石拉烏素煤礦箕斗滾輪罐耳發(fā)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(tǒng)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(tǒng)安全運行，大多煤礦在主副井提升容器上安裝安全監(jiān)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(wěn)定持續(xù)的電能是保障監(jiān)測設備運行的關(guān)鍵[5]，而大部分防爆蓄電池在續(xù)航能力上無法實現(xiàn)供電要求。傳統(tǒng)安裝于煤礦立井箕斗上的監(jiān)測裝置大多采用防爆蓄電池供電，其續(xù)航能力無法滿足監(jiān)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(fā)電裝置來解決這個問題。

1 發(fā)電裝置原理

滾輪罐耳發(fā)電裝置如圖 1 所示，該裝置采用機械能轉(zhuǎn)化為電能的設計原則。根據(jù)石拉烏素煤礦提升容器下乘人間的實際結(jié)構(gòu)，選擇在內(nèi)側(cè)滾動罐耳上方的橫梁上加裝永磁發(fā)電機固定板，以固定發(fā)電機底座，通過伸縮底座使永磁發(fā)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(zhuǎn)動的同時帶動發(fā)電機摩擦輪轉(zhuǎn)動來發(fā)電。可伸縮發(fā)電機底座具有可調(diào)節(jié)性，可使發(fā)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(fā)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(fā)電機的使用壽命。

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

2 發(fā)電裝置設計研究

2.1 發(fā)電裝置設計要求

煤礦提升井環(huán)境復雜，煤塵、滲水情況嚴重，同時發(fā)電設備也要適應落煤現(xiàn)象，發(fā)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(jiān)測設備的運行供電。因此，提出如下設計要求。

(1)實現(xiàn)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(fā)電電流、電壓穩(wěn)定。

(3)發(fā)電裝置要符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

(4)不得影響提升系統(tǒng)的正常運行與日常檢修。

2.2 發(fā)電機摩擦輪設計

發(fā)電裝置采用機械能轉(zhuǎn)化為電能的設計原則。為保證永磁發(fā)電機長時間發(fā)電的可靠性，摩擦輪的設計尤為關(guān)鍵。石拉烏素煤礦監(jiān)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(zhuǎn)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(fā)電機摩擦輪長時間、高轉(zhuǎn)速、高頻率接觸，因而需要選擇耐磨損材料。綜上，永磁發(fā)電機的摩擦輪最終采用鑄鐵材料，其散熱性能優(yōu)越，耐磨損與腐蝕，保證罐耳的使用時間。

2.3 發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)電機轉(zhuǎn)速

理想狀態(tài)下傳動比

經(jīng)計算，選用衡陽某公司生產(chǎn)的 YFB-400/24Z礦用隔爆型永磁發(fā)電機，其參數(shù)如表 1 所列。

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

由表 1 可以看出，發(fā)電機最低工作轉(zhuǎn)速為 1 300 r/min，根據(jù)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(yè) 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(fā)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(fā)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(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)電裝置的可靠性和實用性，先在實驗室進行轉(zhuǎn)速、發(fā)電電壓、電流等參數(shù)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(fā)電機，完成后對底座進行調(diào)距，在彈簧張力與發(fā)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(fā)電機導線與蓄電池相連。安裝現(xiàn)場如圖 4 所示。安裝電流、電壓監(jiān)測傳感器對永磁發(fā)電機輸出電壓、電流進行監(jiān)測，實際運行數(shù)據(jù)如表 2 所列，試驗數(shù)據(jù)如表 3 所列。因數(shù)據(jù)較多，筆者僅截取部分數(shù)據(jù)予以對比，對比表 2、3 可知，該滾輪罐耳發(fā)電裝置在提升系統(tǒng)工作時正常穩(wěn)定運行。

圖4 安裝現(xiàn)場Fig.4 Installation scene

表2 發(fā)電機的實際運行數(shù)據(jù)Tab.2 Actual operating data of generator

表3 發(fā)電機的試驗測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of generator

4 結(jié)語

滾輪罐耳發(fā)電裝置主要由永磁發(fā)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(wěn)，維修方便，滿足設計要求，可為安裝于箕斗上的提升系統(tǒng)監(jiān)測設備提供持續(xù)電能供應。此設計方案可應用范圍較廣，為后續(xù)罐耳發(fā)電裝置的研發(fā)提供了可靠參考。