABB變頻器的磁通優化減少了總能耗，并且減小了當傳動運行在低于額定負載時的電動機噪音。總效率（電動機和傳動）能提高1% ~ 10%，大小取決于負載轉矩和速度。

4 系統中變頻器部分先進功能簡述

1）速度監視。本功能用于監測電動機速度：確定電動機零速旋轉、在電動機超速時給出跳閘信號。

2）轉矩監視。監測電動機在加速和減速時是否能夠跟隨速度給定，在正常運行和加/減速期間是否產生過度的速度偏差

3）快速停車。可設定不同的停車類型：

①僅帶有轉矩限制；

②帶有轉矩限制和機械制動；

③僅帶有機械制動。

4）其他還有：轉矩驗證、功率優化、位置測量等等很多專門用于提升應用的功能,變頻器本身具有松繩及過載保護功能。

5 系統的優點

1）軟啟動軟停車。減小了機械沖擊, 啟動及加速換檔時對電網沖擊電流很小,使提升系統和電網運行更加穩定可靠. 變頻器本身提供的功能使機械制動與電制動有機的結合起來，保證系統的絕對安全。

2）外圍控制采用PLC。其與各部傳感器,構成閉環控制(也可采用開環控制)，友好的人機界面時時監測系統運行情況,簡化了系統構成,減小了人工勞動強度。

3）實現了無級調速。調速范圍寬,運行曲線呈S型,使加/減速平滑,無沖擊感。

4）安全保護功能齊全。外殼IP54防護等級,變頻器除一般過流、直流過壓、直流欠壓、變頻器過溫、短路、輸入缺相、環境溫度、過頻、I/O控制板內部故障外, 還具可編程故障保護功能、 AI 5）系統4象限運行。能量直接回饋電網,且不受回饋能量大小的限制,則保證了提升機運行時可頻繁的停車,啟動及換向，節約大量電能。

6）控制精度高、動態性能好。采用全數字、IGBT逆變器變頻單元向負載提供變頻電源，使所有控制功能均由參數設定完成。直接轉矩控制，可實現高動態性能的轉速控制、轉矩控制。旋轉脈沖編碼器的使用，可實現提升機的精確定位。

1 ABB-ACS800硬件手冊

2 ABB-ACS800多傳動模塊手冊

3 ABB-ACS800-104逆變器模塊硬件手冊

4 ABB-ACS800標準應用程序

5 采礦手冊(5). 冶金工業出版社

6 洪曉華，陳軍. 礦井運輸提升.中國礦業大學出版社