永磁電機(jī)在刮板輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

李 峰

（山西高河能源有限公司， 山西 太原 047100）

引言

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的運輸設(shè)備，其不僅承擔(dān)著運輸煤炭的任務(wù)，還與采煤機(jī)、液壓支架相互配套為液壓支架提供推溜力，為采煤機(jī)提供行走軌道。隨著綜采工作面設(shè)備自動化水平和生產(chǎn)能力的不斷提升，刮板輸送機(jī)正朝著大運量、大功率、大運距以及高效率的方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)采用異步電機(jī)作為驅(qū)動核心，存在效率低、損耗大、振動大、噪聲大等問題，無法滿足當(dāng)前綜采工作面對刮板輸送機(jī)的要求。鑒于永磁電機(jī)具有節(jié)能效果好、啟動轉(zhuǎn)矩大、低速驅(qū)動性能好等優(yōu)勢，本文將永磁電機(jī)應(yīng)用于刮板輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，并對其應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1 刮板輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

刮板輸送機(jī)為綜采工作面必不可少的運輸設(shè)備，其各分系統(tǒng)包括有驅(qū)動系統(tǒng)、刮板系統(tǒng)、鏈輪組件系統(tǒng)等。本文著重對刮板輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)展開研究，為確保設(shè)計刮板輸送機(jī)能夠適應(yīng)當(dāng)前綜采工作面大運量、大轉(zhuǎn)矩以及高效率的運輸要求，本文將永磁電機(jī)與減速器設(shè)計為刮板輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)。從理論上將，永磁電機(jī)為刮板輸送機(jī)的動力源，減速器為刮板輸送機(jī)的傳動部件，將永磁電機(jī)與刮板輸送機(jī)合為一體可降低電機(jī)轉(zhuǎn)速并提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

此外，為適應(yīng)刮板輸送機(jī)在實際生產(chǎn)中負(fù)載變化劇烈，容易發(fā)生故障的問題，結(jié)合永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)具有調(diào)速范圍寬、體積小以及節(jié)能效果好的特點，本文針對刮板輸送機(jī)將采用永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)實現(xiàn)對設(shè)備的驅(qū)動[2]。永磁電機(jī)半直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)的布置情況如圖1 所示。

圖1 永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)的總體示意圖

1.1 永磁電機(jī)的選型

本文所研究刮板輸送機(jī)的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 刮板輸送機(jī)主要規(guī)格參數(shù)

結(jié)合刮板輸送機(jī)所屬工作面的生產(chǎn)能力和工作面的運輸條件，需為刮板輸送機(jī)配置兩臺功率不小于30 kW 的永磁電機(jī)。結(jié)合當(dāng)前市面上各種廠家永磁電機(jī)的性能和成本，最終確定永磁電機(jī)的參數(shù)如表2 所示。

表2 刮板輸送機(jī)永磁電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

1.2 刮板輸送機(jī)減速器的設(shè)計

為滿足當(dāng)前綜采工作面對刮板輸送機(jī)的運量、轉(zhuǎn)矩、能耗等方面的需求，將永磁電機(jī)和減速器合為一體，稱為永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)。因此，對于刮板輸送機(jī)而言，除了核心永磁電機(jī)外，還需根據(jù)運輸需求設(shè)計減速器[3]。

結(jié)合刮板輸送機(jī)鏈輪的節(jié)圓半徑參數(shù)和鏈輪的的平均速度計算得出鏈輪的轉(zhuǎn)速，計算公式如式（1）所示：

式中：v 為刮板輸送機(jī)的平均運輸速度，取1.8 m/s；R為鏈輪的節(jié)圓半徑，取0.024 m。經(jīng)計算可得，鏈輪的轉(zhuǎn)速n2=10 743 r/min。

結(jié)合所選型永磁電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n1=750 r/min，計算可得減速器的總傳動比為14.324。因此，將刮板輸送機(jī)減速去的傳動比設(shè)計為15。為保證所設(shè)計減速器能夠滿足刮板輸送機(jī)大轉(zhuǎn)矩的需求，其對應(yīng)的中心輪和行星輪均采用20CrMnTi 材料進(jìn)行制造，并采用滲碳并淬火的熱處理方式以提高減速器齒輪的硬度和耐磨性；同時，對于減速器中的內(nèi)齒輪而言，其所選用的材料為40Cr，對應(yīng)的熱處理方式為淬火+高溫回火[4]。

2 永磁電機(jī)+減速器驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用研究

2.1 永磁電機(jī)半直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)試驗平臺的搭建

結(jié)合試驗需求和永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本文所搭建試驗平臺主要由核心驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器、傳動裝置、檢測裝置、加載裝置以及試驗控制臺組成。對應(yīng)的試驗平臺模擬如圖2 所示。

圖2 永磁電機(jī)半直驅(qū)試驗平臺模擬示意圖

本節(jié)主要驗證永磁電機(jī)半直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)在刮板輸送機(jī)的驅(qū)動性能。因此，考慮到試驗成本的問題，搭建試驗平臺中設(shè)計到的設(shè)備未完全按照工作面實際功率進(jìn)行選取，試驗平臺關(guān)鍵設(shè)備的選型結(jié)果如下所示：

1）永磁電機(jī)：所選型永磁電機(jī)的型號為TYVZ-3800-280M-16，該電機(jī)的額定功率為380 kW，額定電流為73.4 A，額定電壓為380 V。

2）磁粉式測功機(jī)：該設(shè)備的角色為試驗平臺的加載裝置，其能夠在實驗室環(huán)境下模擬刮板輸送機(jī)在不同工況下的負(fù)載。所選磁粉式測功機(jī)的具體型號為4PB15，額定扭矩為1 200 N·m，額定功率為48 kW，額定轉(zhuǎn)速為382 r/min。

3）減速齒輪箱：該設(shè)備的角色為試驗平臺的傳動裝置，所選型減速器的具體型號為ZLY160-8-1，該型減速器對應(yīng)的傳動比為8。由于在上文中所設(shè)計傳動裝置的傳動比為15，為保證試驗結(jié)果可準(zhǔn)確反應(yīng)永磁電機(jī)半直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，需對試驗平臺中刮板輸送機(jī)磁粉式測功機(jī)的負(fù)載進(jìn)行等比例縮放。

4）傳感器：包括有扭矩傳感器、電壓傳感器、電流傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡等。

2.2 永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)的性能驗證

本文將對刮板輸送機(jī)在不同工況下永磁電機(jī)半直驅(qū)系統(tǒng)的驅(qū)動性能進(jìn)行試驗研究。在實際試驗中，需結(jié)合刮板輸送機(jī)實際工況的負(fù)載特性，結(jié)合試驗平臺各設(shè)備的參數(shù)對負(fù)載進(jìn)行等效縮放模擬，以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1）空載平穩(wěn)后落煤工況下的驅(qū)動試驗。經(jīng)試驗可知：試驗平臺刮板輸送機(jī)在模擬負(fù)載工況下運行，在永磁電機(jī)半直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)的作用下永磁電機(jī)的輸出扭矩與其被施加負(fù)載的曲線一致，說明本試驗平臺所選取的磁粉測功機(jī)具有較好的響應(yīng)特性。而且，還能夠說明基于永磁電機(jī)半直驅(qū)驅(qū)動系統(tǒng)可保證刮板輸送機(jī)在空載平穩(wěn)后落煤工況下根據(jù)負(fù)載的變化對其系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行實時調(diào)整[5]。

2）非定常落煤工況下的驅(qū)動試驗。經(jīng)試驗可知，在非定常落煤工況下，當(dāng)試驗平臺所承受的負(fù)載突然增大時，對應(yīng)永磁電機(jī)的輸出扭矩急速增大，并且實時對應(yīng)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定于270 r/min。

3）帶負(fù)載啟動工況下的驅(qū)動試驗。試驗平臺在帶負(fù)載啟動工況下驅(qū)動試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 帶負(fù)載啟動工況下永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化趨勢

如圖3 所示，當(dāng)刮板輸送機(jī)帶負(fù)載啟動時，在剛開始3 s 內(nèi)永磁電機(jī)的輸出扭矩為零，該時間段為系統(tǒng)的預(yù)熱時間主要是對系統(tǒng)起保護(hù)作用；在3 s 后刮板輸送機(jī)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩迅速增大且波動較大，并且在10 s 后永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相對平穩(wěn)，并且最終維持在620 N·m 左右。

3 結(jié)論

刮板輸送機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，為解決傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動刮板輸送機(jī)存在轉(zhuǎn)矩小、運量小以及能耗大的問題，將異步電機(jī)替換為永磁電機(jī)并將其與減速器集成為刮板輸送機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)。經(jīng)試驗表明：在刮板輸送機(jī)負(fù)載突然變化時，永磁電機(jī)初期輸出扭矩波動較大并且最終穩(wěn)定于額定轉(zhuǎn)矩；而且，在不同工況下，永磁電機(jī)對刮板輸送機(jī)驅(qū)動控制具有較好的響應(yīng)特性。