煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)裝置原理分析

黃建鋒

【摘 要】帶式輸送機(jī)由于自身系統(tǒng)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行性能較為穩(wěn)定，在煤炭產(chǎn)業(yè)中承擔(dān)著輸送礦料的基本任務(wù)，其驅(qū)動(dòng)功能較大，傳送距離較長(zhǎng)，且驅(qū)動(dòng)點(diǎn)數(shù)量偏多。為此本文詳細(xì)闡述了煤礦膠帶運(yùn)輸機(jī)幾種常見(jiàn)的軟啟動(dòng)裝置，福伊特液力耦合器、CST系統(tǒng)、變頻器調(diào)速裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，通過(guò)分析能夠更好的選擇合適的軟啟動(dòng)方式。

【關(guān)鍵詞】液力耦合器；CST；變頻器

0 引言

大型帶式輸送機(jī)，在工作期間，要求具備合理的驅(qū)動(dòng)功率、布置形式以及驅(qū)動(dòng)數(shù)量的基礎(chǔ)上，還要處理好輸送機(jī)自身的啟動(dòng)問(wèn)題。輸送機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程也是加速過(guò)程，其加速度從“0”不斷增加值最大值，然后又降低至“0”，而在輸送過(guò)程中，輸送帶將會(huì)出現(xiàn)黏彈性變形，使得輸送機(jī)處在極不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)下，最終產(chǎn)生動(dòng)張力。當(dāng)帶速越高時(shí)，傳輸機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間將越長(zhǎng)，其東張力則越大，所產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力則越大，嚴(yán)重情況下，將會(huì)造成傳輸帶及其他元部件的損壞。假設(shè)啟動(dòng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，且能夠控制好啟動(dòng)速度，使得動(dòng)張力降至最低，就能夠消除瞬時(shí)沖擊。

1 科學(xué)地選擇軟啟動(dòng)方式

現(xiàn)階段，中煤平朔集團(tuán)井工礦已經(jīng)采取了變頻調(diào)速裝置、福伊特液力調(diào)速裝置以及差動(dòng)輪系液黏調(diào)速裝置（CST）。

傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)方式以及電動(dòng)機(jī)與限矩型偶合器的聯(lián)合啟動(dòng)方式已經(jīng)無(wú)法達(dá)到大型帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行要求。假設(shè)采取傳統(tǒng)直接啟動(dòng)方式，用在長(zhǎng)距離、高速度、大運(yùn)量、大功率的帶式傳輸機(jī)中，因?yàn)閱?dòng)時(shí)間是1秒至3秒，啟動(dòng)加速度則超過(guò)了0.3m/s2，將會(huì)出現(xiàn)三個(gè)問(wèn)題：

問(wèn)題一：?jiǎn)?dòng)過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)打滑問(wèn)題。因?yàn)榇笮蛶絺鬏敊C(jī)的功率以及長(zhǎng)度偏大，假設(shè)啟動(dòng)時(shí)間偏短，將會(huì)發(fā)生打滑問(wèn)題。而為了避免打滑問(wèn)題，確保傳輸機(jī)的正常啟動(dòng)，應(yīng)提升張緊裝置的實(shí)際初張力，進(jìn)而增加傳輸帶與滾筒之間的摩擦力，這樣將會(huì)加大有關(guān)連接部件的實(shí)際受力，且對(duì)傳輸機(jī)的強(qiáng)度要求以及剛度要求也會(huì)提高，最終提高了整機(jī)的初期投資。

問(wèn)題二：瞬態(tài)沖擊增大。在啟動(dòng)過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)初張力，且初張力將比正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)張力高出數(shù)倍，而常常產(chǎn)生的的動(dòng)態(tài)初張力，將會(huì)降低輸送帶的實(shí)際使用壽命，且急劇增加的動(dòng)態(tài)初張力有可能回造成斷帶問(wèn)題。因此，為確保輸送帶的穩(wěn)定運(yùn)行，要求提升輸送帶的運(yùn)行強(qiáng)度等級(jí)，這也就會(huì)增加輸送帶的初級(jí)投資。此外，輸送帶強(qiáng)度等級(jí)的提升，還要求加大滾筒直徑，確保能夠達(dá)到輸送帶的最小彎曲半徑要求，這樣也就會(huì)增加機(jī)械加工件的初期投資。

問(wèn)題三：電動(dòng)機(jī)功率的增加問(wèn)題。因?yàn)閱?dòng)時(shí)間偏短，啟動(dòng)力矩偏大，將會(huì)燒毀電機(jī)。所以在電動(dòng)機(jī)選型過(guò)程中，應(yīng)全面提升電動(dòng)機(jī)的安全系數(shù)，科學(xué)增加正常運(yùn)行情況下的能耗。同時(shí)，大功率型電動(dòng)機(jī)，在較短的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，會(huì)對(duì)附近電網(wǎng)環(huán)境產(chǎn)生較大的沖擊，其負(fù)面影響更加嚴(yán)重。因此，按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)加速度應(yīng)控制在0.3m/s2以下，這樣就能夠有效降低整機(jī)的瞬時(shí)沖擊及動(dòng)載荷，防止造成輸送帶以及其他元部件的受損。

2 福伊特液力耦合器

2.1 工作原理

福伊特液力偶合器是按照菲丁格爾原理工作的液力偶合器，偶合器液力傳動(dòng)基于泵輪和渦輪的相互作用。工作中，可以改變充液量。偶合器的泵輪和殼體組成工作腔，渦輪被包含在工作腔內(nèi)，由于泵輪和渦輪并不接觸，所以沒(méi)有任何磨損。驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的機(jī)械能被轉(zhuǎn)化成工作液體的動(dòng)能。在渦輪中，這種液體動(dòng)能又被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。充液量決定了動(dòng)力傳遞能力。

福伊特液力耦合器電控系統(tǒng)主要是由一個(gè)主站控制箱以及不低于一個(gè)分站控制箱組建而成。其中在主站控制箱內(nèi)設(shè)有隔離開(kāi)關(guān)、電源模塊、變壓器、主控制模塊、濾波器、CAN總線、液晶顯示模塊、MODBUS總線、鍵盤(pán)處理模塊以及對(duì)帶式輸送機(jī)的電控系統(tǒng)發(fā)出的接口信號(hào)等。主站控制箱在運(yùn)行期間，首先帶式輸送機(jī)的電控系統(tǒng)會(huì)對(duì)液力耦合器的主站控制箱發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，而所有分站控制箱則按照所設(shè)置的液力耦合器油溫來(lái)識(shí)別溫度是否偏高。然后所有分站控制箱按照液力耦合器啟動(dòng)流程（包括了空載階段→微動(dòng)階段→預(yù)張緊階段→加速階段）完成工作，并大達(dá)到所有液力耦合器功率的平衡。如果在啟動(dòng)期間，發(fā)生了設(shè)備故障，主站控制箱將會(huì)把故障信號(hào)發(fā)送至帶式輸送機(jī)的電控系統(tǒng)，停止主電機(jī)的運(yùn)行；如果沒(méi)有發(fā)生設(shè)備故障，啟動(dòng)完成信號(hào)將會(huì)直接傳送到帶式輸送機(jī)的電控系統(tǒng)，開(kāi)始主電機(jī)的運(yùn)行（圖1）。

2.2 福伊特液力耦合器的優(yōu)缺點(diǎn)

福伊特液力耦合器的優(yōu)點(diǎn)在于：①按照隨帶式輸送機(jī)的主參數(shù)隨意調(diào)節(jié)福伊特液力耦合器的啟動(dòng)時(shí)間，使輸送機(jī)按照S型啟動(dòng)速度曲線穩(wěn)定啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)載啟動(dòng)。②保證輸送機(jī)的啟動(dòng)加速度值控制在0.1～0.3m/s的范圍內(nèi)，確保輸送帶的啟動(dòng)張力能夠控制在允許范圍內(nèi)。③保證鼠籠式電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)，利用其尖峰力矩作啟動(dòng)力矩，全面提升其啟動(dòng)能力，減少了電動(dòng)機(jī)的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間。④在作用于多機(jī)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中，能夠達(dá)到多機(jī)功率平衡，其平衡精度是±5%。⑤隔離扭矩，減緩沖擊，避免動(dòng)力過(guò)載，對(duì)電動(dòng)機(jī)以及輸送機(jī)的主要部件起到了保護(hù)作用。⑥易于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的遙控和自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便。⑦提高輸送機(jī)的使用壽命，減少噪音，改善勞動(dòng)環(huán)境。⑧投資少，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。⑨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)機(jī)械磨損，能在惡劣的環(huán)境條件下工作，無(wú)須特殊保護(hù)，使用壽命長(zhǎng)。⑩能實(shí)現(xiàn)多機(jī)順序啟動(dòng)，減少對(duì)外界電網(wǎng)的沖擊；操作維護(hù)簡(jiǎn)單，備品備件容易獲得。

福伊特液力耦合器的缺點(diǎn)在于：①啟動(dòng)性能較液粘性稍差些。②會(huì)產(chǎn)生滑差，其效率損失大約是2%。③體積偏大，發(fā)熱量偏大。④調(diào)速精度以及傳動(dòng)效率并不能和變頻調(diào)速以及CST相提并論。

3 CST（Controlled Start Transmission）系統(tǒng)可控傳動(dòng)技術(shù)

3.1 工作原理（圖2）

CST系統(tǒng)是專(zhuān)為大型帶式輸送機(jī)研發(fā)的一種驅(qū)動(dòng)裝置，該系統(tǒng)集集減速器、調(diào)速與離合為一體，是由由多級(jí)齒輪減速器、液壓系統(tǒng)、濕式、線形離合器以及控制系統(tǒng)組建而成。其中濕式、線形離合器則是由多個(gè)動(dòng)片及靜片交叉、疊合組成。平行軸式CST即二級(jí)齒輪減速器，其中第一級(jí)為斜齒輪，第二級(jí)是為行星齒輪，輸出軸和負(fù)載（帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)滾筒）相連接。此外，CST設(shè)計(jì)的目的在于用來(lái)平滑地啟動(dòng)高慣性負(fù)載，如重載帶式輸送機(jī)，利用離合器上的液壓壓力，來(lái)改變CST的輸出力矩。

CST控制系統(tǒng)是由上海院的電控箱、操作臺(tái)；道奇公司的CST控制箱、按鈕箱、若干傳感器、天津華寧皮帶保護(hù)系統(tǒng)等共同組成的。其中上海院的控制系統(tǒng)為中心，道奇公司的CST系統(tǒng)為核心。上海院的控制系統(tǒng)完成對(duì)主電機(jī)、CST系統(tǒng)的控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示所有保護(hù)信號(hào)，并在接受到故障信號(hào)時(shí)加以識(shí)別及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)（圖3）。

3.2 特點(diǎn)

CST系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：①啟動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，可達(dá)99%；②輸送帶受力平穩(wěn)，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；③允許操作員進(jìn)行更靈活的帶式輸送機(jī)起停操作，而無(wú)需反復(fù)起停主電機(jī)；④提高了CST控制的可操作性，在多驅(qū)動(dòng)并行系統(tǒng)中，可臨時(shí)離線處理（停止）某臺(tái)CST的運(yùn)行；⑤保護(hù)功能齊全。

CST系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于：①集調(diào)速系統(tǒng)與減速器合為一體，體積偏大，安裝不便；②控制系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)量較大；③在高速軸上，安裝逆止器和制動(dòng)器比較困難；④價(jià)格偏高，備品備件要進(jìn)口。

4 變頻器調(diào)速裝置

4.1 變頻器調(diào)速裝置的基本工作原理

該裝置是由功率器件—IGBT絕緣柵極可控晶體管、電抗器以及控制器等組建而成成。該裝置的基本工作原理是在于：利用控制器，對(duì)功率器件上的絕緣柵極進(jìn)行調(diào)節(jié)，使進(jìn)入功率器件的交流電源的頻率發(fā)生變化。在控制頻率的變化范圍以及時(shí)間的情況下，就能夠保證輸送機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)（圖4）。

4.2 特點(diǎn)

變頻器調(diào)速裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：①在啟動(dòng)過(guò)程中，其調(diào)速精度高；②能夠變速運(yùn)行；③調(diào)速范圍較大。

變頻器調(diào)速裝置的缺點(diǎn)在于：①電動(dòng)機(jī)不能空載啟動(dòng)；②防爆產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格高；③控制復(fù)雜，使用維護(hù)要求高，對(duì)環(huán)境溫度以及清潔度的要求較高；④備品備件要進(jìn)口，事故處理也依賴(lài)外國(guó)公司；⑤雖然電抗器能夠減少對(duì)外部電源的污染，然而頻率改變，且會(huì)對(duì)電源造成一定的污染；⑥在井下使用時(shí)，功率器件的發(fā)熱總是較難解決?，F(xiàn)階段，在煤礦井下極少使用變頻調(diào)速裝置，而在地面皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用較為廣泛。

5 結(jié)論

筆者認(rèn)為按照《煤礦安全規(guī)程》第373條規(guī)定，為了合理降低啟動(dòng)過(guò)程中偏大的啟動(dòng)力矩，在帶式輸送機(jī)上加設(shè)軟啟動(dòng)裝置。而科學(xué)地選用大型帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)方式，則是煤炭技術(shù)人員在工作中應(yīng)解決的實(shí)際問(wèn)題。與此同時(shí)，筆者通過(guò)對(duì)煤平朔集團(tuán)各井工礦使用的多條強(qiáng)力帶式輸送機(jī)情況加以分析發(fā)現(xiàn)：調(diào)速型液力偶合器完全能滿(mǎn)足帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)要求，和其它軟啟動(dòng)相比，其具有更優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，應(yīng)優(yōu)先選用。

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[責(zé)任編輯：王楠]