一种传动系统内置式矿井提升机

耿宝光 闫焕景

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030031； 2.山西省平遥减速器有限责任公司，山西 平遥 031100）

本文设计的是一种单绳缠绕式矿井提升机。其电机采用体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应高、能耗低、效率高的永磁同步电动机[1]，充分利用卷筒内部空间，合理设计减速器，提高其传动效率，减低能耗，使提升机结构布置更合理。

1 传统单绳缠绕式矿井提升机

1.1 传统单绳缠绕式矿井提升机存在的问题

目前传统的矿井提升机绝大多数采用异步电动机，由于其功率因数低，能耗较大，造成电能资源的浪费；而且异步电机启动电流大，约为额定电流的5～7 倍左右，容易使电网受到冲击，进而影响其他用电设备[2]。JK 型提升机其联轴器、减速器、电动机是高速旋转部件，在运转过程中存在一定的安全隐患。

减速器选用通用系列减速器，在选型时一般偏大，其传动效率有待进一步提高。该类型提升机的综合效率约为70%～80%。

1.2 传统单绳缠绕式矿井提升机传动链分析

表1 为常用的几种单绳缠绕式单卷筒矿井提升机传动链长度、主轴装置长度以及占有的比例（有效利用率）。通过表1 可以得出，传统的单绳缠绕式矿井提升机在占地面积上的有效利用率在41%～44%。

表1 传动链分析

2 传动系统内置式提升机

2.1 结构概述

提升机采用传动系统内置式，在设计中，采用节能环保的设计理念。传动系统采用永磁同步电动机与行星齿轮减速器直接连接，减速器直接驱动卷筒旋转，通过卷筒上缠绕的钢丝绳来实现容器的提升或下降。

图1 所示为传动系统内置式提升机的结构示意图。该提升机结构主要由以下几部分组成：主轴装置（包括防爆接线盒2、电机支撑轴6、永磁同步电机8 及行星齿轮减速器10 等）、制动装置(包括盘式制动器1、液压系统、电力液压块式制动器14等)、卷筒装置（包括卷筒7、卷筒左支撑3、卷筒右支撑12 等）、卷筒支撑座3、13，安装座4、15 等。卷筒7 通过卷筒左右支撑和轴承固定在卷筒左支撑座3、卷筒右支撑座13 上，卷筒支座固定在基础上。电动机支撑轴6 与电机8 连接，并通过与卷筒左支撑座3 将电机固定。电机通过花键与减速器的输入轴联接，减速器输出轴与卷筒右支撑通过螺栓和柱销联接，卷筒右支撑与卷筒通过螺栓联接，并驱动卷筒旋转。减速器、电机均在卷筒内部，外露只有卷筒旋转，安全性高。

动力传递路线为：电机8 通过防爆接线盒2 接通电源，电机驱动减速器运转，减速器将动力传递给滚筒右支撑，从而驱动卷筒旋转。

图1 提升机结构示意图

2.2 驱动和传动系统结构及耗能分析

永磁同步电动机8 为整个提升机系统的动力提供装置，永磁同步电动机与异步电动机在输出功率与额定功率比值相同时，永磁同步电动机比异步电动机的效率高、功率因数高、启动电流小、对电网冲击小等[2]。

永磁同步电动机可以满足国家一级能耗标准，变频器可以保证整个系统的多驱动以及软启动电动机之间的功率平衡[3]。永磁电动机可根据转矩、转速要求进行设计，电机转速为500～600r/min；行星齿轮减速器可根据体积、重量等最优设计成三级，传动效率为94%～96%。由高速转动部件旋动不平衡造成的振动，噪声也会下降，减速器齿轮的啮合频率也随之降低，齿轮啮合产生的噪声也会降低[3]。对采用的减速器齿轮用CAD 软件进行优化设计，并对齿轮进行合理的修形。在减速器输出扭矩相同的条件下，体积和重量分别为NBD 及ZZL 型减速器的50%、60%。

综合上述，采用永磁同步电动机可以使效率提高，能耗减低，再配优化设计的行星减速器，综合效率达93%左右。

2.3 提升机性能参数设计

（1）根据用户实际需求性能参数

根据《煤矿安全规程》的规定：节能型提升机专为升降物料，新钢丝绳的安全系数m 不得小于6.5。选择钢丝绳：结构为6 △19，绳径为Φ31，如表2 所示。

表2 新型提升机性能参数表

（2）卷筒宽度的确定

根据《煤矿安全规程》的规定：在斜井中升降物料时，允许缠绕三层 。依据提升机性能参数表中最大拖运长度600m，由公式：

ψ-考虑提升系统运转时，有加、减速度及钢丝绳重量等因素影响的系数，箕斗提升ψ=1.2～1.4，罐笼提升ψ=1.4；

η-减速器传动效率，94%～96%。

经式（2）计算，选择电机功率为132kW，转速为600r/min 的永磁同步电动机。

（4）减速器速比的确定

由提升机性能参数表中，钢丝绳平均线速度0.8m/s，卷筒直径Φ1200，由公式：

经式（4）计算得减速器速比为47.13，选取减速器的公称传动比为50，采用三级行星齿轮传动减速器。

（5）减速器结构及原理

如图2 所示为优化设计的减速器，采用三级行星齿轮传动，输出轴9 与卷筒右支撑座10 通过键固定，内齿轮7 与卷筒6 通过卷筒右支撑8 固定；电动机输出动力经第一级太阳轮1 传递到第一级行星架2，由第二级太阳轮3 传递到第二级行星架4，最终由第三级太阳轮5 传递到内齿轮7，内齿轮通过卷筒右支撑驱动卷筒旋转。

图2 行星齿轮减速器结构示意图

（6）减速器齿轮参数设计

在设计过程中，齿轮参数采用郑州机械研究的齿轮ZGCAD 软件，并结合提升机的具体结构优化设计。依据减速器结构（整体外径相同）优化分配减速器各级传动比为：第一级为3.15、第二级为4、第三级为4。减速器各级齿轮参数如表3 所示。减速器总传动比为49.32，满足三级传动减速器速比偏差为5%的要求[4]。

表3 减速器各级齿轮参数

减速器各级齿轮承载能力分析，考虑到矿井提升机的安全性能要求高，使用系数取1.5，不均载数为1.05，接触强度最小安全系数为1.05，弯曲强度安全系数[4]为1.5。经过测试知各级齿轮的承载能力满足使用要求。

2.4 提升机传动链长度分析

驱动装置内置式新型提升机的驱动部分（电动机及减速器），均安装在卷筒内部，传动链长度是两个卷筒支座之间的距离；在占地面积上的有效利用率为84%左右，仅为同规格的传统矿井提升机的50%。

3 结论

（1）传动系统结构简化，减少了日常维护量；

（2）传动系统旋转部件少，安全性提高；

（3）提升机整体结构紧凑，占地面积少，仅为同规格传统矿井提升机的50%；

（4）综合传动效率高，比传统的矿井提升机提高13%～23%；

（5）整机无高速旋转部件，噪声及振动小；

（6）永磁同步电机及行星齿轮减速器免维护，维修费用降低；

（7）本传动系统内置式矿井提升机已申请外观专利，专利号为ZL201930349622.9。

基于以上优势，此种结构的提升机会在更多工矿企业获得广泛的应用，也为许多企业所青睐。