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水泵节能技术方案
李树森
［摘要］基于煤矿井下水泵排水用电量大，耗电量占煤炭生产总耗电量18%-40.9%这一实际情况，本文提出一种利用弹力驱动器驱动水泵排水的技术方案，是一种通过取消电动机来减少排水用电量的技术方案，方法是水泵通过联轴器与升速器连接，升速器与弹力驱动器内、外齿轮配合连接，利用弹力驱动器中的弹簧对远离回转轴的滚轮和滚轴施加弹力，形成驱动主轴转动的力矩，依靠滚轮在滚轮内环轨道中滚动，滚轴在滚轴内环轨道中滚动所形成的行程差，带动主轴连续转动，并通过升速器带动水泵运转，将井内的存水排到地面。
［关键词］矿山水泵排水弹力驱动器驱动节电制动器
引言
在煤矿开采过程中，矿用排水用电量占总耗电量的18%-40.9%［1］，由于耗电量占比大，水泵节电技术成为科技人员关注的课题，众多研究成果表明，影响水泵排水系统效率的因素为：排水系统的有效扬程与水泵实际扬程之比，水泵效率、电动机效率，为解决这些问题，科研人员作了诸多改进，己接近提升的极值，但收效有限，［2］为更好的解决这些问题，本文推出一种用弹力驱动器驱动水泵排水的解决方案，这一方案的实施，可以取消泵房到地面之间的输电线路，降低线路投入成本，减少电缆放炮、漏电等不安全隐患，还可以取消电动机的采购，免去电动机购买资金，相应降低排水成本，减少采煤用电量。
1.减少排水用电量技术方案的具体措施
就是利用弹力驱动器替代电动机驱动水泵运转排水，弹力驱动器［3］是一种可以提供旋转运动的发动机，将这种旋转运动传递到水泵上，就可以带动水泵转动并向地面排水，由于弹力驱动器自身的转速达不到电动机的转速，这样，就在弹力驱动器3与水泵9之间设置了一台升速器5，形成了水泵9-联轴器8-升速器5-弹力驱动器3-皮带2-发电机1这么一种连接方式，并且，在水泵9与升速器5之间的联轴器8上的刹车盘7部位设置了制动器6，如附图1所示，设置制动器的目的，是在不需要排水时，用制动器形成的制动力矩迫使弹力驱动器停止转动，这是根据弹力驱动器工作特征决定的，弹力驱动器的工作方式比较特殊，即常态是转动，停止运转需制动器工作，当继续排水时，只要松开制动器，弹力驱动器就可以继续转动并通过升速器带动水泵转动排水了，设置
发电机的目的，是为水泵房提供可用电源，为水泵房的照明、调温，弹力驱动器和升速器的冷却以及操作制动器等相关的控制系统提供足够的电力资源。
图1
图中 1.发电机，2.皮带，3.弹力驱动器，4花键套，5.升速器，6.制动器，7.刹车盘，8.联轴器，9.水泵，10.基础座。
2.弹力驱动器的基本情况
弹力驱动器是在2019年9月27日被中国专利局授予专利权的新技术，是一种提供旋转运动的动力发生装置，是一种不需输入就能输出动力的发动机，其动力源来自于被压缩弹簧两端形成的作用力与反作用力的对抗，来自于滚轮与滚轴的力矩差，来自于滚轮内环轨道与滚抽内环轨道的直径差，是依靠被压缩弹簧两端的作用力等于反作用力所形成的功率差进行做功的发动机，为实现这种功率差，构建了一种利用弹簧弹力形成的
作用力驱动的滚轮所具有的力矩大于该弹簧反作用力驱动的滚轴所具有的力矩，作用力驱动的滚轮所途经的行程大于反作用力驱动的滚轴所途经的行程，作用力与反作用力的重心垂直于轴心并远离输出轴轴心的这么一种传动机构，并在这一传动机构内设置了与滚轮齿轮相啮合的大内齿圈，以及与滚轴齿轮相啮合的小内齿圈，并且，滚轴的两端是穿过滚轮轨道与设置在滚轮轨道两端的滚轴轨道搭接的，这样，就为形成滚轮与滚轴的行程差创造条件，由于弹力驱动器运动部件少，仅涉及回转轴的转动，滚轮和滚轴作行星式的滚动，没有冲击运动，使其运转较为平稳，产生的热量较低，没有必要建立过于复杂的冷却系统，这样，工程技术人员就有能力将其打造成运行可靠的节能型发动机，并且，这种发动机具有比较强的环境适应能力，不论是寒冬，还是酷薯，不论是深井，还是高峰，不论是水中，还是无氧区域,均能有效发挥其动能的连续供给作用。
3.弹力驱动器的结构
弹力驱动器由滚轴壳12、滚轮壳15和轴承座11相连接构成了箱体外壳，回转牰23是通过两端的回转轴轴承22被装配于箱体外壳的内部，在回转轴23的2个导向方孔内均匀装配有2个滚轴座29，在2个滚轴座29一端的圆孔内，顺序装配有滚轴轴承26和滚轴13，使滚轴13能在滚轴轴承26内自由转动并不能产生轴向移动，在滚轴13的一端装配有滚轴齿轮31，由于滚轴座29与导向方孔之间选用间隙配合，在碟形弹簧27弹力的作用下，能使滚轴13的两端外径与滚轴内环轨道14的B点相接触，使滚轴齿轮31与小内齿圈20相啮合，在滚轴座29另一端的轴向圆孔内，装配有蝶形弹簧27和推顶架25，在推顶架一端的U形架内，顺序装入滚轮轴24、滚轮轴承17、孔用挡圈、滚轮齿轮19和滚轮18，在蝶形弹簧27弹力的作用下，使滚轮18与滚轮内环轨道28的A 点相接触，使滚轮齿轮19与大内齿圈16相啮合。
图2
图中11.轴承座，12.滚轴壳，13.滚轴，14.滚轴轨道，15滚轮壳，16.大内齿圈，17.滚轮轴承，18.滚轮，19.滚轮齿轮，20.小内齿圈，21.连接齿轮，22.回转轴轴承，23.回转轴，24.滚轮轴，25.推顶架，26.滚轴轴承，27.蝶形弹簧，28.滚轮内环轨道，29.滚轴座，30.底座，31.滚轴齿轮。
4.弹力驱动器的工作原理
在蝶形弹簧27弹力的作用下，蝶形弹簧27在径向方向对滚轮18和滚轴13产生推力，如附图3所示，使装配在推顶架25一端的滚轮18与滚轮内环轨道28的A点相接触，使装配在滚轴座29一端的滚轴13的两端与两侧的滚轴内环轨道14的B点相接触，设计滚轮内环轨道28的内径为1550毫米，滚轮18的直径为470毫米，滚轴内环轨道14的内径为1050毫米，滚轴13的直径为210毫米，由于蝶形弹簧27弹力推动的滚轮18和滚轴13的重心与轴（21）中心之间存在301毫米的距离，导致弹力推动的滚轮18的重心到A的距离达到131.78毫米，弹力推动的滚轴13的重心到B点的距离达到75.78
毫米，如果设定蝶形弹簧27的弹力为20000公斤，蝶形弹簧27的重心可以对滚轮18形成20000×0.13178=2635.6公斤米的力矩，蝶形弹簧27的重心可以对滚轴13形成20000×0.07578=1515.6公斤米的力矩，由于蝶形弹簧27的重心对滚轮18形成的力矩大于蝶形弹簧27的重心对滚轴13形成的力矩，滚轮内环轨道28的内径大于滚轴内环轨道14的内径，滚轮18形成的力矩会克服滚轴13形成的力矩带动回转轴23转动。
图3
5.弹力驱动器输出功率的计算
滚轮18的A点与蝶形弹簧27的重心存在0.13178米的距离，就相当于车轮直径为0，47米，总重为40吨（2个弹力为20吨的蝶形弹簧）的货车停在坡度是34.11度的坡道上，如果松开制动器，货车就会下行，如果下行的速度达到50公里/小时，直径为0.47米的滚轮的转速就会达到565转/分钟，根据回转运动动力学基本公式：P=Tn/9550
（KW）［4］
滚轮18形成的输出功率P
轮
=2635.6×9.8×565/9550=1528.096KW，
同理，与滚轮随动的滚轴13形成的输出功率-P
轴
=1515.6×9.8×888.4151/9550=-1381.73KW，
弹力驱动机具有的输出功率P=P
轮-P
轴
=1528.096-1381.73=146.366KW
6，弹力驱动器的运行
在弹力驱动器内加入适量的润滑油，通过手动或自动控制的方式，稳妥的松开制动器，弹力驱动器就会在单个弹簧弹力为20吨的2个弹簧的推动下开始转动，弹力驱动器帶动水泵运转排水的过程中，不需要从地面通过电缆向井下泵房输送电力，不需要从地面向井下泵房输送汽油、柴油以及其它化石燃料，仅在泵房内储存一些润滑油，就可以实现连续的排水，相应减少了多项辅助工作，只要操作人员定期添加更换润滑油，随时检查弹力驱动器的温度变化，匹配适宜的制冷温度，就可以保持弹力驱动器的正常运转，并帶动水泵转动排水。
7，结束语
用弹力驱动器带动水泵排水，对现有的排水管道没有改动，水泵硐室不需要改扩建，仅需要改变弹力驱动机基础座的高度，以及预埋与升速器以及弹力驱动器底脚孔位置相吻合的底脚螺栓，就能实现对弹力驱动器以及升速器的安装，弹力驱动器带动水泵运转的操控也容易进行，只要控制好制动器的开合力矩，就能保持弹力驱动器的平稳运转，并且，后期运转投入的费用大幅度降低，与一台扬程300米，排水量为150米3/小时，驱动功率为150千瓦的井下排水系统相比，一年就可以节省电费30万元，［5］如果将该方案在采煤排水领域以及城市供排水领域大规模实施，每年可以节省电费数百亿元，由此看来，这一款来自中国原创的弹力驱动器，是一款具有潜在价值的发动机，具有在煤矿排水领域以及更多行业推广应用的可行性，值得进行深度的研究、探讨、开发。
参考文献
［1］郭丽霞；《浅谈煤矿节电增效益的途经》内蒙古石油化工；2005年07月12日
［2］田志军；《矿山排水节能技术与实践》；山西煤炭；2009年11月20日
［3］李树森；《弹力驱动器》；国家知识产权局实用新型专利公报；2019年09月27日
［4］成大先；《机械设计手册》（第三版.第一卷）；化学工业出版社；2010年11月03日
［5］张宁宁；《矿山井下排水系统节能优化设计》；矿业工程；2013年01月22日 |
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