煤礦刮板運輸機聯(lián)軸器選型與啟動方式選擇的應(yīng)用研究

賈剛 白鵬 楊慧

摘? 要：刮板運輸機是煤礦綜采工作面的重要生產(chǎn)設(shè)備，而刮板運輸機的聯(lián)軸器形式的選擇，又是決定這臺刮板運輸機能否正常運行的關(guān)鍵性部件，因此，如何選擇一臺刮板運輸機的聯(lián)軸器，是刮板運輸機關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：煤礦;刮板運輸機;聯(lián)軸器;選型;啟動控制

中圖分類號：T-18 ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）32-0162-03

Abstract： The scraper conveyor is an important production equipment in the fully mechanized coal mining face， and the selection of the coupling form of the scraper conveyor is the key component to determine whether the scraper conveyor can operate normally. Therefore， how to select the coupling of a scraper conveyor is the key to the scraper conveyor.

Keywords： coal mine; scraper conveyor; coupling; type selection; start-up control

1 問題的提出

1.1 什么是刮板運輸機用聯(lián)軸器

煤礦綜采工作用刮板運輸機系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)通常由機頭和機尾兩套傳動裝置構(gòu)成。在頭、尾傳動裝置的拖動下，頭、尾鏈輪軸組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，帶動刮板鏈系統(tǒng)做無極繩運動，完成原煤的運輸工作。

傳動裝置由電機、減速器和之間的聯(lián)接裝置構(gòu)成，聯(lián)接裝置又由聯(lián)軸器、聯(lián)接罩筒及附屬的緊鏈裝置等幾部分構(gòu)成。簡言之，聯(lián)軸器就是電機和減速器之間的聯(lián)接裝置，通過聯(lián)軸器，把電機和減速器聯(lián)成一體，組成完整的傳動裝置。本文將著重地對這個聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、功能和作用以及相應(yīng)的啟動方式加以研究和闡述。

1.2 聯(lián)軸器的作用

在傳動裝置中，聯(lián)軸器的作用，就是將減速器和電機聯(lián)接在一起，使之成為動力輸出的一個整體?！皽p速器+聯(lián)軸器+電機”是一個最為簡單的動力模型。然而，事情并不總是就這樣地簡單了事，隨著煤礦生產(chǎn)能力的增加，對運輸機生產(chǎn)能力提出了更高的要求，產(chǎn)量更大、傳動功率加大的條件下，要求運輸機具有良好的啟動性能：減少起動沖擊、限制啟動電流、重載啟動、過載保護、實現(xiàn)軟啟動功能等。這就對運輸機的整體性能提出了更高的要求，而實現(xiàn)這些高性能要求的傳動部件中，減速器、電機之外的，就非聯(lián)軸器莫屬了，因此，在結(jié)構(gòu)和功能研究基礎(chǔ)之上，聯(lián)接器發(fā)展出眾多的種類和型號，以滿足不同條件下的生產(chǎn)要求。

2 煤礦用刮板運輸聯(lián)軸器的種類

2.1 彈性聯(lián)軸器

最為基本的類型為彈性聯(lián)軸器其構(gòu)成分為三個部分：電機對輪、減速器對輪和彈性子，電機對輪安裝于電動機輸出軸端，減速器對輪安裝于減速器的高速軸之上，彈性子由橡膠或聚胺脂等柔性材料制成，安裝于兩件對輪之間，起緩沖作用。外面還要有一件罩筒，作為電機的安裝基礎(chǔ)，將電機安裝于減速器之上，形成一個剛性的整體。

在此基礎(chǔ)之上的，根據(jù)不同的啟動要求，改善啟動性能，增加保護功能，又衍生出了更為高級液力偶合器和機械式的摩擦限矩器，也得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 液力偶合器

利用液力傳動的特性，來改善啟動性能和提供保護功能的聯(lián)接裝置，主要由：泵輪、渦輪、外殼、工作介質(zhì)（水或油）、對輪和彈性子組成。工作原理：電機啟動后，安裝在電機輸出軸上的泵輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動其中封閉的工作介質(zhì)高速運動，把動能轉(zhuǎn)化為液能（煤礦環(huán)境阻燃防爆用水介質(zhì)），液能再推動渦輪做高速旋轉(zhuǎn)，帶動減速器工作，來完成對刮板運輸機的動力輸出。工作介質(zhì)的引入，電機與減速器之間的聯(lián)接變成了軟聯(lián)接，第一次實現(xiàn)了軟啟動功能，轉(zhuǎn)動力矩是在工作介質(zhì)的介入下，逐漸產(chǎn)生的，期間有了一個從無到有的建立過程，使減速器逐漸的旋轉(zhuǎn)工作，從而解決了啟動沖擊問題和重載啟動問題。當(dāng)運輸機上貨過多或發(fā)生運行卡阻時，偶合器的易熔塞高溫熔穿后，工作介質(zhì)外泄，電機空轉(zhuǎn)，就形成了過載保護功能。

2.3 摩擦限矩器

進口法國或是德國產(chǎn)品，由對輪、彈性子和兩組摩擦片構(gòu)成，摩擦片在彈簧的壓力作用下形成一定的摩擦力矩，一旦運輸機有過載情況發(fā)生，且過載程度超過摩擦限矩器力矩時，兩組摩擦片之間就會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，使電機與減速器脫開，從而起到保護作用。缺點是一旦過載保護發(fā)生幾次之后，摩擦片產(chǎn)生摩擦打滑幾次之后，因摩擦片的磨損，摩擦力矩變小而得不到補償，會造成運輸機起動力矩不夠，起動困難或是經(jīng)常打滑停車，給生產(chǎn)造成困難。

2.4 閥控調(diào)速型液力偶合器

這是一種近幾年才出現(xiàn)的、更為高級液力偶合器。德國福伊特公司的產(chǎn)品，同樣地安裝于電機與減速器之間，由對輪、彈性子、泵輪、渦輪、進排電磁液閥、安全閥、制裁閥和控制系統(tǒng)構(gòu)成，當(dāng)然是少不了對輪和彈性子的。工作原理：啟動時偶合器中沒有工作介質(zhì)充填，電機帶動泵輪空載啟動，待電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)正常后，由輔助控制器控制將進液電磁閥打開，向偶合器內(nèi)充水，隨著偶合器內(nèi)的充水量的增加，水介質(zhì)在泵輪的帶動下，液能也不斷地增加，并帶動渦輪加速旋轉(zhuǎn)，逐步建立起扭矩，從而帶動減速器運轉(zhuǎn)，使刮板運輸機逐步的實現(xiàn)啟動，這個過程就叫做軟啟動。這是一種目前機械結(jié)構(gòu)能達到并完成的、最為理想的刮板運輸機軟啟動方式。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到溫度或電流達到保護設(shè)限時，控制系統(tǒng)指令電磁閥打開排液，運輸機減速或停止，從而實現(xiàn)過載保護功能。目前只有德國進口產(chǎn)品可供選擇，國內(nèi)產(chǎn)品正在開發(fā)生產(chǎn)中。

3 聯(lián)軸器的選用

聯(lián)軸器的選用，是由刮板運輸機的功率所直接決定的，即由配用電機功率的大小所決定。隨著煤礦科技的發(fā)展，煤礦礦井的單產(chǎn)也不斷地被刷新，出現(xiàn)了單一工作面達產(chǎn)上千萬噸，甚至兩千萬噸的大型或超大型礦井，這就要求刮板運輸機的運輸生產(chǎn)能力不斷的提高，以適應(yīng)煤礦發(fā)展有剛性需求。

隨著刮板運輸機運輸能力的提高，裝機功率也由最初的132kW*2發(fā)展到現(xiàn)在的1200kW*2或是更大的1200kW*3，達到了空前的程度。相應(yīng)地，運輸機槽寬由30年前的764mm也發(fā)展到了現(xiàn)在的1450mm。加大槽寬，增加上貨量，才能提高運輸能力。

電機功率的提高所帶來的，是電機的啟動困難。功率大，啟動電流就大，而且是呈幾何級增長的，想要平穩(wěn)地啟動一臺大功率電機，就要根據(jù)電機的功率，來合理的選擇一種安全的啟動方式，就要選擇好前面所列舉的各種形式的聯(lián)軸器，因此，聯(lián)軸器是一種關(guān)鍵的部件。

（1）小功率電機的聯(lián)軸器選擇。八十年代中后期，成套綜合機械化采煤工藝及設(shè)備開始引進到國內(nèi)，引進和仿制的刮板運輸機，典型型號為SGZ764/400、SGZ764/630。S-輸送機;G-刮板;Z-綜采用;槽寬為764mm。400-630指的是裝機功率，頭尾雙電機拖動，單機功率為200kW-315kW。這是當(dāng)時90年代以后國產(chǎn)最先進機型的代表。電機為雙速電機，即電機有750-1500r/min高低兩種工作轉(zhuǎn)速，用低速啟動，高速生產(chǎn)。聯(lián)軸器則是選用標(biāo)準(zhǔn)的彈性聯(lián)軸器，就可以滿足刮板運輸機的啟動要求。

同一時期，液力偶合器，開始投入使用，初始是油介質(zhì)的，后因防爆阻燃要求而采用安全的水介質(zhì)，但因傳遞功率偏小、易過載等原因而逐步淘汰，彈性聯(lián)軸器成為標(biāo)配。

（2）大中功率電機的聯(lián)軸器選擇。1994年8月，由西北煤機廠生產(chǎn)的國家八五攻關(guān)項目，日產(chǎn)七千噸設(shè)備成套綜采工作面設(shè)備安裝于曉南礦N1-709工作面，配套的SGZ800/800型刮板運輸機，在國內(nèi)第一次達到了槽寬（內(nèi)寬）800mm、裝機功率2*400kW。這是國產(chǎn)的第一套重型可彎曲刮板運輸機，代表著國產(chǎn)的最高水平。其傳動裝置依然采用的是彈性聯(lián)軸器形式，能夠滿足使用要求。

2005年生產(chǎn)的SGZ1000/1400型運輸機和2008年張煤機生產(chǎn)的SGZ1000/1710型刮板運輸機，因增加產(chǎn)量的需要，槽寬達到了1000mm系列，裝機功率也同樣得到了提升，電機單機功率達到了700-855kW，這個等級的運輸機，這產(chǎn)生了相應(yīng)的電機啟動和保護問題。

國外先進的煤機行業(yè)如DBT公司和美國久益，已經(jīng)率先配套了先進的電液控制的離合裝置，實現(xiàn)了軟啟動控制和過載保護功能。而國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的運輸機，在這方面的研發(fā)和生產(chǎn)能力，就顯得落后了一個代差。上面的兩種型號的運輸機上，依然配用了常規(guī)的彈性聯(lián)軸器作為聯(lián)接裝置，依然采用的雙速電機拖動;而作為保護措施，增加進口的摩擦限矩器，用來保護功率巨大的電機和減速器。

井下生產(chǎn)的實踐證明，依靠摩擦限矩器所起到的作用是有限的，因煤礦井下使用環(huán)境的特殊性，這種摩擦限矩器在起到過載保護的同時，卻給運輸機帶來了一種新的麻煩，那就是前文所說的頻繁過載保護引起的起動打滑問題，重載起動困難。重載起動，就是煤礦井下采煤工作面運輸設(shè)備的一種起動特性要求，生產(chǎn)作業(yè)中，運輸機的重載起動和過載保護后的再起動，是運輸機性能要求中的一條重要的特性，只有滿足這一重載起動功能的運輸機，才能說是適用于煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。

其故障原因為：這種摩擦限矩器一旦發(fā)生打滑保護之后，因摩擦片之間相對運動，就產(chǎn)生了相應(yīng)的磨損，這就導(dǎo)致了摩擦力矩的下降，它的力矩是建立在彈簧組對摩擦片生產(chǎn)的壓力作用之上的。彈簧壓力不變，那么摩擦片磨損之后間隙的增大，就直接導(dǎo)致了摩擦力矩的變小，影響了設(shè)備的重載起動特性，進而影響到生產(chǎn)的正常進行。摩擦限矩器的摩擦力矩，按其設(shè)計功能，是可以恢復(fù)調(diào)整的。但這種調(diào)整需返廠在專門的試驗臺上進行的，井下不可以調(diào)整。因此，這種摩擦限矩器在井下使用了一段時間之后，就逐漸的淘汰掉了，不能滿足井下生產(chǎn)要求。

去掉摩擦限矩器之后的這些大中功率的刮板運輸機，在700kW或855kW雙速電機的拖動下，依然可以實現(xiàn)這些刮板運輸機的重載起動，完成井下采煤工作面的原煤運輸工作。大功率電機和減速器帶來的好處是：功率大，扭矩大，運輸機的起動特性好，能夠滿足任何條件下的重載起動要求;其次，這種大馬拉小車的使用，會大大地減少過載或重載對設(shè)備的損壞，使運輸機的開機率得以提高，從而保證了建設(shè)雙高礦井對設(shè)備的運行要求。

另一方面，700kW或855kW雙速電機的重載起動，啟動電流大、機械沖擊大、過載保護困難等諸多啟動問題，也嚴(yán)重地影響著設(shè)備的安全運行。尋找一種安全有效的啟動方式，成為必須解決的問題。

（3）超大功率電機啟動方式的選擇。受生產(chǎn)制造技術(shù)的制約，目前的雙速電機功率上限為855kW。而選用1000kW電機，就必須采用一種軟啟動配套方式與之配套，以實現(xiàn)刮板運輸機的重載啟動。

2012年，鐵煤集團的主產(chǎn)礦井大平礦N1S3綜放工作面提出了單電機功率1000kW、總裝機功率2000kW的板運輸機的使用需求，用于滿足該礦單面單產(chǎn)450萬噸的生產(chǎn)要求。經(jīng)設(shè)備招標(biāo)，確定主機采用張煤前后部SGZ1000/2000型刮板運輸機，配套德國福伊特公司的562DTPKWL2-1000型閥控調(diào)速型液力偶合器，做為軟啟動控制方式。

閥控調(diào)速型液力偶合器，是當(dāng)時條件下的1000kW以上電機啟動方式的唯一選擇，這種起動方式，是當(dāng)時刮板運輸機最為完美的啟動方式，因此也得到了廣泛的使用，一度成為刮板超大功率運輸機起動方式的首選。

（4）任何事物都不是盡善盡美的，總有一定的條件所限制。偶合器雖然實現(xiàn)了超大功率電機的完美軟起動，但它也存在著自身的不足之處，那就是機械結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、用水量大、對水質(zhì)要求高、維護相對困難等缺點。僅用水量一項，單臺偶合器用水量為240l/min，工作面為前后部兩套運輸機，共4臺電機，那么每小時的用水量為57.6噸/小時。用水量巨大，再就是對水質(zhì)要求高，軟化后的水也會使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的水垢，造成工作效率下降。最為嚴(yán)重的是軸承的使用壽命偏低，根據(jù)大平礦的使用經(jīng)驗，原裝的偶合器在井下使用時間不超過1年，檢修后的偶合器使用壽命僅在半年左右，這就造成了井下頻繁更換偶合器的局面，同樣給生產(chǎn)帶來設(shè)備維護量大，偶合器檢修頻繁、檢修費用高等諸多不便。但這是在機械聯(lián)軸器范籌之內(nèi)的實現(xiàn)超大功率運輸機軟起動的最佳選擇方式。

（5）變頻調(diào)速，是另一種超大運輸機的軟起動方式，是采用專門的變頻開關(guān)，對單速機電變頻啟動的一種控制方式。是目前除偶合器之外的另一種很好的軟起動選擇，本文重點討論的是機械方面的聯(lián)軸器，不在范圍之內(nèi)，將另有文章論述。

4 聯(lián)軸器的發(fā)展方向

本文從運輸機電機裝機功率，從聯(lián)軸器技術(shù)發(fā)展上，研究討論了不同時期、不同機型上的聯(lián)軸器的選用，及其使用中的估缺點，不同的聯(lián)軸器，是不同時期的技術(shù)進步的產(chǎn)物，在不同的機型上，起著不同的作用，不可替代、不可或缺。根據(jù)機型，選擇使用。簡單適用，就是最好的選擇。而且，從來就沒有一種包打天下，所有設(shè)備通吃聯(lián)軸器。只能是隨著時代的發(fā)展，科技的進步，為每一種機型都研制出更為適用的產(chǎn)品。

聯(lián)軸器的發(fā)展方向，應(yīng)當(dāng)向電磁離合的方向，是一種目前看來較為理想的實現(xiàn)電機與減速器之間的聯(lián)接功能，又能實現(xiàn)軟啟動的啟動控制方式。結(jié)構(gòu)為一組電機離合器片和一組減速器離合器片組合在一起，中間充滿一種高效磁粉。機電空轉(zhuǎn)啟動后，控制器向電磁離合器加電，電磁粉加電后產(chǎn)生極性，在兩級離合器片之間建立電磁聯(lián)接，即，加電前電磁粉為自由狀態(tài)，隨機運動;加電后電磁粉產(chǎn)生極性，規(guī)律排列并將離合器片吸附為一體，產(chǎn)生強大的吸附力矩，且這種力矩隨電流的大小可調(diào)，由小到大，最后滿載，來實現(xiàn)完成運輸機的軟啟動控制。

這種電磁離合器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、無排放等諸多優(yōu)點。目前，這種電磁離合器還處于研發(fā)狀態(tài)之中，已經(jīng)實現(xiàn)了400kW功率機電的軟啟動控制，一旦技術(shù)上獲得突破，能夠?qū)崿F(xiàn)對大功率、超大功率的電機軟啟動控制，必將是未來的煤礦運輸機聯(lián)軸器和軟啟動的發(fā)展方向和首選。

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