石拉乌素煤矿箕斗滚轮罐耳发电装置的设计应用

王德堂，王新茂，张丽春，韩 越，刘星焱

1山东科技大学煤炭与运输提升试验室 山东青岛 266000

2衡阳市谐和机电有限公司 湖南衡阳 421000

煤 矿立井提升系统中提升容器大多采用滚轮罐耳作为运动导向装置[1]，它是立井提升容器与井筒装备之间相互作用的媒介[2]。为保证提升系统安全运行，大多煤矿在主副井提升容器上安装安全监测设备，及时进行安全性能报警[3-4]。在设备运行中是否能提供稳定持续的电能是保障监测设备运行的关键[5]，而大部分防爆蓄电池在续航能力上无法实现供电要求。传统安装于煤矿立井箕斗上的监测装置大多采用防爆蓄电池供电，其续航能力无法满足监测设备长期用电需求，笔者设计了一种基于箕斗滚轮罐耳的发电装置来解决这个问题。

1 发电装置原理

滚轮罐耳发电装置如图 1 所示，该装置采用机械能转化为电能的设计原则。根据石拉乌素煤矿提升容器下乘人间的实际结构，选择在内侧滚动罐耳上方的横梁上加装永磁发电机固定板，以固定发电机底座，通过伸缩底座使永磁发电机摩擦轮与罐耳滚轮接触。在提升容器运行时，滚动罐耳与罐道接触转动的同时带动发电机摩擦轮转动来发电。可伸缩发电机底座具有可调节性，可使发电机摩擦轮与罐耳滚轮充分接触；在滚轮罐耳受到大幅度挤压或振动时，发电机有活动空间，可减少两者之间的碰撞，避免设备损坏，增加永磁发电机的使用寿命。

图1 滚轮罐耳发电装置示意Fig.1 Sketch of power generation device for wheeled cage shoe

2 发电装置设计研究

2.1 发电装置设计要求

煤矿提升井环境复杂，煤尘、渗水情况严重，同时发电设备也要适应落煤现象，发电装置的安装应最大限度地保证罐耳的正常检修与更换，同时保证监测设备的运行供电。因此，提出如下设计要求。

(1)实现蓄电池线上充电，即保证蓄电池电压在到达临界位置时进行充电，同时保证充电功率要大于负载的消耗。

(2)保证发电电流、电压稳定。

(3)发电装置要符合《煤矿安全规程》要求。

(4)不得影响提升系统的正常运行与日常检修。

2.2 发电机摩擦轮设计

发电装置采用机械能转化为电能的设计原则。为保证永磁发电机长时间发电的可靠性，摩擦轮的设计尤为关键。石拉乌素煤矿监测设备的能耗与蓄电池储能性能问题决定了摩擦轮需要长时间转动。滚轮罐耳大多为聚氨酯材料，散热性能较差，长时间运行会烧坏罐耳，需要选择具有较强散热性能的材料。又因罐耳滚轮与发电机摩擦轮长时间、高转速、高频率接触，因而需要选择耐磨损材料。综上，永磁发电机的摩擦轮最终采用铸铁材料，其散热性能优越，耐磨损与腐蚀，保证罐耳的使用时间。

2.3 发电机转速计算

已知石拉乌素煤矿主井竖井深度H=742 m，最大提升线速度v=13.18 m/s，罐耳滚轮外径φ=600 mm。则工作过程中罐耳滚轮的角速度

永磁发电机摩擦轮直径φ=80 mm，则工作过程中摩擦轮角速度

永磁发电机转速

理想状态下传动比

经计算，选用衡阳某公司生产的 YFB-400/24Z矿用隔爆型永磁发电机，其参数如表 1 所列。

表1 矿用隔爆型永磁发电机的性能参数Tab.1 Performance parameters of mine-used explosion-proof permanent magnet generator

由表 1 可以看出，发电机最低工作转速为 1 300 r/min，根据式 (1)～(3)可得，其提升线速度最小为 6 m/s。提升线速度随时间的变化曲线如图 2 所示。已知每天提钩作业 400 钩，每钩保持最大提升速度为 80 m/s，则该时长每天为 8.89 h。从最小提升线速度加速到最大速度用时 10 s，提升减速阶段到最小速度用时 8.75 s，每天可保证发电时长为 13.1 h。

图2 提升线速度变化曲线Fig.2 Variation curve of linear hoisting velocity

2.4 底座设计

罐耳在使用过程中会逐渐磨损，在保证发电装置正常工作的同时，必须保证摩擦轮与罐耳滚轮紧密贴合，同时也要减小罐耳振动所带来的影响，因而设计了可伸缩弹簧式底座。压力弹簧行程需超过滚轮罐耳碟簧行程，在滚轮罐耳因提升加减速、罐道缝、罐道梁微凸造成滚轮摆动时，避免发电机转子受到损坏。底座设计如图 3 所示。

图3 伸缩底座设计Fig.3 Design of telescopic pedestal

3 安装测试

为保证罐耳发电装置的可靠性和实用性，先在实验室进行转速、发电电压、电流等参数的初步测量，之后在石拉乌素煤矿进行安装测试。安装时，首先在箕斗下乘人间罐耳上方横梁处焊接固定板；然后安装底座和永磁发电机，完成后对底座进行调距，在弹簧张力与发电机自重的作用下使得摩擦轮与罐耳滚轮紧密贴合；最后将发电机导线与蓄电池相连。安装现场如图 4 所示。安装电流、电压监测传感器对永磁发电机输出电压、电流进行监测，实际运行数据如表 2 所列，试验数据如表 3 所列。因数据较多，笔者仅截取部分数据予以对比，对比表 2、3 可知，该滚轮罐耳发电装置在提升系统工作时正常稳定运行。

图4 安装现场Fig.4 Installation scene

表2 发电机的实际运行数据Tab.2 Actual operating data of generator

表3 发电机的试验测试数据Tab.3 Test data of generator

4 结语

滚轮罐耳发电装置主要由永磁发电机、可伸缩弹簧底座、摩擦轮组成，该装置组成简单，工作平稳，维修方便，满足设计要求，可为安装于箕斗上的提升系统监测设备提供持续电能供应。此设计方案可应用范围较广，为后续罐耳发电装置的研发提供了可靠参考。