限矩型永磁聯軸器在煤礦機電設備中的應用

摘要：文章介紹了限矩型永磁聯軸器在煤礦機電設備中的應用及性能，對限矩型永磁聯軸器在煤礦機電設備中的應用進行了特性匹配性設計，研究了與液力偶合器在生產實際過程中的差別及原因，探討和分析了限矩型永磁聯軸器在煤礦運輸系統應用的可行性及先進性，為后續的應用提供參考。

關鍵詞：限矩型永磁聯軸器；煤礦機電設備；液力偶合器；煤礦運輸系統；特性匹配性設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD45 文章編號：1009-2374（2015）09-0158-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0836

近年來隨著礦井開采技術的提高，長距離、大運量、多點驅動、生產穩定故障少的帶式輸送機越來越被煤礦生產所重視和需求，而其驅動系統又是輸送機的心臟，特性的好壞直接影響輸送機性能的表現。傳統的電動機、減速器所組成的驅動裝置在實際生產當中，有的煤礦采用鋼性或彈性聯軸器的聯接方式。由于同心度和特性較硬問題，造成電機和減速機震動大，致使聯軸器尼龍銷經常斷裂或是電機嚴重燒毀。有的煤礦采用變頻調速的方式。但存在投資大、產生污染電源諧波、后期運行維護成本高等缺點。更多的煤礦采用普通的液力聯軸器。由于啟動瞬間系統的慣性力較大，會出現或是特性較軟，致傳遞功率小、效率低、易發熱爆塞或是啟動特性較硬，不易啟動。特別是在帶式輸送機在啟動和停車過程當中，振動大，噪音高，增大了系統的慣性力，降低了設備使用壽命，設備短期嚴重過載，造成電壓跌落（“黑電”）致啟動失敗，嚴重時還可能燒毀電機。而為了提高設備的啟動性能，又不得不采用大馬拉小車，選用大功率電機驅動的辦法來解決，使設備負載率大部分在50%左右運行，對電力資源是一種浪費。同時液力聯軸器磨損快，安裝精度要求又高，拆裝困難，故障恢復時間長，這些問題嚴重威脅到設備的安全運行，給煤炭運輸生產帶來了不小的困擾。

為解決以上問題，我們重點研究和探討限矩型永磁聯軸器在煤礦運輸機上的性能及表現。

1 限矩型永磁聯軸器工作原理

限矩型永磁聯軸器是通過銅導體和永磁體之間的氣隙實現由電動機到負載的轉矩傳輸。該技術實現了在驅動（電動機）和被驅動（負載）側沒有機械聯接。其工作原理是一端稀有金屬氧化物永磁體和另一端感應磁場相互作用產生轉矩。2個獨立組件，沒有物理接觸。精密的磁轉子組件里包含高能量的永磁體并安裝在負載軸上。精密的導體組件有銅環和鋼盤并安裝在電機軸上。在2個獨立組件之間有間隙（稱為氣隙）。這樣電動機和負載由原來的硬（機械）鏈接轉變為軟（磁）鏈接，通過調節永磁體和導體之間的氣隙就可實現啟動特性的變化，實現負載軸上的輸出轉矩變化及轉速的變化。

磁感應原理是通過磁體和導體之間的相對運動產生。也就是說，輸出轉速始終都比輸入轉速小，轉速差稱為滑差。典型情況下，在電動機滿轉時，滑差在1%～4%之間。

2 限矩型永磁聯軸器技術參數

圖1

限矩型永磁聯軸器的技術選型參數有：（1）轉速；（2）輸入功率或輸出功率；（3）限矩數值或過載倍數。另外，該聯軸器還有額定輸出轉矩、額定傳遞效率、啟動特性系數K、額定工作溫度和安裝精度等參數，包括設計時的磁路結構和磁體氣隙t等。

3 在煤礦機電設備中運行情況分析

我們在2014年5月份開始對陽煤集團五礦選煤廠110#皮帶機進行調研與論證，于2014年8月進行安裝調試，使用效果非常好。驅動系統是由電動機、限矩型液力偶合器、減速器等組成，設備的技術參數如表1所示：

表1

110#皮帶機是選煤廠準備隊的原煤皮帶輸送機，每小時輸送能力為1325t，帶寬1.4m，是井下上煤的第二部皮帶機，第一部為101#，輸送能力為1367t，輸送量大于110#皮帶，這兩部皮帶機，均采用限矩型液力偶合器連接，聯軸器型號為COX560，標定傳動效率為95%，由于101#皮帶輸送煤中含矸石需要分離出去。因此正常情況傳送給110#皮帶的煤在1325t以內，符合110#皮帶的輸送量，但有時井下出煤量大，也就是101#皮帶輸送量大于110#，再加上同是1.4m帶寬，101#帶速為2.5m，110#帶速為2m（實際帶速為1.95m），因此經常會出現110#皮帶過載停機壓帶，無法滿負荷啟動，必須人工鏟煤后點動啟動，這樣就會有以下弊端：（1）電機啟動電流大，電機溫度高，影響電機的使用壽命；（2）人力鏟煤的勞動強度大，并且浪費人力、物力、停產時間長；（3）不鏟煤情況下不敢直接啟動，有可能造成電壓跌落（“黑電”）或燒毀電機，造成啟動失敗。本次改造最初設計為160kW，礦井為提高原系統的啟動能力，降低故障率，后更換為185kW電機，因此又將限矩型液力偶合器改為功率185kW，限矩型永磁聯軸器依然按160kW設計，但這不影響前后參數對比。對比表如下：

表2 設備名稱：110#皮帶輸送機

3.1 實驗臺數據

轉速與扭矩系數的關系如圖2：

圖2

從表2和圖2可以看出，由于啟動瞬間系統的慣性力較大，液力聯軸器啟動時的扭矩較大，加速時間、緩沖時間較短，設備振動大，故磁力聯軸器軟啟性能優于液力聯軸器。

3.2 數據分析及結論

下面我們從七個方面，進行分析：

3.2.1 振動與噪音、傳動效率、溫度。改造前，160kW電機振動噪音非常大，可以說超出測振儀的量程無法測量，表中數值為北側電機的振動值（雙驅配置，一驅一備）。南側電機常年不運行只做臨時檢修備用，不能做正常備用，原因是電機機座為機架結構，振動無法消除，表中改造前的振動值為北側電機數值，改造后的數據可以說明振動值降低、噪音降低，可以實現正常使用，啟動和運行聲音平穩且優于北側驅動裝置，傳動效率高于改造前，有明顯的節電效果。表中可知運行溫度比降液力耦合器降低10℃左右，可靠性大大提高。endprint

3.2.2 啟動電流與運行電流。試驗過程中我們進行了空載、滿載啟動電流的對比，改造前的數據基本借用北側驅動的數據。空載啟動電流比改造前降低300A左右，滿載電流降低230A左右，下降20%～25%，具有明顯的節能效果，大大降低了啟動對電網的沖擊。滿載情況下啟動沖擊電流702A，是額定電流的2.1倍，表現出了優良的啟動性能。且滿載啟動平穩，啟動速度快于液力偶合器。

3.2.3 故障恢復時間短。正常投產后的第三天8月2日，110#皮帶因井下出煤量太大造成電機保護停機，停機2分鐘后直接平穩啟動，沒有出現停機攉煤，大大節約了人力物力的成本（鏈接監控記錄）。

3.2.4 延長了設備的使用壽命。由于軟啟動性能優良，沖擊負荷小于液力偶合器（電流數據可以說明）使其對電機的保護、對皮帶的保護都具有長期的經濟效益，皮帶脹力下降15%左右，可以有效延長皮帶壽命。

3.2.5 節能方面。運行效率提高1.34個百分點，啟動電流下降230～300A，波動平均電流下降，三者相加至少節約1.5個百分點，全年節約電費相當可觀，具有長期的經濟效益。我們知道動壓泄液式限矩型聯軸器，過載系數隨充液量不同（40%～80%）在一定范圍內變化，此種聯軸器雖然傳遞功率范圍較寬，動態反映靈敏，過載保護性能可以，但較硬的啟動特性和較大的過載系數（1.8～3.5倍），使沖擊轉矩大，沖擊電流大，對電網的沖擊也大。同時由于原液力偶合器存在溫升變化、液量的多少等不確定因素，特別是現場工人充液操作往往達不到要求，一般都是經驗估計性充液，充液后也不做功率試驗，直接投入運行，所以額定值不準確，將導致傳動效率的嚴重降低。而限矩型永磁聯軸器不存在這些問題，能保證恒定的高效率傳動，所以有很可觀的節能效益，假定輸入功率為160kW*80%=128kW，節能計算如下：年節能=128kW（輸入功率）*16小時（每天運行時間）*365天*[98.53%（現效率）-90.9%（原效率）]*0.48元/度電=2.7377萬元。

3.2.6 維護拆修方面。磁性聯軸器無機械接觸、無磨損、無油耗、免拆修、沒有維修成本，減少了停機時間，提高了生產效率，有利于提高經濟效益。

3.2.7 其他方面。表3是電機負載率、功率因數與效率對應表：

表3

負債率 0 0.25 0.5 0.75 1.00

功率因數 0.2 0.5 0.77 0.85 0.89

效率 0 0.78 0.85 0.88 0.88

對于重載皮帶機等運輸設備配套的軟啟動聯接裝置，電機功率配置，參考負載率為70%～80%的額定負載是比較合理的，但此種配置采用液力聯軸器在滿載情況下，往往無法實現軟起，因此往往采用大馬拉小車配置，負載率一般在50%以下，電機功率因數為0.77，電機效率一般在85%左右。不合理的電機功率運行模式可以通過安裝限矩型永磁聯軸器改變。小于50%的負載率可提高到70%～80%，電機功率因數可達到0.85，效率可達到88%，具有很好的節電效益。

4 結語

煤礦帶式輸送機其對驅動系統的要求主要體現在啟動、制動過程中能最大限度地降低系統的慣性力，并能實現過載保護和負載平衡，將帶式輸送機的加速、停車和運行時的膠帶張力減到最小。對于多點驅動，啟動皮帶機并逐漸加速到滿速度的過程中，希望這是一個緩慢而均勻的預拉伸過程，避免單電機出力而發生故障，所以合理的功率平衡可以有效地延長整個驅動系統各部件的壽命。

大功率電機系統的啟動問題一直是困惑用戶的難題，因為電機系統在啟動時，基本上可以看作是滿載啟動，電機在合閘瞬間，啟動電流超出額定工作電流的十幾倍甚至幾十倍，使得變壓器、配電設備短期嚴重過載，造成電壓跌落（“黑電”）甚至啟動失敗，嚴重時還可能燒毀電機。電機啟動過程短的持續幾秒，長的達到幾十秒，電機線圈嚴重發熱，造成電機線圈提前老化，縮短電機使用壽命。

電機系統的故障是又一個問題，主要原因是振動，振動會導致軸承、油封等的加速磨損，也會導致基座、管道接頭、緊固件等松動或斷裂或破損，振動還會導致產生強烈的噪聲。振動的產生，主要由于以下因素：（1）電機與負載設備連接時，軸不同心或有一定角度誤差；（2）減速機、皮帶機運行發生的振動；（3）機械設備的固有頻率的共振等。

限矩型永磁聯軸器具有帶緩沖的輕載啟動功能，降低了對電網和設備的沖擊，減小了皮帶機啟動時的張力。不會產生漏液現象，不污染環境。無軸承，無磨損件。運行中氣隙動態自動調整，尤其對多機驅動的皮帶機可以自動平衡各電機負荷，適應一定的脈動負荷或負荷不均衡工況。降低啟動電流和運行電流，節省配電設備費用。具有帶緩沖的輕載啟動功能。具有過載保護功能，過載時切斷扭矩傳遞，保護電機。啟動電流降低，對電機壽命有利。過載保護工作后，停止電機，限矩型永磁聯軸器能自動復位，可立即重啟，不影響恢復生產。正常運行時只需定期進行防銹及除塵。適應各種惡劣環境。溫度、粉塵、泥水均無影響。軟啟動性能優于液力耦合器。在煤礦皮帶運輸機和刮板運輸機上實現重載軟啟動，性能優良，安全可靠，具有廣泛的推廣

意義。

限矩型永磁聯軸器用于重載皮帶輸送機場合，實現平穩快速自調整適應軟啟動，是一個很好的選擇，具有液力聯軸器無法相比的軟啟動特性。不僅啟動沖擊電流小，對電機有保護作用，而且可減少對電網的沖擊，無需錯峰啟動。有了該軟啟動特性的技術保證，皮帶機功率設計可按經濟的負載率設計，負載率、功率因數及效率可按最經濟的運行區域進行運行，避免大馬拉小車的使用工況，節能效果比較明顯，有很好的經濟效益。

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作者簡介：李綠山（1972-），山西應縣人，山西京宇天成科技有限公司工程師，研究方向：稀土超強永磁技術及應用開發。

（責任編輯：蔣建華）endprint