JW1200型调速型无极绳绞车的液压调速装置设计.docx

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JW1200型调速型无极绳绞车的液压调速装置设计

摘要

目前使用的无极绳绞车属于直接启动，无调速性能，在使用中，启动平稳性不好，不能够进行调速，当矿车运行到直角弯道、变坡点或轨道不平等处需要慢性的场合，由于速度不易控制，就对绞车、矿车或牵引的设备引起冲击、造成矿车掉道等问题，一定程度上影响了安全高效生产。

针对井下特殊的环境，改造现有的无极绳绞车，利用液压泵驱动液压马达代替原来的防爆电机，实现无极调速，使绞车能够平稳的起步，方便的调速，能够针对不同的工况，使用不同的速度来运行，得到安装维护简单、使用方便、节省人力、安全高效、运行可靠的目的。

而液压技术的发展，使液压调速控制绞车更具有结构紧凑、造价便宜、起动平稳、调速方便、过载保护等优点，特别是采用鼠笼式电机拖动，使电控系统简单，实现了防爆要求。

关键词：

无极绳绞车无极调速液压

Abstract

Currentuseofendlessropewinchbelongstostartdirectly,withouttheperformanceofspeedadjustment,inuse,asmoothstartcannotcontrol,whenthecarrunsintoaright-angledbend,variableslopeortrackinequalityrequirechronicsituations,becausethespeedisnoteasytocontrol,thewinch,ortraction.Thedevicecausedbyimpact,causingthecaroffthetrackandotherissues,tosomeextentaffectedthesafetyandhighefficiencyproduction.

Accordingtothespecialenvironment,reformingtheexistingendlessropewinch,hydraulicpumpdrivenbyhydraulicmotorinsteadoftheexplosion-proofmotor,torealizesteplessspeedregulation,sothatthewinchcansmoothstarting,convenientspeedregulation,canaccordingtothedifferentconditions,usingdifferentspeedofoperation,hassimpleinstallationandmaintenance,convenientuse,laborsaving,safeandefficient,reliableoperationofthepurposeof.

Andthedevelopmentofhydraulictechnology,thehydraulicspeedcontrolwinchhascompactstructure,lowcost,stablestarting,convenientspeedregulation,overloadprotectionandotheradvantages,particularlythesquirrel-cagemotor,thecontrolsystemissimple,achieveexplosion-proofrequirements.

Keywords:

endlessropewinchsteplessspeedregulationofsmoothstarting

前言

无极绳绞车作为一种新型高效的煤矿辅助运输设备，具有操作简单、安装方便、投资少、费用低、运距长、运输连续性等优点，很受煤矿的青睐。

在煤矿井下其可取代多台小绞车的接力运输，实现工作面设备、材料和煤炭不经转载的连续运输，简化了运输环节，减少了辅助人员，降低了工人劳动强，提高了工作效率、运行安全可靠。

目前使用的无极绳绞车属于直接启动，无调速性能，在使用中，启动平稳能不好，不能够进行调速，当矿车运行到直角弯道、变坡点或轨道不平等处需要慢性的场合，由于速度不易控制，就对绞车、矿车或牵引的设备引起冲击、造成矿车掉道等问题，一定程度上影响了安全高效生产。

通过了解JW-1200型无极绳绞车的适用场合、结构特点，各部件功能，液压驱动的相关理论。

针对井下特殊的环境，改造现有的无极绳绞车，利用液压泵驱动液压马达代替原来的防爆电机，实现无极调速，使绞车能够平稳的起步，方便的调速，能够针对不同的工况，使用不同的速度来运行，得到安装维护简单、使用方便、节省人力、安全高效、运行可靠的目的。

第一章现有无极绳绞车总体概况和发展

1.1无极绳绞车用途

无级绳连续牵引车是一种新型的被迅速推广的煤矿辅助运输装备。

以一台无极绳绞车作为驱动装置，以钢丝绳为牵引构件，与张紧装置、梭车、尾轮等配套设备一起构成一套完整的无级绳连续牵引车运输系统，适合于有瓦斯和煤尘的煤矿井下工作面顺槽和轨道港，实现材料、设备的长距离连续高效运输，特别适合于大型综采设备的连续运输。

也可用于金属矿井下和地面的轨道运输。

综采工作面设备辅助运输以往一般使用的是小绞车和电瓶车联合运输，需要投入大量的人力、物力，且作业人员安全系数低，事故率高，运输效率低，运行费用高；经合理设计，再回风巷安装一台无级绳连续牵引绞车，解决了长距离运输巷道变坡多、拐弯大等问题。

1.2传统无极绳绞车各零件及工作原理

1.2.1绞车

绞车是整个系统的动力源，采用机械传动，如附图1，主要组成为:

（1）电机，为无极绳绞车提供动力。

电动机选用隔爆型三相异步电动机、功率为55—185KW、根据用户需要可配置双速电机或变频电机。

（2）底座，由结构件焊接成整体。

通过地脚螺栓与基础固定。

（3）减速箱，采用硬齿面齿轮。

减速箱具有机械变速功能、可实现快慢两种速度、快慢速比在2倍左右。

如附图2

（4）滚筒部分，滚筒部分由小齿轮轴、大齿轮、主轴、卷绳筒及绳衬等组成。

（5）联轴器，联轴器用于联结电机和变速箱。

（6）制动装置，有电力液压推杆和手动带式二套制动装置。

（7）齿轮罩，铁皮制成固定于底座上，用以保护大小齿轮，以保证安全。

1.2.2张紧装置

无极绳运输系统为保证钢丝绳有一定的初张力必须配置张紧装置。

本系统张紧装置为重锤式，主要由框架、张紧绳轮、动轮组、转向轮、配重和防护网等组成。

该装置可吸收钢丝绳系统由于弹性变形而伸长的部分；同时，可为绞车提供尾张力,保证钢丝绳在卷绳筒绳衬上有较稳定的正压力，促使绞车正常牵引，而不致钢丝绳在卷绳筒上打滑。

由于系统用于双向运输，所以系统中设有两组张紧装置。

张紧装置有重力张紧、液压张紧及电动张紧三种形式，用户可根据需要选配。

可以选用单绳张紧和双绳张紧。

1.2.3梭车

梭车是用来牵引矿车、平板车、材料车等车列，且具有固定钢丝绳和储存钢丝绳等功能。

梭车主要有下列部分组成：

车架、储绳筒、车轮组件等。

梭车带防跑车制动装置，当出现断绳等危急情况时制动装置能卡住道轨枕木而使梭车及矿车等负载制动住。

梭车上装有储绳轮，可以根据巷道长度随时调整输送距离。

（1）车架：

梭车车架主要有架体、碰头组成，车架两端是碰头，车轮组件安装在架体上，组成行走机构，起行走和承重作用。

（2）储绳筒;梭车安装有一个储绳筒，可储存钢丝绳，以备巷道延深开采或缩短运距之用。

收绳时先拔出固定插鞘，再用手把摇转储绳筒，钢丝绳逐渐缠绕于储绳筒上，最后插入固定插销。

（3）可在梭车前面或后面串列2～4节矿车或2节平板车，运输矸石、支护材料和配件等辅助材料。

如附图3：

（4）锲块：

梭车前后各有一个锲块，钢丝绳两端穿过锲块，拧紧锲块上的压紧螺栓压紧钢丝绳，收放钢丝绳时只需松开一个锲块，然后把钢丝绳卷入或卷出储绳筒，锲块起固定钢丝绳作用。

1.2.4轮组

为适应起伏变化坡道，本系统设计有轮组，既可防止钢丝绳抬高时车辆掉道，又可避免钢丝绳摩擦巷道底板。

轮组的固定方法象矿用轨枕一样通过螺栓固定在轨道下沿上。

轮组安装数量需根据巷道具体起伏变化程度设置。

尾轮固定在运距的终端，支承整个系统的反力，并可随工作面的推进，可方便地移动，以实现运距的变化。

注意：

在运输支架时，须浇灌水泥基础固定尾轮，其它情况可用锚杆或其它方法固定尾轮。

如附图4：

压绳轮组：

为适应起伏变化坡道，设计有压绳轮组，既可防止在过垂直弯道时因钢丝绳抬高而引起车辆掉道，压绳轮组分为主压绳轮组和副压绳轮组，在主压绳轮组上通过弹簧把压绳轮压在钢丝绳上，当梭车通过时，梭车前端的牵引板分开两压绳轮，使梭车能顺利通过。

在副压绳轮组上，压绳轮直接固定在底架上。

压绳轮组的固定方法像矿用轨枕一样通过螺栓固定在轨道下沿上。

如附图5：

平托轮：

平托轮托在钢丝绳的下面，平托轮为双轮式（亦可采用两个绳槽式托绳轮），可同时通过方向相反的两根钢丝绳，如附图6：

弯道护轨装置（有转弯时需用）：

为适应转弯巷道的运输需要，特别设计了一种专用的弯道护轨系统。

1.3传统无极绳绞车存在的问题

虽然无极绳绞车在使用过程中，优点比较突出，但是目前无极绳绞车在实际使用中还存在着以下问题：

①启动时，无极绳绞车的梭车冲击太大；②在绞车的运行过程中，绞车绳张得较紧时，特别是在地质条件变化较大时，车辆容易掉道；③在运输过程中，绞车绳在张得较松时，特别是运行到中间部位时，常出现钢丝绳在绳衬中打滑，拉不动车的现象；④在运输过程中对轨道质量要求较高；⑤对地质条件要求较平缓，当轨道变化大于9°时，钢丝绳容易摩擦到顶板；⑥对钢丝绳的插接质量要求较高，当所埋绳头不好时，极易拉出并损坏；⑦当环境较复杂，特别是当坡度大于9°时，在放无极绳绞车的绞车绳时，危险性较大，且绞车绳在放的过程中容易打滑。

1.4国内外防爆液压绞车的发展

1.4.1国外防爆液压绞车的技术水平及发展趋势

矿井防爆绞车按其拖动方式可分为电动防爆和液压防爆两大类。

国外由于电器技术水平较高，井下工程机械化程度高，一般巷道和硐室较大，设备安装方便，较早的开始推广应用电动防爆绞车，主要是绕线型电机转子外接电子调速。

其缺点为发热严重，占地面积大，电控系统复杂，成本高，调整性差。

随着液压技术的不断发展，轴向柱塞式和径向柱塞式液压马达系列产品推出，并逐渐用于井下提升设备和研制液压防爆绞车。

液压防爆绞车具有结构紧凑、造价便宜、起动平稳、调速方便、过载保护等优点，特别是采用鼠笼式电机拖动，使电控系统简单，实现了防爆要求。

在国外，液压防爆绞车根据结构形式可分为两大类：

一类是采用低速大扭矩柱塞液压马达直接拖动绞车卷筒的全液压传动式；另一类是采用高速小扭矩柱塞液压马达经减速器再拖动绞车卷筒的液压一机械传动式。

20世纪80年代初，欧洲一些国家开始推广应用液压传动绞车。

其优点是采用低速大扭矩液压马达直接驱动绞车卷筒，省去减速器，使绞车结构简单化。

低速大扭矩柱塞液压马达有制造困难、传动效率低、寿命短、噪声大、维修费用高等缺点。

20世纪80年代后期，日本、美国又开始推广应用液压一机械传动绞车。

其优点是高速小扭矩液压马达具有制造容易、质量稳定、寿命长、传动效率高、噪音低、体积小等。

日本三井三池制作所引进西德盖特拉马齐克公司和法国西克马菲尔公司的高速液压马达，研制了卷简直径为2米液压防爆绞车，高速液压马达经行星减速器传动卷筒，用操作手柄改变变量泵斜盘的角度来实现无级调速。

主电机采用鼠笼式电机，比绕线式电机的结构简单、价格便宜、坚固耐用及效率较高，而且无滑环，运行时不产生火花，电控系统易实现防爆。

钢丝绳直径为22.5毫米，容绳量为1100m，最大静张力为40KN时提升速度为3.3〜8m／s，静张力为33KN时最大提升速度为4m/s，主电机功率为160KW。

由于液压-机械传动绞车的优点很多，在国外应用广泛并逐步向大型化发展。

1.4.2国内防爆液压绞车的技术水平及发展趋势

我国1975年提出研制防爆绞车，1981年国内试制了第一台1.2m液压防爆绞车。

其采用低速大扭矩液压马达直联卷筒的全液压传动形式，通过的鼠笼防爆电机拖动双向变量斜轴式轴向柱塞泵旋转，由柱塞泵和内曲线低速大扭矩液压马达构成闭式网路。

当工作泵的输出油量变化，或改变油流方向时，液压马达也相应地变化，实现卷筒增速、减速、停止或反转。

该结构由液压马达直接驱动卷筒，省去减速器，使绞车结构大大简化。

但是，目前国内制造的低速大扭矩液压马达磨损后，提升绞车不能实现自锁，则容易出现跑车现象。

洛阳矿山机械研究所设计有特色的液压防爆绞车。

其传动形式如图，

绞车液压系统由1台高压泵和多台高速液压马达组成闭式回路，高速液压马达经高精度硬齿面的行星减速器与卷筒连接，由液压控制系统控制高压泵的流量，实现液压马达的无级调速，从而达到控制负载提升或下放的工况。

该防爆绞车寿命长、效率高、噪声小和不漏油，同时操作十分方便，整机结构紧凑，安装硐室小，特别是主硐室跨度小，可以节省基建投资。

该防爆绞车还具有速度显示、过载、超载、减速点减速、闸瓦磨损、松绳、高压油过压、补油欠压、控制油欠压、短路、断相、零位和方向保护环节。

液压冷却系统采用水冷和风冷两种形式，可供用户选择。

液压站安装在单独的泵房内，改善了司机的工作环境。

第二章传统无极绳绞车改造方案

2.1绞车基本情况

1．绞车型号：

JW1200型无极绳绞车。

2．生产厂家：

山西临汾天马煤机有限责任公司

3．基本技术参数：

电机功率55KW-6极，最大静张力30KN，绳速：

1.1米/秒。

2.2存在问题

对于目前使用的无极绳绞车属于直接起动，无调速性能。

在使用中，起动平稳性能不好，不能够进行调速，当矿车运行到直角弯道、变坡点或轨道不平等处需要慢速运行的场合时，由于速度不易控制，就对绞车、矿车或牵引的设备引起冲击、造成矿车掉道等问题，一定程度上影响了安全高效生产。

针对井下特殊作业环境，改造现有无极绳绞车，使无极绳绞车能够平稳的起步，方便的调速，能够针对不同的工况，使用不同的速度来运行，达到安装维护简单、使用方便、节省人力、安全高效、运行可靠的目的。

2.3解决问题的方案

针对上述存在的问题，提出如下改造措施。

方案一：

即利用液压泵驱动液压马达代替原来的防爆电机，实现无级调速。

采用液压泵产生的高压油来驱动液压马达转动，马达带动带动原减速器，再驱动滚筒工作。

保证起动运转平稳，同时实现重载荷低速运行，轻载荷高速运转。

方案特点：

1）采用液压传动。

与传统的电气防爆相比，防爆性能优越，尤其在煤矿井下等高瓦斯或易燃气体的环境中，防爆十分可靠。

2）起动平稳。

可空载零负荷起动。

3）调速平稳，可无级调速。

能在最高速度范围内的任一速度下稳定运行。

4）操纵简单。

司机用一个手柄就能控制绞车的加速、减速、制动及停车。

电控功能概述

1）具有系统具有超速、过卷等信号的检测并实行停主泵保护及声光报警功能。

2）具有绞车运行速度实、绞车升/降深度实、位置实时显示功能。

3）主泵的状态检测和启动/停止控制

4）故障状态检测功能。

研究内容：

液压系统相关元件的设计选型、性能试验。

机械传动结构的改进。

针对无极绳绞车的使用工况，利用液压系统调速性能高，运转可靠的特点，与现有绞车的机械结构有机结合，实现无极调速、快慢速运行。

同时，结构更加紧凑、性能更加可靠。

关键技术

主要是根据现有无极绳绞车的使用工况，选择高可靠性的液压元件。

组合成驱动、传动系统、调速系统，设计改进现有的机械结构，以及电控系统来实现预定的要求。

技术方案二：

针对起步不平稳，无调速性的问题，提出一种较为经济的改造措施。

方案简述：

利用防爆电机加调速型液力偶合器来驱动减速器和滚筒，实现轻载启动，起步平稳、并无级调速。

调速型液力偶合器：

是安装在原动机（电动机）和工作机之间的一种液力传动机械。

它可在电机输入转速恒定的条件下，在设备运转中，通过操纵勺管，对其输出转速进行无级调节，并使电机的功率通过液力偶合器泵轮和涡轮之间工作油的循环流动，平稳而无冲击地传递给工作机。

方案特点：

1）采用液力传动。

通过控制液力偶合器的充油量来进行速度调节，从0到设定的最大速度范围内实现无级调速。

2）动力机轻载启动功能（即“软启动”），降低电机启动电流。

3）改造简单，与液压传动来比较，不需要增加液压泵站、液压马达电控系统等部件。

结构紧凑，占地面积小。

4）维修维护保养方便。

结构简单、可靠、无机械磨损，能在环境恶劣的条件下工作，无需特殊维护，使用寿命长。

5）操纵简单。

司机通过手动或电动控制液压偶合器的勺管得伸缩就能控制绞车的加速、减速、制动及停车。

6）柔性传动自动适应功能：

液力偶合器以液体为工作介质，介质本身具有减冲缓震的功能，输入与输出之间无任何机械连接，所以传动柔和平稳、减缓冲击和隔离扭震。

研究内容：

液力偶合器在泵类机械、风机上广泛使用，使用效果良好，节电效果明显、调速性能良好。

在防爆提升绞车上也有使用，要把该偶合器运用到无极绳绞车上，主要的研究内容有：

无极绳绞车现场使用的载荷大小、性质、运动状况的分析，速度控制性能的要求，根据载荷性质和控制要求，根据电动机的机械特性，选择液力偶合器的类型、规格，并计算电动机与偶合器的联合运行特性。

并根据现有绞车的安装尺寸和偶合器的安装要求，设计配套的联轴器、安装机架等机械改造措施。

这里选取方案一对无极绳绞车做液压调速装置改造设计计算。

第三章无极绳绞车驱动工况分析和确定液压系统的主要参数

3.1载荷的组成和计算

3.1.1工作载荷力矩Fg

常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻力矩等

Tg=F

式中F—最大静张力30KN

R—驱动轮半径1.2m

Tg=30=

3.1.2轴颈摩擦力矩Tf

Tf=

式中G—旋转部件施加于轴径上的径向力G=60KN

摩擦系数，参考下表1选用μ=0.02

r—旋转轴的半径r=1.2m

Tf=60

表1摩擦系数

导轨类型

导轨材料

运动状态

摩擦系数

滑动导轨

铸铁对铸铁

启动时

低速

（）

高速

（）

0.15～0.20

0.1～0.12

0.05～0.08

滚动导轨

铸铁对滚柱

淬火钢导轨对滚柱

0.005～0.02

0.003～0.006

静压导轨

铸铁

0.005

3.1.3惯性力矩Ta

Ta=J=J

式中行走机械一般取=0.5～1.5m取a=1.1m／==0.92

J—回转部件的转动惯量（kg.）（m=400kg）=288kg／

启动加速时=37.7N.m

稳定运行时=37.44N.m

减速制动时=37N.m

3.2初选系统工作压力

压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。

还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。

在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看出不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。

一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。

具体选择可参考表2和表3。

表2按载荷选择工作压力

载荷／kN

10～20

20～30

30～50

工作压力／MPa

1.5～2

2.5～3

3～4

4～5

表3各种机械常用的系统压力

机床

家业机械

液压机

机械类型

磨床

组合机床

龙门刨床

拉床

家业机械

小型工程机械

建筑机械

液压机

大中型挖掘机

重型机械

工作压力／MPa

0.8～2

3～5

2～8

8～10

10～18

20～32

根据上表选取系统工作压力为16MPa

3.3确定液压泵的最大工作压力Pp

式中p1——液压缸或液压马达最大工作压力；

——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。

Σp的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：

管路简单、流速不大的，取Σp=（0.2～0.5）MPa；管路复杂，进口有调阀的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。

这里取Σ△p=0.5MPa。

第四章制定基本方案和绘制液压系统图

4.1系统基本方案制定

4.1.1制定调速方案

液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟定液压回路的核心问题。

　方向控制用换向阀或逻辑控制单元来实现。

对于一般中小流量的液压系统，大多通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。

对高压大流量的液压系统，现多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。

　　速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。

相应的调整方式有节流调速、容积调速以及二者的结合——容积节流调速。

　　节流调速一般采用定量泵供油，用流量控制阀改变输入或输出液压执行元件的流量来调节速度。

此种调速方式结构简单，由于这种系统必须用节流阀，故效率低，发热量大，多用于功率不大的场合。

　　容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。

其优点是没有溢流损失和节流损失，效率较高。

但为了散热和补充泄漏，需要有辅助泵。

此种调速方式适用于功率大、运动速度高的液压系统。

　　容积节流调速一般是用变量泵供油，用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量，并使其供油量与需油量相适应。

此种调速回路效率也较高，速度稳定性较好，但其结构比较复杂。

　节流调速又分别有进油节流、回油节流和旁路节流三种形式。

进油节流起动冲击较小，回油节流常用于有负载荷的场合，旁路节流多用于高速。

　　调速回路一经确定，回路的循环形式也就随之确定了。

　　节流调速一般采用开式循环形式。

在开式系统中，液压泵从油箱吸油，压力油流经系统释放能量后，再排回油箱。

开式回路结构简单，散热性好，但油箱体积大，容易混入空气。

容积调速大多采用闭式循环形式。

闭式系统中，液压泵的吸油口直接与执行元件的排油口相通，形成一个封闭的循环回路。

其结构紧凑，但散热条件差。

　　4.1.2制定压力控制方案

　　液压执行元件工作时，要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作，也有的需要多级或无级连续地调节压力，一般在节流调速系统中，通常由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。

在容积调速系统中，用变量泵供油，用安全阀起安全保护作用。

　　在有些液压系统中，有时需要流量不大的高压油，这时可考虑用增压回路得到高压，而不用单设高压泵。

液压执行元件在工作循环中，某段时间不需要供油，而又不便停泵的情况下，需考虑选择卸荷回路。

　　在系统的某个局部，工作压力需低于主油源压力时，要考虑采用减压回路来获得所需的工作压力。

　　4.1.3制定顺序动作方案

　　主机各执行机构的顺序动作，根据设备类型不同，有的按固定程序运行，有的则是随机的或人为的。

工程机械的操纵机构多为手动，一般用手动的多路换向阀控制。

加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制，当工作部件移动到一定位置时，通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压