淺談大型磨機傳動系統的選用

張立秋

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 冶礦設備事業部， 遼寧 沈陽 110141)

淺談大型磨機傳動系統的選用

張立秋

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 冶礦設備事業部， 遼寧 沈陽 110141)

隨著選礦和水泥工業規模的大型化，用于物料粉磨設備之一的磨機規格尺寸隨之增大，使得傳動系統的選擇比以往更困難、考慮因素更多。傳動系統的選擇決定磨機的使用性能、維護性能，運行成本等關鍵指標。

大型磨機； 傳動系統； 選用

由于在一定的投資下采用少而大的設備可以提高生產率，因而選礦和水泥工業磨機傳動的容量不斷增大。十年前6 000 kW的傳動不過是想想而已，而今在使用280 000 kW的傳動系統。但是，功率的增加使得傳動系統面對的問題更復雜化，這主要是由于受到傳動齒輪制造難度的限定，電機起動對電網沖擊的限制。致使普通的磨機傳動型式已無法具有良好的性能來滿足大容量的傳動系統，必須考慮采用新型的傳動方式。

影響選用磨機傳動系統的因素有[1]：傳動方式、磨機驅動要求、投資與維護條件、電網特性和電動機型式、電壓、效率、功率因數和起動的限制。下面就磨機的傳動方式、磨機驅動要求及傳動系統要求分別做闡述。

1 磨機驅動要求

對于磨機來說，在確定磨機滿載運行需要的功率基礎上，通常增加15%的余量，也就是磨機功率的使用系數取1.15。盡管如此，電動機必須有比較大的起動和牽入轉矩倍數，以便磨機負載起動時克服磨機不平衡轉動慣量產生的轉矩。對電動機的起動轉矩倍數不得小于1.5，牽入轉矩倍數不得小于1.2。

起動轉矩必須足以使裝有不平衡重量的裝載物料的磨機筒體轉動到一定的角度位置后，磨機筒體內的物料自動拋落或瀉落。在瀉落點的正常轉矩要求(正常運行的物料)不超過125%；但當磨機裝滿物料(最大負荷)時，要求140%的最大峰值轉矩，這是磨機滿載負荷起動所必須的轉矩。

由于磨機的運行負荷比較穩定，故需要150%或175%的牽出轉矩。

對于設有離合器的傳動系統，電動機只需要克服自身的起動轉矩、摩擦和風阻，因為電動機起動和同步是在磨機運行之前，對于自潤滑軸承的電動機要求最大起動轉矩倍為15%即可；對于同步電機來說可以不考慮牽入轉矩，牽出轉矩要求按離合器所引起的負荷波動來確定，一般使用200%的牽出轉矩倍數。

2 磨機的傳動方式

磨機傳動方式可歸納為以下三種形式：[2]大小齒輪邊緣傳動、中心傳動和無齒傳動。前兩種是用齒輪裝置將電動機速度降低到磨機所需要速度。齒輪裝置沒有包括在投資的比較中，但是應經常的予以考慮。

如圖1所示，小齒輪傳動方式采用雙電動機或單電動機，如果采用低速電動機，中間的減速機就不省去。如圖2所示，中心傳動方式采用一臺電動機通過減速機來驅動磨機。這兩種方式都可以用高起動轉矩電動機直接聯接到齒輪上，或者用低起動轉矩電動機，在電動機和齒輪之間配置離合器，使電動機實現空載起動。

圖1 雙電機驅動方式

圖2 單電機驅動方式

2.1 邊緣齒輪傳動方式

用一臺或數臺電動機，每臺電動機帶動一個小齒輪，同裝在磨機的大齒輪相嚙合(見圖1)。這種形式在選礦工業中應用很普遍，在水泥行業中采用這種形式是因為一次投資少。但是由于其齒輪組不是完全密封的，與中心傳動相比維護量大。

功率在8 000 kW以內的磨機可以使用單電動機傳動，超過這個功率數值時，由于齒輪的限制，通常使用兩個小齒輪，對于更大的磨機可以設想使用三個、四個甚至更多的傳動裝置。但是這將使負荷分配和電動機安裝問題變得很麻煩。

2.2 中心傳動方式

這種布置在水泥行業和氧化鋁原料粉磨中常見。磨機、減速機和電動機在同一軸線上，如圖2，磨機的中空軸用聯軸節直接或通過液力偶合器聯接到齒輪減速機。這種布置只使用一臺電動機，在理論上對減速機或電機大小沒有功率限制，只受減速機的承載能力和運行可靠性限制。

2.3 無齒輪傳動方式

無齒輪傳動有環式、懸臂式和直聯式三種不同的傳動方式。每一種都有其影響磨機和廠房的特征，但都采用一種低頻電源供電的低速同步電動機。由于高效率的半導體低頻電源的最新發展，因此無齒輪傳動還是新型的方式。

環式傳動的電動機環繞磨機筒體，電動機轉子直接裝在磨頭或筒體上，如圖3，因此，在所有傳動布置中它占地面積最小。由于電動機直徑大及結構特殊，要求用分瓣式的定子和轉子，以便于運輸和安裝。

圖3 環式無齒輪傳動

懸臂式是將電動機轉子安裝在磨機傳動軸的懸臂端,如圖4，這種傳動布置省掉了電動機的一個外軸承。但需要一個較大的磨機軸承來支承電動機轉子的重量。

圖4 懸臂式無齒輪傳動

在電動機結構中，直聯式是常用的。電動機安裝在標準的軸架底座上并直接聯到磨機的傳動軸，如圖5所示。

圖5 直聯式無齒輪傳動

3 傳動系統要求

適合于磨機的傳動系統主要特性見表1，電動機的功率和轉矩要求由磨機決定，見磨機的要求。[3]

3.1 鼠龍感應電動機

這是最簡單的電動型式。由于它要求高起動轉矩而引起很大的起動電流——約9倍于直接傳動，過高的起動電流常常促使電壓下降，而使用電阻的轉子線圈來降低起動電流是不經濟的，因為這樣就使得損耗增大和效率降低。

此外，運行功率因數的滯后應予以注意。電源和配電設備將必須比電動機大得多，否則就要供給大量的無功功率。隨著無功的需要，電費也就增加了。

表1 磨機傳動的典型特性

注：S—起動轉矩倍數；PI—牽入轉矩倍數；P0—牽出轉矩倍數；無齒輪同步機效率與功率因數包括電動機、循環換流器和變壓器。

3.2 同步電動機(帶齒輪)

由于其投資不高且能滿足大多數磨機和電網的要求，因而這種型式的使用是最普遍的。在起動時它比鼠籠感應電動機具有較好的轉矩電流比。并且，重要的是它具有改善功率因數(直到超前功盡棄0.8)的能力。但是，對于大型磨機，同步電機不一定是最好的，因為它可能要求大于電網所能供給的起動電流。

典型的“速度—轉矩”曲線如圖6所示，同步電動機可以用單獨的電源和控制設備來進行電動調位。

圖6 同步電機傳動的速度—轉矩曲線

高轉矩同步電動機用于直接傳動，假定電動機的功率因數為0.8，通常起動電流為600～625%額定電流，對于6kV或更高電壓的電動機機為700%。

圖7 繞線轉子感應電機的速度—轉矩曲線

無論是用于高轉矩還是低轉矩，大部分用于磨機傳動的同步電動機額定功率因數都是0.8。這類電動機的投資只比功率因數為1的電動機高出20%，所以它對改善工廠功率因數最經濟的方法。

起動時必須確定電網鐵壓降和它與凈起動轉矩的關系。某一特定網絡所容許的起動容量可能太低，不能使電動機發出磨機所需要的足夠起動轉矩。如果電動機選擇較高的全壓轉矩時，它將吸收較高的起動功率，因而引起較大的壓降和較小的凈轉矩。

起動轉矩和牽入轉矩都影響電動機的起動電源。凈轉矩與全電壓轉矩的關系往往被誤解而產生問題，所有電動機的性能都是以全電壓為基準的，沒有考慮電網的壓降。假若將電動機連接到一無窮大電源，就能夠指定150%起動轉矩和120%的牽入轉矩，而使電動機機安全地起動。但是，實際上當電動機起動時，電網的線路阻抗、變壓器阻抗和電纜阻抗都會引起很大的壓降，這一壓降以電壓的平方關系降低了電動機的全電壓轉矩，因此，實際產生的轉矩是人們必須加以考慮的。這就是通稱的凈轉矩，它必須等于或大于磨機所要求的轉矩，凈轉矩是根據電動機和電網的參數來計算的。

與其選用通常的200%起動轉矩和140%牽入轉矩，不如選用225%起動轉矩和150%牽入轉矩，以保證磨機起動。但是，由于高轉矩電動機帶來大的起動電流和壓降，凈轉矩的增加將比全壓轉矩的增加少一半，而且，高轉矩電動機比較貴。考慮用裝設較大的變壓器或重新安排電網的辦法來增加電網的起動能力往往是實用的。

典型的直接傳動全壓電動機轉矩是：起動轉矩200%，牽入轉矩140%，牽出轉矩200%，在電動機為3 kV，功率因數為0.8或更小的情況下，典型的起動功率是625%，它隨著電動機速度變化而變化。

當不容許高轉矩電動機的起動電流或必須盡量減少一次投資時，可以用低轉矩同步電動機(帶氣動離合器傳動)，其全電壓起動電流大體為高轉矩電動機的一半，低起動電流實際上消除了起動時的壓降問題，并且在必要時適合于降壓起動。

典型的全電壓電動機轉矩是：起動轉矩40%，牽入轉矩30%，牽出轉矩200%，功率因數為0.8或更小的情況下，典型的起動電流是325%，起動電流依電動機速度變化而變化。

電動機達到同步后，離合器接合是磨機加速中最關鍵的時刻，此時電動機必須有足夠的牽出轉矩。

3.3 繞線式轉子感應電動機

這種電動機有一個圓柱形的轉子，轉子上的三相繞組引到三個滑環，以便和起動電阻相連接，它具有一個非常明顯的優點，即起動電流低。調節轉子回路的起動電阻就可以控制轉矩并限制起動電流使之不大于225%。

有兩種起動用轉子回路控制方法：步進電阻器或液體變阻器。液體變阻器可以無級加速如圖7。浸在液體中并由電動機帶動的電極連續地調整轉子電阻，因此產生平滑“速度—轉矩”和“速度—電流”特性。這種控制方法可以使磨機平穩的起動并在一限定的電流下加速。

功率因數和效率隨速度的降低而迅速地減低，因此，在低于450 r/min下應用繞線轉子電動機是不實用的。

繞線轉子電動機具有其固有的調位能力，只需在轉子電路中做少許變化即可，為了這個目的，這種控制方法可以設計成利用第一個或第二起動點。

3.4 無齒輪同步電動機

這種電動機在極低的轉速下運行，無需使用齒輪。但因電動機的額定轉速降低，其直徑必然增大，以裝設數量極多的磁極。在無齒輪磨機傳動所需的低速情況下，60 Hz的電機將要求許多極數和很大的直徑。因此，無齒輪傳動采用低頻電源—約5 Hz—以使電機有適當的尺寸和極數。

無齒輪傳動的重要優點在于取消了齒輪的運行和維護問題。電源頻率也可以從零開始調節，使電動機在極低的速度下投入同步。用低速起動時，起動電流可以限制到小于2倍額定電流。磨機的速度可以通過循環換流器控制以每赫茲恒定電壓在全速范圍內方便而有效地進行調整。速度控制可以使磨機速度適應磨機負載的變化特性。這是能夠改進磨機效率的一個特點。可以允許電動機有較大的間隙，以容許轉子的熱膨脹。

傳動效率估計為92%，包括電動機、循環換流器和供電變壓器。當用這個數值與普通的電動機——齒輪傳動相比較時，后者的齒輪和變壓器產效率應包括在內。

循環換流器的輸入端的平均滯后功率因數可為0.85～0.87。這個數值是以使用功率因數為1的電動機和循環換流器的方形或梯形輸出波為基礎的，這樣一種波形改善了循環換流器輸入端的功率因數，如果要改善功率因數，可以把電容器加到60 Hz電源系統。

由于循環換流器和特殊的電動機結構，一次投資比較高，在14 MW以下很少使用無齒輪傳動，當環式與一般的傳動方式相比較時，必須將電動機附加裝置的投資與一般傳動的齒輪投資相比較。

4 結論

當要選擇一臺大型磨機的傳動系統時，許多實際問題需要加以解決，以求達到性能最佳和投資最低，但是無論磨機規格的大小和電網的結構如何，適當的傳動系統是可以達到目的的。

[1] 周恩浦．礦山機械[M].北京：冶金工業出版社，1979．

[2] 周偉康．大型磨機的傳動設計與裝置介紹[J].水泥，1997，(3).

[3] 鄭時剛．對傳動磨機用同步異步電動機電氣性能要求的討論[J].大電機技術，1981，(5).

Introduction of Selection of Large-scale Mill Transmission System

ZHANG Li-qiu

With large scale of mineral processing and cement industry, the size of mill which is used for one of material grinding equipments increases also, makes the selection of the transmission system more difficult, needs much more factors to consider. The selection of the transmission system, will influence service performance, maintenance performance, running cost and other key indicators.

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2015-08-20

張立秋(1981-)，男，吉林乾安人，工程師，大學本科，主要從事冶金礦山設備設計研發工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司冶礦設備事業部技術所所長。

TD453

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1003-8884(2015)06-0005-04