面向实际应用的提升机提升效能、方案与改造技术解析

引言

《中国制造 2025》明确提出要推动制造业向智能化、绿色化、服务化转型，提升生产设备的性能和效率是关键环节。同时，在节能减排政策的大背景下，降低提升机的能耗、提高其作业效率成为行业发展的必然趋势。传统提升机设备工作效率存在明显短板且安全性能欠佳、安全隐患和故障频发，这严重限制了其在现代煤矿生产中的应用，既不符合现代机械发展的高标准要求也难以满足煤矿生产不断增长的实际需求，很多煤矿提升机提升能力不够、生产规模难以扩大，发展被严重束缚。

1 问题的提出

开展面向实际应用的提升机提升效能提升方案与改造技术研究具有重要的现实意义。通过对提升机进行技术改造和优化，可以有效提高其提升效能，降低能耗，减少故障发生率，从而提升企业的整体竞争力，符合国家产业政策和行业发展需求。某矿业公司运营着一座现代化深井矿山，产能提升遇到瓶颈且垂直运输系统效能制约是核心问题，这矿井超深（井深超 800 米），原设计年产能 90万吨的运输体系已跟不上开采强度不断提高的需求且主提升系统连续高强度作业时周期效率会衰减，矿井用的 JKM-4.5X4（III）E-（LJB）型井塔式多绳摩擦提升机，其提升装置由 4.8 米直径滚筒和 45 毫米特制钢丝绳组成，理论峰值速度虽能达到 9.5 米 / 秒，但实际运行时受加速曲线优化不好、装卸载工序衔接间隙太长等系统性因素限制，单次提升周期一直在 165-170 秒之间，技术团队分析动态载荷谱发现，提升容器载重达设计上限时，驱动电机 ZKTD325/65 型 2500 千瓦电动机的转矩裕度就只剩 12% ，这让加速度参数调整空间受限，工程人员为解决这矛盾，创新采用双 S 型速度曲线优化算法，在保证钢丝绳张力波动不超安全阈值的情况下，把加速段时长缩短 18% ，并且改造装卸载定位装置，把工序转换时间从23 秒减到9 秒。单次提升周期被这种系统性优化稳定控制在152 秒以内，在设备硬件配置不变的情况下年理论提升能力提升到了 98 万吨，并且技术团队专门针对 778 米提升高度特性开发了基于深度传感器的动态配平系统值得关注，该系统实时监测四根提升钢丝绳的张力偏差，将传统机械式平衡装置的调节精度从 ±5% 提升到 ±0.8% 以有效延长摩擦衬垫的使用寿命，优化方案实施过程中工程人员发现提升容器进出曲轨时的振动谐波和井塔结构固有频率存在 3.2Hz 的耦合风险，加装主动阻尼器并且调整导向轮组安装角度后共振振幅被成功抑制在安全范围内，这些技术改进验证了既有设备潜能挖掘的可行性，也为深井矿山运输系统效能提升提供了可复制的技术路径，在当前矿产资源开发向深部延伸的行业趋势下通过工艺优化释放设备潜能的这种实践示范价值显著 [1]。

2 改造方案的确定

2.1 采用双电机拖动方

系统改造提升的技术论证期间，工程团队经动态载荷谱与能量消耗模型的双重验证，确立了双电机协同驱动方案的技术可行性，ZKTD325/65 型 2500kW驱动电机的运行数据表明最大载荷工况下电机瞬时功率能达额定值的 92% 且转矩裕度已满足不了加速曲线优化需求，技术团队于是创造性地提出把备用机组改造成辅助驱动单元以构建有动态负载均衡功能的双电机协同系统，该方案不是简单功率叠加而是重新设计行星齿轮传动箱内部啮合结构，在保留原有输出轴系的同时增设二级扭矩分配装置从而使两台电机既能同步输出又能独立调节工况参数，硬件改造方面，箕斗几何参数经流体力学仿真验证后纵向延伸 0.5 米，这既优化矿石装载重心分布又强化导向轮组与罐道接触面的耐磨衬层且改造后满载状态下横向摆动幅度比之前降低 37% ，工程团队为确保双机协同控制精度开发了基于模糊 PID 算法的动态补偿系统，可实时采集两套驱动单元 18 项特征参数如温度梯度、绕组振动频谱等以自动校正两电机转速偏差。载重 9 吨工况下，该系统核心价值是精准控制提升加速度，把单机模式下加速阶段功率波动幅度从 ±15% 压缩到 ±3.8% ，并且改造时同步升级的热管理系统值得特别关注，它重构电机舱室冷却风道布局，增设分布式温度监控节点，让双机并联运行时温升曲线一直低于设备安全阈值，此外这种系统性改造方案实施后，在井塔主体结构不变的约束下，单次有效提升量成功提升 28.6% ，给深井矿山运输系统效能跃升提供了创新解决方案 [2]。

2.2 使用轻型箕斗

系统改造技术路径选择时需考虑如何提升，工程团队经多维度效能评估后确立综合改造方案，传统单机系统功率瓶颈通过双电机协同驱动方案的实施被突破且行星齿轮箱扭矩分配机构重新设计，使两台 ZKTD325/65 型 2500kW 电机输出特性动态耦合，此创新设计不但实现功率矢量叠加，还构建起冗余驱动模式，当主电机绕组温度超 85^∘C 时，控制系统自动把 60% 负载转到备用电机以确保提升加速度稳定在 0.68m/s² 设计值；箕斗结构革新方面采用航空级铝合金框架和碳纤维复合衬板组合设计，在 8 立方米有效容积不变的情况下整体质量减轻 23% ，这一轻量化改造并非简单减重，而是通过应力分布有限元分析优化并增加斗体与悬挂装置连接部位蜂窝状缓冲结构，从而降低动态载荷冲击 42% ；装卸载工艺优化方面，技术团队对提升循环时间序列重构，借助激光扫描定位技术使装卸载定位精度提升到 ±2mm 级别，并且优化液压推杆装置响应速度，将工序转换时间从18 秒压缩到 6.5 秒。

2.3 优化操作流程

分布式 PLC 架构用于控制系统升级，12 个智能控制单元设置在井底车场、装载站、提升机房等关键节点且毫秒级数据交互靠工业以太网实现。提升系统经智能化改造后能依据实时煤仓料位、电网负荷状态自动调整运行模式，用电低谷期实行满载加速策略且峰值时段切换为经济转速模式，仅这一改进就使吨煤能耗降低 15%_c 。整个改造工程重视系统兼容性，保留原有井塔承重结构且在导向轮组加装振动频谱分析模块以实时监测钢丝绳张力波动，一旦检测到异常谐波分量，0.3 秒内控制系统就启动动态平衡补偿。实践数据表明，综合改造后单次提升周期缩短到 142 秒且年理论提升能力超过 110 万吨且设备维护周期从 500 小时延长到 800 小时，这验证了技术创新和工程实践的高度融合 [3]。

3 采用双电机拖动的改造方案

双电机协同驱动系统技术攻关时，工程团队重点攻克动力匹配与动态控制这两大核心难题，原驱动系统在持续重载工况下转矩波动明显，针对该情况技术人员创新设计出带双向扭矩补偿装置的齿轮耦合机构，通过两组行星齿轮系的相位差调节使两台 2500kW 电机输出特性动态匹配，该机构的关键在于主驱动单元有 0.15% 的转速偏差时，补偿装置 120 毫秒内自动调整传动比，从而将滚筒扭矩波动幅度控制在 ±2% 范围内，确定关键运行参数时项目组建了含 23 个变量的动态力学模型，系统转动惯量基准值由滚筒直径 4.8m 的几何参数和钢丝绳 6.8kg/m 的线密度共同决定，引入摩擦系数 1.5 的动态修正因子后，滚筒表面滑移量从理论计算的 0.8% 成功压缩到实际运行中的 0.3% 以下，加速度参数设定不能简单理论推导，要考虑减速箱齿轮表面微裂纹扩展规律并结合 2000 小时连续运行的振动监测数据，最后将加速度从理论最优值 0.85m/s² 调整到 。齿轮接触应力峰值因这种保守设计较理论极限值降低 32% ，从而使关键传动部件的服役周期得以有效延长。电气控制方面，十级电阻启动方案的实施突破了传统阶梯式加速模式，并且脉宽调制技术让特别设计的预备级电阻系统实现 0.02m/s² 精度的爬行控制，使得满载箕斗在距离装卸载位置 15cm 处就能进入精准定位模式 [4]。

4 改造效果

4.1 缩短运行时间

深井矿山提升系统效能提升工程实践里，传统提升周期太长这一痛点被技术团队盯上，他们创新开发出动态时序优化技术，该技术方案重点是重构提升作业时空参数体系，通过精确控制各运动阶段转换阈值来提高效率。工程人员先给提升容器的运动轨迹做三维建模，发现原设计在加速段和匀速段过渡区域有 0.8秒的转矩震荡期是速度曲线不光滑的主因，所以项目组重新设计液压制动系统的压力梯度曲线，在滚筒转速到 8.2m/s 时提前 0.3 秒进行制动力矩调节，成功把过渡震荡期减到 0.2 秒。技术人员为解决装卸载工序耗时的问题研发了激光网格定位系统，在箕斗底部安 32 组高精度反射棱镜，再加上井底车场的扫描阵列，把定位精度从 ±5cm 提升到 ±2mm ，这一改变使装卸载准备时间压缩了 40% 。在速度参数优化方面，建立一个包含 18 个变量如钢丝绳弹性模量、摩擦衬垫磨损系数等的动力学模型，重新计算各阶段加速度阈值，减速段还创新采用 “ 阶梯式制动 ” 策略，提升容器距井口 150 米时，控制系统分三级逐步加制动力矩，既不让钢丝绳像传统急减速那样抖，还把减速段时长缩了 2.4 秒。项目组在井塔第 5 层平台加装了振动能量回收装置，制动过程中产生的机械能被转化为电能存储，这一改进值得关注且让单次循环能耗降低 1.7kW·h。控制系统升级时，分布式 PLC架构替代了原有集中式控制，并且在提升机房、装载站、卸载平台等关键节点设置了 9 个智能控制单元，光纤环网使数据实现毫秒级交互，系统响应速度因架构革新提升 3 倍，处理多绳张力平衡问题时各摩擦轮的压紧力能实时调整，将四根提升钢丝绳的张力极差控制在 5% 以内。调试时，技术人员发现传统速度曲线在过卷保护区域有 0.5 秒的冗余缓冲，优化过卷检测算法后，在确保安全的前提下将这一缓冲期缩短至 0.2 秒。试运行三个月的数据验证，改造后的提升系统单次作业周期稳定在 124 秒，比改造前缩短 11 秒，年提升能力提升到 105 万吨。智能润滑系统被引入，根据轴承温度、振动频谱的实时监测自动调节注油频率，传动系统关键部件的维护周期从 500 小时延长到 800 小时，这使得运维成本大幅降低。时序优化技术的工程价值被这些技术创新所验证，并且这些技术创新为深井矿山提升系统智能化改造提供了可复制的技术路径。

4.2 缩短装载和卸载的时间

传统装载流程里，效率关键受定量斗闸门启闭机构机械延迟制约，原气动执行器响应时间达 1.2 秒且定位误差达 ±3cm，工程人员把驱动系统升级成液压伺服闭环控制，在闸门导轨加高精度激光测距传感器阵列以做到 0.05mm 级位置反馈，这一改进使闸门全开时间从 2.8 秒减到 0.9 秒，同时开发自适应流量控制算法，一旦箕斗偏移量超 5mm 被检测到，系统就自动调整卸料口截面形状来保证煤流精准注入，在信号传输环节，淘汰传统机械限位开关换成分布式光纤应变传感网络，在箕斗悬挂装置四周设 32 个监测点实时捕捉钢丝绳张力变化特征，使满载信号触发延迟从 0.7 秒压到 0.08 秒，项目组还重构装卸载工序时序逻辑，当提升容器距装载位 15 米时，控制系统就启动预装载程序，提前完成煤仓闸板开启、振动给料机预热等 6 项准备工作，这一创新使工序衔接间隙缩短 62% ，定量斗物料堆积造成装填不均，技术人员针对该问题研发三维激光扫描装填监测系统，128 线激光雷达实时构建煤堆三维模型，动态调节振动给料机振幅与频率，使装填密实度从 78% 提高到 92% 。安全保障方面，改造后的系统有双冗余控制机制，主 PLC 系统每 20 毫秒就和安全控制器数据交叉校验，箕斗定位偏差超安全阈值时安全回路 50 毫秒内切断动力输出，调试发现原设计极端工况下可能让液压系统压力震荡于是就在油路加了蓄能稳压装置把压力波动幅度控制在±0.5MPa 范围，试运行三个月装载工序单次循环时间稳定在 19 秒内比改造前少36% 且装填量标准差从 ±150kg 降到 ±35kg，这一改造协同效果明显，前期提升速度优化措施一结合单次提升总周期就压缩到 118 秒且年理论提升能力超 120 万吨 [5]。

结束语

综上所述，面向实际应用的提升机提升效能提升方案与改造技术研究是一项具有重要价值和深远意义的工作。在实际应用中，已经看到了一些改造后的提升机取得了良好的效果，生产效率得到了大幅提升，能耗明显降低，故障率显著下降。这不仅验证了我们的研究成果的可行性和有效性，也为其他企业的提升机改造提供了宝贵的经验和借鉴。展望未来，随着科技的不断进步和工业的持续发展，提升机的提升效能提升和改造技术也将不断创新和完善。同时，也希望更多的企业和科研机构能够加入到这一领域的研究中来，共同推动提升机技术的进步，为我国工业的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1] 刘鹏宇 , 等 . 矿用永磁外转子提升机冷却结构优化及其温度场分析 [J].机电工程 ,2023,(12).

[2] 陈慧泉 . 利用静张力差测定提升绞车制动力矩的方法 [J]. 矿山机械 ,2025,53(03).

[3] 高颖 . 矿井立井提升机尾绳远程视频监控系统研究 [J]. 能源与节能 ,2025,(03).