多機驅(qū)動帶式輸送機功率平衡裝置的分析研究

王敬斌， 王建飛

（陽煤集團二礦， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平的不斷提高，以連續(xù)輸送為主要特征的帶式輸送機得到廣泛應(yīng)用，而且正朝著長距離、大運量、高帶速的方向發(fā)展，因此裝機功率大大增加，為滿足工況要求，采用多機驅(qū)動，但是多機驅(qū)動帶式輸送機容易出現(xiàn)啟動沖擊大、各驅(qū)動電機出力不均、正常運行耗能不合理的問題，因此，需要分析研究功率平衡常用裝置，并進行合理選用[1]。

1 液黏軟啟動

液黏軟啟動 (Hydro Viscous Soft-Start Device)是依靠軟啟動裝置內(nèi)的油膜與摩擦片剪切力來進行扭矩傳遞，其機械原理如圖1所示。該裝置包括傳動軸、摩擦片、油缸、碟形彈簧、密封件等部件構(gòu)成。其中包括主動摩擦片和從動摩擦片，其相互交叉布置在主動軸以及從動軸上。其中，電動機連接主動軸，而帶式輸送機作為負(fù)載和從動軸連接。電動機啟動帶動其工作時，主動軸旋轉(zhuǎn)，主動摩擦片位于主動軸上跟隨一起旋轉(zhuǎn)，主動摩擦片和從動摩擦片間油膜剪切，從動摩擦片跟隨旋轉(zhuǎn)進而帶動從動軸旋轉(zhuǎn)[2]。因此，改變油缸中的油壓，從而改變兩摩擦片間的油膜距離來進行調(diào)整從動軸的轉(zhuǎn)速、扭矩大小從而使得帶式輸送機平穩(wěn)啟動。

液黏軟起動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：ω1為主動摩擦片的角速度，rad/s；μ為動力黏度系數(shù)，Pa·s；n為油膜數(shù)；h為油膜厚度，m；R2為主、從動摩擦片的接觸面外徑，m；R1為主、從動摩擦片的接觸面內(nèi)徑，m；i為主、從動摩擦片的旋轉(zhuǎn)速度比。

圖1 液黏軟啟動原理圖

對于該結(jié)構(gòu)類型液體黏性軟起動裝置，由式（1）可以看出，輸出扭矩與主動摩擦片和從動摩擦片之間的角速度Δω成正比，與兩摩擦片油膜距離大小h成反比；所以改變兩摩擦片之間油膜距離可以改變扭矩和角速度大小，從而改變轉(zhuǎn)速。

2 液力耦合器

液力耦合器是以液體為工作介質(zhì)，通過改變液體動能來改變傳遞能量的大小。液力耦合器有兩種類型：勺桿調(diào)速型液力耦合器以及加大后輔腔限矩型液力耦合器[3]。其中，加大后輔腔限矩型液力耦合器應(yīng)用于中小功率型號的帶式輸送機，但是具有不可控充液量的缺點，因此難以實現(xiàn)多機功率平衡。勺桿調(diào)速型液力耦合器主要應(yīng)用于較大功率輸送機，其機械原理如下頁圖2所示。

調(diào)速型液力耦合器的工作原理如下，首先獲得電動機工作電流大小，根據(jù)此電流大小來對勺桿的位置、充液量進行控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出力矩大小，可控軟起動以及無級調(diào)速的目的，最終實現(xiàn)功率平衡[5-6]。但效率相對較低，有3%～5%的功率損失，不能最終實現(xiàn)同步傳動，這樣會導(dǎo)致發(fā)熱和能量浪費。此外，調(diào)速范圍較低，通常為30%～97%，調(diào)速精度也相對較低，誤差為5%，因此很難實現(xiàn)多機驅(qū)動的功率平衡。

圖2 調(diào)速型液力耦合器系統(tǒng)原理圖

3 變頻器

交流變頻調(diào)速是20世紀(jì)80年代以來發(fā)展較快的技術(shù)，因調(diào)速和節(jié)能效果較好而被廣泛應(yīng)用諸多領(lǐng)域。

式中：n為轉(zhuǎn)速；f為頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為磁極對數(shù)。

改變電動機的供電頻率就能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速，帶式輸送機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相對穩(wěn)定，因此，通過改變頻率大小進而改變電源電壓，使他們之間的比例為橫值，這樣可以改變電機輸出功率大小。因此，注重電動機功率平衡的調(diào)節(jié)效果，變頻器作為調(diào)速裝置可以優(yōu)先選擇。但是，該整體裝置存在投資和維護成本高、控制電路部分相對復(fù)雜的缺點，有些環(huán)境如礦井下有防爆要求，變頻器這方面還不能有效解決。因此，目前變頻器僅在小于355 kW的設(shè)備中使用。此外，功率較大的變頻器會產(chǎn)生諧波，也會有較大的危害，電網(wǎng)因此會受到污染，干擾設(shè)備，影響其運行的穩(wěn)定性[7]。對于井下這種環(huán)境惡劣、散熱條件較差的應(yīng)用場合，變頻器還存在許多技術(shù)難題。

4CST系統(tǒng)

（Controlled Start Transmission System）是美國道奇公司（DODGE）開發(fā)的一種起動與調(diào)速裝置，其將齒輪傳動與黏性制動技術(shù)相結(jié)合，將行星齒輪減速機和液體黏性制動器合為一體。

電動機起動前，調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)使黏性制動器制動力矩為零，電動機可實現(xiàn)空載起動。由于負(fù)載阻力矩的作用，行星架保持不動，內(nèi)齒圈在行星輪的帶動下空轉(zhuǎn)。逐漸減小黏性制動器的摩擦片間隙，內(nèi)齒圈上的制動力矩加大、轉(zhuǎn)速逐漸減小，同時行星架輸出軸上的轉(zhuǎn)速逐漸升高。當(dāng)內(nèi)齒圈被完全制動時，輸出軸轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，負(fù)載起動完畢。調(diào)節(jié)制動力矩的大小，也可實現(xiàn)負(fù)載的調(diào)速。CST起動和調(diào)速性能較好，可以實現(xiàn)1∶1的直接傳動。但由于和行星齒輪減速機合為一體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場維護困難。同時受國內(nèi)大功率行星齒輪減速機制造水平的限制，CST一直沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，其昂貴的價格和配件費用讓很多用戶望而止步。CST系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示，傳動裝置性能參數(shù)如表1所示。

圖3 CST系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理圖

表1 傳動裝置性能參數(shù)比較

5 結(jié)論

通過對傳動裝置的分析研究比較可以發(fā)現(xiàn)各種平衡裝置的優(yōu)缺點，從而為帶式輸送機功率平衡裝置的選擇設(shè)計提供參考。綜合分析可知液黏軟啟動在功率平衡裝置中效果較好，能夠?qū)崿F(xiàn)1∶1的直接傳動，功率損耗較小，且相應(yīng)速度較快，機械效率較高，此外可以實現(xiàn)無極調(diào)速，減小對設(shè)備的沖擊，調(diào)速靈敏度高，易于實現(xiàn)自動控制，因此可以優(yōu)先選用液黏軟啟動作為功率平衡的傳動裝置。