趙 鑫

（西山煤電（集團）有限責任公司職業(yè)病防治所， 山西 太原 030053）

引言

永磁耦合器因具有無機械連接、維修簡便、經(jīng)濟投入少、運行壽命長、傳動效率高和環(huán)境適應(yīng)力強等優(yōu)點在煤礦井下被廣泛地應(yīng)用。用于煤礦生產(chǎn)設(shè)備的永磁耦合器要具有可容許的對中誤差上限大、不產(chǎn)生諧波和不會因電壓波動而性能出現(xiàn)變化的特點，同時可用于速度控制、軟啟動和過載保護等[1-2]。刮板輸送機是煤礦生產(chǎn)中重要的運輸設(shè)備，常常會因為超載運行或堵轉(zhuǎn)等導致電機過熱而出現(xiàn)故障，嚴重制約了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率[3]。引入永磁耦合器可以解決刮板輸送機電機過熱的問題。本文以某礦井下使用的SGB620-40TT型雙邊聯(lián)式刮板輸送機為例，設(shè)計與之配套的礦用永磁耦合器。

1 礦用永磁耦合器的設(shè)計要求

滿足煤礦安全規(guī)程和相關(guān)標準的規(guī)定是進行礦用永磁耦合器設(shè)計的首要準則。對礦用耦合器進行設(shè)計時需考慮到功率傳遞介質(zhì)的選用、零件材質(zhì)的選擇和主要結(jié)構(gòu)等，并且設(shè)計出的耦合器能與電動機和減速機可靠連接。耦合器的設(shè)計要求包括機械和電氣兩個方面的內(nèi)容，具體內(nèi)容如下：

1）原動力、傳遞的功率和負載三者必須相互匹配。

2）要求本質(zhì)安全。永磁耦合器使用中不需要電源，但其核心部件是永磁鐵，由于其粉末屬于可燃物，因此設(shè)計時應(yīng)考慮防爆。

3）設(shè)有過熱保護。當耦合器因為刮板輸送機堵轉(zhuǎn)時其溫度會升高，溫度過高永磁鐵就會失去磁性。因此設(shè)置過熱保護裝置，當其表面溫度達到100℃時立即切斷電源，避免耦合器失效。

4）所有傳遞機械荷載的部件尤其是傳動軸必須具有足夠的機械強度。

5）設(shè)有防護裝置。

2 耦合器的選型

按磁力驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)形式可將永磁耦合器分為圓筒式和圓盤式兩種。圓筒式磁力驅(qū)動器的整體為套筒式結(jié)構(gòu)，采用圓環(huán)形導磁體將瓦形永磁體包裹，利用隔離套將主動、從動轉(zhuǎn)子隔離開。圓盤式磁力驅(qū)動器的整體為盤式構(gòu)架，采用的導體也是盤狀且與永磁體對齊。采用的永磁體由于是軸向充磁，因此其磁極也為軸向[4]。采用此種設(shè)計有利于在不同介質(zhì)之間傳遞動力，保證兩平面轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中能產(chǎn)生足夠的軸向磁拉力。由于圓盤式渦流磁力耦合器具有價格合理、安裝簡便、檢修便捷和可提供的轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點，因此目前生產(chǎn)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的廠家一般采用的是圓盤式渦流磁力耦合器。圓盤式渦流磁力耦合器的兩個轉(zhuǎn)子之間存在空氣間隙，因而未直接接觸。電機輸入端帶銅盤的鋼架與負載輸入端帶永磁體的鋁盤分布在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)。在驅(qū)動電機的帶動下，銅盤就會轉(zhuǎn)動切割永磁體產(chǎn)生的磁感線出現(xiàn)磁感應(yīng)力，完成電機與負載之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。因此，圓盤式渦流磁力耦合器具有如下特點：對中精度要求低，可以出現(xiàn)少許的軸向或徑向的偏離；傳動部件未直接接觸，避免振動的產(chǎn)生；電機可以進行軟啟動與軟停止，有效避免電機出現(xiàn)過載。

3 永磁耦合器的設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)矩的選定

SGB620-40TT型雙邊聯(lián)式刮板輸送機配備的電動機型號為YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動機。如下頁表1所示，為YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動機的性能表。堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩Ts=K1·Te=2.5×250=625 N·m。

刮板輸送機運輸系統(tǒng)主要包括電動機、刮板輸送機和永磁耦合器三部分。要求三者在轉(zhuǎn)矩方面的關(guān)系為：刮板輸送機帶載啟動時的負載轉(zhuǎn)矩＜永磁耦合器的輸出轉(zhuǎn)矩＜電動機輸出的轉(zhuǎn)矩?？紤]在實際使用中會有其他因素的影響，因此需留一定的余量，取永磁耦合器的最小轉(zhuǎn)矩為電機負載轉(zhuǎn)矩（此處取額定轉(zhuǎn)矩）的1.2倍，則永磁耦合器的最小轉(zhuǎn)矩Tc，min=1.2×250=300 N·m。

表1 YBS-404（380/660）隔爆型三相異步電動機性能表

當刮板輸送機出現(xiàn)卡煤事故或過載時，電機可能會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為保護電機，因此永磁耦合可提供的最大輸出轉(zhuǎn)矩必須低于電動機的最大轉(zhuǎn)矩，取永磁耦合器的最大轉(zhuǎn)矩為電機負載轉(zhuǎn)矩（此處取最大轉(zhuǎn)矩）的0.8倍，則永磁耦合器的最大轉(zhuǎn)矩Tc，max=0.8×575=460 N·m。

因此，永磁耦合器可提供的轉(zhuǎn)矩為300～460N·m。

3.2 永磁體的選取

考慮到煤礦井下的實際工作環(huán)境，要求永磁耦合器采用的永磁材料必須具有高剩磁、大矯頑力和最大磁能積高等優(yōu)點。常用的永磁材料有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷、釹鐵硼。其中釹鐵硼材料的永磁體適用于溫差較大的井下環(huán)境。如表2所示，為采用的N45SH型釹鐵硼永磁體的相關(guān)性能。

表2 N45SH型釹鐵硼永磁體的相關(guān)性能表

3.3 永磁耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

永磁耦合器主要部件包括銅盤、前后端蓋、永磁體和永磁體盤（鋁盤）等。如表3所示，為綜合考慮永磁耦合器與電動機、刮板輸送機匹配和相關(guān)規(guī)定設(shè)計而成的永磁耦合器主要部件的尺寸及材質(zhì)。

表3 永磁耦合器主要部件的尺寸及材質(zhì)

4 過載保護設(shè)計

為保證刮板輸送機因煤塊等卡住時電機不會因為過載而損壞，因此將永磁耦合器的最大輸出轉(zhuǎn)矩適當縮小，以低于電動機的過載允許值。同時調(diào)整永磁耦合器的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，使其略大于電動機的額定轉(zhuǎn)矩，保證刮板輸送機在堵轉(zhuǎn)時也能在特性曲線的穩(wěn)定區(qū)間運轉(zhuǎn)，避免輸出功率大于允許值。

如果過載或堵轉(zhuǎn)不能及時處理，永磁耦合器的溫度會持續(xù)上升。為避免永磁耦合器故障，在電動機與減速器之間的聯(lián)結(jié)罩上設(shè)置一個礦用紅外溫度傳感器，并且溫度傳感器與刮板輸送機的開關(guān)通過PLC控制模塊連接。依靠溫度傳感器監(jiān)控永磁耦合器的溫度，當永磁耦合器表面的溫度達到100℃時，PLC就會切斷刮板輸送機的電源，電動機就會停止運轉(zhuǎn)而避免電動機過載和永磁耦合器過熱。

5 傳動軸的強度校核

在實際使用中，永磁耦合器的軸只傳遞扭矩而不承受彎矩，因此其屬于傳動軸。實心軸的扭轉(zhuǎn)強度必須滿足以下公式：

式中：σw為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T為傳動軸承受的扭矩，N·mm；Kt為傳動軸抗扭截面系數(shù)，mm3；P為傳動軸傳遞的功率，取40 kW；n為轉(zhuǎn)速，取1500 r/min；d為傳動軸的直徑，取55mm；[σw]為傳動軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取30 MPa。經(jīng)過計算，在刮板輸送機工作時永磁耦合器傳動軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力σw=7.81 MPa＜30 MPa。因此，設(shè)計永磁耦合器的傳動軸符合使用要求。

6 結(jié)語

將設(shè)計的永磁耦合器投入生產(chǎn)使用，在半年的工業(yè)試驗期間，未出現(xiàn)刮板輸送機因過載或堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)電機故障。因此，對刮板輸送機加裝永磁耦合器可以有效提高管板輸送機的可靠性，為煤礦的持續(xù)高效生產(chǎn)提供保障，且為其他礦用設(shè)備的永磁耦合器的設(shè)計提供了參考。