礦井提升機罐籠發電裝置研究

朱 凱，周 龍，劉 肖，欒振輝

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

礦井提升機罐籠發電裝置研究

朱 凱1，周 龍3，劉 肖2，欒振輝2

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

針對罐籠內礦燈照明所存在的問題以及摩擦輪發電裝置和垂直軸風力發電裝置存在的不足，提出了一種新型的水平軸風力發電裝置的結構原理，介紹了該風力發電裝置的工作原理。研究結果表明：該風力發電裝置結構簡單，安裝方便，且不管罐籠向上提升還是向下下降，均可發電，因此，在相同負載的情況下，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；罐籠；摩擦輪發電裝置；風力發電裝置

1 引言

礦井提升機是現代煤礦生產系統的重要運輸設備，通常可分為主井提升系統和副井提升系統，其中，主井提升系統的提升容器是箕斗，主要用于煤炭提升，而副井提升系統的提升容器是罐籠，主要用于運送人員、設備、施工材料及機具等。目前，絕大多數煤礦的提升罐籠內沒有專用照明裝置，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，需費時1小時左右［1］。特別是當運送體積較大、較笨重的設備時，這樣的照明條件根本不能滿足需求，燈光昏暗會給運輸工作造成很大影響，人員和設備的安全沒有保障。由于提升罐籠內沒有充電設備，當蓄電池電量耗盡后，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行充電不但費人力，而且充電時間長，容易耽誤提升系統正常作業。

近年來，為了保障礦井提升機系統的正常運行，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控設備，包括檢測設備、監測設備和通信裝置等，能夠實時監控提升機的運行狀態，當提升機系統突發事故時，監控設備可以通過報警裝置提醒工作人員及時進行處理，從而保障提升系統的安全運行。這些照明燈具和安全監控設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運行等因素的制約，不能采用地面供電系統對罐籠內的照明燈具及監控設備進行供電。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，導致更換充電頻繁。容量大的蓄電池可以減少更換次數，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，很多學者對此進行了研究。

2 摩擦輪發電裝置

通常，煤礦副井提升系統包括提升機、提升鋼絲繩、提升罐籠、井架、天輪、罐道、井筒裝備、進車裝置、出車裝置及井底裝置等部分。摩擦輪發電裝置的設計思想是，利用罐籠在井筒中的上升和下降運動，通過滾輪罐耳與罐道的摩擦運動帶動摩擦輪發電機轉動，實現機械能到電能的轉換。摩擦輪發電裝置通常安裝在提升罐籠的頂部，與該發電裝置相關的部件包括罐籠本體、罐道及滾輪罐耳。提升罐籠的結構如圖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。滾輪罐耳的結構如圖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，調節器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，為罐籠提供導向作用。滾輪罐耳既作為罐籠沿罐道運行的導向輪，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運行的重要裝置，又是影響井筒裝備工作穩定性的關鍵部件，其工作性能好壞對井筒剛性裝備的工作質量有著十分重要的作用。滾輪沿著罐道滾動，其間存在機械能，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速，從而可帶動發電機旋轉［2］，或者使裝在滾輪內的發電機轉動［3］，發動機產生低壓電源，通過導線給蓄電池充電，蓄電池給罐籠內的照明燈具、檢測設備、監測設備和通信裝置等供電，根據罐籠內電氣設備的用電需求，結合罐籠提升機系統的運行規律（速度圖和加速度圖），經過計算，可選定合適的蓄電池容量，從而實現罐籠內蓄電池線上充電。

摩擦輪發電裝置依靠的是摩擦輪（滾輪）與罐道間的摩擦傳動進行工作，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行，罐籠與導軌之間必須留有一定的間隙，這就導致滾輪與罐道之間存在很大的沖擊，致使滾輪磨損嚴重，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 垂直軸風力發電裝置

提升機系統工作時，罐籠在井筒中做上下往復運動，根據《煤礦安全規程》第四百二十五條規定，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值，其中 v 是提升機線速度，是速度系數，H是立井深度。國內外關于速度系數的取值不同。國內礦井的速度系數為 0.3 ～ 0.5。在國內摩擦提升系統中，摩擦輪最大直徑為5m，纏繞式提升系統最大直徑為4m，提升機最大線速度為14 m/s。但是，提升機通常不是按最大提升速度運行，而是按經濟提升速度運行。提升機的經濟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，以達到節省電能的要求，表1 所示為不同提升高度下提升機最大提升速度和經濟提升速度［2］。

表1 不同提升高度的最大提升速度和經濟提升速度

由表1可知，礦井提升機的經濟提升速度為6.93-10m/s，這樣的相對風速很適合風力發電機工作，垂直軸風力發電裝置就是利用罐籠下降速度大、副井內相對風速大的特性，驅使風力發電機發電的。垂直軸風力發電裝置如圖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、發動機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。當罐籠向下運行時，風力驅動風葉11轉動，通過主軸9、大錐齒輪8、小錐齒輪6、齒輪箱5，將動力傳給發動機4，發動機4發出的電經控制裝置（圖中未示）給蓄電池充電。

垂直軸風力發電裝置充分利用了副井內相對風速高的特點，實現了罐籠自身供電的功能，并且具有結構簡單，工作可靠，不影響罐籠正常運行等優點，但是，這種風力發電機只能在罐籠下降時發電，罐籠上升時不能發電，導致蓄電池充電時間受限，進而必須選用容量大的蓄電池。

4 水平軸風力發電裝置

為了克服垂直軸風力發電裝置的不足之處，作者提出了一種結構更簡單、罐籠上升下降時均可發電的水平軸風力發電裝置。如圖4所示，其主要包括罐籠本體1、安裝支座2、發動機3、風輪（包括風輪軸和風葉）4等，其中風葉為螺旋式風葉。為了充分利用井筒中的風能，在罐籠箱頂部兩側各安裝一臺風力發電機，發電機軸水平布置且與罐籠箱的中心線平行，發電機軸的伸出端連接風輪，風葉的旋轉軸線與風向垂直，風力發電機上連接有儲電裝置，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連接。采用該結構布置，當罐籠上升時，風從上部向下驅動風輪旋轉，當罐籠下降時，風從下部向上驅動風輪旋轉，即不管罐籠上升還是下降，均可使發動機工作，向蓄電池充電。

5 結束語

近年來，隨著人們安全意識不斷增強以及礦山自動化水平的不斷提高，罐籠內部配備了一些低壓用電設備，如照明燈具、電動罐簾門、監控及安全通信裝置等，這些設備都須有穩定可靠的電源支持才能正常工作。本水平軸風力發電裝置結構簡單，僅需在罐籠頂部兩側裝設風力發電機，并在風力發電機上連接風輪，使風葉的旋轉軸線與風向垂直，不管罐籠向上提升還是向下下降，均可使風輪旋轉，帶動風力發電機的旋轉，產生的電進入儲電裝置。由于罐籠向上或向下運行時均可發電并為蓄電池充電，因此，在相同負載的情況下，蓄電池的儲參考文獻：

量可減少一半，從而可提高罐籠的有效載重。

［1］姚祥祥.礦井提升機罐籠內照明系統的研制及具應用［J］. 科技信息，2012（28）∶394.

［2］曹艷.提升機罐籠發電裝置機構設計與研究［D］.徐州∶中國礦業大學，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動機及方法［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，從事煤礦機電設備及電廠設備的運行管理工作，發表研究論文多篇。