带式输送机驱动装置的选择和比较.pdf

菇胡2 0 0 8 年第2 7 卷第6 期 带式输送机驱动装置 的选择和 比较 孙 守德 太钢集 团矿业公 司0 3 0 0 0 3 摘 要 分析 了带式输送机的工作原理和起动特点，针对驱动方式的不同，介绍了三种带式 输送机驱动装置的应用现状和优缺点，并就变频调速、液力耦合器和 C S T调速各方面性能进行 了比较 ，对带式输送机驱动装置的选择有一定的指导意义。 关键词 带式输送机 驱动 调速 1 引 言 随着 国民经济 的蓬勃发展 ，国内采矿业近年来 发展迅猛 。大型矿 山和高效矿山逐渐增多，导致对 大型带式输送机的需求增加 。每小时运量 的记 录被 不断刷新 ，已突破6 5 0 0 t ，接近8 0 0 0 t ，带式输送 机的长度 已突破4 6 0 0 m。输 送速度加快、距 离加 长、输出功率提高 以及可靠性高等要求 ，对带式输 送机驱动装置的要求也越来越高 。由于速度快 ，且 在重载和超载条件下工作 ，起动电流过大，对 电网 冲击大 ，起动困难并危害其他设备的正常运行 。在 大型带式输送机起动、减速和停止的不稳定 阶段 ， 由于输送带的黏粘特性 ，如果加在输送机上的加减 速度过大 ，会在输送带 内引起应力变化 ，可能会对 输送带和机械设备造成损伤和破坏。输送带能否正 常、安全可靠地运行将直接影响整个系统 的经济效 益。因此选择合适的驱动装置成为广大矿业人员的 重要任务 。可控起制动、响应快速、控制精度高且 能根据负载变化 自动调节加减速特性 的系统越来越 受 到欢迎 。 2带式输送机 工作原理 通常皮带机通过驱动轮鼓 ，靠摩擦牵引皮带运 动 ，皮带通过张力变形和摩擦力带动物体在支撑辊 轮上运动。皮带是弹性储能材料 ，在皮带机停止和 运行时都储存有大量势能 ，决定了起动时应采用软 起动方式 。 带式输送机的起制动加 速度一般情况为 0 ． 1～ 0 ． 3 m ／ s ，但应用表明，该值 已不适应高速度 、长 距离及线路复杂的带式输送机 ，应采用具有可控起 制动功能的驱动装置 ，根据输送机实际运行 状态， 按照理想的起制动速度曲线起制动 ，减小输送带和 机械设 备 的 内部 应 力 和 动 态 载 荷。 实 际 应 用 过 程 中，可控起动速度曲线有 以下两种 I 由澳 大利亚 H a r r i s o n提 出的起 动速度 曲 线 ，如图 1所示。起动开始时加速度为 0，速度平 稳增加；T ／ 2时加 速度达 到最大值 ，速度 达到v ／ 2 ； 然后加速度逐渐对称降低，速度继续增加；达到设 计带速时，加速度降到 0 ，完成起动过程。除起点 和终点外 ，加速度曲线的一阶导数是连续的。 ／ 2 善 O f ／ s 图 1 H a r r i s o n起动 曲线 l 一 速度2 一加 速度3 一加速度变化率 专 0 ≤ t ≤ 吾 一 l 了4 t 一 2 t2 T ≤ ≤ 式 中， 为设计带速；T为起动时间。 2 由美 国专 家 N o r d e l l 提 出的起 动速度 曲 线 ，如图 2所示。起动开始时 ，加速度为 0 ，速度 平稳增加；T ／ 2时加速度线性增加 到最大值 ，其值 比图 2中的加速度值大 2 7 ％ ，速度达到 v ／ 2 ；然后 加速度逐渐对称降低 ，速度继续增加 ；达到设计带 速时 ，加速度降到 0 ，完成起动过程。加速度的一 阶导数在 0 、T ／ 2及 时刻是不连续的，但加速度 导数的峰值只是图 l 所示的 8 l ％。 上述两种起动控制方式都能获得理想的起动效 一 39 维普资讯 嘭 蠡胡2 0 0 8 年第2 7 卷第6 期 带式 输送机驱动装置的 选择和比 较 0 g ／ 2 O 图 2 N o r d e l l 起 动 曲线 1 一速度2 一 加速度3 一加速度变化率 果 。由于输送机起动之前输送带处于松弛状态，为 避免冲击 ，将输送带拉紧后起动 ，可进一步改善起 动峰值张力作用。因此需要在起动开始阶段加入一 个时间延迟段 ，如图 3所示 ，延迟段的速度一般取 为设计带速 的 1 0 ％。起 动时间 可通过 控制最 大 起动加速度或平均加速度初步确定 ，再根据动态分 析结果进行优化。一般情况下 ，特长距离带式输送 机 的起动加速度不大于 0 ． 0 5 m ／ s ，中长距离带式 输送机的起动加速度不大于 0 ． 1 m ／ s 。 图 3 带有延迟段 的起动速度曲线 为避免输送机在起动过程中发生共振等动力学 现象 ，起动时间应满足下列条件 ≥5 L ／ v ，即起 动时间大于下分支输送带纵向应力波 由机头传到机 尾所需时间的 5倍。其 中， 为输 送机总长 ，m； 为输送带纵 向应力波传递速度 ，m ／ s ，且 ／ E s ／ q q ； E 为输送带弹性模量，N ／ m m ； 为 带 宽，m m；q 为 单 位 长 度 输 送 带 质 量 ， k g ／ m；q 为下分支单位机 长托辊旋转部分 质量 ， k g ／m。 目前 ，工程上应用较多、具有可控起制动功能 的驱动装置主要有 ①机械软起动液力耦合器 ，液 体黏性软起动器等。②机电软起动可调速直流驱动 器、绕线转子 电机驱动及 C S T等。③ 晶闸管软起 动、变频器及固态降压软起动装置等 。 ．． 40 ．． 3 带式输送机主要驱动方式 比较 3 ． 1 笼型电动机加调 速型液力耦合器的软起动驱动 调节型液力耦合器通过工作液来传递能量 ，泵 轮通过输入轴与电动机相连，涡轮通过输出与减速 器相连。由于调速型液力耦合器 的充油量可 以调 节 ，所以可以通过调节耦合器的充液量来调节耦合 器的输出转矩 ，如图 4所示 ，使得带式输送机在设 定的起动转矩下平稳起动。多电动机驱动时 ，依靠 导管的调节使各电动机功率保持平衡。调速型液力 耦 合器 最大 特点是 价格便 宜 ，在 一定程 度上满 足 了 带式输送机的软起制动，但也存在一些问题 国内 大多数矿 山采用液力耦合器实现带式机的软起动 ， 起动时调整液力耦合器的机械效率为零 ，使电动机 空载起动。虽然采用了转子串接 电阻改善起动转矩 和降压空载起动等方法，但 电动机的起动电流仍然 很大 ，不仅会引起电网电压的剧烈波动，还会造成 电动机 内部机械冲击和发热等现象。同时采用液力 耦合器软起皮带时，由于起动时间短、加载力大等 容易引起皮带断裂和老化，要求皮带的强度高。加 之液力耦合器长时间工作会引起其内部油温升高 、 金属部件磨损 、泄漏及效率波动等情况发生 ，不仅 会加大维护难度和成本 ，污染环境 ，还会在多机驱 动同一皮带时难以解决功率平均和同步问题；另外 体积比较大，需附加油液冷却装置，占地面积较大。 图 4各种充油量 F 调速性液力耦合器的外 特性 曲线 3 ． 2转子回路串接电阻的软起驱动装置 按照起动特性，在绕线式异步电动机 中的转子 回路串上合适 的电阻，通过切换 电阻，既保证了最 大的起动转矩，又可以在有限的电阻级数下，获得 不同的起动加速级 ，使带式输送机加速、较平稳 的 起动。其缺点是 由于这种调速方式是依靠增加转差 功率损耗来调速 ，因此低速时效率低 ，并且是有级 维普资讯 带式输送机驱动装置的选择和比较 嘭 ‘ 钼2 0 0 8年第2 7卷第6期 调速 ，维护工作量大。 3 ． 3 B OS S 、C S T驱动 系统 B O S S系统 由澳大利亚 N M 公司研制 ，适用于 2 0 0～ 5 0 0 k W 的可控系统 ，用于控制带式输送机的 主电动机传给驱动装置的输出扭矩 ，能量的传递通 过液压活塞推动离合片延齿槽的运动来完成。活塞 的推力越大 ，联轴器传递的能量越多。输 出扭矩与 液压 油 的压 力成 正 比。特 点是 可根 据不 同 的带 速 一 时间曲线选用不同的起动过程。C S T系统是 由美 国 D o d g e R o c k w e l l自动化研究公司生产 的专 门为带式 输送机研制的一种驱动装置。它由行星齿轮减速器 的内齿圈与湿式摩擦离合器组合而成 ，通过 比例阀 及控制系统来实现软起动 ，主要 由机械传动系统、 电液控制系统 、油泵站系统、冷却控制系统 、热交 换系统及润滑系统等组成。利用离合器中主 、被动 件之间的油膜剪切作用来传递动力 ，实现主、被动 轴的同步运行和无级调速 ，即利用电液控制 ，通过 改变摩擦片之间的油膜厚度对输 出轴的速度和传递 的扭矩进行控制。该系统具有设定起制动速度曲线 自动跟踪控制功能、过载保护功能 、多机平衡功能 和低 速验 带功 能 。起 动 系数 可 以控 制 在 1 ． 0 5～ 1 ． 1 ，起动加速度可 以控制在 0～ 0 ． 0 5 m ／ s ，控制 精度为 2 ％。C S T可控起制动装置的缺点在 于增加 了液压系统的维护工作 ；对于倾斜带式输送机 ，必 须设置较大的低速轴制动器和逆止器。 3 ． 4 R S M 固态软起动器 由美 国 B e n s h a w公 司研 制 的 R S M 和 MV R S M 码器信号构成速度控制闭环系统 ，确保被控 电动机 的速度能够跟随给定速度。如果被控 电动机速度远 小于给定速度，则速度调节器输出最大电流，让 电 动机以最大电流加速 ；如果被控 电动机速度等于或 高于给定速度 ，则速度调节器输 出最小电流，让电 动 机 以最 小 电流 运 行 。 其 缺 点 是 当多 电 动 机 运 行 时，起动时建立电流分配、负荷分配时间较慢 ，动 态 响应 较慢 ，当电动 机达 到全 速后 ，不具 有调 节负 荷的能力。 3 ． 5 交流变频驱动装置 交流电动机变频调速通过改变定子的供 电频率 来改变电动机的同步转速来实现速度调节 ，具有调 速范围宽、精度高等特点 ，易于实现起制动速度曲 线的 自动跟踪，能够提供理想 的可控起制动性能， 在多电动机运行时能有效地分配负荷 ，对负载变化 的响应快。其起动系数可以控制在 1 ． 0 5～1 ． 1 ，起 动加速度可 以控制在 0～ 0 ． 0 5 m ／ s ，适用于长距 离 、线路复杂的带式输送机，可以控制输送机按设 定的 “ S ”形速度 曲线起动和制动 ，以满足整机动 态稳定性及可靠性的要求。变频调速驱动装置还可 以提供低速验带速度。随着变频技术 的发展和成 熟 ，造价已不是限制其发展的主要原 因。它优异的 特性 ，简易的维护特性 已逐渐被广大用户接受。 4 变频 调速、液力耦合器及 C S T调速 比较 目前现有用户使用最多的是变频调速 、液力耦 合器和 C S T调 速三种调 速装置。综上所 述，现把 系列固态软起动器，其工作原理是通过外部速度编 三者特性比较归纳如下表所示。 表变频调速、液力耦合器 和 C S T调速性能比较 一 J 一 维普资讯 嘭 量胡2 0 0 8 年第2 7 卷第6 期 带式 输送机驱动装置的选择和比 较 投资效益 1 ．液力耦合器初期投资低 ，但变频调速节能效果及其他方面优于耦合器 。 2 ．变频驱动方案的性价 比明显高于 C S T，绝对价格基本等 于或低于 C S T ，节能降耗效益显著 5 结束语 通过上述 比较 可知，绕线式 电动机 串电阻调 速、调速型液力偶合器、C S T及 B O S S软起动系统 目前被普通用户广泛使用 ，但 由于各 自存在缺点 ， 上接 第 2 6页 由此可见，4 O w 电磁感应灯与其他 电光源相 比，一年左右电磁感应灯所节约的费用即可收回高 出其他电光源 的差价，23年内电磁感应灯所节 约的费用即可收回投资成本。 8社会效益 电磁感应灯高效、节能 比白炽灯节 能 8 0 ％ 以上 ，比汞灯、钠灯和金属 卤化物灯节能 4 0 ％ 以 上 。如果我国道路照明中现行安装的高压钠灯全 部采用暖色调的电磁感应灯 ，仅此一项每年可为社 会节约用电 8 ． 8亿 k W h ，可节省 5亿人民币；且 由于使用 寿命长 6 0 0 0 0 h ，一旦安装使用 ，长 年无需维护；绿色、环保 、显色性高 、光色多、光 通利用系数高且光穿透能力更强，用于路灯照明可 减少或避免交通事故的发生 ；无频闪现象保护了人 眼的视力健康 ，有助于提高劳动安全 ；无辐射保护 一 2 一 正在被变频调速装置所取代。变频调速装置调速性 能优越 ，起制动特性平稳 ，运行可靠性高 ，性价比 高 ，节能高效 ，正在被广大用户认可。 收稿 日期 2 0 0 8 0 2 一O 1 人体健康 ；无 电磁污染 ，维护了电网的安全运行 ； 瞬时起动和瞬时再起动可减少或避免生产事故的发 生 ；功率 因数高于 0 ． 9 9 ；电压变化对光通量影响 小 ；8 82 5 0 V均能 正常工作 ；电压波动亮 度不 变 ；交直流通用，适合各种照明；无灯头、无灯丝 且耐震 ，长年使用无需维护 ；节省大量的人力、物 力和财力等 ，突显了它的社会效益。 9 结束语 1 电磁感应灯是一种绿 色、环保 、高效且 节能型电光源，是 2 1世纪最有发展前景的一种绿 色环保型电光源。 2 从电磁感应灯与其 他几种 电光源主要特 性 比较 、价格比较及经济效益 、社会效益来看，突 显了其优越性 ，应大力推广应用。 收 稿 日期 2 0 0 7 1 2 2 0 维普资讯