矿井提升机罐笼发电装置研究

朱 凯，周 龙，刘 肖，栾振辉

（1. 淮沪煤电有限公司；2. 安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；3.淮浙煤电有限公司，安徽 淮南 232038）

矿井提升机罐笼发电装置研究

朱 凯1，周 龙3，刘 肖2，栾振辉2

（1. 淮沪煤电有限公司；2. 安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；3.淮浙煤电有限公司，安徽 淮南 232038）

针对罐笼内矿灯照明所存在的问题以及摩擦轮发电装置和垂直轴风力发电装置存在的不足，提出了一种新型的水平轴风力发电装置的结构原理，介绍了该风力发电装置的工作原理。研究结果表明：该风力发电装置结构简单，安装方便，且不管罐笼向上提升还是向下下降，均可发电，因此，在相同负载的情况下，蓄电池的容量可减少一半，从而可提高罐笼的有效载重。

矿井提升机；罐笼；摩擦轮发电装置；风力发电装置

1 引言

矿井提升机是现代煤矿生产系统的重要运输设备，通常可分为主井提升系统和副井提升系统，其中，主井提升系统的提升容器是箕斗，主要用于煤炭提升，而副井提升系统的提升容器是罐笼，主要用于运送人员、设备、施工材料及机具等。目前，绝大多数煤矿的提升罐笼内没有专用照明装置，有的矿井为了改善上下井人员的乘罐条件，在罐笼顶部安装2-4盏矿灯作为照明，但因矿灯电源 容量小，使矿灯耗电极快，必须每天更换两个罐笼安装的全部8盏矿灯，需费时1小时左右［1］。特别是当运送体积较大、较笨重的设备时，这样的照明条件根本不能满足需求，灯光昏暗会给运输工作造成很大影响，人员和设备的安全没有保障。由于提升罐笼内没有充电设备，当蓄电池电量耗尽后，必须将其拆下，搬出罐笼去充电，并换上已充满电的蓄电池，拆卸蓄电池并对其进行充电不但费人力，而且充电时间长，容易耽误提升系统正常作业。

近年来，为了保障矿井提升机系统的正常运行，除了需要照明灯具外，很多矿井在提升罐笼上安装了安全监控设备，包括检测设备、监测设备和通信装置等，能够实时监控提升机的运行状态，当提升机系统突发事故时，监控设备可以通过报警装置提醒工作人员及时进行处理，从而保障提升系统的安全运行。这些照明灯具和安全监控设备需要有可靠的供电，然而，由于受矿井深度以及提升容器往复运行等因素的制约，不能采用地面供电系统对罐笼内的照明灯具及监控设备进行供电。如前所述，可以采用在提升罐笼上安装蓄电池来解决这一问题。但是，蓄电池的容量是与其体积大小成比例的。小容量的蓄电池，尽管更换方便，但是容量有限，导致更换充电频繁。容量大的蓄电池可以减少更换次数，但是，蓄电池的体积和重量都比较大，更换不方便，同时也会降低提升罐笼的有效载荷。为了解决这一问题，很多学者对此进行了研究。

2 摩擦轮发电装置

通常，煤矿副井提升系统包括提升机、提升钢丝绳、提升罐笼、井架、天轮、罐道、井筒装备、进车装置、出车装置及井底装置等部分。摩擦轮发电装置的设计思想是，利用罐笼在井筒中的上升和下降运动，通过滚轮罐耳与罐道的摩擦运动带动摩擦轮发电机转动，实现机械能到电能的转换。摩擦轮发电装置通常安装在提升罐笼的顶部，与该发电装置相关的部件包括罐笼本体、罐道及滚轮罐耳。提升罐笼的结构如图1所示，其主要包括提升钢丝绳1、滚轮罐耳2、罐道3、楔形绳环4、抓捕器5、帘式罐门6、罐笼本体7等部件，其中罐道3为通过罐道梁固定在井壁上的刚性组合罐道，滚轮罐耳2有四组，分别安装在罐笼上部中心线两端和罐笼下部中心线两端，每组由三个滚轮组成，分别从三个方向包围着罐道。滚轮罐耳的结构如图2所示，罐笼1的顶部焊接底座2，滚轮4、5、7安装在底座2上，调节器3通过弹簧（图中未示）分别将滚轮4、5、7压紧在罐道6上。

提升机正常工作时，通过钢丝绳提升罐笼在井筒中上升或下降，罐笼上的滚轮罐耳沿着罐道滚动，为罐笼提供导向作用。滚轮罐耳既作为罐笼沿罐道运行的导向轮，又可连接罐笼与罐道，并传递罐笼与罐道间的作用力。它既是罐笼安全平稳运行的重要装置，又是影响井筒装备工作稳定性的关键部件，其工作性能好坏对井筒刚性装备的工作质量有着十分重要的作用。滚轮沿着罐道滚动，其间存在机械能，采用摩擦轮与罐道压紧接触，则摩擦轮既获得摩擦力矩又获得转速，从而可带动发电机旋转［2］，或者使装在滚轮内的发电机转动［3］，发动机产生低压电源，通过导线给蓄电池充电，蓄电池给罐笼内的照明灯具、检测设备、监测设备和通信装置等供电，根据罐笼内电气设备的用电需求，结合罐笼提升机系统的运行规律（速度图和加速度图），经过计算，可选定合适的蓄电池容量，从而实现罐笼内蓄电池线上充电。

摩擦轮发电装置依靠的是摩擦轮（滚轮）与罐道间的摩擦传动进行工作，要使其正常工作，必须保证摩擦轮时刻与罐道接触并压紧（提供一定的摩擦力），由于存在井筒偏斜、钢丝绳振动等原因引起的横向冲击和振动以及罐道制造及安装等误差，为了保证罐笼的正常运行，罐笼与导轨之间必须留有一定的间隙，这就导致滚轮与罐道之间存在很大的冲击，致使滚轮磨损严重，需要频繁更换，给罐笼的正常提升带来了非常不利的影响。

3 垂直轴风力发电装置

提升机系统工作时，罐笼在井筒中做上下往复运动，根据《煤矿安全规程》第四百二十五条规定，立井升降物料时，提升容器的最大提升线速度不得超过用公式所求得的数值，其中 v 是提升机线速度，是速度系数，H是立井深度。国内外关于速度系数的取值不同。国内矿井的速度系数为 0.3 ～ 0.5。在国内摩擦提升系统中，摩擦轮最大直径为5m，缠绕式提升系统最大直径为4m，提升机最大线速度为14 m/s。但是，提升机通常不是按最大提升速度运行，而是按经济提升速度运行。提升机的经济提升速度不仅考虑提升高度，同时也综合考虑提升加速度等，以达到节省电能的要求，表1 所示为不同提升高度下提升机最大提升速度和经济提升速度［2］。

表1 不同提升高度的最大提升速度和经济提升速度

由表1可知，矿井提升机的经济提升速度为6.93-10m/s，这样的相对风速很适合风力发电机工作，垂直轴风力发电装置就是利用罐笼下降速度大、副井内相对风速大的特性，驱使风力发电机发电的。垂直轴风力发电装置如图3所示［4］，在罐笼本体1的下方安装有固定箱2，固定箱中安装有蓄电池3、发动机4、齿轮箱5，主轴9装在轴承座7中，其下端安装有轮毂10和风叶11，上端安装有大锥齿轮8，锥齿轮8与小锥齿轮6啮合。当罐笼向下运行时，风力驱动风叶11转动，通过主轴9、大锥齿轮8、小锥齿轮6、齿轮箱5，将动力传给发动机4，发动机4发出的电经控制装置（图中未示）给蓄电池充电。

垂直轴风力发电装置充分利用了副井内相对风速高的特点，实现了罐笼自身供电的功能，并且具有结构简单，工作可靠，不影响罐笼正常运行等优点，但是，这种风力发电机只能在罐笼下降时发电，罐笼上升时不能发电，导致蓄电池充电时间受限，进而必须选用容量大的蓄电池。

4 水平轴风力发电装置

为了克服垂直轴风力发电装置的不足之处，作者提出了一种结构更简单、罐笼上升下降时均可发电的水平轴风力发电装置。如图4所示，其主要包括罐笼本体1、安装支座2、发动机3、风轮（包括风轮轴和风叶）4等，其中风叶为螺旋式风叶。为了充分利用井筒中的风能，在罐笼箱顶部两侧各安装一台风力发电机，发电机轴水平布置且与罐笼箱的中心线平行，发电机轴的伸出端连接风轮，风叶的旋转轴线与风向垂直，风力发电机上连接有储电装置，储电装置包括蓄电池，且通过充电、供电接口与外部控制系统连接。采用该结构布置，当罐笼上升时，风从上部向下驱动风轮旋转，当罐笼下降时，风从下部向上驱动风轮旋转，即不管罐笼上升还是下降，均可使发动机工作，向蓄电池充电。

5 结束语

近年来，随着人们安全意识不断增强以及矿山自动化水平的不断提高，罐笼内部配备了一些低压用电设备，如照明灯具、电动罐帘门、监控及安全通信装置等，这些设备都须有稳定可靠的电源支持才能正常工作。本水平轴风力发电装置结构简单，仅需在罐笼顶部两侧装设风力发电机，并在风力发电机上连接风轮，使风叶的旋转轴线与风向垂直，不管罐笼向上提升还是向下下降，均可使风轮旋转，带动风力发电机的旋转，产生的电进入储电装置。由于罐笼向上或向下运行时均可发电并为蓄电池充电，因此，在相同负载的情况下，蓄电池的储参考文献：

量可减少一半，从而可提高罐笼的有效载重。

［1］姚祥祥.矿井提升机罐笼内照明系统的研制及具应用［J］. 科技信息，2012（28）∶394.

［2］曹艳.提升机罐笼发电装置机构设计与研究［D］.徐州∶中国矿业大学，2014（12）.

［3］刘宏卿.一种用于煤矿罐笼照明供电的罐笼滚轮式发动机及方法［P］.中国：201210176254.X.2014.09.10

［4］周公博，朱真才，王朋辉等.一种罐笼能量供给系统及其控制方法［P］.中国：201410529885.4.2015.03.25

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.082

朱凯（1962-），男，高级工程师，从事煤矿机电设备及电厂设备的运行管理工作，发表研究论文多篇。