同发矿井8101首采工作面胶带输送机驱动方式的优化设计

【摘 要】文章介绍了几种软起动方式的工作原理和主要功能以及在运输机械中的适用性，通过比较和优化设计方案，最终确定首采工作面胶带输送机的驱动方式。

【关键词】胶带输送机；驱动方式；软起动；调速型液力偶合器

1、前言

同发东周窑矿井8101首采工作面原煤由工作面顺槽胶带输送机通过过渡刮板输送机直接运输到主斜井带式输送机上。顺槽胶带输送机的启动方式急需确定。

因顺槽胶带输送机运量大、功率大、运距长并且多机驱动，多电机同时启动，电机的直接启动，启动电流过大，对电网冲击增大，压降增加，造成启动困难。同时，输送机启动加速过快，使输送机松边拉紧装置反应速度滞后，输送带下垂度加大，使储带仓多层输送带间相互碰撞、摩擦，导致输送带磨损快，寿命短，传动不平衡。决定应用软启动技术。

2、优化方案

目前，胶带输送机软启动装置有调速型液力偶合器、CST（Controlled　Star　Transmission）系统可控传动技术、变频调速装置等等。

方案Ⅰ　选择调速型液力偶合器的软起动器，其起动角加速度可按下式计算：

ε=I（M-Me）/J

式中ε————输送机的起动角加速度

I————充油量

M————偶合器的输入力矩

Me———　输送机的总阻力矩

J————输送机的总转动惯量

由调速型偶合器的外特征曲线（如图）及带式输送机的起动角加速度公式可以看出，通过调节偶合器工作腔的充液量的大小可调节偶合器的输出力矩。对特定的带式输送机而言，其负载一定，J和Me均为定值，通过控制I而改变M，从而调节ε。工作腔内充液量的大小是通过改变导杆在工作腔内的位置来实现。带式输送机起动前，将导杆调到工作腔的最外侧，保证输送机空载起动，降低了起动电流的持续时间，减少了对电网的冲击，空载起动后，通过电控装置控制偶合器的司服机构，调节调节导杆在偶合器工作腔内的位置，改变充油量I，改变输出力矩M，不断调整起动角加速度ε，即改变调速型偶合器的外特征曲线（如图），使电机和调速型偶合器的共同作用特性曲线变软，逐渐增加电机的载荷，自动调节电机的负荷分配，使之趋于平衡，最后将工作腔充满，负载达到额定速度运行，达到带式输送机的负载软起动要求。

方案Ⅱ　选择CST软起动系统，CST是一个带有电-液反馈控制及齿轮减速器，在低速轴端装有线性、湿性离合器的机电一体化的高技术驱动系统。

CST由机械传动系统、电-液控制系统、风冷却交换器、油泵组件及冷却控制器系统等部分组成。如图所示。

CST软起动的控制原理：电-液控制系统是CST系统的的“大脑”，它对整个硬件系统提供完整的控制。主要包括电控器、液压控制器、数字测速器等；通过固态数字逻辑电路提供准确的加速度控制，整个工作过程通过计算机工作站编程控制及屏幕显示。

选择CST软起动系统，用户可根据实际需要，通过控制器设置所需要的加速度曲线和起动时间。在收到起动信号后，电机空载起动，达到额定速度后，液压系统开始增加离合器反应系统的压力。当反应盘相互作用时，其输出扭距与液压系统的压力成正比。设在输出轴上的速度传感器检测出转速并反馈给控制系统，该速度信号与控制系统设置的加速度曲线比较，其差值将用于调整反应盘的压力，从而确保稳定的加速度曲线的斜率。其只在起动和制动时可控。

方案Ⅲ　选择变频调速软启动方式，其原理是通过改变电机频率来进行调速，控制输送机软启动、软停车，降低直流起动和快速停车过程对机械和电器系统的冲击。就带式输送机而言，有效抑制带式输送机动态张力波可能对胶带和机械设备造成影响，延长带式输送机的使用寿命；根据负载自动调整带速和张力，实现各驱动之间的功率平衡，使功率最省，节电效果显著。可长时间稳定地在低于额定速度下运行，从而满足长距离带式输送机的低速验带要求。但我国高电压、大功率变频器质量目前尚未过关，需采用进口产品，因而价格较高，且对环境的温度非常敏感，大多需要空调系统，因而多数使用在地面大型胶带输送机中。

3、方案比较

采用调速型液力偶合器软起动器，最大优点是：无磨损的动力传输；平稳地建立起动扭矩，启动时间可以控制在几分钟；充液阀和排液阀可以控制输送机的加速；在设备堵转时，可提供过载保护；减缓扭振和冲击载荷；电机无负载启动，大大降低了电机启动电流对电网的冲击；多级驱动时，各电机的顺序启动可保护电网；拥有防爆的设计结构及冷却、控制系统；由于滑差较小，系统在额定运行时效率很高；可提供可调验带速度，控制简便，使用成本低，维修方便，特性可靠。

采用CST软起动系统，能够保证在紧迫停车或者突然断电的时候，可实现可控停车；在传动不变阶段与液力偶合器不同，其反应盘像液压抑动器一样安全锁住，不会孕育发生滑差。但CST软起动系统缺点是：CST调速系统与降低速度器一体，体积大，安装不方便；在高速轴配备布置逆止器和制动器较困难，控制系统复杂，维护量较大，从而在井下安装需要开凿较大断面的硐室，无形增加了掘进工程及支护工作量。另外，CST软起动系统油液要求非常严格，一般为MobiL424专用油液，且CST软起动系统的运营费用高、价格较贵。同时，在使用过程中常出现CST节制箱的按键失效、CST系统的油压力上不来、CST的复位按键不生效、CST的冷却压力上不来、CST的输出轴速度不预示和CST高温等故障。再就是煤矿井下的煤尘比较多，在呼吸器和篮网过淋器等部位，煤尘杂质容易进入，影响了压力油的性能和各过淋器、阀件的使用寿命。

采用变频调速软启动器，其结构种类较多，目前国内大多使用交—直—交变频器。其特点是：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，调速范围大，特性硬，精度高；但技术复杂，造价较高，维护检修较困难。

4、最佳方案

CST软起动系统是专为煤矿高速带速、大运量、长运距的带式输送机而设计的，它集机械、电气、液压、微电子于一体，是煤矿用户的理想选择，但维护量较大，资金投入较大。

变频软启动，可将输送机起停时孕育发生的冲击减至最小，几乎对皮带不造成损害；可实现多机电驱动时的功率平衡；可实现重载起动，但当前胶带输送机电机额定电压为10KV，采用变频软起动需要增加防爆变频器等设备，其前期的巨大投入让许多用户无法承受。

调速型液力偶和器不仅实现了带式输送机的软起动，而且实现了输送机的功率平衡、低速沿带、电机无负载启动，大大降低了电机启动电流对电网的冲击；多级驱动时，各电机的顺序启动可保护电网。同时，调速型液力偶和器也是目前性价比极高的软启动方式。

通过比较，8101首采工作面胶带输送机驱动方式，最终优化方案为：选择调速型液力偶合器的软起动设备。该工作面顺槽胶带输送机型号为DSJ140/350/3×500，其配套参数为：电机功率3×500KW，供电电压10KV，胶带机运量3500t/h，运距为2054m，采用橡胶阻燃抗静电整芯输送带，带速4.5m/s，带宽1400mm，带强ST2000N/mm。启动方式为调速型液力偶合器＋硬齿面减速机，调速型液力偶合器型号为650TPKL，减速机型号为SEW B3SH14+1FAN。

5、结语

针对同发公司矿井8101首采面顺槽胶带输送机服务时间仅为6个月的特点，因地制宜，选择调速型液力偶合器软启动方式，合理、经济；其次从安装和维护角度考虑：由于同发矿井首采面开采成建综采队员工技能素质参差不齐、水平有限，选择调速型液力偶合器软启动，现场易维护，检修、操作方便；再就是，降低成本，节约了首采面稳装投资费用。

总之，软启动技术是改善胶带输送机启动条件的主要手段，而调速型液力偶合器是理想的启动设备。采用调速型液力偶和器不仅实现了带式输送机的软起动，而且实现了输送机的功率平衡、低速沿带、电机无负载启动，大大降低了电机启动电流对电网的冲击；多级驱动时，各电机的顺序启动可保护电网。同时，调速型液力偶和器也是目前性价比极高的软启动方式。前期投入相对较低，维护方便，使用性能安全可靠，有可观的经济和社会效益，具有推广价值。