SGB620-40TT型刮板输送机永磁耦合器的设计

赵 鑫

（西山煤电（集团）有限责任公司职业病防治所， 山西 太原 030053）

引言

永磁耦合器因具有无机械连接、维修简便、经济投入少、运行寿命长、传动效率高和环境适应力强等优点在煤矿井下被广泛地应用。用于煤矿生产设备的永磁耦合器要具有可容许的对中误差上限大、不产生谐波和不会因电压波动而性能出现变化的特点，同时可用于速度控制、软启动和过载保护等[1-2]。刮板输送机是煤矿生产中重要的运输设备，常常会因为超载运行或堵转等导致电机过热而出现故障，严重制约了煤矿企业的生产效率[3]。引入永磁耦合器可以解决刮板输送机电机过热的问题。本文以某矿井下使用的SGB620-40TT型双边联式刮板输送机为例，设计与之配套的矿用永磁耦合器。

1 矿用永磁耦合器的设计要求

满足煤矿安全规程和相关标准的规定是进行矿用永磁耦合器设计的首要准则。对矿用耦合器进行设计时需考虑到功率传递介质的选用、零件材质的选择和主要结构等，并且设计出的耦合器能与电动机和减速机可靠连接。耦合器的设计要求包括机械和电气两个方面的内容，具体内容如下：

1）原动力、传递的功率和负载三者必须相互匹配。

2）要求本质安全。永磁耦合器使用中不需要电源，但其核心部件是永磁铁，由于其粉末属于可燃物，因此设计时应考虑防爆。

3）设有过热保护。当耦合器因为刮板输送机堵转时其温度会升高，温度过高永磁铁就会失去磁性。因此设置过热保护装置，当其表面温度达到100℃时立即切断电源，避免耦合器失效。

4）所有传递机械荷载的部件尤其是传动轴必须具有足够的机械强度。

5）设有防护装置。

2 耦合器的选型

按磁力驱动器的结构形式可将永磁耦合器分为圆筒式和圆盘式两种。圆筒式磁力驱动器的整体为套筒式结构，采用圆环形导磁体将瓦形永磁体包裹，利用隔离套将主动、从动转子隔离开。圆盘式磁力驱动器的整体为盘式构架，采用的导体也是盘状且与永磁体对齐。采用的永磁体由于是轴向充磁，因此其磁极也为轴向[4]。采用此种设计有利于在不同介质之间传递动力，保证两平面转子在转动过程中能产生足够的轴向磁拉力。由于圆盘式涡流磁力耦合器具有价格合理、安装简便、检修便捷和可提供的转矩较大等优点，因此目前生产煤矿生产设备的厂家一般采用的是圆盘式涡流磁力耦合器。圆盘式涡流磁力耦合器的两个转子之间存在空气间隙，因而未直接接触。电机输入端带铜盘的钢架与负载输入端带永磁体的铝盘分布在转子的两侧。在驱动电机的带动下，铜盘就会转动切割永磁体产生的磁感线出现磁感应力，完成电机与负载之间的转矩传递。因此，圆盘式涡流磁力耦合器具有如下特点：对中精度要求低，可以出现少许的轴向或径向的偏离；传动部件未直接接触，避免振动的产生；电机可以进行软启动与软停止，有效避免电机出现过载。

3 永磁耦合器的设计

3.1 转矩的选定

SGB620-40TT型双边联式刮板输送机配备的电动机型号为YBS-404（380/660）隔爆型三相异步电动机。如下页表1所示，为YBS-404（380/660）隔爆型三相异步电动机的性能表。堵转转矩Ts=K1·Te=2.5×250=625 N·m。

刮板输送机运输系统主要包括电动机、刮板输送机和永磁耦合器三部分。要求三者在转矩方面的关系为：刮板输送机带载启动时的负载转矩＜永磁耦合器的输出转矩＜电动机输出的转矩。考虑在实际使用中会有其他因素的影响，因此需留一定的余量，取永磁耦合器的最小转矩为电机负载转矩（此处取额定转矩）的1.2倍，则永磁耦合器的最小转矩Tc，min=1.2×250=300 N·m。

表1 YBS-404（380/660）隔爆型三相异步电动机性能表

当刮板输送机出现卡煤事故或过载时，电机可能会出现堵转现象，为保护电机，因此永磁耦合可提供的最大输出转矩必须低于电动机的最大转矩，取永磁耦合器的最大转矩为电机负载转矩（此处取最大转矩）的0.8倍，则永磁耦合器的最大转矩Tc，max=0.8×575=460 N·m。

因此，永磁耦合器可提供的转矩为300～460N·m。

3.2 永磁体的选取

考虑到煤矿井下的实际工作环境，要求永磁耦合器采用的永磁材料必须具有高剩磁、大矫顽力和最大磁能积高等优点。常用的永磁材料有铝镍钴、铁氧体、钐钴、钕铁硼。其中钕铁硼材料的永磁体适用于温差较大的井下环境。如表2所示，为采用的N45SH型钕铁硼永磁体的相关性能。

表2 N45SH型钕铁硼永磁体的相关性能表

3.3 永磁耦合器的结构参数

永磁耦合器主要部件包括铜盘、前后端盖、永磁体和永磁体盘（铝盘）等。如表3所示，为综合考虑永磁耦合器与电动机、刮板输送机匹配和相关规定设计而成的永磁耦合器主要部件的尺寸及材质。

表3 永磁耦合器主要部件的尺寸及材质

4 过载保护设计

为保证刮板输送机因煤块等卡住时电机不会因为过载而损坏，因此将永磁耦合器的最大输出转矩适当缩小，以低于电动机的过载允许值。同时调整永磁耦合器的堵转转矩，使其略大于电动机的额定转矩，保证刮板输送机在堵转时也能在特性曲线的稳定区间运转，避免输出功率大于允许值。

如果过载或堵转不能及时处理，永磁耦合器的温度会持续上升。为避免永磁耦合器故障，在电动机与减速器之间的联结罩上设置一个矿用红外温度传感器，并且温度传感器与刮板输送机的开关通过PLC控制模块连接。依靠温度传感器监控永磁耦合器的温度，当永磁耦合器表面的温度达到100℃时，PLC就会切断刮板输送机的电源，电动机就会停止运转而避免电动机过载和永磁耦合器过热。

5 传动轴的强度校核

在实际使用中，永磁耦合器的轴只传递扭矩而不承受弯矩，因此其属于传动轴。实心轴的扭转强度必须满足以下公式：

式中：σw为扭转切应力，MPa；T为传动轴承受的扭矩，N·mm；Kt为传动轴抗扭截面系数，mm3；P为传动轴传递的功率，取40 kW；n为转速，取1500 r/min；d为传动轴的直径，取55mm；[σw]为传动轴的许用扭转切应力，取30 MPa。经过计算，在刮板输送机工作时永磁耦合器传动轴的扭转切应力σw=7.81 MPa＜30 MPa。因此，设计永磁耦合器的传动轴符合使用要求。

6 结语

将设计的永磁耦合器投入生产使用，在半年的工业试验期间，未出现刮板输送机因过载或堵转而出现电机故障。因此，对刮板输送机加装永磁耦合器可以有效提高管板输送机的可靠性，为煤矿的持续高效生产提供保障，且为其他矿用设备的永磁耦合器的设计提供了参考。