永磁直驅系統在斗輪堆取料機的應用

劉 叢 于 群 樊天奇 徐萬鑫

中國電建集團長春發電設備有限公司 長春 130033

0 引言

斗輪堆取料機（以下簡稱斗輪機）作為一種常用的散狀物料裝卸搬運設備，其工作制度屬于重型工作制，工作條件惡劣，工作強度和時長要求其傳動機構結構復雜且體積巨大，需要低速大扭矩帶載啟動及動力輸出，該工作模式導致其傳動效率低下，檢修維護成本居高不下。永磁直驅系統是一種新型的可實現低速大扭矩啟動的高效率傳動系統，屬于近年來新興的一種動力系統，目前已在礦山機械、帶式輸送機等設備上成功應用，但在斗輪機上尚無成功應用的先例。本文就永磁直驅系統在斗輪機上的應用可行性及存在問題進行分析，為斗輪機驅動方式更新換代的研究提供參考。

1 傳統驅動方式弊端分析

斗輪機各主要傳動機構中工作條件最惡劣的為斗輪機構（斗輪機實現取料作業功能單元），其輸出轉速低，通常為6.5 r/min左右，載荷沖擊及啟動轉矩大。目前，傳統驅動方式有機械傳動式（異步交流電動機+液力偶合器+行星減速器）和低速大扭矩液壓馬達直驅式2種。如圖1所示，兩者在使用過程中存在一些問題無法徹底解決。

圖1 傳統驅動方式示意圖

機械傳動式驅動方式傳動環節眾多，不易調節，體積大，重復啟動需要時間長，過載能力小，噪聲大，行星減速器對傳動齒輪的潤滑效果要求高，驅動裝置抗沖擊能力弱。

低速大扭矩液壓馬達液壓系統元件結構復雜，包含馬達、動力站、管路、控制系統等組成單元。液壓閥件及管路連接接頭多，易出現漏油，系統可靠性受溫度影響明顯，發生故障不易查找原因，非專業人員無法檢修，在高粉塵環境對液壓油清潔度等級要求高。

同時，機械傳動式與低速大扭矩液壓馬達直驅式驅動方式均存在能耗大效率低、設備運行管理及后期維護成本高、人工及耗材投入巨大等問題。

2 應用可行性及指標

2.1 技術參數指標

作為一種新興的驅動形式，與傳統驅動方式相比，永磁直驅系統可以直接驅動負載運行，不需要機械減速機構，這使得傳動系統的機械結構組成得到極大簡化。因此，采用永磁直驅系統可以減輕原有繁重的日常維護工作，系統的可靠性也會大幅提高；取消了機械減速機構，消除了相應的機械損耗，提高了系統的機械傳動效率，減少了電動機損耗，提高了系統的總體效率。

永磁直驅系統應用于斗輪機構的核心是正確替換原有的驅動裝置，通過技術優化改進永磁直驅系統的外形、安裝形式以及斗輪機構的結構形式以實現兩者的順利安裝配合。在具體實施時，永磁直驅系統外形被設計為盤狀結構，包括轉子盤和定子軸2部分。區別于以往的異步電動機結構形式，為同步電動機，無需勵磁，不產生轉子銅耗，符合斗輪機構低速大扭矩啟動及運行工況的要求。產品設計時需要依據永磁直驅系統的結構及原理特點，重新設計與之配合的斗輪輪體及相關支撐結構，此間應充分考慮斗輪機構提供的安裝空間十分有限、配合精度不易保證等問題。為滿足上述要求，永磁直驅系統轉子盤外緣采用定位止口法蘭與斗輪輪體配合、鉸制孔螺栓聯結，工作時轉子盤為動力輸出部分，通過法蘭螺栓組帶動輪體旋轉工作，定子軸為定子線圈及轉子軸承的固定支撐單元，定子軸伸出轉子盤區域外的懸臂軸通過鉸支座將安裝在前臂架的鋼結構上。斗輪輪體去除原有的輪轂及其支撐輪輻，重新設計成環梁和連接法蘭的組合結構，以便采用高強螺栓組與永磁電動機（轉子盤）聯結。技術參數如表1所示，結構形式如圖2所示。由表1可知永磁直驅系統在不同負載百分比下，傳動效率均表現突出，可以實現扭矩很好的過載能力及保護。

圖2 永磁直驅系統方式示意圖

表1 永磁直驅系統技術參數表

2.2 維護費用對比

原有機械傳動式采用異步電動機+液力偶合器+減速器方式，系統結構復雜，傳統環節較多，相應的故障點增多，減速器及偶合器容易漏油，且多數情況下，減速器要求冬夏2季使用不同型號的潤滑油，增加了成本且維護工作量大，液壓直驅式也存在同樣問題。永磁直驅系統與傳統機械驅動系統維護費用對比如表2所示。

表2 維護費用對比

2.3 效率對比

永磁直驅系統動力轉化和傳輸形式不同于異步電動機，從效率和功率因數進行對比，永磁直驅系統的性能遠遠高于傳統異步電動機。當電動機所帶負載一定時，電動機效率越高，有功功率越高，耗電量越低。如圖3所示，永磁直驅系統的效率在各個工況下均高于異步電機，低負荷時相差8%以上。

圖3 效率曲線比較圖

永磁電動機功率因數較異步電動機高，降低電網無功功率損耗，電網輸送電流損耗降低，負荷開關容量減小。如圖4所示，理論上永磁電動機相對于異步電動機節能效果好，電網的無功功率損耗降低，開關容量降低。

圖4 功率因數曲線比較圖

2.4 整體傳動效率對比

斗輪機的斗輪機構驅動方式若采用傳統機械式異步電動機+液力偶合器+減速器系統傳動，存在中間環節多，效率損失較大；液壓直驅式的傳動效率更低，而永磁直驅系統結構簡單，效率高，節能優勢明顯。

傳統機械傳動傳動效率計算為：電動機87%×減速器4級94%×偶合器96%=78.5%；永磁電動機傳動效率為93%；傳統驅動在低負荷情況下，傳動效率不到50%；永磁電動機在低負荷情況下，傳動效率大于85%，永磁電動機在低負荷時節能效率更明顯。

3 存在問題及改進建議

3.1 質量和體積的合理平衡點選取

斗輪機構所適用的永磁直驅系統為盤式結構，其額定輸出轉矩由布置在支撐輪外圓周的永磁線圈與回轉中心軸線的力臂共同決定，增大永磁直驅系統的做功能力方法有2種，增加線圈排布的寬度與增大線圈與回轉中心的力臂。增大線圈排布寬度會極大增加永磁直驅系統的成本，可通過增大力臂的方法增大其輸出轉矩，降低其質量和成本，但相對應的永磁直驅系統直徑過大，安裝在斗輪機構的輪體上空間不足，存在碰撞煤堆、過度磨損、影響斗輪輪體結構受力等問題，同時還會影響斗輪機構溜料裝置、圓弧擋板等結構的布置空間。因此，斗輪機構整體結構綜合考慮，永磁直驅系統盤形結構的外圓周直徑應控制在斗輪機構輪體直徑2/3較合理。

3.2 檢修問題

與傳統驅動方式相比，采用永磁直驅系統驅動的斗輪機構的結構形式及布置方式均需發生很大變化，永磁直驅系統結構體積及質量龐大，安裝精度要求較高。雖然永磁直驅系統自身故障率很低，但同樣需要檢修維護，因現有安裝方式斗輪機構輪體等因素的影響，導致其偏載嚴重，長期使用應考慮永磁直驅系統和其他部件檢修更換的便利問題。若每次檢修斗輪機構都要將永磁直驅系統拆下，由大型吊裝機械配合才能完成是不合理的。因此，該問題還需要斗輪機制造企業與永磁直驅系統專業廠家進一步溝通，進一步優化永磁直驅系統的結構形式。

3.3 輪體及永磁直驅系統受力情況需要優化

永磁直驅系統中支撐其回轉運動的中心軸與其定子連接，屬于心軸形式固定不動，斗輪輪體、鏟斗等其他部件固定在其轉子盤上，轉子盤通過軸承固定在中心軸上，轉子盤盤形結構體積很大，工作時受到斗輪挖掘時的側向挖掘力的影響，導致中心軸及轉子盤支撐軸承受力非常復雜，疲勞損傷對中心軸及軸承使用壽命的影響需要長期應用才能得以顯現。目前，轉子盤軸承采用3組調心滾子軸承超靜定結構形式，存在受力不明確、潤滑及拆裝困難等問題。由于該結構形式屬于永磁直驅系統的一代產品，故還需要在后續使用中進一步優化完善。

4 結語

永磁直驅系統作為一種新型節能驅動動力形式滿足斗輪機工況要求，克服了原有傳統驅動方式存在的弊端和不足，在檢修費用、傳動效率等方面優勢明顯，但該傳動方式在斗輪機實際應用屬于起步階段，很多技術問題還沒有完全暴露，還有待于繼續關注和優化、改進。