限矩型永磁耦合器在沖擊負(fù)載設(shè)備中的應(yīng)用研究

封 姣

(山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

煤炭系統(tǒng)沖擊負(fù)載設(shè)備使用過(guò)程中，機(jī)械保護(hù)是不可或缺的一部分，耦合器是其典型代表，目前使用率較高的是限矩型液力耦合器，然而在實(shí)踐過(guò)程中，保護(hù)延遲及不保護(hù)、易熔塞不噴油、易熔塞噴油后污染環(huán)境、油污處理困難、移位破壞等經(jīng)常困擾著用戶，亟待解決。近年出現(xiàn)一種新型限矩型磁力耦合器，用戶反饋較好，但應(yīng)用較少。礦用限矩型永磁耦合器根據(jù)楞次定律原理，通過(guò)旋轉(zhuǎn)永磁磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)之間的相互作用進(jìn)行能量傳遞，通過(guò)導(dǎo)電體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到減速器的轉(zhuǎn)矩傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和減速器之間無(wú)接觸的傳動(dòng)方式[1]。這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使電機(jī)和減速器完全隔離，不會(huì)因軸線的不重合而造成振動(dòng)和破壞[2]，很大程度上降低設(shè)備的振動(dòng)噪音，以及設(shè)備由于長(zhǎng)時(shí)間的高頻率振動(dòng)造成的零件材料疲勞、強(qiáng)度降低發(fā)生的設(shè)備損壞事故；同時(shí)在負(fù)載有沖擊時(shí)，能通過(guò)降低負(fù)載轉(zhuǎn)速，增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，很好地緩沖沖擊力，保護(hù)設(shè)備[3]。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，沖擊負(fù)載典型工況破碎機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，限矩型永磁耦合器能瞬間切斷電機(jī)和減速器的力矩傳遞，確保電機(jī)和減速器不受損壞[4]。本文通過(guò)試驗(yàn)，結(jié)合應(yīng)用分析驗(yàn)證磁力耦合器的性能。

1 限矩型永磁耦合器的基本結(jié)構(gòu)和原理分析

1.1 基本結(jié)構(gòu)

限矩型永磁耦合器由多級(jí)永磁轉(zhuǎn)子、感應(yīng)轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)套及感應(yīng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體等部件組成[5]，具體見(jiàn)圖1。

圖1 限矩型永磁耦合器基本結(jié)構(gòu)

1.2 安裝方式

感應(yīng)轉(zhuǎn)子的法蘭與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相聯(lián)結(jié)，永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)套法蘭與負(fù)載相聯(lián)結(jié)[6]。

1.3 運(yùn)行原理

當(dāng)多極永磁轉(zhuǎn)子與感應(yīng)轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)電體上產(chǎn)生渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)，2個(gè)磁場(chǎng)相互作用來(lái)拖動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，2個(gè)多極永磁轉(zhuǎn)子與感應(yīng)轉(zhuǎn)子相互排斥，2個(gè)多極永磁轉(zhuǎn)子在永磁轉(zhuǎn)子內(nèi)套上向內(nèi)滑動(dòng)，遠(yuǎn)離感應(yīng)轉(zhuǎn)子，從而斷開(kāi)聯(lián)結(jié)，負(fù)載失去動(dòng)力[7]。

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)選用雙齒輥破碎機(jī)，該設(shè)備為沖擊負(fù)載設(shè)備典型代表，試驗(yàn)方法為加載試驗(yàn)，配套160 kW限矩型永磁耦合器，160 kW 4極電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為1 024 N·m，將限矩型永磁耦合器調(diào)整到感應(yīng)轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子3%滑差狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩1 024 N·m，該狀態(tài)定為額定狀態(tài)。

2.1 試驗(yàn)條件

具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件

2.2 加載試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，限矩型永磁耦合器感應(yīng)轉(zhuǎn)子安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端，永磁轉(zhuǎn)子安裝在負(fù)載端，負(fù)載端通過(guò)磁粉制動(dòng)器進(jìn)行逐步加載[8]，加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2，根據(jù)數(shù)據(jù)表繪制加載試驗(yàn)扭矩變化曲線見(jiàn)圖2。

表2 加載試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)關(guān)系對(duì)應(yīng)

圖2 加載試驗(yàn)扭矩變化曲線

根據(jù)表2，當(dāng)轉(zhuǎn)差在45 r的情況下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為1 028 N·m，定為耦合器的額定功率；由曲線圖可以看出：當(dāng)繼續(xù)加載到轉(zhuǎn)差150 r的情況下，限矩型永磁耦合器瞬間脫開(kāi)，傳遞功率基本趨于零，此時(shí)電機(jī)功率也降到最低。在實(shí)際使用過(guò)程中，破碎機(jī)堵轉(zhuǎn)基本是在瞬間發(fā)生，所以在脫開(kāi)瞬間，電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩為1 662 N·m，為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.62倍，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 746 N·m，是電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.7倍；低于電機(jī)的設(shè)計(jì)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，能很好的保護(hù)電機(jī)和減速器。

2.3 不同轉(zhuǎn)差下確定功率參數(shù)的可行性

為了確保產(chǎn)品的可靠性，對(duì)產(chǎn)品在各種狀態(tài)下的溫度狀況進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證確定功率參數(shù)的可行性，由此在不同轉(zhuǎn)差下，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間測(cè)試感應(yīng)盤(pán)的對(duì)應(yīng)溫度[9]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。根據(jù)表3對(duì)應(yīng)的不同轉(zhuǎn)差下感應(yīng)盤(pán)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

表3 不同的轉(zhuǎn)差下時(shí)間感應(yīng)盤(pán)對(duì)應(yīng)溫度/℃

圖3 不同轉(zhuǎn)差下感應(yīng)盤(pán)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

從圖3可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)差在60 r以內(nèi)時(shí)，一定時(shí)間后感應(yīng)盤(pán)的溫度可以自我平衡；高于75 r轉(zhuǎn)差情況下，溫度一直在上升，具體在什么狀態(tài)下能平衡，不予考慮，因?yàn)橐刂飘a(chǎn)品溫度不高于80 ℃[10]；所以選擇45 r的轉(zhuǎn)差作為確定限矩型永磁耦合器功率的基準(zhǔn)是合理的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證限矩型永磁耦合器與液力耦合器的區(qū)別和優(yōu)勢(shì)

此次試驗(yàn)設(shè)備是雙驅(qū)輥式破碎機(jī)，配置2臺(tái)電機(jī)(驅(qū)動(dòng)電源660 V，電機(jī)功率160 kW)，2臺(tái)SEW減速器；設(shè)備原安裝使用的液力耦合器，現(xiàn)將2臺(tái)限矩型永磁耦合器分別安裝在2臺(tái)電機(jī)和2臺(tái)減速器之間，確保減速器和電機(jī)的定位可靠，使限矩型永磁耦合器的磁場(chǎng)氣隙均勻[9，10]。破碎機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載為不均勻負(fù)載，所以需要長(zhǎng)時(shí)間觀察記錄數(shù)據(jù)。

3.1 2種傳遞配套輸入輸出振動(dòng)變化

限矩型永磁耦合器安裝使用后，實(shí)際監(jiān)測(cè)設(shè)備重載狀況下的振動(dòng)情況與原使用液力耦合器的狀況進(jìn)行對(duì)比，由表4可以看出：更換磁力偶合器后，與使用液力耦合器作比較，電機(jī)及減速器的振動(dòng)值(振動(dòng)烈度和振動(dòng)位移)都有大幅度降低。

表4 使用前后電機(jī)、減速器振動(dòng)值

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)，電機(jī)及減速器的振動(dòng)值波動(dòng)較小，設(shè)備穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

3.2 2種傳遞堵轉(zhuǎn)電流的變化

通過(guò)加載，當(dāng)負(fù)載堵轉(zhuǎn)時(shí)，采集電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 使用2種耦合器電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)電流數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)配置的電機(jī)額定電壓660 V，額定電流為178 A，由表5可以發(fā)現(xiàn)，使用限矩型永磁耦合器瞬間堵轉(zhuǎn)電流為額定電流的1.85倍，比原來(lái)使用液力耦合器的堵轉(zhuǎn)電流降低50%左右，大大降低了破碎機(jī)堵轉(zhuǎn)情況下的電機(jī)輸入電流；也使電機(jī)和減速器受到?jīng)_擊力的破壞程度大大降低，能很大程度上延長(zhǎng)電機(jī)和減速器的使用壽命；這個(gè)是液力耦合器不能實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)也與試驗(yàn)數(shù)據(jù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到1.7倍時(shí)保護(hù)基本吻合。

同時(shí)，由表5可以看出，設(shè)備堵轉(zhuǎn)時(shí)，液力耦合器傳遞較永磁耦合器傳遞電機(jī)的輸入電流大很多。究其原因不難發(fā)現(xiàn)：液力耦合器的保護(hù)是在大轉(zhuǎn)差的情況下，液力耦合器中液體消耗功率發(fā)熱，當(dāng)發(fā)熱到可以將易熔塞融化后，耦合介質(zhì)噴出，才能斷開(kāi)動(dòng)力傳輸，這需要一定的時(shí)間，不能瞬間斷開(kāi)，所以需要電機(jī)輸入很大的功率來(lái)完成，在這個(gè)過(guò)程中可能就會(huì)造成設(shè)備的損壞，導(dǎo)致停產(chǎn)。

3.3 2種傳遞負(fù)載轉(zhuǎn)速的變化

在日常的觀察中，當(dāng)破碎機(jī)在有沖擊負(fù)荷不超過(guò)永磁耦合器的保護(hù)轉(zhuǎn)矩的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)速急速降低(由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加較大，比實(shí)際電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大)，有效地降低了負(fù)載的沖擊，這種柔性的聯(lián)結(jié)方式很適合破碎機(jī)的運(yùn)行方式，此功能與液力耦合器相當(dāng)。

3.4 2種傳遞負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化

由表2試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，永磁耦合器從在轉(zhuǎn)差逐步增大的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在逐步增大，有利于提高破碎機(jī)在沖擊不易破碎物質(zhì)的效果，而液力耦合器則不具備瞬時(shí)變化性。

3.5 更換2種傳遞保護(hù)后的區(qū)別

液力耦合器使用的耦合介質(zhì)存在環(huán)境污染，同時(shí)高溫液體噴出，也存在安全隱患問(wèn)題；液力耦合器在保護(hù)以后，需要人工進(jìn)行加液、更換易熔塞，而限矩型永磁耦合器不存在這些問(wèn)題，保護(hù)停機(jī)后再啟動(dòng)自動(dòng)回復(fù)原狀態(tài)，使用簡(jiǎn)單、安全。

3.6 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究及應(yīng)用分析，不難看出限矩型永磁耦合器因其特殊原理較限矩型液力耦合器優(yōu)點(diǎn)突出，不僅解決了液力保護(hù)不及時(shí)甚至不保護(hù)的問(wèn)題，也避免了液力耦合器噴油污染環(huán)境和后續(xù)處置困難的問(wèn)題；同時(shí)，限矩型磁力耦合器對(duì)移位損壞破裂可以很好的避免；限矩型永磁耦合器在沖擊負(fù)載系統(tǒng)設(shè)備中，解決了許多液力耦合器不能解決的問(wèn)題，無(wú)論從安全保護(hù)上還是適用環(huán)保上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于液力耦合器，是液力耦合器很好的替代升級(jí)產(chǎn)品。

4 結(jié) 語(yǔ)

限矩型永磁偶合器技術(shù)在選煤沖擊負(fù)載設(shè)備中得到很好應(yīng)用，尤其在原煤準(zhǔn)備關(guān)鍵設(shè)備破碎機(jī)、大型帶式輸送機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中得到推廣，解決了過(guò)去傳動(dòng)故障導(dǎo)致全廠生產(chǎn)停產(chǎn)的尷尬，大大降低了工人更換的勞動(dòng)強(qiáng)度，為后續(xù)選煤工藝保駕護(hù)航，為選煤生產(chǎn)的連續(xù)性提供了有力的保障。