淺談大型磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的選用

張立秋

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 冶礦設(shè)備事業(yè)部， 遼寧 沈陽 110141)

淺談大型磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的選用

張立秋

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 冶礦設(shè)備事業(yè)部， 遼寧 沈陽 110141)

隨著選礦和水泥工業(yè)規(guī)模的大型化，用于物料粉磨設(shè)備之一的磨機(jī)規(guī)格尺寸隨之增大，使得傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇比以往更困難、考慮因素更多。傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇決定磨機(jī)的使用性能、維護(hù)性能，運(yùn)行成本等關(guān)鍵指標(biāo)。

大型磨機(jī)； 傳動(dòng)系統(tǒng)； 選用

由于在一定的投資下采用少而大的設(shè)備可以提高生產(chǎn)率，因而選礦和水泥工業(yè)磨機(jī)傳動(dòng)的容量不斷增大。十年前6 000 kW的傳動(dòng)不過是想想而已，而今在使用280 000 kW的傳動(dòng)系統(tǒng)。但是，功率的增加使得傳動(dòng)系統(tǒng)面對的問題更復(fù)雜化，這主要是由于受到傳動(dòng)齒輪制造難度的限定，電機(jī)起動(dòng)對電網(wǎng)沖擊的限制。致使普通的磨機(jī)傳動(dòng)型式已無法具有良好的性能來滿足大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)，必須考慮采用新型的傳動(dòng)方式。

影響選用磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的因素有[1]：傳動(dòng)方式、磨機(jī)驅(qū)動(dòng)要求、投資與維護(hù)條件、電網(wǎng)特性和電動(dòng)機(jī)型式、電壓、效率、功率因數(shù)和起動(dòng)的限制。下面就磨機(jī)的傳動(dòng)方式、磨機(jī)驅(qū)動(dòng)要求及傳動(dòng)系統(tǒng)要求分別做闡述。

1 磨機(jī)驅(qū)動(dòng)要求

對于磨機(jī)來說，在確定磨機(jī)滿載運(yùn)行需要的功率基礎(chǔ)上，通常增加15%的余量，也就是磨機(jī)功率的使用系數(shù)取1.15。盡管如此，電動(dòng)機(jī)必須有比較大的起動(dòng)和牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，以便磨機(jī)負(fù)載起動(dòng)時(shí)克服磨機(jī)不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。對電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)不得小于1.5，牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)不得小于1.2。

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須足以使裝有不平衡重量的裝載物料的磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的角度位置后，磨機(jī)筒體內(nèi)的物料自動(dòng)拋落或?yàn)a落。在瀉落點(diǎn)的正常轉(zhuǎn)矩要求(正常運(yùn)行的物料)不超過125%；但當(dāng)磨機(jī)裝滿物料(最大負(fù)荷)時(shí)，要求140%的最大峰值轉(zhuǎn)矩，這是磨機(jī)滿載負(fù)荷起動(dòng)所必須的轉(zhuǎn)矩。

由于磨機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷比較穩(wěn)定，故需要150%或175%的牽出轉(zhuǎn)矩。

對于設(shè)有離合器的傳動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)只需要克服自身的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、摩擦和風(fēng)阻，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)起動(dòng)和同步是在磨機(jī)運(yùn)行之前，對于自潤滑軸承的電動(dòng)機(jī)要求最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍為15%即可；對于同步電機(jī)來說可以不考慮牽入轉(zhuǎn)矩，牽出轉(zhuǎn)矩要求按離合器所引起的負(fù)荷波動(dòng)來確定，一般使用200%的牽出轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

2 磨機(jī)的傳動(dòng)方式

磨機(jī)傳動(dòng)方式可歸納為以下三種形式：[2]大小齒輪邊緣傳動(dòng)、中心傳動(dòng)和無齒傳動(dòng)。前兩種是用齒輪裝置將電動(dòng)機(jī)速度降低到磨機(jī)所需要速度。齒輪裝置沒有包括在投資的比較中，但是應(yīng)經(jīng)常的予以考慮。

如圖1所示，小齒輪傳動(dòng)方式采用雙電動(dòng)機(jī)或單電動(dòng)機(jī)，如果采用低速電動(dòng)機(jī)，中間的減速機(jī)就不省去。如圖2所示，中心傳動(dòng)方式采用一臺電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)來驅(qū)動(dòng)磨機(jī)。這兩種方式都可以用高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接到齒輪上，或者用低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)和齒輪之間配置離合器，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)空載起動(dòng)。

圖1 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

圖2 單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

2.1 邊緣齒輪傳動(dòng)方式

用一臺或數(shù)臺電動(dòng)機(jī)，每臺電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)小齒輪，同裝在磨機(jī)的大齒輪相嚙合(見圖1)。這種形式在選礦工業(yè)中應(yīng)用很普遍，在水泥行業(yè)中采用這種形式是因?yàn)橐淮瓮顿Y少。但是由于其齒輪組不是完全密封的，與中心傳動(dòng)相比維護(hù)量大。

功率在8 000 kW以內(nèi)的磨機(jī)可以使用單電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，超過這個(gè)功率數(shù)值時(shí)，由于齒輪的限制，通常使用兩個(gè)小齒輪，對于更大的磨機(jī)可以設(shè)想使用三個(gè)、四個(gè)甚至更多的傳動(dòng)裝置。但是這將使負(fù)荷分配和電動(dòng)機(jī)安裝問題變得很麻煩。

2.2 中心傳動(dòng)方式

這種布置在水泥行業(yè)和氧化鋁原料粉磨中常見。磨機(jī)、減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)在同一軸線上，如圖2，磨機(jī)的中空軸用聯(lián)軸節(jié)直接或通過液力偶合器聯(lián)接到齒輪減速機(jī)。這種布置只使用一臺電動(dòng)機(jī)，在理論上對減速機(jī)或電機(jī)大小沒有功率限制，只受減速機(jī)的承載能力和運(yùn)行可靠性限制。

2.3 無齒輪傳動(dòng)方式

無齒輪傳動(dòng)有環(huán)式、懸臂式和直聯(lián)式三種不同的傳動(dòng)方式。每一種都有其影響磨機(jī)和廠房的特征，但都采用一種低頻電源供電的低速同步電動(dòng)機(jī)。由于高效率的半導(dǎo)體低頻電源的最新發(fā)展，因此無齒輪傳動(dòng)還是新型的方式。

環(huán)式傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)環(huán)繞磨機(jī)筒體，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直接裝在磨頭或筒體上，如圖3，因此，在所有傳動(dòng)布置中它占地面積最小。由于電動(dòng)機(jī)直徑大及結(jié)構(gòu)特殊，要求用分瓣式的定子和轉(zhuǎn)子，以便于運(yùn)輸和安裝。

圖3 環(huán)式無齒輪傳動(dòng)

懸臂式是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在磨機(jī)傳動(dòng)軸的懸臂端,如圖4，這種傳動(dòng)布置省掉了電動(dòng)機(jī)的一個(gè)外軸承。但需要一個(gè)較大的磨機(jī)軸承來支承電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的重量。

圖4 懸臂式無齒輪傳動(dòng)

在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，直聯(lián)式是常用的。電動(dòng)機(jī)安裝在標(biāo)準(zhǔn)的軸架底座上并直接聯(lián)到磨機(jī)的傳動(dòng)軸，如圖5所示。

圖5 直聯(lián)式無齒輪傳動(dòng)

3 傳動(dòng)系統(tǒng)要求

適合于磨機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要特性見表1，電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩要求由磨機(jī)決定，見磨機(jī)的要求。[3]

3.1 鼠龍感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

這是最簡單的電動(dòng)型式。由于它要求高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩而引起很大的起動(dòng)電流——約9倍于直接傳動(dòng)，過高的起動(dòng)電流常常促使電壓下降，而使用電阻的轉(zhuǎn)子線圈來降低起動(dòng)電流是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)檫@樣就使得損耗增大和效率降低。

此外，運(yùn)行功率因數(shù)的滯后應(yīng)予以注意。電源和配電設(shè)備將必須比電動(dòng)機(jī)大得多，否則就要供給大量的無功功率。隨著無功的需要，電費(fèi)也就增加了。

表1 磨機(jī)傳動(dòng)的典型特性

注：S—起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；PI—牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；P0—牽出轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；無齒輪同步機(jī)效率與功率因數(shù)包括電動(dòng)機(jī)、循環(huán)換流器和變壓器。

3.2 同步電動(dòng)機(jī)(帶齒輪)

由于其投資不高且能滿足大多數(shù)磨機(jī)和電網(wǎng)的要求，因而這種型式的使用是最普遍的。在起動(dòng)時(shí)它比鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有較好的轉(zhuǎn)矩電流比。并且，重要的是它具有改善功率因數(shù)(直到超前功盡棄0.8)的能力。但是，對于大型磨機(jī)，同步電機(jī)不一定是最好的，因?yàn)樗赡芤蟠笥陔娋W(wǎng)所能供給的起動(dòng)電流。

典型的“速度—轉(zhuǎn)矩”曲線如圖6所示，同步電動(dòng)機(jī)可以用單獨(dú)的電源和控制設(shè)備來進(jìn)行電動(dòng)調(diào)位。

圖6 同步電機(jī)傳動(dòng)的速度—轉(zhuǎn)矩曲線

高轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)用于直接傳動(dòng)，假定電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為0.8，通常起動(dòng)電流為600～625%額定電流，對于6kV或更高電壓的電動(dòng)機(jī)機(jī)為700%。

圖7 繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的速度—轉(zhuǎn)矩曲線

無論是用于高轉(zhuǎn)矩還是低轉(zhuǎn)矩，大部分用于磨機(jī)傳動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)都是0.8。這類電動(dòng)機(jī)的投資只比功率因數(shù)為1的電動(dòng)機(jī)高出20%，所以它對改善工廠功率因數(shù)最經(jīng)濟(jì)的方法。

起動(dòng)時(shí)必須確定電網(wǎng)鐵壓降和它與凈起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。某一特定網(wǎng)絡(luò)所容許的起動(dòng)容量可能太低，不能使電動(dòng)機(jī)發(fā)出磨機(jī)所需要的足夠起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如果電動(dòng)機(jī)選擇較高的全壓轉(zhuǎn)矩時(shí)，它將吸收較高的起動(dòng)功率，因而引起較大的壓降和較小的凈轉(zhuǎn)矩。

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩都影響電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電源。凈轉(zhuǎn)矩與全電壓轉(zhuǎn)矩的關(guān)系往往被誤解而產(chǎn)生問題，所有電動(dòng)機(jī)的性能都是以全電壓為基準(zhǔn)的，沒有考慮電網(wǎng)的壓降。假若將電動(dòng)機(jī)連接到一無窮大電源，就能夠指定150%起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和120%的牽入轉(zhuǎn)矩，而使電動(dòng)機(jī)機(jī)安全地起動(dòng)。但是，實(shí)際上當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)的線路阻抗、變壓器阻抗和電纜阻抗都會(huì)引起很大的壓降，這一壓降以電壓的平方關(guān)系降低了電動(dòng)機(jī)的全電壓轉(zhuǎn)矩，因此，實(shí)際產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是人們必須加以考慮的。這就是通稱的凈轉(zhuǎn)矩，它必須等于或大于磨機(jī)所要求的轉(zhuǎn)矩，凈轉(zhuǎn)矩是根據(jù)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的參數(shù)來計(jì)算的。

與其選用通常的200%起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和140%牽入轉(zhuǎn)矩，不如選用225%起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和150%牽入轉(zhuǎn)矩，以保證磨機(jī)起動(dòng)。但是，由于高轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)帶來大的起動(dòng)電流和壓降，凈轉(zhuǎn)矩的增加將比全壓轉(zhuǎn)矩的增加少一半，而且，高轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)比較貴。考慮用裝設(shè)較大的變壓器或重新安排電網(wǎng)的辦法來增加電網(wǎng)的起動(dòng)能力往往是實(shí)用的。

典型的直接傳動(dòng)全壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩200%，牽入轉(zhuǎn)矩140%，牽出轉(zhuǎn)矩200%，在電動(dòng)機(jī)為3 kV，功率因數(shù)為0.8或更小的情況下，典型的起動(dòng)功率是625%，它隨著電動(dòng)機(jī)速度變化而變化。

當(dāng)不容許高轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流或必須盡量減少一次投資時(shí)，可以用低轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)(帶氣動(dòng)離合器傳動(dòng))，其全電壓起動(dòng)電流大體為高轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的一半，低起動(dòng)電流實(shí)際上消除了起動(dòng)時(shí)的壓降問題，并且在必要時(shí)適合于降壓起動(dòng)。

典型的全電壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩40%，牽入轉(zhuǎn)矩30%，牽出轉(zhuǎn)矩200%，功率因數(shù)為0.8或更小的情況下，典型的起動(dòng)電流是325%，起動(dòng)電流依電動(dòng)機(jī)速度變化而變化。

電動(dòng)機(jī)達(dá)到同步后，離合器接合是磨機(jī)加速中最關(guān)鍵的時(shí)刻，此時(shí)電動(dòng)機(jī)必須有足夠的牽出轉(zhuǎn)矩。

3.3 繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

這種電動(dòng)機(jī)有一個(gè)圓柱形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的三相繞組引到三個(gè)滑環(huán)，以便和起動(dòng)電阻相連接，它具有一個(gè)非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，即起動(dòng)電流低。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路的起動(dòng)電阻就可以控制轉(zhuǎn)矩并限制起動(dòng)電流使之不大于225%。

有兩種起動(dòng)用轉(zhuǎn)子回路控制方法：步進(jìn)電阻器或液體變阻器。液體變阻器可以無級加速如圖7。浸在液體中并由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的電極連續(xù)地調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，因此產(chǎn)生平滑“速度—轉(zhuǎn)矩”和“速度—電流”特性。這種控制方法可以使磨機(jī)平穩(wěn)的起動(dòng)并在一限定的電流下加速。

功率因數(shù)和效率隨速度的降低而迅速地減低，因此，在低于450 r/min下應(yīng)用繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)是不實(shí)用的。

繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)具有其固有的調(diào)位能力，只需在轉(zhuǎn)子電路中做少許變化即可，為了這個(gè)目的，這種控制方法可以設(shè)計(jì)成利用第一個(gè)或第二起動(dòng)點(diǎn)。

3.4 無齒輪同步電動(dòng)機(jī)

這種電動(dòng)機(jī)在極低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，無需使用齒輪。但因電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降低，其直徑必然增大，以裝設(shè)數(shù)量極多的磁極。在無齒輪磨機(jī)傳動(dòng)所需的低速情況下，60 Hz的電機(jī)將要求許多極數(shù)和很大的直徑。因此，無齒輪傳動(dòng)采用低頻電源—約5 Hz—以使電機(jī)有適當(dāng)?shù)某叽绾蜆O數(shù)。

無齒輪傳動(dòng)的重要優(yōu)點(diǎn)在于取消了齒輪的運(yùn)行和維護(hù)問題。電源頻率也可以從零開始調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)在極低的速度下投入同步。用低速起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流可以限制到小于2倍額定電流。磨機(jī)的速度可以通過循環(huán)換流器控制以每赫茲恒定電壓在全速范圍內(nèi)方便而有效地進(jìn)行調(diào)整。速度控制可以使磨機(jī)速度適應(yīng)磨機(jī)負(fù)載的變化特性。這是能夠改進(jìn)磨機(jī)效率的一個(gè)特點(diǎn)?？梢栽试S電動(dòng)機(jī)有較大的間隙，以容許轉(zhuǎn)子的熱膨脹。

傳動(dòng)效率估計(jì)為92%，包括電動(dòng)機(jī)、循環(huán)換流器和供電變壓器。當(dāng)用這個(gè)數(shù)值與普通的電動(dòng)機(jī)——齒輪傳動(dòng)相比較時(shí)，后者的齒輪和變壓器產(chǎn)效率應(yīng)包括在內(nèi)。

循環(huán)換流器的輸入端的平均滯后功率因數(shù)可為0.85～0.87。這個(gè)數(shù)值是以使用功率因數(shù)為1的電動(dòng)機(jī)和循環(huán)換流器的方形或梯形輸出波為基礎(chǔ)的，這樣一種波形改善了循環(huán)換流器輸入端的功率因數(shù)，如果要改善功率因數(shù)，可以把電容器加到60 Hz電源系統(tǒng)。

由于循環(huán)換流器和特殊的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，一次投資比較高，在14 MW以下很少使用無齒輪傳動(dòng)，當(dāng)環(huán)式與一般的傳動(dòng)方式相比較時(shí)，必須將電動(dòng)機(jī)附加裝置的投資與一般傳動(dòng)的齒輪投資相比較。

4 結(jié)論

當(dāng)要選擇一臺大型磨機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，許多實(shí)際問題需要加以解決，以求達(dá)到性能最佳和投資最低，但是無論磨機(jī)規(guī)格的大小和電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如何，適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)系統(tǒng)是可以達(dá)到目的的。

[1] 周恩浦．礦山機(jī)械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1979．

[2] 周偉康．大型磨機(jī)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)與裝置介紹[J].水泥，1997，(3).

[3] 鄭時(shí)剛．對傳動(dòng)磨機(jī)用同步異步電動(dòng)機(jī)電氣性能要求的討論[J].大電機(jī)技術(shù)，1981，(5).

Introduction of Selection of Large-scale Mill Transmission System

ZHANG Li-qiu

With large scale of mineral processing and cement industry, the size of mill which is used for one of material grinding equipments increases also, makes the selection of the transmission system more difficult, needs much more factors to consider. The selection of the transmission system, will influence service performance, maintenance performance, running cost and other key indicators.

large-scale mill；transmission system；selection

2015-08-20

張立秋(1981-)，男，吉林乾安人，工程師，大學(xué)本科，主要從事冶金礦山設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司冶礦設(shè)備事業(yè)部技術(shù)所所長。

TD453

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1003-8884(2015)06-0005-04