限矩型永磁聯(lián)軸器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用

摘要：文章介紹了限矩型永磁聯(lián)軸器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用及性能，對(duì)限矩型永磁聯(lián)軸器在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了特性匹配性設(shè)計(jì)，研究了與液力偶合器在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中的差別及原因，探討和分析了限矩型永磁聯(lián)軸器在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用的可行性及先進(jìn)性，為后續(xù)的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：限矩型永磁聯(lián)軸器；煤礦機(jī)電設(shè)備；液力偶合器；煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)；特性匹配性設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

近年來(lái)隨著礦井開采技術(shù)的提高，長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、生產(chǎn)穩(wěn)定故障少的帶式輸送機(jī)越來(lái)越被煤礦生產(chǎn)所重視和需求，而其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又是輸送機(jī)的心臟，特性的好壞直接影響輸送機(jī)性能的表現(xiàn)。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)、減速器所組成的驅(qū)動(dòng)裝置在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，有的煤礦采用鋼性或彈性聯(lián)軸器的聯(lián)接方式。由于同心度和特性較硬問(wèn)題，造成電機(jī)和減速機(jī)震動(dòng)大，致使聯(lián)軸器尼龍銷經(jīng)常斷裂或是電機(jī)嚴(yán)重?zé)龤АＳ械拿旱V采用變頻調(diào)速的方式。但存在投資大、產(chǎn)生污染電源諧波、后期運(yùn)行維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。更多的煤礦采用普通的液力聯(lián)軸器。由于啟動(dòng)瞬間系統(tǒng)的慣性力較大，會(huì)出現(xiàn)或是特性較軟，致傳遞功率小、效率低、易發(fā)熱爆塞或是啟動(dòng)特性較硬，不易啟動(dòng)。特別是在帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)和停車過(guò)程當(dāng)中，振動(dòng)大，噪音高，增大了系統(tǒng)的慣性力，降低了設(shè)備使用壽命，設(shè)備短期嚴(yán)重過(guò)載，造成電壓跌落（“黑電”）致啟動(dòng)失敗，嚴(yán)重時(shí)還可能燒毀電機(jī)。而為了提高設(shè)備的啟動(dòng)性能，又不得不采用大馬拉小車，選用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)的辦法來(lái)解決，使設(shè)備負(fù)載率大部分在50%左右運(yùn)行，對(duì)電力資源是一種浪費(fèi)。同時(shí)液力聯(lián)軸器磨損快，安裝精度要求又高，拆裝困難，故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，這些問(wèn)題嚴(yán)重威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行，給煤炭運(yùn)輸生產(chǎn)帶來(lái)了不小的困擾。

為解決以上問(wèn)題，我們重點(diǎn)研究和探討限矩型永磁聯(lián)軸器在煤礦運(yùn)輸機(jī)上的性能及表現(xiàn)。

1 限矩型永磁聯(lián)軸器工作原理

限矩型永磁聯(lián)軸器是通過(guò)銅導(dǎo)體和永磁體之間的氣隙實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)機(jī)到負(fù)載的轉(zhuǎn)矩傳輸。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）和被驅(qū)動(dòng)（負(fù)載）側(cè)沒有機(jī)械聯(lián)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(yīng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。2個(gè)獨(dú)立組件，沒有物理接觸。精密的磁轉(zhuǎn)子組件里包含高能量的永磁體并安裝在負(fù)載軸上。精密的導(dǎo)體組件有銅環(huán)和鋼盤并安裝在電機(jī)軸上。在2個(gè)獨(dú)立組件之間有間隙（稱為氣隙）。這樣電動(dòng)機(jī)和負(fù)載由原來(lái)的硬（機(jī)械）鏈接轉(zhuǎn)變?yōu)檐洠ù牛╂溄樱ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)永磁體和導(dǎo)體之間的氣隙就可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)特性的變化，實(shí)現(xiàn)負(fù)載軸上的輸出轉(zhuǎn)矩變化及轉(zhuǎn)速的變化。

磁感應(yīng)原理是通過(guò)磁體和導(dǎo)體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。也就是說(shuō)，輸出轉(zhuǎn)速始終都比輸入轉(zhuǎn)速小，轉(zhuǎn)速差稱為滑差。典型情況下，在電動(dòng)機(jī)滿轉(zhuǎn)時(shí)，滑差在1%～4%之間。

2 限矩型永磁聯(lián)軸器技術(shù)參數(shù)

圖1

限矩型永磁聯(lián)軸器的技術(shù)選型參數(shù)有：（1）轉(zhuǎn)速；（2）輸入功率或輸出功率；（3）限矩?cái)?shù)值或過(guò)載倍數(shù)。另外，該聯(lián)軸器還有額定輸出轉(zhuǎn)矩、額定傳遞效率、啟動(dòng)特性系數(shù)K、額定工作溫度和安裝精度等參數(shù)，包括設(shè)計(jì)時(shí)的磁路結(jié)構(gòu)和磁體氣隙t等。

3 在煤礦機(jī)電設(shè)備中運(yùn)行情況分析

我們?cè)?014年5月份開始對(duì)陽(yáng)煤集團(tuán)五礦選煤廠110#皮帶機(jī)進(jìn)行調(diào)研與論證，于2014年8月進(jìn)行安裝調(diào)試，使用效果非常好。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、限矩型液力偶合器、減速器等組成，設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1

110#皮帶機(jī)是選煤廠準(zhǔn)備隊(duì)的原煤皮帶輸送機(jī)，每小時(shí)輸送能力為1325t，帶寬1.4m，是井下上煤的第二部皮帶機(jī)，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(jī)，均采用限矩型液力偶合器連接，聯(lián)軸器型號(hào)為COX560，標(biāo)定傳動(dòng)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(nèi)，符合110#皮帶的輸送量，但有時(shí)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(shí)際帶速為1.95m），因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)110#皮帶過(guò)載停機(jī)壓帶，無(wú)法滿負(fù)荷啟動(dòng)，必須人工鏟煤后點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)，這樣就會(huì)有以下弊端：（1）電機(jī)啟動(dòng)電流大，電機(jī)溫度高，影響電機(jī)的使用壽命；（2）人力鏟煤的勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且浪費(fèi)人力、物力、停產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)；（3）不鏟煤情況下不敢直接啟動(dòng)，有可能造成電壓跌落（“黑電”）或燒毀電機(jī)，造成啟動(dòng)失敗。本次改造最初設(shè)計(jì)為160kW，礦井為提高原系統(tǒng)的啟動(dòng)能力，降低故障率，后更換為185kW電機(jī)，因此又將限矩型液力偶合器改為功率185kW，限矩型永磁聯(lián)軸器依然按160kW設(shè)計(jì)，但這不影響前后參數(shù)對(duì)比。對(duì)比表如下：

表2 設(shè)備名稱：110#皮帶輸送機(jī)

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)速與扭矩系數(shù)的關(guān)系如圖2：

圖2

從表2和圖2可以看出，由于啟動(dòng)瞬間系統(tǒng)的慣性力較大，液力聯(lián)軸器啟動(dòng)時(shí)的扭矩較大，加速時(shí)間、緩沖時(shí)間較短，設(shè)備振動(dòng)大，故磁力聯(lián)軸器軟啟性能優(yōu)于液力聯(lián)軸器。

3.2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

下面我們從七個(gè)方面，進(jìn)行分析：

3.2.1 振動(dòng)與噪音、傳動(dòng)效率、溫度。改造前，160kW電機(jī)振動(dòng)噪音非常大，可以說(shuō)超出測(cè)振儀的量程無(wú)法測(cè)量，表中數(shù)值為北側(cè)電機(jī)的振動(dòng)值（雙驅(qū)配置，一驅(qū)一備）。南側(cè)電機(jī)常年不運(yùn)行只做臨時(shí)檢修備用，不能做正常備用，原因是電機(jī)機(jī)座為機(jī)架結(jié)構(gòu)，振動(dòng)無(wú)法消除，表中改造前的振動(dòng)值為北側(cè)電機(jī)數(shù)值，改造后的數(shù)據(jù)可以說(shuō)明振動(dòng)值降低、噪音降低，可以實(shí)現(xiàn)正常使用，啟動(dòng)和運(yùn)行聲音平穩(wěn)且優(yōu)于北側(cè)驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)效率高于改造前，有明顯的節(jié)電效果。表中可知運(yùn)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(dòng)電流與運(yùn)行電流。試驗(yàn)過(guò)程中我們進(jìn)行了空載、滿載啟動(dòng)電流的對(duì)比，改造前的數(shù)據(jù)基本借用北側(cè)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)。空載啟動(dòng)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(jié)能效果，大大降低了啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。滿載情況下啟動(dòng)沖擊電流702A，是額定電流的2.1倍，表現(xiàn)出了優(yōu)良的啟動(dòng)性能。且滿載啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)速度快于液力偶合器。

3.2.3 故障恢復(fù)時(shí)間短。正常投產(chǎn)后的第三天8月2日，110#皮帶因井下出煤量太大造成電機(jī)保護(hù)停機(jī)，停機(jī)2分鐘后直接平穩(wěn)啟動(dòng)，沒有出現(xiàn)停機(jī)攉煤，大大節(jié)約了人力物力的成本（鏈接監(jiān)控記錄）。

3.2.4 延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。由于軟啟動(dòng)性能優(yōu)良，沖擊負(fù)荷小于液力偶合器（電流數(shù)據(jù)可以說(shuō)明）使其對(duì)電機(jī)的保護(hù)、對(duì)皮帶的保護(hù)都具有長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益，皮帶脹力下降15%左右，可以有效延長(zhǎng)皮帶壽命。

3.2.5 節(jié)能方面。運(yùn)行效率提高1.34個(gè)百分點(diǎn)，啟動(dòng)電流下降230～300A，波動(dòng)平均電流下降，三者相加至少節(jié)約1.5個(gè)百分點(diǎn)，全年節(jié)約電費(fèi)相當(dāng)可觀，具有長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益。我們知道動(dòng)壓泄液式限矩型聯(lián)軸器，過(guò)載系數(shù)隨充液量不同（40%～80%）在一定范圍內(nèi)變化，此種聯(lián)軸器雖然傳遞功率范圍較寬，動(dòng)態(tài)反映靈敏，過(guò)載保護(hù)性能可以，但較硬的啟動(dòng)特性和較大的過(guò)載系數(shù)（1.8～3.5倍），使沖擊轉(zhuǎn)矩大，沖擊電流大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也大。同時(shí)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(xiàn)場(chǎng)工人充液操作往往達(dá)不到要求，一般都是經(jīng)驗(yàn)估計(jì)性充液，充液后也不做功率試驗(yàn)，直接投入運(yùn)行，所以額定值不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致傳動(dòng)效率的嚴(yán)重降低。而限矩型永磁聯(lián)軸器不存在這些問(wèn)題，能保證恒定的高效率傳動(dòng)，所以有很可觀的節(jié)能效益，假定輸入功率為160kW*80%=128kW，節(jié)能計(jì)算如下：年節(jié)能=128kW（輸入功率）*16小時(shí)（每天運(yùn)行時(shí)間）*365天*[98.53%（現(xiàn)效率）-90.9%（原效率）]*0.48元/度電=2.7377萬(wàn)元。

3.2.6 維護(hù)拆修方面。磁性聯(lián)軸器無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)磨損、無(wú)油耗、免拆修、沒有維修成本，減少了停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.7 其他方面。表3是電機(jī)負(fù)載率、功率因數(shù)與效率對(duì)應(yīng)表：

表3

負(fù)債率 0 0.25 0.5 0.75 1.00

功率因數(shù) 0.2 0.5 0.77 0.85 0.89

效率 0 0.78 0.85 0.88 0.88

對(duì)于重載皮帶機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備配套的軟啟動(dòng)聯(lián)接裝置，電機(jī)功率配置，參考負(fù)載率為70%～80%的額定負(fù)載是比較合理的，但此種配置采用液力聯(lián)軸器在滿載情況下，往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)軟起，因此往往采用大馬拉小車配置，負(fù)載率一般在50%以下，電機(jī)功率因數(shù)為0.77，電機(jī)效率一般在85%左右。不合理的電機(jī)功率運(yùn)行模式可以通過(guò)安裝限矩型永磁聯(lián)軸器改變。小于50%的負(fù)載率可提高到70%～80%，電機(jī)功率因數(shù)可達(dá)到0.85，效率可達(dá)到88%，具有很好的節(jié)電效益。

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦帶式輸送機(jī)其對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在啟動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程中能最大限度地降低系統(tǒng)的慣性力，并能實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和負(fù)載平衡，將帶式輸送機(jī)的加速、停車和運(yùn)行時(shí)的膠帶張力減到最小。對(duì)于多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)皮帶機(jī)并逐漸加速到滿速度的過(guò)程中，希望這是一個(gè)緩慢而均勻的預(yù)拉伸過(guò)程，避免單電機(jī)出力而發(fā)生故障，所以合理的功率平衡可以有效地延長(zhǎng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件的壽命。

大功率電機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)問(wèn)題一直是困惑用戶的難題，因?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，基本上可以看作是滿載啟動(dòng)，電機(jī)在合閘瞬間，啟動(dòng)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(shè)備短期嚴(yán)重過(guò)載，造成電壓跌落（“黑電”）甚至啟動(dòng)失敗，嚴(yán)重時(shí)還可能燒毀電機(jī)。電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程短的持續(xù)幾秒，長(zhǎng)的達(dá)到幾十秒，電機(jī)線圈嚴(yán)重發(fā)熱，造成電機(jī)線圈提前老化，縮短電機(jī)使用壽命。

電機(jī)系統(tǒng)的故障是又一個(gè)問(wèn)題，主要原因是振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸承、油封等的加速磨損，也會(huì)導(dǎo)致基座、管道接頭、緊固件等松動(dòng)或斷裂或破損，振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。振動(dòng)的產(chǎn)生，主要由于以下因素：（1）電機(jī)與負(fù)載設(shè)備連接時(shí)，軸不同心或有一定角度誤差；（2）減速機(jī)、皮帶機(jī)運(yùn)行發(fā)生的振動(dòng)；（3）機(jī)械設(shè)備的固有頻率的共振等。

限矩型永磁聯(lián)軸器具有帶緩沖的輕載啟動(dòng)功能，降低了對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，減小了皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)的張力。不會(huì)產(chǎn)生漏液現(xiàn)象，不污染環(huán)境。無(wú)軸承，無(wú)磨損件。運(yùn)行中氣隙動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整，尤其對(duì)多機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)可以自動(dòng)平衡各電機(jī)負(fù)荷，適應(yīng)一定的脈動(dòng)負(fù)荷或負(fù)荷不均衡工況。降低啟動(dòng)電流和運(yùn)行電流，節(jié)省配電設(shè)備費(fèi)用。具有帶緩沖的輕載啟動(dòng)功能。具有過(guò)載保護(hù)功能，過(guò)載時(shí)切斷扭矩傳遞，保護(hù)電機(jī)。啟動(dòng)電流降低，對(duì)電機(jī)壽命有利。過(guò)載保護(hù)工作后，停止電機(jī)，限矩型永磁聯(lián)軸器能自動(dòng)復(fù)位，可立即重啟，不影響恢復(fù)生產(chǎn)。正常運(yùn)行時(shí)只需定期進(jìn)行防銹及除塵。適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。溫度、粉塵、泥水均無(wú)影響。軟啟動(dòng)性能優(yōu)于液力耦合器。在煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)上實(shí)現(xiàn)重載軟啟動(dòng)，性能優(yōu)良，安全可靠，具有廣泛的推廣

意義。

限矩型永磁聯(lián)軸器用于重載皮帶輸送機(jī)場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)快速自調(diào)整適應(yīng)軟啟動(dòng)，是一個(gè)很好的選擇，具有液力聯(lián)軸器無(wú)法相比的軟啟動(dòng)特性。不僅啟動(dòng)沖擊電流小，對(duì)電機(jī)有保護(hù)作用，而且可減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，無(wú)需錯(cuò)峰啟動(dòng)。有了該軟啟動(dòng)特性的技術(shù)保證，皮帶機(jī)功率設(shè)計(jì)可按經(jīng)濟(jì)的負(fù)載率設(shè)計(jì)，負(fù)載率、功率因數(shù)及效率可按最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行運(yùn)行，避免大馬拉小車的使用工況，節(jié)能效果比較明顯，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：李綠山（1972-），山西應(yīng)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(qiáng)永磁技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）endprint