雙電機驅動攪拌器功率循環問題研究

馬朝鮮+程永龍+王守習+唐冬冬+周雄

摘要：針對雙電機攪拌機存在的功率循環造成能源的浪費，而且影響電機使用壽命的問題，通過對循環功率的產生機理及其影響因素進行分析與研究，得出循環功率與設備參數及使用參數之間的關系，提出盡量采用單電機或高精度雙電機的解決思路，還對電機的運行控制提出建議，對攪拌設備的設計與使用具有一定的指導意義。

關鍵詞：攪拌設備；雙電機驅動；攪拌器；功率循環

中圖分類號：U415.52文獻標志碼：B

Abstract： Given that the power cycling of agitator driven by dualmotor causes waste of energy and affects the service life of the motors， the generation mechanism and influential factors of power cycling were studied. The relationship between the power and parameters of the apparatus and operation was obtained， and suggestion that single motor and dualmotor with high precision should be used was made. Suggestions on the operation control of motors provide reference for the design and using of mixing plants.

Key words： mixing plant； dualmotor drive； agitator； power cycling

0引言

攪拌器是強制間歇式瀝青混合料攪拌設備的重要組成部分，其功能是將粗細集料、礦粉和瀝青按照一定配合比攪拌制成均勻的混合料[1]。攪拌器從結構上可分為單臥軸和雙臥軸2種形式，雙臥軸攪拌器因攪拌質量好、生產效率高、能耗低而被廣泛應用[2]。為了提高雙臥軸攪拌器的性能，一些專家從混凝土攪拌理論、攪拌器的結構參數優化及攪拌低效區等方面進行了的研究[35]。本文針對雙臥軸攪拌器存在的功率循環問題進行研究，對循環功率的產生機理及其影響因素進行分析，得出了循環功率與設備參數及使用參數之間的關系，并提出解決措施。

1功率循環產生機理

雙臥軸攪拌器的攪拌軸采用單電機或雙電機進行驅動。當采用雙電機時，為了保證攪拌軸同步轉動，在2軸之間設置了同步機構。雙電機驅動攪拌器是通過2個電機分別提供扭矩，電機輸出端通過皮帶或者鏈條等裝置連接減速機構，通過減速機構將扭矩輸出給攪拌軸。對于雙電機驅動的攪拌器，同步器輸入端轉速為電機轉速經皮帶輪或鏈輪減速后的轉速，當雙電機對同步機構輸入端的轉速不同時會造成拖轉現象，形成功率循環，產生寄生功率，增加功率損失[6]。

將雙臥軸攪拌器2個攪拌軸對應的驅動電機的轉速分別設為n1、n2。由電動機的工作原理可知，定子繞組所產生的旋轉磁場，以同步轉速切割轉子導體，在轉子導體中產生感應電動勢，形成電流。轉子導體中的電流與旋轉磁場相互作用而產生電磁轉矩，使轉子旋轉，異步電動機轉子轉速n與同步轉速n0存在式（1）所示關系

[7]

n=（1-s）n0（1）

式中：n為電機轉子轉速；s為轉差率；n0為同步轉速。

同步轉速是電源產生的旋轉磁場的轉速，其大小取決于電動機工作時的電源頻率f和繞組的磁極對數p，計算方法如下

對于雙臥軸攪拌器的電動機而言，由于它們磁極對數相同，工作電源頻率也一樣，因此2個電動機的同步轉速相同。但是，由于電機在加工制造和使用過程中不可避免地存在差異，所以電動機的轉差率s不同，造成2個電機轉子轉速存在差異。另外，由于皮帶輪的加工精度差異及使用過程中的磨損，也會造成減速比不同，導致同步器輸入端的轉速產生差異。上述原因造成攪拌器運行過程中同步器輸入端轉速較快的電機通過同步器拖著轉速較慢電機轉動的現象，因此產生功率循環，并形成寄生功率。

2影響循環功率的因素

2.1電機轉速的影響因素

電動機的轉速受轉差率的影響，異步電動機的轉差率是指同步轉速與轉子轉速之差再與同步轉速的比值，轉差的存在是電動機轉子轉動產生轉矩的基礎。根據電機的功率平衡理論，電機的轉差率s滿足下式關系

式中：pCu2為轉子銅損耗；Pem為電磁功率。

電磁功率是指通過氣隙的旋轉磁場，并應用電磁感應作用傳遞到轉子的功率，根據等效電路，可知

Pem=m1E′2I′2cos φ2（4）

式中：m1為定子繞組的相數；E′2為轉子電動勢的折算值；I′2為轉子電流；cos φ2為轉子功率因數。

轉子電流通過轉子繞組時產生的銅損耗

pCu2=m1I′22r′2（5）

式中：r′2為轉子的等效電阻。

因此由式（3）～（5）可得轉差率與各參數之間的關系為

由式（6）可以看出，電動機的轉差率主要受轉子電流、轉子等效電阻、轉子電動勢及功率因數等幾個因素的影響。給定1臺成型電動機，在結構參數確定的情況下，轉子的電阻、電動勢及功率因數的變化極其微小，基本可認為是定值，因此電動機的轉差率主要是受轉子電流的影響。根據電動機的工作特性，電動機的轉子電流與電機負載有很大關系。當負載為零時，轉子電流很小，近似等于零，這時轉差率也近似為零；隨著負載的增加，轉子電流逐漸增大，轉差率也隨之增大，得到轉差率特性曲線是一條從零開始向上的曲線。又因n=（1-s）n0，隨著負載F的增加，轉速特性n=h（F）是由n（F=0）處開始向下傾的曲線。

因此，在2臺電機轉速不同步時，轉速較大的電機將通過同步器拖著轉速較小的電機轉動，循環功率較大；隨著負載增大，電機轉速降低，2臺電機之間的轉速差減小，循環功率減小。

2.2傳動系統減速比的影響

雙臥軸攪拌器驅動電機到同步器之間通過皮帶或者齒輪等幾種形式傳遞動力。皮帶傳動既可以傳力，又可實現過載保護，具有結構簡單、傳動平穩等優點，已被廣泛使用[8]。但是皮帶傳動是1種撓性傳動，減速比變化時則會造成輸出端轉速變化，加劇功率循環。

在工作時，帶傳動的皮帶以一定的初拉力拉緊在帶輪上，皮帶與帶輪間的靜摩擦力作用使皮帶一邊拉緊，一邊松弛。為保證皮帶正常工作，初拉力必須大于最小初拉力，否則皮帶將出現整體打滑的現象，造成傳動失效。皮帶傳動中使用的傳動帶為彈性體，受拉力時會發生彈性變形。由于皮帶緊邊與松邊拉力大小不等，皮帶的彈性變形量也不同，

因此皮帶與帶輪之間必然存在彈性滑動，相對變形量可用滑動率ε來評價，出現彈性滑動后帶傳動的減速比i為

式中：dd1為主動輪的公稱直徑；dd2為從動輪的公稱直徑。

滑動率的大小受負載、皮帶初拉力、主動輪轉速等因素影響[9]，負載越小、帶的初拉力越大、主動輪轉速越低，帶傳動的彈性滑動率就越小，相應的減速比越大。此外，皮帶輪加工精度對減速比也有影響，加工精度越高，兩邊減速比差異越小，越有利于減小同步器輸入端轉速差。

與帶傳動相比，鏈條傳動與齒輪傳動無彈性滑動和整體打滑現象，在輸出較大扭矩的同時能夠保持精確的減速比。但這2種方式在工作時有噪聲，且不能起到過載保護作用，必須配裝專門的過載保護裝置，防止出現超載或者卡料時損壞設備。

3結語

（1） 雙電機驅動攪拌器電機轉差率受生產加工及使用情況等諸多因素影響，電機輸出轉速難以絕對同步，易造成功率循環，這不僅浪費能源，而且會使電機發熱，造成損傷。因此在滿足攪拌器功率的前提下，應盡量采用單電機驅動；當功率較大，需要采用雙電機驅動時，應選擇2臺制造精度較高的電機，且傳動機構盡量采用鏈傳動或齒輪傳動的形式。

（2） 循環功率系數與負載有關，空載時，攪拌器同步器輸入端轉速差最大，隨著負載的逐漸增大，電機轉速差減少，循環功率降低，電動機功率利用率提高。因此，使用時應盡量縮短設備在空載狀態下的運行時間。

參考文獻：

[1]田奇.混凝土攪拌樓及瀝青混凝土攪拌站[M].北京：中國建材工業出版社，2005.4：5051.

[3]趙利軍.雙臥軸攪拌設機參數優化及其試驗研究[D].西安：長安大學，2002：1425.

[4]趙利軍，趙航，馮忠緒.強制式攪拌低效區現象的探討[J].筑路機械與施工機械化，2004，11：1820.

[5]姚懷新，陳波.工程機械底盤及其液壓傳動理論：工程機械底盤理論[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]曾令全.電機學[M].北京：中國電力出版社，2007.

[7]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].第8版.北京：高等教育出版社，2006.

[8]王旭東，熊平原.影響摩擦帶傳動彈性滑動率因素的正交試驗[J].農業技術與裝備，2010，3：45.

[責任編輯：杜衛華]