SGB620-40TT型刮板輸送機永磁耦合器的設計

趙 鑫

（西山煤電（集團）有限責任公司職業病防治所， 山西 太原 030053）

引言

永磁耦合器因具有無機械連接、維修簡便、經濟投入少、運行壽命長、傳動效率高和環境適應力強等優點在煤礦井下被廣泛地應用。用于煤礦生產設備的永磁耦合器要具有可容許的對中誤差上限大、不產生諧波和不會因電壓波動而性能出現變化的特點，同時可用于速度控制、軟啟動和過載保護等[1-2]。刮板輸送機是煤礦生產中重要的運輸設備，常常會因為超載運行或堵轉等導致電機過熱而出現故障，嚴重制約了煤礦企業的生產效率[3]。引入永磁耦合器可以解決刮板輸送機電機過熱的問題。本文以某礦井下使用的SGB620-40TT型雙邊聯式刮板輸送機為例，設計與之配套的礦用永磁耦合器。

1 礦用永磁耦合器的設計要求

滿足煤礦安全規程和相關標準的規定是進行礦用永磁耦合器設計的首要準則。對礦用耦合器進行設計時需考慮到功率傳遞介質的選用、零件材質的選擇和主要結構等，并且設計出的耦合器能與電動機和減速機可靠連接。耦合器的設計要求包括機械和電氣兩個方面的內容，具體內容如下：

1）原動力、傳遞的功率和負載三者必須相互匹配。

2）要求本質安全。永磁耦合器使用中不需要電源，但其核心部件是永磁鐵，由于其粉末屬于可燃物，因此設計時應考慮防爆。

3）設有過熱保護。當耦合器因為刮板輸送機堵轉時其溫度會升高，溫度過高永磁鐵就會失去磁性。因此設置過熱保護裝置，當其表面溫度達到100℃時立即切斷電源，避免耦合器失效。

4）所有傳遞機械荷載的部件尤其是傳動軸必須具有足夠的機械強度。

5）設有防護裝置。

2 耦合器的選型

按磁力驅動器的結構形式可將永磁耦合器分為圓筒式和圓盤式兩種。圓筒式磁力驅動器的整體為套筒式結構，采用圓環形導磁體將瓦形永磁體包裹，利用隔離套將主動、從動轉子隔離開。圓盤式磁力驅動器的整體為盤式構架，采用的導體也是盤狀且與永磁體對齊。采用的永磁體由于是軸向充磁，因此其磁極也為軸向[4]。采用此種設計有利于在不同介質之間傳遞動力，保證兩平面轉子在轉動過程中能產生足夠的軸向磁拉力。由于圓盤式渦流磁力耦合器具有價格合理、安裝簡便、檢修便捷和可提供的轉矩較大等優點，因此目前生產煤礦生產設備的廠家一般采用的是圓盤式渦流磁力耦合器。圓盤式渦流磁力耦合器的兩個轉子之間存在空氣間隙，因而未直接接觸。電機輸入端帶銅盤的鋼架與負載輸入端帶永磁體的鋁盤分布在轉子的兩側。在驅動電機的帶動下，銅盤就會轉動切割永磁體產生的磁感線出現磁感應力，完成電機與負載之間的轉矩傳遞。因此，圓盤式渦流磁力耦合器具有如下特點：對中精度要求低，可以出現少許的軸向或徑向的偏離；傳動部件未直接接觸，避免振動的產生；電機可以進行軟啟動與軟停止，有效避免電機出現過載。

3 永磁耦合器的設計

3.1 轉矩的選定

SGB620-40TT型雙邊聯式刮板輸送機配備的電動機型號為YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動機。如下頁表1所示，為YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動機的性能表。堵轉轉矩Ts=K1·Te=2.5×250=625 N·m。

刮板輸送機運輸系統主要包括電動機、刮板輸送機和永磁耦合器三部分。要求三者在轉矩方面的關系為：刮板輸送機帶載啟動時的負載轉矩＜永磁耦合器的輸出轉矩＜電動機輸出的轉矩。考慮在實際使用中會有其他因素的影響，因此需留一定的余量，取永磁耦合器的最小轉矩為電機負載轉矩（此處取額定轉矩）的1.2倍，則永磁耦合器的最小轉矩Tc，min=1.2×250=300 N·m。

表1 YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動機性能表

當刮板輸送機出現卡煤事故或過載時，電機可能會出現堵轉現象，為保護電機，因此永磁耦合可提供的最大輸出轉矩必須低于電動機的最大轉矩，取永磁耦合器的最大轉矩為電機負載轉矩（此處取最大轉矩）的0.8倍，則永磁耦合器的最大轉矩Tc，max=0.8×575=460 N·m。

因此，永磁耦合器可提供的轉矩為300～460N·m。

3.2 永磁體的選取

考慮到煤礦井下的實際工作環境，要求永磁耦合器采用的永磁材料必須具有高剩磁、大矯頑力和最大磁能積高等優點。常用的永磁材料有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼。其中釹鐵硼材料的永磁體適用于溫差較大的井下環境。如表2所示，為采用的N45SH型釹鐵硼永磁體的相關性能。

表2 N45SH型釹鐵硼永磁體的相關性能表

3.3 永磁耦合器的結構參數

永磁耦合器主要部件包括銅盤、前后端蓋、永磁體和永磁體盤（鋁盤）等。如表3所示，為綜合考慮永磁耦合器與電動機、刮板輸送機匹配和相關規定設計而成的永磁耦合器主要部件的尺寸及材質。

表3 永磁耦合器主要部件的尺寸及材質

4 過載保護設計

為保證刮板輸送機因煤塊等卡住時電機不會因為過載而損壞，因此將永磁耦合器的最大輸出轉矩適當縮小，以低于電動機的過載允許值。同時調整永磁耦合器的堵轉轉矩，使其略大于電動機的額定轉矩，保證刮板輸送機在堵轉時也能在特性曲線的穩定區間運轉，避免輸出功率大于允許值。

如果過載或堵轉不能及時處理，永磁耦合器的溫度會持續上升。為避免永磁耦合器故障，在電動機與減速器之間的聯結罩上設置一個礦用紅外溫度傳感器，并且溫度傳感器與刮板輸送機的開關通過PLC控制模塊連接。依靠溫度傳感器監控永磁耦合器的溫度，當永磁耦合器表面的溫度達到100℃時，PLC就會切斷刮板輸送機的電源，電動機就會停止運轉而避免電動機過載和永磁耦合器過熱。

5 傳動軸的強度校核

在實際使用中，永磁耦合器的軸只傳遞扭矩而不承受彎矩，因此其屬于傳動軸。實心軸的扭轉強度必須滿足以下公式：

式中：σw為扭轉切應力，MPa；T為傳動軸承受的扭矩，N·mm；Kt為傳動軸抗扭截面系數，mm3；P為傳動軸傳遞的功率，取40 kW；n為轉速，取1500 r/min；d為傳動軸的直徑，取55mm；[σw]為傳動軸的許用扭轉切應力，取30 MPa。經過計算，在刮板輸送機工作時永磁耦合器傳動軸的扭轉切應力σw=7.81 MPa＜30 MPa。因此，設計永磁耦合器的傳動軸符合使用要求。

6 結語

將設計的永磁耦合器投入生產使用，在半年的工業試驗期間，未出現刮板輸送機因過載或堵轉而出現電機故障。因此，對刮板輸送機加裝永磁耦合器可以有效提高管板輸送機的可靠性，為煤礦的持續高效生產提供保障，且為其他礦用設備的永磁耦合器的設計提供了參考。