永磁直驅(qū)系統(tǒng)在陶瓷球磨機(jī)上的應(yīng)用

張贊新

（佛山市東鵬陶瓷發(fā)展有限公司，佛山 528031）

1 前言

隨著工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)陶瓷的需求量越來(lái)越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2021年底，中國(guó)陶瓷企業(yè)約1500家，生產(chǎn)線約3500條。而陶瓷行業(yè)屬于耗能大戶，其中，陶瓷球磨機(jī)的耗能量在整個(gè)陶瓷生產(chǎn)線中的比重較大，我國(guó)目前對(duì)節(jié)能降耗有著嚴(yán)格的要求，因此對(duì)于陶瓷球磨機(jī)的節(jié)能改造變得尤為緊迫。

永磁直驅(qū)系統(tǒng)含永磁同步電動(dòng)機(jī)，高性能矢量變頻器，其中，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有節(jié)能高效、低速大扭矩的特點(diǎn)，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，同時(shí)高性能矢量變頻器可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，并根據(jù)粉磨時(shí)間的變化而改變旋轉(zhuǎn)速度，因此該系統(tǒng)可有效降低設(shè)備能耗，并且在操作和維護(hù)上更為簡(jiǎn)單便捷，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的效益，降低了企業(yè)成本。

2 陶瓷球磨機(jī)工作原理

陶瓷球磨機(jī)主要由筒體、軸承裝配、給料器、排料器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。筒體與軸承裝配組合成一體，安裝于水泥基礎(chǔ)上，筒體上安裝皮帶，電機(jī)通過(guò)皮帶與筒體聯(lián)接。先將物料從給料器裝入筒體，啟動(dòng)電機(jī)，筒體以工藝要求的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將筒體內(nèi)的物料進(jìn)行粉磨，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)到達(dá)粉磨時(shí)間后，磨機(jī)停止運(yùn)行，檢測(cè)粉磨后的物料粒度，滿足要求后排出，完成整個(gè)粉磨過(guò)程[1]。

3 永磁直驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的對(duì)比

3.1 結(jié)構(gòu)對(duì)比

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括：軟啟動(dòng)器、異步電動(dòng)機(jī)、減速器、小皮帶輪、傳動(dòng)皮帶、慢驅(qū)及抱閘，其傳動(dòng)順序?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)→減速器→小皮帶輪→傳動(dòng)皮帶→球磨機(jī)筒體，見(jiàn)圖1，異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)后，將動(dòng)力通過(guò)兩級(jí)減速增矩的方式傳遞給球磨機(jī)筒體，使球磨機(jī)按照需要的速度運(yùn)行。慢驅(qū)安裝于減速器另外一側(cè)，正常運(yùn)行時(shí)脫開(kāi)，在需要對(duì)正裝料口及排料口時(shí)使用，也用于設(shè)備的檢修維護(hù)。抱閘安裝在慢驅(qū)電機(jī)輸出軸上，主要作用是設(shè)備停機(jī)后使筒體不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，起到安全保護(hù)的作用。

圖1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

永磁直驅(qū)系統(tǒng)主要包括：軟啟動(dòng)器（變頻器）、永磁同步電動(dòng)機(jī)、小皮帶輪、傳動(dòng)皮帶、機(jī)械止動(dòng)裝置，其傳動(dòng)順序?yàn)橛来磐诫妱?dòng)機(jī)→小皮帶輪→傳動(dòng)皮帶→球磨機(jī)筒體，見(jiàn)圖2，永磁同步電動(dòng)機(jī)通過(guò)軟啟動(dòng)器（變頻器）啟動(dòng)后，將動(dòng)力直接傳遞給小皮帶輪，皮帶輪通過(guò)皮帶使球磨機(jī)筒體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，減少了中間一道減速環(huán)節(jié)；而且電機(jī)可以調(diào)速控制，以極低的速度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)慢驅(qū)的功能；永磁直驅(qū)系統(tǒng)具備零速懸停的功能，實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)停車，滿足裝卸料的要求，同時(shí)在電機(jī)尾端安裝有機(jī)械止動(dòng)裝置，即使在突然斷電的情況下，也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

圖2 永磁直驅(qū)系統(tǒng)

3.2 驅(qū)動(dòng)效率對(duì)比

表1 兩種驅(qū)動(dòng)效率對(duì)比

根據(jù)以上分析，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率約73%，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的效率高達(dá)93%，永磁直驅(qū)系統(tǒng)較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率提高約20%。效率提高原因主要為永磁電動(dòng)機(jī)的效率較普通異步電機(jī)效率要高以及永磁直驅(qū)系統(tǒng)省去效率偏低的減速器。圖3為永磁電機(jī)與普通電機(jī)的效率比較，圖中可以看出，永磁電機(jī)較普通電機(jī)的額定效率要高，尤其在低負(fù)載區(qū)域，永磁電機(jī)比普通異步電機(jī)的效率要高得多，這是因?yàn)橛来烹姍C(jī)的轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，不需通入電流即可產(chǎn)生磁場(chǎng)，運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子上無(wú)電流通過(guò)從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)銅損減小，而且由于永磁電機(jī)的高功率因數(shù)，使電運(yùn)行電流低于普通異步電機(jī)，損耗進(jìn)一步減小。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，陶瓷球磨機(jī)屬于重載設(shè)備，由于設(shè)備啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，所選電機(jī)額定功率遠(yuǎn)大于實(shí)際需求功率，從圖3可以看出，永磁同步電機(jī)在較低負(fù)載時(shí)，仍然可以保持很高的效率[2]。

圖3 不同負(fù)載率下永磁電機(jī)與普通異步電機(jī)的效率比較

3.3 其他效益對(duì)比

陶瓷球磨機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常惡劣，粉塵嚴(yán)重，而傳動(dòng)系統(tǒng)完全暴露于粉塵環(huán)境中，減速器的潤(rùn)滑系統(tǒng)難以保證，經(jīng)常出現(xiàn)減速器齒輪、軸承以及減速器稀油站閥塊損壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備的作業(yè)率，而且由于減速器的跑冒滴漏現(xiàn)象難以解決，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)一步惡化，操作人員怨聲載道。永磁直驅(qū)系統(tǒng)將永磁電機(jī)與小皮帶輪直接連接，無(wú)需減速器與潤(rùn)滑站，減少故障點(diǎn)，而且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)潤(rùn)滑油，徹底解決了環(huán)境污染問(wèn)題。

4 陶瓷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

廣東某一陶瓷生產(chǎn)廠家于2016開(kāi)始改造一臺(tái)40t球磨機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)，改造完成后，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，節(jié)能率非常明顯，約節(jié)能25%以上。

4.1 改造前設(shè)備情況

改造前主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4.

表2 改造前設(shè)備參數(shù)

圖4 改造前現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備照片

如圖4所示，該臺(tái)陶瓷球磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)改造前由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器，減速器與小皮帶輪連接，通過(guò)皮帶邊緣傳動(dòng)，使磨機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。為了滿足減速器的潤(rùn)滑冷卻要求，配置了減速器稀油站和控制柜。同時(shí)為了滿足對(duì)正進(jìn)出料口和檢修需要，配置了慢驅(qū)電動(dòng)機(jī)、慢驅(qū)減速器和抱閘系統(tǒng)。

由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行效率低，振動(dòng)大，噪音高，減速器漏油污染嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。

4.2 改造后設(shè)備情況

改造后傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5。

表3 改造后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

圖5 改造后現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備照片

如圖5所示，新系統(tǒng)采用低速永磁同步電機(jī)取代了原異步電機(jī)、減速器、減速器稀油站，將永磁電機(jī)與小皮帶輪直接連接，徹底解決了現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境污染問(wèn)題。電機(jī)采用變頻啟動(dòng)和控制。

4.3 數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)于改造前的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)量磨料時(shí)間約12.5h、檢測(cè)產(chǎn)品粒度合格。共測(cè)量3組數(shù)據(jù)用電量分別為1703kWh、1730kWh、1718kWh，平 均 每 球 用 電 量1717kWh。

對(duì)于改造后的系統(tǒng)，測(cè)量了不同轉(zhuǎn)速下的磨料情況及耗電量，統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，

表4 改造后不同轉(zhuǎn)速的耗電量統(tǒng)計(jì)

表4中，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速在10.5-11.8r/min范圍內(nèi)，磨料檢測(cè)均合格。無(wú)論是從總用電量方面，還是相同研磨時(shí)間內(nèi)用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)用電量均小于異步機(jī)驅(qū)動(dòng)，節(jié)能率明顯，具體分析詳見(jiàn)表5。

表4 不同保溫時(shí)間樣品的色度值

表5 改造前后用電量對(duì)比

通過(guò)上表，得到以下結(jié)論：

1）同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速大小一樣（11.5r/min）時(shí)，按照正常研磨時(shí)間（12.5h），同步電機(jī)耗電量比異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)耗電量節(jié)約440度，節(jié)能率可達(dá)到25.62%。

2）滾筒轉(zhuǎn)速為11.8r/min時(shí)（高于改造前轉(zhuǎn)速），按照正常研磨時(shí)間（12.5h），耗電量分別比異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)約395度，節(jié)能率可達(dá)到23%。

3）滾筒轉(zhuǎn)速為10.8r/min、10.5r/min（低于改造前轉(zhuǎn)速），按照正常研磨時(shí)間（12.5h），磨料檢測(cè)研磨合格，耗電量分別比異步電機(jī)節(jié)約470、509度，節(jié)能率可分別達(dá)到27.37%、29.6%。節(jié)能率更加明顯。

4.4 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

驅(qū)動(dòng)改造完后，通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，綜合測(cè)算，該系統(tǒng)改造取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。估算年節(jié)約費(fèi)用約10.4萬(wàn)元。

1）每球周期節(jié)約電耗488kWh，年運(yùn)行350周期，年節(jié)約電量170800 kWh，平均電價(jià)0.56元/kWh，折合電費(fèi)約9.6萬(wàn)元；

2）采用直驅(qū)系統(tǒng)，省去減速器及配套稀油站，每年可節(jié)約備品備件以及油耗約0.8萬(wàn)元；

3）由于永磁直驅(qū)系統(tǒng)的免維護(hù)特點(diǎn)，可以提高設(shè)備運(yùn)行率，改善現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，降低崗位及維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加社會(huì)效益。

以上述160kW永磁電機(jī)為例，改造一套球磨機(jī)總投資大約30萬(wàn)元，包括設(shè)備投資以及改造費(fèi)用，大約3年即可回收。

5 存在的問(wèn)題

由于目前永磁電機(jī)的價(jià)格較高，高出目前市場(chǎng)在用的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)2倍以上，對(duì)于客戶前期投資較大，因此推廣較慢，除此之外，永磁電機(jī)目前在陶瓷球磨機(jī)上的使用較少，其節(jié)能性也需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)算，不能一概而論。

6 結(jié)論

根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，永磁直驅(qū)系統(tǒng)用在陶瓷球磨機(jī)上將大有益處，不僅節(jié)約了能耗，而且減少了現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備維護(hù)量，改善了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，明顯降低企業(yè)的運(yùn)行費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，值得同行企業(yè)大力推廣。