多机驱动带式输送机功率平衡装置的分析研究

王敬斌， 王建飞

（阳煤集团二矿， 山西 阳泉 045000）

引言

随着我国工业现代化生产水平的不断提高，以连续输送为主要特征的带式输送机得到广泛应用，而且正朝着长距离、大运量、高带速的方向发展，因此装机功率大大增加，为满足工况要求，采用多机驱动，但是多机驱动带式输送机容易出现启动冲击大、各驱动电机出力不均、正常运行耗能不合理的问题，因此，需要分析研究功率平衡常用装置，并进行合理选用[1]。

1 液黏软启动

液黏软启动 (Hydro Viscous Soft-Start Device)是依靠软启动装置内的油膜与摩擦片剪切力来进行扭矩传递，其机械原理如图1所示。该装置包括传动轴、摩擦片、油缸、碟形弹簧、密封件等部件构成。其中包括主动摩擦片和从动摩擦片，其相互交叉布置在主动轴以及从动轴上。其中，电动机连接主动轴，而带式输送机作为负载和从动轴连接。电动机启动带动其工作时，主动轴旋转，主动摩擦片位于主动轴上跟随一起旋转，主动摩擦片和从动摩擦片间油膜剪切，从动摩擦片跟随旋转进而带动从动轴旋转[2]。因此，改变油缸中的油压，从而改变两摩擦片间的油膜距离来进行调整从动轴的转速、扭矩大小从而使得带式输送机平稳启动。

液黏软起动系统的转矩方程为：

式中：ω1为主动摩擦片的角速度，rad/s；μ为动力黏度系数，Pa·s；n为油膜数；h为油膜厚度，m；R2为主、从动摩擦片的接触面外径，m；R1为主、从动摩擦片的接触面内径，m；i为主、从动摩擦片的旋转速度比。

图1 液黏软启动原理图

对于该结构类型液体黏性软起动装置，由式（1）可以看出，输出扭矩与主动摩擦片和从动摩擦片之间的角速度Δω成正比，与两摩擦片油膜距离大小h成反比；所以改变两摩擦片之间油膜距离可以改变扭矩和角速度大小，从而改变转速。

2 液力耦合器

液力耦合器是以液体为工作介质，通过改变液体动能来改变传递能量的大小。液力耦合器有两种类型：勺杆调速型液力耦合器以及加大后辅腔限矩型液力耦合器[3]。其中，加大后辅腔限矩型液力耦合器应用于中小功率型号的带式输送机，但是具有不可控充液量的缺点，因此难以实现多机功率平衡。勺杆调速型液力耦合器主要应用于较大功率输送机，其机械原理如下页图2所示。

调速型液力耦合器的工作原理如下，首先获得电动机工作电流大小，根据此电流大小来对勺杆的位置、充液量进行控制，从而达到调节输出力矩大小，可控软起动以及无级调速的目的，最终实现功率平衡[5-6]。但效率相对较低，有3%～5%的功率损失，不能最终实现同步传动，这样会导致发热和能量浪费。此外，调速范围较低，通常为30%～97%，调速精度也相对较低，误差为5%，因此很难实现多机驱动的功率平衡。

图2 调速型液力耦合器系统原理图

3 变频器

交流变频调速是20世纪80年代以来发展较快的技术，因调速和节能效果较好而被广泛应用诸多领域。

式中：n为转速；f为频率；s为转差率；p为磁极对数。

改变电动机的供电频率就能够实现无级变速，带式输送机的负载转矩大小相对稳定，因此，通过改变频率大小进而改变电源电压，使他们之间的比例为横值，这样可以改变电机输出功率大小。因此，注重电动机功率平衡的调节效果，变频器作为调速装置可以优先选择。但是，该整体装置存在投资和维护成本高、控制电路部分相对复杂的缺点，有些环境如矿井下有防爆要求，变频器这方面还不能有效解决。因此，目前变频器仅在小于355 kW的设备中使用。此外，功率较大的变频器会产生谐波，也会有较大的危害，电网因此会受到污染，干扰设备，影响其运行的稳定性[7]。对于井下这种环境恶劣、散热条件较差的应用场合，变频器还存在许多技术难题。

4CST系统

（Controlled Start Transmission System）是美国道奇公司（DODGE）开发的一种起动与调速装置，其将齿轮传动与黏性制动技术相结合，将行星齿轮减速机和液体黏性制动器合为一体。

电动机起动前，调节液压系统使黏性制动器制动力矩为零，电动机可实现空载起动。由于负载阻力矩的作用，行星架保持不动，内齿圈在行星轮的带动下空转。逐渐减小黏性制动器的摩擦片间隙，内齿圈上的制动力矩加大、转速逐渐减小，同时行星架输出轴上的转速逐渐升高。当内齿圈被完全制动时，输出轴转速达到最大，负载起动完毕。调节制动力矩的大小，也可实现负载的调速。CST起动和调速性能较好，可以实现1∶1的直接传动。但由于和行星齿轮减速机合为一体，其结构复杂，现场维护困难。同时受国内大功率行星齿轮减速机制造水平的限制，CST一直没有实现国产化，其昂贵的价格和配件费用让很多用户望而止步。CST系统的主要结构及工作原理如图3所示，传动装置性能参数如表1所示。

图3 CST系统的主要结构及工作原理图

表1 传动装置性能参数比较

5 结论

通过对传动装置的分析研究比较可以发现各种平衡装置的优缺点，从而为带式输送机功率平衡装置的选择设计提供参考。综合分析可知液黏软启动在功率平衡装置中效果较好，能够实现1∶1的直接传动，功率损耗较小，且相应速度较快，机械效率较高，此外可以实现无极调速，减小对设备的冲击，调速灵敏度高，易于实现自动控制，因此可以优先选用液黏软启动作为功率平衡的传动装置。