限矩型磁力耦合器在柳塔煤矿的应用_王鹏.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 限矩型磁力耦合器在柳塔煤矿的应用 王鹏， 刘鑫， 赵虎 （国家能源集团神东煤炭集团， 陕西 榆林 719000） 摘要针对神东煤炭公司柳塔矿 12123 综采工作面 400 kW 破碎机所用限矩型液力偶合器存 在的相关问题， 分析了不同磁力耦合器的结构特点及原理， 通过磁力耦合器与液力偶合器的对 比， 以及对实际应用情况进行分析， 研究了适用于柳塔矿的限矩型磁力耦合器， 通过有限元分析 验证此磁力耦合器的性能参数， 证明此限矩型磁力耦合器完全匹配柳塔矿用破碎机。 关键词 磁力耦合器； 液力偶合器； 破碎机； 有限元分析； 气隙调节方式 中图分类号 TD451文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0272-04 Application of Limited Torque Type Magnetic Coupling in Liuta Coal Mine WANG Peng, LIU Xin, ZHAO Hu （State Energy Group Shendong Coal Group, Yulin 719000, China） Abstract According to the relevant problems of the limited torque type hydraulic coupling used in the 400 kW crusher in No. 12123 working face of Liuta Coal Mine of Shendong Coal Group, the structural characteristics and principles of different magnetic coupling are analyzed. Through the comparison between the magnetic coupling and the hydraulic coupling, as well as the analysis of the actual application, the limited torque type magnetic coupling suitable for Liuta Coal Mine is studied. The perance parameters of the magnetic coupling are verified by the finite element analysis, and it is proved that the limited torque type magnetic coupling is fully matched with the mine-used crusher of Liuta Coal Mine. Key words magnetic coupling; fluid coupling; crusher; finite element analysis; air gap adjustment mode 破碎机由于具有结构简单、 工作可靠、 维修简便 等特点，已广泛应用于煤矿领域。目前煤矿破碎机 主要是通过电动机连接液力偶合器后再连接负载， 从而完成扭矩的输出，实现电动机到工作机的功率 传递[1-5]。但是液力偶合器在使用中存在诸多问题难 以解决，后期维护成本较高，已严重制约煤矿安全 及高效生产。 1液力偶合器存在的问题 目前神东煤炭公司已在柳塔矿 12123 综采工作 面使用液力偶合器进行生产，通过神东煤炭公司在 各矿井的液力偶合器使用情况，发现虽然液力偶合 器相比传统联轴器具备诸多优势，但是生产现场仍 然存在许多难以解决的实际问题①液力偶合器同 轴度要求高， 对安装精度要求严格， 拆装时间长[6]； ②由于现场设备冲击负载较大，负载波动性强， 液 力偶合器油温极易升高，且易导致内部动密封过早 失效出现漏油情况；③当瞬时大负荷冲击电机时， 液力偶合器易熔塞升温需要一定的时间，而使得保 护措施不能及时动作，易造成电机损坏的问题； ④ 液力偶合器自身湍动能损失大，内部损耗较大， 效 率较低；⑤当负载端出现卡死状态后，液力偶合器 过载保护进行喷油，需要重新注油才能正常运转， 增加了后期维护周期和成本，也增加了井下的不安 全因素， 对环境造成污染。 2磁力耦合器原理及结构特点 随着永磁材料的不断进步，永磁传动技术得到 了突飞猛进的发展，磁力耦合器采用非接触式磁力 传动， 无谐波干扰， 不产生电应力， 不损害电动机轴 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.046 王鹏， 刘鑫， 赵虎.限矩型磁力耦合器在柳塔煤矿的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 272-275. WANG Peng, LIU Xin, ZHAO Hu. Application of Limited Torque Type Magnetic Coupling in Liuta Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 272-275. 移动扫码阅读 272 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1柳塔煤矿限矩型磁力耦合器结构图 Fig.1Structure diagram of limited torque magnetic coupling in Liuta Coal Mine 承； 且为纯机械结构， 无需介质， 传动效率高， 运行 十分可靠。通过调节永磁体与铜盘气隙精确控制转 速及扭矩，不仅可以保证恒扭矩负载软启动及多机 功率平衡，缓解煤机装备直起直停对电动机产生的 重载冲击，克服长距离运输电动机出力不均、互为 负载的难题，避免电动机断轴等问题，保障煤机设 备安全运行， 具有广阔的应用前景[7-8]。 2.1工作原理 磁力耦合器利用永磁体的同性相斥、异性相吸 的原理， 它是传动技术、 材料技术、 制造技术的集成 体[9]。设备运转时， 电动机通过电动机端联轴节与磁 力耦合器本体连接，驱动铜转子旋转，铜转子切割 永磁体磁力线产生感应涡流，形成涡流磁场与永磁 体磁场相互作用生成转矩从而带动永磁体转子旋 转， 驱动工作机运行， 实现电动机到工作机的功率传 递。铜转子和永磁转子之间有空气间隙 （称为气 隙） ， 其没有传递扭矩的机械连接， 电动机和工作机 之间形成了软 （磁） 连接， 可通过调节气隙来实现工 作机轴扭矩、 转速的变化。 2.2结构特点 磁力耦合器从结构上可分为 2 种一是筒式结 构； 二是盘式结构[10]。 当内、 外磁体均为径向充磁时， 耦合磁极成径向配置的永磁耦合器为筒式永磁耦合 器； 而内、 外磁体均为轴向充磁时， 耦合磁极成轴向 配置的永磁耦合器则为盘式永磁耦合器。 磁力耦合器从原理上可分为 2 种一种是同步 型；一种为异步型。同步型磁力耦合器的主动盘与 被动盘皆为永磁体盘，两盘永磁体的磁场在气隙中 耦合， 把磁能转变为机械能， 实现传扭。异步型磁力 耦合器的主动盘为永磁体，被动盘为铜盘，利用永 磁体磁场与感应磁场的相互作用来传扭。 磁力耦合器从气隙调节方式上可分为 2 种 一 是限矩型；二是调速型。限矩型磁力耦合器可以通 过滑差来自适应负载变化，自动调节气隙大小， 其 具有在负载卡死或其它扭力过大条件下使负载完全 脱离电机的能力。限矩型磁力耦合器启动时，永磁 转子就会移向扭力较小位置，而离心体仍保持水平 状态， 从而抑制这种轴向位移， 保证小气隙运行， 提 供较大的启动力矩。正常运转时，离心体在离心力 的作用下变为垂直于水平方向，永磁转子仍然处于 小气隙的位置，而当负载卡死或超过限定值的时 候，排斥力迫使永磁转子移向远离铜导体的位置， 此时离心体不再限制永磁转子位移，气隙将被拉 大，从而减小了电机与负载之间的传递扭矩，电机 得到完全保护。当停止电机或卸掉负载后，其能够 自动复位， 无需操作员介入。 调速型磁力耦合器可通过控制器调节气隙的大 小，其具有手动或信号控制 2 种模式。对于自动控 制系统， 当控制器接到 1 个控制信号后， 控制器对信 号进行识别、 计算和转换后， 给其执行元件发出调节 指令，执行元件就会调节铜转子与永磁转子之间的 气隙， 从而根据适时的负载输入扭矩的要求， 改变工 作机的工作点， 即调节了工作机的转速和扭矩。 3限矩型磁力耦合器结构特点及优点 3.1结构特点 柳塔煤矿用限矩型磁力耦合器结构图如图 1， 耦合器主要由输入组件、 铜盘、 永磁体盘、 磁钢、 输 出组件等组成， 输入组件包括主动输入联轴节、 弹性 梅花盘、 从动联轴节、 外罩、 散热片等。输送组件包 括磁盘组件、 输出轴等。其是以磁场为介质， 可实现 电动机到负载的非接触式传动。 3.2优点 限矩型磁力耦合器由于其结构特点及工作原理 具有以下优点①磁力耦合器可以通过滑差来自适 应负载变化，具有传动效率高且免维护的优势； ② 实现电动机缓冲启动、 停机功能， 降低启动峰值、 减 少启动时间、 可实现频繁启动， 延长电动机电气使用 寿命； ③隔离电动机侧与负载侧的振动， 减少整个系 统的振动； ④允许较大的对中误差， 包括电动机与永 磁耦合器之间的角度、 水平偏移和轴向偏移； ⑤采用 非物理性连接， 通过气隙来传递扭矩， 降低设备振动 和运行噪音；⑥对于冲击型负载及有堵转可能的设 备具有缓冲与自动保护的功能, 相当于实现电动机 273 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 2磁力耦合器热损耗功率云图 Fig.2Heat loss power diagram of magnetic coupling 过载保护功能，且过载保护后，排除干扰即可自动 复位；⑦磁力耦合器本身不耗电，不产生谐波和电 磁干扰， 高效节能。 磁力耦合器对比液力偶合器具有以下优势 ① 软启动特性优于液力偶合器，减小启动时对电网的 冲击；②传动效率及节能效果高于液力偶合器， 实 现高效运转， 节能降耗， 减少运行成本； ③设备整体 体积小于液力偶合器，节省安装空间；④过载时无 需喷油， 也不用加传动液， 不会对环境造成污染， 后 期维护时间少， 节省人力成本及油液成本。 4限矩型磁力耦合器的仿真 针对神东煤炭公司柳塔煤矿 400 kW 破碎机受 冲击载荷，且易过载的实际使用工况，采用限矩型 磁力耦合器替换原液力偶合器，可有效解决原液力 偶合器所存在的问题。 限矩型磁力耦合器的基本参数如下①功率 400 kW； ②转速 1 500 r/min； ③输入轴径 准85 mm； ④输出轴径 准85 mm； ⑤最大外径 准680 mm； ⑥磁 钢数量块 48。 限矩型磁力耦合器设计为与神东公司原有已使 用液力偶合器相同的轴向尺寸，可直接替换而无需 其他改造，有利于现场的快速安装替换使用。磁力 耦合器采用 N45SH 钕硼铁永磁体， 永磁体阵列结构 采用 Halbach 形式， 总体结构采用异步盘式结构， 通 过三维建模并利用有限元软件分析得出其性能参数 足以满足传递 400 kW 功率的使用要求。 散热问题同样一直是磁力耦合器的研究重点， 良好的散热条件，可以减小设备的热负荷，防止磁 钢退磁失效，确保永磁耦合器可以长期有效的工 作。根据磁力耦合器基本原理可知，铜盘切割磁感 线会产生涡流，涡流的产生会在铜盘中生成较大的 热量，并不断向外辐射，如果该热量集聚在设备内 部，将会对永磁体的工作特性造成较大影响，甚至 造成永磁体退磁，从而导致设备无法正常运转。通 过仿真软件对磁力耦合器中的热损耗进行评估计 算， 磁力耦合器热损耗功率云图如图 2。 采用磁路分析方法来确定永磁体的工作点， 并 且综合考虑磁负荷与电负荷的影响，应用流体力学 软件进行冷却系统模拟分析，得出最优化的冷却系 统，确保在不同的工况下，永磁体工作点处于退磁 拐点以上。通过合理的冷却方式设计，并在磁力耦 合器的设备外壳上安装散热片，增强散热效果， 在 采用自然风冷却方式对铜盘进行散热的情况下， 可 以确保磁力耦合器的安全运行温度，正常情况下磁 力耦合器运行温升不超过 20 ℃， 运行最高温度不超 过 85 ℃， 有效保证了磁力耦合器的性能及整个传动 系统的稳定性[11]。 5现场应用 限矩型磁力耦合器已安装于神东煤炭公司柳塔 矿 400 kW 破碎机上并开始运行，目前运转情况良 好， 过煤量超过 150 万 t， 未见异常情况发生。在破 碎机系统负载波动性大、 频繁重载启动、 过载等复杂 的工况，磁力耦合器均可正常工作。本磁力耦合器 安装简便， 可直接替换原有液力偶合器， 无需对现场 其他设备或基础设施进行任何改造。安装时，电动 机轴与磁力耦合器输入端联轴节固定在一起，通过 弹性盘与磁力耦合器内部铜转子组件形成一体， 将 电动机扭矩传递给铜转子；减速器高速轴通过负载 端联轴节与磁力耦合器本体连接在一起，磁力耦合 器本体与输入端联轴节之间完成对中找正后，满足 弹性盘的对中要求，即完成磁力耦合器的安装， 期 应用范围广，且操作流程简单，能够降低劳动力资 源投入， 适用于煤矿恶劣环境。 当设备运转时， 首先电动机启动， 限矩型磁力耦 合器可以实现电动机空载启动，降低电动机启动峰 值电流和浪涌时间， 实际的能耗也会相应减少， 这样 一来电动机的运行就会更加稳定。磁力耦合器的这 种零负载启动特性能够提高电动机的滚动轴承的可 靠性，在某种意义上也就是提高了电动机运行的可 靠性。 当负载端由于各种原因导致设备卡死时，负载 转矩远远超过磁力耦合器的最大转矩，磁力耦合器 的永磁体盘可向内推开，使工作气隙即磁盘与铜盘 之间气隙被拉至最大，从而使传递转矩逐渐小于负 载转矩，此时转矩就会急速减小，直到转矩减小至 274 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 0。此时磁力耦合器无传递能力， 即实现了负载端卡 死状态下电动机可以空载运行，电动机就算长期处 于此空载的工作状态也不会导致电动机损伤，起到 保护电动机的功能，大大提高了电动机的使用周期 和使用寿命， 减少了电动机故障的发生频率。 6结语 针对神东煤炭公司柳塔矿 12123 综采工作面 400 kW 破碎机所用限矩型液力偶合器存在的相关 问题，分析了不同磁力耦合器的结构特点及原理， 通过磁力耦合器与液力偶合器的对比，以及对实际 应用情况进行分析，研究了适用于柳塔矿的限矩型 磁力耦合器，通过有限元分析验证此磁力耦合器的 性能参数。柳塔矿 400 kW 破碎机用限矩型磁力耦 合器，满足煤矿破碎机在各种工况下对传动系统安 全、 可靠、 高效的技术要求， 克服了液力偶合器工作 效率低， 易发热漏油， 过载易喷油， 污染环境， 影响 工作人员生产安全等问题。 参考文献 ［1］ 张荣侠， 刘卫靖， 李胜俭．液力偶合器在起重机旋转机 构上的应用 ［J］ .矿山机械， 2004 （2） 26． ［2］ 杨乃乔， 邹铁汉.国外液力偶合器在中国的应用 ［J］ .现 代零部件， 2006 （1） 101-104. ［3］ 王彪， 李帅， 聂文科.阀控型液力偶合器在煤矿锤式破 碎机上的应用研究 ［J］ .煤矿机械， 2019， 40 （6） 155. ［4］ 张慧梅， 贾同帅.液力偶合器的性能特点与经济性分 析 ［J］ .科技与经济， 2006 （7） 123-124. ［5］ 王艳丽， 李向群.液力偶合器工作腔对其性能的影响 ［J］ .流体传动与控制， 2015 （3） 55-60. ［6］ 吴虎城， 刘玉刚.磁力耦合器在破碎机上的应用分析 ［J］ .水力采煤与管道运输， 2015 （3） 78-80. ［7］ 王雷， 贾振元， 刘昊.大启动转矩磁力耦合器设计及优 化 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （10） 117-120. ［8］ 王雷， 贾振元， 朱明亮.矿用永磁调速装置调速机构性 能研究 ［J］ .工矿自动化， 2018 （7） 40-44. ［9］ 王玉良.国外永磁传动技术的新发展 ［J］ .磁性材料及 器件， 2001 （4） 45-49. ［10］ 高秀峰.永磁联轴器工作特性研究 ［D］ .长春 吉林大 学， 2006. ［11］ 王雷， 贾振元.矿用大功率辅助散热式磁力耦合器温 度场 ［J］ .机械工程学报， 2018， 54 （18） 187-193. 作者简介 王鹏 （1988） ， 黑龙江鸡西人， 工程师， 学 士， 2011 年毕业于黑龙江科技大学，现任神东煤炭集团高 端设备研发中心综采技术主管，从事矿井机电方面的现场 实践与研究工作。 （收稿日期 2019-12-05； 责任编辑 李力欣） 275