CST在综采工作面刮板输送机上的应用

裴增昀李秀琴

（1.大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿 山西大同037016；2.山西大同大学机电工程学院 山西大同037003）

0 引言

目前，工作面超重型刮板输送机（配套单电动机功率大于400 kW）的软启动方式有机械软启动和电气软启动，机械软启动有CST（可控启动输出装置，也称CST减速器）和TTT（阀控调速型液力偶合器）两种方式；电气软启动有变频器+电动机+减速器和变频一体机+减速器两种方式。

上述每种软启动装置都有各自的长处和不足，本文主要介绍CST减速器的结构原理、性能特点及应用。

1 CST系统组成与调速原理

1.1 CST系统组成

CST减速器采用模块化结构，由三个单个单元组合成整机，即输入单元（输入轴、液压供液元件、电控元件）、中间减速器单元、输出单元（一级行星减速、液粘摩擦离合器）。图1是用于工作面刮板输送机上的垂直轴式（KP型）CST减速器的系统组成，中间减速器单元为一级圆锥齿轮+两级圆柱齿轮减速，加上输出单元的一级行星减速，共四级减速，图中也包含了置于减速箱内的全部液压元件和电控元件。直轴式（P型）的输入单元、输出单元与KP型相同，中间减速器单元是一级行星减速，总减速级为两级。

CST减速器由机械传动系统、液压控制系统、电气控制系统三大部分组成。

图1 CST减速器（KP型）的系统组成

1.2 CST调速原理

CST减速器的核心部分是输出单元，由行星减速机构和液粘摩擦离合器组成。

行星减速机构是常用的通用机构，见图2，其中行星架为输出轴。在这里它有三种工作状态：（1）内齿圈呈自由浮动状态，即空载启动状态。因启动前输出轴与负载（链轮）相连而临时不动，此时为定轴轮系，太阳轮带动行星架上的行星轮绕行星轮轴作自转并带动内齿圈转动，此时内齿圈的转速为最大，即电动机经齿轮传动驱动太阳轮时只带动内齿圈以最大转速自由转动，实现了电动机空载启动；（2）内齿圈呈差动状态，即线性启动状态。液粘摩擦离合器对内齿圈逐渐施加一个线性制动力矩，则内齿圈转速开始线性下降，此时为差动轮系，行星架上的行星轮在自转下开始公转并带动行星架转动逐渐输出力矩和转速（公转是指行星轮在自转的驱动下沿内齿圈啮合滚动从而带动行星架转动），差动时因内齿圈转速与行星架转速之和为常数，即内齿圈降低了的转速值就是行星架的线性输出转速值（见图2b），此过程为刮板输送机启动阶段；（3）内齿圈固定状态，即正常运行状态。内齿圈在液粘摩擦离合器制动力矩的作用下转速线性下降到零值，即内齿圈固定不动，此时为常规的行星机构传动系统，行星架输出力矩和转速达最大，刮板输送机达到了额定运行工况。减速停车时，内齿圈的状态与上述相反。

图2行星机构差动工作状态

液粘摩擦离合器（也称多片湿式离合器）是最主要的部件，作用是对内齿圈施加线性制动力矩使内齿圈的转速线性下降（停机时为线性增加），实现CST减速器的可控无级变速。液粘摩擦离合器的结构组成见图1，其结构简图见图3，主要由离合器内齿圈、离合器座、环形活塞、动、静摩擦片组、活塞复位弹簧等组成。离合器内齿圈与行星内齿圈用螺栓固定在一起，圆环形动摩擦片以其圆周外花键装于离合器内齿圈的内花键中并与之啮合，则动摩擦片与行星内齿圈同步旋转（故称为动摩擦片），并可沿离合器内齿圈的花键做轴向方向移动；圆环形静摩擦片以其圆周内花键装在与箱体固定的带有外花键的圆筒形离合器座上并与之啮合，则静摩擦片不能作圆周旋转运动（故称为静摩擦片），但可沿离合器座的外花键做轴向方向移动。动、静摩擦片交替放置多片，并由离心泵（见图1）由里向外向动、静摩擦片之间提供冷却压力油，此冷却油一方面形成传递摩擦力矩的油膜，一方面经动摩擦片表面的菱形网状沟槽（专利技术）向外缘流动流入减速器油池以带走油膜摩擦产生的热量[1-2]，以冷却摩擦片和保持冷却油的粘温特性。流出的热油经冷却器冷却后循环使用。由径向柱塞泵（见图1）经伺服阀向环形活塞提供比例的控制油压，使动、静摩擦片沿轴向移动并逐渐线性压紧，由于静摩擦片不旋转则依靠它与动摩擦片之间的油膜剪切力所形成的摩擦制动力矩阻止动摩擦片转动[3]，即行星内齿圈转速线性下降而行星架转速线性上升。若将控制油压恒定一段时间，则行星内齿圈转速不变，就形成了均速延迟阶段，所以控制好环形活塞的控制油压就能实现“S”形速度起动曲线，此过程为刮板输送机加速起动阶段。动、静摩擦片之间形成的油膜剪切力大小由牛顿液体内摩擦定律确定，这里不在叙述。油膜剪切力及所形成的摩擦制动力矩的大小与动、静摩擦片二者之间的间隙（即油膜厚度）成反比（见图3），即环形活塞的控制油压与摩擦制动力矩的大小成正比，所以调节控制环形活塞的油压，就能改变动、静摩擦片间的油膜厚度，从而控制输出力矩、输出速度的大小[4]。当控制环形活塞的油压逐渐线性减小时，动、静摩擦片逐渐松开，摩擦制动力矩逐渐线性减小，行星内齿圈转速线性上升则行星架转速线性下降，即输出速度下降。直至控制油压为零时，环形活塞在复位弹簧的作用下离开摩擦片，动、静摩擦片完全松开，二者之间没有摩擦阻力，此时行星内齿圈转速最大，行星架转速为零，即输出速度为零，此过程为减速停车阶段。下次起动电动机时，对环形活塞不施加控制油压，电动机只带动行星内齿圈转动，实现电动机空载起动。

由上可知，CST减速器实质上是一个带有多片线性液粘摩擦离合器的差动轮系行星减速器。

图3液粘摩擦离合器的结构简图

2 CST性能特点和应用

由上述工作原理可知，CST减速器具有的优点是：电机空载启动，减少对电网与电机的冲击；无极调速，实现刮板输送机软启动、软停车；在电控系统作用下均衡机头和机尾驱动部负载；还有刮板链被卡住时实现过载保护；重载起动电动机，直到最大转矩。

CST减速器与变频软启动比较还具有以下特点：

（1）不存在高次谐波干扰现象，因此没有污染电网影响其他电气设备正常运行的现象，也没有高次谐波在电机轴上产生轴电流脉冲对轴承寿命的影响；

（2）在变频软启动中电动机与减速器是刚性联接，因此启动时仍有较大的机械冲击。CST减速器在启动时无机械冲击。

（3）CST减速器比变频软启动过载能力强。

（4）为实现尖峰载荷保护，变频软启动传动系统需配置摩擦限矩器。CST减速器利用其离合器动、静摩擦片之间打滑实现尖峰载荷保护，当滑差达到名义最大滑差的90%并持续0.15 s时，电液控制系统控制离合器脱开。

CST减速器的不足之处是换油费用较高。

基于上述特点，CST减速器广泛应用于矿山，国内最早是1993年用于带式输送机，由于结构、尺寸、井下环境等因素，还不能用于综采工作面刮板输送机上。2006年神华神东公司首次使用了德国DBT公司生产的用于刮板输送机的CST减速器（所有的液压、润滑、冷却系统，部分电控系统均内置于减速箱内），它的成功使用，为大型、特大型矿井的建设提供了设备技术保证，其他矿区的千万吨矿井也相继使用，为矿井创造了巨大的经济效益。虽然近几年部分工作面刮板输送机使用了变频技术，但目前仍有数百台CST减速器用于工作面刮板输送机上，实践证明，CST减速器是成熟、可靠的软启动装置。

3 结束语

CST减速器是综采工作面超重型刮板输送机软启动方法之一，为发挥CST的效能和降低生产机电成本，在使用中应在油品、油质、润滑、冷却、应急运行等方面要做到正确维护和使用。