煤礦刮板運輸機與啟動方式的應用

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摘要：刮板運輸機是煤礦綜采工作面的重要生產(chǎn)設備，而刮板運輸機的聯(lián)軸器形式的選擇，又是決定這臺刮板運輸機能否正常運行的關(guān)鍵性部件，因此，如何選擇一臺刮板運輸機的聯(lián)軸器，是刮板運輸機關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：煤礦；刮板運輸機；聯(lián)軸器；選型；啟動控制

1問題的提出

1.1什么是刮板運輸機用聯(lián)軸器

煤礦綜采工作用刮板運輸機系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)通常由機頭和機尾兩套傳動裝置構(gòu)成。在頭、尾傳動裝置的拖動下，頭、尾鏈輪軸組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩，帶動刮板鏈系統(tǒng)做無極繩運動，完成原煤的運輸工作。傳動裝置由電機、減速器和之間的聯(lián)接裝置構(gòu)成，聯(lián)接裝置又由聯(lián)軸器、聯(lián)接罩筒及附屬的緊鏈裝置等幾部分構(gòu)成。簡言之，聯(lián)軸器就是電機和減速器之間的聯(lián)接裝置，通過聯(lián)軸器，把電機和減速器聯(lián)成一體，組成完整的傳動裝置。本文將著重地對這個聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)、功能和作用以及相應的啟動方式加以研究和闡述。

1.2聯(lián)軸器的作用

在傳動裝置中，聯(lián)軸器的作用，就是將減速器和電機聯(lián)接在一起，使之成為動力輸出的一個整體。“減速器+聯(lián)軸器+電機”是一個最為簡單的動力模型。然而，事情并不總是就這樣地簡單了事，隨著煤礦生產(chǎn)能力的增加，對運輸機生產(chǎn)能力提出了更高的要求，產(chǎn)量更大、傳動功率加大的條件下，要求運輸機具有良好的啟動性能：減少起動沖擊、限制啟動電流、重載啟動、過載保護、實現(xiàn)軟啟動功能等。這就對運輸機的整體性能提出了更高的要求，而實現(xiàn)這些高性能要求的傳動部件中，減速器、電機之外的，就非聯(lián)軸器莫屬了，因此，在結(jié)構(gòu)和功能研究基礎之上，聯(lián)接器發(fā)展出眾多的種類和型號，以滿足不同條件下的生產(chǎn)要求。

2煤礦用刮板運輸聯(lián)軸器的種類

2.1彈性聯(lián)軸器

最為基本的類型為彈性聯(lián)軸器其構(gòu)成分為三個部分：電機對輪、減速器對輪和彈性子，電機對輪安裝于電動機輸出軸端，減速器對輪安裝于減速器的高速軸之上，彈性子由橡膠或聚胺脂等柔性材料制成，安裝于兩件對輪之間，起緩沖作用。外面還要有一件罩筒，作為電機的安裝基礎，將電機安裝于減速器之上，形成一個剛性的整體。在此基礎之上的，根據(jù)不同的啟動要求，改善啟動性能，增加保護功能，又衍生出了更為高級液力偶合器和機械式的摩擦限矩器，也得到了廣泛的應用。

2.2液力偶合器

利用液力傳動的特性，來改善啟動性能和提供保護功能的聯(lián)接裝置，主要由：泵輪、渦輪、外殼、工作介質(zhì)（水或油）、對輪和彈性子組成。工作原理：電機啟動后，安裝在電機輸出軸上的泵輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動其中封閉的工作介質(zhì)高速運動，把動能轉(zhuǎn)化為液能（煤礦環(huán)境阻燃防爆用水介質(zhì)），液能再推動渦輪做高速旋轉(zhuǎn)，帶動減速器工作，來完成對刮板運輸機的動力輸出。工作介質(zhì)的引入，電機與減速器之間的聯(lián)接變成了軟聯(lián)接，第一次實現(xiàn)了軟啟動功能，轉(zhuǎn)動力矩是在工作介質(zhì)的介入下，逐漸產(chǎn)生的，期間有了一個從無到有的建立過程，使減速器逐漸的旋轉(zhuǎn)工作，從而解決了啟動沖擊問題和重載啟動問題。當運輸機上貨過多或發(fā)生運行卡阻時，偶合器的易熔塞高溫熔穿后，工作介質(zhì)外泄，電機空轉(zhuǎn)，就形成了過載保護功能。

2.3摩擦限矩器

進口法國或是德國產(chǎn)品，由對輪、彈性子和兩組摩擦片構(gòu)成，摩擦片在彈簧的壓力作用下形成一定的摩擦力矩，一旦運輸機有過載情況發(fā)生，且過載程度超過摩擦限矩器力矩時，兩組摩擦片之間就會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，使電機與減速器脫開，從而起到保護作用。缺點是一旦過載保護發(fā)生幾次之后，摩擦片產(chǎn)生摩擦打滑幾次之后，因摩擦片的磨損，摩擦力矩變小而得不到補償，會造成運輸機起動力矩不夠，起動困難或是經(jīng)常打滑停車，給生產(chǎn)造成困難。

2.4閥控調(diào)速型液力偶合器

這是一種近幾年才出現(xiàn)的、更為高級液力偶合器。德國福伊特公司的產(chǎn)品，同樣地安裝于電機與減速器之間，由對輪、彈性子、泵輪、渦輪、進排電磁液閥、安全閥、制裁閥和控制系統(tǒng)構(gòu)成，當然是少不了對輪和彈性子的。工作原理：啟動時偶合器中沒有工作介質(zhì)充填，電機帶動泵輪空載啟動，待電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)正常后，由輔助控制器控制將進液電磁閥打開，向偶合器內(nèi)充水，隨著偶合器內(nèi)的充水量的增加，水介質(zhì)在泵輪的帶動下，液能也不斷地增加，并帶動渦輪加速旋轉(zhuǎn)，逐步建立起扭矩，從而帶動減速器運轉(zhuǎn)，使刮板運輸機逐步的實現(xiàn)啟動，這個過程就叫做軟啟動。這是一種目前機械結(jié)構(gòu)能達到并完成的、最為理想的刮板運輸機軟啟動方式。當控制系統(tǒng)檢測到溫度或電流達到保護設限時，控制系統(tǒng)指令電磁閥打開排液，運輸機減速或停止，從而實現(xiàn)過載保護功能。目前只有德國進口產(chǎn)品可供選擇，國內(nèi)產(chǎn)品正在開發(fā)生產(chǎn)中。

3聯(lián)軸器的選用

聯(lián)軸器的選用，是由刮板運輸機的功率所直接決定的，即由配用電機功率的大小所決定。隨著煤礦科技的發(fā)展，煤礦礦井的單產(chǎn)也不斷地被刷新，出現(xiàn)了單一工作面達產(chǎn)上千萬噸，甚至兩千萬噸的大型或超大型礦井，這就要求刮板運輸機的運輸生產(chǎn)能力不斷的提高，以適應煤礦發(fā)展有剛性需求。隨著刮板運輸機運輸能力的提高，裝機功率也由最初的132kW*2發(fā)展到現(xiàn)在的1200kW*2或是更大的1200kW*3，達到了空前的程度。相應地，運輸機槽寬由30年前的764mm也發(fā)展到了現(xiàn)在的1450mm。加大槽寬，增加上貨量，才能提高運輸能力。電機功率的提高所帶來的，是電機的啟動困難。功率大，啟動電流就大，而且是呈幾何級增長的，想要平穩(wěn)地啟動一臺大功率電機，就要根據(jù)電機的功率，來合理的選擇一種安全的啟動方式，就要選擇好前面所列舉的各種形式的聯(lián)軸器，因此，聯(lián)軸器是一種關(guān)鍵的部件。（1）小功率電機的聯(lián)軸器選擇。八十年代中后期，成套綜合機械化采煤工藝及設備開始引進到國內(nèi)，引進和仿制的刮板運輸機，典型型號為SGZ764/400、SGZ764/630。S-輸送機；G-刮板；Z-綜采用；槽寬為764mm。400-630指的是裝機功率，頭尾雙電機拖動，單機功率為200kW-315kW。這是當時90年代以后國產(chǎn)最先進機型的代表。電機為雙速電機，即電機有750-1500r/min高低兩種工作轉(zhuǎn)速，用低速啟動，高速生產(chǎn)。聯(lián)軸器則是選用標準的彈性聯(lián)軸器，就可以滿足刮板運輸機的啟動要求。同一時期，液力偶合器，開始投入使用，初始是油介質(zhì)的，后因防爆阻燃要求而采用安全的水介質(zhì)，但因傳遞功率偏小、易過載等原因而逐步淘汰，彈性聯(lián)軸器成為標配。（2）大中功率電機的聯(lián)軸器選擇。1994年8月，由西北煤機廠生產(chǎn)的國家八五攻關(guān)項目，日產(chǎn)七千噸設備成套綜采工作面設備安裝于曉南礦N1-709工作面，配套的SGZ800/800型刮板運輸機，在國內(nèi)第一次達到了槽寬（內(nèi)寬）800mm、裝機功率2*400kW。這是國產(chǎn)的第一套重型可彎曲刮板運輸機，代表著國產(chǎn)的最高水平。其傳動裝置依然采用的是彈性聯(lián)軸器形式，能夠滿足使用要求。2005年生產(chǎn)的SGZ1000/1400型運輸機和2008年張煤機生產(chǎn)的SGZ1000/1710型刮板運輸機，因增加產(chǎn)量的需要，槽寬達到了1000mm系列，裝機功率也同樣得到了提升，電機單機功率達到了700-855kW，這個等級的運輸機，這產(chǎn)生了相應的電機啟動和保護問題。國外先進的煤機行業(yè)如DBT公司和美國久益，已經(jīng)率先配套了先進的電液控制的離合裝置，實現(xiàn)了軟啟動控制和過載保護功能。而國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的運輸機，在這方面的研發(fā)和生產(chǎn)能力，就顯得落后了一個代差。上面的兩種型號的運輸機上，依然配用了常規(guī)的彈性聯(lián)軸器作為聯(lián)接裝置，依然采用的雙速電機拖動；而作為保護措施，增加進口的摩擦限矩器，用來保護功率巨大的電機和減速器。井下生產(chǎn)的實踐證明，依靠摩擦限矩器所起到的作用是有限的，因煤礦井下使用環(huán)境的特殊性，這種摩擦限矩器在起到過載保護的同時，卻給運輸機帶來了一種新的麻煩，那就是前文所說的頻繁過載保護引起的起動打滑問題，重載起動困難。重載起動，就是煤礦井下采煤工作面運輸設備的一種起動特性要求，生產(chǎn)作業(yè)中，運輸機的重載起動和過載保護后的再起動，是運輸機性能要求中的一條重要的特性，只有滿足這一重載起動功能的運輸機，才能說是適用于煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。其故障原因為：這種摩擦限矩器一旦發(fā)生打滑保護之后，因摩擦片之間相對運動，就產(chǎn)生了相應的磨損，這就導致了摩擦力矩的下降，它的力矩是建立在彈簧組對摩擦片生產(chǎn)的壓力作用之上的。彈簧壓力不變，那么摩擦片磨損之后間隙的增大，就直接導致了摩擦力矩的變小，影響了設備的重載起動特性，進而影響到生產(chǎn)的正常進行。摩擦限矩器的摩擦力矩，按其設計功能，是可以恢復調(diào)整的。但這種調(diào)整需返廠在專門的試驗臺上進行的，井下不可以調(diào)整。因此，這種摩擦限矩器在井下使用了一段時間之后，就逐漸的淘汰掉了，不能滿足井下生產(chǎn)要求。去掉摩擦限矩器之后的這些大中功率的刮板運輸機，在700kW或855kW雙速電機的拖動下，依然可以實現(xiàn)這些刮板運輸機的重載起動，完成井下采煤工作面的原煤運輸工作。大功率電機和減速器帶來的好處是：功率大，扭矩大，運輸機的起動特性好，能夠滿足任何條件下的重載起動要求；其次，這種大馬拉小車的使用，會大大地減少過載或重載對設備的損壞，使運輸機的開機率得以提高，從而保證了建設雙高礦井對設備的運行要求。另一方面，700kW或855kW雙速電機的重載起動，啟動電流大、機械沖擊大、過載保護困難等諸多啟動問題，也嚴重地影響著設備的安全運行。尋找一種安全有效的啟動方式，成為必須解決的問題。（3）超大功率電機啟動方式的選擇。受生產(chǎn)制造技術(shù)的制約，目前的雙速電機功率上限為855kW。而選用1000kW電機，就必須采用一種軟啟動配套方式與之配套，以實現(xiàn)刮板運輸機的重載啟動。2012年，鐵煤集團的主產(chǎn)礦井大平礦N1S3綜放工作面提出了單電機功率1000kW、總裝機功率2000kW的板運輸機的使用需求，用于滿足該礦單面單產(chǎn)450萬噸的生產(chǎn)要求。經(jīng)設備招標，確定主機采用張煤前后部SGZ1000/2000型刮板運輸機，配套德國福伊特公司的562DTPKWL2-1000型閥控調(diào)速型液力偶合器，做為軟啟動控制方式。閥控調(diào)速型液力偶合器，是當時條件下的1000kW以上電機啟動方式的唯一選擇，這種起動方式，是當時刮板運輸機最為完美的啟動方式，因此也得到了廣泛的使用，一度成為刮板超大功率運輸機起動方式的首選。（4）任何事物都不是盡善盡美的，總有一定的條件所限制。偶合器雖然實現(xiàn)了超大功率電機的完美軟起動，但它也存在著自身的不足之處，那就是機械結(jié)構(gòu)過于復雜、用水量大、對水質(zhì)要求高、維護相對困難等缺點。僅用水量一項，單臺偶合器用水量為240l/min，工作面為前后部兩套運輸機，共4臺電機，那么每小時的用水量為57.6噸/小時。用水量巨大，再就是對水質(zhì)要求高，軟化后的水也會使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的水垢，造成工作效率下降。最為嚴重的是軸承的使用壽命偏低，根據(jù)大平礦的使用經(jīng)驗，原裝的偶合器在井下使用時間不超過1年，檢修后的偶合器使用壽命僅在半年左右，這就造成了井下頻繁更換偶合器的局面，同樣給生產(chǎn)帶來設備維護量大，偶合器檢修頻繁、檢修費用高等諸多不便。但這是在機械聯(lián)軸器范籌之內(nèi)的實現(xiàn)超大功率運輸機軟起動的最佳選擇方式。（5）變頻調(diào)速，是另一種超大運輸機的軟起動方式，是采用專門的變頻開關(guān)，對單速機電變頻啟動的一種控制方式。是目前除偶合器之外的另一種很好的軟起動選擇，本文重點討論的是機械方面的聯(lián)軸器，不在范圍之內(nèi)，將另有文章論述。

4聯(lián)軸器的發(fā)展方向

本文從運輸機電機裝機功率，從聯(lián)軸器技術(shù)發(fā)展上，研究討論了不同時期、不同機型上的聯(lián)軸器的選用，及其使用中的估缺點，不同的聯(lián)軸器，是不同時期的技術(shù)進步的產(chǎn)物，在不同的機型上，起著不同的作用，不可替代、不可或缺。根據(jù)機型，選擇使用。簡單適用，就是最好的選擇。而且，從來就沒有一種包打天下，所有設備通吃聯(lián)軸器。只能是隨著時代的發(fā)展，科技的進步，為每一種機型都研制出更為適用的產(chǎn)品。聯(lián)軸器的發(fā)展方向，應當向電磁離合的方向，是一種目前看來較為理想的實現(xiàn)電機與減速器之間的聯(lián)接功能，又能實現(xiàn)軟啟動的啟動控制方式。結(jié)構(gòu)為一組電機離合器片和一組減速器離合器片組合在一起，中間充滿一種高效磁粉。機電空轉(zhuǎn)啟動后，控制器向電磁離合器加電，電磁粉加電后產(chǎn)生極性，在兩級離合器片之間建立電磁聯(lián)接，即，加電前電磁粉為自由狀態(tài)，隨機運動；加電后電磁粉產(chǎn)生極性，規(guī)律排列并將離合器片吸附為一體，產(chǎn)生強大的吸附力矩，且這種力矩隨電流的大小可調(diào)，由小到大，最后滿載，來實現(xiàn)完成運輸機的軟啟動控制。這種電磁離合器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、無排放等諸多優(yōu)點。目前，這種電磁離合器還處于研發(fā)狀態(tài)之中，已經(jīng)實現(xiàn)了400kW功率機電的軟啟動控制，一旦技術(shù)上獲得突破，能夠?qū)崿F(xiàn)對大功率、超大功率的電機軟啟動控制，必將是未來的煤礦運輸機聯(lián)軸器和軟啟動的發(fā)展方向和首選。

參考文獻：

[1]撫順礦務局.機電設備檢修質(zhì)量與驗收標準[S].1991-4-1.

作者：賈剛 白鵬 楊慧 單位：鐵法能源公司物資供應分公司