新型滚轮罐耳发电系统的研究与设计

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1、新型滚轮罐耳发电系统的研究与设计　　引言　　　　滚轮罐耳是安设在立井提升容器上,沿刚性组合罐道上下运行的导向装置[1]。滚轮罐耳是立井提升容器与井筒装备之间相互共同作用的媒介,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[2]。本设计所研究的新型滚轮罐耳的胶轮、轮轴内部密封以及缓冲装置等都与兖矿集团济三煤矿研制的YL系列新型滚轮罐耳[3]相同。在实际应用中，滚轮罐耳存在着可靠性差、磨损快、维修不方便、寿命短等诸多问题[4-5]，因此，国内很多学者对罐耳的结构进行了改进，研制出适应不同工况的新型罐耳[6-7]。　　本设计的研究重点是罐耳的结构改进和发电系统

2、的结构设计及控制部分的设计。通过设计新型滚轮罐耳发电系统，回收了罐耳滚动的动能，实现了能量的二次利用，这是与国家可持续发展战略和创建节约型社会的政策相吻合的，是一次具有实用价值的绿色设计。　　　　1设计方案介绍　　　　1.1设计方案由来　　通过进入煤矿实习和查阅相关资料，笔者注意到副井提升罐笼在运行过程中最高速度可达8m/s，并且煤矿生产是24小时不间断作业的。根据能量守恒定理，如果能将罐笼运动过程中的能量转化为其他形式的能量“储存”起来以供他用，这将是一笔很可观的财富！即便只是其中的一部分，也足以给我们带来很大的收益，然而目前国内外还鲜有专家学者从事这方面的研究，

3、这是一个全新的研究领域。　　在全面分析罐笼各部件运行原理、工作过程的基础上，笔者注意到在罐笼运动过程中，有一个不断转动的部件，它就是滚轮罐耳！由于滚轮罐耳是伴随罐笼转动的，那能不能用滚轮罐耳带动发电机发电呢？基于以上想法，本设计的研究对象确定在罐笼的滚轮罐耳上，通过改进现有滚轮罐耳的结构，回收其运动动能，将其转化为电能储存起来以供其他设备使用（暂称此设计为滚轮罐耳发电系统的设计）。　　　　1.2设计方案简介　　在本设计中，主要存在两方面的问题，一是如何改进滚轮罐耳的结构，使滚动的罐耳最终能带动发电机发电；二是罐笼的运动速度是不稳定的，这就导致发电机的发电电压不稳定，

4、所以必须设计控制电路对充电过程进行控制；下面从两方面分别介绍本设计的具体方案。　　滚轮罐耳的结构改进方面：　　目前煤矿中广泛使用的滚轮罐耳在工作时，只有胶轮在与罐道的作用下转动，而罐耳的轮轴是不转动的（本文以LS300型滚轮罐耳为例，其结构如图1所示）。因为我们的设想是通过轮轴转动进而带动发电机发电，所以这就影响了滚轮罐耳和发电机的“连接”。　　为了最终能够带动发电机发电，本设计做如下改进：将原来位于罐耳结构内部的圆锥滚子轴承改到轴的两端，将原来的轴架上部做成轴承箱，轴承放入轴承箱内，达到轴承工作时所需的润滑、密封等条件，如图2所示。这样在罐耳滚动时，轮轴就会同时转

5、动，在轮轴的另一端装上皮带轮，皮带轮与发电机通过皮带相连，这样罐耳的转动最终就会带动皮带轮转动，使发电机发电。　　控制电路设计方面：　　罐笼运动的速度不稳定导致滚轮罐耳的转速不稳定，最终导致发电机的发电电压起伏大，所以在发电机和蓄电池之间加上控制电路，采用如下控制原则：1、在罐笼速度超过一定值时才允许发电机发电，其余时候发电机不工作；2、发电机的输出电压转变为稳定的蓄电池充电电压，为蓄电池充电。　　根据以上要求，本设计的控制原理是：发电机的输出端接电压比较器，设定参考电压，当罐笼速度超过参考值时，电压比较器输出高电平触发晶体管导通。晶体管电路中与一固态继电器串联，固

6、态继电器的后续电路便是蓄电池的充电电路。具体方案是设计三个电路，一个是电压比较电路，一个是开关电路，一个是稳压电路。电压比较电路是在电路中使用电压比较器来对发电机输出电压和参考电压做比较，其输出是数字信号0或1。开关电路由PNP型三极管、固态继电器组成，电压比较电路输出的0或1控制信号使固态继电器打开或关闭，从而控制发电机给蓄电池充电。稳压电路的作用是将发电机的输出转化为稳定的充电电压从而为蓄电池充电。　　　　　　2新型滚轮罐耳工作原理与强度校核　　　　2.1工作原理　　LS300型罐耳工作原理：LS300罐耳的结构如图1所示，工作时胶轮（1）与罐道摩擦，在摩擦力的

7、作用下胶轮转动，由于胶轮是与端盖（8）连接的，端盖又通过螺栓与内部钢套（3）相连，钢套与轴承（4）配合，轴承外圈随其一起转动。而内圈与轴（5）配合并不随其转动。　　新型滚轮罐耳工作原理：新型罐耳结构如图2所示，原来位于罐耳内部的圆锥滚子轴承被改到轴的两端。这样胶轮（6）转动时将通过端盖（5）和钢套（7）带动轴（8）转动，轴的一端和中间部分分别与轴承（2）配合，另一端与皮带轮（12）连接，这样皮带轮将随胶轮一起转动，进而带动发电机工作。　　　　2.2罐耳轮轴的强度校核　　在本设计中轮轴是主要的改动零件，也是主要的承力部件，所以需要对轮轴的强度进行校核验算。