行星軟啟動(dòng)傳動(dòng)裝置在大功率膠帶運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用研究

摘 要：文章對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外常用軟起動(dòng)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)、原理、性能，由于裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制特性好，安全可靠、投入費(fèi)用低的突出優(yōu)點(diǎn)，完全可以取代進(jìn)口設(shè)備，為大型皮帶機(jī)可靠運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，應(yīng)該大力推廣。

關(guān)鍵詞：行星；軟啟動(dòng)；傳動(dòng)裝置；應(yīng)用；研究

1 概述

礦山生產(chǎn)能力的不斷提高，長(zhǎng)距離、大功率帶式輸送機(jī)更多的投入使用，設(shè)備不斷大型化，大功率電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊和機(jī)械設(shè)備啟停沖擊載荷對(duì)設(shè)備壽命影響，都成為制約設(shè)備的大型化的瓶頸，為此實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)備軟啟動(dòng)是十分迫切的技術(shù)問(wèn)題。

軟啟動(dòng)技術(shù)是指機(jī)械系統(tǒng)在滿載的工況下也能夠按照人們要求的速度逐步克服整個(gè)系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動(dòng)或停車。對(duì)長(zhǎng)距離膠帶輸送機(jī)而言，軟啟動(dòng)技術(shù)不僅能有效地減小啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和膠帶的啟動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)減速器和價(jià)格昂貴的膠帶等關(guān)鍵部件的使用壽命，同時(shí)還能大大減小啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊負(fù)荷以及對(duì)電網(wǎng)的影響。

2 目前常用軟起動(dòng)技術(shù)概況

2.1 滑差型偶合器

用于帶式輸送機(jī)控制的滑差偶合器常見(jiàn)為調(diào)速型液力偶合器，是一種液力傳動(dòng)裝置，以液體作為介質(zhì)傳遞動(dòng)力給工作機(jī)械的聯(lián)軸器，能協(xié)調(diào)多機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷分配與恒定傳遞，電動(dòng)機(jī)聯(lián)接輸出的軸速度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過(guò)改變充液量來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，達(dá)到輸出轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，提高電機(jī)的起動(dòng)能力、減少?zèng)_擊和振動(dòng)，協(xié)調(diào)多機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷分配，屬于典型滑差型調(diào)速設(shè)備。

2.2 CST可控軟起動(dòng)

CST是可進(jìn)行微機(jī)閉環(huán)控制的機(jī)——液傳動(dòng)系統(tǒng)，主機(jī)是一個(gè)帶有反應(yīng)盤(pán)式濕式摩擦離合器的齒輪減速箱。工作時(shí)，電機(jī)空載起動(dòng)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，根據(jù)需要通過(guò)液壓控制系統(tǒng)增加離合器反應(yīng)盤(pán)油缸的壓力，使其輸出力矩與液壓控制系統(tǒng)的壓力成正比，通過(guò)輸出軸上的速度傳感器檢測(cè)速度并反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定的起動(dòng)加速度相比較，其差值用于控制離合器的壓力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加減速度。

2.3 調(diào)壓型電氣軟起動(dòng)

調(diào)壓型電氣軟起動(dòng)常采用三相交流可控硅斬波技術(shù)，將三相反并聯(lián)的可控硅（SCR）分別接到三相交流電源與三相交流電動(dòng)機(jī)之間，由可控硅的通斷來(lái)控制調(diào)整電動(dòng)機(jī)端子電壓。改變端子電壓就可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程就是一個(gè)逐步提高端子電壓過(guò)程。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，連續(xù)改變可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通角，使可控硅輸出的電壓由低向高按線性連續(xù)上升，加到電動(dòng)機(jī)端子后，產(chǎn)生了相應(yīng)啟動(dòng)力矩和緩慢上升的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。當(dāng)可控硅導(dǎo)通角完全開(kāi)放達(dá)到180°時(shí)，電動(dòng)機(jī)便達(dá)到全壓運(yùn)行，啟動(dòng)完畢。

2.4 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速技術(shù)的原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)電源的頻率由小到大時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之由小到大。通過(guò)控制電源頻率變化范圍和時(shí)間，就可使輸送機(jī)按照設(shè)定的加速度曲線平穩(wěn)起動(dòng)。

2.5 BOSS液粘軟啟動(dòng)系統(tǒng)

BOSS液粘軟啟動(dòng)是在電機(jī)和減速器間的柔性連接，其控制方式也是通過(guò)油膜剪切的摩擦片來(lái)傳遞動(dòng)力的，裝置內(nèi)部，根據(jù)負(fù)載的大小選用十幾組粘貼有摩擦材料的內(nèi)摩擦片和對(duì)偶摩擦片，一方通過(guò)齒輪與輸入軸相連，另一方通過(guò)鍵軸與輸出軸相連。通過(guò)控制作用于活塞上的液壓油壓力大小，達(dá)到控制所剪切的油膜厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液粘軟起動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到膠帶輸送機(jī)軟起動(dòng)的目的，和CST的控制原理類似。

2.6 XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置

XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置是由減速齒輪和行星齒輪構(gòu)成的一個(gè)行星減速機(jī)，具有減速功能，外部液控水冷柔性離合調(diào)速裝置控制的齒輪與行星機(jī)構(gòu)內(nèi)齒圈嚙合，對(duì)內(nèi)齒圈的速度控制，電機(jī)起動(dòng)后箱體內(nèi)各齒輪空轉(zhuǎn)，行星架由于負(fù)載作用不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)增速齒輪及離合盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓站工作壓力按設(shè)定加速度曲線逐漸調(diào)節(jié)，對(duì)內(nèi)齒圈的力矩逐漸增加，達(dá)到一定值，行星架開(kāi)始逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架轉(zhuǎn)動(dòng)后，通過(guò)速度反饋與設(shè)定值比較調(diào)節(jié)液壓站壓力，逐漸完成起動(dòng)過(guò)程，并達(dá)到軟起動(dòng)性能。

3 XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置與現(xiàn)有軟起動(dòng)裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

通過(guò)上表可以看出：（1）調(diào)電壓型軟起動(dòng)設(shè)備價(jià)格低，但由于起動(dòng)力矩小，不可能用于較大功率的皮帶輸送機(jī)。（2）變頻型軟起動(dòng)設(shè)備，價(jià)格高、維護(hù)量大，電動(dòng)機(jī)不能空載啟動(dòng)，產(chǎn)生熱量大，對(duì)外部電源有諧波污染。（3）BOSS液粘軟起動(dòng)設(shè)備，摩擦片極易損壞，發(fā)熱量大，密封件一般壽命為0.5～1年，系統(tǒng)復(fù)雜，功率平衡時(shí)發(fā)熱大。（4）調(diào)速型滑差偶合器工作可靠，但滑差大，效率低，調(diào)速范圍小、精度低、低速力矩小。（5）CST性能優(yōu)良，調(diào)節(jié)方便，但設(shè)備昂貴、摩擦片壽命短，系統(tǒng)復(fù)雜，維修量大，成本高。（6）XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置，調(diào)節(jié)原理簡(jiǎn)單，設(shè)備實(shí)用、維護(hù)量少，價(jià)格適中，有較高的性價(jià)比。

4 XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)性能

4.1 XCQ軟起動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

裝置主要由機(jī)械本體，液壓控制站，潤(rùn)滑冷卻站組成，見(jiàn)圖1。裝置本體由前級(jí)減速齒輪和行星齒輪構(gòu)成的一個(gè)行星減速機(jī)，具有減速功能。當(dāng)不同的輸送機(jī)有不同的速比要求時(shí)，可以靠調(diào)整前級(jí)齒輪齒數(shù)完成。外部液控盤(pán)形閘控制的齒輪與行星機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒圈（內(nèi)齒圈上帶著外齒）嚙合，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)齒圈的速度控制，其速度控制原理類似于內(nèi)齒輪調(diào)度絞車，故可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。外控設(shè)備：液壓站采用雙回路，并與盤(pán)形閘制動(dòng)器液壓控制合二為一，電控系統(tǒng)采用自動(dòng)、手動(dòng)兩套回路，司機(jī)即可進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。

4.2 工作過(guò)程

液壓站起動(dòng)，稍延時(shí)，主電機(jī)起動(dòng)→液壓站壓力逐漸升高，漸松盤(pán)形閘，至某一壓力值，開(kāi)始起動(dòng)軟起動(dòng)裝置→軟起動(dòng)裝置制動(dòng)閘在給定起動(dòng)速度的控制下逐漸增大壓力，最終完全起動(dòng)。

控制系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)由電液比例閥控制。電液比例閥的電流是由速度給定及速度反饋決定的，故通過(guò)控制壓力可以實(shí)現(xiàn)速度和加速度的控制。

4.3 主要性能

4.3.1 減速機(jī)功能，并滿足傳動(dòng)比要求。

4.3.2 軟起動(dòng)功能，電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，能有效降低對(duì)電網(wǎng)沖擊：負(fù)載慢速可控起動(dòng)，可有效降低對(duì)負(fù)載的沖擊。

4.3.3 帶載起車能力強(qiáng)，在構(gòu)件強(qiáng)度許可下，可滿足負(fù)載任意起動(dòng)能力要求。

5 XCQ行星差速及軟起動(dòng)原理

當(dāng)負(fù)載Mf1〈Mq時(shí)（Mq為零速起動(dòng)負(fù)載），電動(dòng)機(jī)可直接起動(dòng)Mf1；當(dāng)負(fù)載Mf2〉Mq時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能直接起動(dòng)Mf2，此時(shí)若空載將電動(dòng)機(jī)先起動(dòng)起來(lái)，電動(dòng)機(jī)先運(yùn)行于A點(diǎn)，隨著負(fù)載力矩增大，A點(diǎn)移向B點(diǎn)。此時(shí)負(fù)載開(kāi)始起動(dòng)，故此時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力增強(qiáng)了。其最大起動(dòng)能力將達(dá)到額定值的2.1～2.3倍。

9 應(yīng)用效果

俄霍布拉克煤礦從2010年開(kāi)始使用XCQ行星軟起動(dòng)傳動(dòng)裝置，先后在5部皮帶機(jī)上使用，其中2部上運(yùn)皮帶，角度16°，長(zhǎng)度1300m，1部下運(yùn)皮帶，14.5°，長(zhǎng)度800m，兩部平巷皮帶，最長(zhǎng)達(dá)到3000m，使用情況來(lái)看，啟動(dòng)平穩(wěn)，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，傳動(dòng)系統(tǒng)故障和接頭損傷事故大大減少，保證了安全生產(chǎn)。

10 結(jié)束語(yǔ)

該裝置采用機(jī)電液一體化技術(shù)與PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在結(jié)構(gòu)上前級(jí)采用進(jìn)口減速機(jī)，后級(jí)采用模塊化行星齒輪減速箱，緊湊型水冷調(diào)速離合盤(pán)，原理上明顯有別于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有減速機(jī)和其他軟啟動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，控制特性好，可靠性高、壽命長(zhǎng)的突出優(yōu)點(diǎn)，為大型皮帶機(jī)長(zhǎng)壽命運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障，完全可以取代進(jìn)口設(shè)備，應(yīng)該大力推廣。

作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)強(qiáng)（1972-），男，江蘇金壇人，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)電專業(yè)，研究生學(xué)歷，碩士學(xué)位，現(xiàn)為徐礦集團(tuán)天山礦業(yè)公司機(jī)電副總經(jīng)理，高級(jí)工程師。