膠帶機(jī)啟動(dòng)方式比較分析

摘 要：膠帶機(jī)的啟動(dòng)方式對(duì)膠帶機(jī)會(huì)產(chǎn)生多方面的影響，通過(guò)啟動(dòng)方式的選擇可以提高工作效率，降低運(yùn)行成本，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。膠帶機(jī)啟動(dòng)方式的對(duì)比分析，主要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面上來(lái)取舍，本文結(jié)合膠帶機(jī)所采用的不同啟動(dòng)方式，對(duì)目前神東煤炭集團(tuán)使用較多的液力偶合器、變頻調(diào)速裝置及可控起動(dòng)傳動(dòng)裝置CST這三種啟動(dòng)方式進(jìn)行了比較，并根據(jù)比較結(jié)果和實(shí)際的應(yīng)用情況給出了合理化建議，以供相關(guān)研究、設(shè)計(jì)及使用單位參考，并作共同探討。

關(guān)鍵詞：膠帶機(jī)；啟動(dòng)方式；比較分析；變頻；CST；液力偶合器

膠帶機(jī)是現(xiàn)代化煤礦及配套設(shè)施高產(chǎn)高效的主要運(yùn)輸設(shè)備，膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式多種多樣，啟動(dòng)方式對(duì)于膠帶機(jī)的影響非常明顯，其基本要求是：控制簡(jiǎn)單，工作安全可靠，維護(hù)量小；啟動(dòng)平穩(wěn)可靠，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速性能好；節(jié)能且價(jià)格適中。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)我們可以知道，恰當(dāng)?shù)膯?dòng)方式既可以減少或者避免膠帶機(jī)故障的發(fā)生，還可以有效降低膠帶機(jī)設(shè)備的初裝費(fèi)用和維修費(fèi)用，大大提高經(jīng)濟(jì)效益。相反，如果膠帶機(jī)的啟動(dòng)方式不當(dāng)，不僅會(huì)影響膠帶機(jī)的使用，還會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。下面對(duì)目前神東煤炭集團(tuán)使用較多的幾種膠帶機(jī)啟動(dòng)方式進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析比較。

1、液力偶合器

1.1限矩型液力偶合器的工作原理

限矩型液力偶合器是通過(guò)控制工作腔內(nèi)工作流液量，來(lái)傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動(dòng)機(jī)通過(guò)液力偶合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力偶合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載，這樣可以通過(guò)控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來(lái)控制輸出軸的力矩，達(dá)到控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速的目地。因此液力偶合器可以通過(guò)改變液力偶合器內(nèi)工作腔中流液量，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)與軟啟動(dòng)。當(dāng)帶式輸送機(jī)單元驅(qū)動(dòng)功率較小， 該裝置是軟啟動(dòng)的最佳選擇。

1.2 限矩型液力偶合器的主要特點(diǎn)

限矩型液力偶合器具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：可以提高電機(jī)的起動(dòng)性能，降低起動(dòng)電流、縮短起動(dòng)時(shí)間；過(guò)載保護(hù)，當(dāng)負(fù)荷過(guò)載時(shí)能保護(hù)電機(jī)不會(huì)因悶車(chē)而燒毀；降低裝機(jī)容量，能充分利用電機(jī)的最大扭矩來(lái)起動(dòng)大慣量工作機(jī)；可以吸收和隔離動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)的扭振，緩和沖擊保護(hù)設(shè)備和傳動(dòng)部件，有效防止機(jī)械磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；在多機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，能自動(dòng)調(diào)節(jié)各原動(dòng)機(jī)的負(fù)荷均勻分配，便于多機(jī)啟動(dòng)減小啟動(dòng)電流；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，無(wú)機(jī)械磨損，無(wú)需特殊維護(hù)。

限矩型液力偶合器的主要缺點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)電流仍比較大；其內(nèi)部液壓控制系統(tǒng)復(fù)雜；制造和維護(hù)成本比較高。

1.3調(diào)速型液力偶合器的工作原理

調(diào)速型液力偶合器主要工作原理為：調(diào)速型液力偶合器是以液體為介質(zhì)傳遞動(dòng)力并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的液力傳動(dòng)裝置，液力偶合器主要由與輸入軸相聯(lián)的泵輪，與輸出軸聯(lián)接的渦輪以及把渦輪包容在其中的轉(zhuǎn)動(dòng)外殼組成。在調(diào)速型液力偶合器密封的空腔中充滿(mǎn)工作油，泵輪和渦輪對(duì)稱(chēng)布置，它們的流道幾何形狀相同。工作輪葉片為經(jīng)向布置的直葉片，當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作油在泵輪葉片的作用下由葉片內(nèi)側(cè)向外緣流動(dòng)，形成離心水泵出口處的高速高壓液流，該液流進(jìn)入渦輪，沖擊渦輪葉片，帶動(dòng)渦輪與泵輪同向旋轉(zhuǎn)，工作油在渦輪中由外緣向內(nèi)側(cè)流動(dòng)過(guò)程中減速減壓，然后再流回泵輪進(jìn)口，這里傳遞能量的介質(zhì)是工作油，泵輪的作用就是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能傳給被驅(qū)動(dòng)機(jī)械。

1.4調(diào)速型液力偶合器的主要特點(diǎn)

調(diào)速型液力偶合器具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：可以在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)被驅(qū)動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)速；確保輸送機(jī)起動(dòng)加速速度值在0. 1～0. 3m/s2 范圍內(nèi)，使輸送帶起動(dòng)張力控制在允許范圍；調(diào)速型液力偶合器能使電機(jī)空載啟動(dòng)，不必選擇過(guò)大功率余量能力的電動(dòng)機(jī)等原動(dòng)機(jī)，并且可以減少電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)；調(diào)速型液力偶合器具有過(guò)載保護(hù)的性能；隔離振動(dòng)，減緩沖擊；調(diào)速型液力偶合器的傳動(dòng)部件間無(wú)直接機(jī)械接觸、使用壽命長(zhǎng)；調(diào)速型液力偶合器在額定負(fù)載下有較高的傳動(dòng)效率；調(diào)速型液力偶合器具有液力控制調(diào)速裝置和兩個(gè)半軸，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)操作。

調(diào)速型液力偶合器的主要缺點(diǎn)：軟啟動(dòng)性能較液粘方式稍差；有滑差，效率損失2 %左右；體積較大，發(fā)熱量大；調(diào)速精度和傳動(dòng)效率不及變頻調(diào)速和CST ，而且電機(jī)啟動(dòng)電流仍然較大；單機(jī)功率較大時(shí)，工作性能仍然不能滿(mǎn)足輸送機(jī)工況要求。

2、變頻調(diào)速裝置

2.1 變頻調(diào)速裝置工作原理：

該裝置主要由功率器件—IGBT 絕緣柵極可控制晶體管、控制器與電抗器組成。其工作原理是：交流電通過(guò)外部的接觸器進(jìn)入整流單元進(jìn)行整流，然后經(jīng)過(guò)濾波電容進(jìn)入功率模塊的輸入端，通過(guò)控制器來(lái)調(diào)節(jié)功率器件中的絕緣柵極， 使直流重新逆變?yōu)檫m當(dāng)頻率、相位和電壓的交流電供給電動(dòng)機(jī)， 通過(guò)改變輸入電源的頻率來(lái)改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。只要控制頻率變化范圍和時(shí)間，就可使輸送機(jī)按照設(shè)定的速度曲線(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。采用變頻調(diào)速時(shí)，起動(dòng)的全過(guò)程可控，起動(dòng)點(diǎn)和爬坡時(shí)間可設(shè)置。并且在皮帶機(jī)不滿(mǎn)載的時(shí)候可以降速運(yùn)行，還可以達(dá)到節(jié)能的目的。缺點(diǎn)為使用變頻器的投資成高于其它起動(dòng)方式的設(shè)備投資。

在多臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)的情況下，變頻器的使用就可以由主控制器給定信號(hào)，主驅(qū)動(dòng)接受為反饋信號(hào)。主傳動(dòng)速度輸出將跟隨給定曲線(xiàn)上升，主傳動(dòng)輸出電流控制信號(hào)給從驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)和功率平衡。可延長(zhǎng)輸送機(jī)的壽命并增加輸送系統(tǒng)的安全可靠性。

2.2 變頻調(diào)速裝置的特點(diǎn)

變頻調(diào)速裝置的主要優(yōu)點(diǎn)：軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)性能良好；不存在漏油的問(wèn)題；可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的功率平衡；可以變速運(yùn)行，調(diào)速范圍大、精度高。

變頻調(diào)速裝置的的主要缺點(diǎn)：控制復(fù)雜，對(duì)使用維護(hù)、環(huán)境溫度及清潔要求高；對(duì)電源頻率有一定的污染；在礦井下使用時(shí)，散熱問(wèn)題較難解決；價(jià)格也比較貴。

3. CST（Controlled Start Transmission） 可控起動(dòng)傳動(dòng)裝置

該系統(tǒng)是由美國(guó)道奇公司研制開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)為大型帶式輸送機(jī)配套的帶有電液反饋控制及齒輪減速器、在低速軸端裝有線(xiàn)性、濕性離合器的機(jī)電一體化軟啟動(dòng)系統(tǒng)。可用于大慣性負(fù)載平滑啟動(dòng)。

3.1 CST工作原理

CST的主要結(jié)構(gòu)包括減速齒輪箱、滑油冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和基于可編程控制器（PLc）的控制裝置。該裝置通過(guò)比例閥及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)與功率平衡，是集減速、離合、調(diào)速于一體的傳動(dòng)裝置。該系統(tǒng)主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、風(fēng)冷熱交換器、油泵系統(tǒng)及冷卻控制系統(tǒng)等五部分組成。在傳動(dòng)穩(wěn)定階段，CST 與液力偶合器不同，CST 的反應(yīng)盤(pán)像液壓制動(dòng)器一樣安全鎖住，不會(huì)產(chǎn)生滑差，沒(méi)有效率損失。CST 是唯一能保證在緊急停車(chē)或突然斷電時(shí)提供可控停車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。基于PLc的控制系統(tǒng)可對(duì)每臺(tái)CST裝置進(jìn)行監(jiān)視、控制和操作，并提供用戶(hù)接口。CST可在起動(dòng)過(guò)程加速階段降低張力作用對(duì)皮帶機(jī)帶來(lái)不利影響，通過(guò)控制起動(dòng)上升曲線(xiàn)，可減小皮帶機(jī)空載或滿(mǎn)載起動(dòng)時(shí)帶來(lái)的瞬時(shí)尖峰張力，從而得到一個(gè)滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)結(jié)果。在一些超長(zhǎng)的帶式輸送機(jī)應(yīng)用中，通過(guò)在上升曲線(xiàn)中增加一段緩沖特性束提升起動(dòng)性能。緩沖特性確保皮帶機(jī)在起動(dòng)初始階段逐漸的張緊。皮帶機(jī)各部分單元在正常加速之前處于低速低起動(dòng)力矩的運(yùn)行狀態(tài)，這降低了皮帶機(jī)的應(yīng)力作用。

3.2、CST主要特點(diǎn)

CST 具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：主電機(jī)可以在空載狀態(tài)起動(dòng)，從而減小了起動(dòng)沖擊電流并縮短了起動(dòng)時(shí)間，同時(shí)允許操作員更靈活的對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行起停操作，而無(wú)需反復(fù)起停主電機(jī)；另一方面，也提高了CST控制的可操作性，這意味著多驅(qū)動(dòng)并行系統(tǒng)中，在不影響其它CST正常運(yùn)行的情況下可臨時(shí)離線(xiàn)處理（停止）某臺(tái)CST的運(yùn)行；CST實(shí)現(xiàn)功率平穩(wěn)，平衡精度±2 % ，反應(yīng)時(shí)間50～100ms ； CST保護(hù)功能齊全；能提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，可達(dá)99 %；可降低膠帶的安全系數(shù)，且安全度不變；由于離合片之間的流動(dòng)為層流流動(dòng)，粘制力和離合器片間的距離關(guān)系為線(xiàn)性關(guān)系，故可精確控制輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可調(diào)帶速為10 %～99 %。

CST 的主要缺點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)與減速器合為一體，體積大，安裝不方便；控制系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)量較大； 油路復(fù)雜，冷卻慢，出現(xiàn)故障難以查找；高速軸上配置逆止器和制動(dòng)器較困難；價(jià)格昂貴，備品備件要進(jìn)口。

4、三種啟動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)分析

結(jié)合煤礦的實(shí)際情況來(lái)看，在綜合對(duì)液力偶合器、變頻器及CST這三種啟動(dòng)方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，一般來(lái)說(shuō)單臺(tái)電機(jī)設(shè)備功率較大的膠帶機(jī)選配偶合器驅(qū)動(dòng)的總價(jià)高于選配變頻器驅(qū)動(dòng)、CST驅(qū)動(dòng)的總價(jià)，而單臺(tái)電機(jī)設(shè)備功率較小的膠帶機(jī)選配液力偶合器驅(qū)動(dòng)的總價(jià)低于選配變頻器驅(qū)動(dòng)、CST驅(qū)動(dòng)的總價(jià)。從經(jīng)濟(jì)層面上來(lái)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，單臺(tái)電機(jī)設(shè)備功率較小的膠帶機(jī)應(yīng)采用液力偶合器直接啟動(dòng)，但變頻器在一年之中故障出現(xiàn)很少且基本免維護(hù)，而CST在維護(hù)費(fèi)用上花費(fèi)較大，具體包括，更換工作油和濾網(wǎng)，且CST用油較貴。CST運(yùn)行的若干年中，整體養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高，若出現(xiàn)了離合器片損壞，實(shí)際的維修費(fèi)用更高。同時(shí)變頻驅(qū)動(dòng)裝置在初裝費(fèi)用上也要比CST驅(qū)動(dòng)少，從液力偶合器、變頻器及CST這三種啟動(dòng)方式的綜合分析上來(lái)看，單臺(tái)電機(jī)設(shè)備功率較大膠帶機(jī)采用變頻器啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)效果要更為優(yōu)秀，更能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，功率較小的膠帶機(jī)采用液力偶合器直接啟動(dòng)，較為合理。

5、使用情況及建議

本文綜合分析對(duì)比了液力偶合器、變頻調(diào)速裝置及CST這三種膠帶機(jī)啟動(dòng)方式特點(diǎn)，并根據(jù)綜合分析后的結(jié)果對(duì)三種啟動(dòng)方式的應(yīng)用提出了建議，以供相關(guān)單位參考。啟動(dòng)方式對(duì)于膠帶機(jī)的影響非常關(guān)鍵，相信通過(guò)合理的啟動(dòng)方式的選取，可以讓膠帶機(jī)發(fā)揮更大的工作效率，從另一個(gè)側(cè)面為企業(yè)帶來(lái)更大的效益。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，考慮啟動(dòng)性好、操作方便、價(jià)格便宜、可靠運(yùn)行的諸多因素，綜合選擇合適的啟動(dòng)裝置，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)電目標(biāo)。

軟啟動(dòng)裝置多種多樣，在當(dāng)前膠帶輸送機(jī)上應(yīng)用，因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)功率大，應(yīng)優(yōu)先考慮使用帶變頻技術(shù)的軟啟動(dòng)裝置，一方面能節(jié)約用電；另一方面能減少對(duì)周?chē)姎庠O(shè)備的影響，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、安全運(yùn)行；再者，應(yīng)用該軟啟動(dòng)裝置也是順應(yīng)煤礦電氣控制技術(shù)發(fā)展的方向，也更能適應(yīng)神東煤炭集團(tuán)數(shù)字化礦上建設(shè)。

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作者簡(jiǎn)介：陳禎（1986-4-15），民族：漢，性別：男，籍貫：河北省張家口市，

工作單位：鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司，學(xué)歷：本科，職稱(chēng)：助理工程師，研究方向：煤礦及選煤廠(chǎng)機(jī)械相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作。