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(duì)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(jiǎn)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(gè)罐籠安裝的全部8盞礦燈，需費(fèi)時(shí)1小時(shí)左右［1］。特別是當(dāng)運(yùn)送體積較大、較笨重的設(shè)備時(shí)，這樣的照明條件根本不能滿足需求，燈光昏暗會(huì)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(duì)其進(jìn)行充電不但費(fèi)人力，而且充電時(shí)間長(zhǎng)，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(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備和通信裝置等，能夠?qū)崟r(shí)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(shí)，監(jiān)控設(shè)備可以通過報(bào)警裝置提醒工作人員及時(shí)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(duì)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(shí)也會(huì)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(duì)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(jì)思想是，利用罐籠在井筒中的上升和下降運(yùn)動(dòng)，通過滾輪罐耳與罐道的摩擦運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)摩擦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)滾輪組成，分別從三個(gè)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(shí)，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(dòng)，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(duì)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)［3］，發(fā)動(dòng)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(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)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(jì)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(dòng)進(jìn)行工作，要使其正常工作，必須保證摩擦輪時(shí)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(dòng)等原因引起的橫向沖擊和振動(dòng)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(shí)，罐籠在井筒中做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)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(dòng)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(shí)，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)葉11轉(zhuǎn)動(dòng)，通過主軸9、大錐齒輪8、小錐齒輪6、齒輪箱5，將動(dòng)力傳給發(fā)動(dòng)機(jī)4，發(fā)動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(shí)發(fā)電，罐籠上升時(shí)不能發(fā)電，導(dǎo)致蓄電池充電時(shí)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(jiǎn)單、罐籠上升下降時(shí)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(dòng)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?jī)蓚?cè)各安裝一臺(tái)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(chǔ)電裝置，儲(chǔ)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(shí)，風(fēng)從上部向下驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)罐籠下降時(shí)，風(fēng)從下部向上驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，即不管罐籠上升還是下降，均可使發(fā)動(dòng)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(shí)不斷增強(qiáng)以及礦山自動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)單，僅需在罐籠頂部?jī)蓚?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(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電進(jìn)入儲(chǔ)電裝置。由于罐籠向上或向下運(yùn)行時(shí)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(chǔ)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(jì)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(dòng)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(jí)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。