礦井帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及系統(tǒng)分析

趙雅風(fēng)

（山西國(guó)辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 陽(yáng)泉045000）

1 概述

我國(guó)西部大型的高產(chǎn)高效礦井對(duì)煤炭的快速運(yùn)轉(zhuǎn)提出了更快、更安全可靠的要求。在煤礦井下煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，帶式輸送機(jī)起著關(guān)鍵作用。隨著煤礦機(jī)電控制技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及系統(tǒng)日益多樣化。設(shè)備智能化、大型化是現(xiàn)階段高產(chǎn)高效礦井對(duì)帶式輸送機(jī)提出的要求，也是帶式輸送機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，我國(guó)煤礦的帶式輸送機(jī)輸送帶寬度已達(dá)1600mm，運(yùn)轉(zhuǎn)速度超過5m／s，每小時(shí)運(yùn)輸煤炭能力已超過3200m3〔1〕。隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力的不斷提高，相配套的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及系統(tǒng)也相應(yīng)發(fā)展，本文針對(duì)目前常見的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及裝置評(píng)價(jià)比較，提出帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

2 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.1 軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)及系統(tǒng)

（1）CST驅(qū)動(dòng)設(shè)備

CST是著名汽車制造公司—道奇公司發(fā)明的新型驅(qū)動(dòng)設(shè)備。CST的工作原理為：在電機(jī)施加負(fù)荷之前對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載驅(qū)動(dòng)，行星齒輪傳動(dòng)的內(nèi)圈安設(shè)有粘液離合器，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)軸并不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電機(jī)逐漸達(dá)到額定功率后，粘液離合器接觸片的間隙寬度由液壓控制，從而CST實(shí)現(xiàn)了方便控制輸出功率及力矩的功能。離合器在控制系統(tǒng)的精確調(diào)控下平穩(wěn)逐級(jí)啟動(dòng)。CST驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有可靠性能高、軟啟動(dòng)控制穩(wěn)定、輸出效率高、占用空間小等特點(diǎn)〔2〕。此外，CST驅(qū)動(dòng)設(shè)備能夠保證多驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)的效能平衡，應(yīng)用技術(shù)較為成熟，也可在高荷載條件下啟動(dòng)。但是，CST驅(qū)動(dòng)設(shè)備價(jià)格較高，并且要求依賴其指定品質(zhì)的油品；進(jìn)口設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，初級(jí)用戶維修維護(hù)較為困難。

（2）雙速電機(jī)啟動(dòng)

雙速電機(jī)啟動(dòng)是一種多級(jí)提高轉(zhuǎn)速的方法。通常情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與極的對(duì)數(shù)成反比例關(guān)系。雙速電機(jī)啟動(dòng)的工作原理為：通過控制電動(dòng)機(jī)內(nèi)定子繞組的極數(shù)目達(dá)到控制轉(zhuǎn)子的角速度；改變定子繞組數(shù)目可采用變更繞組接法，從而可以使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生兩種不同的角速度，即雙速電機(jī)。使用最多的變速比為2∶1，此類電機(jī)稱為倍速電機(jī)。圖1為雙速電機(jī)接觸器控制電路原理圖，時(shí)間、速度及電流原則是繞組數(shù)的自由切換原則。

圖1 雙速電機(jī)接觸器控制電路原理

雙繞組雙速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：可在低速下啟動(dòng)，變速與啟動(dòng)性能好。其缺點(diǎn)為：不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)控能力較差，耗電量較高。

（3）液力耦合器

液力耦合器工作原理為通過液體作為傳力介質(zhì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，因此它也稱為軟啟動(dòng)裝置。通過控制耦合器渦輪間的液體壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的控制。液力耦合器的工作優(yōu)點(diǎn)為：柔性傳力、初級(jí)用戶即可操作、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、抗沖擊荷載與循環(huán)荷載性能好〔3〕。液力耦合器也可用于多電機(jī)啟動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)逐臺(tái)啟動(dòng)，避免電流瞬間過大。但是，它本質(zhì)上屬于機(jī)械調(diào)速裝置，功率損失較高；同時(shí)油壓因外力做功溫度升高，需要大量冷卻水循環(huán)降溫。液壓變速的普遍缺點(diǎn)為速度不太穩(wěn)定、調(diào)速精度較差，且不能在負(fù)載情況下啟動(dòng)電機(jī)。

（4）變頻控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

變頻裝置有“交流電－直流電－交流電”與“交流電－交流電”兩類。圖2為“交流電－直流電－交流電”變頻裝置電路圖。“交流電－直流電－交流電”變頻裝置首先將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡倮媚孀兤鲗⒅绷麟娪洲D(zhuǎn)換為變頻變壓的交流電。“交流電－直流電－交流電”變頻裝置優(yōu)點(diǎn)為功率因數(shù)高、諧波電流小、無需諧波吸收裝置。“交流電－直流電－交流電”變頻裝置啟動(dòng)與制動(dòng)穩(wěn)定性好；調(diào)速頻段廣，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；可在負(fù)載狀況下穩(wěn)定啟動(dòng)。但是其體積較大，需占用較大安置空間〔4〕。“交流電－交流電”變頻裝置能夠?qū)㈩~定頻率恒壓變?yōu)樽冾l變壓，因此功率因數(shù)不高，對(duì)局部網(wǎng)路電流電壓有較大影響。

圖2 “交流電－直流電－交流電”變頻裝置電路

2.2 硬啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

（1）撓性聯(lián)軸器

按照是否安裝傳遞工作負(fù)荷的彈性機(jī)件，撓性聯(lián)軸器可分為非彈性與彈性聯(lián)軸器兩類。相比之下，彈性聯(lián)軸器更具優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)槔脧椥栽尚Ｕa(bǔ)償轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)，減輕機(jī)械振動(dòng)，吸收沖擊能量。彈性聯(lián)軸器采用一體成型設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)無間隙傳遞扭矩，同時(shí)可利用螺旋切槽提高扭矩傳遞的精確性。

（2）剛性聯(lián)軸器

剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器相比，無法校正補(bǔ)償因高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起的轉(zhuǎn)軸的位移或偏差。而這種軸間位移或偏差會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器使用壽命縮短。但剛性聯(lián)軸器具有重量較輕，旋轉(zhuǎn)工作時(shí)的慣性力小，靈敏度高，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)方式

將減速器與電機(jī)一起安置在滾筒內(nèi)腔的驅(qū)動(dòng)裝置稱為電動(dòng)滾筒（見圖3）。相比于常見的“防爆電動(dòng)機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)滾筒分離裝置，電動(dòng)滾筒占用的空間體積更小，結(jié)構(gòu)更加緊密，啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，機(jī)械噪聲較小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是因其受到轉(zhuǎn)速與功率的限制，電動(dòng)滾筒只適用于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離較短的條件。

圖3 電動(dòng)滾筒

3 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)展趨勢(shì)及展望

以沁和能源集團(tuán)有限公司下屬礦井為例，1.4～1.6m帶寬的入倉(cāng)帶式輸送機(jī)通常配置CST驅(qū)動(dòng)裝置與電機(jī)。1.2～1.4m帶寬的帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置通常選擇變頻驅(qū)動(dòng)，這類帶式輸送機(jī)一般用于綜采工作面運(yùn)輸平巷、運(yùn)輸大巷等地點(diǎn)。0.8～1.2m帶寬的帶式輸送機(jī)通常采用液力耦合驅(qū)動(dòng)、彈性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)。大采高工作面的刮板輸送機(jī)一般采用雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)；雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式一般不用于帶式輸送機(jī)。

按照《煤礦安全規(guī)程》第373條的規(guī)定：帶式輸送機(jī)應(yīng)加設(shè)軟啟動(dòng)裝置，因此，剛性聯(lián)軸器已經(jīng)不能滿足于礦井運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)要求。隨著礦井運(yùn)輸連續(xù)化、高產(chǎn)高效對(duì)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)的要求不斷提高，上述的四類軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置中，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有耗電量低、控制穩(wěn)定性好、對(duì)電流網(wǎng)路干擾影響小、可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)功效平衡、功率因數(shù)較高等優(yōu)點(diǎn)，變頻驅(qū)動(dòng)裝置是未來井下大功率、長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于運(yùn)量較小、運(yùn)輸距離較短的帶式輸送機(jī)，電動(dòng)滾筒因其效能匹配最佳、維護(hù)工作簡(jiǎn)便、占用空間較小等優(yōu)點(diǎn)，將逐漸成為短距離運(yùn)輸設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置的首要選擇。

4 結(jié)語

通過對(duì)各類帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)分析，從煤礦井下運(yùn)輸能力、運(yùn)輸距離角度出發(fā)，變頻驅(qū)動(dòng)裝置是未來井下大功率、長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)；電動(dòng)滾筒將逐漸成為短距離運(yùn)量小的帶式輸送機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置的首要選擇。

〔1〕張戰(zhàn)勝.帶式輸送機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)〔J〕.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，（12）：124.

〔2〕劉夫軍.膠帶式輸送機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)淺析〔J〕.煤礦現(xiàn)代化，2014，（2）：97－98.

〔3〕張忠銀，林宏杰.液力禍合器與變頻器調(diào)速比較〔J〕.電氣傳動(dòng)，2009，39（12）：74－76.

〔4〕夏志華，曹麗蘋.變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦輸送機(jī)中的應(yīng)用〔J〕.煤礦機(jī)械，2013，34（4）：235－236.