蔡樹梅，楊 剛

（1.中煤張家口煤礦機械有限責(zé)任公司，河北張家口 076250；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北張家口 076250）

0 引言

刮板輸送機（圖1）作為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，其作用是承載采煤機，并將其截割下的煤礦石運出工作面。因礦井下工況條件相對較差，且煤礦設(shè)備的自動化、智能化程度越來越高，對于刮板輸送機運行穩(wěn)定性和可靠性要求也在不斷提高。驅(qū)動裝置作為刮板輸送機的核心部件，其性能的好壞和功能的完善程度與刮板輸送機的運行品質(zhì)、可靠性和壽命密切相關(guān)。隨著工作面輸送成套設(shè)備技術(shù)的不斷進步，刮板輸送機驅(qū)動技術(shù)經(jīng)歷了雙速電機配置摩擦限矩器、單速電機配置限矩型液力偶合器或閥控型液力偶合器、變頻電機配置限矩器或聯(lián)軸器等幾個關(guān)鍵的技術(shù)變革。隨著近年來綜采工作面生產(chǎn)效率的提升，刮板輸送機裝機功率越來越大，煤礦井下工作面刮板機智能化的要求越來越高，傳統(tǒng)的驅(qū)動方式在刮板輸送機的啟動和運行控制過程中顯現(xiàn)出了局限性，在重載條件下如何實現(xiàn)刮板輸送機的平穩(wěn)啟動，設(shè)備維護過程中如何減少機械聯(lián)接環(huán)節(jié)，降低故障率，是煤礦井下亟需解決的問題。

圖1 交叉?zhèn)刃妒焦伟遢斔蜋C

永磁變頻智能驅(qū)動系統(tǒng)是永磁變頻電機和變頻驅(qū)動技術(shù)在應(yīng)用層面創(chuàng)新的驅(qū)動裝置。它將變頻技術(shù)與永磁變頻電機有機地結(jié)合在一起，將永磁變頻電機低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的特點與變頻技術(shù)的優(yōu)點相結(jié)合，簡化了驅(qū)動裝置，采用直驅(qū)、半直驅(qū)、傳統(tǒng)驅(qū)動等多種方式接入傳動系統(tǒng)。因其轉(zhuǎn)速大幅降低，可替代傳動系統(tǒng)中電機與減速機間的保護裝置，并已在帶式輸送機領(lǐng)域進行了成功應(yīng)用，充分發(fā)揮了永磁變頻電機功率密度大、布局緊湊、體積小等特點。永磁變頻驅(qū)動系統(tǒng)尤其在低速滿轉(zhuǎn)矩輸出方面性能優(yōu)越，在刮板輸送設(shè)備中可很好解決堆煤、重載啟動等問題。

永磁驅(qū)動傳動系統(tǒng)采用半直驅(qū)結(jié)構(gòu)型式，簡化了傳統(tǒng)減速機的齒輪傳動結(jié)構(gòu)，降低了齒輪傳動過程中的能量損失，提高了整個傳動系統(tǒng)的效率。減少了減速機運行過程中的故障，降低了減速機的維護費用，提高了刮板輸送機運行時的可靠性和穩(wěn)定性。

1 刮板機傳動系統(tǒng)常用機械保護裝置

目前刮板機常用傳動系統(tǒng)保護方式主要是摩擦限矩器與液力偶合器。摩擦限矩器保護的傳動系統(tǒng)主要包括減速機、限矩器、聯(lián)軸器、變頻電機等（圖2）。液力偶合器保護的傳動系統(tǒng)主要包括減速器、閥控式液力偶合器、單速電機等（圖3）。

圖2 摩擦限矩器保護的傳動系統(tǒng)

圖3 液力偶合器保護的傳動系統(tǒng)

刮板輸送機運行過程中，因支架推溜造成溜槽間的錯位，遇到鏈條完全卡停的極端情況時有發(fā)生，對驅(qū)動系統(tǒng)的損害主要來自于高速旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)動慣量的電機轉(zhuǎn)子短時卡停產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩，卡頓時間越短，產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩越大，無論電機是否斷電，該沖擊轉(zhuǎn)矩都存在。

式中 T——瞬間沖擊轉(zhuǎn)矩，kN·m

J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

Δn——卡停時間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差，r/min

t——卡停時間，s

以1000 kW 異步電機為例，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量約40 kg·m2，轉(zhuǎn)子從1480 r/min 到完全停止，巨大的轉(zhuǎn)速差造成設(shè)備的沖擊較大。通常，正常運行的刮板輸送機，因大面積片幫或刮板卡頓槽幫導(dǎo)致負載瞬間增大的時間極短，假設(shè)鏈條的極端卡停時間約0.1 s，根據(jù)式（1）計算沖擊轉(zhuǎn)矩可達62 kN·m，約為電機額定輸出轉(zhuǎn)矩的10 倍。摩擦限矩器或者液力偶合器就是用來在產(chǎn)生較大沖擊轉(zhuǎn)矩時斷開電機和減速機之間的聯(lián)接，保護刮板鏈、鏈輪等部件。常規(guī)的限矩器設(shè)定保護打滑轉(zhuǎn)矩為電機輸出轉(zhuǎn)矩的3～5 倍，在刮板機運行過程中的瞬間沖擊載荷峰值可被過濾掉，有效保護鏈條及傳動系統(tǒng)。

除摩擦限矩器外，刮板機目前常用的保護方式還有永磁耦合器、液力耦合器、AUTOGARD 型式扭矩限制器等，液力耦合器多用于煤礦井下破碎機，用水作為傳遞力矩的介質(zhì)，可進行軟啟動及保護傳動系統(tǒng)，是煤礦井下常見的保護裝置。AUTOGARD型式扭矩限制器也是一種機械保護裝置，在旋轉(zhuǎn)盤上布置多個打滑模塊，前端面為圓錐型凸頭，與電機側(cè)的凹坑配合，彈簧壓力通過圓錐形凸頭壓入凹坑，錐面接觸傳遞力矩，如負載端出現(xiàn)較大載荷，使電機側(cè)扭矩增大，錐面接觸處產(chǎn)生較大軸向力，超過設(shè)定的彈簧壓力，使彈簧收縮，錐形凸頭從凹坑中滑出，將電機與負載端脫開。永磁耦合器在刮板機上的應(yīng)用是近年來較新的一種保護方式，以下介紹永磁耦合器的基本原理。

永磁耦合器是主要由兩個對稱的盤式結(jié)構(gòu)組成，可以通過小范圍調(diào)節(jié)導(dǎo)體轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子間氣隙來改變輸出轉(zhuǎn)矩大小，從而實現(xiàn)電機與負載端的扭矩傳遞，當(dāng)瞬間沖擊載荷超過某個轉(zhuǎn)矩限定值時，磁力就會產(chǎn)生軸向排斥力將氣隙拉大從未使負載與電機脫離，保護傳動系統(tǒng)。

2 永磁半直驅(qū)傳動系統(tǒng)

永磁體材料在煤礦井下設(shè)備上的出現(xiàn)，促使了永磁電機在煤礦井下的應(yīng)用，目前已有多家電機廠家生產(chǎn)永磁電機可替代異步電機，可有效節(jié)能增效。

永磁半直驅(qū)傳動系統(tǒng)主要包括永磁變頻電機、齒圈、太陽輪、行星架、輸出聯(lián)接板等。永磁變頻電機可根據(jù)配套需求低速輸出，永磁半直驅(qū)傳動系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 永磁半直驅(qū)傳動系統(tǒng)

永磁同步變頻與傳統(tǒng)異步電機相比，不需要無功勵磁電流，可顯著提高功率因數(shù)。穩(wěn)定運行時，沒有轉(zhuǎn)子的電阻損耗，可在較小體積中實現(xiàn)較小的輸出轉(zhuǎn)速和較大的峰值轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機因總損耗降低而溫升慢，可減少冷卻系統(tǒng)，相對可以有更長的過載保護時間，并且永磁電機具備“同步”的特性，不會丟轉(zhuǎn)，可以在額定轉(zhuǎn)速下持續(xù)輸出較大轉(zhuǎn)矩，有效解決設(shè)備壓溜問題。電機總體外形尺寸變化不大，有效減小電機輸出轉(zhuǎn)速，即減小電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量對設(shè)備的沖擊，可降低電機轉(zhuǎn)子短時卡停產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩。

以1000 kW 永磁同步變頻電機為例，電機輸出轉(zhuǎn)速300 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩31.8 kN·m，該參數(shù)的電機與同功率異步電機相比，體積變化較小，可滿足設(shè)備配套要求。采用上述永磁同步變頻電機系統(tǒng)后，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量約80 kg·m2，轉(zhuǎn)速差為300 r/min，根據(jù)式（1）可計算出鏈條卡停時的沖擊轉(zhuǎn)矩約25.2 kN·m，約為電機額定輸出轉(zhuǎn)矩的0.8 倍。

依據(jù)上述計算，可在配套中選擇適配鏈條并取消機械保護裝置。

3 永磁半直驅(qū)傳動系統(tǒng)的特性及優(yōu)勢

3.1 效率高、高效區(qū)廣

永磁電機以永磁體作為轉(zhuǎn)子材料，本身具有磁場，無需依靠輸入電流來勵磁，對于異步電機來說，這部分電流即為無功電流，因此相比異步電機，永磁電機具有更高的功率因數(shù)和效率。更重要的是永磁同步電機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)，均可保持較高的效率和功率因數(shù)。永磁電機高效運行工作區(qū)域很寬，依目前井下設(shè)備運行特性，刮板機在50%左右的額定負載下運行情況較多，這樣可有效提高設(shè)備運行效率。

由于永磁電機輸出轉(zhuǎn)速較低，傳動系統(tǒng)的振動和噪聲也大幅減小。就其綜合效果來看，其效率顯著提高，圖5 是永磁半直驅(qū)電機與異步電機效率對比，從圖中可以看出，永磁電機在效率上，不但額定點有了提高，而且在低負載、低速條件下優(yōu)勢更加明顯。

圖5 永磁電機與異步電機效率對比

3.2 安全可靠，維護成本低

采用永磁半直驅(qū)傳動系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)，去掉偶合器、限矩器和聯(lián)接罩，簡化了原傳動系統(tǒng)中減速機系統(tǒng)及其附屬的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，一方面可以大幅降低驅(qū)動系統(tǒng)的體積和重量，更加有利于井下工作面的三機配套，適應(yīng)狹小的工作空間；另一方面，減少了傳動環(huán)節(jié)，既能大大降低故障概率，又可以減少維護保養(yǎng)的工作量，降低了維護保養(yǎng)的成本，從而增加了整體傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 智能控制，啟停更便捷

永磁同步電機除在基本結(jié)構(gòu)上優(yōu)于傳統(tǒng)異步電機外，還可以通過變頻器對三相交流電的頻率和電流進行控制，依據(jù)設(shè)備啟動特性緩慢增加轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)設(shè)備的軟啟動，解決異步電機啟動沖擊對設(shè)備的損壞問題。永磁電機具備零速滿轉(zhuǎn)矩輸出特性，過載倍數(shù)可達到額定轉(zhuǎn)矩的2.2 倍，能滿足一般情況的重載啟車。同時，永磁變頻驅(qū)動系統(tǒng)啟動時，可大幅降低對電網(wǎng)的沖擊，減少整個傳動系統(tǒng)的機械沖擊。

永磁半直驅(qū)與傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)對比見表1。

表1 永磁半直驅(qū)系統(tǒng)與傳動驅(qū)動系統(tǒng)對比

4 結(jié)論

煤礦井下工作面刮板機的可靠運行，需要保證傳動系統(tǒng)的可靠運行。傳動系統(tǒng)作為刮板輸送機的核心部件，其性能的好壞和功能的完善程度與刮板輸送機的運行品質(zhì)、可靠性和壽命密切相關(guān)。煤礦井下刮板輸送機傳動系統(tǒng)是否需要配置機械或液力保護裝置，主要與以下兩個因素有關(guān)：①采煤工作面是否頻繁出現(xiàn)鏈條瞬間卡頓情形，卡頓時間的長短；②電機的輸出轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小。

對于配置機械或液力保護裝置，與電機是異步電機、變頻電機或永磁電機無關(guān)，需根據(jù)實際工況條件及配套需求計算沖擊載荷，選擇適宜的保護裝置。