牵引绞车设计

1 绪论

本系统设计的目的是对缆车式活动泵房的牵引绞车的控制系统的改进，利用PLC技术使其控制系统工作稳定可靠，并且易于维修。本设计的意义是使用软件实现复杂的硬件电气的功能。

对于绞车及其控制系统的发展如下：

国内有移动组合式全数字变频防爆绞车控制系统，对于变频调速技术和PLC控制技术已经非常成熟，但还没有将变频调速技术和PLC 控制技术同时应用于井下防爆绞车控制的报道。究其原因：

一、现有的国内外生产的变频器大多不适应我国煤矿井下生产所用660V 电压等级；

二、现有的变频器和PLC控制器均不防爆，不能满足高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井井下工况的要求；

三、国内外生产的隔爆变频器普遍采用油浸或水冷散热方式，体积庞大、价格高、不便于安装和现场维护；

四、没有适用于井下提升机的变频器控制的应用软件和PLC控制应用软件。移动组合式全数字四象限变频防爆绞车控制系统较好地解决了以上的问题。

在国外，钻机制造商德国Wirth公司、Bentec公司以及美国Varco公司拥有先进的绞车控制技术、电动机四象限传动技术以及电子(自动) 司钻控制技术。这些绞车控制系统能根据钻压、机械钻速、转盘转速和扭矩等参数控制钻井钢丝绳的连续递送以保持稳定的钻井状态，进而大大提高钻井效率。如：

一、德国Wirth公司齿轮传动绞车

德国Wirth公司新一代齿轮传动绞车采用四象限控制技术，配有2台或3台直流或交流电动机，能平稳地减速和停止下降或上升的载荷，在不超过设备使用限制的情况下，直流和交流电动机都能运用再生制动技术，制动能量大部分回馈给电网。绞车控制系统通过控制电动机四象限传动，使能量在一个起下钻作业中按4个不同传动阶段分配。

绞车的控制系统是通过一个30～60kW的交流电动机来实现其它的辅助驱动。在钻井过程中，自动化司钻控制电动机实现恒钻压自动送钻，保持设定的参数，使钻井工具的寿命得以大大增长。另外，在主电动机失效时，还可做为应急装置，将井中钻具提起。

绞车控制系统还包括一套智能防碰系统(ACS)，用来优化游车上下运行

过程中的安全和效率，它监控绞车独立的3个刹车系统。系统提供了整个提升系统动能的参数分析，并考虑了包括系统制动能力、钩载、游车的速度和位置等参数，在位于司钻控制室的ACS系统终端设定系统的上、下限位。

两个PLC上独立计算大钩的位置、速度和制动距离。根据控制系统的运算法则，并考虑到系统的动能和绞车的刹车系统能力，两个PLC能独立启用再生制动、涡流刹车或盘式刹车。大钩位置、载荷和所需要的制动距离等参数持续地由两个微处理器检测和比较，任何差异都认为是ACS系统失效。电动机再生制动、涡流刹车和盘刹紧急制动将被激活，使载荷制动停止。

二、Bentec公司绞车

德国Bentec公司已成功地将四象限传动用于其链传动钻机上，将电动机用于刹车，并将能量回馈。盘式刹车只用于驻车或紧急制动。绞车遥控操作，游车可以准确定位。自动送钻速度从10 m/ h到150 m/ h 。

三、美国Varco公司单轴绞车

美国Varco公司最新一代单轴ADS —10绞车，充分利用了交流变频的控制技术，可不使用摩擦离合器而使用电动机再生制动来保持负荷。高性能可精确控制的空气冷却和水冷却伊顿( Eaton) 组合盘式刹车可实现自动送钻，并且使该绞车唯一的刹车——空气冷却模块用于紧急制动和负载的静态控制，而水冷却模块用于钻井钢丝绳的均匀递送、游车运行、钻压以及其它钻井参数的动态控制。

而我设计的绞车及其控制系统，仅仅是以很简单的方式对绞车进行控制，由PLC进行编程，实现对绞车各种动作的控制。

2 绞车的选型计算与设计

2.1设计参数

泵房总重：50吨，斜坡的坡度：20度，绞车的垂直提升高度：25m ，泵房的行走速度：2m/min=0.0333m/s

2.2绞车钢丝绳的布局

为了安全考虑，采用双滚筒，双绳提升泵房。为了使所选的绞车结构和尺寸尽量的小，以降低成本，采用滑轮组来改善泵房的受力情况，从而选择合适的零部件，进而达到优化系统的目的。

我设计的绞车不采用固定滚筒和游动滚筒的形式，两个滚筒使用相同的绳索布局，并且都以相同的方式提升绞车。

图2.1 钢丝绳的布局

2.3选择钢丝绳

钢丝绳的选择原则是根据绳的终端最大可能的悬垂重量等条件初选，再进行安全系数的验算。

2.3.1每米钢丝绳质量的计算

公式：(sin cos )

6'1110(sin cos )

m f p B L f m sa

αασ

αα+=-⨯-+ kg/m (2.1)

其中，

m 每根绳提升的泵房的重量kg

B σ钢丝绳的抗拉强度Pa

α为斜坡角度，L 提升斜长

sa m 钢丝绳安全系数，其值5.6≥sa m (参考《煤矿安全规程》中规定的提升钢丝绳的安全系数的要求，专为升降物料用的钢丝绳不得小于6.5)。

f 泵房阻力系数，取f=0.01~0.015 'f 钢丝绳阻力系数，取'f =0.15~0.20

参数：m=G/4=50000/4=12500kg ，B σ=1850×106Pa ，α=20 ，

L=25/sin20°＝73m ，sa m =8，f=0.01，'f =0.2 结果：

6

612500(sin 200.01cos 20)

185010111073(sin 200.20cos 20)8

1.754/175.4/100p kg m kg m -⨯+⨯=

⨯⨯⨯-⨯+==

选型结果：(YB829-79)

表2.1

此三角股钢丝绳的主要用途：它是同向捻钢丝绳，主要用于立井提升，高炉卷扬，露天矿斜坡卷扬，缆车，电铲，以及双卷扬(左同向与右同向绳可成对使用)的各种起重设备，例如重型冶炼浇铸吊车等。 2.3.2验算钢丝绳的安全系数

公式：)

cos (sin )cos (sin '

ααααf pLg f mg Q m t

sa +++=

(2.2)