石拉烏素煤礦箕斗滾輪罐耳發電裝置的設計應用

王德堂，王新茂，張麗春，韓 越，劉星焱

1山東科技大學煤炭與運輸提升試驗室 山東青島 266000

2衡陽市諧和機電有限公司 湖南衡陽 421000

煤 礦立井提升系統中提升容器大多采用滾輪罐耳作為運動導向裝置[1]，它是立井提升容器與井筒裝備之間相互作用的媒介[2]。為保證提升系統安全運行，大多煤礦在主副井提升容器上安裝安全監測設備，及時進行安全性能報警[3-4]。在設備運行中是否能提供穩定持續的電能是保障監測設備運行的關鍵[5]，而大部分防爆蓄電池在續航能力上無法實現供電要求。傳統安裝于煤礦立井箕斗上的監測裝置大多采用防爆蓄電池供電，其續航能力無法滿足監測設備長期用電需求，筆者設計了一種基于箕斗滾輪罐耳的發電裝置來解決這個問題。

1 發電裝置原理

滾輪罐耳發電裝置如圖 1 所示，該裝置采用機械能轉化為電能的設計原則。根據石拉烏素煤礦提升容器下乘人間的實際結構，選擇在內側滾動罐耳上方的橫梁上加裝永磁發電機固定板，以固定發電機底座，通過伸縮底座使永磁發電機摩擦輪與罐耳滾輪接觸。在提升容器運行時，滾動罐耳與罐道接觸轉動的同時帶動發電機摩擦輪轉動來發電。可伸縮發電機底座具有可調節性，可使發電機摩擦輪與罐耳滾輪充分接觸；在滾輪罐耳受到大幅度擠壓或振動時，發電機有活動空間，可減少兩者之間的碰撞，避免設備損壞，增加永磁發電機的使用壽命。

圖1 滾輪罐耳發電裝置示意Fig.1 Sketch of power generation device for wheeled cage shoe

2 發電裝置設計研究

2.1 發電裝置設計要求

煤礦提升井環境復雜，煤塵、滲水情況嚴重，同時發電設備也要適應落煤現象，發電裝置的安裝應最大限度地保證罐耳的正常檢修與更換，同時保證監測設備的運行供電。因此，提出如下設計要求。

(1)實現蓄電池線上充電，即保證蓄電池電壓在到達臨界位置時進行充電，同時保證充電功率要大于負載的消耗。

(2)保證發電電流、電壓穩定。

(3)發電裝置要符合《煤礦安全規程》要求。

(4)不得影響提升系統的正常運行與日常檢修。

2.2 發電機摩擦輪設計

發電裝置采用機械能轉化為電能的設計原則。為保證永磁發電機長時間發電的可靠性，摩擦輪的設計尤為關鍵。石拉烏素煤礦監測設備的能耗與蓄電池儲能性能問題決定了摩擦輪需要長時間轉動。滾輪罐耳大多為聚氨酯材料，散熱性能較差，長時間運行會燒壞罐耳，需要選擇具有較強散熱性能的材料。又因罐耳滾輪與發電機摩擦輪長時間、高轉速、高頻率接觸，因而需要選擇耐磨損材料。綜上，永磁發電機的摩擦輪最終采用鑄鐵材料，其散熱性能優越，耐磨損與腐蝕，保證罐耳的使用時間。

2.3 發電機轉速計算

已知石拉烏素煤礦主井豎井深度H=742 m，最大提升線速度v=13.18 m/s，罐耳滾輪外徑φ=600 mm。則工作過程中罐耳滾輪的角速度

永磁發電機摩擦輪直徑φ=80 mm，則工作過程中摩擦輪角速度

永磁發電機轉速

理想狀態下傳動比

經計算，選用衡陽某公司生產的 YFB-400/24Z礦用隔爆型永磁發電機，其參數如表 1 所列。

表1 礦用隔爆型永磁發電機的性能參數Tab.1 Performance parameters of mine-used explosion-proof permanent magnet generator

由表 1 可以看出，發電機最低工作轉速為 1 300 r/min，根據式 (1)～(3)可得，其提升線速度最小為 6 m/s。提升線速度隨時間的變化曲線如圖 2 所示。已知每天提鉤作業 400 鉤，每鉤保持最大提升速度為 80 m/s，則該時長每天為 8.89 h。從最小提升線速度加速到最大速度用時 10 s，提升減速階段到最小速度用時 8.75 s，每天可保證發電時長為 13.1 h。

圖2 提升線速度變化曲線Fig.2 Variation curve of linear hoisting velocity

2.4 底座設計

罐耳在使用過程中會逐漸磨損，在保證發電裝置正常工作的同時，必須保證摩擦輪與罐耳滾輪緊密貼合，同時也要減小罐耳振動所帶來的影響，因而設計了可伸縮彈簧式底座。壓力彈簧行程需超過滾輪罐耳碟簧行程，在滾輪罐耳因提升加減速、罐道縫、罐道梁微凸造成滾輪擺動時，避免發電機轉子受到損壞。底座設計如圖 3 所示。

圖3 伸縮底座設計Fig.3 Design of telescopic pedestal

3 安裝測試

為保證罐耳發電裝置的可靠性和實用性，先在實驗室進行轉速、發電電壓、電流等參數的初步測量，之后在石拉烏素煤礦進行安裝測試。安裝時，首先在箕斗下乘人間罐耳上方橫梁處焊接固定板；然后安裝底座和永磁發電機，完成后對底座進行調距，在彈簧張力與發電機自重的作用下使得摩擦輪與罐耳滾輪緊密貼合；最后將發電機導線與蓄電池相連。安裝現場如圖 4 所示。安裝電流、電壓監測傳感器對永磁發電機輸出電壓、電流進行監測，實際運行數據如表 2 所列，試驗數據如表 3 所列。因數據較多，筆者僅截取部分數據予以對比，對比表 2、3 可知，該滾輪罐耳發電裝置在提升系統工作時正常穩定運行。

圖4 安裝現場Fig.4 Installation scene

表2 發電機的實際運行數據Tab.2 Actual operating data of generator

表3 發電機的試驗測試數據Tab.3 Test data of generator

4 結語

滾輪罐耳發電裝置主要由永磁發電機、可伸縮彈簧底座、摩擦輪組成，該裝置組成簡單，工作平穩，維修方便，滿足設計要求，可為安裝于箕斗上的提升系統監測設備提供持續電能供應。此設計方案可應用范圍較廣，為后續罐耳發電裝置的研發提供了可靠參考。