煤礦企業(yè)膠帶機驅(qū)動方式探討

段偉

【摘 要】隨著煤礦建設(shè)不斷大型化，長距離、大運量膠帶機被廣泛使用，膠帶機的啟動問題也逐漸突出，本文就膠帶機常用的幾種驅(qū)動方式進行探討。

【關(guān)鍵詞】軟啟動；液力耦合器；CST；變頻器

0.引言

目前，在煤礦建設(shè)中，長距離、大運量帶式輸送機的需求迅速增長。由于膠帶機具有大慣量的特點，起、制動過程需要電機提供高起動轉(zhuǎn)矩，如果在起動過程中，未采用軟啟動方式，可能會有以下問題：①驅(qū)動電機的起動電流會對電網(wǎng)造成很大沖擊，同時又造成供電線路壓降過大；②傳動設(shè)備要承受猛烈沖擊，膠帶張力過大會危害輸送帶及其它部件；③膠帶和滾筒之間可能發(fā)生嚴重打滑，加速膠帶的損耗；④多臺電動機驅(qū)動時還存在多臺電機的負載分配問題；為此人們不斷研究，開發(fā)新的設(shè)備和技術(shù)來實現(xiàn)膠帶機的軟啟動。目前實現(xiàn)軟起動的主要方式分為機械和電氣兩大類。機械方式：包括使用液力偶合器，CST（線性濕式離合器），等；電氣方式：主要為變頻調(diào)速（其它還有串電阻啟動等方法，因在煤礦不經(jīng)常采用，這里不再討論）下面詳細介紹各種軟啟動方式。

1.液力偶合器

1.1液力偶合器工作原理和特點

液力偶合器是一種液力傳動裝置，又稱液力連軸器。液力耦合器的結(jié)構(gòu)主要由殼體、渦輪、泵輪三個部分組成。泵輪和渦輪相對安裝，統(tǒng)稱為工作輪。在泵輪和渦輪上有徑向排列的平直葉片，泵輪和渦輪互不接觸。兩者之間有一定的間隙（約3mm～4mm）；泵輪與渦輪裝合成一個整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內(nèi)腔中充滿液壓油，電動機運行時帶動液力耦合器的殼體和泵輪一同轉(zhuǎn)動，泵輪葉片內(nèi)的液壓油在泵輪的帶動下隨之一同旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，液壓油被甩向泵輪葉片外緣處，并在外緣處沖向渦輪葉片，使渦輪在受到液壓油沖擊力而旋轉(zhuǎn)；沖向渦輪葉片的液壓油沿渦輪葉片向內(nèi)緣流動，返回到泵輪內(nèi)緣，然后又被泵輪再次甩向外緣。液壓油就這樣從泵輪流向渦輪，又從渦輪返回到泵輪而形成循環(huán)的液流。液力耦合器中的循環(huán)液壓油，在從泵輪葉片內(nèi)緣流向外緣的過程中，泵輪對其做功，其速度和動能逐漸增大；而在從渦輪葉片外緣流向內(nèi)緣的過程中，液壓油對渦輪做功，其速度和動能逐漸減小。液壓油循環(huán)流動的產(chǎn)生，是泵輪和渦輪之間存在著轉(zhuǎn)速差，使兩輪葉片外緣處產(chǎn)生壓力差。液力耦合器工作時，電動機的動能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環(huán)流動的過程中又將動能傳給渦輪輸出。液壓油在循環(huán)流動的過程中，除受泵輪和渦輪之間的作用力之外，沒有受到其他任何附加的外力。根據(jù)作用力與反作用力相等的原理，液壓油作用在渦輪上的扭矩應(yīng)等于泵輪作用在液壓油上的扭矩，這就是液力耦合器的工作原理。

液力耦合器調(diào)速原理表明，傳動速度的改變，實質(zhì)是機械功率調(diào)節(jié)的結(jié)果。因此液力耦合器輸出轉(zhuǎn)速的降低，實際是輸出功率減小。在調(diào)速過程中，液力耦合器的原傳動轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生變化，假設(shè)負載轉(zhuǎn)矩不變，原傳動的機械功率也不變，那么輸入與輸出功率的差值功率那里去了呢，顯然是被液力耦合器以熱能形式損耗掉了。設(shè)原傳動功率為PM1，輸出功率為PM2，損耗功率則為：ΔP=PM1-PM2。

由以上公式說明液力耦合器是一種耗能型的機械調(diào)速裝置，調(diào)速越深（轉(zhuǎn)速越低）損耗越大，對于平方轉(zhuǎn)矩負載，由于負載轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方率變化，原傳動輸入功率則按轉(zhuǎn)速的平方率降低，損耗功率相對小一些，但輸出功率是按轉(zhuǎn)速的立方率減小，調(diào)速效率仍然很低。

1.2液力偶合器的優(yōu)缺點

①調(diào)速范圍寬，可實現(xiàn)從零調(diào)節(jié)；②沒有電氣連接，可工作于危險場地，對環(huán)境要求不高；③價格便宜，技術(shù)成熟；④結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；⑤能量轉(zhuǎn)換效率低；⑥液壓油老化后定時更換。

2.CST（線性濕式離合器）

2.1 CST（線性濕式離合器）的工作原理

CST是一個由多級齒輪減速器加上濕式離合器及液壓控制組成的系統(tǒng)。CST的輸出扭矩是由液壓控制系統(tǒng)控制的，隨著離合器上所加的液壓壓力而變化。

對于CST裝置，操作者可根據(jù)需要，通過控制器設(shè)置所需要的加速度曲線和啟動時間。在收到啟動信號后，電機先空載啟動，達到額定速度后，液壓系統(tǒng)開始增加離合器反應(yīng)盤系統(tǒng)的壓力。當反應(yīng)盤相互作用時，其輸出力矩將與液壓系統(tǒng)的壓力成正比。設(shè)在輸出軸上的速度傳感器，檢測出速度并反饋給控制系統(tǒng)，該速度信號將與控制系統(tǒng)設(shè)定的加速度曲線比較，其差值將用于調(diào)整反應(yīng)盤壓力，從而確保穩(wěn)定的加速度斜率。

在啟動過程中，離合器滑差所產(chǎn)生的熱量將由流經(jīng)反應(yīng)盤的冷卻液帶走并經(jīng)熱交換系統(tǒng)散熱。冷卻液、減速器潤滑液以及液壓控制系統(tǒng)的液壓油采用相同的油。

2.2 CST的特點

一條膠帶機可以由一臺電機及一臺CST驅(qū)動，也可以由多臺電機及多臺CST驅(qū)動。驅(qū)動電機在負載（膠帶機）起動之前啟動，此時CST的輸出軸保持不動，當驅(qū)動電機達到滿轉(zhuǎn)速時，控制系統(tǒng)逐漸增加到每臺CST離合器上的液壓壓力，起動膠帶機并逐漸加速到滿速度。這使得膠帶機在被加速至滿速度之前有一個緩慢而均勻的預(yù)拉伸過程。加速時間可以根據(jù)需要在規(guī)定范圍內(nèi)進行調(diào)整。啟動時驅(qū)動電機可以按順序空載啟動，所以電機的沖擊電流非常小。由于驅(qū)動電機可以根據(jù)運行負載進行選擇而不必根據(jù)起動負載選擇，所以CST驅(qū)動系統(tǒng)可以選用功率較小的電機。

同樣CST也可以象控制膠帶機的起動那樣控制膠帶機的停車，通過延長停車時間可以降低對膠帶的動態(tài)沖擊力。

當一驅(qū)動系統(tǒng)中有多臺CST時，控制系統(tǒng)可以確保每臺驅(qū)動電機分擔(dān)相同的負載。合理的功率平衡可以有效地延長整個驅(qū)動系統(tǒng)各部件的壽命。功率平衡是通過保持控制每臺CST離合器的壓力，并允許一臺或幾臺CST的離合器進行輕微打滑來實現(xiàn)的。

皮帶正常運行時，根據(jù)系統(tǒng)中各CST的功率平衡要求，每臺CST的離合器或者保持少量打滑狀態(tài)，或者維持壓力以無打滑方式輸出所要求的扭矩，但系統(tǒng)中任何負載的增加都將引起離合器打滑，這種情況被稱為“軟鎖定”。當離合器被軟鎖定時，任何的瞬間的過載或沖擊載荷都將引起離合器的打滑，這樣驅(qū)動系統(tǒng)的所有部件，包括聯(lián)軸器、軸承和齒輪等都將在沖擊或過載時受到保護，從而延長其使用壽命。

與液力耦合器相比由于CST具有電-液控制系統(tǒng)，使得CST可以讓用戶設(shè)定啟動、停車曲線，并在多臺CST間實現(xiàn)功率的平衡非常容易。而可調(diào)液力耦合器雖然可接受由簡單的電信號，但本質(zhì)還是純機械的方式。所以無法提供可控的啟動、停車曲線。

2.3 CST的優(yōu)缺點

①優(yōu)點：a可以讓用戶設(shè)定啟動、停車曲線；b離負載最近，從而動態(tài)相應(yīng)快，對負載可精確控制；c減速機和負載隔開，從而使減速機的工作條件良好，提高了減速器的壽命；②缺點：a系統(tǒng)復(fù)雜，有液壓、電控兩套系統(tǒng)，維護需要較高的技術(shù)；b對大容量膠帶機用CST須需多路供電，且需高低壓兩種供電電源；c無法提供可控的啟動、停車曲線；d對油質(zhì)要求較高；e全套國外產(chǎn)品，價格較高。

3.變頻器

3.1變頻器的工作原理

煤礦企業(yè)膠帶機驅(qū)動電機普遍采用鼠籠式電機：

式中n—電動機的轉(zhuǎn)速；f—電動機定子電源的頻率（Hz）；p—電動機的極對數(shù)；s—電動機的轉(zhuǎn)差率。

由此可知，可以通過改變f、s和p等3種方法控制交流異步電動機的轉(zhuǎn)速n，但由于轉(zhuǎn)差率s和極對數(shù)p不易改變，因此常用的是改變頻率f。

變頻器是利用電子和可控硅為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對電動機的電壓和頻率進行控制，使電源頻率平滑改變，從而使電動機可以平穩(wěn)地啟動，機械和電應(yīng)力也降至最??；而且能根據(jù)工況隨時改變頻率，從而實現(xiàn)對膠帶機帶速的控制。

變頻器分為交直交、交交變頻兩大類。目前交直交變頻使用比較廣泛，在此簡單介紹一下它的工作原理。交直交變頻由順變器、中間濾波環(huán)節(jié)、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調(diào)直流電，通過電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路，濾波器由電容或電抗器組成，為逆變器提供穩(wěn)定的電壓源或電流源。

3.2變頻器的特點

目前工業(yè)用變頻器規(guī)格范圍很寬，從幾kW到幾MW都有，近幾年中、高壓大功率變頻器產(chǎn)品逐漸增多?，F(xiàn)代變頻器基本都采用矢量調(diào)速技術(shù)，使受控電機呈現(xiàn)優(yōu)良的調(diào)速特性和滿意的負載能力。變頻器的加速曲線可以在很寬的范圍內(nèi)設(shè)定，能滿足控制帶式輸送機加速度的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)的機械特性很硬，基本與電機的固有特性相同。使用開環(huán)系統(tǒng)控制帶式輸送機的驅(qū)動可以滿足技術(shù)要求。

當用多臺變頻調(diào)速電動機驅(qū)動1臺帶式輸送機時，會有一臺變頻器被指定為主變頻器，其他變頻器指定為從變頻器，主變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制，從變頻器采用速度跟隨控制。運行中只對主變頻器控制，全部從變頻器通過數(shù)據(jù)通訊，同步地、自動跟隨主變頻器實時運算、動態(tài)運行，保持良好的主、從關(guān)系和功率平恒。

在下運帶式輸送機上，變頻器可確保電機輸出足夠的制動轉(zhuǎn)矩以平衡動力負載，使輸送機穩(wěn)速運行，如果為四象限變頻器，還可以向電網(wǎng)反饋能量。

變頻器能夠提供很低的膠帶運行速度，滿足驗帶需要，并且變頻器擁有很強的故障診斷能力，可根據(jù)用戶需求提供不同的通訊接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，這是機械式軟啟動裝置所無法實現(xiàn)的。

3.3變頻器的優(yōu)缺點

3.3.1優(yōu)點

①單元占用空間小，容易布置；②能量傳遞的環(huán)節(jié)少，因而驅(qū)動系統(tǒng)的效率高；③能量傳遞的環(huán)節(jié)都是剛性的，可靠性高，適用范圍廣；④維護工作量小。⑤效率高，高達96%以上，遠遠高于晶閘管大功率調(diào)速裝置。

3.3.2缺點

①諧波大，大容量對其他電器設(shè)備有一定的干擾，需加濾波器；②大容量變頻器必須考慮散熱，而且要求環(huán)境清潔，一般需加裝空調(diào)進行散熱。

為了更好的對以上3種膠帶機驅(qū)動方式進行對比請看下表：

通過以上對比我們可以得出結(jié)論：

液力耦合器的驅(qū)動方式：適用于膠帶機功率較小，且對啟動特性無特殊要求或工作環(huán)境比較惡劣無法使用其他軟啟動的情況。這種方式是目前應(yīng)用最廣泛的，憑借可靠的技術(shù)和很高的性價比，今后也會有一定的市場。

CST驅(qū)動方式：適用于長距離、大運量膠帶機，可對膠帶機提供良好的保護，但設(shè)備造價較高，須考慮工程預(yù)算。由于設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，維護成本高，今后會逐步縮小使用范圍。

變頻器驅(qū)動方式：由于價格問題，雖然現(xiàn)在變頻器在膠帶驅(qū)動上的及應(yīng)用并不廣泛，但由于變頻器驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、與控制系統(tǒng)可以很好的進行數(shù)據(jù)交換，且中低壓變頻器的價格開始逐漸具有優(yōu)勢，在今后工業(yè)生產(chǎn)自動化規(guī)模不斷擴大，性能不斷提高，人員不斷減少的前景下，無疑變頻器驅(qū)動是最具前景的方式。 [科]

【參考文獻】

[1]王建興.機電一體化技術(shù)在煤礦機械中的運用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]高秀毓.機電控制工程[M].北京：人民大學(xué)出版社，2011.

[3]劉京.現(xiàn)代機械機床設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.