矿井带式输送机驱动技术及系统分析

2015-05-08赵雅风

江西煤炭科技 2015年4期

赵雅风

（山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西阳泉045000）

1 概述

我国西部大型的高产高效矿井对煤炭的快速运转提出了更快、更安全可靠的要求。在煤矿井下煤炭运输环节中，带式输送机起着关键作用。随着煤矿机电控制技术的不断更新与发展，带式输送机的驱动技术及系统日益多样化。设备智能化、大型化是现阶段高产高效矿井对带式输送机提出的要求，也是带式输送机的发展趋势。目前，我国煤矿的带式输送机输送带宽度已达1600mm，运转速度超过5m／s，每小时运输煤炭能力已超过3200m3〔1〕。随着带式输送机运输能力的不断提高，相配套的驱动技术及系统也相应发展，本文针对目前常见的带式输送机驱动技术及装置评价比较，提出带式输送机驱动技术及系统应用的发展趋势。

2 带式输送机启动驱动系统

2.1 软启动驱动技术及系统

（1）CST驱动设备

CST是著名汽车制造公司—道奇公司发明的新型驱动设备。CST的工作原理为：在电机施加负荷之前对电机进行空载驱动，行星齿轮传动的内圈安设有粘液离合器，此时输出转轴并不转动；当电机逐渐达到额定功率后，粘液离合器接触片的间隙宽度由液压控制，从而CST实现了方便控制输出功率及力矩的功能。离合器在控制系统的精确调控下平稳逐级启动。CST驱动设备具有可靠性能高、软启动控制稳定、输出效率高、占用空间小等特点〔2〕。此外，CST驱动设备能够保证多驱动单元电机的效能平衡，应用技术较为成熟，也可在高荷载条件下启动。但是，CST驱动设备价格较高，并且要求依赖其指定品质的油品；进口设备一旦出现故障，初级用户维修维护较为困难。

（2）双速电机启动

双速电机启动是一种多级提高转速的方法。通常情况下，电机转速与极的对数成反比例关系。双速电机启动的工作原理为：通过控制电动机内定子绕组的极数目达到控制转子的角速度；改变定子绕组数目可采用变更绕组接法，从而可以使得转子产生两种不同的角速度，即双速电机。使用最多的变速比为2∶1，此类电机称为倍速电机。图1为双速电机接触器控制电路原理图，时间、速度及电流原则是绕组数的自由切换原则。

图1 双速电机接触器控制电路原理

双绕组双速电机的优点为：可在低速下启动，变速与启动性能好。其缺点为：不能实现无级变速，调控能力较差，耗电量较高。

（3）液力耦合器

液力耦合器工作原理为通过液体作为传力介质实现转速的改变，因此它也称为软启动装置。通过控制耦合器涡轮间的液体压强，实现对输出转轴转速的控制。液力耦合器的工作优点为：柔性传力、初级用户即可操作、内部结构简洁、抗冲击荷载与循环荷载性能好〔3〕。液力耦合器也可用于多电机启动，可实现逐台启动，避免电流瞬间过大。但是，它本质上属于机械调速装置，功率损失较高；同时油压因外力做功温度升高，需要大量冷却水循环降温。液压变速的普遍缺点为速度不太稳定、调速精度较差，且不能在负载情况下启动电机。

（4）变频控制驱动系统

变频装置有“交流电－直流电－交流电”与“交流电－交流电”两类。图2为“交流电－直流电－交流电”变频装置电路图。“交流电－直流电－交流电”变频装置首先将交流电转变为直流电，再利用逆变器将直流电又转换为变频变压的交流电。“交流电－直流电－交流电”变频装置优点为功率因数高、谐波电流小、无需谐波吸收装置。“交流电－直流电－交流电”变频装置启动与制动稳定性好；调速频段广，可实现无级变速；可在负载状况下稳定启动。但是其体积较大，需占用较大安置空间〔4〕。“交流电－交流电”变频装置能够将额定频率恒压变为变频变压，因此功率因数不高，对局部网路电流电压有较大影响。

图2 “交流电－直流电－交流电”变频装置电路

2.2 硬启动驱动系统

（1）挠性联轴器

按照是否安装传递工作负荷的弹性机件，挠性联轴器可分为非弹性与弹性联轴器两类。相比之下，弹性联轴器更具优势，这是因为利用弹性元件可校正补偿转轴的偏转，减轻机械振动，吸收冲击能量。弹性联轴器采用一体成型设计，可实现无间隙传递扭矩，同时可利用螺旋切槽提高扭矩传递的精确性。

（2）刚性联轴器

刚性联轴器与弹性联轴器相比，无法校正补偿因高速转动引起的转轴的位移或偏差。而这种轴间位移或偏差会导致联轴器使用寿命缩短。但刚性联轴器具有重量较轻，旋转工作时的惯性力小，灵敏度高，耐腐蚀等优点。

2.3 电动滚筒驱动方式

将减速器与电机一起安置在滚筒内腔的驱动装置称为电动滚筒（见图3）。相比于常见的“防爆电动机、减速器、驱动滚筒分离装置，电动滚筒占用的空间体积更小，结构更加紧密，启动及运转稳定，机械噪声较小等优点。缺点是因其受到转速与功率的限制，电动滚筒只适用于带式输送机运输距离较短的条件。

图3 电动滚筒

3 带式输送机驱动装置发展趋势及展望

以沁和能源集团有限公司下属矿井为例，1.4～1.6m带宽的入仓带式输送机通常配置CST驱动装置与电机。1.2～1.4m带宽的带式输送机的驱动装置通常选择变频驱动，这类带式输送机一般用于综采工作面运输平巷、运输大巷等地点。0.8～1.2m带宽的带式输送机通常采用液力耦合驱动、弹性联轴器驱动或电动滚筒驱动。大采高工作面的刮板输送机一般采用双速电机驱动；双速电机驱动方式一般不用于带式输送机。

按照《煤矿安全规程》第373条的规定：带式输送机应加设软启动装置，因此，刚性联轴器已经不能满足于矿井运输的发展趋势要求。随着矿井运输连续化、高产高效对带式输送机启动及运转的要求不断提高，上述的四类软启动驱动装置中，变频驱动系统具有耗电量低、控制稳定性好、对电流网路干扰影响小、可实现多台电机功效平衡、功率因数较高等优点，变频驱动装置是未来井下大功率、长距离运输带式输送机驱动的发展趋势。对于运量较小、运输距离较短的带式输送机，电动滚筒因其效能匹配最佳、维护工作简便、占用空间较小等优点，将逐渐成为短距离运输设备驱动装置的首要选择。