SGB620-40TT型刮板輸送機(jī)永磁耦合器的設(shè)計(jì)

趙 鑫

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司職業(yè)病防治所， 山西 太原 030053）

引言

永磁耦合器因具有無(wú)機(jī)械連接、維修簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)投入少、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)效率高和環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在煤礦井下被廣泛地應(yīng)用。用于煤礦生產(chǎn)設(shè)備的永磁耦合器要具有可容許的對(duì)中誤差上限大、不產(chǎn)生諧波和不會(huì)因電壓波動(dòng)而性能出現(xiàn)變化的特點(diǎn)，同時(shí)可用于速度控制、軟啟動(dòng)和過(guò)載保護(hù)等[1-2]。刮板輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)中重要的運(yùn)輸設(shè)備，常常會(huì)因?yàn)槌d運(yùn)行或堵轉(zhuǎn)等導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱而出現(xiàn)故障，嚴(yán)重制約了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率[3]。引入永磁耦合器可以解決刮板輸送機(jī)電機(jī)過(guò)熱的問(wèn)題。本文以某礦井下使用的SGB620-40TT型雙邊聯(lián)式刮板輸送機(jī)為例，設(shè)計(jì)與之配套的礦用永磁耦合器。

1 礦用永磁耦合器的設(shè)計(jì)要求

滿(mǎn)足煤礦安全規(guī)程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是進(jìn)行礦用永磁耦合器設(shè)計(jì)的首要準(zhǔn)則。對(duì)礦用耦合器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到功率傳遞介質(zhì)的選用、零件材質(zhì)的選擇和主要結(jié)構(gòu)等，并且設(shè)計(jì)出的耦合器能與電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)可靠連接。耦合器的設(shè)計(jì)要求包括機(jī)械和電氣兩個(gè)方面的內(nèi)容，具體內(nèi)容如下：

1）原動(dòng)力、傳遞的功率和負(fù)載三者必須相互匹配。

2）要求本質(zhì)安全。永磁耦合器使用中不需要電源，但其核心部件是永磁鐵，由于其粉末屬于可燃物，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮防爆。

3）設(shè)有過(guò)熱保護(hù)。當(dāng)耦合器因?yàn)楣伟遢斔蜋C(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)其溫度會(huì)升高，溫度過(guò)高永磁鐵就會(huì)失去磁性。因此設(shè)置過(guò)熱保護(hù)裝置，當(dāng)其表面溫度達(dá)到100℃時(shí)立即切斷電源，避免耦合器失效。

4）所有傳遞機(jī)械荷載的部件尤其是傳動(dòng)軸必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

5）設(shè)有防護(hù)裝置。

2 耦合器的選型

按磁力驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式可將永磁耦合器分為圓筒式和圓盤(pán)式兩種。圓筒式磁力驅(qū)動(dòng)器的整體為套筒式結(jié)構(gòu)，采用圓環(huán)形導(dǎo)磁體將瓦形永磁體包裹，利用隔離套將主動(dòng)、從動(dòng)轉(zhuǎn)子隔離開(kāi)。圓盤(pán)式磁力驅(qū)動(dòng)器的整體為盤(pán)式構(gòu)架，采用的導(dǎo)體也是盤(pán)狀且與永磁體對(duì)齊。采用的永磁體由于是軸向充磁，因此其磁極也為軸向[4]。采用此種設(shè)計(jì)有利于在不同介質(zhì)之間傳遞動(dòng)力，保證兩平面轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中能產(chǎn)生足夠的軸向磁拉力。由于圓盤(pán)式渦流磁力耦合器具有價(jià)格合理、安裝簡(jiǎn)便、檢修便捷和可提供的轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點(diǎn)，因此目前生產(chǎn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的廠(chǎng)家一般采用的是圓盤(pán)式渦流磁力耦合器。圓盤(pán)式渦流磁力耦合器的兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間存在空氣間隙，因而未直接接觸。電機(jī)輸入端帶銅盤(pán)的鋼架與負(fù)載輸入端帶永磁體的鋁盤(pán)分布在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，銅盤(pán)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)切割永磁體產(chǎn)生的磁感線(xiàn)出現(xiàn)磁感應(yīng)力，完成電機(jī)與負(fù)載之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。因此，圓盤(pán)式渦流磁力耦合器具有如下特點(diǎn)：對(duì)中精度要求低，可以出現(xiàn)少許的軸向或徑向的偏離；傳動(dòng)部件未直接接觸，避免振動(dòng)的產(chǎn)生；電機(jī)可以進(jìn)行軟啟動(dòng)與軟停止，有效避免電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載。

3 永磁耦合器的設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)矩的選定

SGB620-40TT型雙邊聯(lián)式刮板輸送機(jī)配備的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)。如下頁(yè)表1所示，為YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)的性能表。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts=K1·Te=2.5×250=625 N·m。

刮板輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、刮板輸送機(jī)和永磁耦合器三部分。要求三者在轉(zhuǎn)矩方面的關(guān)系為：刮板輸送機(jī)帶載啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩＜永磁耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩＜電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩?？紤]在實(shí)際使用中會(huì)有其他因素的影響，因此需留一定的余量，取永磁耦合器的最小轉(zhuǎn)矩為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩（此處取額定轉(zhuǎn)矩）的1.2倍，則永磁耦合器的最小轉(zhuǎn)矩Tc，min=1.2×250=300 N·m。

表1 YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)性能表

當(dāng)刮板輸送機(jī)出現(xiàn)卡煤事故或過(guò)載時(shí)，電機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為保護(hù)電機(jī)，因此永磁耦合可提供的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須低于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，取永磁耦合器的最大轉(zhuǎn)矩為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩（此處取最大轉(zhuǎn)矩）的0.8倍，則永磁耦合器的最大轉(zhuǎn)矩Tc，max=0.8×575=460 N·m。

因此，永磁耦合器可提供的轉(zhuǎn)矩為300～460N·m。

3.2 永磁體的選取

考慮到煤礦井下的實(shí)際工作環(huán)境，要求永磁耦合器采用的永磁材料必須具有高剩磁、大矯頑力和最大磁能積高等優(yōu)點(diǎn)。常用的永磁材料有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼。其中釹鐵硼材料的永磁體適用于溫差較大的井下環(huán)境。如表2所示，為采用的N45SH型釹鐵硼永磁體的相關(guān)性能。

表2 N45SH型釹鐵硼永磁體的相關(guān)性能表

3.3 永磁耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

永磁耦合器主要部件包括銅盤(pán)、前后端蓋、永磁體和永磁體盤(pán)（鋁盤(pán)）等。如表3所示，為綜合考慮永磁耦合器與電動(dòng)機(jī)、刮板輸送機(jī)匹配和相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)而成的永磁耦合器主要部件的尺寸及材質(zhì)。

表3 永磁耦合器主要部件的尺寸及材質(zhì)

4 過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)

為保證刮板輸送機(jī)因煤塊等卡住時(shí)電機(jī)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)載而損壞，因此將永磁耦合器的最大輸出轉(zhuǎn)矩適當(dāng)縮小，以低于電動(dòng)機(jī)的過(guò)載允許值。同時(shí)調(diào)整永磁耦合器的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，使其略大于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，保證刮板輸送機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)也能在特性曲線(xiàn)的穩(wěn)定區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)，避免輸出功率大于允許值。

如果過(guò)載或堵轉(zhuǎn)不能及時(shí)處理，永磁耦合器的溫度會(huì)持續(xù)上升。為避免永磁耦合器故障，在電動(dòng)機(jī)與減速器之間的聯(lián)結(jié)罩上設(shè)置一個(gè)礦用紅外溫度傳感器，并且溫度傳感器與刮板輸送機(jī)的開(kāi)關(guān)通過(guò)PLC控制模塊連接。依靠溫度傳感器監(jiān)控永磁耦合器的溫度，當(dāng)永磁耦合器表面的溫度達(dá)到100℃時(shí)，PLC就會(huì)切斷刮板輸送機(jī)的電源，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)而避免電動(dòng)機(jī)過(guò)載和永磁耦合器過(guò)熱。

5 傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核

在實(shí)際使用中，永磁耦合器的軸只傳遞扭矩而不承受彎矩，因此其屬于傳動(dòng)軸。實(shí)心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度必須滿(mǎn)足以下公式：

式中：σw為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為傳動(dòng)軸承受的扭矩，N·mm；Kt為傳動(dòng)軸抗扭截面系數(shù)，mm3；P為傳動(dòng)軸傳遞的功率，取40 kW；n為轉(zhuǎn)速，取1500 r/min；d為傳動(dòng)軸的直徑，取55mm；[σw]為傳動(dòng)軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取30 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在刮板輸送機(jī)工作時(shí)永磁耦合器傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力σw=7.81 MPa＜30 MPa。因此，設(shè)計(jì)永磁耦合器的傳動(dòng)軸符合使用要求。

6 結(jié)語(yǔ)

將設(shè)計(jì)的永磁耦合器投入生產(chǎn)使用，在半年的工業(yè)試驗(yàn)期間，未出現(xiàn)刮板輸送機(jī)因過(guò)載或堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)電機(jī)故障。因此，對(duì)刮板輸送機(jī)加裝永磁耦合器可以有效提高管板輸送機(jī)的可靠性，為煤礦的持續(xù)高效生產(chǎn)提供保障，且為其他礦用設(shè)備的永磁耦合器的設(shè)計(jì)提供了參考。