CST在綜采工作面刮板輸送機上的應用

裴增昀李秀琴

（1.大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦 山西大同037016；2.山西大同大學機電工程學院 山西大同037003）

0 引言

目前，工作面超重型刮板輸送機（配套單電動機功率大于400 kW）的軟啟動方式有機械軟啟動和電氣軟啟動，機械軟啟動有CST（可控啟動輸出裝置，也稱CST減速器）和TTT（閥控調速型液力偶合器）兩種方式；電氣軟啟動有變頻器+電動機+減速器和變頻一體機+減速器兩種方式。

上述每種軟啟動裝置都有各自的長處和不足，本文主要介紹CST減速器的結構原理、性能特點及應用。

1 CST系統組成與調速原理

1.1 CST系統組成

CST減速器采用模塊化結構，由三個單個單元組合成整機，即輸入單元（輸入軸、液壓供液元件、電控元件）、中間減速器單元、輸出單元（一級行星減速、液粘摩擦離合器）。圖1是用于工作面刮板輸送機上的垂直軸式（KP型）CST減速器的系統組成，中間減速器單元為一級圓錐齒輪+兩級圓柱齒輪減速，加上輸出單元的一級行星減速，共四級減速，圖中也包含了置于減速箱內的全部液壓元件和電控元件。直軸式（P型）的輸入單元、輸出單元與KP型相同，中間減速器單元是一級行星減速，總減速級為兩級。

CST減速器由機械傳動系統、液壓控制系統、電氣控制系統三大部分組成。

圖1 CST減速器（KP型）的系統組成

1.2 CST調速原理

CST減速器的核心部分是輸出單元，由行星減速機構和液粘摩擦離合器組成。

行星減速機構是常用的通用機構，見圖2，其中行星架為輸出軸。在這里它有三種工作狀態：（1）內齒圈呈自由浮動狀態，即空載啟動狀態。因啟動前輸出軸與負載（鏈輪）相連而臨時不動，此時為定軸輪系，太陽輪帶動行星架上的行星輪繞行星輪軸作自轉并帶動內齒圈轉動，此時內齒圈的轉速為最大，即電動機經齒輪傳動驅動太陽輪時只帶動內齒圈以最大轉速自由轉動，實現了電動機空載啟動；（2）內齒圈呈差動狀態，即線性啟動狀態。液粘摩擦離合器對內齒圈逐漸施加一個線性制動力矩，則內齒圈轉速開始線性下降，此時為差動輪系，行星架上的行星輪在自轉下開始公轉并帶動行星架轉動逐漸輸出力矩和轉速（公轉是指行星輪在自轉的驅動下沿內齒圈嚙合滾動從而帶動行星架轉動），差動時因內齒圈轉速與行星架轉速之和為常數，即內齒圈降低了的轉速值就是行星架的線性輸出轉速值（見圖2b），此過程為刮板輸送機啟動階段；（3）內齒圈固定狀態，即正常運行狀態。內齒圈在液粘摩擦離合器制動力矩的作用下轉速線性下降到零值，即內齒圈固定不動，此時為常規的行星機構傳動系統，行星架輸出力矩和轉速達最大，刮板輸送機達到了額定運行工況。減速停車時，內齒圈的狀態與上述相反。

圖2行星機構差動工作狀態

液粘摩擦離合器（也稱多片濕式離合器）是最主要的部件，作用是對內齒圈施加線性制動力矩使內齒圈的轉速線性下降（停機時為線性增加），實現CST減速器的可控無級變速。液粘摩擦離合器的結構組成見圖1，其結構簡圖見圖3，主要由離合器內齒圈、離合器座、環形活塞、動、靜摩擦片組、活塞復位彈簧等組成。離合器內齒圈與行星內齒圈用螺栓固定在一起，圓環形動摩擦片以其圓周外花鍵裝于離合器內齒圈的內花鍵中并與之嚙合，則動摩擦片與行星內齒圈同步旋轉（故稱為動摩擦片），并可沿離合器內齒圈的花鍵做軸向方向移動；圓環形靜摩擦片以其圓周內花鍵裝在與箱體固定的帶有外花鍵的圓筒形離合器座上并與之嚙合，則靜摩擦片不能作圓周旋轉運動（故稱為靜摩擦片），但可沿離合器座的外花鍵做軸向方向移動。動、靜摩擦片交替放置多片，并由離心泵（見圖1）由里向外向動、靜摩擦片之間提供冷卻壓力油，此冷卻油一方面形成傳遞摩擦力矩的油膜，一方面經動摩擦片表面的菱形網狀溝槽（專利技術）向外緣流動流入減速器油池以帶走油膜摩擦產生的熱量[1-2]，以冷卻摩擦片和保持冷卻油的粘溫特性。流出的熱油經冷卻器冷卻后循環使用。由徑向柱塞泵（見圖1）經伺服閥向環形活塞提供比例的控制油壓，使動、靜摩擦片沿軸向移動并逐漸線性壓緊，由于靜摩擦片不旋轉則依靠它與動摩擦片之間的油膜剪切力所形成的摩擦制動力矩阻止動摩擦片轉動[3]，即行星內齒圈轉速線性下降而行星架轉速線性上升。若將控制油壓恒定一段時間，則行星內齒圈轉速不變，就形成了均速延遲階段，所以控制好環形活塞的控制油壓就能實現“S”形速度起動曲線，此過程為刮板輸送機加速起動階段。動、靜摩擦片之間形成的油膜剪切力大小由牛頓液體內摩擦定律確定，這里不在敘述。油膜剪切力及所形成的摩擦制動力矩的大小與動、靜摩擦片二者之間的間隙（即油膜厚度）成反比（見圖3），即環形活塞的控制油壓與摩擦制動力矩的大小成正比，所以調節控制環形活塞的油壓，就能改變動、靜摩擦片間的油膜厚度，從而控制輸出力矩、輸出速度的大小[4]。當控制環形活塞的油壓逐漸線性減小時，動、靜摩擦片逐漸松開，摩擦制動力矩逐漸線性減小，行星內齒圈轉速線性上升則行星架轉速線性下降，即輸出速度下降。直至控制油壓為零時，環形活塞在復位彈簧的作用下離開摩擦片，動、靜摩擦片完全松開，二者之間沒有摩擦阻力，此時行星內齒圈轉速最大，行星架轉速為零，即輸出速度為零，此過程為減速停車階段。下次起動電動機時，對環形活塞不施加控制油壓，電動機只帶動行星內齒圈轉動，實現電動機空載起動。

由上可知，CST減速器實質上是一個帶有多片線性液粘摩擦離合器的差動輪系行星減速器。

圖3液粘摩擦離合器的結構簡圖

2 CST性能特點和應用

由上述工作原理可知，CST減速器具有的優點是：電機空載啟動，減少對電網與電機的沖擊；無極調速，實現刮板輸送機軟啟動、軟停車；在電控系統作用下均衡機頭和機尾驅動部負載；還有刮板鏈被卡住時實現過載保護；重載起動電動機，直到最大轉矩。

CST減速器與變頻軟啟動比較還具有以下特點：

（1）不存在高次諧波干擾現象，因此沒有污染電網影響其他電氣設備正常運行的現象，也沒有高次諧波在電機軸上產生軸電流脈沖對軸承壽命的影響；

（2）在變頻軟啟動中電動機與減速器是剛性聯接，因此啟動時仍有較大的機械沖擊。CST減速器在啟動時無機械沖擊。

（3）CST減速器比變頻軟啟動過載能力強。

（4）為實現尖峰載荷保護，變頻軟啟動傳動系統需配置摩擦限矩器。CST減速器利用其離合器動、靜摩擦片之間打滑實現尖峰載荷保護，當滑差達到名義最大滑差的90%并持續0.15 s時，電液控制系統控制離合器脫開。

CST減速器的不足之處是換油費用較高。

基于上述特點，CST減速器廣泛應用于礦山，國內最早是1993年用于帶式輸送機，由于結構、尺寸、井下環境等因素，還不能用于綜采工作面刮板輸送機上。2006年神華神東公司首次使用了德國DBT公司生產的用于刮板輸送機的CST減速器（所有的液壓、潤滑、冷卻系統，部分電控系統均內置于減速箱內），它的成功使用，為大型、特大型礦井的建設提供了設備技術保證，其他礦區的千萬噸礦井也相繼使用，為礦井創造了巨大的經濟效益。雖然近幾年部分工作面刮板輸送機使用了變頻技術，但目前仍有數百臺CST減速器用于工作面刮板輸送機上，實踐證明，CST減速器是成熟、可靠的軟啟動裝置。

3 結束語

CST減速器是綜采工作面超重型刮板輸送機軟啟動方法之一，為發揮CST的效能和降低生產機電成本，在使用中應在油品、油質、潤滑、冷卻、應急運行等方面要做到正確維護和使用。