(河北乾順節(jié)能科技有限公司，河北邯鄲 314001)

0 引言

刮板輸送機(jī)在煤礦中采煤工作面使用要保持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)就能正常運(yùn)行。否則，整個(gè)采煤工作面就會(huì)出現(xiàn)停產(chǎn)。在使用中常有啟動(dòng)難、啟動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊較大，時(shí)有發(fā)生斷鏈、斷掛板的情況。針對(duì)刮板輸送機(jī)的使用工況結(jié)合永磁電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，進(jìn)行定制設(shè)計(jì)刮板機(jī)是驅(qū)動(dòng)單元。

1 刮板輸送機(jī)現(xiàn)況

現(xiàn)礦上使用的驅(qū)動(dòng)方式多為水冷異步電機(jī)+液力耦合器+齒輪箱的方式(以上稱為傳統(tǒng)系統(tǒng))。存在許多問(wèn)題。

刮板機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型多選擇大于額定功率的2倍，電機(jī)為雙速電機(jī)為低速啟動(dòng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為3倍。機(jī)頭和機(jī)尾雙驅(qū)動(dòng)也常出現(xiàn)功率不平衡的問(wèn)題。在現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)上存在故障有35%甚至更多為液力耦合器的問(wèn)題。

現(xiàn)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有刮板機(jī)的一些痛點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使其達(dá)到節(jié)能減排、故障減少、維護(hù)更少。

2 刮板輸送機(jī)專用半直驅(qū)隔爆型三相永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

以礦方合作進(jìn)行改造的一臺(tái)刮板機(jī)改造為例，具體設(shè)計(jì)如下。

2.1 刮板機(jī)參數(shù)

輸送量：600 t/h；輸送長(zhǎng)度：140m；刮板鏈速：1.02m/s；齒輪箱速比：1：31；輸入轉(zhuǎn)速： 48rpm。

根據(jù)提供的實(shí)際運(yùn)行工況，分別設(shè)計(jì)了兩套驅(qū)動(dòng)方案。

方案一：電機(jī)功率：110kW；轉(zhuǎn)速：48rpm、直驅(qū)系統(tǒng)。

本方案采用直驅(qū)形式，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩大，中心高<630(礦方對(duì)體積要求比較嚴(yán)格)，電機(jī)的鐵心長(zhǎng)度大，制作困難。及外形尺寸滿足不了礦方要求。

方案二：電機(jī)功率：110kW；轉(zhuǎn)速：300rpm、配合行星減速機(jī)。

本方案提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，配合行星減速器是輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求。并外形尺寸比現(xiàn)有的傳統(tǒng)系統(tǒng)的體積還小質(zhì)量更輕，自然冷卻。

評(píng)審后確定使用方案二。

2.2 傳統(tǒng)系統(tǒng)三相異步電機(jī)基本定額參數(shù)

三相異步電機(jī)型號(hào)：YBSDS 2-200/100-4/8

相數(shù)m：3；額定頻率f：50Hz；額定功率P：100/200kW；額定電壓Un：1140V；額定電流In：43.04A；極數(shù)：4/8；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tmax：3；冷卻方式：IC46W；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst：3。

2.3 刮板輸送機(jī)專用半直驅(qū)隔爆型三相永磁同步電動(dòng)機(jī)定額參數(shù)

額定功率P：110 kW;額定電壓Un：1140V；極數(shù)：40；最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tmax：4；冷卻方式：IC41；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst：3。

2.4 齒輪箱設(shè)計(jì)

通過(guò)與齒輪箱廠家合作開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一級(jí)行星齒輪箱速比為1：6。輸出轉(zhuǎn)速48rpm、轉(zhuǎn)矩滿足42kn.m 外形見(jiàn)圖1。

圖1 外形圖

2.5 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

電機(jī)的整機(jī)參數(shù)包括電磁及結(jié)構(gòu)參數(shù)，來(lái)源于Matlab計(jì)算單。

下為擇取的一些參數(shù)：功率P=110.00kW；額定相電壓U=620.00V；額定電流I=63.080； 頻率f=100.0Hz；相數(shù)m=3；極對(duì)數(shù)p=20；運(yùn)行溫度tempt=75℃；定子外徑D=770.0mm；鐵心長(zhǎng)度La=300.0mm;氣隙長(zhǎng)度g=2.00mm；額定轉(zhuǎn)速nN=300.00r/min;效率=0.953;功率因數(shù)=0.974;最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tmax=3.403;熱負(fù)荷A1J1=704.00A2(cm*mm2)。

2.5.1 利用Ansoft有限元分析軟件對(duì)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(110kW-40極)進(jìn)行空載穩(wěn)態(tài)及負(fù)載過(guò)程分析，以驗(yàn)證其性能，分析結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3、圖4、圖5、圖6。

圖2 磁力線分布

圖3 磁力線分布

圖4 空載反電勢(shì)

圖5 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

圖6 最大轉(zhuǎn)矩

結(jié)果說(shuō)明及分析結(jié)論

(1)由圖2、圖3知，電機(jī)磁力線分布合理，磁密分布合理，磁路飽和度合適。

(2)由圖4知，電機(jī)的空載反電勢(shì)波形接近正弦波，正弦率較高，且反電勢(shì)有效值與Matlab計(jì)算值基本相等。由于定子槽為開(kāi)口槽，不可避免地存在諧波，但諧波含量也較少。

(3)由圖5知，電機(jī)帶額定轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)能夠快速起動(dòng)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后能穩(wěn)定維持轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩不變。

(4)由圖6知，電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。

綜上，電機(jī)電磁方案合理，按此設(shè)計(jì)電機(jī)能夠正常起動(dòng)及負(fù)載大幅度變化時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)與煤礦使用現(xiàn)況把驅(qū)動(dòng)單元體積最小化，借用汽車輪轂的形式，把齒輪箱安裝到永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝齒輪箱的高速輸入軸上，齒輪箱作為電機(jī)軸支持轉(zhuǎn)子(見(jiàn)圖7)。最大限度的減少刮板輸送機(jī)永磁電機(jī)體積。

圖7 齒輪箱作為電機(jī)軸支持轉(zhuǎn)子

3 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 空載試驗(yàn)

空載相反電動(dòng)勢(shì)615V，空載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 空載試驗(yàn)結(jié)果

3.2 負(fù)載試驗(yàn)

負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果

3.3 溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溫升試驗(yàn)結(jié)果

4 改造后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比

4.1 質(zhì)量對(duì)比

傳統(tǒng)系統(tǒng)=雙速異步電機(jī)(1824kg)+液力耦合器(532 kg)+齒輪箱(1684 kg)

半直驅(qū)永磁電機(jī)(1230kg)

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比半直驅(qū)多重(4040-1230=2810kg)

刮板輸送機(jī)在工作面的移動(dòng)及安裝有著明顯的提升。

4.2 外形及安裝方式對(duì)比

圖8 傳統(tǒng)系統(tǒng)

圖9 半直驅(qū)系統(tǒng)

對(duì)比圖8與圖9就可以看出半直驅(qū)的尺寸要小的多，對(duì)礦井下的空間要求更小。

4.3 冷卻方式

傳統(tǒng)系統(tǒng)為(IC46W)強(qiáng)制水冷，半直驅(qū)系統(tǒng)為(IC41)自然冷卻。

設(shè)備的使用現(xiàn)場(chǎng)不在需要為電機(jī)提供冷卻水，因?yàn)槔鋮s水的省去，設(shè)備的故障率降低、對(duì)環(huán)境更友好、冷卻設(shè)備及配件的投入減少。

4.4 啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩對(duì)比

啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩對(duì)比

因?yàn)閱?dòng)電流的減小，對(duì)輸入電纜的要求也由原2×95mm2降低為95mm2。對(duì)上一級(jí)的變壓器的沖擊和對(duì)其他的設(shè)備的因電流沖擊的影響全部去除。

4.5 節(jié)能對(duì)比

對(duì)設(shè)備安裝完成后，作了一個(gè)節(jié)能對(duì)比，節(jié)能對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 節(jié)能對(duì)比

假定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載率 1、0.75、0.5、0.3運(yùn)行的時(shí)間，所占總運(yùn)行時(shí)間的比例分別為30%、40%、20%、10%。運(yùn)行時(shí)間全年按330天，每天運(yùn)行16個(gè)小時(shí)，見(jiàn)表6。

表6 進(jìn)行對(duì)比

每年還可以節(jié)約耦合器、及聯(lián)軸器的更換維修保養(yǎng)成本。

根據(jù)保守計(jì)算所得，半直驅(qū)永磁電動(dòng)及系統(tǒng)比異步電機(jī)系統(tǒng)每年節(jié)約大概 20度/年。按照1元/度計(jì)算，每年可以節(jié)約大概 20 萬(wàn)元(因異步電機(jī)功率因數(shù)與永磁電機(jī)差別太多，節(jié)能計(jì)算未考慮無(wú)功損耗，)

4.6 效率及功率因數(shù)對(duì)比

效率及功率因數(shù)對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 效率及功率因數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)了刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元為半直驅(qū)三相永磁電動(dòng)機(jī)后，去除了液力耦合器的故障，簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，提高了系統(tǒng)效率，刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊全部去除。變頻器的加入讓功率平衡提高到<3%。同時(shí)系統(tǒng)效率提高25%，在寬負(fù)債率范圍內(nèi)節(jié)能效果更明顯。符合節(jié)能減排國(guó)家政策。對(duì)礦用刮板輸送機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更新升級(jí)有示范作用。