礦井帶式輸送機驅動技術及系統分析

趙雅風

（山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉045000）

1 概述

我國西部大型的高產高效礦井對煤炭的快速運轉提出了更快、更安全可靠的要求。在煤礦井下煤炭運輸環節中，帶式輸送機起著關鍵作用。隨著煤礦機電控制技術的不斷更新與發展，帶式輸送機的驅動技術及系統日益多樣化。設備智能化、大型化是現階段高產高效礦井對帶式輸送機提出的要求，也是帶式輸送機的發展趨勢。目前，我國煤礦的帶式輸送機輸送帶寬度已達1600mm，運轉速度超過5m／s，每小時運輸煤炭能力已超過3200m3〔1〕。隨著帶式輸送機運輸能力的不斷提高，相配套的驅動技術及系統也相應發展，本文針對目前常見的帶式輸送機驅動技術及裝置評價比較，提出帶式輸送機驅動技術及系統應用的發展趨勢。

2 帶式輸送機啟動驅動系統

2.1 軟啟動驅動技術及系統

（1）CST驅動設備

CST是著名汽車制造公司—道奇公司發明的新型驅動設備。CST的工作原理為：在電機施加負荷之前對電機進行空載驅動，行星齒輪傳動的內圈安設有粘液離合器，此時輸出轉軸并不轉動；當電機逐漸達到額定功率后，粘液離合器接觸片的間隙寬度由液壓控制，從而CST實現了方便控制輸出功率及力矩的功能。離合器在控制系統的精確調控下平穩逐級啟動。CST驅動設備具有可靠性能高、軟啟動控制穩定、輸出效率高、占用空間小等特點〔2〕。此外，CST驅動設備能夠保證多驅動單元電機的效能平衡，應用技術較為成熟，也可在高荷載條件下啟動。但是，CST驅動設備價格較高，并且要求依賴其指定品質的油品；進口設備一旦出現故障，初級用戶維修維護較為困難。

（2）雙速電機啟動

雙速電機啟動是一種多級提高轉速的方法。通常情況下，電機轉速與極的對數成反比例關系。雙速電機啟動的工作原理為：通過控制電動機內定子繞組的極數目達到控制轉子的角速度；改變定子繞組數目可采用變更繞組接法，從而可以使得轉子產生兩種不同的角速度，即雙速電機。使用最多的變速比為2∶1，此類電機稱為倍速電機。圖1為雙速電機接觸器控制電路原理圖，時間、速度及電流原則是繞組數的自由切換原則。

圖1 雙速電機接觸器控制電路原理

雙繞組雙速電機的優點為：可在低速下啟動，變速與啟動性能好。其缺點為：不能實現無級變速，調控能力較差，耗電量較高。

（3）液力耦合器

液力耦合器工作原理為通過液體作為傳力介質實現轉速的改變，因此它也稱為軟啟動裝置。通過控制耦合器渦輪間的液體壓強，實現對輸出轉軸轉速的控制。液力耦合器的工作優點為：柔性傳力、初級用戶即可操作、內部結構簡潔、抗沖擊荷載與循環荷載性能好〔3〕。液力耦合器也可用于多電機啟動，可實現逐臺啟動，避免電流瞬間過大。但是，它本質上屬于機械調速裝置，功率損失較高；同時油壓因外力做功溫度升高，需要大量冷卻水循環降溫。液壓變速的普遍缺點為速度不太穩定、調速精度較差，且不能在負載情況下啟動電機。

（4）變頻控制驅動系統

變頻裝置有“交流電－直流電－交流電”與“交流電－交流電”兩類。圖2為“交流電－直流電－交流電”變頻裝置電路圖。“交流電－直流電－交流電”變頻裝置首先將交流電轉變為直流電，再利用逆變器將直流電又轉換為變頻變壓的交流電。“交流電－直流電－交流電”變頻裝置優點為功率因數高、諧波電流小、無需諧波吸收裝置。“交流電－直流電－交流電”變頻裝置啟動與制動穩定性好；調速頻段廣，可實現無級變速；可在負載狀況下穩定啟動。但是其體積較大，需占用較大安置空間〔4〕。“交流電－交流電”變頻裝置能夠將額定頻率恒壓變為變頻變壓，因此功率因數不高，對局部網路電流電壓有較大影響。

圖2 “交流電－直流電－交流電”變頻裝置電路

2.2 硬啟動驅動系統

（1）撓性聯軸器

按照是否安裝傳遞工作負荷的彈性機件，撓性聯軸器可分為非彈性與彈性聯軸器兩類。相比之下，彈性聯軸器更具優勢，這是因為利用彈性元件可校正補償轉軸的偏轉，減輕機械振動，吸收沖擊能量。彈性聯軸器采用一體成型設計，可實現無間隙傳遞扭矩，同時可利用螺旋切槽提高扭矩傳遞的精確性。

（2）剛性聯軸器

剛性聯軸器與彈性聯軸器相比，無法校正補償因高速轉動引起的轉軸的位移或偏差。而這種軸間位移或偏差會導致聯軸器使用壽命縮短。但剛性聯軸器具有重量較輕，旋轉工作時的慣性力小，靈敏度高，耐腐蝕等優點。

2.3 電動滾筒驅動方式

將減速器與電機一起安置在滾筒內腔的驅動裝置稱為電動滾筒（見圖3）。相比于常見的“防爆電動機、減速器、驅動滾筒分離裝置，電動滾筒占用的空間體積更小，結構更加緊密，啟動及運轉穩定，機械噪聲較小等優點。缺點是因其受到轉速與功率的限制，電動滾筒只適用于帶式輸送機運輸距離較短的條件。

圖3 電動滾筒

3 帶式輸送機驅動裝置發展趨勢及展望

以沁和能源集團有限公司下屬礦井為例，1.4～1.6m帶寬的入倉帶式輸送機通常配置CST驅動裝置與電機。1.2～1.4m帶寬的帶式輸送機的驅動裝置通常選擇變頻驅動，這類帶式輸送機一般用于綜采工作面運輸平巷、運輸大巷等地點。0.8～1.2m帶寬的帶式輸送機通常采用液力耦合驅動、彈性聯軸器驅動或電動滾筒驅動。大采高工作面的刮板輸送機一般采用雙速電機驅動；雙速電機驅動方式一般不用于帶式輸送機。

按照《煤礦安全規程》第373條的規定：帶式輸送機應加設軟啟動裝置，因此，剛性聯軸器已經不能滿足于礦井運輸的發展趨勢要求。隨著礦井運輸連續化、高產高效對帶式輸送機啟動及運轉的要求不斷提高，上述的四類軟啟動驅動裝置中，變頻驅動系統具有耗電量低、控制穩定性好、對電流網路干擾影響小、可實現多臺電機功效平衡、功率因數較高等優點，變頻驅動裝置是未來井下大功率、長距離運輸帶式輸送機驅動的發展趨勢。對于運量較小、運輸距離較短的帶式輸送機，電動滾筒因其效能匹配最佳、維護工作簡便、占用空間較小等優點，將逐漸成為短距離運輸設備驅動裝置的首要選擇。

4 結語

通過對各類帶式輸送機的驅動裝置的優缺點分析，從煤礦井下運輸能力、運輸距離角度出發，變頻驅動裝置是未來井下大功率、長距離運輸帶式輸送機驅動的發展趨勢；電動滾筒將逐漸成為短距離運量小的帶式輸送機設備驅動裝置的首要選擇。

〔1〕張戰勝.帶式輸送機的現狀與發展趨勢〔J〕.科技創新與應用，2013，（12）：124.

〔2〕劉夫軍.膠帶式輸送機多點驅動控制技術淺析〔J〕.煤礦現代化，2014，（2）：97－98.

〔3〕張忠銀，林宏杰.液力禍合器與變頻器調速比較〔J〕.電氣傳動，2009，39（12）：74－76.

〔4〕夏志華，曹麗蘋.變頻調速技術在煤礦輸送機中的應用〔J〕.煤礦機械，2013，34（4）：235－236.