永磁電滾筒直驅皮帶運輸機驅動架設計與應用*

丁愛國，趙 奇，張 濤

(1.大同煤礦集團朔州煤電機電裝備制造有限公司，山西 朔州 036000；2.大同煤礦集團朔州煤電小峪煤業有限公司，山西 朔州 036000；3.大同煤礦集團朔州煤電機電裝備制造有限公司，山西 朔州 036000)

0 引 言

目前，煤礦傳統皮帶運輸巷采用三相異步電動機+聯軸器+減速機驅動系統，這樣傳統皮帶機電機通過減速機傳動給滾筒的模式用于力矩傳輸,使用減速機和對輪力矩在傳遞過程中損失約為 10%～15%，且起動轉矩通常是額定轉矩的55%，而采用一體永磁電滾筒可以將傳遞過程的損失降為0，且啟動轉矩是額定轉矩的220% ,當工況需要滿載或過載啟動時,無需人工卸載即可直接啟動,從而避免了因堵轉、過載造成的電機損壞，提高傳動效率，達到節能目的。筆者通過對永磁滾筒電機進行選型、驅動架設計，得出了驅動布置方式為三驅動、驅動架采用兩個倒L型結構形式，達到了皮帶運輸機能夠安全高效運行的目的，解決了原來驅動部采用電機、液力耦合器、減速機的低效率驅動方式，設備穩裝占用空間大等問題。

1 永磁電滾筒在皮帶運輸機上的選型計算方法

驅動部是皮帶運輸機的關鍵部位，肩負著能否拉出煤的重任，因此，對驅動部的選型計算顯得尤為重要，為了提高傳動效率、節能環保、維護成本低以及減少穩裝占用空間，因此本文驅動部選用永磁電滾筒。

1.1 某礦原始參數

(1) 輸送物料：煤

(2) 物料特性：①塊度：0～300 mm；②散裝密度：ρ=0.85 t/m3；③在輸送帶上堆積角：ρ=35°；④物料溫度：小于50 ℃。

(3)工作環境：井下

(4)輸送系統及相關尺寸：①運距：L=1 900 m；②傾斜角：β=0.1°；③最大運量：Q=2 000 t/h。

初步確定輸送機布置形式為多個滾筒驅動，如圖1所示。

圖1 傳動系統圖1,2,3.驅動滾筒

1.2 永磁滾筒直驅電機選型方法

永磁滾筒直驅電機在皮帶機帶寬、帶速選擇上與普通電機方法一致，此處不再論述。經計算皮帶機最大帶速為4 m/s，帶寬為1.2 m。

傳動滾筒上所需圓周驅動力為：Fu=158 720 N。

1.2.1 傳動功率計算

傳動滾筒軸功率PA：

(1)

電動機功率PM：

(2)

式中：η為傳動效率，一般在0.85～0.95之間選取；永磁滾筒電機功率因數可達0.95，且沒有聯軸器、減速器等其他機械結構，所以η1、η2都為1，這是與異步電機的計算的主要區別。η1為聯軸器效率，按1計算。η2為減速器傳動效率，按每級齒輪傳動效率，按1計算。η′為電壓降系數，一般取0.90～0.95。η″為多電機功率不平衡系數，一般取0.90～0.95，單驅動時，η″=1。

根據計算出的PM值，選定電動機功率。選電動機型號為額定功率P=315 kW，數量3臺。若按異步電機結構方式計算，功率至少在1 000 kW，可見永磁滾筒電機效率明顯高于普通電機。

2 永磁滾筒電機驅動架設計

目前煤礦井下可伸縮皮帶驅動機架設計形式主要有三角架、倒T型架，L型架。三角架結構穩固，但是傾斜安裝，因永磁滾筒接線腔的特殊結構，導致永磁滾筒電機接線喇叭嘴也傾斜放置。倒T型架適用于L型瓦座的滾筒，不適合永磁滾筒電機。L型結構利于滾筒高低調節，易于和后面驅動統一，為此設計選用L型結構。

3 驅動部設計計算

針對永磁滾筒電機的特性和多驅動布置分析，最終設計為兩個倒L型驅動架結構形式，前部安裝兩個永磁滾筒電機，后部安裝一部永磁滾筒電機和一個改向滾筒。驅動架以16 mm和20 mm厚的Q235鋼板焊接，通過螺栓連接在底座上，以此為模型進行力學分析。

驅動架主要受到瓦座螺栓預緊力、永磁滾筒電機瓦座對驅動架產生的摩擦力,所有瓦座接觸面的摩擦力等于永磁滾筒電機的重力(32 500 N)、皮帶對滾筒張緊力從而對驅動架產生的壓力、底部螺栓拉力。其中皮帶最大張緊力為30 kN，則一個永磁電機滾筒瓦座對驅動架的壓力為60 kN，單個瓦座受力為30 kN，如圖2所示。

圖2 驅動架受力分析

4 驅動架連接計算

驅動架與底座以3組6顆M26螺栓連接計算，對稱分布。當皮帶產生張力時，驅動架受螺栓拉力，地面阻轉力F產生的載荷Q,等效力矩為L。設O點為支點，螺栓拉力距離O點為作用距離L3，則因皮帶張力兩永磁滾筒產生的壓力力矩分別是L1、L2。兩滾筒中心線距離差可達1 m，計算時按最大力矩差驗算。地面對驅動架合力方向向上：L3=450 mm，L3a=400 mm。

皮帶未張緊時受力：

F支持力+2f+G=0

當受皮帶張力時：

F1+F2+F3+F+F支持力+2f+G=0

F1+F2=0,F+F3=0

F1×L1+F2×L2+F3×L3a+M=0

單個螺栓拉力為：

F3×L3a×2+M=F1×(L2-L1)

F3=480 000 N

M26 8.8級的高強度螺栓(抗拉強度800 MPa)。所以3組6顆M26螺栓滿足使用要求，但為增加安全系數，設計以5組10顆M26螺栓連接，可獲得更大的安全系數。

5 驅動架數值模擬分析及再優化設計

對驅動架進行受力分析，因底座螺栓連接，為簡化模型，將底座設為固定體，按受力簡圖，建立模型，在ANSYS計算軟件中按條件添加約束，進行有限元網格劃分和計算，計算應力和形變。由有限元計算可見最大應力處為125.27 MPa，在瓦架座鋼板邊緣處，如圖3所示。Q235需用應力170 MPa，可以滿足使用。為了更加減小應力，我們重新設計筋板位置，以達到結構的優化。

圖3 模型應力及形變圖

6 驅動部安裝設計

驅動部實物圖如圖4所示。

圖4 驅動部實物圖

驅動部安裝永磁滾筒，重量大，承受膠帶張力大。特別是永磁滾筒電機啟動時，即便是低速時也輸出較大的扭矩，地面受力較大。在實際安裝調試過程中，也確實證實在電機啟動共振點處，地面容易發生震顫，所有要建立穩定的固定基座。此處設計以1 200×2 920×11 000 mm的混凝土澆筑基座，通過14個M32*1000的高強度地腳螺栓緊固，以地腳螺栓500 MPa拉力計算，緊固力可達562.6 kN。按設計施工安裝后，在實際使用中取得了良好的效果。電機啟動穩定，過共振點后運行平穩。

7 結 語

皮帶運輸機驅動部采用永磁電滾筒的驅動方式，可獲得相當可觀的節能效果，對驅動架進行設計，減小了驅動架的占用空間，在國家煤礦資源整合的大環境下，大量煤礦需要改造成具有機械化、自動化的高效礦井，對大功率、節能高效提出很高的要求，對驅動部的設計顯得尤為重要，此次通過科學嚴謹的設計分析，最終加工出的驅動架滿足生產要求，運行良好，市場前景廣闊。