礦井提升機(jī)罐籠發(fā)電裝置研究

朱 凱，周 龍，劉 肖，欒振輝

（1. 淮滬煤電有限公司；2. 安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.淮浙煤電有限公司，安徽 淮南 232038）

礦井提升機(jī)罐籠發(fā)電裝置研究

朱 凱1，周 龍3，劉 肖2，欒振輝2

（1. 淮滬煤電有限公司；2. 安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.淮浙煤電有限公司，安徽 淮南 232038）

針對罐籠內(nèi)礦燈照明所存在的問題以及摩擦輪發(fā)電裝置和垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置存在的不足，提出了一種新型的水平軸風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)原理，介紹了該風(fēng)力發(fā)電裝置的工作原理。研究結(jié)果表明：該風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，且不管罐籠向上提升還是向下下降，均可發(fā)電，因此，在相同負(fù)載的情況下，蓄電池的容量可減少一半，從而可提高罐籠的有效載重。

礦井提升機(jī)；罐籠；摩擦輪發(fā)電裝置；風(fēng)力發(fā)電裝置

1 引言

礦井提升機(jī)是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要運(yùn)輸設(shè)備，通?？煞譃橹骶嵘到y(tǒng)和副井提升系統(tǒng)，其中，主井提升系統(tǒng)的提升容器是箕斗，主要用于煤炭提升，而副井提升系統(tǒng)的提升容器是罐籠，主要用于運(yùn)送人員、設(shè)備、施工材料及機(jī)具等。目前，絕大多數(shù)煤礦的提升罐籠內(nèi)沒有專用照明裝置，有的礦井為了改善上下井人員的乘罐條件，在罐籠頂部安裝2-4盞礦燈作為照明，但因礦燈電源 容量小，使礦燈耗電極快，必須每天更換兩個罐籠安裝的全部8盞礦燈，需費(fèi)時1小時左右［1］。特別是當(dāng)運(yùn)送體積較大、較笨重的設(shè)備時，這樣的照明條件根本不能滿足需求，燈光昏暗會給運(yùn)輸工作造成很大影響，人員和設(shè)備的安全沒有保障。由于提升罐籠內(nèi)沒有充電設(shè)備，當(dāng)蓄電池電量耗盡后，必須將其拆下，搬出罐籠去充電，并換上已充滿電的蓄電池，拆卸蓄電池并對其進(jìn)行充電不但費(fèi)人力，而且充電時間長，容易耽誤提升系統(tǒng)正常作業(yè)。

近年來，為了保障礦井提升機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，除了需要照明燈具外，很多礦井在提升罐籠上安裝了安全監(jiān)控設(shè)備，包括檢測設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備和通信裝置等，能夠?qū)崟r監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)提升機(jī)系統(tǒng)突發(fā)事故時，監(jiān)控設(shè)備可以通過報警裝置提醒工作人員及時進(jìn)行處理，從而保障提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行。這些照明燈具和安全監(jiān)控設(shè)備需要有可靠的供電，然而，由于受礦井深度以及提升容器往復(fù)運(yùn)行等因素的制約，不能采用地面供電系統(tǒng)對罐籠內(nèi)的照明燈具及監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行供電。如前所述，可以采用在提升罐籠上安裝蓄電池來解決這一問題。但是，蓄電池的容量是與其體積大小成比例的。小容量的蓄電池，盡管更換方便，但是容量有限，導(dǎo)致更換充電頻繁。容量大的蓄電池可以減少更換次數(shù)，但是，蓄電池的體積和重量都比較大，更換不方便，同時也會降低提升罐籠的有效載荷。為了解決這一問題，很多學(xué)者對此進(jìn)行了研究。

2 摩擦輪發(fā)電裝置

通常，煤礦副井提升系統(tǒng)包括提升機(jī)、提升鋼絲繩、提升罐籠、井架、天輪、罐道、井筒裝備、進(jìn)車裝置、出車裝置及井底裝置等部分。摩擦輪發(fā)電裝置的設(shè)計思想是，利用罐籠在井筒中的上升和下降運(yùn)動，通過滾輪罐耳與罐道的摩擦運(yùn)動帶動摩擦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。摩擦輪發(fā)電裝置通常安裝在提升罐籠的頂部，與該發(fā)電裝置相關(guān)的部件包括罐籠本體、罐道及滾輪罐耳。提升罐籠的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括提升鋼絲繩1、滾輪罐耳2、罐道3、楔形繩環(huán)4、抓捕器5、簾式罐門6、罐籠本體7等部件，其中罐道3為通過罐道梁固定在井壁上的剛性組合罐道，滾輪罐耳2有四組，分別安裝在罐籠上部中心線兩端和罐籠下部中心線兩端，每組由三個滾輪組成，分別從三個方向包圍著罐道。滾輪罐耳的結(jié)構(gòu)如圖2所示，罐籠1的頂部焊接底座2，滾輪4、5、7安裝在底座2上，調(diào)節(jié)器3通過彈簧（圖中未示）分別將滾輪4、5、7壓緊在罐道6上。

提升機(jī)正常工作時，通過鋼絲繩提升罐籠在井筒中上升或下降，罐籠上的滾輪罐耳沿著罐道滾動，為罐籠提供導(dǎo)向作用。滾輪罐耳既作為罐籠沿罐道運(yùn)行的導(dǎo)向輪，又可連接罐籠與罐道，并傳遞罐籠與罐道間的作用力。它既是罐籠安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要裝置，又是影響井筒裝備工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件，其工作性能好壞對井筒剛性裝備的工作質(zhì)量有著十分重要的作用。滾輪沿著罐道滾動，其間存在機(jī)械能，采用摩擦輪與罐道壓緊接觸，則摩擦輪既獲得摩擦力矩又獲得轉(zhuǎn)速，從而可帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)［2］，或者使裝在滾輪內(nèi)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動［3］，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生低壓電源，通過導(dǎo)線給蓄電池充電，蓄電池給罐籠內(nèi)的照明燈具、檢測設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備和通信裝置等供電，根據(jù)罐籠內(nèi)電氣設(shè)備的用電需求，結(jié)合罐籠提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律（速度圖和加速度圖），經(jīng)過計算，可選定合適的蓄電池容量，從而實(shí)現(xiàn)罐籠內(nèi)蓄電池線上充電。

摩擦輪發(fā)電裝置依靠的是摩擦輪（滾輪）與罐道間的摩擦傳動進(jìn)行工作，要使其正常工作，必須保證摩擦輪時刻與罐道接觸并壓緊（提供一定的摩擦力），由于存在井筒偏斜、鋼絲繩振動等原因引起的橫向沖擊和振動以及罐道制造及安裝等誤差，為了保證罐籠的正常運(yùn)行，罐籠與導(dǎo)軌之間必須留有一定的間隙，這就導(dǎo)致滾輪與罐道之間存在很大的沖擊，致使?jié)L輪磨損嚴(yán)重，需要頻繁更換，給罐籠的正常提升帶來了非常不利的影響。

3 垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置

提升機(jī)系統(tǒng)工作時，罐籠在井筒中做上下往復(fù)運(yùn)動，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第四百二十五條規(guī)定，立井升降物料時，提升容器的最大提升線速度不得超過用公式所求得的數(shù)值，其中 v 是提升機(jī)線速度，是速度系數(shù)，H是立井深度。國內(nèi)外關(guān)于速度系數(shù)的取值不同。國內(nèi)礦井的速度系數(shù)為 0.3 ～ 0.5。在國內(nèi)摩擦提升系統(tǒng)中，摩擦輪最大直徑為5m，纏繞式提升系統(tǒng)最大直徑為4m，提升機(jī)最大線速度為14 m/s。但是，提升機(jī)通常不是按最大提升速度運(yùn)行，而是按經(jīng)濟(jì)提升速度運(yùn)行。提升機(jī)的經(jīng)濟(jì)提升速度不僅考慮提升高度，同時也綜合考慮提升加速度等，以達(dá)到節(jié)省電能的要求，表1 所示為不同提升高度下提升機(jī)最大提升速度和經(jīng)濟(jì)提升速度［2］。

表1 不同提升高度的最大提升速度和經(jīng)濟(jì)提升速度

由表1可知，礦井提升機(jī)的經(jīng)濟(jì)提升速度為6.93-10m/s，這樣的相對風(fēng)速很適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置就是利用罐籠下降速度大、副井內(nèi)相對風(fēng)速大的特性，驅(qū)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的。垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置如圖3所示［4］，在罐籠本體1的下方安裝有固定箱2，固定箱中安裝有蓄電池3、發(fā)動機(jī)4、齒輪箱5，主軸9裝在軸承座7中，其下端安裝有輪轂10和風(fēng)葉11，上端安裝有大錐齒輪8，錐齒輪8與小錐齒輪6嚙合。當(dāng)罐籠向下運(yùn)行時，風(fēng)力驅(qū)動風(fēng)葉11轉(zhuǎn)動，通過主軸9、大錐齒輪8、小錐齒輪6、齒輪箱5，將動力傳給發(fā)動機(jī)4，發(fā)動機(jī)4發(fā)出的電經(jīng)控制裝置（圖中未示）給蓄電池充電。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置充分利用了副井內(nèi)相對風(fēng)速高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了罐籠自身供電的功能，并且具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，不影響罐籠正常運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，但是，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能在罐籠下降時發(fā)電，罐籠上升時不能發(fā)電，導(dǎo)致蓄電池充電時間受限，進(jìn)而必須選用容量大的蓄電池。

4 水平軸風(fēng)力發(fā)電裝置

為了克服垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置的不足之處，作者提出了一種結(jié)構(gòu)更簡單、罐籠上升下降時均可發(fā)電的水平軸風(fēng)力發(fā)電裝置。如圖4所示，其主要包括罐籠本體1、安裝支座2、發(fā)動機(jī)3、風(fēng)輪（包括風(fēng)輪軸和風(fēng)葉）4等，其中風(fēng)葉為螺旋式風(fēng)葉。為了充分利用井筒中的風(fēng)能，在罐籠箱頂部兩側(cè)各安裝一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)軸水平布置且與罐籠箱的中心線平行，發(fā)電機(jī)軸的伸出端連接風(fēng)輪，風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)軸線與風(fēng)向垂直，風(fēng)力發(fā)電機(jī)上連接有儲電裝置，儲電裝置包括蓄電池，且通過充電、供電接口與外部控制系統(tǒng)連接。采用該結(jié)構(gòu)布置，當(dāng)罐籠上升時，風(fēng)從上部向下驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)罐籠下降時，風(fēng)從下部向上驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，即不管罐籠上升還是下降，均可使發(fā)動機(jī)工作，向蓄電池充電。

5 結(jié)束語

近年來，隨著人們安全意識不斷增強(qiáng)以及礦山自動化水平的不斷提高，罐籠內(nèi)部配備了一些低壓用電設(shè)備，如照明燈具、電動罐簾門、監(jiān)控及安全通信裝置等，這些設(shè)備都須有穩(wěn)定可靠的電源支持才能正常工作。本水平軸風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)簡單，僅需在罐籠頂部兩側(cè)裝設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上連接風(fēng)輪，使風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)軸線與風(fēng)向垂直，不管罐籠向上提升還是向下下降，均可使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電進(jìn)入儲電裝置。由于罐籠向上或向下運(yùn)行時均可發(fā)電并為蓄電池充電，因此，在相同負(fù)載的情況下，蓄電池的儲參考文獻(xiàn)：

量可減少一半，從而可提高罐籠的有效載重。

［1］姚祥祥.礦井提升機(jī)罐籠內(nèi)照明系統(tǒng)的研制及具應(yīng)用［J］. 科技信息，2012（28）∶394.

［2］曹艷.提升機(jī)罐籠發(fā)電裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計與研究［D］.徐州∶中國礦業(yè)大學(xué)，2014（12）.

［3］劉宏卿.一種用于煤礦罐籠照明供電的罐籠滾輪式發(fā)動機(jī)及方法［P］.中國：201210176254.X.2014.09.10

［4］周公博，朱真才，王朋輝等.一種罐籠能量供給系統(tǒng)及其控制方法［P］.中國：201410529885.4.2015.03.25

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.082

朱凱（1962-），男，高級工程師，從事煤礦機(jī)電設(shè)備及電廠設(shè)備的運(yùn)行管理工作，發(fā)表研究論文多篇。