膠帶機啟動方式比較分析

摘 要：膠帶機的啟動方式對膠帶機會產生多方面的影響，通過啟動方式的選擇可以提高工作效率，降低運行成本，取得良好的經濟效益。膠帶機啟動方式的對比分析，主要從技術和經濟層面上來取舍，本文結合膠帶機所采用的不同啟動方式，對目前神東煤炭集團使用較多的液力偶合器、變頻調速裝置及可控起動傳動裝置CST這三種啟動方式進行了比較，并根據比較結果和實際的應用情況給出了合理化建議，以供相關研究、設計及使用單位參考，并作共同探討。

關鍵詞：膠帶機；啟動方式；比較分析；變頻；CST；液力偶合器

膠帶機是現(xiàn)代化煤礦及配套設施高產高效的主要運輸設備，膠帶機的驅動形式多種多樣，啟動方式對于膠帶機的影響非常明顯，其基本要求是：控制簡單，工作安全可靠，維護量??；啟動平穩(wěn)可靠，啟動轉矩大，調速性能好；節(jié)能且價格適中。結合實際經驗我們可以知道，恰當?shù)膯臃绞郊瓤梢詼p少或者避免膠帶機故障的發(fā)生，還可以有效降低膠帶機設備的初裝費用和維修費用，大大提高經濟效益。相反，如果膠帶機的啟動方式不當，不僅會影響膠帶機的使用，還會造成不必要的經濟損失。下面對目前神東煤炭集團使用較多的幾種膠帶機啟動方式進行簡要的分析比較。

1、液力偶合器

1.1限矩型液力偶合器的工作原理

限矩型液力偶合器是通過控制工作腔內工作流液量，來傳遞電動機能量并改變輸出轉速的，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載，這樣可以通過控制工作腔內參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達到控制負載的轉速的目地。因此液力偶合器可以通過改變液力偶合器內工作腔中流液量，在電動機轉速不變的情況下，實現(xiàn)負載轉速無級調節(jié)與軟啟動。當帶式輸送機單元驅動功率較小， 該裝置是軟啟動的最佳選擇。

1.2 限矩型液力偶合器的主要特點

限矩型液力偶合器具有以下主要優(yōu)點：可以提高電機的起動性能，降低起動電流、縮短起動時間；過載保護，當負荷過載時能保護電機不會因悶車而燒毀；降低裝機容量，能充分利用電機的最大扭矩來起動大慣量工作機；可以吸收和隔離動力機和工作機的扭振，緩和沖擊保護設備和傳動部件，有效防止機械磨損，延長設備使用壽命；在多機驅動系統(tǒng)中，能自動調節(jié)各原動機的負荷均勻分配，便于多機啟動減小啟動電流；結構簡單、可靠，無機械磨損，無需特殊維護。

限矩型液力偶合器的主要缺點：啟動電流仍比較大；其內部液壓控制系統(tǒng)復雜；制造和維護成本比較高。

1.3調速型液力偶合器的工作原理

調速型液力偶合器主要工作原理為：調速型液力偶合器是以液體為介質傳遞動力并實現(xiàn)無級調速的液力傳動裝置，液力偶合器主要由與輸入軸相聯(lián)的泵輪，與輸出軸聯(lián)接的渦輪以及把渦輪包容在其中的轉動外殼組成。在調速型液力偶合器密封的空腔中充滿工作油，泵輪和渦輪對稱布置，它們的流道幾何形狀相同。工作輪葉片為經向布置的直葉片，當原動機驅動泵輪旋轉時，工作油在泵輪葉片的作用下由葉片內側向外緣流動，形成離心水泵出口處的高速高壓液流，該液流進入渦輪，沖擊渦輪葉片，帶動渦輪與泵輪同向旋轉，工作油在渦輪中由外緣向內側流動過程中減速減壓，然后再流回泵輪進口，這里傳遞能量的介質是工作油，泵輪的作用就是把原動機的機械能傳給被驅動機械。

1.4調速型液力偶合器的主要特點

調速型液力偶合器具有以下主要優(yōu)點：可以在原動機轉速不變的情況下連續(xù)無級調節(jié)被驅動機械的轉速；確保輸送機起動加速速度值在0. 1～0. 3m/s2 范圍內，使輸送帶起動張力控制在允許范圍；調速型液力偶合器能使電機空載啟動，不必選擇過大功率余量能力的電動機等原動機，并且可以減少電網負荷的波動；調速型液力偶合器具有過載保護的性能；隔離振動，減緩沖擊；調速型液力偶合器的傳動部件間無直接機械接觸、使用壽命長；調速型液力偶合器在額定負載下有較高的傳動效率；調速型液力偶合器具有液力控制調速裝置和兩個半軸，易于實現(xiàn)遠距離自動操作。

調速型液力偶合器的主要缺點：軟啟動性能較液粘方式稍差；有滑差，效率損失2 %左右；體積較大，發(fā)熱量大；調速精度和傳動效率不及變頻調速和CST ，而且電機啟動電流仍然較大；單機功率較大時，工作性能仍然不能滿足輸送機工況要求。

2、變頻調速裝置

2.1 變頻調速裝置工作原理：

該裝置主要由功率器件—IGBT 絕緣柵極可控制晶體管、控制器與電抗器組成。其工作原理是：交流電通過外部的接觸器進入整流單元進行整流，然后經過濾波電容進入功率模塊的輸入端，通過控制器來調節(jié)功率器件中的絕緣柵極， 使直流重新逆變?yōu)檫m當頻率、相位和電壓的交流電供給電動機， 通過改變輸入電源的頻率來改變定子旋轉磁場速度從而改變電機的轉速 。只要控制頻率變化范圍和時間，就可使輸送機按照設定的速度曲線平穩(wěn)起動，實現(xiàn)軟啟動。采用變頻調速時，起動的全過程可控，起動點和爬坡時間可設置。并且在皮帶機不滿載的時候可以降速運行，還可以達到節(jié)能的目的。缺點為使用變頻器的投資成高于其它起動方式的設備投資。

在多臺電機啟動的情況下，變頻器的使用就可以由主控制器給定信號，主驅動接受為反饋信號。主傳動速度輸出將跟隨給定曲線上升，主傳動輸出電流控制信號給從驅動，實現(xiàn)電流調節(jié)和功率平衡?？裳娱L輸送機的壽命并增加輸送系統(tǒng)的安全可靠性。

2.2 變頻調速裝置的特點

變頻調速裝置的主要優(yōu)點：軟啟動、軟制動性能良好；不存在漏油的問題；可以實現(xiàn)多臺電機的功率平衡；可以變速運行，調速范圍大、精度高。

變頻調速裝置的的主要缺點：控制復雜，對使用維護、環(huán)境溫度及清潔要求高；對電源頻率有一定的污染；在礦井下使用時，散熱問題較難解決；價格也比較貴。

3. CST（Controlled Start Transmission） 可控起動傳動裝置

該系統(tǒng)是由美國道奇公司研制開發(fā)的一種專為大型帶式輸送機配套的帶有電液反饋控制及齒輪減速器、在低速軸端裝有線性、濕性離合器的機電一體化軟啟動系統(tǒng)?？捎糜诖髴T性負載平滑啟動。

3.1 CST工作原理

CST的主要結構包括減速齒輪箱、滑油冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和基于可編程控制器（PLc）的控制裝置。該裝置通過比例閥及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)軟啟動與功率平衡，是集減速、離合、調速于一體的傳動裝置。該系統(tǒng)主要由機械傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、風冷熱交換器、油泵系統(tǒng)及冷卻控制系統(tǒng)等五部分組成。在傳動穩(wěn)定階段，CST 與液力偶合器不同，CST 的反應盤像液壓制動器一樣安全鎖住，不會產生滑差，沒有效率損失。CST 是唯一能保證在緊急停車或突然斷電時提供可控停車的驅動系統(tǒng)?；赑Lc的控制系統(tǒng)可對每臺CST裝置進行監(jiān)視、控制和操作，并提供用戶接口。CST可在起動過程加速階段降低張力作用對皮帶機帶來不利影響，通過控制起動上升曲線，可減小皮帶機空載或滿載起動時帶來的瞬時尖峰張力，從而得到一個滿意的動態(tài)結果。在一些超長的帶式輸送機應用中，通過在上升曲線中增加一段緩沖特性束提升起動性能。緩沖特性確保皮帶機在起動初始階段逐漸的張緊。皮帶機各部分單元在正常加速之前處于低速低起動力矩的運行狀態(tài)，這降低了皮帶機的應力作用。

3.2、CST主要特點

CST 具有以下主要優(yōu)點：主電機可以在空載狀態(tài)起動，從而減小了起動沖擊電流并縮短了起動時間，同時允許操作員更靈活的對帶式輸送機進行起停操作，而無需反復起停主電機；另一方面，也提高了CST控制的可操作性，這意味著多驅動并行系統(tǒng)中，在不影響其它CST正常運行的情況下可臨時離線處理（停止）某臺CST的運行；CST實現(xiàn)功率平穩(wěn)，平衡精度±2 % ，反應時間50～100ms ； CST保護功能齊全；能提高傳動系統(tǒng)的效率，可達99 %；可降低膠帶的安全系數(shù)，且安全度不變；由于離合片之間的流動為層流流動，粘制力和離合器片間的距離關系為線性關系，故可精確控制輸送機的運行狀態(tài)，可調帶速為10 %～99 %。

CST 的主要缺點：調速系統(tǒng)與減速器合為一體，體積大，安裝不方便；控制系統(tǒng)復雜，維護量較大； 油路復雜，冷卻慢，出現(xiàn)故障難以查找；高速軸上配置逆止器和制動器較困難；價格昂貴，備品備件要進口。

4、三種啟動方式的經濟分析

結合煤礦的實際情況來看，在綜合對液力偶合器、變頻器及CST這三種啟動方式進行經濟對比后發(fā)現(xiàn)，一般來說單臺電機設備功率較大的膠帶機選配偶合器驅動的總價高于選配變頻器驅動、CST驅動的總價，而單臺電機設備功率較小的膠帶機選配液力偶合器驅動的總價低于選配變頻器驅動、CST驅動的總價。從經濟層面上來進行分析發(fā)現(xiàn)，單臺電機設備功率較小的膠帶機應采用液力偶合器直接啟動，但變頻器在一年之中故障出現(xiàn)很少且基本免維護，而CST在維護費用上花費較大，具體包括，更換工作油和濾網，且CST用油較貴。CST運行的若干年中，整體養(yǎng)護費用較高，若出現(xiàn)了離合器片損壞，實際的維修費用更高。同時變頻驅動裝置在初裝費用上也要比CST驅動少，從液力偶合器、變頻器及CST這三種啟動方式的綜合分析上來看，單臺電機設備功率較大膠帶機采用變頻器啟動經濟效果要更為優(yōu)秀，更能取得良好的經濟效益，功率較小的膠帶機采用液力偶合器直接啟動，較為合理。

5、使用情況及建議

本文綜合分析對比了液力偶合器、變頻調速裝置及CST這三種膠帶機啟動方式特點，并根據綜合分析后的結果對三種啟動方式的應用提出了建議，以供相關單位參考。啟動方式對于膠帶機的影響非常關鍵，相信通過合理的啟動方式的選取，可以讓膠帶機發(fā)揮更大的工作效率，從另一個側面為企業(yè)帶來更大的效益。另外，根據現(xiàn)場條件，考慮啟動性好、操作方便、價格便宜、可靠運行的諸多因素，綜合選擇合適的啟動裝置，同時也能實現(xiàn)較好的節(jié)電目標。

軟啟動裝置多種多樣，在當前膠帶輸送機上應用，因為距離遠功率大，應優(yōu)先考慮使用帶變頻技術的軟啟動裝置，一方面能節(jié)約用電；另一方面能減少對周圍電氣設備的影響，實現(xiàn)平穩(wěn)、安全運行；再者，應用該軟啟動裝置也是順應煤礦電氣控制技術發(fā)展的方向，也更能適應神東煤炭集團數(shù)字化礦上建設。

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作者簡介：陳禎（1986-4-15），民族：漢，性別：男，籍貫：河北省張家口市，

工作單位：鄂爾多斯市神東工程設計有限公司，學歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：煤礦及選煤廠機械相關專業(yè)設計工作。