永磁電滾筒直驅(qū)皮帶運輸機驅(qū)動架設(shè)計與應(yīng)用*

丁愛國，趙 奇，張 濤

(1.大同煤礦集團朔州煤電機電裝備制造有限公司，山西 朔州 036000；2.大同煤礦集團朔州煤電小峪煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000；3.大同煤礦集團朔州煤電機電裝備制造有限公司，山西 朔州 036000)

0 引 言

目前，煤礦傳統(tǒng)皮帶運輸巷采用三相異步電動機+聯(lián)軸器+減速機驅(qū)動系統(tǒng)，這樣傳統(tǒng)皮帶機電機通過減速機傳動給滾筒的模式用于力矩傳輸,使用減速機和對輪力矩在傳遞過程中損失約為 10%～15%，且起動轉(zhuǎn)矩通常是額定轉(zhuǎn)矩的55%，而采用一體永磁電滾筒可以將傳遞過程的損失降為0，且啟動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的220% ,當(dāng)工況需要滿載或過載啟動時,無需人工卸載即可直接啟動,從而避免了因堵轉(zhuǎn)、過載造成的電機損壞，提高傳動效率，達到節(jié)能目的。筆者通過對永磁滾筒電機進行選型、驅(qū)動架設(shè)計，得出了驅(qū)動布置方式為三驅(qū)動、驅(qū)動架采用兩個倒L型結(jié)構(gòu)形式，達到了皮帶運輸機能夠安全高效運行的目的，解決了原來驅(qū)動部采用電機、液力耦合器、減速機的低效率驅(qū)動方式，設(shè)備穩(wěn)裝占用空間大等問題。

1 永磁電滾筒在皮帶運輸機上的選型計算方法

驅(qū)動部是皮帶運輸機的關(guān)鍵部位，肩負(fù)著能否拉出煤的重任，因此，對驅(qū)動部的選型計算顯得尤為重要，為了提高傳動效率、節(jié)能環(huán)保、維護成本低以及減少穩(wěn)裝占用空間，因此本文驅(qū)動部選用永磁電滾筒。

1.1 某礦原始參數(shù)

(1) 輸送物料：煤

(2) 物料特性：①塊度：0～300 mm；②散裝密度：ρ=0.85 t/m3；③在輸送帶上堆積角：ρ=35°；④物料溫度：小于50 ℃。

(3)工作環(huán)境：井下

(4)輸送系統(tǒng)及相關(guān)尺寸：①運距：L=1 900 m；②傾斜角：β=0.1°；③最大運量：Q=2 000 t/h。

初步確定輸送機布置形式為多個滾筒驅(qū)動，如圖1所示。

圖1 傳動系統(tǒng)圖1,2,3.驅(qū)動滾筒

1.2 永磁滾筒直驅(qū)電機選型方法

永磁滾筒直驅(qū)電機在皮帶機帶寬、帶速選擇上與普通電機方法一致，此處不再論述。經(jīng)計算皮帶機最大帶速為4 m/s，帶寬為1.2 m。

傳動滾筒上所需圓周驅(qū)動力為：Fu=158 720 N。

1.2.1 傳動功率計算

傳動滾筒軸功率PA：

(1)

電動機功率PM：

(2)

式中：η為傳動效率，一般在0.85～0.95之間選??；永磁滾筒電機功率因數(shù)可達0.95，且沒有聯(lián)軸器、減速器等其他機械結(jié)構(gòu)，所以η1、η2都為1，這是與異步電機的計算的主要區(qū)別。η1為聯(lián)軸器效率，按1計算。η2為減速器傳動效率，按每級齒輪傳動效率，按1計算。η′為電壓降系數(shù)，一般取0.90～0.95。η″為多電機功率不平衡系數(shù)，一般取0.90～0.95，單驅(qū)動時，η″=1。

根據(jù)計算出的PM值，選定電動機功率。選電動機型號為額定功率P=315 kW，數(shù)量3臺。若按異步電機結(jié)構(gòu)方式計算，功率至少在1 000 kW，可見永磁滾筒電機效率明顯高于普通電機。

2 永磁滾筒電機驅(qū)動架設(shè)計

目前煤礦井下可伸縮皮帶驅(qū)動機架設(shè)計形式主要有三角架、倒T型架，L型架。三角架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，但是傾斜安裝，因永磁滾筒接線腔的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致永磁滾筒電機接線喇叭嘴也傾斜放置。倒T型架適用于L型瓦座的滾筒，不適合永磁滾筒電機。L型結(jié)構(gòu)利于滾筒高低調(diào)節(jié)，易于和后面驅(qū)動統(tǒng)一，為此設(shè)計選用L型結(jié)構(gòu)。

3 驅(qū)動部設(shè)計計算

針對永磁滾筒電機的特性和多驅(qū)動布置分析，最終設(shè)計為兩個倒L型驅(qū)動架結(jié)構(gòu)形式，前部安裝兩個永磁滾筒電機，后部安裝一部永磁滾筒電機和一個改向滾筒。驅(qū)動架以16 mm和20 mm厚的Q235鋼板焊接，通過螺栓連接在底座上，以此為模型進行力學(xué)分析。

驅(qū)動架主要受到瓦座螺栓預(yù)緊力、永磁滾筒電機瓦座對驅(qū)動架產(chǎn)生的摩擦力,所有瓦座接觸面的摩擦力等于永磁滾筒電機的重力(32 500 N)、皮帶對滾筒張緊力從而對驅(qū)動架產(chǎn)生的壓力、底部螺栓拉力。其中皮帶最大張緊力為30 kN，則一個永磁電機滾筒瓦座對驅(qū)動架的壓力為60 kN，單個瓦座受力為30 kN，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動架受力分析

4 驅(qū)動架連接計算

驅(qū)動架與底座以3組6顆M26螺栓連接計算，對稱分布。當(dāng)皮帶產(chǎn)生張力時，驅(qū)動架受螺栓拉力，地面阻轉(zhuǎn)力F產(chǎn)生的載荷Q,等效力矩為L。設(shè)O點為支點，螺栓拉力距離O點為作用距離L3，則因皮帶張力兩永磁滾筒產(chǎn)生的壓力力矩分別是L1、L2。兩滾筒中心線距離差可達1 m，計算時按最大力矩差驗算。地面對驅(qū)動架合力方向向上：L3=450 mm，L3a=400 mm。

皮帶未張緊時受力：

F支持力+2f+G=0

當(dāng)受皮帶張力時：

F1+F2+F3+F+F支持力+2f+G=0

F1+F2=0,F+F3=0

F1×L1+F2×L2+F3×L3a+M=0

單個螺栓拉力為：

F3×L3a×2+M=F1×(L2-L1)

F3=480 000 N

M26 8.8級的高強度螺栓(抗拉強度800 MPa)。所以3組6顆M26螺栓滿足使用要求，但為增加安全系數(shù)，設(shè)計以5組10顆M26螺栓連接，可獲得更大的安全系數(shù)。

5 驅(qū)動架數(shù)值模擬分析及再優(yōu)化設(shè)計

對驅(qū)動架進行受力分析，因底座螺栓連接，為簡化模型，將底座設(shè)為固定體，按受力簡圖，建立模型，在ANSYS計算軟件中按條件添加約束，進行有限元網(wǎng)格劃分和計算，計算應(yīng)力和形變。由有限元計算可見最大應(yīng)力處為125.27 MPa，在瓦架座鋼板邊緣處，如圖3所示。Q235需用應(yīng)力170 MPa，可以滿足使用。為了更加減小應(yīng)力，我們重新設(shè)計筋板位置，以達到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖3 模型應(yīng)力及形變圖

6 驅(qū)動部安裝設(shè)計

驅(qū)動部實物圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動部實物圖

驅(qū)動部安裝永磁滾筒，重量大，承受膠帶張力大。特別是永磁滾筒電機啟動時，即便是低速時也輸出較大的扭矩，地面受力較大。在實際安裝調(diào)試過程中，也確實證實在電機啟動共振點處，地面容易發(fā)生震顫，所有要建立穩(wěn)定的固定基座。此處設(shè)計以1 200×2 920×11 000 mm的混凝土澆筑基座，通過14個M32*1000的高強度地腳螺栓緊固，以地腳螺栓500 MPa拉力計算，緊固力可達562.6 kN。按設(shè)計施工安裝后，在實際使用中取得了良好的效果。電機啟動穩(wěn)定，過共振點后運行平穩(wěn)。

7 結(jié) 語

皮帶運輸機驅(qū)動部采用永磁電滾筒的驅(qū)動方式，可獲得相當(dāng)可觀的節(jié)能效果，對驅(qū)動架進行設(shè)計，減小了驅(qū)動架的占用空間，在國家煤礦資源整合的大環(huán)境下，大量煤礦需要改造成具有機械化、自動化的高效礦井，對大功率、節(jié)能高效提出很高的要求，對驅(qū)動部的設(shè)計顯得尤為重要，此次通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計分析，最終加工出的驅(qū)動架滿足生產(chǎn)要求，運行良好，市場前景廣闊。