液力耦合器在煤礦井下帶式輸送機(jī)的應(yīng)用

張 雷

（安徽省礦業(yè)機(jī)電裝備有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000）

淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦井下原煤的運(yùn)輸距離越來越長，運(yùn)輸線路越來越復(fù)雜，需要不斷提高運(yùn)輸設(shè)備的功率。安徽省礦業(yè)機(jī)電裝備有限責(zé)任公司以楊柳煤礦10#煤層大巷帶式輸送機(jī)為研究對象，對液力耦合器在帶式輸送機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了實踐應(yīng)用研究[1-4]。

1 工程概況

淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦設(shè)計原煤生產(chǎn)能力為1.8 Mt/a。礦井投產(chǎn)時，布置了2 個綜采放頂煤工作面和5 個煤巷綜掘工作面。布置在10#煤層大巷中的帶式輸送機(jī)，擔(dān)負(fù)井下生產(chǎn)的煤炭運(yùn)輸任務(wù)。井下煤炭經(jīng)平巷帶式輸送機(jī)、大巷帶式輸送機(jī)、主斜井帶式輸送機(jī)提升至地面。為節(jié)約能源，便于生產(chǎn)管理，當(dāng)僅有綜掘工作面生產(chǎn)時，由大巷帶式輸送機(jī)通過分煤裝置把煤炭先裝入井下煤倉，再經(jīng)主斜井帶式輸送機(jī)提升至地面。

10#煤層大巷帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：運(yùn)量2500 t/h，機(jī)長1951 m，提升高度195 m，角度0.2°～10.4°，巷道沿煤層布置，角度多變化；帶寬1400 mm，帶速4.0 m/s，阻燃鋼絲繩芯膠帶ST/S3500，驅(qū)動滾筒直徑1600 mm；采用頭部兩滾筒三電機(jī)驅(qū)動（驅(qū)動配比2:1），電機(jī)功率3×1120 kW。除正常運(yùn)行以外，在僅有掘進(jìn)煤流時（預(yù)計掘進(jìn)煤運(yùn)量Q≤500 t/h，帶速V≤2.5 m/s），要求能夠以任意2 套驅(qū)動運(yùn)行，沒有時間限制。

2 液力耦合器的選擇、結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 工況需求分析

由于大型帶式輸送機(jī)是大慣量、恒扭矩設(shè)備，膠帶和驅(qū)動系統(tǒng)是其中最主要、最昂貴的部分。而膠帶是具有黏彈性的傳動兼承載部件，它在相當(dāng)程度上決定著帶式輸送機(jī)的投資成本和經(jīng)濟(jì)性，因此，就需要提供充分、有效的保護(hù)，提高其使用壽命。

鑒于10#煤層大巷帶式輸送機(jī)所處的環(huán)境條件和工況的復(fù)雜性，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具備的性能以及應(yīng)滿足的條件如下：（1）適合煤礦井下的使用環(huán)境，防爆、阻燃；（2）變速運(yùn)行，滿足正常運(yùn)行或僅有掘進(jìn)煤流時的生產(chǎn)要求；（3）使用簡單可靠而經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動裝置；（4）帶式輸送機(jī)能可控啟動/停機(jī)；（5）啟動力矩可配合當(dāng)時的負(fù)載狀況，限制最大啟動力矩；（6）多電機(jī)驅(qū)動時負(fù)載自動平衡。

2.2 軟啟動裝置的確定

常用于帶式輸送機(jī)可控啟動/停機(jī)的主要有調(diào)速型液力耦合器、變頻調(diào)速系統(tǒng)CST 可控傳輸裝置等，經(jīng)過多途徑、多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，設(shè)計認(rèn)為，變頻調(diào)速系統(tǒng)目前還沒有大功率的高壓防爆產(chǎn)品，存在著造價高、對環(huán)境要求高、維護(hù)較難等問題。CST 可控傳輸裝置一般只用于滿載滿速運(yùn)行和空載低速驗帶運(yùn)行，還沒有帶載低速運(yùn)行的工程實例，有發(fā)熱量大、滿載啟停次數(shù)受限、維護(hù)量較大等問題。調(diào)速型液力耦合器不僅完全滿足了本機(jī)的需求，還能有效減緩沖擊、扭振對設(shè)備的傷害，具有低磨損、低維修量、壽命長等優(yōu)點。因此，設(shè)計最終選擇了在驅(qū)動系統(tǒng)中配置福伊特閥控充液式調(diào)速型液力耦合器650 DTPKL。

2.3 液力耦合器結(jié)構(gòu)分析

福伊特閥控充液式調(diào)速型液力耦合器650 DTPKL 的結(jié)構(gòu)由充液閥、排液閥、噴嘴、泵輪殼、排液泵管、熱交換器、工作腔及溫度傳感器組成，如圖1。為了正常工作，在工作回路內(nèi)（泵輪/渦輪）附加了一個熱交換系統(tǒng)，通過控制充液閥和排液閥來調(diào)節(jié)工作腔里面的工作液的量，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。實際運(yùn)行中耦合器的輸出速度與工作液的液位有直接關(guān)系。

圖1 TPKL 閥控充液式調(diào)速型液力耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 工作原理

液力耦合器是以費丁格爾液力原理工作的，以液體為工作介質(zhì)、利用液體動能來傳遞能量的裝置。液體與封閉在殼體中的泵輪（輸入軸）、渦輪（輸出軸）相互作用，產(chǎn)生動量矩的變化，從而傳遞能量。液力傳動在輸入軸與輸出軸之間只靠液體作為工作介質(zhì)聯(lián)系，是一種非剛性傳動，存在著約3%的滑差，構(gòu)件間不直接接觸，沒有磨損。

液力耦合器傳遞的扭矩直接取決于它的充液量和相應(yīng)的輸出速度。每個充液量的特性曲線隨轉(zhuǎn)速增加而下降。充液量愈高，傳遞的扭矩就愈高?？刂埔毫︸詈掀鞲鱾€特性曲線和負(fù)載特性曲線的交點（穩(wěn)定工作點），就可建立一個可控啟動工況。利用充液閥和排液閥來控制進(jìn)入工作腔的工作液數(shù)量及速度，使充液量可連續(xù)無級地控制在排空和充滿之間（0～100%范圍內(nèi)），就可按照所需要的曲線控制輸出力矩和速度。

3 液力耦合器在帶式輸送機(jī)運(yùn)行中的性能及控制

3.1 啟動前

首先，充液泵開動，通過潤滑系統(tǒng)對各個軸承進(jìn)行潤滑；根據(jù)需要，通過冷卻系統(tǒng)對油箱中的油進(jìn)行旁路冷卻，使油溫保持在適宜的范圍內(nèi)；在輸送機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下，把液力耦合器內(nèi)的殘存工作液排回油箱，保證在電機(jī)啟動時不傳遞扭矩。

3.2 電機(jī)啟動

主電機(jī)啟動過程中只帶動液力耦合器泵輪，電機(jī)空載啟動。多機(jī)驅(qū)動時，分別順序空載啟動電機(jī)，以避免電壓降和同步浪涌電流峰值對電網(wǎng)的沖擊。

3.3 帶式輸送機(jī)可控啟動

電機(jī)空載啟動后，排液閥關(guān)閉，充液閥處于“充液”位置?？刂葡到y(tǒng)（PLC）監(jiān)控主電機(jī)的電流或力矩信號及液力耦合器輸出軸的速度信號，通過穩(wěn)定地控制所增加的充油量及充液速度，按設(shè)定的恒轉(zhuǎn)矩加速特性曲線輸出，實現(xiàn)可控啟動。啟動系數(shù)可達(dá)1.05～1.15。

在多電機(jī)驅(qū)動時，為消除充液速度的輕微差別，所有液力耦合器都先充液到起始位置（如設(shè)定值的30%），然后才會繼續(xù)充液，直至達(dá)到設(shè)定值。這個設(shè)定值可以是最大允許啟動扭矩，也可以是已儲存的輸送機(jī)停機(jī)前的實際扭矩乘以合適的啟動系數(shù)。

該帶式輸送機(jī)采用的啟動控制方式是“實際扭矩控制”。假定負(fù)載及其運(yùn)行扭矩在停機(jī)前后是不變的，就可利用已儲存的輸送機(jī)停機(jī)前的實際扭矩，乘以合適的啟動系數(shù)，得到一個啟動的設(shè)定值。這個設(shè)定值不是事先設(shè)定的，是在每一次啟動時才確定的。每次的啟動力矩和時間會依據(jù)每次停機(jī)前的負(fù)載不同而變化。

3.4 帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行

所有液力耦合器都處于額定充滿狀態(tài)，帶式輸送機(jī)達(dá)到額定帶速。工作液從油箱、充液泵、充液閥、冷卻器、工作腔再回到油箱進(jìn)行循環(huán)，保證工作腔始終充滿，持續(xù)冷卻，維持正常運(yùn)行。

3.5 帶式輸送機(jī)慢速或驗帶速度運(yùn)行

慢速或驗帶速度運(yùn)行時，通常帶式輸送機(jī)為輕載或空載，速度遠(yuǎn)低于額定速度，液力耦合器處于部分充液狀態(tài)。通過監(jiān)控輸出速度，調(diào)節(jié)充液閥及排液閥，使輸出速度控制在設(shè)定值。常用于運(yùn)量較小且不能停機(jī)或檢查膠帶接頭等情況下。

3.6 帶式輸送機(jī)可控停車

液力耦合器本身不能提供剎車力矩。帶式輸送機(jī)正常停機(jī)時，為防止膠帶動態(tài)張力過大，要通過充液閥及排液閥控制排液，按照設(shè)定曲線逐步減少電機(jī)傳遞的力矩，使輸送帶的張力逐漸降低，直至停機(jī)。一般正常停車時間要長于自然停車時間。

3.7 帶式輸送機(jī)暫停

當(dāng)帶式輸送機(jī)需要短暫停機(jī)時，為避免主電機(jī)頻繁啟動對電網(wǎng)的沖擊，可通過排空液力耦合器來斷開主電機(jī)與帶式輸送機(jī)的連接，使帶式輸送機(jī)停止運(yùn)行，而主電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.8 功率平衡

多機(jī)驅(qū)動時，由于各個部件（如電機(jī)曲線、滾筒直徑、減速器傳動比等）在制造、安裝、運(yùn)行過程不可避免存在的偏差和磨損，會使各電機(jī)間的功率分配不均，發(fā)生偏載現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至造成設(shè)備損壞。

正常運(yùn)行情況下，在各個驅(qū)動參數(shù)基本保持一致的前提下，依靠液力傳動的天然特性，液力耦合器的物理滑差對功率進(jìn)行著自動調(diào)節(jié)，就有很好的功率平衡。目前國內(nèi)許多煤礦都在使用這種自然的功率平衡模式，效果較好。

如有更高的平衡要求或有較大的傳動差造成負(fù)載不平衡，就要通過控制系統(tǒng)對液力耦合器加以主動控制，進(jìn)行充、排油操作，確保各驅(qū)動力出力均衡。

4 應(yīng)用及效果分析

福伊特閥控充液式調(diào)速型650 DTPKL 液力耦合器在10#煤層大巷帶式輸送機(jī)目前已經(jīng)進(jìn)行了安裝調(diào)試，并通過了試運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)階段礦井主要是綜掘工作面在進(jìn)行巷道掘進(jìn)工程，每天生產(chǎn)時間在20 h左右。液力耦合器運(yùn)行曲線如圖2。

圖2 650 DTPKL 液力耦合器運(yùn)行曲線

從液力耦合器的運(yùn)行曲線數(shù)據(jù)可知：（1）輸送機(jī)啟動時間，空載約80 s、輕載約90 s、滿載約150 s。（2）電機(jī)電流，電機(jī)銘牌額定64 A，電機(jī)空轉(zhuǎn)25 A；輸送機(jī)空載28～29 A，輸送機(jī)輕載29～30 A，輸送機(jī)滿載54 A，相差都在1 A 左右。（3）液力耦合器油溫，輸送機(jī)空載和輕載油溫28～30 ℃；輸送機(jī)滿載，監(jiān)測啟動瞬時溫度達(dá)到80 ℃，額定速度運(yùn)行時43 ℃左右（環(huán)境溫度約22 ℃）。

5 結(jié)論

楊柳煤礦10#煤層大巷帶式輸送機(jī)實際運(yùn)行情況表明，福伊特閥控充液式調(diào)速型650 DTPKL 液力耦合器完全能夠滿足該煤礦井下防爆、阻燃、潮濕、多塵的使用環(huán)境；能可控啟動/停機(jī)；多機(jī)驅(qū)動時易于功率平衡；吸收沖擊和振動、過載保護(hù)性好；低磨損少維護(hù)，使用壽命長；能夠變速運(yùn)行，滿足生產(chǎn)要求，節(jié)能降耗。該液力耦合器為保障帶式輸送機(jī)的運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效率奠定了基礎(chǔ)。