煤矿胶带运输机软启动装置原理分析

黄建锋

【摘 要】带式输送机由于自身系统构造比较简单，运行性能较为稳定，在煤炭产业中承担着输送矿料的基本任务，其驱动功能较大，传送距离较长，且驱动点数量偏多。为此本文详细阐述了煤矿胶带运输机几种常见的软启动装置，福伊特液力耦合器、CST系统、变频器调速装置的工作原理、结构和特点，通过分析能够更好的选择合适的软启动方式。

【关键词】液力耦合器；CST；变频器

0 引言

大型带式输送机，在工作期间，要求具备合理的驱动功率、布置形式以及驱动数量的基础上，还要处理好输送机自身的启动问题。输送机的启动过程也是加速过程，其加速度从“0”不断增加值最大值，然后又降低至“0”，而在输送过程中，输送带将会出现黏弹性变形，使得输送机处在极不稳定的运行状态下，最终产生动张力。当带速越高时，传输机的启动时间将越长，其东张力则越大，所产生的瞬时冲击力则越大，严重情况下，将会造成传输带及其他元部件的损坏。假设启动时间足够长，且能够控制好启动速度，使得动张力降至最低，就能够消除瞬时冲击。

1 科学地选择软启动方式

现阶段，中煤平朔集团井工矿已经采取了变频调速装置、福伊特液力调速装置以及差动轮系液黏调速装置（CST）。

传统电动机的直接启动方式以及电动机与限矩型偶合器的联合启动方式已经无法达到大型带式输送机的实际运行要求。假设采取传统直接启动方式，用在长距离、高速度、大运量、大功率的带式传输机中，因为启动时间是1秒至3秒，启动加速度则超过了0.3m/s2，将会出现三个问题：

问题一：启动过程中将会出现打滑问题。因为大型带式传输机的功率以及长度偏大，假设启动时间偏短，将会发生打滑问题。而为了避免打滑问题，确保传输机的正常启动，应提升张紧装置的实际初张力，进而增加传输带与滚筒之间的摩擦力，这样将会加大有关连接部件的实际受力，且对传输机的强度要求以及刚度要求也会提高，最终提高了整机的初期投资。

问题二：瞬态冲击增大。在启动过程中，将会产生动态初张力，且初张力将比正常运行时的稳态张力高出数倍，而常常产生的的动态初张力，将会降低输送带的实际使用寿命，且急剧增加的动态初张力有可能回造成断带问题。因此，为确保输送带的稳定运行，要求提升输送带的运行强度等级，这也就会增加输送带的初级投资。此外，输送带强度等级的提升，还要求加大滚筒直径，确保能够达到输送带的最小弯曲半径要求，这样也就会增加机械加工件的初期投资。

问题三：电动机功率的增加问题。因为启动时间偏短，启动力矩偏大，将会烧毁电机。所以在电动机选型过程中，应全面提升电动机的安全系数，科学增加正常运行情况下的能耗。同时，大功率型电动机，在较短的启动时间内，会对附近电网环境产生较大的冲击，其负面影响更加严重。因此，按照国家有关标准，带式输送机的启动加速度应控制在0.3m/s2以下，这样就能够有效降低整机的瞬时冲击及动载荷，防止造成输送带以及其他元部件的受损。

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尔原理工作的液力偶合器，偶合器液力传动基于泵轮和涡轮的相互作用。工作中，可以改变充液量。偶合器的泵轮和壳体组成工作腔，涡轮被包含在工作腔内，由于泵轮和涡轮并不接触，所以没有任何磨损。驱动电机提供的机械能被转化成工作液体的动能。在涡轮中，这种液体动能又被转换成机械能。充液量决定了动力传递能力。

福伊特液力耦合器电控系统主要是由一个主站控制箱以及不低于一个分站控制箱组建而成。其中在主站控制箱内设有隔离开关、电源模块、变压器、主控制模块、滤波器、CAN总线、液晶显示模块、MODBUS总线、键盘处理模块以及对带式输送机的电控系统发出的接口信号等。主站控制箱在运行期间，首先带式输送机的电控系统会对液力耦合器的主站控制箱发出启动信号，而所有分站控制箱则按照所设置的液力耦合器油温来识别温度是否偏高。然后所有分站控制箱按照液力耦合器启动流程（包括了空载阶段→微动阶段→预张紧阶段→加速阶段）完成工作，并大达到所有液力耦合器功率的平衡。如果在启动期间，发生了设备故障，主站控制箱将会把故障信号发送至带式输送机的电控系统，停止主电机的运行；如果没有发生设备故障，启动完成信号将会直接传送到带式输送机的电控系统，开始主电机的运行（图1）。

2.2 福伊特液力耦合器的优缺点

福伊特液力耦合器的优点在于：①按照随带式输送机的主参数随意调节福伊特液力耦合器的启动时间，使输送机按照S型启动速度曲线稳定启动，实现满载启动。②保证输送机的启动加速度值控制在0.1～0.3m/s的范围内，确保输送带的启动张力能够控制在允许范围内。③保证鼠笼式电动机的空载启动，利用其尖峰力矩作启动力矩，全面提升其启动能力，减少了电动机的实际启动时间。④在作用于多机驱动的过程中，能够达到多机功率平衡，其平衡精度是±5%。⑤隔离扭矩，减缓冲击，避免动力过载，对电动机以及输送机的主要部件起到了保护作用。⑥易于实现对输送机的遥控和自动控制，操作简便。⑦提高输送机的使用寿命，减少噪音，改善劳动环境。⑧投资少，运营费用低。⑨结构简单可靠，无机械磨损，能在恶劣的环境条件下工作，无须特殊保护，使用寿命长。⑩能实现多机顺序启动，减少对外界电网的冲击；操作维护简单，备品备件容易获得。

福伊特液力耦合器的缺点在于：①启动性能较液粘性稍差些。②会产生滑差，其效率损失大约是2%。③体积偏大，发热量偏大。④调速精度以及传动效率并不能和变频调速以及CST相提并论。

3 CST（Controlled Start Transmission）系统可控传动技术

3.1 工作原理（图2）

CST系统是专为大型带式输送机研发的一种驱动装置，该系统集集减速器、调速与离合为一体，是由由多级齿轮减速器、液压系统、湿式、线形离合器以及控制系统组建而成。其中湿式、线形离合器则是由多个动片及静片交叉、叠合组成。平行轴式CST即二级齿轮减速器，其中第一级为斜齿轮，第二级是为行星齿轮，输出轴和负载（带式输送机的驱动滚筒）相连接。此外，CST设计的目的在于用来平滑地启动高惯性负载，如重载带式输送机，利用离合器上的液压压力，来改变CST的输出力矩。

CST控制系统是由上海院的电控箱、操作台；道奇公司的CST控制箱、按钮箱、若干传感器、天津华宁皮带保护系统等共同组成的。其中上海院的控制系统为中心，道奇公司的CST系统为核心。上海院的控制系统完成对主电机、CST系统的控制，实时监控显示所有保护信号，并在接受到故障信号时加以识别及时发出相应的信号（图3）。

3.2 特点

CST系统的优点在于：①启动平稳，传动效率高，可达99%；②输送带受力平稳，主电机可以在空载状态起动，从而减小了起动冲击电流并缩短了起动时间；③允许操作员进行更灵活的带式输送机起停操作，而无需反复起停主电机；④提高了CST控制的可操作性，在多驱动并行系统中，可临时离线处理（停止）某台CST的运行；⑤保护功能齐全。

CST系统的缺点在于：①集调速系统与减速器合为一体，体积偏大，安装不便；②控制系统复杂，维护量较大；③在高速轴上，安装逆止器和制动器比较困难；④价格偏高，备品备件要进口。

4 变频器调速装置

4.1 变频器调速装置的基本工作原理

该装置是由功率器件—IGBT绝缘栅极可控晶体管、电抗器以及控制器等组建而成成。该装置的基本工作原理是在于：利用控制器，对功率器件上的绝缘栅极进行调节，使进入功率器件的交流电源的频率发生变化。在控制频率的变化范围以及时间的情况下，就能够保证输送机的平稳启动，实现软启动（图4）。

4.2 特点

变频器调速装置的优点在于：①在启动过程中，其调速精度高；②能够变速运行；③调速范围较大。

变频器调速装置的缺点在于：①电动机不能空载启动；②防爆产品依赖进口，价格高；③控制复杂，使用维护要求高，对环境温度以及清洁度的要求较高；④备品备件要进口，事故处理也依赖外国公司；⑤虽然电抗器能够减少对外部电源的污染，然而频率改变，且会对电源造成一定的污染；⑥在井下使用时，功率器件的发热总是较难解决。现阶段，在煤矿井下极少使用变频调速装置，而在地面皮带驱动系统中使用较为广泛。

5 结论

笔者认为按照《煤矿安全规程》第373条规定，为了合理降低启动过程中偏大的启动力矩，在带式输送机上加设软启动装置。而科学地选用大型带式输送机的软启动方式，则是煤炭技术人员在工作中应解决的实际问题。与此同时，笔者通过对煤平朔集团各井工矿使用的多条强力带式输送机情况加以分析发现：调速型液力偶合器完全能满足带式输送机软启动要求，和其它软启动相比，其具有更优良的性价比，技术可行，经济合理，操作维护简单，应优先选用。

【参考文献】

[1]黄万吉.矿山运输机械设计[M].沈阳：东北工业学院出版社，1990.

[2]吴明龙.YT系列液力调速装置的结构原理及技术特点[J].煤矿机电，1999（1）：14-16.

[3]孙恒.机械原理教学指南[M].北京：高教出版社.

[4]林浔钟.差速器变频无级调速[J].煤矿机械，1998，19（8）：34-36.

[责任编辑：王楠]