液力偶合器在帶式輸送機上應用的優越性分析＊

潘志勇,姚 蓉,姚 冰

(湖南工業職業技術學院, 湖南長沙 410208)

液力偶合器在帶式輸送機上應用的優越性分析＊

潘志勇,姚 蓉,姚 冰

(湖南工業職業技術學院, 湖南長沙 410208)

通過對帶式輸送機的驅動要求的分析,提出了采用電機加液力偶合器機械系統來滿足帶式輸送機驅動要求的理論根據,給出了帶式輸送機配用液力偶合器的科學依據,并就液力偶合器在帶式輸送機上應用的優越性進行了詳細的闡述。

帶式輸送機;液力偶合器;優越性

0 前 言

帶式輸送機與其他運輸形式比較,具有許多優勢,如非常適合散裝物料運輸,運輸成本低,設備簡便,維修容易,費用低等等,因此帶式輸送機已廣泛應用于鋼廠、鐵廠、港口、碼頭、水泥廠、礦山等大型企業,而且帶式輸送機不斷向長距離、大功率發展。在設計長距離、大功率的帶式輸送機時,考慮到大電機在設計、維修和安裝上不便和成本等因素,設計人員通常采用多電機、多滾筒驅動形式。這樣,長距離、大功率的帶式輸送機就出現起動性能變壞和運轉穩定性下降明顯的問題。為解決這一問題,國內外都采用了液力偶合器,并取得了明顯的效果。本文就液力偶合器在帶式輸送機上應用的優越性進行了詳細的研究,給出了帶式輸送機配用液力偶合器的科學依據。

1 帶式輸送機的驅動要求

帶式輸送機像其他大慣量設備一樣具有很大的起動慣量并難于起動,尤其是長距離、大功率的帶式輸送機,通常它們的起動力矩是額定力矩的3～3.5倍,若電機選型不當或電壓波動較大時就難于起動,甚至有時燒毀電機。

按動力學分析,在載荷起動瞬間作用在電機軸上的起動力矩為:TZQ=TC+TA

式中:Tc——與轉速無關的摩擦阻力矩,是軸承及機械接觸摩擦力矩與工作機阻力矩之和,對具體設備為常量;

Ta——載荷加速力矩,Ta=Jε。

加速力矩與系統的轉動慣量J及角加速度ε有正比關系,或者與系統物體質量m、加速度a成正比,而與載荷加速時間t成反比,因此載荷加速時間越短,加速力矩Ta和TZQ就越大。電機直連傳動起動時,構成沖擊載荷,加速時間極短,則起動力矩很大而難于起動。若起動力矩很大,帶式輸送機的膠帶起動張力過大,就會大大降低帶式輸送機膠帶的使用壽命,而在帶式輸送機成本中膠帶占40%以上。若電機拖不動則形成“悶車”而加長了起動電流持續時間,再嚴重時就燒毀電機。

再者,對長距離、大功率帶式輸送機在設計上采用多電機、多滾筒驅動,再加上膠帶的變形,各處散裝物料的不均勻,電機、滾筒制作的偏差,必然會引起帶式輸送機運行的不均衡。

綜上分析,帶式輸送機在驅動運行中應該滿足以下要求:

(1)限矩起動;

(2)過載保護;

(3)起動運行均衡。

要滿足這些要求,有許多方法,如變頻起動、加載偶合器等。變頻起動,不僅技術要求高,成本很高,而且適應環境的能力差、維修復雜。而加裝液力偶合器可改善電機起動狀況,是解決上述問題的有效辦法。

2 液力偶合器應用于帶式輸送機的優越性

2.1 電機起動能力分析

在籠型電動機加液力偶合器聯合拖動主機時,電機的外特性就是液力偶合器的輸入特性,液力偶合器的輸出特性就是電機的負載特性(即工作機的輸入特性)。通常籠型電動機的起動力矩遠小于最大力矩,配以液力偶合器后,使其聯合工作的起動力矩大為增高,甚至接近電機的最大力矩,且使電動機起步瞬間接近空載起動。

如圖1所示,動力機加裝液力偶合器傳動后,直接負載由工作機改為偶合器泵輪,因偶合器泵輪力矩與其轉速的2次方成正比,且轉動慣量很小,故動力機近似等于帶偶合器泵輪空載啟動,所以啟動輕快平穩,啟動時間短,啟動電流均值低,對電網沖擊小,啟動性能得以改善。渦輪起動后,輸出力矩立即升高。

圖1 帶式輸送機驅動系統示意

從圖2可以看出,由電機和液力偶合器聯合拖動的帶式輸送機在空載、滿載和超載的情況下起動、運行都是一樣,電機的尖峰電流在起動和運行中幾乎不存在。這樣,就達到了液力偶合器增大電機起動能力的效果,而且使整機平穩起動,起動時間縮短,從而可允許降低膠帶抗張強度要求和延長膠帶壽命。

2.2 機械系統的過載防護分析

機械系統過載的原因,不外乎3種情況:工作機阻力負載緩慢或突然增加而超過額定工況的正常情形;異步電機運行中因電網電壓突然下降而使電機外特性跌落,從而電機的輸出轉矩低于額定工況的正常值;工作機運行中因故突然卡住而造成的動力過載。

在電機直接驅動的機械系統中,工作負載增加超過電機的額定點,但低于尖峰轉矩點時,屬于正常過載,仍能短期穩定工作,但電流較額定值增大。因此,正常過載允許時間根據電機發熱時間決定,一般采用熱繼電保護。當工作負載增加超過電機的額定點,且高于尖峰轉矩點時,就會出現電機與工作機一起失速直到堵轉,電機則受到較大電流I沖擊而使電機絕緣發熱和電網電壓下降,甚至燒毀。若在運行中工作機突然被制動時,一方面電機因堵轉產生很大電流沖擊,另一方面,制動系統慣性質量的動能在一瞬間釋放出來會在電機到工作機的環節中產生很大的動力載荷沖擊,造成系統薄弱環節損壞。

圖2 裝與不裝液力偶合器電動機啟動特性分析

圖3是電機加液力偶合器系統中工作負載制動時電機的穩態運行點圖,可以看出,在電機加液力偶合器機械系統中,即使負載轉矩大于電機最大轉矩而造成非正常過載,或工作機在運轉中因異物卡住或其它特殊故障突然制動,工作機轉速迅速降到零速工況點,即液力偶合器渦輪停止不轉,但電機仍在最大轉矩點附近運行,因而就不會發生失速堵轉現象,同時電機轉速變化不大,因而也就不會發生電機轉子慣量突然失速堵轉而使電機軸和傳動系統產生很大的動力過載(見圖4)。因此,液力偶合器對帶式輸送機的動力過載能夠有效防護。

2.3 節能作用分析

電機加液力偶合器聯合起動帶式輸送機不僅能夠解決帶式輸送機限矩起動、過載保護、運行平穩等技術難題,而且具有一定的節能作用。

圖3 裝液力偶合器電動機工作負載制動時的穩態運行點

圖4 電機加液力偶合器系統動力過載

(1)兩步起動改善了起動性能,降低了工作機起動力矩而節能。在電機與載荷之間加裝液力偶合器,使原來的“直聯”中間加入柔性的液力傳動,變“直聯”時的一步起動為兩步起動。由圖5可見,液力偶合器的應用提高了電機起動載荷能力,小電機能夠起動原大電機才能起動的載荷(MTQ＞MZQ)。

圖5 大慣量設備裝與不裝液力偶合器的特性比較

(2)降低了啟動電流及其持續時間——電機空載起動節能。加裝液力偶合器后的兩步啟動使電機與載荷的啟動電流相互錯開、不疊加,又由于電機空載啟動后接下的是輕載軟起動(MB∝n21啟動中轉速低、力矩小,電流低),電機升速快。所以降低了啟動電流及其持續時間。與電機直聯傳動相比,有明顯的啟動節電作用(見圖6)。

(3)提高了電機啟動載荷的能力。在啟動過程中隨著電機轉速的升高,泵輪力矩亦升高,在某一轉速下,MB=MT≥MZQ時,渦輪帶著載荷起步運轉。可見并非以電機的啟動力矩去直接啟動載荷,而是以渦輪的啟動力矩(MTQ)去啟動載荷。故液力傳動的應用提高了電機啟動載荷的能力。

圖6 應用液力傳動電機空載起動的節能原理

(4)匹配合理,降低裝機容量而節能。加裝液力偶合器,一方面使載荷啟動力矩降低了,另一方面又提高了電機啟動載荷的能力,因此可降低配用電機的機座號,應用小規格電機即可滿足大慣量設備的起動要求(見圖5)。利用渦輪啟動力矩起動載荷后,在穩定運行時因接近其額定工況運行,故運行功率因數高,效率高,自身損耗(風損,鐵損,銅損等)小,雖然液力偶合器有4%左右的轉差損失,但與其效益相抵后仍有較好的技術經濟效益,有明顯的節電效果。

3 結 論

起動難、停車難和啟動時的縱向振蕩波是帶式輸送機的3大技術難題。液力偶合器的應用可以很好地解決這些問題。通過以上分析,在帶式輸送機上配用液力偶合器具有許多優越性:

(1)由于使整機平穩起動,起動時間縮短,能夠降低張峰值,從而可允許降低膠帶抗張強度要求和延長膠帶壽命;

(2)液力偶合器對帶式輸送機的動力過載能夠有效防護;

(3)在多電機驅動或多級驅動時,可通過對限矩型液力偶合器充液量的調節來使各電機功率平衡,且可順序延時起動,降低起動電流峰值,減低變壓器容量;

(4)帶式輸送機采用液力偶合器后,整機可采用價廉的鼠籠式電機來驅動;

(5)可避免電力超載和電機的起動消耗,具有相當的節能作用;

(6)鼠籠式電機加液力偶合器的機械傳動系統簡單,所用機械、電氣構件少,運行可靠、維修費用低。

[1]楊乃喬,姜麗英.液力調速與節能[M].北京:國防工業出版社,2000.

[2]魏宸官,趙家象.液體粘性傳動技術[M].北京:國防工業出版社,1996.

[3]楊乃喬.液力偶合器[M].北京:機械工業出版社,1989.

[4]徐 灝.機械設計手冊(第5卷)[M].北京:機械工業出版社,1998.

[5]成大先.機械設計手冊(第2卷)[M].北京:化學工業出版社,2006.

[6]馬文星.液力傳動理論與設計[M].北京:化學工業出版社,2004.

[7]李壯云.液壓、氣動與液力工程手冊(下冊)[M].北京:電子工業出版社,2008.

[8]李有義.液力傳動[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2000.

湖南省教育廳科學研究項目(08D046).

2010-06-08)

潘志勇(1970-),男,湖南永州人,碩士,教授級高級工程師,主要從事材料工程研究。