多電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的選配設(shè)計(jì)

楊澤民（汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 晉中 032000）

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的選配設(shè)計(jì)

楊澤民
（汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠，山西 晉中 032000）

文章圍繞皮帶機(jī)的前期投入和后期運(yùn)行成本，主要介紹了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何合理選擇兩個(gè)傳動(dòng)滾筒功率配置，各種驅(qū)動(dòng)組合形式的優(yōu)缺點(diǎn)及選擇方法，達(dá)到設(shè)計(jì)的合理性。

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)；功率配置；驅(qū)動(dòng)選配

隨著貨物運(yùn)輸要求的不斷提高，皮帶機(jī)的發(fā)展朝著多元化、大型化、智能化方向邁出了一大步，但與國(guó)外皮帶機(jī)仍有較大的差距。皮帶機(jī)是一種一次投入長(zhǎng)期使用的設(shè)備，所以無(wú)論是初次設(shè)計(jì)安裝，還是后期的運(yùn)行維護(hù)，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性都是不可忽視的問(wèn)題。這就要求設(shè)計(jì)人員在前期的設(shè)計(jì)過(guò)程中要全面掌握皮帶機(jī)的特性和所要設(shè)計(jì)的皮帶機(jī)的使用工況。下面主要討論大功率，多驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的選配設(shè)計(jì)。

1　合理分配驅(qū)動(dòng)功率，有效降低帶強(qiáng)，減小前期投入

皮帶機(jī)是連續(xù)物料輸送的重要設(shè)備，它的驅(qū)動(dòng)力是由所配置的電機(jī)功率決定的，在理想情況下，功率分配比與驅(qū)動(dòng)力分配比相同，但在實(shí)際上，由于各種因素的影響，導(dǎo)致各電機(jī)實(shí)際功率分配發(fā)生較大不平衡，輸送帶各張力利用的重新分配。更重要的是各電機(jī)功率不平衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使其中某電機(jī)超載，甚至損壞。所以，電機(jī)功率平衡是保障其正常運(yùn)行的必要條件。這就要求在皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要滿足運(yùn)輸能力的要求，又要考慮皮帶機(jī)的造價(jià)和后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。由于單機(jī)驅(qū)動(dòng)張力過(guò)大，不利于降低帶強(qiáng)，因此大功率皮帶機(jī)多采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，各滾筒功率配置更為重要。

下面以雙滾筒驅(qū)動(dòng)為例來(lái)闡述功率配合的重要性，雙滾筒驅(qū)動(dòng)的功率搭配方式有1：1，1：2，2：1，2：2四種方式，而1：1和2：2的功率配置情況，對(duì)帶強(qiáng)選擇影響不大，著重比較一下1：2和2：1的功率配置對(duì)帶強(qiáng)的影響。

由圖1所示，Ⅰ和Ⅱ表示兩個(gè)傳動(dòng)滾筒，S1和S2分別為機(jī)尾滾筒兩側(cè)膠帶張力，S4和S3分別為Ⅱ號(hào)傳動(dòng)滾筒的趨入點(diǎn)和奔離點(diǎn)的膠帶張力，S5和S4分別為Ⅰ號(hào)傳動(dòng)滾筒的趨入點(diǎn)和奔離點(diǎn)的膠帶張力,V為皮帶機(jī)的運(yùn)行方向。

圖1　皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)張力狀況示意圖

假設(shè)兩個(gè)傳動(dòng)滾筒功率配置比例為NⅠ：NⅡ=2：1。根據(jù)傳動(dòng)功率的要求,兩滾筒所要傳遞的圓周力之比FⅠ：FⅡ=2：1。設(shè)整條帶式輸送機(jī)所要求的總的圓周力為F,則FⅠ=2/3F，F(xiàn)Ⅱ=1/3F。由于雙滾筒驅(qū)動(dòng)的裝置架結(jié)構(gòu)所限,兩傳動(dòng)滾筒各自的圍包角（摩擦角）分別為αⅠ=170°和αⅡ=200°。通常情況下，滾筒與膠帶的摩擦系數(shù)取值μ=0.3，查DTIIA皮帶機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)可得eμαⅠ=2.435，eμαⅡ=2.85。正常使用時(shí)，帶式輸送機(jī)起動(dòng),總是第Ⅱ滾筒先起作用,S4成為緊邊后，在S5處才能產(chǎn)生所要求的足夠大的力。所以,先分析Ⅱ滾筒,再分析Ⅰ滾筒。

由圖1可得驅(qū)動(dòng)滾筒Ⅱ張力關(guān)系為:

解得：S3=0.18F，S4=0.514F.

因?yàn)樯鲜街皇怯糜诒容^不同傳動(dòng)配置情況下造成的張力對(duì)膠帶選型的影響，因此簡(jiǎn)化地認(rèn)為S1=S5，S2=S3，所以在功率配置比為NⅠ：NⅡ=2：1的情況下，膠帶張力為

同樣的方法分析NⅠ：NⅡ=1：2的情況，此時(shí)：FⅠ：FⅡ=1：2，F(xiàn)Ⅰ=1/3F，F(xiàn)Ⅱ=2/3F.

同樣根據(jù)歐拉公式，皮帶機(jī)不打滑條件為S4≤取代入式（5）得

解得：S3=0.36F，S4=1.027F.

膠帶張力為：

比較式（4）與式（8）可以看出在傳動(dòng)圓周力一定的情況下，NⅠ：NⅡ=1：2方案比NⅠ：NⅡ=2：1方案帶強(qiáng)要提高26.5%左右（（1.76F-1.36F）/1.36F= 26.5%）。這就意味著膠帶強(qiáng)度要加大一個(gè)以上的級(jí)別，而膠帶在大功率皮帶機(jī)的投入占整條皮帶的30%左右，會(huì)造成巨大的浪費(fèi)，因此在皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)中，一定要合理配置驅(qū)動(dòng)功率，為了減少皮帶設(shè)計(jì)中部件的種類，通常傳動(dòng)滾筒規(guī)格選型一致，按照卸載滾筒的規(guī)格配置，常用的功率分配形式NⅠ：NⅡ=1：1，2：1或2：2。

2　合理搭配驅(qū)動(dòng)，提高控制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)功率平衡

皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式大致分為以下幾種：1）電動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)形式受到滾筒結(jié)構(gòu)限制，其最大功率為55 kW，只能用在傳動(dòng)功率和防爆要求不高的單驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)上。2）YTH型減速滾筒驅(qū)動(dòng)，它的最大功率為160 kW，這種結(jié)構(gòu)的滾筒，是把電動(dòng)滾筒的電機(jī)外置，減速系統(tǒng)置于滾筒內(nèi)部，能滿足功率不大的單驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)的傳動(dòng)要求，但由于減速系統(tǒng)內(nèi)置，給維護(hù)帶來(lái)了困難。3）傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)+減速器+傳動(dòng)滾筒，它的結(jié)構(gòu)形式多樣，功率配置靈活，不受結(jié)構(gòu)形式的限制，廣泛用于各類皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)。4）永磁直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用，這是皮帶機(jī)傳動(dòng)方式的革命，它是利用永磁電機(jī)+聯(lián)軸器+傳動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)方式，目前在部分中小型皮帶機(jī)上得到了應(yīng)用，在大功率皮帶機(jī)上的應(yīng)用，目前仍在探索階段。下面著重介紹傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式。

傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2　傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式

2.1電動(dòng)機(jī)選型

電機(jī)是動(dòng)力輸出的主要部件，選型時(shí)根據(jù)工作環(huán)境、電壓等級(jí)、功率配置及控制方式的要求來(lái)選型，比如：在礦山井下和地面多塵環(huán)境，盡量選用防爆等級(jí)較高的電機(jī)，對(duì)于變頻控制的電機(jī)盡量選用變頻電機(jī)。從理論上講，同型號(hào)的電機(jī)的電參數(shù)是完全相同的，可以相互替代。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)閺S家不同或同一廠家不同批次的電機(jī)，在制造工藝加工精度上會(huì)有個(gè)體差異，因此在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶機(jī)上應(yīng)盡可能選用同一廠家同一批次的電機(jī)。

2.2聯(lián)軸器選型

對(duì)于不同聯(lián)軸器，其傳遞效率有所不同，對(duì)設(shè)備同軸度要求不同。由于皮帶機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中有震動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間可能造成設(shè)備的同軸度變差，在選型時(shí)就盡量選用加工精度高，調(diào)整方便，調(diào)心效果較好的聯(lián)軸器，比如：彈性柱銷齒式聯(lián)軸器和蛇型彈簧聯(lián)軸器。

2.3減速系統(tǒng)的選擇

減速系統(tǒng)是皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)、對(duì)起動(dòng)曲線要求不高的皮帶機(jī)，可以直接選用與電機(jī)功率匹配的硬齒面減速器。對(duì)于大功率、多電機(jī)、重載起動(dòng)的皮帶機(jī)，由于對(duì)起動(dòng)曲線要求比較高，所以選擇減速系統(tǒng)種類和型號(hào)就是關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3.1電機(jī)+減速器+滾筒+變頻控制的多電機(jī)傳動(dòng)模式

這是較為理想的傳動(dòng)模式，它的選型關(guān)鍵在于變頻器，對(duì)于主提升皮帶機(jī)來(lái)說(shuō)，由于它的驅(qū)動(dòng)單元一般在地面，對(duì)變頻器的防爆要求不高，單機(jī)功率大于500 kW的皮帶機(jī)可以選用3.33 kV、6 kV、10 kV高壓變頻起動(dòng)，單機(jī)功率小于500 kW的皮帶機(jī)，可以選擇600/1 140 V的低壓變頻器。而在煤礦井下，由于高壓變頻仍在試驗(yàn)階段，所以只能選用600/1 140 V的低壓變頻器。在對(duì)綜合控制與保護(hù)系統(tǒng)和變頻器的配合上，要求變頻器要有功率平衡模塊，具備功率平衡功能。

2.3.2電機(jī)+限矩耦合器+減速器+滾筒的傳動(dòng)模式

與變頻驅(qū)動(dòng)相比，液力耦合除制造成本較低外有很大缺點(diǎn)。液力耦合器屬轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速，是低效調(diào)速設(shè)備，調(diào)速精度差，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大。液力耦合器由于是柔性連接，存在著固定的轉(zhuǎn)差率，即液力耦合器的轉(zhuǎn)差率≥3%，它具有一定的功率平衡功能，只用于傳輸精度要求不高的場(chǎng)所。

2.3.3電機(jī)+調(diào)速耦合器+減速器+滾筒的傳動(dòng)模式

較限矩型耦合器相比，調(diào)速型液力耦合器可以在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。具有過(guò)載保護(hù)的功能，傳動(dòng)部件間無(wú)直接機(jī)械接觸，使用壽命長(zhǎng)，調(diào)速型液力耦合器具有液力控制調(diào)速裝置和兩個(gè)半軸，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)操作，額定負(fù)載下有較高的傳動(dòng)效率，且具有多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的功能，缺點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程需要人為的操作，自動(dòng)化程度低。

2.3.4電機(jī)+液粘+減速器+滾筒的傳動(dòng)模式

液體粘性可控傳動(dòng)裝置是集機(jī)、電、液于一體的新型裝置。可實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)、無(wú)級(jí)變速、多驅(qū)動(dòng)平衡、過(guò)載自動(dòng)保護(hù)的多功能一體化傳動(dòng)裝置。該裝置可以克服其他可控傳動(dòng)裝置的缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)體積小、傳動(dòng)效率高和工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。這種液體粘性軟啟動(dòng)傳動(dòng)裝置主要由液體粘性軟啟動(dòng)器、傳感器以及液壓控制裝置等機(jī)械和電子部件組成，與調(diào)速耦合器相比，易實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精度高。

2.3.5電機(jī)+CST可控啟動(dòng)傳輸裝置+滾筒的傳動(dòng)模式

由于受到電壓限制，井下大功率多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多采用CST驅(qū)動(dòng)方式。CST是由多級(jí)齒輪減速器加上濕式離合器及液壓控制組成的系統(tǒng)，專門(mén)為平滑啟動(dòng)運(yùn)送大慣性載荷的長(zhǎng)距離膠帶輸送機(jī)而設(shè)計(jì)的。它是集減速、離合、調(diào)速、電控、冷卻、運(yùn)行、監(jiān)視、自診斷于一體的液體粘性調(diào)速器。它具備軟起動(dòng)、軟停車、無(wú)級(jí)調(diào)速和多點(diǎn)功率平衡的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)能出大力矩，達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速。其缺點(diǎn)一是價(jià)格貴，初期投資大；二是必須采用專用油，且油價(jià)昂貴，維護(hù)難度及成本相對(duì)較高；三是同可調(diào)性液力耦合器相比，其高位調(diào)節(jié)片不能長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)高位置，發(fā)熱較嚴(yán)重，因此要外加冷卻系統(tǒng)，給井下環(huán)境溫度的控制帶來(lái)不便；四是CST基本沒(méi)有節(jié)能功效，達(dá)不到節(jié)能效果。

基于CST具備軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，膠帶在選擇安全系數(shù)時(shí)，可低于其它驅(qū)動(dòng)方式，安全系數(shù)最低可選5~7。

2.4傳動(dòng)滾筒的選擇和精度要求

在雙滾筒驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)中，引起功率不平衡的主要因素有：輸送帶的彈性伸長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械特性不同、滾筒直徑實(shí)際值差異、各機(jī)械傳動(dòng)裝置效率不同、傳動(dòng)滾筒的相對(duì)位置和阻力不同等因素。

其中對(duì)滾筒的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用提出了較高的要求，不但要滿足彎矩和扭矩的要求，更要保證傳動(dòng)滾筒的一致性，在設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能要求統(tǒng)一規(guī)格，且保證傳動(dòng)滾筒都與膠帶的里側(cè)摩擦。滾筒出廠時(shí)要進(jìn)行平衡檢驗(yàn)，精度等級(jí)達(dá)到G40，滾筒面膠、底膠的物理特性要一致，符合GB10595-89中的要求。

3　提高自動(dòng)化水平，減小維護(hù)成本

自動(dòng)化、智能化是皮帶機(jī)發(fā)展方向，也是國(guó)內(nèi)外皮帶機(jī)差距所在。國(guó)外皮帶機(jī)已采用高檔可編程序控制器PLC，開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的程序軟件與綜合控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸、故障診斷與查詢等完整自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。近年又開(kāi)發(fā)了很多新型監(jiān)測(cè)裝置：傳動(dòng)滾筒、改向滾筒及托輥組的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；煙霧報(bào)警及自動(dòng)消防滅火裝置，纖維編織輸送帶縱撕裂及接頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。我國(guó)的皮帶機(jī)還停留在8大保護(hù)和簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)控制階段?，F(xiàn)有的打滑、堆煤、溜煤眼滿倉(cāng)保護(hù)，防跑偏、超溫灑水，煙霧報(bào)警裝置的可靠性、靈敏性、壽命都較低?？刂品矫鎯H實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)、正常運(yùn)行、停機(jī)等工作過(guò)程，達(dá)到可控啟動(dòng)、帶速同步、功率平衡等功能，但沒(méi)有自動(dòng)控制裝置，沒(méi)有故障診斷與查詢等。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合知識(shí)要求全面的任務(wù)，只有不斷學(xué)習(xí)，全面掌握皮帶機(jī)的原理及發(fā)展現(xiàn)狀，才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)可靠的皮帶機(jī)。

[1]于學(xué)謙,方佳麗.礦山運(yùn)輸機(jī)械[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1989.

[2]機(jī)械工業(yè)部北京起重運(yùn)輸機(jī)械研究所編.DTII（A）型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2014.

（編輯：楊鵬）

Selection Design of Driving Device in Belt Conveyor Driven by Multi-motor

YANG Zemin
（Equipment Repair and Manufacture Plant,Fenxi Mining Group,Jinzhong 032000,China）

Focusing on the upfront investment and running cost of belt conveyor,the paper introduces power configuration of two transmission drums,pros and cons of all motor combination,and selection to achieve the design rationality in the design process of the belt conveyor driven by multi-motor.

multi-motor drive system;power configuration;driver selection

TD528.1

A

1672-5050（2016）02-0007-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.003

2015-09-28

楊澤民（1973-），男，山西芮城人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦機(jī)械研究。