張立秋

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 冶礦設(shè)備事業(yè)部， 遼寧 沈陽 110141)

淺談大型磨機傳動系統(tǒng)的選用

張立秋

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司 冶礦設(shè)備事業(yè)部， 遼寧 沈陽 110141)

隨著選礦和水泥工業(yè)規(guī)模的大型化，用于物料粉磨設(shè)備之一的磨機規(guī)格尺寸隨之增大，使得傳動系統(tǒng)的選擇比以往更困難、考慮因素更多。傳動系統(tǒng)的選擇決定磨機的使用性能、維護性能，運行成本等關(guān)鍵指標(biāo)。

大型磨機； 傳動系統(tǒng)； 選用

由于在一定的投資下采用少而大的設(shè)備可以提高生產(chǎn)率，因而選礦和水泥工業(yè)磨機傳動的容量不斷增大。十年前6 000 kW的傳動不過是想想而已，而今在使用280 000 kW的傳動系統(tǒng)。但是，功率的增加使得傳動系統(tǒng)面對的問題更復(fù)雜化，這主要是由于受到傳動齒輪制造難度的限定，電機起動對電網(wǎng)沖擊的限制。致使普通的磨機傳動型式已無法具有良好的性能來滿足大容量的傳動系統(tǒng)，必須考慮采用新型的傳動方式。

影響選用磨機傳動系統(tǒng)的因素有[1]：傳動方式、磨機驅(qū)動要求、投資與維護條件、電網(wǎng)特性和電動機型式、電壓、效率、功率因數(shù)和起動的限制。下面就磨機的傳動方式、磨機驅(qū)動要求及傳動系統(tǒng)要求分別做闡述。

1 磨機驅(qū)動要求

對于磨機來說，在確定磨機滿載運行需要的功率基礎(chǔ)上，通常增加15%的余量，也就是磨機功率的使用系數(shù)取1.15。盡管如此，電動機必須有比較大的起動和牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，以便磨機負載起動時克服磨機不平衡轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。對電動機的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)不得小于1.5，牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)不得小于1.2。

起動轉(zhuǎn)矩必須足以使裝有不平衡重量的裝載物料的磨機筒體轉(zhuǎn)動到一定的角度位置后，磨機筒體內(nèi)的物料自動拋落或瀉落。在瀉落點的正常轉(zhuǎn)矩要求(正常運行的物料)不超過125%；但當(dāng)磨機裝滿物料(最大負荷)時，要求140%的最大峰值轉(zhuǎn)矩，這是磨機滿載負荷起動所必須的轉(zhuǎn)矩。

由于磨機的運行負荷比較穩(wěn)定，故需要150%或175%的牽出轉(zhuǎn)矩。

對于設(shè)有離合器的傳動系統(tǒng)，電動機只需要克服自身的起動轉(zhuǎn)矩、摩擦和風(fēng)阻，因為電動機起動和同步是在磨機運行之前，對于自潤滑軸承的電動機要求最大起動轉(zhuǎn)矩倍為15%即可；對于同步電機來說可以不考慮牽入轉(zhuǎn)矩，牽出轉(zhuǎn)矩要求按離合器所引起的負荷波動來確定，一般使用200%的牽出轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

2 磨機的傳動方式

磨機傳動方式可歸納為以下三種形式：[2]大小齒輪邊緣傳動、中心傳動和無齒傳動。前兩種是用齒輪裝置將電動機速度降低到磨機所需要速度。齒輪裝置沒有包括在投資的比較中，但是應(yīng)經(jīng)常的予以考慮。

如圖1所示，小齒輪傳動方式采用雙電動機或單電動機，如果采用低速電動機，中間的減速機就不省去。如圖2所示，中心傳動方式采用一臺電動機通過減速機來驅(qū)動磨機。這兩種方式都可以用高起動轉(zhuǎn)矩電動機直接聯(lián)接到齒輪上，或者用低起動轉(zhuǎn)矩電動機，在電動機和齒輪之間配置離合器，使電動機實現(xiàn)空載起動。

圖1 雙電機驅(qū)動方式

圖2 單電機驅(qū)動方式

2.1 邊緣齒輪傳動方式

用一臺或數(shù)臺電動機，每臺電動機帶動一個小齒輪，同裝在磨機的大齒輪相嚙合(見圖1)。這種形式在選礦工業(yè)中應(yīng)用很普遍，在水泥行業(yè)中采用這種形式是因為一次投資少。但是由于其齒輪組不是完全密封的，與中心傳動相比維護量大。

功率在8 000 kW以內(nèi)的磨機可以使用單電動機傳動，超過這個功率數(shù)值時，由于齒輪的限制，通常使用兩個小齒輪，對于更大的磨機可以設(shè)想使用三個、四個甚至更多的傳動裝置。但是這將使負荷分配和電動機安裝問題變得很麻煩。

2.2 中心傳動方式

這種布置在水泥行業(yè)和氧化鋁原料粉磨中常見。磨機、減速機和電動機在同一軸線上，如圖2，磨機的中空軸用聯(lián)軸節(jié)直接或通過液力偶合器聯(lián)接到齒輪減速機。這種布置只使用一臺電動機，在理論上對減速機或電機大小沒有功率限制，只受減速機的承載能力和運行可靠性限制。

2.3 無齒輪傳動方式

無齒輪傳動有環(huán)式、懸臂式和直聯(lián)式三種不同的傳動方式。每一種都有其影響磨機和廠房的特征，但都采用一種低頻電源供電的低速同步電動機。由于高效率的半導(dǎo)體低頻電源的最新發(fā)展，因此無齒輪傳動還是新型的方式。

環(huán)式傳動的電動機環(huán)繞磨機筒體，電動機轉(zhuǎn)子直接裝在磨頭或筒體上，如圖3，因此，在所有傳動布置中它占地面積最小。由于電動機直徑大及結(jié)構(gòu)特殊，要求用分瓣式的定子和轉(zhuǎn)子，以便于運輸和安裝。

圖3 環(huán)式無齒輪傳動

懸臂式是將電動機轉(zhuǎn)子安裝在磨機傳動軸的懸臂端,如圖4，這種傳動布置省掉了電動機的一個外軸承。但需要一個較大的磨機軸承來支承電動機轉(zhuǎn)子的重量。

圖4 懸臂式無齒輪傳動

在電動機結(jié)構(gòu)中，直聯(lián)式是常用的。電動機安裝在標(biāo)準(zhǔn)的軸架底座上并直接聯(lián)到磨機的傳動軸，如圖5所示。

圖5 直聯(lián)式無齒輪傳動

3 傳動系統(tǒng)要求

適合于磨機的傳動系統(tǒng)主要特性見表1，電動機的功率和轉(zhuǎn)矩要求由磨機決定，見磨機的要求。[3]

3.1 鼠龍感應(yīng)電動機

這是最簡單的電動型式。由于它要求高起動轉(zhuǎn)矩而引起很大的起動電流——約9倍于直接傳動，過高的起動電流常常促使電壓下降，而使用電阻的轉(zhuǎn)子線圈來降低起動電流是不經(jīng)濟的，因為這樣就使得損耗增大和效率降低。

此外，運行功率因數(shù)的滯后應(yīng)予以注意。電源和配電設(shè)備將必須比電動機大得多，否則就要供給大量的無功功率。隨著無功的需要，電費也就增加了。

表1 磨機傳動的典型特性

注：S—起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；PI—牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；P0—牽出轉(zhuǎn)矩倍數(shù)；無齒輪同步機效率與功率因數(shù)包括電動機、循環(huán)換流器和變壓器。

3.2 同步電動機(帶齒輪)

由于其投資不高且能滿足大多數(shù)磨機和電網(wǎng)的要求，因而這種型式的使用是最普遍的。在起動時它比鼠籠感應(yīng)電動機具有較好的轉(zhuǎn)矩電流比。并且，重要的是它具有改善功率因數(shù)(直到超前功盡棄0.8)的能力。但是，對于大型磨機，同步電機不一定是最好的，因為它可能要求大于電網(wǎng)所能供給的起動電流。

典型的“速度—轉(zhuǎn)矩”曲線如圖6所示，同步電動機可以用單獨的電源和控制設(shè)備來進行電動調(diào)位。

圖6 同步電機傳動的速度—轉(zhuǎn)矩曲線

高轉(zhuǎn)矩同步電動機用于直接傳動，假定電動機的功率因數(shù)為0.8，通常起動電流為600～625%額定電流，對于6kV或更高電壓的電動機機為700%。

圖7 繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的速度—轉(zhuǎn)矩曲線

無論是用于高轉(zhuǎn)矩還是低轉(zhuǎn)矩，大部分用于磨機傳動的同步電動機額定功率因數(shù)都是0.8。這類電動機的投資只比功率因數(shù)為1的電動機高出20%，所以它對改善工廠功率因數(shù)最經(jīng)濟的方法。

起動時必須確定電網(wǎng)鐵壓降和它與凈起動轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。某一特定網(wǎng)絡(luò)所容許的起動容量可能太低，不能使電動機發(fā)出磨機所需要的足夠起動轉(zhuǎn)矩。如果電動機選擇較高的全壓轉(zhuǎn)矩時，它將吸收較高的起動功率，因而引起較大的壓降和較小的凈轉(zhuǎn)矩。

起動轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩都影響電動機的起動電源。凈轉(zhuǎn)矩與全電壓轉(zhuǎn)矩的關(guān)系往往被誤解而產(chǎn)生問題，所有電動機的性能都是以全電壓為基準(zhǔn)的，沒有考慮電網(wǎng)的壓降。假若將電動機連接到一無窮大電源，就能夠指定150%起動轉(zhuǎn)矩和120%的牽入轉(zhuǎn)矩，而使電動機機安全地起動。但是，實際上當(dāng)電動機起動時，電網(wǎng)的線路阻抗、變壓器阻抗和電纜阻抗都會引起很大的壓降，這一壓降以電壓的平方關(guān)系降低了電動機的全電壓轉(zhuǎn)矩，因此，實際產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是人們必須加以考慮的。這就是通稱的凈轉(zhuǎn)矩，它必須等于或大于磨機所要求的轉(zhuǎn)矩，凈轉(zhuǎn)矩是根據(jù)電動機和電網(wǎng)的參數(shù)來計算的。

與其選用通常的200%起動轉(zhuǎn)矩和140%牽入轉(zhuǎn)矩，不如選用225%起動轉(zhuǎn)矩和150%牽入轉(zhuǎn)矩，以保證磨機起動。但是，由于高轉(zhuǎn)矩電動機帶來大的起動電流和壓降，凈轉(zhuǎn)矩的增加將比全壓轉(zhuǎn)矩的增加少一半，而且，高轉(zhuǎn)矩電動機比較貴。考慮用裝設(shè)較大的變壓器或重新安排電網(wǎng)的辦法來增加電網(wǎng)的起動能力往往是實用的。

典型的直接傳動全壓電動機轉(zhuǎn)矩是：起動轉(zhuǎn)矩200%，牽入轉(zhuǎn)矩140%，牽出轉(zhuǎn)矩200%，在電動機為3 kV，功率因數(shù)為0.8或更小的情況下，典型的起動功率是625%，它隨著電動機速度變化而變化。

當(dāng)不容許高轉(zhuǎn)矩電動機的起動電流或必須盡量減少一次投資時，可以用低轉(zhuǎn)矩同步電動機(帶氣動離合器傳動)，其全電壓起動電流大體為高轉(zhuǎn)矩電動機的一半，低起動電流實際上消除了起動時的壓降問題，并且在必要時適合于降壓起動。

典型的全電壓電動機轉(zhuǎn)矩是：起動轉(zhuǎn)矩40%，牽入轉(zhuǎn)矩30%，牽出轉(zhuǎn)矩200%，功率因數(shù)為0.8或更小的情況下，典型的起動電流是325%，起動電流依電動機速度變化而變化。

電動機達到同步后，離合器接合是磨機加速中最關(guān)鍵的時刻，此時電動機必須有足夠的牽出轉(zhuǎn)矩。

3.3 繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機

這種電動機有一個圓柱形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的三相繞組引到三個滑環(huán)，以便和起動電阻相連接，它具有一個非常明顯的優(yōu)點，即起動電流低。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路的起動電阻就可以控制轉(zhuǎn)矩并限制起動電流使之不大于225%。

有兩種起動用轉(zhuǎn)子回路控制方法：步進電阻器或液體變阻器。液體變阻器可以無級加速如圖7。浸在液體中并由電動機帶動的電極連續(xù)地調(diào)整轉(zhuǎn)子電阻，因此產(chǎn)生平滑“速度—轉(zhuǎn)矩”和“速度—電流”特性。這種控制方法可以使磨機平穩(wěn)的起動并在一限定的電流下加速。

功率因數(shù)和效率隨速度的降低而迅速地減低，因此，在低于450 r/min下應(yīng)用繞線轉(zhuǎn)子電動機是不實用的。

繞線轉(zhuǎn)子電動機具有其固有的調(diào)位能力，只需在轉(zhuǎn)子電路中做少許變化即可，為了這個目的，這種控制方法可以設(shè)計成利用第一個或第二起動點。

3.4 無齒輪同步電動機

這種電動機在極低的轉(zhuǎn)速下運行，無需使用齒輪。但因電動機的額定轉(zhuǎn)速降低，其直徑必然增大，以裝設(shè)數(shù)量極多的磁極。在無齒輪磨機傳動所需的低速情況下，60 Hz的電機將要求許多極數(shù)和很大的直徑。因此，無齒輪傳動采用低頻電源—約5 Hz—以使電機有適當(dāng)?shù)某叽绾蜆O數(shù)。

無齒輪傳動的重要優(yōu)點在于取消了齒輪的運行和維護問題。電源頻率也可以從零開始調(diào)節(jié)，使電動機在極低的速度下投入同步。用低速起動時，起動電流可以限制到小于2倍額定電流。磨機的速度可以通過循環(huán)換流器控制以每赫茲恒定電壓在全速范圍內(nèi)方便而有效地進行調(diào)整。速度控制可以使磨機速度適應(yīng)磨機負載的變化特性。這是能夠改進磨機效率的一個特點?？梢栽试S電動機有較大的間隙，以容許轉(zhuǎn)子的熱膨脹。

傳動效率估計為92%，包括電動機、循環(huán)換流器和供電變壓器。當(dāng)用這個數(shù)值與普通的電動機——齒輪傳動相比較時，后者的齒輪和變壓器產(chǎn)效率應(yīng)包括在內(nèi)。

循環(huán)換流器的輸入端的平均滯后功率因數(shù)可為0.85～0.87。這個數(shù)值是以使用功率因數(shù)為1的電動機和循環(huán)換流器的方形或梯形輸出波為基礎(chǔ)的，這樣一種波形改善了循環(huán)換流器輸入端的功率因數(shù)，如果要改善功率因數(shù)，可以把電容器加到60 Hz電源系統(tǒng)。

由于循環(huán)換流器和特殊的電動機結(jié)構(gòu)，一次投資比較高，在14 MW以下很少使用無齒輪傳動，當(dāng)環(huán)式與一般的傳動方式相比較時，必須將電動機附加裝置的投資與一般傳動的齒輪投資相比較。

4 結(jié)論

當(dāng)要選擇一臺大型磨機的傳動系統(tǒng)時，許多實際問題需要加以解決，以求達到性能最佳和投資最低，但是無論磨機規(guī)格的大小和電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如何，適當(dāng)?shù)膫鲃酉到y(tǒng)是可以達到目的的。

[1] 周恩浦．礦山機械[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1979．

[2] 周偉康．大型磨機的傳動設(shè)計與裝置介紹[J].水泥，1997，(3).

[3] 鄭時剛．對傳動磨機用同步異步電動機電氣性能要求的討論[J].大電機技術(shù)，1981，(5).

Introduction of Selection of Large-scale Mill Transmission System

ZHANG Li-qiu

With large scale of mineral processing and cement industry, the size of mill which is used for one of material grinding equipments increases also, makes the selection of the transmission system more difficult, needs much more factors to consider. The selection of the transmission system, will influence service performance, maintenance performance, running cost and other key indicators.

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2015-08-20

張立秋(1981-)，男，吉林乾安人，工程師，大學(xué)本科，主要從事冶金礦山設(shè)備設(shè)計研發(fā)工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司冶礦設(shè)備事業(yè)部技術(shù)所所長。

TD453

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1003-8884(2015)06-0005-04