滾輪罐耳發(fā)電-充電裝置的研發(fā)應(yīng)用

張克軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)麻家梁煤礦，山西 朔州 036000）

同煤浙能麻家梁礦井是一座年產(chǎn)量1200 萬t 的大型礦井。主立井井筒直徑Φ9 m，井深603 m，井筒內(nèi)布置兩套45 t 雙箕斗提升容器。副立井井筒直徑Φ9.3 m，井深585 m，井筒內(nèi)布置一套特大罐籠提升容器和一套交通罐提升容器。原先主副井提升容器內(nèi)部照明裝置采用24 V 蓄電池充電裝置供電，由于該裝置電源持續(xù)使用時(shí)間短，需要每日進(jìn)行更換蓄電池工作，這樣也在不同程度上造成了電源連接頭的損傷，增加工作人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)項(xiàng)目和勞動(dòng)強(qiáng)度。為了徹底解決主副井提升容器內(nèi)部照明等用電裝置的不間斷供電問題，做出了利用提升容器頂部滾輪罐耳研發(fā)一臺(tái)發(fā)電-充電裝置的決定，其應(yīng)用效果顯著。

1 發(fā)電-充電裝置系統(tǒng)組成及工作原理

剛性罐道發(fā)電-充電裝置工作原理如圖1。整個(gè)裝置主要由發(fā)電機(jī)4 及電壓調(diào)節(jié)器6、支架5、鋼制摩擦輪3、防爆箱體7、充電與保護(hù)電路8 和磷酸鐵鋰電池組9 組成，安裝于提升容器頂部，并使發(fā)電機(jī)軸端的鋼制摩擦輪緊緊靠在滾輪罐耳上。滾輪罐耳隨著提升機(jī)的運(yùn)行而靠著罐道轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼制摩擦輪3 依靠與滾輪罐耳2 之間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使發(fā)電機(jī)4 產(chǎn)生電能，此時(shí)為三向交流電，經(jīng)由電壓調(diào)節(jié)器6 后，電能轉(zhuǎn)換為24 V 恒定電壓的直流電源。防爆箱7 內(nèi)裝有充電保護(hù)電路8 及磷酸鐵鋰蓄電池9，并作為儲(chǔ)能裝置。其中充電電路負(fù)責(zé)對(duì)電池的充電，模式為恒定電壓充電；保護(hù)電路負(fù)責(zé)對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)，包括過壓、過流、過充電、過放電以及溫度保護(hù)等。同時(shí)保護(hù)電路還具有均衡功能，大大提高了電池組各節(jié)電池電量的一致性，延長了蓄電池的使用壽命。

2 發(fā)電裝置各部件及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能裝置選型

發(fā)電-充電裝置安裝在提升容器上，與提升容器一起在井筒中運(yùn)行，而井筒中經(jīng)常有落煤和水等，所以裝置務(wù)必具有防水、防腐蝕等措施。這里選擇了經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)軌驖M足這些要求的FB-350/24Y 型隔爆發(fā)電機(jī)，配有TB-350/24Y 隔爆型調(diào)節(jié)器。該發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，額定功率350 W，調(diào)節(jié)器輸出直流電壓24 V，如圖2。

圖1 發(fā)電-充電裝置系統(tǒng)組成圖

圖2 發(fā)電機(jī)與調(diào)節(jié)器

選用中航鋰電公司的SE60AH 鋰離子電池為裝置存儲(chǔ)電能的元件。鋰離子電池額定電壓為3.2 V，選擇4 節(jié)鋰離子電池串聯(lián)作為礦用設(shè)備蓄電池。磷酸鐵鋰電池組作為發(fā)電-充電裝置的儲(chǔ)能裝置，既節(jié)約了成本，又節(jié)省了空間，同時(shí)又能滿足高電壓、高能量的要求。

2.2 發(fā)電裝置支架設(shè)計(jì)及安裝方法

發(fā)電-充電裝置的運(yùn)行以提升容器的運(yùn)行為前提，故對(duì)提升機(jī)運(yùn)行規(guī)律的深入分析是確保裝置設(shè)計(jì)成功的前提。依據(jù)主井2#提升機(jī)的提升規(guī)律及速度圖，提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的加減速會(huì)對(duì)裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行的平穩(wěn)造成沖擊，同時(shí)安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)主罐耳在上升到卸載口附近即穩(wěn)罐罐道（圖3）時(shí)會(huì)產(chǎn)生撞擊，所以設(shè)計(jì)的裝置要盡量能安裝在側(cè)罐耳上，以避免鋼輪的劇烈撞擊。設(shè)計(jì)時(shí)要保證裝置結(jié)構(gòu)的牢固性及工作的可靠性，以確保裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足正常工作要求。

根據(jù)上述分析，發(fā)電裝置的支架要滿足可安裝在側(cè)罐耳上的要求，所以設(shè)計(jì)的支架安裝如圖4。支撐軸與支架通過4個(gè)螺栓連接，支架焊接在箕斗頂部，發(fā)電機(jī)抱爪裝在支撐軸上，軸端安裝M36 的螺母，并插入開口銷，防止抱爪在軸端竄動(dòng)。調(diào)整支架位置使發(fā)電機(jī)軸端鋼輪壓在側(cè)罐耳上，同時(shí)觀察提升機(jī)運(yùn)行過程中側(cè)罐耳的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并及時(shí)調(diào)整側(cè)罐耳與罐道的壓緊程度，保證鋼輪的轉(zhuǎn)動(dòng)順暢。通過安裝在井口立架和車房二樓房頂上的無線發(fā)射和接收裝置，成功地實(shí)現(xiàn)了本文所要解決的全部問題。

圖3 麻家梁主井穩(wěn)罐罐道

圖4 支架安裝圖

2.3 摩擦輪設(shè)計(jì)

摩擦輪是傳遞動(dòng)力的主要元件，其與發(fā)電機(jī)軸端相連接，并依靠與滾輪罐耳之間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)。由于當(dāng)前礦用滾輪罐耳大多是聚氨酯材料，選用鋼制摩擦輪，并組成非金屬-鋼摩擦輪傳動(dòng)副，鋼制摩擦輪選用材料為Q235。

鋼輪與滾輪罐耳的正壓力主要由發(fā)電機(jī)自身的重力提供，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的扭矩非常小，所以正壓力所產(chǎn)生的摩擦力足以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，更不會(huì)引起打滑。

2.4 充電電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩級(jí)充電方式，如圖5，防爆電源主要由防爆腔、蓄鋰電池組、接線端子、充電管理系統(tǒng)、電源放電管理系統(tǒng)組成。

3 應(yīng)用效果及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

（1）成功研發(fā)了可隨提升容器運(yùn)動(dòng)的自發(fā)電裝置，有效解決提升容器內(nèi)部音響照明等用電裝置的不間斷供電問題。

（2）首次實(shí)現(xiàn)了視頻信號(hào)在黑暗井筒環(huán)境中的動(dòng)態(tài)、無線傳輸，在操作室即可監(jiān)視罐道、鋼絲繩及井筒裝備的狀態(tài)。

圖5 電源系統(tǒng)組成框圖

（3）加強(qiáng)或填補(bǔ)了原有監(jiān)護(hù)系統(tǒng)所存在的薄弱環(huán)節(jié)或空白，在很大程度上減少了斷繩等多種事故的發(fā)生概率。以每2 年可以避免1 次較為嚴(yán)重的故障，處理1 次嚴(yán)重故障需要1 天的時(shí)間計(jì)算，每年則可增加0.5 天提升作業(yè)時(shí)間，若每天可提升4萬t 煤，每年則可以多提煤2 萬t，以煤炭價(jià)格500元/t 計(jì)，可多創(chuàng)造1000 萬元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)語

提升容器上自發(fā)電裝置的成功研發(fā)，為更多需要置于提升容器的電氣提供了電源保證；視頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)采集與無線傳輸技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)設(shè)備的視頻監(jiān)控提供了有效地實(shí)現(xiàn)方案；在實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)頻域故障特征的撲捉方法，可在其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷中推廣和應(yīng)用。