煤矿刮板运输机联轴器选型与启动方式选择的应用研究

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　　摘  要：刮板运输机是煤矿综采工作面的重要生产设备，而刮板运输机的联轴器形式的选择，又是决定这台刮板运输机能否正常运行的关键性部件，因此，如何选择一台刮板运输机的联轴器，是刮板运输机关键中的关键。
　　关键词：煤矿;刮板运输机;联轴器;选型;启动控制
　　中图分类号：T-18       文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）32-0162-03
　　Abstract： The scraper conveyor is an important production equipment in the fully mechanized coal mining face， and the selection of the coupling form of the scraper conveyor is the key component to determine whether the scraper conveyor can operate normally. Therefore， how to select the coupling of a scraper conveyor is the key to the scraper conveyor.
　　Keywords： coal mine; scraper conveyor; coupling; type selection; start-up control
　　1 问题的提出
　　1.1 什么是刮板运输机用联轴器
　　煤矿综采工作用刮板运输机系统中，动力系统通常由机头和机尾两套传动装置构成。在头、尾传动装置的拖动下，头、尾链轮轴组产生旋转扭矩，带动刮板链系统做无极绳运动，完成原煤的运输工作。
　　传动装置由电机、减速器和之间的联接装置构成，联接装置又由联轴器、联接罩筒及附属的紧链装置等几部分构成。简言之，联轴器就是电机和减速器之间的联接装置，通过联轴器，把电机和减速器联成一体，组成完整的传动装置。本文将着重地对这个联轴器的结构、功能和作用以及相应的启动方式加以研究和阐述。
　　1.2 联轴器的作用
　　在传动装置中，联轴器的作用，就是将减速器和电机联接在一起，使之成为动力输出的一个整体。“减速器+联轴器+电机”是一个最为简单的动力模型。然而，事情并不总是就这样地简单了事，随着煤矿生产能力的增加，对运输机生产能力提出了更高的要求，产量更大、传动功率加大的条件下，要求运输机具有良好的启动性能：减少起动冲击、限制启动电流、重载启动、过载保护、实现软启动功能等。这就对运输机的整体性能提出了更高的要求，而实现这些高性能要求的传动部件中，减速器、电机之外的，就非联轴器莫属了，因此，在结构和功能研究基础之上，联接器发展出众多的种类和型号，以满足不同条件下的生产要求。
　　2 煤矿用刮板运输联轴器的种类
　　2.1 弹性联轴器
　　最为基本的类型为弹性联轴器其构成分为三个部分：电机对轮、减速器对轮和弹性子，电机对轮安装于电动机输出轴端，减速器对轮安装于减速器的高速轴之上，弹性子由橡胶或聚胺脂等柔性材料制成，安装于两件对轮之间，起缓冲作用。外面还要有一件罩筒，作为电机的安装基础，将电机安装于减速器之上，形成一个刚性的整体。
　　在此基础之上的，根据不同的启动要求，改善启动性能，增加保护功能，又衍生出了更为高级液力偶合器和机械式的摩擦限矩器，也得到了廣泛的应用。
　　2.2 液力偶合器
　　利用液力传动的特性，来改善启动性能和提供保护功能的联接装置，主要由：泵轮、涡轮、外壳、工作介质（水或油）、对轮和弹性子组成。工作原理：电机启动后，安装在电机输出轴上的泵轮高速旋转，带动其中封闭的工作介质高速运动，把动能转化为液能（煤矿环境阻燃防爆用水介质），液能再推动涡轮做高速旋转，带动减速器工作，来完成对刮板运输机的动力输出。工作介质的引入，电机与减速器之间的联接变成了软联接，第一次实现了软启动功能，转动力矩是在工作介质的介入下，逐渐产生的，期间有了一个从无到有的建立过程，使减速器逐渐的旋转工作，从而解决了启动冲击问题和重载启动问题。当运输机上货过多或发生运行卡阻时，偶合器的易熔塞高温熔穿后，工作介质外泄，电机空转，就形成了过载保护功能。
　　2.3 摩擦限矩器
　　进口法国或是德国产品，由对轮、弹性子和两组摩擦片构成，摩擦片在弹簧的压力作用下形成一定的摩擦力矩，一旦运输机有过载情况发生，且过载程度超过摩擦限矩器力矩时，两组摩擦片之间就会产生打滑现象，使电机与减速器脱开，从而起到保护作用。缺点是一旦过载保护发生几次之后，摩擦片产生摩擦打滑几次之后，因摩擦片的磨损，摩擦力矩变小而得不到补偿，会造成运输机起动力矩不够，起动困难或是经常打滑停车，给生产造成困难。
　　2.4 阀控调速型液力偶合器
　　这是一种近几年才出现的、更为高级液力偶合器。德国福伊特公司的产品，同样地安装于电机与减速器之间，由对轮、弹性子、泵轮、涡轮、进排电磁液阀、安全阀、制裁阀和控制系统构成，当然是少不了对轮和弹性子的。工作原理：启动时偶合器中没有工作介质充填，电机带动泵轮空载启动，待电机转速平稳正常后，由辅助控制器控制将进液电磁阀打开，向偶合器内充水，随着偶合器内的充水量的增加，水介质在泵轮的带动下，液能也不断地增加，并带动涡轮加速旋转，逐步建立起扭矩，从而带动减速器运转，使刮板运输机逐步的实现启动，这个过程就叫做软启动。这是一种目前机械结构能达到并完成的、最为理想的刮板运输机软启动方式。当控制系统检测到温度或电流达到保护设限时，控制系统指令电磁阀打开排液，运输机减速或停止，从而实现过载保护功能。目前只有德国进口产品可供选择，国内产品正在开发生产中。 　　3 联轴器的选用
　　联轴器的选用，是由刮板运输机的功率所直接决定的，即由配用电机功率的大小所决定。随着煤矿科技的发展，煤矿矿井的单产也不断地被刷新，出现了单一工作面达产上千万吨，甚至两千万吨的大型或超大型矿井，这就要求刮板运输机的运输生产能力不断的提高，以适应煤矿发展有刚性需求。
　　随着刮板运输机运输能力的提高，装机功率也由最初的132kW*2发展到现在的1200kW*2或是更大的1200kW*3，达到了空前的程度。相应地，运输机槽宽由30年前的764mm也发展到了现在的1450mm。加大槽宽，增加上货量，才能提高运输能力。
　　电机功率的提高所带来的，是电机的启动困难。功率大，启动电流就大，而且是呈几何级增长的，想要平稳地启动一台大功率电机，就要根据电机的功率，来合理的选择一种安全的启动方式，就要选择好前面所列举的各种形式的联轴器，因此，联轴器是一种关键的部件。
　　（1）小功率电机的联轴器选择。八十年代中后期，成套综合机械化采煤工艺及设备开始引进到国内，引进和仿制的刮板运输机，典型型号为SGZ764/400、SGZ764/630。S-输送机;G-刮板;Z-综采用;槽宽为764mm。400-630指的是装机功率，头尾双电机拖动，单机功率为200kW-315kW。这是当时90年代以后国产最先进机型的代表。电机为双速电机，即电机有750-1500r/min高低两种工作转速，用低速启动，高速生产。联轴器则是选用标准的弹性联轴器，就可以满足刮板运输机的启动要求。
　　同一时期，液力偶合器，开始投入使用，初始是油介质的，后因防爆阻燃要求而采用安全的水介质，但因传递功率偏小、易过载等原因而逐步淘汰，弹性联轴器成为标配。
　　（2）大中功率电机的联轴器选择。1994年8月，由西北煤机厂生产的国家八五攻关项目，日产七千吨设备成套综采工作面设备安装于晓南矿N1-709工作面，配套的SGZ800/800型刮板运输机，在国内第一次达到了槽宽（内宽）800mm、装机功率2*400kW。这是国产的第一套重型可弯曲刮板运输机，代表着国产的最高水平。其传动装置依然采用的是弹性联轴器形式，能够满足使用要求。
　　2005年生产的SGZ1000/1400型运输机和2008年张煤机生产的SGZ1000/1710型刮板运输机，因增加产量的需要，槽宽达到了1000mm系列，装机功率也同样得到了提升，电机单机功率达到了700-855kW，这个等级的运输机，这产生了相应的电机启动和保护问题。
　　国外先进的煤机行业如DBT公司和美国久益，已经率先配套了先进的电液控制的离合装置，实现了软启动控制和过载保护功能。而国内企业生产的运输机，在这方面的研发和生产能力，就显得落后了一个代差。上面的两种型号的运输机上，依然配用了常规的弹性联轴器作为联接装置，依然采用的双速电机拖动;而作为保护措施，增加进口的摩擦限矩器，用来保护功率巨大的电机和减速器。
　　井下生产的实践证明，依靠摩擦限矩器所起到的作用是有限的，因煤矿井下使用环境的特殊性，这种摩擦限矩器在起到过载保护的同时，却给运输机带来了一种新的麻烦，那就是前文所说的频繁过载保护引起的起动打滑问题，重载起动困难。重载起动，就是煤矿井下采煤工作面运输设备的一种起动特性要求，生产作业中，运输机的重载起动和过载保护后的再起动，是运输机性能要求中的一条重要的特性，只有满足这一重载起动功能的运输机，才能说是适用于煤矿井下生产作业环境。
　　其故障原因为：这种摩擦限矩器一旦发生打滑保护之后，因摩擦片之间相对运动，就产生了相应的磨损，这就导致了摩擦力矩的下降，它的力矩是建立在弹簧组对摩擦片生产的压力作用之上的。弹簧压力不变，那么摩擦片磨损之后间隙的增大，就直接导致了摩擦力矩的变小，影响了设备的重载起动特性，进而影响到生产的正常进行。摩擦限矩器的摩擦力矩，按其设计功能，是可以恢复调整的。但这种调整需返厂在专门的试验台上进行的，井下不可以调整。因此，这种摩擦限矩器在井下使用了一段时间之后，就逐渐的淘汰掉了，不能满足井下生产要求。
　　去掉摩擦限矩器之后的这些大中功率的刮板运输机，在700kW或855kW双速电机的拖动下，依然可以实现这些刮板运输机的重载起动，完成井下采煤工作面的原煤运输工作。大功率电机和减速器带来的好处是：功率大，扭矩大，运输机的起动特性好，能够满足任何条件下的重载起动要求;其次，这种大马拉小车的使用，会大大地减少过载或重载对设备的损坏，使运输机的开机率得以提高，从而保证了建设双高矿井对设备的运行要求。
　　另一方面，700kW或855kW双速电机的重载起动，启动电流大、机械冲击大、过载保护困难等诸多启动问题，也严重地影响着设备的安全运行。寻找一种安全有效的启动方式，成为必须解决的问题。
　　（3）超大功率电机启动方式的选择。受生产制造技术的制约，目前的双速电机功率上限为855kW。而选用1000kW电机，就必须采用一种软启动配套方式与之配套，以实现刮板运输机的重载启动。
　　2012年，铁煤集团的主产矿井大平矿N1S3综放工作面提出了单电机功率1000kW、总装机功率2000kW的板运输机的使用需求，用于满足该矿单面单产450万吨的生产要求。经设备招标，确定主机采用张煤前后部SGZ1000/2000型刮板运输机，配套德国福伊特公司的562DTPKWL2-1000型阀控调速型液力偶合器，做为软启动控制方式。
　　阀控调速型液力偶合器，是当时条件下的1000kW以上电机启动方式的唯一选择，这种起动方式，是当时刮板运输机最为完美的启动方式，因此也得到了广泛的使用，一度成为刮板超大功率运输机起动方式的首选。
　　（4）任何事物都不是尽善尽美的，总有一定的条件所限制。偶合器虽然实现了超大功率电机的完美软起动，但它也存在着自身的不足之处，那就是机械结构过于复杂、用水量大、对水质要求高、维护相对困难等缺点。仅用水量一项，单台偶合器用水量为240l/min，工作面为前后部两套运输机，共4台电机，那么每小时的用水量为57.6吨/小时。用水量巨大，再就是对水质要求高，软化后的水也会使其内部产生大量的水垢，造成工作效率下降。最为严重的是轴承的使用寿命偏低，根据大平矿的使用经验，原装的偶合器在井下使用时间不超过1年，检修后的偶合器使用寿命仅在半年左右，这就造成了井下频繁更换偶合器的局面，同样给生产带来设备维护量大，偶合器检修频繁、检修费用高等诸多不便。但这是在机械联轴器范筹之内的实现超大功率运输机软起动的最佳选择方式。
　　（5）變频调速，是另一种超大运输机的软起动方式，是采用专门的变频开关，对单速机电变频启动的一种控制方式。是目前除偶合器之外的另一种很好的软起动选择，本文重点讨论的是机械方面的联轴器，不在范围之内，将另有文章论述。
　　4 联轴器的发展方向
　　本文从运输机电机装机功率，从联轴器技术发展上，研究讨论了不同时期、不同机型上的联轴器的选用，及其使用中的估缺点，不同的联轴器，是不同时期的技术进步的产物，在不同的机型上，起着不同的作用，不可替代、不可或缺。根据机型，选择使用。简单适用，就是最好的选择。而且，从来就没有一种包打天下，所有设备通吃联轴器。只能是随着时代的发展，科技的进步，为每一种机型都研制出更为适用的产品。
　　联轴器的发展方向，应当向电磁离合的方向，是一种目前看来较为理想的实现电机与减速器之间的联接功能，又能实现软启动的启动控制方式。结构为一组电机离合器片和一组减速器离合器片组合在一起，中间充满一种高效磁粉。机电空转启动后，控制器向电磁离合器加电，电磁粉加电后产生极性，在两级离合器片之间建立电磁联接，即，加电前电磁粉为自由状态，随机运动;加电后电磁粉产生极性，规律排列并将离合器片吸附为一体，产生强大的吸附力矩，且这种力矩随电流的大小可调，由小到大，最后满载，来实现完成运输机的软启动控制。
　　这种电磁离合器具有结构简单、控制方便、无排放等诸多优点。目前，这种电磁离合器还处于研发状态之中，已经实现了400kW功率机电的软启动控制，一旦技术上获得突破，能够实现对大功率、超大功率的电机软启动控制，必将是未来的煤矿运输机联轴器和软启动的发展方向和首选。
　　参考文献：
　　[1]抚顺矿务局.机电设备检修质量与验收标准[S].1991-4-1.
　　[2]Voith Turbo GmbH &Co，KG.VOITH阀控调速型液力偶合器安装使用手册[Z].2010-11-26.
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