双电机驱动搅拌器功率循环问题研究

马朝鲜+程永龙+王守习+唐冬冬+周雄

摘要：针对双电机搅拌机存在的功率循环造成能源的浪费，而且影响电机使用寿命的问题，通过对循环功率的产生机理及其影响因素进行分析与研究，得出循环功率与设备参数及使用参数之间的关系，提出尽量采用单电机或高精度双电机的解决思路，还对电机的运行控制提出建议，对搅拌设备的设计与使用具有一定的指导意义。

关键词：搅拌设备；双电机驱动；搅拌器；功率循环

中图分类号：U415.52文献标志码：B

Abstract： Given that the power cycling of agitator driven by dualmotor causes waste of energy and affects the service life of the motors， the generation mechanism and influential factors of power cycling were studied. The relationship between the power and parameters of the apparatus and operation was obtained， and suggestion that single motor and dualmotor with high precision should be used was made. Suggestions on the operation control of motors provide reference for the design and using of mixing plants.

Key words： mixing plant； dualmotor drive； agitator； power cycling

0引言

搅拌器是强制间歇式沥青混合料搅拌设备的重要组成部分，其功能是将粗细集料、矿粉和沥青按照一定配合比搅拌制成均匀的混合料[1]。搅拌器从结构上可分为单卧轴和双卧轴2种形式，双卧轴搅拌器因搅拌质量好、生产效率高、能耗低而被广泛应用[2]。为了提高双卧轴搅拌器的性能，一些专家从混凝土搅拌理论、搅拌器的结构参数优化及搅拌低效区等方面进行了的研究[35]。本文针对双卧轴搅拌器存在的功率循环问题进行研究，对循环功率的产生机理及其影响因素进行分析，得出了循环功率与设备参数及使用参数之间的关系，并提出解决措施。

1功率循环产生机理

双卧轴搅拌器的搅拌轴采用单电机或双电机进行驱动。当采用双电机时，为了保证搅拌轴同步转动，在2轴之间设置了同步机构。双电机驱动搅拌器是通过2个电机分别提供扭矩，电机输出端通过皮带或者链条等装置连接减速机构，通过减速机构将扭矩输出给搅拌轴。对于双电机驱动的搅拌器，同步器输入端转速为电机转速经皮带轮或链轮减速后的转速，当双电机对同步机构输入端的转速不同时会造成拖转现象，形成功率循环，产生寄生功率，增加功率损失[6]。

将双卧轴搅拌器2个搅拌轴对应的驱动电机的转速分别设为n1、n2。由电动机的工作原理可知，定子绕组所产生的旋转磁场，以同步转速切割转子导体，在转子导体中产生感应电动势，形成电流。转子导体中的电流与旋转磁场相互作用而产生电磁转矩，使转子旋转，异步电动机转子转速n与同步转速n0存在式（1）所示关系

[7]

n=（1-s）n0（1）

式中：n为电机转子转速；s为转差率；n0为同步转速。

同步转速是电源产生的旋转磁场的转速，其大小取决于电动机工作时的电源频率f和绕组的磁极对数p，计算方法如下

对于双卧轴搅拌器的电动机而言，由于它们磁极对数相同，工作电源频率也一样，因此2个电动机的同步转速相同。但是，由于电机在加工制造和使用过程中不可避免地存在差异，所以电动机的转差率s不同，造成2个电机转子转速存在差异。另外，由于皮带轮的加工精度差异及使用过程中的磨损，也会造成减速比不同，导致同步器输入端的转速产生差异。上述原因造成搅拌器运行过程中同步器输入端转速较快的电机通过同步器拖着转速较慢电机转动的现象，因此产生功率循环，并形成寄生功率。

2影响循环功率的因素

2.1电机转速的影响因素

电动机的转速受转差率的影响，异步电动机的转差率是指同步转速与转子转速之差再与同步转速的比值，转差的存在是电动机转子转动产生转矩的基础。根据电机的功率平衡理论，电机的转差率s满足下式关系

式中：pCu2为转子铜损耗；Pem为电磁功率。

电磁功率是指通过气隙的旋转磁场，并应用电磁感应作用传递到转子的功率，根据等效电路，可知

Pem=m1E′2I′2cos φ2（4）

式中：m1为定子绕组的相数；E′2为转子电动势的折算值；I′2为转子电流；cos φ2为转子功率因数。

转子电流通过转子绕组时产生的铜损耗

pCu2=m1I′22r′2（5）

式中：r′2为转子的等效电阻。

因此由式（3）～（5）可得转差率与各参数之间的关系为

由式（6）可以看出，电动机的转差率主要受转子电流、转子等效电阻、转子电动势及功率因数等几个因素的影响。给定1台成型电动机，在结构参数确定的情况下，转子的电阻、电动势及功率因数的变化极其微小，基本可认为是定值，因此电动机的转差率主要是受转子电流的影响。根据电动机的工作特性，电动机的转子电流与电机负载有很大关系。当负载为零时，转子电流很小，近似等于零，这时转差率也近似为零；随着负载的增加，转子电流逐渐增大，转差率也随之增大，得到转差率特性曲线是一条从零开始向上的曲线。又因n=（1-s）n0，随着负载F的增加，转速特性n=h（F）是由n（F=0）处开始向下倾的曲线。

因此，在2台电机转速不同步时，转速较大的电机将通过同步器拖着转速较小的电机转动，循环功率较大；随着负载增大，电机转速降低，2台电机之间的转速差减小，循环功率减小。

2.2传动系统减速比的影响

双卧轴搅拌器驱动电机到同步器之间通过皮带或者齿轮等几种形式传递动力。皮带传动既可以传力，又可实现过载保护，具有结构简单、传动平稳等优点，已被广泛使用[8]。但是皮带传动是1种挠性传动，减速比变化时则会造成输出端转速变化，加剧功率循环。

在工作时，带传动的皮带以一定的初拉力拉紧在带轮上，皮带与带轮间的静摩擦力作用使皮带一边拉紧，一边松弛。为保证皮带正常工作，初拉力必须大于最小初拉力，否则皮带将出现整体打滑的现象，造成传动失效。皮带传动中使用的传动带为弹性体，受拉力时会发生弹性变形。由于皮带紧边与松边拉力大小不等，皮带的弹性变形量也不同，

因此皮带与带轮之间必然存在弹性滑动，相对变形量可用滑动率ε来评价，出现弹性滑动后带传动的减速比i为

式中：dd1为主动轮的公称直径；dd2为从动轮的公称直径。

滑动率的大小受负载、皮带初拉力、主动轮转速等因素影响[9]，负载越小、带的初拉力越大、主动轮转速越低，带传动的弹性滑动率就越小，相应的减速比越大。此外，皮带轮加工精度对减速比也有影响，加工精度越高，两边减速比差异越小，越有利于减小同步器输入端转速差。

与带传动相比，链条传动与齿轮传动无弹性滑动和整体打滑现象，在输出较大扭矩的同时能够保持精确的减速比。但这2种方式在工作时有噪声，且不能起到过载保护作用，必须配装专门的过载保护装置，防止出现超载或者卡料时损坏设备。

3结语

（1） 双电机驱动搅拌器电机转差率受生产加工及使用情况等诸多因素影响，电机输出转速难以绝对同步，易造成功率循环，这不仅浪费能源，而且会使电机发热，造成损伤。因此在满足搅拌器功率的前提下，应尽量采用单电机驱动；当功率较大，需要采用双电机驱动时，应选择2台制造精度较高的电机，且传动机构尽量采用链传动或齿轮传动的形式。

（2） 循环功率系数与负载有关，空载时，搅拌器同步器输入端转速差最大，随着负载的逐渐增大，电机转速差减少，循环功率降低，电动机功率利用率提高。因此，使用时应尽量缩短设备在空载状态下的运行时间。

参考文献：

[1]田奇.混凝土搅拌楼及沥青混凝土搅拌站[M].北京：中国建材工业出版社，2005.4：5051.

[3]赵利军.双卧轴搅拌设机参数优化及其试验研究[D].西安：长安大学，2002：1425.

[4]赵利军，赵航，冯忠绪.强制式搅拌低效区现象的探讨[J].筑路机械与施工机械化，2004，11：1820.

[5]姚怀新，陈波.工程机械底盘及其液压传动理论：工程机械底盘理论[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6]曾令全.电机学[M].北京：中国电力出版社，2007.

[7]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].第8版.北京：高等教育出版社，2006.

[8]王旭东，熊平原.影响摩擦带传动弹性滑动率因素的正交试验[J].农业技术与装备，2010，3：45.

[责任编辑：杜卫华]