刮板輸送機用永磁驅(qū)動部研究

孔 進

寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 寧夏銀川 750001

驅(qū) 動部是刮板輸送機的關(guān)鍵部件，可靠和高效的運行是保證刮板輸送機連續(xù)運轉(zhuǎn)和綠色節(jié)能的關(guān)鍵。常規(guī)刮板輸送機的驅(qū)動部由異步電動機+聯(lián)軸器+罩筒+減速器等組成，整個驅(qū)動部懸掛在機頭/機尾架上，電動機與減速器、減速器與機架之間的罩筒變形后，導(dǎo)致減速器漏油、聯(lián)軸器損壞等問題。異步電動機啟動電流較大，對前端電力設(shè)備要求較高，轉(zhuǎn)速為 1 485 r/min，存在減速器輸入端軸承和密封線速度較高、易損壞等問題。驅(qū)動部存在傳動鏈長、效率較低、故障點較多等問題。永磁同步電動機具有效率高、運行范圍廣、體積小等優(yōu)點，在煤礦行業(yè)應(yīng)用廣泛。

1 電動機性能比較

筆者以 1 200 kW 刮板輸送機為例，對永磁電動機的驅(qū)動部進行研究。常規(guī)異步電動機、減速機的驅(qū)動部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有刮板輸送機驅(qū)動部

異步電動機工作時，轉(zhuǎn)子繞組有電流流動，該電流以熱能的形式被消耗掉，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的熱量使電動機的溫度升高，影響了電動機的使用壽命。

永磁同步電動機由永磁體建立轉(zhuǎn)子磁場，正常工作時，轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流，無轉(zhuǎn)子電阻損耗，定子繞組中較少有或幾乎不存在無功電流，連續(xù)工作時損耗小、發(fā)熱量少，延長了電動機的使用壽命。

刮板輸送機正常運轉(zhuǎn)時負載率為 60%～80%，因負荷不均衡，大部分時間不在額定功率下運行。而異步電動機功率因數(shù)和效率最高區(qū)域的負載率在 75%～100% 之間，導(dǎo)致異步電動機功率因數(shù)低、能耗高。而永磁電動機高效運行工作區(qū)間寬，大幅提高了驅(qū)動部的整體效率。異步電動機和永磁電動機的負載率與功率因數(shù)對比如圖2 所示。

圖2 異步電動機與永磁電機功率因數(shù)對比

2 驅(qū)動部尺寸邊界

煤礦井下工作面空間的限制決定了采煤機、液壓支架和刮板輸送機之間的配套尺寸。驅(qū)動部的最大中心高為 540 mm，在不改變現(xiàn)有配套關(guān)系的前提下，最大寬度尺寸為 1 500 mm。常規(guī)異步電動機、減速機驅(qū)動的刮板輸送機尾斷面如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)有機尾配套斷面圖

3 永磁驅(qū)動部方案

將轉(zhuǎn)速為 1 485 r/min 的異步電動機更換為 1 485 r/min 的永磁同步電動機，驅(qū)動部結(jié)構(gòu)和配合尺寸不改變，僅提升了電動機的效率。因永磁直驅(qū)電動機體積大、質(zhì)量大，工作面的安裝空間不滿足要求，不能直接應(yīng)用于刮板輸送機驅(qū)動部。以永磁驅(qū)動部中心高540 mm，長度尺寸最短為目標，以降低永磁電動機轉(zhuǎn)速、減少減速器傳動級數(shù)為研究思路，調(diào)整不同轉(zhuǎn)速和不同齒輪傳動結(jié)構(gòu)的永磁驅(qū)動部方案。

3.1 驅(qū)動部的功能和參數(shù)

驅(qū)動部的主要功能：①正常運轉(zhuǎn)時，為刮板輸送機提供動力，驅(qū)動鏈輪軸組運轉(zhuǎn)，驅(qū)動部輸出轉(zhuǎn)速約為 40 r/min；②緊鏈運轉(zhuǎn)時，低速驅(qū)動鏈輪軸組運轉(zhuǎn)，驅(qū)動部輸出轉(zhuǎn)速約為 1 r/min，同時在掐鏈過程中保持制動。

3.2 中速永磁驅(qū)動部

永磁驅(qū)動部以中心高為 540 mm，即末級行星傳動齒圈的外圓直徑為 1 080 mm，通過齒輪參數(shù)設(shè)計、速比分配確定了兩級齒輪傳動結(jié)構(gòu)，電動機轉(zhuǎn)速為900～ 1 000 r/min。該驅(qū)動部設(shè)計有 2 個動力源，正常工作時采用永磁電動機驅(qū)動，緊鏈時采用緊鏈裝置中的液壓馬達驅(qū)動；一級太陽輪與電動機輸出花鍵之間設(shè)置了聯(lián)軸器，通過聯(lián)軸器將電動機的輸出軸與太陽輪同軸連接，該聯(lián)軸器也是緊鏈裝置的動力輸入齒輪。該聯(lián)軸器設(shè)計了雙軸承支撐，二級齒輪傳動部分為單獨的腔體，設(shè)計了獨立的密封結(jié)構(gòu)。中速永磁驅(qū)動部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 中速永磁驅(qū)動部結(jié)構(gòu)

3.3 低速永磁驅(qū)動部

末級行星傳動齒圈的外圓直徑為 1 080 mm，通過齒輪參數(shù)設(shè)計、速比確定一級齒輪傳動的結(jié)構(gòu)，電動機轉(zhuǎn)速為 250 r/min。該驅(qū)動部有 2 個動力源，正常工作時永磁電動機驅(qū)動，緊鏈時液壓馬達驅(qū)動，太陽輪直接與電動機輸出花鍵連接。低速永磁驅(qū)動部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 低速永磁驅(qū)動部結(jié)構(gòu)

3.4 永磁驅(qū)動部對比分析

刮板輸送機工況惡劣，在運行中經(jīng)受較大的交變載荷，按照負載率 80% 的情況，異步電動機效率為85%，永磁電動機效率為 95%，一級齒輪傳動效率為98%，對驅(qū)動部整體效率進行估算，不同傳動結(jié)構(gòu)驅(qū)動部對比如表1 所列，表中高度尺寸不含緊鏈裝置。

表1 驅(qū)動部對比

異步電動機驅(qū)動部由電動機、減速器、聯(lián)軸器等部件組成，部件相互獨立，雖然傳動效率較低但具有維護便利等優(yōu)點，將異步電動機更換為永磁電動機后，效率提升了 11%。中速永磁驅(qū)動部將聯(lián)軸器集成在減速器殼體內(nèi)部，較現(xiàn)有驅(qū)動部效率提升 11.4%，寬度方向超過 1 500 mm，需要對機頭和機尾處與液壓支架配套關(guān)系進行微調(diào)，但在長度方向縮短了 2 490 mm，增大了機頭、機尾的空間。低速永磁驅(qū)動部的電動機輸出軸與太陽輪直接連接，驅(qū)動部效率提升了11.6%。低速永磁驅(qū)動部存在以下問題：①如果電動機的密封失效，齒輪油進入電動機內(nèi)部，導(dǎo)致電動機燒損；②齒輪減速部分的熱量直接傳遞給電動機；③水冷裝置的空間有限。

永磁驅(qū)動部采用變頻器制動電動機，省去了緊鏈器的布置空間，驅(qū)動部的軸向長度可以縮短 (100～200 mm)，傳動結(jié)構(gòu)簡單，但是存在緊鏈制動時突發(fā)斷電帶來的鏈輪軸組轉(zhuǎn)動的風(fēng)險。中速永磁驅(qū)動部去掉聯(lián)軸器，借鑒低速永磁驅(qū)動部太陽輪直接和電動機輸出軸連接的結(jié)構(gòu)，可縮短軸向長度，但低速永磁驅(qū)動部的問題仍存在。

綜上所述，中速永磁驅(qū)動部較異步電動機驅(qū)動部效率提升了 11.4%，長度縮短了 2 490 mm，且功率因數(shù)提升，無功損耗減小。齒輪傳動與電動機有單獨的密封，互不干擾，緊鏈時由液壓馬達驅(qū)動，并有機械制動保護，操作安全，也可采用機械制動的變頻驅(qū)動緊鏈，去掉液壓馬達，簡化傳動鏈。因此，中速永磁驅(qū)動部是合理的驅(qū)動方案。

4 結(jié)語

將電動機、變頻器、齒輪傳動集成是刮板輸送機驅(qū)動部的發(fā)展趨勢，筆者以 1 200 kW 永磁驅(qū)動部為研究對象，對異步電動機和永磁同步電動機的驅(qū)動效率進行了對比分析，結(jié)合驅(qū)動部尺寸邊界條件，對高速、中速、低速永磁驅(qū)動部的結(jié)構(gòu)進行了比較。從可靠性、整體效率、配套尺寸、操作安全等多個方面對永磁驅(qū)動部的優(yōu)缺點進行了分析，確定了刮板輸送機中速永磁驅(qū)動部方案，具有一定的推廣和借鑒意義