永磁渦流聯軸器在大功率皮帶機的應用

梁紅勇

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永磁渦流聯軸器在大功率皮帶機的應用

梁紅勇

（晉能集團陽泉燕龕煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

選煤廠在生產過程中現場有一臺設備發生故障時，原煤皮帶必須帶負荷緊急停車，停車后不能正常啟動，需人工卸煤、調整電機整定值后才可帶一定的負荷啟動，這嚴重制約了生產。通過分析發現連接電機和減速機的液力渦流聯軸器傳動效率低，將液力接觸式剛性連接傳動改為磁力非接觸式柔性傳遞可提高傳動效率，皮帶機可帶負荷瞬時啟車，提高生產效率，降低電耗，同時避免了使用液力渦流聯軸器的各種弊端，提升了安全環保工作。

永磁渦流聯軸器；液力聯軸器；非接觸式柔性連接；節能環保

1 實施背景

1.1 實施原因

隨著國家環保要求的提高，嚴禁進口或銷售高灰高硫劣質煤炭，而礦井生產原煤質量銷售達不到要求，因此，建設選煤廠是現代化礦井的必然之舉。由于建廠時各種因素導致原煤加工粒度不符合洗選要求，在生產過程中有一臺設備發生故障時，原煤皮帶必須帶負荷緊急停車，當該皮帶滿負荷緊急停車后不能正常啟動時，需采取人工卸煤、調整電機整定值等措施后可帶一定量的負荷啟動，恢復生產。嚴重時液力渦流聯軸器易熔塞回燒，出現噴油現象，嚴重污染作業環境，這就需要更換液力渦流聯軸器，但渦流聯軸器拆裝難度大，影響時間長。這種條件下，處理該皮帶需要消耗大量的人力和時間，同時其他設備空載運轉勢必造成嚴重的空載磨損和電量浪費，原煤皮帶頻繁停啟和啟動困難嚴重制約生產、浪費資源。通過對皮帶機的驅動機構工作原理進行實踐研究，實現皮帶機帶負荷停車瞬時啟動。

1.2 問題分析

改造前，皮帶機驅動機構由電動機、液力聯軸器、制動器、減速器（含逆止器）、驅動滾筒組成。皮帶機發出啟動信號時，電機啟動電流是額定電流的4～7倍，啟動瞬間振動和沖擊較大，因此需要柔性連接，現使用的皮帶機驅動機構柔性連接是液力渦流聯軸器。

液力聯軸器工作原理：電機啟動后電機的軸帶動液力聯軸器（液力聯軸器由泵輪和渦輪組成一個可使液體循環流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上）的輸入軸旋轉時，液體被離心式泵輪甩出，這種高速液體進入渦輪后即推動渦輪旋轉，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸，最后液體返回泵輪，形成周而復始的流動。液力渦流聯軸器靠液體與泵輪、渦輪的葉片相互作用產生動量矩的變化來傳遞扭矩。它的輸出扭矩等于輸入扭矩減去摩擦力矩，所以它的輸出扭矩恒小于輸入扭矩。液力渦流聯軸器輸入軸與輸出軸間靠液體聯系，工作構件間不存在剛性聯接。

液力渦流聯軸器的特點：主要用于電動輸出軸和減速機輸入軸之間的柔性連接和扭矩傳遞，消除電機啟動瞬間對減速機的沖擊和振動；皮帶機啟動后液力渦流聯軸器的輸出轉速低于輸入轉速，兩軸的轉速差隨載荷的增大而增加，當負荷增大到額定值時，液力渦流聯軸器就會起到過載保護，載荷過大而停轉時輸入軸仍可轉動，不會造成電機的損壞，當載荷減小時，輸出軸轉速增加直到接近于輸入軸的轉速。液力渦流聯軸器的傳動效率等于輸出軸轉速乘以輸出扭矩與輸入軸轉速乘以輸入扭矩之比。液力渦流聯軸器是在電機轉速達到很高時，耦合器才能參與進去，所以沖擊電流更高。液力渦流聯軸器的效率一般設計在94%左右，實際由于制造、安裝、加液、對中等原因，只有90%左右。當負荷過大時啟動，液力渦流聯軸器的易熔塞就會吹掉，并發生噴油現象，污染工作環境，發生傷人事故。

2 改造思路

通去過分析液力渦流聯軸器在皮帶機驅動機構中的作用、工作原理和特點后，為了消除液力渦流聯軸器的弊端，結合當前磁力技術的應用，形成了用磁力作用連接和傳遞扭矩的新思路。

3 主要做法

由于磁場具有同名磁極相排斥、異名磁極相吸進的特性，將導磁體和永磁體設計成一個閉合的磁場，通過導磁體轉動切割永磁體的磁力線產生磁感力，實現作用力的傳遞。

為了將電機和減速機連接起來，需要用聯軸器進行連接，永磁聯軸器利用磁力進行連接和力的傳遞，導磁體與永磁體之間沒有任何接觸，只有3～5 mm的空氣間隙。導磁體與電機輸出軸連接，永磁體與減速機輸出軸連接，當皮帶機發出啟動信號后電機啟動，在電機啟動初期，負載就在大滑差參與啟動，所以啟動沖擊小，瞬間電機輸出軸帶動永磁體轉動，導磁體以一定的轉速切割，切割永磁體的磁力線產生磁感力，在磁感力的作用下減速機轉動，帶動皮帶機的滾筒傳動，實現皮帶機的轉動。

永磁聯軸器的特點：主要用于電動輸出軸與減速機輸入軸之間的非接觸連接和扭矩傳遞，消除電機啟動瞬間對減速機的沖擊和振動；皮帶機啟動后永磁聯軸器的輸出轉速基本等于輸入轉速，兩軸的轉速根據負荷大小進行自動調整對應到達恒定，傳動效率等于輸出軸轉速乘以輸出扭矩與輸入軸轉速乘以輸入扭矩之比。一般情況額定負荷下永磁聯軸器的傳效率可達98%.

3.1 研發過程（合作加工）

研發過程如圖1所示。

圖1 研發過程圖

3.2 應用情況

磁力渦輪聯軸器和液力渦流聯軸器的應用如圖2所示。

4 實現效果

將永磁渦流聯軸器替換為液力渦流聯軸器應用于皮帶機后主要取得了如下幾個方面的效果。

4.1 直接效益

有效解決皮帶機帶負荷停機后瞬間啟動問題。改造前皮帶機（=160 kW，=1 000 mm，=187 m）處理能力是570 t/h，改造后皮帶機處理能力提升到850～950 t/h，且皮帶機最大瞬時啟動負荷可達到1 200 t/h；皮帶機帶負荷緊急停車后，可瞬間直接啟車，避免了液力渦流聯軸器傳動時因負荷大停車啟動時所需采取的人工卸煤，減少了易熔塞保護噴油造成的安全隱患和環境污染。

圖2 磁力渦輪聯軸器和液力渦流聯軸器示意圖

4.2 間接效益

4.2.1 檢修方面

皮帶機傳動機構使用磁力渦流聯軸器傳動時，降低了安裝要求，提升了檢修時拆裝效率。永磁聯軸器拆裝使用帶鍵開口式聯接套與電機軸、減速機軸連接，只需緊固螺絲，不需要拔液力渦流聯軸器和把輪，拆裝比較方便，安裝過程中對間隙的精度要求低，允許較大軸對心偏離與軸線角度偏離±3 mm，大大節省了更換液力渦流聯軸器時的拆裝時間。

同時，由于皮帶機原設計的電機、液力渦流聯軸器、制動器、減速機之間設置電氣自動抱閘裝置，自動抱閘工作效果比較差，起不到抱閘作用，改造為磁力渦流聯軸器后拆裝自動抱閘裝置，消除了自動抱閘裝置對該設備的使用影響和檢修浪費。

使用磁力渦流聯軸器后，對設備運行環境要求不高，25年內不需要任何維護，節約了大量維護成本。

4.2.2 保護方面

磁力渦流聯軸器替代液力渦流聯軸器后，電機和負荷端設備連接方式發生了技術性連接改變，由液力柔性連接改變為磁力非接觸性連接，有效消除了電機與負荷端設備的振動與沖擊，延長了電機和負荷端設備的軸承使用壽命（改造前發生過減速機高速軸斷軸事故）。

4.2.3 安全方面

有效避免了液力渦流聯軸器過載啟動導致的噴油引發的傷人事故，同時提高了設備的安全運行系數。

4.3 經濟效率

通過實踐使用，原煤皮帶磁力渦流聯軸器替代液力渦流聯軸器后，同等負荷下電機的電流降低30 A，按工作電壓660 V，每天運行時間20 h，每月生產時間30 d，電費0.76元/度計算，該皮帶機每年可節約電費約20.8萬元（1.732×660 V×30 A×0.85×20 h×30 d×12個月）。

4.4 社會效益

4.4.1 技術進步

由于電機與負荷端的連接必須由聯軸器進行連接，連接分剛性連接和柔性連接，剛性連接主要應用于電機與負荷端，要保持同步的轉速，剛性連接對設備的沖擊較大，對電機與負責設備之間連接的間隙和中高要求高，調整不好間隙和中高時就會發生聯軸器磨損、升溫，溫度傳遞導致電機和負荷設備軸承升溫、油脂變質、電機和負荷設備損壞。柔性連接優于剛性連接，但是柔性連接時傳遞的介質不同，連接方式和效果明顯不同，液力聯軸器傳遞介質時液力傳動油，液力聯軸器連接時需要由泵輪和渦輪組成一個可使液體循環流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上，安裝時對電機和負荷端設備的中高要求高，拆裝不方便，過載時出現噴油現象，存在嚴重污染環境和高溫傷人事故。通過本次技術創新，柔性連接的傳遞介質是磁場，將導磁體和永磁體設計成一個閉合的磁場，通過電機轉動帶動導磁體轉動切割永磁體的磁力線產生磁感力，實現作用力的傳遞。磁力傳遞看不見摸不著零污染，傳動效率極高。

通過以上分析，電機和負荷設備的連接，柔性連接優于剛性連接，柔性連接中傳動介質磁場優于液體，因此電機與負荷設備的連接使用磁力連接傳動是一次技術性重大突破。永磁渦流聯軸器是液力渦流聯軸器的替代品。

4.4.2 節能減排

電機啟動后帶動永磁渦流聯軸器導磁體轉動，導磁體具備一定的轉速后就會切割永磁體產生的磁感線產生磁力，在閉合的磁場內連續做切割磁感線運動，連續傳遞磁力、帶動負荷設備傳動。當負荷設備負荷減小或增加時，需要的磁力減小或增加，通過磁力作用導磁體就會根據磁力的大小調整電機轉速，這樣就實現了電機轉速根據負荷大小進行對應性調整，避免了“大馬拉小車”時的電量浪費，因此起到了節電效果。永磁渦流聯軸器替代液力渦流聯軸器后，有效避免了液力渦流聯軸器存在的各種弊端，傳動介質由液體變為磁場，不需要使用油脂，節約了油脂能源消耗，不存在噴油導致的油污污染環境的現象。

［1］郝鳳印.選煤手冊——工藝與設備［M］.北京：煤炭工業出版社，1993.

［2］趙克中.磁力驅動技術與設備［M］.北京：化學工業出版社，2004.

2095－6835（2018）21－0003－03

TD528.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.003

梁紅勇（1987—），男，山西五臺人，畢業于山西煤炭職業技術學院煤炭深加工與利用專業，研究方向為選煤技術，現從事選煤廠生產技術管理工作。

〔編輯：嚴麗琴〕