浅谈大型磨机传动系统的选用

张立秋

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 冶矿设备事业部， 辽宁 沈阳 110141)

浅谈大型磨机传动系统的选用

张立秋

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 冶矿设备事业部， 辽宁 沈阳 110141)

随着选矿和水泥工业规模的大型化，用于物料粉磨设备之一的磨机规格尺寸随之增大，使得传动系统的选择比以往更困难、考虑因素更多。传动系统的选择决定磨机的使用性能、维护性能，运行成本等关键指标。

大型磨机； 传动系统； 选用

由于在一定的投资下采用少而大的设备可以提高生产率，因而选矿和水泥工业磨机传动的容量不断增大。十年前6 000 kW的传动不过是想想而已，而今在使用280 000 kW的传动系统。但是，功率的增加使得传动系统面对的问题更复杂化，这主要是由于受到传动齿轮制造难度的限定，电机起动对电网冲击的限制。致使普通的磨机传动型式已无法具有良好的性能来满足大容量的传动系统，必须考虑采用新型的传动方式。

影响选用磨机传动系统的因素有[1]：传动方式、磨机驱动要求、投资与维护条件、电网特性和电动机型式、电压、效率、功率因数和起动的限制。下面就磨机的传动方式、磨机驱动要求及传动系统要求分别做阐述。

1 磨机驱动要求

对于磨机来说，在确定磨机满载运行需要的功率基础上，通常增加15%的余量，也就是磨机功率的使用系数取1.15。尽管如此，电动机必须有比较大的起动和牵入转矩倍数，以便磨机负载起动时克服磨机不平衡转动惯量产生的转矩。对电动机的起动转矩倍数不得小于1.5，牵入转矩倍数不得小于1.2。

起动转矩必须足以使装有不平衡重量的装载物料的磨机筒体转动到一定的角度位置后，磨机筒体内的物料自动抛落或泻落。在泻落点的正常转矩要求(正常运行的物料)不超过125%；但当磨机装满物料(最大负荷)时，要求140%的最大峰值转矩，这是磨机满载负荷起动所必须的转矩。

由于磨机的运行负荷比较稳定，故需要150%或175%的牵出转矩。

对于设有离合器的传动系统，电动机只需要克服自身的起动转矩、摩擦和风阻，因为电动机起动和同步是在磨机运行之前，对于自润滑轴承的电动机要求最大起动转矩倍为15%即可；对于同步电机来说可以不考虑牵入转矩，牵出转矩要求按离合器所引起的负荷波动来确定，一般使用200%的牵出转矩倍数。

2 磨机的传动方式

磨机传动方式可归纳为以下三种形式：[2]大小齿轮边缘传动、中心传动和无齿传动。前两种是用齿轮装置将电动机速度降低到磨机所需要速度。齿轮装置没有包括在投资的比较中，但是应经常的予以考虑。

如图1所示，小齿轮传动方式采用双电动机或单电动机，如果采用低速电动机，中间的减速机就不省去。如图2所示，中心传动方式采用一台电动机通过减速机来驱动磨机。这两种方式都可以用高起动转矩电动机直接联接到齿轮上，或者用低起动转矩电动机，在电动机和齿轮之间配置离合器，使电动机实现空载起动。

图1 双电机驱动方式

图2 单电机驱动方式

2.1 边缘齿轮传动方式

用一台或数台电动机，每台电动机带动一个小齿轮，同装在磨机的大齿轮相啮合(见图1)。这种形式在选矿工业中应用很普遍，在水泥行业中采用这种形式是因为一次投资少。但是由于其齿轮组不是完全密封的，与中心传动相比维护量大。

功率在8 000 kW以内的磨机可以使用单电动机传动，超过这个功率数值时，由于齿轮的限制，通常使用两个小齿轮，对于更大的磨机可以设想使用三个、四个甚至更多的传动装置。但是这将使负荷分配和电动机安装问题变得很麻烦。

2.2 中心传动方式

这种布置在水泥行业和氧化铝原料粉磨中常见。磨机、减速机和电动机在同一轴线上，如图2，磨机的中空轴用联轴节直接或通过液力偶合器联接到齿轮减速机。这种布置只使用一台电动机，在理论上对减速机或电机大小没有功率限制，只受减速机的承载能力和运行可靠性限制。

2.3 无齿轮传动方式

无齿轮传动有环式、悬臂式和直联式三种不同的传动方式。每一种都有其影响磨机和厂房的特征，但都采用一种低频电源供电的低速同步电动机。由于高效率的半导体低频电源的最新发展，因此无齿轮传动还是新型的方式。

环式传动的电动机环绕磨机筒体，电动机转子直接装在磨头或筒体上，如图3，因此，在所有传动布置中它占地面积最小。由于电动机直径大及结构特殊，要求用分瓣式的定子和转子，以便于运输和安装。

图3 环式无齿轮传动

悬臂式是将电动机转子安装在磨机传动轴的悬臂端,如图4，这种传动布置省掉了电动机的一个外轴承。但需要一个较大的磨机轴承来支承电动机转子的重量。

图4 悬臂式无齿轮传动

在电动机结构中，直联式是常用的。电动机安装在标准的轴架底座上并直接联到磨机的传动轴，如图5所示。

图5 直联式无齿轮传动

3 传动系统要求

适合于磨机的传动系统主要特性见表1，电动机的功率和转矩要求由磨机决定，见磨机的要求。[3]

3.1 鼠龙感应电动机

这是最简单的电动型式。由于它要求高起动转矩而引起很大的起动电流——约9倍于直接传动，过高的起动电流常常促使电压下降，而使用电阻的转子线圈来降低起动电流是不经济的，因为这样就使得损耗增大和效率降低。

此外，运行功率因数的滞后应予以注意。电源和配电设备将必须比电动机大得多，否则就要供给大量的无功功率。随着无功的需要，电费也就增加了。

表1 磨机传动的典型特性

注：S—起动转矩倍数；PI—牵入转矩倍数；P0—牵出转矩倍数；无齿轮同步机效率与功率因数包括电动机、循环换流器和变压器。

3.2 同步电动机(带齿轮)

由于其投资不高且能满足大多数磨机和电网的要求，因而这种型式的使用是最普遍的。在起动时它比鼠笼感应电动机具有较好的转矩电流比。并且，重要的是它具有改善功率因数(直到超前功尽弃0.8)的能力。但是，对于大型磨机，同步电机不一定是最好的，因为它可能要求大于电网所能供给的起动电流。

典型的“速度—转矩”曲线如图6所示，同步电动机可以用单独的电源和控制设备来进行电动调位。

图6 同步电机传动的速度—转矩曲线

高转矩同步电动机用于直接传动，假定电动机的功率因数为0.8，通常起动电流为600～625%额定电流，对于6kV或更高电压的电动机机为700%。

图7 绕线转子感应电机的速度—转矩曲线

无论是用于高转矩还是低转矩，大部分用于磨机传动的同步电动机额定功率因数都是0.8。这类电动机的投资只比功率因数为1的电动机高出20%，所以它对改善工厂功率因数最经济的方法。

起动时必须确定电网铁压降和它与净起动转矩的关系。某一特定网络所容许的起动容量可能太低，不能使电动机发出磨机所需要的足够起动转矩。如果电动机选择较高的全压转矩时，它将吸收较高的起动功率，因而引起较大的压降和较小的净转矩。

起动转矩和牵入转矩都影响电动机的起动电源。净转矩与全电压转矩的关系往往被误解而产生问题，所有电动机的性能都是以全电压为基准的，没有考虑电网的压降。假若将电动机连接到一无穷大电源，就能够指定150%起动转矩和120%的牵入转矩，而使电动机机安全地起动。但是，实际上当电动机起动时，电网的线路阻抗、变压器阻抗和电缆阻抗都会引起很大的压降，这一压降以电压的平方关系降低了电动机的全电压转矩，因此，实际产生的转矩是人们必须加以考虑的。这就是通称的净转矩，它必须等于或大于磨机所要求的转矩，净转矩是根据电动机和电网的参数来计算的。

与其选用通常的200%起动转矩和140%牵入转矩，不如选用225%起动转矩和150%牵入转矩，以保证磨机起动。但是，由于高转矩电动机带来大的起动电流和压降，净转矩的增加将比全压转矩的增加少一半，而且，高转矩电动机比较贵。考虑用装设较大的变压器或重新安排电网的办法来增加电网的起动能力往往是实用的。

典型的直接传动全压电动机转矩是：起动转矩200%，牵入转矩140%，牵出转矩200%，在电动机为3 kV，功率因数为0.8或更小的情况下，典型的起动功率是625%，它随着电动机速度变化而变化。

当不容许高转矩电动机的起动电流或必须尽量减少一次投资时，可以用低转矩同步电动机(带气动离合器传动)，其全电压起动电流大体为高转矩电动机的一半，低起动电流实际上消除了起动时的压降问题，并且在必要时适合于降压起动。

典型的全电压电动机转矩是：起动转矩40%，牵入转矩30%，牵出转矩200%，功率因数为0.8或更小的情况下，典型的起动电流是325%，起动电流依电动机速度变化而变化。

电动机达到同步后，离合器接合是磨机加速中最关键的时刻，此时电动机必须有足够的牵出转矩。

3.3 绕线式转子感应电动机

这种电动机有一个圆柱形的转子，转子上的三相绕组引到三个滑环，以便和起动电阻相连接，它具有一个非常明显的优点，即起动电流低。调节转子回路的起动电阻就可以控制转矩并限制起动电流使之不大于225%。

有两种起动用转子回路控制方法：步进电阻器或液体变阻器。液体变阻器可以无级加速如图7。浸在液体中并由电动机带动的电极连续地调整转子电阻，因此产生平滑“速度—转矩”和“速度—电流”特性。这种控制方法可以使磨机平稳的起动并在一限定的电流下加速。

功率因数和效率随速度的降低而迅速地减低，因此，在低于450 r/min下应用绕线转子电动机是不实用的。

绕线转子电动机具有其固有的调位能力，只需在转子电路中做少许变化即可，为了这个目的，这种控制方法可以设计成利用第一个或第二起动点。

3.4 无齿轮同步电动机

这种电动机在极低的转速下运行，无需使用齿轮。但因电动机的额定转速降低，其直径必然增大，以装设数量极多的磁极。在无齿轮磨机传动所需的低速情况下，60 Hz的电机将要求许多极数和很大的直径。因此，无齿轮传动采用低频电源—约5 Hz—以使电机有适当的尺寸和极数。

无齿轮传动的重要优点在于取消了齿轮的运行和维护问题。电源频率也可以从零开始调节，使电动机在极低的速度下投入同步。用低速起动时，起动电流可以限制到小于2倍额定电流。磨机的速度可以通过循环换流器控制以每赫兹恒定电压在全速范围内方便而有效地进行调整。速度控制可以使磨机速度适应磨机负载的变化特性。这是能够改进磨机效率的一个特点。可以允许电动机有较大的间隙，以容许转子的热膨胀。

传动效率估计为92%，包括电动机、循环换流器和供电变压器。当用这个数值与普通的电动机——齿轮传动相比较时，后者的齿轮和变压器产效率应包括在内。

循环换流器的输入端的平均滞后功率因数可为0.85～0.87。这个数值是以使用功率因数为1的电动机和循环换流器的方形或梯形输出波为基础的，这样一种波形改善了循环换流器输入端的功率因数，如果要改善功率因数，可以把电容器加到60 Hz电源系统。

由于循环换流器和特殊的电动机结构，一次投资比较高，在14 MW以下很少使用无齿轮传动，当环式与一般的传动方式相比较时，必须将电动机附加装置的投资与一般传动的齿轮投资相比较。

4 结论

当要选择一台大型磨机的传动系统时，许多实际问题需要加以解决，以求达到性能最佳和投资最低，但是无论磨机规格的大小和电网的结构如何，适当的传动系统是可以达到目的的。

[1] 周恩浦．矿山机械[M].北京：冶金工业出版社，1979．

[2] 周伟康．大型磨机的传动设计与装置介绍[J].水泥，1997，(3).

[3] 郑时刚．对传动磨机用同步异步电动机电气性能要求的讨论[J].大电机技术，1981，(5).

Introduction of Selection of Large-scale Mill Transmission System

ZHANG Li-qiu

With large scale of mineral processing and cement industry, the size of mill which is used for one of material grinding equipments increases also, makes the selection of the transmission system more difficult, needs much more factors to consider. The selection of the transmission system, will influence service performance, maintenance performance, running cost and other key indicators.

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2015-08-20

张立秋(1981-)，男，吉林乾安人，工程师，大学本科，主要从事冶金矿山设备设计研发工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司冶矿设备事业部技术所所长。

TD453

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1003-8884(2015)06-0005-04