多電機驅動皮帶機驅動裝置的選配設計

楊澤民（汾西礦業集團設備修造廠，山西 晉中 032000）

多電機驅動皮帶機驅動裝置的選配設計

楊澤民
（汾西礦業集團設備修造廠，山西 晉中 032000）

文章圍繞皮帶機的前期投入和后期運行成本，主要介紹了多電機驅動皮帶機設計過程中，如何合理選擇兩個傳動滾筒功率配置，各種驅動組合形式的優缺點及選擇方法，達到設計的合理性。

多電機驅動；功率配置；驅動選配

隨著貨物運輸要求的不斷提高，皮帶機的發展朝著多元化、大型化、智能化方向邁出了一大步，但與國外皮帶機仍有較大的差距。皮帶機是一種一次投入長期使用的設備，所以無論是初次設計安裝，還是后期的運行維護，其可靠性和經濟性都是不可忽視的問題。這就要求設計人員在前期的設計過程中要全面掌握皮帶機的特性和所要設計的皮帶機的使用工況。下面主要討論大功率，多驅動單元驅動皮帶機的驅動裝置的選配設計。

1　合理分配驅動功率，有效降低帶強，減小前期投入

皮帶機是連續物料輸送的重要設備，它的驅動力是由所配置的電機功率決定的，在理想情況下，功率分配比與驅動力分配比相同，但在實際上，由于各種因素的影響，導致各電機實際功率分配發生較大不平衡，輸送帶各張力利用的重新分配。更重要的是各電機功率不平衡，嚴重時會使其中某電機超載，甚至損壞。所以，電機功率平衡是保障其正常運行的必要條件。這就要求在皮帶機的設計過程中，既要滿足運輸能力的要求，又要考慮皮帶機的造價和后期運營費用。由于單機驅動張力過大，不利于降低帶強，因此大功率皮帶機多采用多電機驅動，多電機驅動時，各滾筒功率配置更為重要。

下面以雙滾筒驅動為例來闡述功率配合的重要性，雙滾筒驅動的功率搭配方式有1：1，1：2，2：1，2：2四種方式，而1：1和2：2的功率配置情況，對帶強選擇影響不大，著重比較一下1：2和2：1的功率配置對帶強的影響。

由圖1所示，Ⅰ和Ⅱ表示兩個傳動滾筒，S1和S2分別為機尾滾筒兩側膠帶張力，S4和S3分別為Ⅱ號傳動滾筒的趨入點和奔離點的膠帶張力，S5和S4分別為Ⅰ號傳動滾筒的趨入點和奔離點的膠帶張力,V為皮帶機的運行方向。

圖1　皮帶機驅動張力狀況示意圖

假設兩個傳動滾筒功率配置比例為NⅠ：NⅡ=2：1。根據傳動功率的要求,兩滾筒所要傳遞的圓周力之比FⅠ：FⅡ=2：1。設整條帶式輸送機所要求的總的圓周力為F,則FⅠ=2/3F，FⅡ=1/3F。由于雙滾筒驅動的裝置架結構所限,兩傳動滾筒各自的圍包角（摩擦角）分別為αⅠ=170°和αⅡ=200°。通常情況下，滾筒與膠帶的摩擦系數取值μ=0.3，查DTIIA皮帶機設計手冊可得eμαⅠ=2.435，eμαⅡ=2.85。正常使用時，帶式輸送機起動,總是第Ⅱ滾筒先起作用,S4成為緊邊后，在S5處才能產生所要求的足夠大的力。所以,先分析Ⅱ滾筒,再分析Ⅰ滾筒。

由圖1可得驅動滾筒Ⅱ張力關系為:

解得：S3=0.18F，S4=0.514F.

因為上式只是用于比較不同傳動配置情況下造成的張力對膠帶選型的影響，因此簡化地認為S1=S5，S2=S3，所以在功率配置比為NⅠ：NⅡ=2：1的情況下，膠帶張力為

同樣的方法分析NⅠ：NⅡ=1：2的情況，此時：FⅠ：FⅡ=1：2，FⅠ=1/3F，FⅡ=2/3F.

同樣根據歐拉公式，皮帶機不打滑條件為S4≤取代入式（5）得

解得：S3=0.36F，S4=1.027F.

膠帶張力為：

比較式（4）與式（8）可以看出在傳動圓周力一定的情況下，NⅠ：NⅡ=1：2方案比NⅠ：NⅡ=2：1方案帶強要提高26.5%左右（（1.76F-1.36F）/1.36F= 26.5%）。這就意味著膠帶強度要加大一個以上的級別，而膠帶在大功率皮帶機的投入占整條皮帶的30%左右，會造成巨大的浪費，因此在皮帶機的設計中，一定要合理配置驅動功率，為了減少皮帶設計中部件的種類，通常傳動滾筒規格選型一致，按照卸載滾筒的規格配置，常用的功率分配形式NⅠ：NⅡ=1：1，2：1或2：2。

2　合理搭配驅動，提高控制質量，實現功率平衡

皮帶機的驅動形式大致分為以下幾種：1）電動滾筒驅動，該驅動形式受到滾筒結構限制，其最大功率為55 kW，只能用在傳動功率和防爆要求不高的單驅動皮帶機上。2）YTH型減速滾筒驅動，它的最大功率為160 kW，這種結構的滾筒，是把電動滾筒的電機外置，減速系統置于滾筒內部，能滿足功率不大的單驅動皮帶機的傳動要求，但由于減速系統內置，給維護帶來了困難。3）傳統的驅動方式為電機+減速器+傳動滾筒，它的結構形式多樣，功率配置靈活，不受結構形式的限制，廣泛用于各類皮帶機的驅動。4）永磁直驅技術的應用，這是皮帶機傳動方式的革命，它是利用永磁電機+聯軸器+傳動滾筒的驅動方式，目前在部分中小型皮帶機上得到了應用，在大功率皮帶機上的應用，目前仍在探索階段。下面著重介紹傳統的驅動方式。

傳統的驅動方式結構如圖2所示：

圖2　傳統的驅動方式

2.1電動機選型

電機是動力輸出的主要部件，選型時根據工作環境、電壓等級、功率配置及控制方式的要求來選型，比如：在礦山井下和地面多塵環境，盡量選用防爆等級較高的電機，對于變頻控制的電機盡量選用變頻電機。從理論上講，同型號的電機的電參數是完全相同的，可以相互替代。但在實際生產過程中因為廠家不同或同一廠家不同批次的電機，在制造工藝加工精度上會有個體差異，因此在多電機驅動的皮帶機上應盡可能選用同一廠家同一批次的電機。

2.2聯軸器選型

對于不同聯軸器，其傳遞效率有所不同，對設備同軸度要求不同。由于皮帶機在運行過程中有震動，運行一段時間可能造成設備的同軸度變差，在選型時就盡量選用加工精度高，調整方便，調心效果較好的聯軸器，比如：彈性柱銷齒式聯軸器和蛇型彈簧聯軸器。

2.3減速系統的選擇

減速系統是皮帶機驅動的重要環節，對于單電機驅動、對起動曲線要求不高的皮帶機，可以直接選用與電機功率匹配的硬齒面減速器。對于大功率、多電機、重載起動的皮帶機，由于對起動曲線要求比較高，所以選擇減速系統種類和型號就是關鍵問題。

2.3.1電機+減速器+滾筒+變頻控制的多電機傳動模式

這是較為理想的傳動模式，它的選型關鍵在于變頻器，對于主提升皮帶機來說，由于它的驅動單元一般在地面，對變頻器的防爆要求不高，單機功率大于500 kW的皮帶機可以選用3.33 kV、6 kV、10 kV高壓變頻起動，單機功率小于500 kW的皮帶機，可以選擇600/1 140 V的低壓變頻器。而在煤礦井下，由于高壓變頻仍在試驗階段，所以只能選用600/1 140 V的低壓變頻器。在對綜合控制與保護系統和變頻器的配合上，要求變頻器要有功率平衡模塊，具備功率平衡功能。

2.3.2電機+限矩耦合器+減速器+滾筒的傳動模式

與變頻驅動相比，液力耦合除制造成本較低外有很大缺點。液力耦合器屬轉差損耗型調速，是低效調速設備，調速精度差，轉速波動大。液力耦合器由于是柔性連接，存在著固定的轉差率，即液力耦合器的轉差率≥3%，它具有一定的功率平衡功能，只用于傳輸精度要求不高的場所。

2.3.3電機+調速耦合器+減速器+滾筒的傳動模式

較限矩型耦合器相比，調速型液力耦合器可以在原動機轉速不變的情況下連續無級調節。具有過載保護的功能，傳動部件間無直接機械接觸，使用壽命長，調速型液力耦合器具有液力控制調速裝置和兩個半軸，易于實現遠距離自動操作，額定負載下有較高的傳動效率，且具有多電機驅動功率平衡的功能，缺點是調速過程需要人為的操作，自動化程度低。

2.3.4電機+液粘+減速器+滾筒的傳動模式

液體粘性可控傳動裝置是集機、電、液于一體的新型裝置。可實現輸送機軟啟動、軟制動、無級變速、多驅動平衡、過載自動保護的多功能一體化傳動裝置。該裝置可以克服其他可控傳動裝置的缺點，具有結構體積小、傳動效率高和工作壽命長等優點。這種液體粘性軟啟動傳動裝置主要由液體粘性軟啟動器、傳感器以及液壓控制裝置等機械和電子部件組成，與調速耦合器相比，易實現機電液一體化閉環控制，轉速穩定，精度高。

2.3.5電機+CST可控啟動傳輸裝置+滾筒的傳動模式

由于受到電壓限制，井下大功率多電機驅動，多采用CST驅動方式。CST是由多級齒輪減速器加上濕式離合器及液壓控制組成的系統，專門為平滑啟動運送大慣性載荷的長距離膠帶輸送機而設計的。它是集減速、離合、調速、電控、冷卻、運行、監視、自診斷于一體的液體粘性調速器。它具備軟起動、軟停車、無級調速和多點功率平衡的特點。其優點是起動時能出大力矩，達到無級調速。其缺點一是價格貴，初期投資大；二是必須采用專用油，且油價昂貴，維護難度及成本相對較高；三是同可調性液力耦合器相比，其高位調節片不能長時間離開高位置，發熱較嚴重，因此要外加冷卻系統，給井下環境溫度的控制帶來不便；四是CST基本沒有節能功效，達不到節能效果。

基于CST具備軟起動的優點，膠帶在選擇安全系數時，可低于其它驅動方式，安全系數最低可選5~7。

2.4傳動滾筒的選擇和精度要求

在雙滾筒驅動的帶式輸送機中，引起功率不平衡的主要因素有：輸送帶的彈性伸長、驅動裝置的機械特性不同、滾筒直徑實際值差異、各機械傳動裝置效率不同、傳動滾筒的相對位置和阻力不同等因素。

其中對滾筒的設計、生產和使用提出了較高的要求，不但要滿足彎矩和扭矩的要求，更要保證傳動滾筒的一致性，在設計時，盡可能要求統一規格，且保證傳動滾筒都與膠帶的里側摩擦。滾筒出廠時要進行平衡檢驗，精度等級達到G40，滾筒面膠、底膠的物理特性要一致，符合GB10595-89中的要求。

3　提高自動化水平，減小維護成本

自動化、智能化是皮帶機發展方向，也是國內外皮帶機差距所在。國外皮帶機已采用高檔可編程序控制器PLC，開發了先進的程序軟件與綜合控制技術以及數據采集、處理、存儲、傳輸、故障診斷與查詢等完整自動監控系統。近年又開發了很多新型監測裝置：傳動滾筒、改向滾筒及托輥組的溫度監測系統；煙霧報警及自動消防滅火裝置，纖維編織輸送帶縱撕裂及接頭監測系統等。我國的皮帶機還停留在8大保護和簡單的監測控制階段。現有的打滑、堆煤、溜煤眼滿倉保護，防跑偏、超溫灑水，煙霧報警裝置的可靠性、靈敏性、壽命都較低。控制方面僅實現了啟動、正常運行、停機等工作過程，達到可控啟動、帶速同步、功率平衡等功能，但沒有自動控制裝置，沒有故障診斷與查詢等。

4　結束語

綜上所述，皮帶機的設計是一項綜合知識要求全面的任務，只有不斷學習，全面掌握皮帶機的原理及發展現狀，才能設計出經濟可靠的皮帶機。

[1]于學謙,方佳麗.礦山運輸機械[M].徐州：中國礦業大學出版社，1989.

[2]機械工業部北京起重運輸機械研究所編.DTII（A）型帶式輸送機設計手冊（第二版）[M].北京：冶金工業出版社，2014.

（編輯：楊鵬）

Selection Design of Driving Device in Belt Conveyor Driven by Multi-motor

YANG Zemin
（Equipment Repair and Manufacture Plant,Fenxi Mining Group,Jinzhong 032000,China）

Focusing on the upfront investment and running cost of belt conveyor,the paper introduces power configuration of two transmission drums,pros and cons of all motor combination,and selection to achieve the design rationality in the design process of the belt conveyor driven by multi-motor.

multi-motor drive system;power configuration;driver selection

TD528.1

A

1672-5050（2016）02-0007-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.003

2015-09-28

楊澤民（1973-），男，山西芮城人，大學本科，工程師，從事煤礦機械研究。