可控起动传输系统(CST)技术初探.pdf

4 0 煤 矿 机 电 2 0 0 4年第2期 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 4 0 2～0 0 4 00 4 可控起动传输系统 C S T 技术初探 王鸿雁 ， 常雅莉 煤炭科学研究 总院太原分院 ，山西 太原 0 3 0 0 0 6 摘 要 分析 了可控起 动传 输 系统 的技术状 况、 主机 的结 构 、 工作 原理及 其运行 速度 和传 递力 矩 特性 ， 并对其配套 系统、 控制管理 以及该技术 的应用 前景作 了简略 的介 绍。 关键词 C S T； 微机 控制； 探讨 中图分类号 TM9 2 1 ． 5 文献标 识码 A C o n t r o l l a b l e S t a r t T r a n s mi s s i o n S y s t e m C S T T e c h n i q u e WANG Ho n g y a n， CHANG Y a l i C h i n a C o a l Re s e a r c h I n s t i t u t e Ta i y u a n B r a n c h ，T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t ．-Th e p a p e r a n a l y z e s t h e t e c h n i c a l c o n d i t i o n， ma i n f r a me s t r u c t u r e ， wo r k i n g p r i n c i p l e s ，o p e r a t i o n s p e e d a n d t r a n s f e r t o r q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o n t r o l l a b l e s t a r t t r a n s mi s s i o n s y s t e m ．Th e r e l e v a n t c o mp l e t e s y s t e m ，c o n t r o l ma n a g e me n t a n d t h e a p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d o f t h e t e c h n i q u e a r e a l s o i n t r o d u c e d i n b r i e f ． Ke y wo r d s CS T ；mi c r o c o mp u t e r c o n t r o l ；d i s c u s s 可控起动传输系统是上世纪后期发展起来 的重 载起动系统， 统称为 C S T起动传输系统， 该系统主 要 由 1台 或几台 配带有湿式制动离合 器 的多级齿 轮变速器液压控制系统和冷却系统组成。在重载起 动设备 如重型刮板输送机 ， 大运量 、 长距离 、 高速带 式输送机等 上装设 C S T系统的目的是为了在大的 惯性载荷下实现 逐渐平 稳 起动 和制 动或 慢速 运行 。 采用这套系统可大大降低驱动设备电动机的功率容 量 ， 改善其 起 、 停 和运 转过 程 的动力 特性 ， 因而 在 当 今世界各国的重载起动设备中得到了广泛的应用。 目前， 我国南京调速电机公司， 保定螺旋桨制造厂和 河北省邮电器材机械厂也生产同类型起动设备。 1 C S T系统主 机结构 C S T系统是 由微机控制 的机械与液压组合 的 系统。它的主机是一个装有湿式摩擦离合器反应盘 的齿轮变 速器 。美 国道 梯公 司生 产 的 C S T 系列 产 品 ， 其平行式 布置 的主机结构如 图 1所示 。 齿轮变 速器 由电动 机经 联 轴 器带 动轴 齿 轮 3 ， 轴齿轮带动从动齿轮 1 2 ， 从动齿轮安装于右端带花 键的轴 1 4上， 轴的右端花键经联轴节 7 带动行星传 动的太阳轮 6 ， 太阳轮带动行星架 1 1上的 3个行星 轮 1 5 ， 行 星 轮 用 两 盘 双 列 调 心轴 承 支 承 于 心轴 8 上 ， 行 星架 1 1通过 渐开 线花 键与 输 出轴 5相 连接 ， 实现 动力 的输 出 ， 输 出轴 5用 两盘 双列 调心 轴 承支 承在摩擦离合器的组合内轮毂 1 6内， 组合内轮毂的 右端零件为端盖 2 0 ， 端盖为环形液压缸 9的缸体， 用螺栓固定在箱体 1上 ， 集液管 4连接在端 盖 2 0 上， 向环形液压缸 9供液。组合内轮毂 1 6圆周上装 有环形液压缸活塞的复位弹簧 1 7 ， 内轮毂 的外圆周 上有安 装静 内 摩擦 片 1 8的外花键 ， 通 过环形液压 缸 9的作用， 来压紧摩擦片 1 8 、 1 9 ， 以摩擦力带动外 轮毂 1 3 ， 外轮毂用螺栓与行 星传动的环形 齿轮 1 0 相连接 ， 通过调 节环形 液 压缸 9的压力 及行 程 来实 现行星传动的差动功能 ， 使输出轴 5的速度得到调 节 ， 达到平稳起动、 调节转速和停止转动的目的。传 动箱体内注入极压齿轮润滑油， 摩擦副采用 Mo b i l F l u i d 4 2 4 或 S h e ll T r a s m i s s i o n F l u i d T D X传 动 润 滑 维普资讯 2 0 0 4年第2期 煤 矿 机 电 4 1 图 1 C S T平 行 式布 置 的主机 结构 1 一箱 体 ； 2 端盖 ； 3 轴齿 轮 ； 4 集液 管 ； 5 输 出轴 ； 6 太 阳轮 ； 7一联 轴节 ； 8 心轴 ； 9 一环 形液 压缸 ； 1 0一环形 齿轮 ； 1 1一行 星架 ； 1 2一从动 齿轮 ； 1 3一传 动外毂轮 ； 1 4 轴 ； 1 5一行 星轮 ； 1 6 一组 合 内轮毂 ； 1 7一复位 弹簧 ； 1 8 静摩擦 片 ； 1 9一动摩擦 片 ； 2 0一缸体端 盖 冷却油出口 环形齿轮 冷却油出口 冷却油出口 a 传动路线示意 b 行星差动转向示意 c 冷却油流方向 油进行 润滑冷却 。 2 C S T工作原理 图 2 摩 擦 离合 器反 应 盘传 动路 线 、 转 向及 其冷 却 示意 C S T系 统之 所 以具 有 良好 的起 动 、 停 车 、 调速 和功率平衡的功能， 主要是通过控制主机摩擦离合 器反应盘来控制行星传动的差动功能实现的。 摩擦 离合 器反应盘是 内轮毂 、 外轮毂 、 环形液 压 缸及静 、 动摩擦片等的统称。它的传动路线、 转向及 其冷却示意如图 2所示。这种摩擦离合器反应盘传 动的基本原理是基于液粘传动的摩擦定律， 如图 3 所示在两块平行 放置的平板之 间充满动力粘度 为 的油液 ， 两平面 间相距 为 ， 平板面积为 A。当下板 缸 固定 ， 上板 受 F力 的作 用 ， 以速度 V 平行 于下 板运 动时板 间流体受 到剪切 。 液粘传动常用的液力传动油或硅油基本上符合 牛顿内摩擦 定律 的规律 ， 它 的动力 粘度 不 随剪 切速 度而变 ， 剪切应力与剪切 速度 成正 比， 被视为 牛顿流 体 。C S T系统主机的摩擦离合器反应盘的工作原 理就是利用 牛顿 内摩擦这一基本原理设 计而成 的液 粘调速离合器 ， 其运行特性如下 1 运行 速度特性 牛顿 内摩擦定 律描述 了相对运 动的两平 面间存 在液体摩擦状态 即油膜完全复盖状态 下的物理属 性 。通过改变油 膜厚 度来 调速 的液粘 调速离 合 器 ， 维普资讯 4 2 煤 矿 机 电 2 0 0 4年第2期 在离合器 输出转 速 比较 低 时油膜 厚度 较 大 ， 转速 比 较高 时油膜厚度 较 小 ， 达 到 同步传 动 时油膜 厚度 为 0 ， 此 时液体摩擦转化 为机械摩擦 。 图 3 液 粘 传 动 的 牛 顿 内 摩 擦 定 律 2 传 递力矩特性 液粘 调速 离合器 在运 行 中呈 现分 离 、 调速 和接 合三种工况 ， 其传递 力矩 明显不同 1 分离工况 控制油压 为 0 ， 油 膜 厚 度 在 0 ． 3 ram 以上 ， 油膜 剪切力对传递力 矩几 乎不 起作 用 ， 但 由于摩 擦 片分 离不彻底和转 速较 高以及微小 的油膜剪 切力仍然起 作用 ， 因而在输 出轴上仍有很小 的 力矩存在 ， 此力矩 称为残余力矩， 残余力矩越小， 传递效率就越高。 2 调速工况 当控 制油 压逐渐 升高 ， 环形 液 压缸活 塞运 动使 油膜厚度减小 ， 输 出转速增 大。此 时 ， 它 处于液体摩 擦情 况下 ， 油膜 的切 应 力 ， 若将 两 平 面的 相对 速度 △V 转换 成 用 两 旋转 圆盘 相 对 角速 度 表 示 ， 则 r 。在两 圆盘 接合 半 径 为 P 处取 环形微小宽度 d p， 则粘性切应力 r对两 圆盘构 成量 值相等 、 方向相反的微力矩 d M r 2 丌 |0 d p P， 则传递力矩 为 M 』 r 2 n p d p 』 2 n d P M I I d P ． 丌 R 4一 ‘ 丌 一L r 。 丌 l_ _ R。一 一 2 E 1R 1 ] 丌 一L 。一r 。 L 一r ‘ J 将式 [ 1 ] 整理 ， 并考虑摩擦 副的数 量 Z， 则得 出 M 丌 A S l Z D d ／ 2 4 o a C [ 2 ] 式 中 一 油液动力粘度 ， P a S ； A一摩擦 副接合面积 ， m ， A丌 R 一r 2 ； 5 一 输入输 出的转差 率 ， S 1 一 2 ／ n l ； 、D一摩擦 副接合面 的内 、 外直径 ， m； r、 R一 摩擦副接合 面的 内、 外半径 ， m； ， ，一输入 、 输 出的转速 ， r ／ r ai n ； z一摩擦 副的数量 ； 一 油膜厚度 ， m； C一常数 ， Cp n An I Z D d ／ 2 4 0 。 从式 [ 2] 不 难 看 出 ， 在 液 粘 调速 离合 器 输 入 转 速 、 油液粘 度及 结 构 参数 确 定 的前 提 下 ， 传 递 力 矩 M 与转差率 5成正 比， 而 与油膜厚度 成反 比。油 膜厚 度 是控制油 压 P的函数 ， 即 _厂 P 。 由此 可 见 ， 改变其 环形液压缸 的油压即可改变油膜厚度 ， 并调 节输 出转速和力 矩。 3 接合 工况 主、 从动摩擦片在较高的控制压力作用下消除 了间隙 ， 油膜厚 度 变 为 0 ， 主 、 从 动摩 擦 片靠 静 摩 擦相互 贴合实 现 同步 传动 。此 时 ， 转速 比 i 1 ． 0， 传动效 率为 1 0 0 ％ ， 转差率 S0 。这 时它 与普通 的 湿式摩擦离合器的接合工况完全相同， 传动力矩可 由下式求 得 rR M I 2 [ P ] ’ r P Z d p r D 一 D 厂[ P]z [ 3 ] 式 中 厂 一 摩擦副 的摩擦 系数 ； 、D一摩擦 副接合面 的内 、 外直径 ， m； r 、 R一摩擦副接 合面的 内、 外半径 ， m； D 一 摩擦副接合 面的平 均直径 ， m； [ P] 一摩擦 面的允许 压强 ， N／ m ； z一摩擦 副数 量 。 考 虑到它的工 况 系数 ， 对 电动 机一 液 粘调 速 离 合器一扇 风机 系统 的 K 1 ． 2 5 ～1 ． 5 ， 则 M D 一d 2 Dp‘ f‘[ ]z [ 4 ] 当计算结果出现 M[ MH ] 传动的许用扭矩 时 ， 应增 加摩擦副 数量 ； 如仍不 能满 足 ， 应 增大 摩擦 副接合 面。 3配套系统及控制 美 国道梯公 司生产的 6 3 0 K型 C S T的配套系统 主要 由液压系统 、 润滑系统 、 冷却系统及微机控制系 统 组成 。 液压系统由主机的一级从动轴端， 经过一对增 速齿 轮 ， 驱动一 台双联 齿轮泵 ， 分别 向主机齿轮传动 维普资讯 2 0 0 4年第2期 煤 矿 机 电 4 3 箱 的液控 和润 滑 回路 以及摩擦离 合器环形液 压缸供 压力 油。液控及润滑 回路 的额定 压力 为 0． 5 2 MP a ， 它对 传动齿轮箱轴 承进 行 强制冷 却 ， 并 对控 制 系统 实行 自动调节 ； 摩擦 离合 器 的环 形液 压缸 回路 的额 定压力 为 1 ． 7 2 MP a， 它通 过 电磁 阀和 液 控 阀控 制 该 回路的压力油 。由于反应 盘摩 擦离合器在工作 时 滑动损耗 热量 很 大 ， 齿 轮 传 动箱 温 升 较 高 ， C S T 系 统 中配置 了 1台 电动机 单独 驱动 冷却 油 泵 ， 经热 交 换 器后对其提供冷却 油液。冷却装置 为带有 风扇冷 却 的热 交 换 器 。冷 却 油 泵 的 流 量 为 4 6 0 L ／ rai n～ 2 6 4 6 L／ rai n 根据 C S T系列 的功率 大小设 计选取 ， 系统压力 为 0 ． 5 5 MP a 。微机控制 系统 是技术先进 、 保 护性能完善 、 操作 快捷 的电液控 制系统 ， 它 的控制 保 护功能有 1 系统连续 监控和保护 C S T系统 受监 控 的 工 况参 数 包 括液 压 系统 的 压力 ， 反应 盘摩 擦 离 合 器 的工 作 温 度 ， 油箱 油 液 温 度 ， 润滑 油压力及进 、 出 口压差 ， 冷 却油液流量 ， 输入 轴的振动 ， 输 出轴 的转速 ， 主机 电动 机输 出功 率等 。 当 C S T系统工作 中出现不正常状 态或 故障 时 ， 微 机 会发出指令使其停机 ， 实行保护 ， 同时在屏幕上 显示 故障的性质及求助方式。 2 分级保密 输 送机 及其 C S T 系统 工作 的一 些重 要控 制 参 数 ， 如起 动时 间 、 停 机 时间 、 低速 运行 速度 、 油 压 、 油 温极限值、 各驱动电机的功率分配 多台电动机驱动 的输 送设备 等 ， 均可通过 主控板上的按键预先输 入 到微 机 中去 。根据 以上这些参 数的重要程度设 三种 密级进 行保密 ， 严格保 证 了系统的科学 管理。 3 通信联 网 C S T系统主控板 微机设 有 RS 一 2 3 2异步 串行 通 信接 口， 向下 与各 台 C S T 系统 的 电控箱 连接 ， 管理 上接第 6 0页 J HX一5型 回柱绞 车 的 总传 动 比为 2 2 5 ， 与 J H 一 5型相 比， 其传 动 比增 加 了 4 3 ． 3 ％； 取 消 了蜗杆传 动 ， 传动效率可达 0 ． 9 1 ， 是 J H一5型 的 1 ． 8倍 ； 电机 达额定 功率 时 的拉 力 ， J HX一5型是 J H一5型 的 2 倍以上 ， 可以满足 J B 1 4 0 98 3标准 和 MT／ T 7 7 0 1 9 9 8标准要求 。 在 J HX一5型减速器 内 ， 增 加 了一 对靠背 轮 ， 通 过换档可 实现 双速 回柱 或拖 动重 物 ， 当换 档 手把 放 在 中间位 置时 ， 电机 与减 速器 脱 开 ， 以便 人力 托绳 ， 其传动 系统 的运 行 和工况 参数 的 检测 ， 并 与 上级指 挥调度 中心计算 机联 网 4 C S T系统的应用 C S T系统 由于 它 的起 动性 能 好 ， 起 动 、 停 车速 度可在大范 围内实 现调 节和 控制 ， 具 有优 良的调 速 性能 ， 运行 可靠 ， 传 动效 率高 ， 还 可实 现 几 台电动 机 的 CS T 系统均 衡 分担 载 荷 ， 顺 序逐 台起 动 功能 ， 控 制灵 活 ， 操作便捷 ， 保护 功能 齐全 等一 系列 特点 ， 在 世 界上许 多国家都得到 了很快 的发展和应用 。仅美 国道梯公 司生产的 C S T系统 的系列产 品就有 8种 ， 并有两档转速 的 电动 机 可供选 用 。 自上世 纪 8 0年 代初 ， CS T 系 统 的 产 品 开 发 后 到 现 在 ， 已 生 产 了 1 0 0 0多 台套 。它 不 仅 在 大运 量 、 长距 离 、 高速 度 的 胶带输送机 上普遍 使用 ， 而且 在高 产高 效长 壁采 煤 _ 【 作 面的重 型刮板 输送 机 上使 用量 也在 不断 扩大 。 世 界上生产能力最 大的_ [ 作 面刮板 输 送机 运输 量 5 0 0 0 t ／ h ， 铺设 长度 4 3 0 m ， 也采用 了 DB T公 司生产 的 C S ] 、 系统。 目前 ， 工作面刮板输 送机最 大装 机功 率 已达 3 2 0 0 k w。我 国晋城 矿务局 寺河 矿正 在使 用 1台装 有 C S T系统 的重型 刮板输 送机 ， 江西 德兴铜 矿引进 了 3套装 有 C S T 系统 的胶 带输 送机 ， 总传 动 功率 达 到 2 1 0 0 k w ， 神 东 公 司 也 购 进 了 4套 装 有 C S T 系统 的胶 带输 送 机 ， 在使 用 过 程 中性 能 良好 。 现在 ， C S F系 统 的使 用 范 围越 来 越 广 ， 使 用 的 行业 越来越 多 ， 运送的物料 品种也在不断扩 大 ， 它技术先 进 ， 工作可靠 ， 运 行安全 ， 经济效益 明显 ， 具有广 阔的 应用前 景。 作者简介 王鸿雁 1 9 6 1 ， 女， 高级工 程师 1 9 8 2年毕业于中国 业大 学机械 设计 专业 ， 现在 煤科 总 院太 原 分院 从 事煤 矿 运 输 设备 的研 究工 作 收稿 日期 2 0 0 30 1 1 3 责任 编辑 陈锡 强 可防止 电机反转 而乱 绳 ； 当换 档手 把 放低 速级 时 可 以 0 ． 1 5 m／ s 的速 度 、 5 0 k N的拉 力 回柱 或拖 动重物 ； 当手把放 在 高速级 时 ， 可 以 0 ． 5 3 m／ s的速度 、 1 5 k N 的拉力工作 。 参 考文 献 [ 1 ] 赵连 春 少齿 差传动 的输 出 方式 与其 承载 能 力 [ J ] ． 煤 矿机 电 ， 1 9 9 9 3 作者简介 赵j 至春 1 9 4 2 一 ， 男， 教授。1 9 6 7年毕业于合肥工业大 学， 现在 安徽 理工 大学机 械工 程 系从事 矿 山机 械 方面 的科研 与教 学 ， 发 表论 文 2 O余篇 。 收稿 日期 2 0 0 30 91 9； 责任 编辑 陈锡 强 维普资讯