永磁直驅(qū)系統(tǒng)在斗輪堆取料機的應(yīng)用

劉 叢 于 群 樊天奇 徐萬鑫

中國電建集團長春發(fā)電設(shè)備有限公司 長春 130033

0 引言

斗輪堆取料機（以下簡稱斗輪機）作為一種常用的散狀物料裝卸搬運設(shè)備，其工作制度屬于重型工作制，工作條件惡劣，工作強度和時長要求其傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積巨大，需要低速大扭矩帶載啟動及動力輸出，該工作模式導(dǎo)致其傳動效率低下，檢修維護成本居高不下。永磁直驅(qū)系統(tǒng)是一種新型的可實現(xiàn)低速大扭矩啟動的高效率傳動系統(tǒng)，屬于近年來新興的一種動力系統(tǒng)，目前已在礦山機械、帶式輸送機等設(shè)備上成功應(yīng)用，但在斗輪機上尚無成功應(yīng)用的先例。本文就永磁直驅(qū)系統(tǒng)在斗輪機上的應(yīng)用可行性及存在問題進行分析，為斗輪機驅(qū)動方式更新?lián)Q代的研究提供參考。

1 傳統(tǒng)驅(qū)動方式弊端分析

斗輪機各主要傳動機構(gòu)中工作條件最惡劣的為斗輪機構(gòu)（斗輪機實現(xiàn)取料作業(yè)功能單元），其輸出轉(zhuǎn)速低，通常為6.5 r/min左右，載荷沖擊及啟動轉(zhuǎn)矩大。目前，傳統(tǒng)驅(qū)動方式有機械傳動式（異步交流電動機+液力偶合器+行星減速器）和低速大扭矩液壓馬達直驅(qū)式2種。如圖1所示，兩者在使用過程中存在一些問題無法徹底解決。

圖1 傳統(tǒng)驅(qū)動方式示意圖

機械傳動式驅(qū)動方式傳動環(huán)節(jié)眾多，不易調(diào)節(jié)，體積大，重復(fù)啟動需要時間長，過載能力小，噪聲大，行星減速器對傳動齒輪的潤滑效果要求高，驅(qū)動裝置抗沖擊能力弱。

低速大扭矩液壓馬達液壓系統(tǒng)元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含馬達、動力站、管路、控制系統(tǒng)等組成單元。液壓閥件及管路連接接頭多，易出現(xiàn)漏油，系統(tǒng)可靠性受溫度影響明顯，發(fā)生故障不易查找原因，非專業(yè)人員無法檢修，在高粉塵環(huán)境對液壓油清潔度等級要求高。

同時，機械傳動式與低速大扭矩液壓馬達直驅(qū)式驅(qū)動方式均存在能耗大效率低、設(shè)備運行管理及后期維護成本高、人工及耗材投入巨大等問題。

2 應(yīng)用可行性及指標(biāo)

2.1 技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

作為一種新興的驅(qū)動形式，與傳統(tǒng)驅(qū)動方式相比，永磁直驅(qū)系統(tǒng)可以直接驅(qū)動負載運行，不需要機械減速機構(gòu)，這使得傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)組成得到極大簡化。因此，采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)可以減輕原有繁重的日常維護工作，系統(tǒng)的可靠性也會大幅提高；取消了機械減速機構(gòu)，消除了相應(yīng)的機械損耗，提高了系統(tǒng)的機械傳動效率，減少了電動機損耗，提高了系統(tǒng)的總體效率。

永磁直驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用于斗輪機構(gòu)的核心是正確替換原有的驅(qū)動裝置，通過技術(shù)優(yōu)化改進永磁直驅(qū)系統(tǒng)的外形、安裝形式以及斗輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式以實現(xiàn)兩者的順利安裝配合。在具體實施時，永磁直驅(qū)系統(tǒng)外形被設(shè)計為盤狀結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子盤和定子軸2部分。區(qū)別于以往的異步電動機結(jié)構(gòu)形式，為同步電動機，無需勵磁，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅耗，符合斗輪機構(gòu)低速大扭矩啟動及運行工況的要求。產(chǎn)品設(shè)計時需要依據(jù)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理特點，重新設(shè)計與之配合的斗輪輪體及相關(guān)支撐結(jié)構(gòu)，此間應(yīng)充分考慮斗輪機構(gòu)提供的安裝空間十分有限、配合精度不易保證等問題。為滿足上述要求，永磁直驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子盤外緣采用定位止口法蘭與斗輪輪體配合、鉸制孔螺栓聯(lián)結(jié)，工作時轉(zhuǎn)子盤為動力輸出部分，通過法蘭螺栓組帶動輪體旋轉(zhuǎn)工作，定子軸為定子線圈及轉(zhuǎn)子軸承的固定支撐單元，定子軸伸出轉(zhuǎn)子盤區(qū)域外的懸臂軸通過鉸支座將安裝在前臂架的鋼結(jié)構(gòu)上。斗輪輪體去除原有的輪轂及其支撐輪輻，重新設(shè)計成環(huán)梁和連接法蘭的組合結(jié)構(gòu)，以便采用高強螺栓組與永磁電動機（轉(zhuǎn)子盤）聯(lián)結(jié)。技術(shù)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。由表1可知永磁直驅(qū)系統(tǒng)在不同負載百分比下，傳動效率均表現(xiàn)突出，可以實現(xiàn)扭矩很好的過載能力及保護。

圖2 永磁直驅(qū)系統(tǒng)方式示意圖

表1 永磁直驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

2.2 維護費用對比

原有機械傳動式采用異步電動機+液力偶合器+減速器方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)的故障點增多，減速器及偶合器容易漏油，且多數(shù)情況下，減速器要求冬夏2季使用不同型號的潤滑油，增加了成本且維護工作量大，液壓直驅(qū)式也存在同樣問題。永磁直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械驅(qū)動系統(tǒng)維護費用對比如表2所示。

表2 維護費用對比

2.3 效率對比

永磁直驅(qū)系統(tǒng)動力轉(zhuǎn)化和傳輸形式不同于異步電動機，從效率和功率因數(shù)進行對比，永磁直驅(qū)系統(tǒng)的性能遠遠高于傳統(tǒng)異步電動機。當(dāng)電動機所帶負載一定時，電動機效率越高，有功功率越高，耗電量越低。如圖3所示，永磁直驅(qū)系統(tǒng)的效率在各個工況下均高于異步電機，低負荷時相差8%以上。

圖3 效率曲線比較圖

永磁電動機功率因數(shù)較異步電動機高，降低電網(wǎng)無功功率損耗，電網(wǎng)輸送電流損耗降低，負荷開關(guān)容量減小。如圖4所示，理論上永磁電動機相對于異步電動機節(jié)能效果好，電網(wǎng)的無功功率損耗降低，開關(guān)容量降低。

圖4 功率因數(shù)曲線比較圖

2.4 整體傳動效率對比

斗輪機的斗輪機構(gòu)驅(qū)動方式若采用傳統(tǒng)機械式異步電動機+液力偶合器+減速器系統(tǒng)傳動，存在中間環(huán)節(jié)多，效率損失較大；液壓直驅(qū)式的傳動效率更低，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，效率高，節(jié)能優(yōu)勢明顯。

傳統(tǒng)機械傳動傳動效率計算為：電動機87%×減速器4級94%×偶合器96%=78.5%；永磁電動機傳動效率為93%；傳統(tǒng)驅(qū)動在低負荷情況下，傳動效率不到50%；永磁電動機在低負荷情況下，傳動效率大于85%，永磁電動機在低負荷時節(jié)能效率更明顯。

3 存在問題及改進建議

3.1 質(zhì)量和體積的合理平衡點選取

斗輪機構(gòu)所適用的永磁直驅(qū)系統(tǒng)為盤式結(jié)構(gòu)，其額定輸出轉(zhuǎn)矩由布置在支撐輪外圓周的永磁線圈與回轉(zhuǎn)中心軸線的力臂共同決定，增大永磁直驅(qū)系統(tǒng)的做功能力方法有2種，增加線圈排布的寬度與增大線圈與回轉(zhuǎn)中心的力臂。增大線圈排布寬度會極大增加永磁直驅(qū)系統(tǒng)的成本，可通過增大力臂的方法增大其輸出轉(zhuǎn)矩，降低其質(zhì)量和成本，但相對應(yīng)的永磁直驅(qū)系統(tǒng)直徑過大，安裝在斗輪機構(gòu)的輪體上空間不足，存在碰撞煤堆、過度磨損、影響斗輪輪體結(jié)構(gòu)受力等問題，同時還會影響斗輪機構(gòu)溜料裝置、圓弧擋板等結(jié)構(gòu)的布置空間。因此，斗輪機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)綜合考慮，永磁直驅(qū)系統(tǒng)盤形結(jié)構(gòu)的外圓周直徑應(yīng)控制在斗輪機構(gòu)輪體直徑2/3較合理。

3.2 檢修問題

與傳統(tǒng)驅(qū)動方式相比，采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動的斗輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及布置方式均需發(fā)生很大變化，永磁直驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積及質(zhì)量龐大，安裝精度要求較高。雖然永磁直驅(qū)系統(tǒng)自身故障率很低，但同樣需要檢修維護，因現(xiàn)有安裝方式斗輪機構(gòu)輪體等因素的影響，導(dǎo)致其偏載嚴重，長期使用應(yīng)考慮永磁直驅(qū)系統(tǒng)和其他部件檢修更換的便利問題。若每次檢修斗輪機構(gòu)都要將永磁直驅(qū)系統(tǒng)拆下，由大型吊裝機械配合才能完成是不合理的。因此，該問題還需要斗輪機制造企業(yè)與永磁直驅(qū)系統(tǒng)專業(yè)廠家進一步溝通，進一步優(yōu)化永磁直驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

3.3 輪體及永磁直驅(qū)系統(tǒng)受力情況需要優(yōu)化

永磁直驅(qū)系統(tǒng)中支撐其回轉(zhuǎn)運動的中心軸與其定子連接，屬于心軸形式固定不動，斗輪輪體、鏟斗等其他部件固定在其轉(zhuǎn)子盤上，轉(zhuǎn)子盤通過軸承固定在中心軸上，轉(zhuǎn)子盤盤形結(jié)構(gòu)體積很大，工作時受到斗輪挖掘時的側(cè)向挖掘力的影響，導(dǎo)致中心軸及轉(zhuǎn)子盤支撐軸承受力非常復(fù)雜，疲勞損傷對中心軸及軸承使用壽命的影響需要長期應(yīng)用才能得以顯現(xiàn)。目前，轉(zhuǎn)子盤軸承采用3組調(diào)心滾子軸承超靜定結(jié)構(gòu)形式，存在受力不明確、潤滑及拆裝困難等問題。由于該結(jié)構(gòu)形式屬于永磁直驅(qū)系統(tǒng)的一代產(chǎn)品，故還需要在后續(xù)使用中進一步優(yōu)化完善。

4 結(jié)語

永磁直驅(qū)系統(tǒng)作為一種新型節(jié)能驅(qū)動動力形式滿足斗輪機工況要求，克服了原有傳統(tǒng)驅(qū)動方式存在的弊端和不足，在檢修費用、傳動效率等方面優(yōu)勢明顯，但該傳動方式在斗輪機實際應(yīng)用屬于起步階段，很多技術(shù)問題還沒有完全暴露，還有待于繼續(xù)關(guān)注和優(yōu)化、改進。