潘志勇,姚 蓉,姚 冰

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410208)

液力偶合器在帶式輸送機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)越性分析＊

潘志勇,姚 蓉,姚 冰

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410208)

通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求的分析,提出了采用電機(jī)加液力偶合器機(jī)械系統(tǒng)來(lái)滿足帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)要求的理論根據(jù),給出了帶式輸送機(jī)配用液力偶合器的科學(xué)依據(jù),并就液力偶合器在帶式輸送機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)越性進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

帶式輸送機(jī);液力偶合器;優(yōu)越性

0 前 言

帶式輸送機(jī)與其他運(yùn)輸形式比較,具有許多優(yōu)勢(shì),如非常適合散裝物料運(yùn)輸,運(yùn)輸成本低,設(shè)備簡(jiǎn)便,維修容易,費(fèi)用低等等,因此帶式輸送機(jī)已廣泛應(yīng)用于鋼廠、鐵廠、港口、碼頭、水泥廠、礦山等大型企業(yè),而且?guī)捷斔蜋C(jī)不斷向長(zhǎng)距離、大功率發(fā)展。在設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離、大功率的帶式輸送機(jī)時(shí),考慮到大電機(jī)在設(shè)計(jì)、維修和安裝上不便和成本等因素,設(shè)計(jì)人員通常采用多電機(jī)、多滾筒驅(qū)動(dòng)形式。這樣,長(zhǎng)距離、大功率的帶式輸送機(jī)就出現(xiàn)起動(dòng)性能變壞和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性下降明顯的問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外都采用了液力偶合器,并取得了明顯的效果。本文就液力偶合器在帶式輸送機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)越性進(jìn)行了詳細(xì)的研究,給出了帶式輸送機(jī)配用液力偶合器的科學(xué)依據(jù)。

1 帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求

帶式輸送機(jī)像其他大慣量設(shè)備一樣具有很大的起動(dòng)慣量并難于起動(dòng),尤其是長(zhǎng)距離、大功率的帶式輸送機(jī),通常它們的起動(dòng)力矩是額定力矩的3～3.5倍,若電機(jī)選型不當(dāng)或電壓波動(dòng)較大時(shí)就難于起動(dòng),甚至有時(shí)燒毀電機(jī)。

按動(dòng)力學(xué)分析,在載荷起動(dòng)瞬間作用在電機(jī)軸上的起動(dòng)力矩為:TZQ=TC+TA

式中:Tc——與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的摩擦阻力矩,是軸承及機(jī)械接觸摩擦力矩與工作機(jī)阻力矩之和,對(duì)具體設(shè)備為常量;

Ta——載荷加速力矩,Ta=Jε。

加速力矩與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J及角加速度ε有正比關(guān)系,或者與系統(tǒng)物體質(zhì)量m、加速度a成正比,而與載荷加速時(shí)間t成反比,因此載荷加速時(shí)間越短,加速力矩Ta和TZQ就越大。電機(jī)直連傳動(dòng)起動(dòng)時(shí),構(gòu)成沖擊載荷,加速時(shí)間極短,則起動(dòng)力矩很大而難于起動(dòng)。若起動(dòng)力矩很大,帶式輸送機(jī)的膠帶起動(dòng)張力過(guò)大,就會(huì)大大降低帶式輸送機(jī)膠帶的使用壽命,而在帶式輸送機(jī)成本中膠帶占40%以上。若電機(jī)拖不動(dòng)則形成“悶車(chē)”而加長(zhǎng)了起動(dòng)電流持續(xù)時(shí)間,再嚴(yán)重時(shí)就燒毀電機(jī)。

再者,對(duì)長(zhǎng)距離、大功率帶式輸送機(jī)在設(shè)計(jì)上采用多電機(jī)、多滾筒驅(qū)動(dòng),再加上膠帶的變形,各處散裝物料的不均勻,電機(jī)、滾筒制作的偏差,必然會(huì)引起帶式輸送機(jī)運(yùn)行的不均衡。

綜上分析,帶式輸送機(jī)在驅(qū)動(dòng)運(yùn)行中應(yīng)該滿足以下要求:

(1)限矩起動(dòng);

(2)過(guò)載保護(hù);

(3)起動(dòng)運(yùn)行均衡。

要滿足這些要求,有許多方法,如變頻起動(dòng)、加載偶合器等。變頻起動(dòng),不僅技術(shù)要求高,成本很高,而且適應(yīng)環(huán)境的能力差、維修復(fù)雜。而加裝液力偶合器可改善電機(jī)起動(dòng)狀況,是解決上述問(wèn)題的有效辦法。

2 液力偶合器應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的優(yōu)越性

2.1 電機(jī)起動(dòng)能力分析

在籠型電動(dòng)機(jī)加液力偶合器聯(lián)合拖動(dòng)主機(jī)時(shí),電機(jī)的外特性就是液力偶合器的輸入特性,液力偶合器的輸出特性就是電機(jī)的負(fù)載特性(即工作機(jī)的輸入特性)。通常籠型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩遠(yuǎn)小于最大力矩,配以液力偶合器后,使其聯(lián)合工作的起動(dòng)力矩大為增高,甚至接近電機(jī)的最大力矩,且使電動(dòng)機(jī)起步瞬間接近空載起動(dòng)。

如圖1所示,動(dòng)力機(jī)加裝液力偶合器傳動(dòng)后,直接負(fù)載由工作機(jī)改為偶合器泵輪,因偶合器泵輪力矩與其轉(zhuǎn)速的2次方成正比,且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小,故動(dòng)力機(jī)近似等于帶偶合器泵輪空載啟動(dòng),所以啟動(dòng)輕快平穩(wěn),啟動(dòng)時(shí)間短,啟動(dòng)電流均值低,對(duì)電網(wǎng)沖擊小,啟動(dòng)性能得以改善。渦輪起動(dòng)后,輸出力矩立即升高。

圖1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意

從圖2可以看出,由電機(jī)和液力偶合器聯(lián)合拖動(dòng)的帶式輸送機(jī)在空載、滿載和超載的情況下起動(dòng)、運(yùn)行都是一樣,電機(jī)的尖峰電流在起動(dòng)和運(yùn)行中幾乎不存在。這樣,就達(dá)到了液力偶合器增大電機(jī)起動(dòng)能力的效果,而且使整機(jī)平穩(wěn)起動(dòng),起動(dòng)時(shí)間縮短,從而可允許降低膠帶抗張強(qiáng)度要求和延長(zhǎng)膠帶壽命。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)的過(guò)載防護(hù)分析

機(jī)械系統(tǒng)過(guò)載的原因,不外乎3種情況:工作機(jī)阻力負(fù)載緩慢或突然增加而超過(guò)額定工況的正常情形;異步電機(jī)運(yùn)行中因電網(wǎng)電壓突然下降而使電機(jī)外特性跌落,從而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩低于額定工況的正常值;工作機(jī)運(yùn)行中因故突然卡住而造成的動(dòng)力過(guò)載。

在電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中,工作負(fù)載增加超過(guò)電機(jī)的額定點(diǎn),但低于尖峰轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí),屬于正常過(guò)載,仍能短期穩(wěn)定工作,但電流較額定值增大。因此,正常過(guò)載允許時(shí)間根據(jù)電機(jī)發(fā)熱時(shí)間決定,一般采用熱繼電保護(hù)。當(dāng)工作負(fù)載增加超過(guò)電機(jī)的額定點(diǎn),且高于尖峰轉(zhuǎn)矩點(diǎn)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)與工作機(jī)一起失速直到堵轉(zhuǎn),電機(jī)則受到較大電流I沖擊而使電機(jī)絕緣發(fā)熱和電網(wǎng)電壓下降,甚至燒毀。若在運(yùn)行中工作機(jī)突然被制動(dòng)時(shí),一方面電機(jī)因堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大電流沖擊,另一方面,制動(dòng)系統(tǒng)慣性質(zhì)量的動(dòng)能在一瞬間釋放出來(lái)會(huì)在電機(jī)到工作機(jī)的環(huán)節(jié)中產(chǎn)生很大的動(dòng)力載荷沖擊,造成系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)損壞。

圖2 裝與不裝液力偶合器電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性分析

圖3是電機(jī)加液力偶合器系統(tǒng)中工作負(fù)載制動(dòng)時(shí)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)圖,可以看出,在電機(jī)加液力偶合器機(jī)械系統(tǒng)中,即使負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩而造成非正常過(guò)載,或工作機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中因異物卡住或其它特殊故障突然制動(dòng),工作機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降到零速工況點(diǎn),即液力偶合器渦輪停止不轉(zhuǎn),但電機(jī)仍在最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)附近運(yùn)行,因而就不會(huì)發(fā)生失速堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象,同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大,因而也就不會(huì)發(fā)生電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量突然失速堵轉(zhuǎn)而使電機(jī)軸和傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的動(dòng)力過(guò)載(見(jiàn)圖4)。因此,液力偶合器對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)力過(guò)載能夠有效防護(hù)。

2.3 節(jié)能作用分析

電機(jī)加液力偶合器聯(lián)合起動(dòng)帶式輸送機(jī)不僅能夠解決帶式輸送機(jī)限矩起動(dòng)、過(guò)載保護(hù)、運(yùn)行平穩(wěn)等技術(shù)難題,而且具有一定的節(jié)能作用。

圖3 裝液力偶合器電動(dòng)機(jī)工作負(fù)載制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)

圖4 電機(jī)加液力偶合器系統(tǒng)動(dòng)力過(guò)載

(1)兩步起動(dòng)改善了起動(dòng)性能,降低了工作機(jī)起動(dòng)力矩而節(jié)能。在電機(jī)與載荷之間加裝液力偶合器,使原來(lái)的“直聯(lián)”中間加入柔性的液力傳動(dòng),變“直聯(lián)”時(shí)的一步起動(dòng)為兩步起動(dòng)。由圖5可見(jiàn),液力偶合器的應(yīng)用提高了電機(jī)起動(dòng)載荷能力,小電機(jī)能夠起動(dòng)原大電機(jī)才能起動(dòng)的載荷(MTQ＞MZQ)。

圖5 大慣量設(shè)備裝與不裝液力偶合器的特性比較

(2)降低了啟動(dòng)電流及其持續(xù)時(shí)間——電機(jī)空載起動(dòng)節(jié)能。加裝液力偶合器后的兩步啟動(dòng)使電機(jī)與載荷的啟動(dòng)電流相互錯(cuò)開(kāi)、不疊加,又由于電機(jī)空載啟動(dòng)后接下的是輕載軟起動(dòng)(MB∝n21啟動(dòng)中轉(zhuǎn)速低、力矩小,電流低),電機(jī)升速快。所以降低了啟動(dòng)電流及其持續(xù)時(shí)間。與電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)相比,有明顯的啟動(dòng)節(jié)電作用(見(jiàn)圖6)。

(3)提高了電機(jī)啟動(dòng)載荷的能力。在啟動(dòng)過(guò)程中隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,泵輪力矩亦升高,在某一轉(zhuǎn)速下,MB=MT≥MZQ時(shí),渦輪帶著載荷起步運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)并非以電機(jī)的啟動(dòng)力矩去直接啟動(dòng)載荷,而是以渦輪的啟動(dòng)力矩(MTQ)去啟動(dòng)載荷。故液力傳動(dòng)的應(yīng)用提高了電機(jī)啟動(dòng)載荷的能力。

圖6 應(yīng)用液力傳動(dòng)電機(jī)空載起動(dòng)的節(jié)能原理

(4)匹配合理,降低裝機(jī)容量而節(jié)能。加裝液力偶合器,一方面使載荷啟動(dòng)力矩降低了,另一方面又提高了電機(jī)啟動(dòng)載荷的能力,因此可降低配用電機(jī)的機(jī)座號(hào),應(yīng)用小規(guī)格電機(jī)即可滿足大慣量設(shè)備的起動(dòng)要求(見(jiàn)圖5)。利用渦輪啟動(dòng)力矩起動(dòng)載荷后,在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)因接近其額定工況運(yùn)行,故運(yùn)行功率因數(shù)高,效率高,自身?yè)p耗(風(fēng)損,鐵損,銅損等)小,雖然液力偶合器有4%左右的轉(zhuǎn)差損失,但與其效益相抵后仍有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,有明顯的節(jié)電效果。

3 結(jié) 論

起動(dòng)難、停車(chē)難和啟動(dòng)時(shí)的縱向振蕩波是帶式輸送機(jī)的3大技術(shù)難題。液力偶合器的應(yīng)用可以很好地解決這些問(wèn)題。通過(guò)以上分析,在帶式輸送機(jī)上配用液力偶合器具有許多優(yōu)越性:

(1)由于使整機(jī)平穩(wěn)起動(dòng),起動(dòng)時(shí)間縮短,能夠降低張峰值,從而可允許降低膠帶抗張強(qiáng)度要求和延長(zhǎng)膠帶壽命;

(2)液力偶合器對(duì)帶式輸送機(jī)的動(dòng)力過(guò)載能夠有效防護(hù);

(3)在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)或多級(jí)驅(qū)動(dòng)時(shí),可通過(guò)對(duì)限矩型液力偶合器充液量的調(diào)節(jié)來(lái)使各電機(jī)功率平衡,且可順序延時(shí)起動(dòng),降低起動(dòng)電流峰值,減低變壓器容量;

(4)帶式輸送機(jī)采用液力偶合器后,整機(jī)可采用價(jià)廉的鼠籠式電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng);

(5)可避免電力超載和電機(jī)的起動(dòng)消耗,具有相當(dāng)?shù)墓?jié)能作用;

(6)鼠籠式電機(jī)加液力偶合器的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,所用機(jī)械、電氣構(gòu)件少,運(yùn)行可靠、維修費(fèi)用低。

[1]楊乃喬,姜麗英.液力調(diào)速與節(jié)能[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.

[2]魏宸官,趙家象.液體粘性傳動(dòng)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1996.

[3]楊乃喬.液力偶合器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

[4]徐 灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[5]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2卷)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[6]馬文星.液力傳動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[7]李壯云.液壓、氣動(dòng)與液力工程手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[8]李有義.液力傳動(dòng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(08D046).

2010-06-08)

潘志勇(1970-),男,湖南永州人,碩士,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事材料工程研究。