液力偶合器在带式输送机上应用的优越性分析＊

2010-11-17潘志勇

采矿技术 2010年4期

关键词：偶合器液力带式

潘志勇,姚蓉,姚冰

(湖南工业职业技术学院, 湖南长沙 410208)

液力偶合器在带式输送机上应用的优越性分析＊

潘志勇,姚蓉,姚冰

(湖南工业职业技术学院, 湖南长沙 410208)

通过对带式输送机的驱动要求的分析,提出了采用电机加液力偶合器机械系统来满足带式输送机驱动要求的理论根据,给出了带式输送机配用液力偶合器的科学依据,并就液力偶合器在带式输送机上应用的优越性进行了详细的阐述。

带式输送机;液力偶合器;优越性

0 前言

带式输送机与其他运输形式比较,具有许多优势,如非常适合散装物料运输,运输成本低,设备简便,维修容易,费用低等等,因此带式输送机已广泛应用于钢厂、铁厂、港口、码头、水泥厂、矿山等大型企业,而且带式输送机不断向长距离、大功率发展。在设计长距离、大功率的带式输送机时,考虑到大电机在设计、维修和安装上不便和成本等因素,设计人员通常采用多电机、多滚筒驱动形式。这样,长距离、大功率的带式输送机就出现起动性能变坏和运转稳定性下降明显的问题。为解决这一问题,国内外都采用了液力偶合器,并取得了明显的效果。本文就液力偶合器在带式输送机上应用的优越性进行了详细的研究,给出了带式输送机配用液力偶合器的科学依据。

1 带式输送机的驱动要求

带式输送机像其他大惯量设备一样具有很大的起动惯量并难于起动,尤其是长距离、大功率的带式输送机,通常它们的起动力矩是额定力矩的3～3.5倍,若电机选型不当或电压波动较大时就难于起动,甚至有时烧毁电机。

按动力学分析,在载荷起动瞬间作用在电机轴上的起动力矩为:TZQ=TC+TA

式中:Tc——与转速无关的摩擦阻力矩,是轴承及机械接触摩擦力矩与工作机阻力矩之和,对具体设备为常量;

Ta——载荷加速力矩,Ta=Jε。

加速力矩与系统的转动惯量J及角加速度ε有正比关系,或者与系统物体质量m、加速度a成正比,而与载荷加速时间t成反比,因此载荷加速时间越短,加速力矩Ta和TZQ就越大。电机直连传动起动时,构成冲击载荷,加速时间极短,则起动力矩很大而难于起动。若起动力矩很大,带式输送机的胶带起动张力过大,就会大大降低带式输送机胶带的使用寿命,而在带式输送机成本中胶带占40%以上。若电机拖不动则形成“闷车”而加长了起动电流持续时间,再严重时就烧毁电机。

再者,对长距离、大功率带式输送机在设计上采用多电机、多滚筒驱动,再加上胶带的变形,各处散装物料的不均匀,电机、滚筒制作的偏差,必然会引起带式输送机运行的不均衡。

综上分析,带式输送机在驱动运行中应该满足以下要求:

(1)限矩起动;

(2)过载保护;

(3)起动运行均衡。

要满足这些要求,有许多方法,如变频起动、加载偶合器等。变频起动,不仅技术要求高,成本很高,而且适应环境的能力差、维修复杂。而加装液力偶合器可改善电机起动状况,是解决上述问题的有效办法。

2 液力偶合器应用于带式输送机的优越性

2.1 电机起动能力分析

在笼型电动机加液力偶合器联合拖动主机时,电机的外特性就是液力偶合器的输入特性,液力偶合器的输出特性就是电机的负载特性(即工作机的输入特性)。通常笼型电动机的起动力矩远小于最大力矩,配以液力偶合器后,使其联合工作的起动力矩大为增高,甚至接近电机的最大力矩,且使电动机起步瞬间接近空载起动。

如图1所示,动力机加装液力偶合器传动后,直接负载由工作机改为偶合器泵轮,因偶合器泵轮力矩与其转速的2次方成正比,且转动惯量很小,故动力机近似等于带偶合器泵轮空载启动,所以启动轻快平稳,启动时间短,启动电流均值低,对电网冲击小,启动性能得以改善。涡轮起动后,输出力矩立即升高。

图1 带式输送机驱动系统示意

从图2可以看出,由电机和液力偶合器联合拖动的带式输送机在空载、满载和超载的情况下起动、运行都是一样,电机的尖峰电流在起动和运行中几乎不存在。这样,就达到了液力偶合器增大电机起动能力的效果,而且使整机平稳起动,起动时间缩短,从而可允许降低胶带抗张强度要求和延长胶带寿命。

2.2 机械系统的过载防护分析

机械系统过载的原因,不外乎3种情况:工作机阻力负载缓慢或突然增加而超过额定工况的正常情形;异步电机运行中因电网电压突然下降而使电机外特性跌落,从而电机的输出转矩低于额定工况的正常值;工作机运行中因故突然卡住而造成的动力过载。

在电机直接驱动的机械系统中,工作负载增加超过电机的额定点,但低于尖峰转矩点时,属于正常过载,仍能短期稳定工作,但电流较额定值增大。因此,正常过载允许时间根据电机发热时间决定,一般采用热继电保护。当工作负载增加超过电机的额定点,且高于尖峰转矩点时,就会出现电机与工作机一起失速直到堵转,电机则受到较大电流I冲击而使电机绝缘发热和电网电压下降,甚至烧毁。若在运行中工作机突然被制动时,一方面电机因堵转产生很大电流冲击,另一方面,制动系统惯性质量的动能在一瞬间释放出来会在电机到工作机的环节中产生很大的动力载荷冲击,造成系统薄弱环节损坏。

图2 装与不装液力偶合器电动机启动特性分析

图3是电机加液力偶合器系统中工作负载制动时电机的稳态运行点图,可以看出,在电机加液力偶合器机械系统中,即使负载转矩大于电机最大转矩而造成非正常过载,或工作机在运转中因异物卡住或其它特殊故障突然制动,工作机转速迅速降到零速工况点,即液力偶合器涡轮停止不转,但电机仍在最大转矩点附近运行,因而就不会发生失速堵转现象,同时电机转速变化不大,因而也就不会发生电机转子惯量突然失速堵转而使电机轴和传动系统产生很大的动力过载(见图4)。因此,液力偶合器对带式输送机的动力过载能够有效防护。

2.3 节能作用分析

电机加液力偶合器联合起动带式输送机不仅能够解决带式输送机限矩起动、过载保护、运行平稳等技术难题,而且具有一定的节能作用。

图3 装液力偶合器电动机工作负载制动时的稳态运行点

图4 电机加液力偶合器系统动力过载

(1)两步起动改善了起动性能,降低了工作机起动力矩而节能。在电机与载荷之间加装液力偶合器,使原来的“直联”中间加入柔性的液力传动,变“直联”时的一步起动为两步起动。由图5可见,液力偶合器的应用提高了电机起动载荷能力,小电机能够起动原大电机才能起动的载荷(MTQ＞MZQ)。

图5 大惯量设备装与不装液力偶合器的特性比较

(2)降低了启动电流及其持续时间——电机空载起动节能。加装液力偶合器后的两步启动使电机与载荷的启动电流相互错开、不叠加,又由于电机空载启动后接下的是轻载软起动(MB∝n21启动中转速低、力矩小,电流低),电机升速快。所以降低了启动电流及其持续时间。与电机直联传动相比,有明显的启动节电作用(见图6)。

(3)提高了电机启动载荷的能力。在启动过程中随着电机转速的升高,泵轮力矩亦升高,在某一转速下,MB=MT≥MZQ时,涡轮带着载荷起步运转。可见并非以电机的启动力矩去直接启动载荷,而是以涡轮的启动力矩(MTQ)去启动载荷。故液力传动的应用提高了电机启动载荷的能力。

图6 应用液力传动电机空载起动的节能原理

(4)匹配合理,降低装机容量而节能。加装液力偶合器,一方面使载荷启动力矩降低了,另一方面又提高了电机启动载荷的能力,因此可降低配用电机的机座号,应用小规格电机即可满足大惯量设备的起动要求(见图5)。利用涡轮启动力矩起动载荷后,在稳定运行时因接近其额定工况运行,故运行功率因数高,效率高,自身损耗(风损,铁损,铜损等)小,虽然液力偶合器有4%左右的转差损失,但与其效益相抵后仍有较好的技术经济效益,有明显的节电效果。