張春紅，姜 輝，滕 強(qiáng)，趙 丹，于 娜

(大連日牽電機(jī)有限公司，遼寧大連 116036)

1 技術(shù)背景

電鏟是千萬(wàn)噸級(jí)露天礦山主要采掘設(shè)備之一，具有生產(chǎn)率高、作業(yè)率高、操作成本低等特點(diǎn)，是目前采礦業(yè)公認(rèn)的先進(jìn)機(jī)型[1]。在我國(guó)各大礦區(qū)均能見到它的身影，特別是在千萬(wàn)噸級(jí)的大型露天煤礦、鐵礦中，電鏟已成為礦山挖掘設(shè)備的主力軍。

礦山機(jī)電的先進(jìn)性與現(xiàn)代化，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)化水平[2]。目前，在國(guó)內(nèi)服役的各類電鏟，絕大多數(shù)都來(lái)自國(guó)外。長(zhǎng)期的依賴進(jìn)口，使國(guó)內(nèi)本就起步較晚的電鏟制造廠發(fā)展空間嚴(yán)重受限。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)有能力設(shè)計(jì)并生產(chǎn)該產(chǎn)品的廠家屈指可數(shù)。有能力批量配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)的生產(chǎn)商也寥寥無(wú)幾。

在運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)電鏟中，4 m3、5 m3、10 m3斗容的中型電鏟產(chǎn)品居多，我公司已為該類電鏟批量配套直流和交流型驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)單、運(yùn)行特性好，在中小型電鏟中已成熟應(yīng)用多年。但在大型電鏟中，交流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)能、免維護(hù)特性使得其綜合性能較直流電鏟更勝一籌。

交流電鏟驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相交流變頻電動(dòng)機(jī)，但又不同于普通的變頻電機(jī)。分別用于驅(qū)動(dòng)不同機(jī)構(gòu)的提升、推壓、行走、回轉(zhuǎn)四種電機(jī)需要根據(jù)各自的安裝尺寸、運(yùn)行特性進(jìn)行量身定制。在有限的空間條件下，開發(fā)出既能滿足性能需要，又能在惡劣使用環(huán)境下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的產(chǎn)品是電機(jī)生產(chǎn)廠必須要考慮的問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)要求

礦用電鏟工作過(guò)程中負(fù)載變化大，車體振動(dòng)大，電機(jī)運(yùn)行時(shí)頻繁啟停，正反轉(zhuǎn)，特別是推壓電機(jī)，負(fù)載沖擊大，過(guò)載頻繁。無(wú)論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是性能設(shè)計(jì)都必須留有充足的余量，保證其長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

在消化和總結(jié)已有成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我公司開發(fā)出一套電鏟用交流異步變頻電動(dòng)機(jī)，可配套鏟斗容量為12 m3的礦用電鏟挖掘機(jī)。

2.1 電磁設(shè)計(jì)

一臺(tái)電鏟機(jī)組配有四種規(guī)格的電機(jī)，各自驅(qū)動(dòng)不同的部件，具有不同的負(fù)載特性。需要依據(jù)各自的負(fù)載特性分別進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)。特別是恒轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、恒功率點(diǎn)和熱負(fù)荷的選取尤為重要，它們直接影響電鏟運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。除行走電機(jī)工作制為S2外，提升電機(jī)、推壓電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)工作制皆為S1。根據(jù)四種電機(jī)的負(fù)載特性分別繪制的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，如圖1～4所示。

回轉(zhuǎn)電機(jī)與提升電機(jī)安裝在電鏟機(jī)艙內(nèi)部，同為強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，防護(hù)等級(jí)采用IP21。推壓電機(jī)安裝在機(jī)艙外部，防護(hù)等級(jí)為IP23，并通過(guò)風(fēng)管將冷卻風(fēng)從風(fēng)機(jī)輸送給電機(jī)。行走電機(jī)安裝于車輛履帶附近，環(huán)境條件最惡劣，采用IP54的結(jié)構(gòu)，自然冷卻。經(jīng)計(jì)算，在額定載荷和額定轉(zhuǎn)速下四種電機(jī)的熱負(fù)荷分別為：提升電機(jī)3 800，推壓電機(jī)3 100，回轉(zhuǎn)電機(jī)3 600，行走電機(jī)2 300[3]。電機(jī)額定點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

圖1 提升電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

圖2 推壓電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

圖3 回轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

圖4 行走電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

電機(jī)名稱提升電機(jī)推壓電機(jī)回轉(zhuǎn)電機(jī)行走電機(jī)額定功率/kW710260170170額定電壓/V690690690690額定頻率/Hz37.537.535.535.5額定電流/A702260174174額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)746743704704額定轉(zhuǎn)矩/N·m9089334123062306額定效率/%0.950.950.950.95功率因數(shù)0.890.880.860.86

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電鏟電機(jī)使用環(huán)境惡劣，負(fù)載波動(dòng)大，沖擊快，過(guò)載頻繁，電鏟運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大。普通電機(jī)無(wú)法承受這樣的工作環(huán)境，這就要求電鏟電機(jī)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。

該套電機(jī)定子繞組全部采用成型線圈形式，導(dǎo)線絕緣為雙層耐電暈聚酰亞胺-氟46復(fù)合繞包，耐溫可達(dá)200°。對(duì)地絕緣為耐電暈聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶配合H級(jí)復(fù)合材料槽絕緣。這種絕緣結(jié)構(gòu)耐溫高、導(dǎo)熱快、絕緣可靠性好。繞組的綁扎數(shù)量也比常規(guī)電機(jī)多一倍，繞組定子鐵心完成后，浸兩次C級(jí)絕緣漆。這樣做不僅可以修復(fù)繞組嵌線過(guò)程的微小損傷，也在絕緣結(jié)構(gòu)外面形成一層致密漆膜，減小外部環(huán)境對(duì)繞組的影響，而且能增加機(jī)械強(qiáng)度，并有一定的防電暈作用。

電機(jī)轉(zhuǎn)子采用焊接銅條式，銅條為高強(qiáng)度合金銅，機(jī)械強(qiáng)度較紫銅至少高1.4倍。安置于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，通過(guò)中頻銀焊將其與鍛制紫銅端環(huán)連接。

為阻隔軸電流，保護(hù)軸承，該套電機(jī)端蓋均采用一側(cè)絕緣結(jié)構(gòu)，另一側(cè)安裝接地碳刷。提升電機(jī)和推壓電機(jī)制動(dòng)器端安裝了一個(gè)速度傳感器和一個(gè)編碼器，速度傳感器用于控制電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，編碼器用于計(jì)算位置和距離。

除立式的回轉(zhuǎn)電機(jī)外，其余電機(jī)兩側(cè)軸承都采用NJ系列軸承，可承受的徑向負(fù)荷約為同規(guī)格深溝球軸承的4倍。為減小電鏟運(yùn)行時(shí)電機(jī)機(jī)殼、端蓋的變形和斷裂，電鏟電機(jī)關(guān)鍵部件采用Q345鋼板，并進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)軸也采用高強(qiáng)度合金材質(zhì)40CrNiMo。這些措施的目的都是為了提高電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

提升電機(jī)、推壓電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、行走電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖分別如圖5～8所示。

圖5 提升電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 推壓電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖7 回轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖8 行走電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一套可與12立方電鏟配套使用的交流異步變頻電動(dòng)機(jī)。該套電機(jī)通過(guò)電磁設(shè)計(jì)，在空間體積受限的情況下，保證額定轉(zhuǎn)矩輸出和過(guò)載能力，并留有一定余量。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在各種惡劣運(yùn)行情況下，各部件均能保證電機(jī)整機(jī)強(qiáng)度可靠，抗沖擊能力強(qiáng)。通過(guò)熱負(fù)荷計(jì)算，在最嚴(yán)酷使用條件下，電機(jī)的絕緣系統(tǒng)仍可保證電機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

該套電機(jī)廠內(nèi)試驗(yàn)通過(guò)后裝機(jī)運(yùn)行多年，目前運(yùn)行情況良好。這為12 m3礦用電鏟挖掘機(jī)的批量化打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 齊凱，韓維國(guó).大型礦用挖掘機(jī)——電鏟概述[J].一重技術(shù)，2008(1)：5-6.

[2] 梁建義，趙也凝.論礦山機(jī)電業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].露天采礦技術(shù)，2005(s1)：36-38.

[3] 陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.