雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器功率循環(huán)問題研究

馬朝鮮+程永龍+王守習(xí)+唐冬冬+周雄

摘要：針對(duì)雙電機(jī)攪拌機(jī)存在的功率循環(huán)造成能源的浪費(fèi)，而且影響電機(jī)使用壽命的問題，通過對(duì)循環(huán)功率的產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素進(jìn)行分析與研究，得出循環(huán)功率與設(shè)備參數(shù)及使用參數(shù)之間的關(guān)系，提出盡量采用單電機(jī)或高精度雙電機(jī)的解決思路，還對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制提出建議，對(duì)攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)與使用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：攪拌設(shè)備；雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)；攪拌器；功率循環(huán)

中圖分類號(hào)：U415.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Given that the power cycling of agitator driven by dualmotor causes waste of energy and affects the service life of the motors， the generation mechanism and influential factors of power cycling were studied. The relationship between the power and parameters of the apparatus and operation was obtained， and suggestion that single motor and dualmotor with high precision should be used was made. Suggestions on the operation control of motors provide reference for the design and using of mixing plants.

Key words： mixing plant； dualmotor drive； agitator； power cycling

0引言

攪拌器是強(qiáng)制間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備的重要組成部分，其功能是將粗細(xì)集料、礦粉和瀝青按照一定配合比攪拌制成均勻的混合料[1]。攪拌器從結(jié)構(gòu)上可分為單臥軸和雙臥軸2種形式，雙臥軸攪拌器因攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、能耗低而被廣泛應(yīng)用[2]。為了提高雙臥軸攪拌器的性能，一些專家從混凝土攪拌理論、攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及攪拌低效區(qū)等方面進(jìn)行了的研究[35]。本文針對(duì)雙臥軸攪拌器存在的功率循環(huán)問題進(jìn)行研究，對(duì)循環(huán)功率的產(chǎn)生機(jī)理及其影響因素進(jìn)行分析，得出了循環(huán)功率與設(shè)備參數(shù)及使用參數(shù)之間的關(guān)系，并提出解決措施。

1功率循環(huán)產(chǎn)生機(jī)理

雙臥軸攪拌器的攪拌軸采用單電機(jī)或雙電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)采用雙電機(jī)時(shí)，為了保證攪拌軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在2軸之間設(shè)置了同步機(jī)構(gòu)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器是通過2個(gè)電機(jī)分別提供扭矩，電機(jī)輸出端通過皮帶或者鏈條等裝置連接減速機(jī)構(gòu)，通過減速機(jī)構(gòu)將扭矩輸出給攪拌軸。對(duì)于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的攪拌器，同步器輸入端轉(zhuǎn)速為電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)皮帶輪或鏈輪減速后的轉(zhuǎn)速，當(dāng)雙電機(jī)對(duì)同步機(jī)構(gòu)輸入端的轉(zhuǎn)速不同時(shí)會(huì)造成拖轉(zhuǎn)現(xiàn)象，形成功率循環(huán)，產(chǎn)生寄生功率，增加功率損失[6]。

將雙臥軸攪拌器2個(gè)攪拌軸對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)為n1、n2。由電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成電流。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n0存在式（1）所示關(guān)系

[7]

n=（1-s）n0（1）

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率；n0為同步轉(zhuǎn)速。

同步轉(zhuǎn)速是電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，其大小取決于電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電源頻率f和繞組的磁極對(duì)數(shù)p，計(jì)算方法如下

對(duì)于雙臥軸攪拌器的電動(dòng)機(jī)而言，由于它們磁極對(duì)數(shù)相同，工作電源頻率也一樣，因此2個(gè)電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速相同。但是，由于電機(jī)在加工制造和使用過程中不可避免地存在差異，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s不同，造成2個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速存在差異。另外，由于皮帶輪的加工精度差異及使用過程中的磨損，也會(huì)造成減速比不同，導(dǎo)致同步器輸入端的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差異。上述原因造成攪拌器運(yùn)行過程中同步器輸入端轉(zhuǎn)速較快的電機(jī)通過同步器拖著轉(zhuǎn)速較慢電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，因此產(chǎn)生功率循環(huán)，并形成寄生功率。

2影響循環(huán)功率的因素

2.1電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響因素

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)差率的影響，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率是指同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差再與同步轉(zhuǎn)速的比值，轉(zhuǎn)差的存在是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)。根據(jù)電機(jī)的功率平衡理論，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s滿足下式關(guān)系

式中：pCu2為轉(zhuǎn)子銅損耗；Pem為電磁功率。

電磁功率是指通過氣隙的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并應(yīng)用電磁感應(yīng)作用傳遞到轉(zhuǎn)子的功率，根據(jù)等效電路，可知

Pem=m1E′2I′2cos φ2（4）

式中：m1為定子繞組的相數(shù)；E′2為轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)的折算值；I′2為轉(zhuǎn)子電流；cos φ2為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。

轉(zhuǎn)子電流通過轉(zhuǎn)子繞組時(shí)產(chǎn)生的銅損耗

pCu2=m1I′22r′2（5）

式中：r′2為轉(zhuǎn)子的等效電阻。

因此由式（3）～（5）可得轉(zhuǎn)差率與各參數(shù)之間的關(guān)系為

由式（6）可以看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率主要受轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子等效電阻、轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)及功率因數(shù)等幾個(gè)因素的影響。給定1臺(tái)成型電動(dòng)機(jī)，在結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，轉(zhuǎn)子的電阻、電動(dòng)勢(shì)及功率因數(shù)的變化極其微小，基本可認(rèn)為是定值，因此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率主要是受轉(zhuǎn)子電流的影響。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作特性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流與電機(jī)負(fù)載有很大關(guān)系。當(dāng)負(fù)載為零時(shí)，轉(zhuǎn)子電流很小，近似等于零，這時(shí)轉(zhuǎn)差率也近似為零；隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)子電流逐漸增大，轉(zhuǎn)差率也隨之增大，得到轉(zhuǎn)差率特性曲線是一條從零開始向上的曲線。又因n=（1-s）n0，隨著負(fù)載F的增加，轉(zhuǎn)速特性n=h（F）是由n（F=0）處開始向下傾的曲線。

因此，在2臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步時(shí)，轉(zhuǎn)速較大的電機(jī)將通過同步器拖著轉(zhuǎn)速較小的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)功率較大；隨著負(fù)載增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，2臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差減小，循環(huán)功率減小。

2.2傳動(dòng)系統(tǒng)減速比的影響

雙臥軸攪拌器驅(qū)動(dòng)電機(jī)到同步器之間通過皮帶或者齒輪等幾種形式傳遞動(dòng)力。皮帶傳動(dòng)既可以傳力，又可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛使用[8]。但是皮帶傳動(dòng)是1種撓性傳動(dòng)，減速比變化時(shí)則會(huì)造成輸出端轉(zhuǎn)速變化，加劇功率循環(huán)。

在工作時(shí)，帶傳動(dòng)的皮帶以一定的初拉力拉緊在帶輪上，皮帶與帶輪間的靜摩擦力作用使皮帶一邊拉緊，一邊松弛。為保證皮帶正常工作，初拉力必須大于最小初拉力，否則皮帶將出現(xiàn)整體打滑的現(xiàn)象，造成傳動(dòng)失效。皮帶傳動(dòng)中使用的傳動(dòng)帶為彈性體，受拉力時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形。由于皮帶緊邊與松邊拉力大小不等，皮帶的彈性變形量也不同，

因此皮帶與帶輪之間必然存在彈性滑動(dòng)，相對(duì)變形量可用滑動(dòng)率ε來(lái)評(píng)價(jià)，出現(xiàn)彈性滑動(dòng)后帶傳動(dòng)的減速比i為

式中：dd1為主動(dòng)輪的公稱直徑；dd2為從動(dòng)輪的公稱直徑。

滑動(dòng)率的大小受負(fù)載、皮帶初拉力、主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速等因素影響[9]，負(fù)載越小、帶的初拉力越大、主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速越低，帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)率就越小，相應(yīng)的減速比越大。此外，皮帶輪加工精度對(duì)減速比也有影響，加工精度越高，兩邊減速比差異越小，越有利于減小同步器輸入端轉(zhuǎn)速差。

與帶傳動(dòng)相比，鏈條傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，在輸出較大扭矩的同時(shí)能夠保持精確的減速比。但這2種方式在工作時(shí)有噪聲，且不能起到過載保護(hù)作用，必須配裝專門的過載保護(hù)裝置，防止出現(xiàn)超載或者卡料時(shí)損壞設(shè)備。

3結(jié)語(yǔ)

（1） 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器電機(jī)轉(zhuǎn)差率受生產(chǎn)加工及使用情況等諸多因素影響，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速難以絕對(duì)同步，易造成功率循環(huán)，這不僅浪費(fèi)能源，而且會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，造成損傷。因此在滿足攪拌器功率的前提下，應(yīng)盡量采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)功率較大，需要采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)選擇2臺(tái)制造精度較高的電機(jī)，且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)盡量采用鏈傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)的形式。

（2） 循環(huán)功率系數(shù)與負(fù)載有關(guān)，空載時(shí)，攪拌器同步器輸入端轉(zhuǎn)速差最大，隨著負(fù)載的逐漸增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速差減少，循環(huán)功率降低，電動(dòng)機(jī)功率利用率提高。因此，使用時(shí)應(yīng)盡量縮短設(shè)備在空載狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]田奇.混凝土攪拌樓及瀝青混凝土攪拌站[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005.4：5051.

[3]趙利軍.雙臥軸攪拌設(shè)機(jī)參數(shù)優(yōu)化及其試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2002：1425.

[4]趙利軍，趙航，馮忠緒.強(qiáng)制式攪拌低效區(qū)現(xiàn)象的探討[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004，11：1820.

[5]姚懷新，陳波.工程機(jī)械底盤及其液壓傳動(dòng)理論：工程機(jī)械底盤理論[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]曾令全.電機(jī)學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[7]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第8版.北京：高等教育出版社，2006.

[8]王旭東，熊平原.影響摩擦帶傳動(dòng)彈性滑動(dòng)率因素的正交試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2010，3：45.

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