CST在綜采工作面刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用

裴增昀李秀琴

（1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦 山西大同037016；2.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山西大同037003）

0 引言

目前，工作面超重型刮板輸送機(jī)（配套單電動(dòng)機(jī)功率大于400 kW）的軟啟動(dòng)方式有機(jī)械軟啟動(dòng)和電氣軟啟動(dòng)，機(jī)械軟啟動(dòng)有CST（可控啟動(dòng)輸出裝置，也稱CST減速器）和TTT（閥控調(diào)速型液力偶合器）兩種方式；電氣軟啟動(dòng)有變頻器+電動(dòng)機(jī)+減速器和變頻一體機(jī)+減速器兩種方式。

上述每種軟啟動(dòng)裝置都有各自的長(zhǎng)處和不足，本文主要介紹CST減速器的結(jié)構(gòu)原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用。

1 CST系統(tǒng)組成與調(diào)速原理

1.1 CST系統(tǒng)組成

CST減速器采用模塊化結(jié)構(gòu)，由三個(gè)單個(gè)單元組合成整機(jī)，即輸入單元（輸入軸、液壓供液元件、電控元件）、中間減速器單元、輸出單元（一級(jí)行星減速、液粘摩擦離合器）。圖1是用于工作面刮板輸送機(jī)上的垂直軸式（KP型）CST減速器的系統(tǒng)組成，中間減速器單元為一級(jí)圓錐齒輪+兩級(jí)圓柱齒輪減速，加上輸出單元的一級(jí)行星減速，共四級(jí)減速，圖中也包含了置于減速箱內(nèi)的全部液壓元件和電控元件。直軸式（P型）的輸入單元、輸出單元與KP型相同，中間減速器單元是一級(jí)行星減速，總減速級(jí)為兩級(jí)。

CST減速器由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)三大部分組成。

圖1 CST減速器（KP型）的系統(tǒng)組成

1.2 CST調(diào)速原理

CST減速器的核心部分是輸出單元，由行星減速機(jī)構(gòu)和液粘摩擦離合器組成。

行星減速機(jī)構(gòu)是常用的通用機(jī)構(gòu)，見圖2，其中行星架為輸出軸。在這里它有三種工作狀態(tài)：（1）內(nèi)齒圈呈自由浮動(dòng)狀態(tài)，即空載啟動(dòng)狀態(tài)。因啟動(dòng)前輸出軸與負(fù)載（鏈輪）相連而臨時(shí)不動(dòng)，此時(shí)為定軸輪系，太陽輪帶動(dòng)行星架上的行星輪繞行星輪軸作自轉(zhuǎn)并帶動(dòng)內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速為最大，即電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)太陽輪時(shí)只帶動(dòng)內(nèi)齒圈以最大轉(zhuǎn)速自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)；（2）內(nèi)齒圈呈差動(dòng)狀態(tài)，即線性啟動(dòng)狀態(tài)。液粘摩擦離合器對(duì)內(nèi)齒圈逐漸施加一個(gè)線性制動(dòng)力矩，則內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速開始線性下降，此時(shí)為差動(dòng)輪系，行星架上的行星輪在自轉(zhuǎn)下開始公轉(zhuǎn)并帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸輸出力矩和轉(zhuǎn)速（公轉(zhuǎn)是指行星輪在自轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)下沿內(nèi)齒圈嚙合滾動(dòng)從而帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)），差動(dòng)時(shí)因內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速與行星架轉(zhuǎn)速之和為常數(shù)，即內(nèi)齒圈降低了的轉(zhuǎn)速值就是行星架的線性輸出轉(zhuǎn)速值（見圖2b），此過程為刮板輸送機(jī)啟動(dòng)階段；（3）內(nèi)齒圈固定狀態(tài)，即正常運(yùn)行狀態(tài)。內(nèi)齒圈在液粘摩擦離合器制動(dòng)力矩的作用下轉(zhuǎn)速線性下降到零值，即內(nèi)齒圈固定不動(dòng)，此時(shí)為常規(guī)的行星機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)，行星架輸出力矩和轉(zhuǎn)速達(dá)最大，刮板輸送機(jī)達(dá)到了額定運(yùn)行工況。減速停車時(shí)，內(nèi)齒圈的狀態(tài)與上述相反。

圖2行星機(jī)構(gòu)差動(dòng)工作狀態(tài)

液粘摩擦離合器（也稱多片濕式離合器）是最主要的部件，作用是對(duì)內(nèi)齒圈施加線性制動(dòng)力矩使內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速線性下降（停機(jī)時(shí)為線性增加），實(shí)現(xiàn)CST減速器的可控?zé)o級(jí)變速。液粘摩擦離合器的結(jié)構(gòu)組成見圖1，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3，主要由離合器內(nèi)齒圈、離合器座、環(huán)形活塞、動(dòng)、靜摩擦片組、活塞復(fù)位彈簧等組成。離合器內(nèi)齒圈與行星內(nèi)齒圈用螺栓固定在一起，圓環(huán)形動(dòng)摩擦片以其圓周外花鍵裝于離合器內(nèi)齒圈的內(nèi)花鍵中并與之嚙合，則動(dòng)摩擦片與行星內(nèi)齒圈同步旋轉(zhuǎn)（故稱為動(dòng)摩擦片），并可沿離合器內(nèi)齒圈的花鍵做軸向方向移動(dòng)；圓環(huán)形靜摩擦片以其圓周內(nèi)花鍵裝在與箱體固定的帶有外花鍵的圓筒形離合器座上并與之嚙合，則靜摩擦片不能作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（故稱為靜摩擦片），但可沿離合器座的外花鍵做軸向方向移動(dòng)。動(dòng)、靜摩擦片交替放置多片，并由離心泵（見圖1）由里向外向動(dòng)、靜摩擦片之間提供冷卻壓力油，此冷卻油一方面形成傳遞摩擦力矩的油膜，一方面經(jīng)動(dòng)摩擦片表面的菱形網(wǎng)狀溝槽（專利技術(shù)）向外緣流動(dòng)流入減速器油池以帶走油膜摩擦產(chǎn)生的熱量[1-2]，以冷卻摩擦片和保持冷卻油的粘溫特性。流出的熱油經(jīng)冷卻器冷卻后循環(huán)使用。由徑向柱塞泵（見圖1）經(jīng)伺服閥向環(huán)形活塞提供比例的控制油壓，使動(dòng)、靜摩擦片沿軸向移動(dòng)并逐漸線性壓緊，由于靜摩擦片不旋轉(zhuǎn)則依靠它與動(dòng)摩擦片之間的油膜剪切力所形成的摩擦制動(dòng)力矩阻止動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)動(dòng)[3]，即行星內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速線性下降而行星架轉(zhuǎn)速線性上升。若將控制油壓恒定一段時(shí)間，則行星內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速不變，就形成了均速延遲階段，所以控制好環(huán)形活塞的控制油壓就能實(shí)現(xiàn)“S”形速度起動(dòng)曲線，此過程為刮板輸送機(jī)加速起動(dòng)階段。動(dòng)、靜摩擦片之間形成的油膜剪切力大小由牛頓液體內(nèi)摩擦定律確定，這里不在敘述。油膜剪切力及所形成的摩擦制動(dòng)力矩的大小與動(dòng)、靜摩擦片二者之間的間隙（即油膜厚度）成反比（見圖3），即環(huán)形活塞的控制油壓與摩擦制動(dòng)力矩的大小成正比，所以調(diào)節(jié)控制環(huán)形活塞的油壓，就能改變動(dòng)、靜摩擦片間的油膜厚度，從而控制輸出力矩、輸出速度的大小[4]。當(dāng)控制環(huán)形活塞的油壓逐漸線性減小時(shí)，動(dòng)、靜摩擦片逐漸松開，摩擦制動(dòng)力矩逐漸線性減小，行星內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速線性上升則行星架轉(zhuǎn)速線性下降，即輸出速度下降。直至控制油壓為零時(shí)，環(huán)形活塞在復(fù)位彈簧的作用下離開摩擦片，動(dòng)、靜摩擦片完全松開，二者之間沒有摩擦阻力，此時(shí)行星內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)速最大，行星架轉(zhuǎn)速為零，即輸出速度為零，此過程為減速停車階段。下次起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)環(huán)形活塞不施加控制油壓，電動(dòng)機(jī)只帶動(dòng)行星內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)。

由上可知，CST減速器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶有多片線性液粘摩擦離合器的差動(dòng)輪系行星減速器。

圖3液粘摩擦離合器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 CST性能特點(diǎn)和應(yīng)用

由上述工作原理可知，CST減速器具有的優(yōu)點(diǎn)是：電機(jī)空載啟動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)與電機(jī)的沖擊；無極調(diào)速，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車；在電控系統(tǒng)作用下均衡機(jī)頭和機(jī)尾驅(qū)動(dòng)部負(fù)載；還有刮板鏈被卡住時(shí)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；重載起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，直到最大轉(zhuǎn)矩。

CST減速器與變頻軟啟動(dòng)比較還具有以下特點(diǎn)：

（1）不存在高次諧波干擾現(xiàn)象，因此沒有污染電網(wǎng)影響其他電氣設(shè)備正常運(yùn)行的現(xiàn)象，也沒有高次諧波在電機(jī)軸上產(chǎn)生軸電流脈沖對(duì)軸承壽命的影響；

（2）在變頻軟啟動(dòng)中電動(dòng)機(jī)與減速器是剛性聯(lián)接，因此啟動(dòng)時(shí)仍有較大的機(jī)械沖擊。CST減速器在啟動(dòng)時(shí)無機(jī)械沖擊。

（3）CST減速器比變頻軟啟動(dòng)過載能力強(qiáng)。

（4）為實(shí)現(xiàn)尖峰載荷保護(hù)，變頻軟啟動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)需配置摩擦限矩器。CST減速器利用其離合器動(dòng)、靜摩擦片之間打滑實(shí)現(xiàn)尖峰載荷保護(hù)，當(dāng)滑差達(dá)到名義最大滑差的90%并持續(xù)0.15 s時(shí)，電液控制系統(tǒng)控制離合器脫開。

CST減速器的不足之處是換油費(fèi)用較高。

基于上述特點(diǎn)，CST減速器廣泛應(yīng)用于礦山，國內(nèi)最早是1993年用于帶式輸送機(jī)，由于結(jié)構(gòu)、尺寸、井下環(huán)境等因素，還不能用于綜采工作面刮板輸送機(jī)上。2006年神華神東公司首次使用了德國DBT公司生產(chǎn)的用于刮板輸送機(jī)的CST減速器（所有的液壓、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)，部分電控系統(tǒng)均內(nèi)置于減速箱內(nèi)），它的成功使用，為大型、特大型礦井的建設(shè)提供了設(shè)備技術(shù)保證，其他礦區(qū)的千萬噸礦井也相繼使用，為礦井創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。雖然近幾年部分工作面刮板輸送機(jī)使用了變頻技術(shù)，但目前仍有數(shù)百臺(tái)CST減速器用于工作面刮板輸送機(jī)上，實(shí)踐證明，CST減速器是成熟、可靠的軟啟動(dòng)裝置。

3 結(jié)束語

CST減速器是綜采工作面超重型刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)方法之一，為發(fā)揮CST的效能和降低生產(chǎn)機(jī)電成本，在使用中應(yīng)在油品、油質(zhì)、潤(rùn)滑、冷卻、應(yīng)急運(yùn)行等方面要做到正確維護(hù)和使用。