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带式输送机软启动装置的技术经济分析
发布时间：2013-06-29 12:23 来源：未知
0、前言
由于带式输送机具有运行可靠、效率高、易于实现自动化等优点，目前已成为我国煤矿井下的主要运输设备。带式输送机在煤矿井下运煤系统中所占比重越来越大，许多煤矿已实现了“运煤皮带化”。据有关统计资料介绍，从1986年至1997年的12年中，煤炭部属带式输送机制造厂新生产的带式输送机就有5711台，折合输送长度为266万米。如果算上其它都与矿务局机修厂生产的，那煤矿新投入使用的带式输送机的数量，还要大得多。如此大量的带式输送机在煤矿中使用，除了要求技术先进、性能优良外，还必须要求其经济合理性，只有这样，才能为国家产生较大的经济效益。进入九十年代后，我国加速推进了煤矿生产集中化，出现了一批高产高效矿井，并有逐年增长的趋势。93年建成12个高产高效矿井，94年建成21个，95年建成56个，96年建成70个。高产高效矿井的运煤系统全是带式输送机输送，而且大多数为大型带式输送机。这表明近年来我国煤矿用带式输送机正在向长运踞、高带速、大运量、大功率方向发展。启动问题是带式输送机，尤其是大型带式输送机的关键技术，此关键技术不仅关系到输送机的启动性能，而且还直接影响输送机的经济效益。因此在带式输送机设计中，必须考虑与解决启动问题。目前国内外都是采用软启动技术来解决带式输送机的启动问题。
1、采用软启动的必要性
带式输送机软启动就是在设定的启动时间内，通过控制输送带启动加速度值，来确保输送机按所要求的速度曲线（见图一）平稳启动，并达到额定运行速度；同时使电动机的启动电流与输送带的启动动张力控制在允许范围内。
一个好的带式输送机设计，不仅要达到技术先进，而且还要有良好的经济性——降低费用（制造成本、日常维护费用）和提高产量。在设计中，首先碰到的是各主参数之间的匹配，要求经济合理。从图二可知，在运输量相同条件下，当输送距离大于1公里的带式输送机的制造成本，以带宽窄与带速高相匹配较为经济合理，可以降低制造成本。从图中的A、B两点可知，单位长度的制造成本分别为200美元／米与400美元／米，相差约一倍。其次在相同的输送距离内，应力求增大输送机单机长度。这样可以减少转载环节，也就是可以省去转载点的维护人员与避免转载点的事故发生（即提高开机率），降低了日常维护费用与提高产量。另外，输送机越长，输送带在单位时间内往返循环次数越少，输送带及其接头损坏程度也随之降低，延长了输送带与接头的使用寿命。输送带费用一般要占到整机费用的40%左右，可见加大输送机单机长度，其经济效益是相当显著的。虽然高带速、长运距可以获得较大的经济效益，但使启动时的二个技术难题更为突出：(1)启动困难；(2)启动时瞬时冲击。对于带式输送机，尤其是大型带式输送机，如果不采用软启动，而是直接启动（即硬启动），将会给带式输送机造成相当大的危害：①输送带打滑，不能启动，更不能满载启动；②加大输送带启动时的动张力，造成对元部件的瞬时冲击：③加大电动机的启动电流，造成外界电源电压的下降。这些危害将直接造成输送机的停车事故，降低开机率。煤矿用带式输送机，由于井下工况的特殊要求，经常需要满载启动，再加上大型带式输送机在煤矿使用量越来越多。因而，在带式输送机，尤其在大型带式输送机设计中，必须要考虑与解决启动的关键技术。在带式输送机上采用软启动，就可消除硬启动所产生的危害，并具有以下优点：
(1)确保启动平稳性，实现满载启动：
(2)减少启动时输送带动张力，可以降低输送带安全系数与对元部件的机械强度要求：
(3)减少对外界电源的电流与电压的冲击；
(4)降低带式输送机制造成本与日常维护费用。
由此可见，软启动技术不仅可提高带式输送机的启动性能，而且还为用户带来明显的经济效益，已成为带式输送机是否达到技术先进的标志之一。
2、技术经济比较
带式输送机的软启动是通过软启动装置来实现的，所以选择何种软启动装置是至关重要的．应从以下三个方面来考虑与选择软启动装置：(1)必须满足带式输送机软启动要求；(2)价格要经济合理；(3)使用维护要简便，工人易于掌握，
根据带式输送机在煤矿井下的使用工况，带式输送机对软启动装置有以下的技术要求：
(1)启动时间随带式输送机主参数可以任意调节，使输送机按照图一所示的速度曲线平稳启动，并能实现满载启动；
(2)确保输送带启动加速度值≤0.3m/s2，使输送带启动动张力控制在允许范围内；
(3)在多机驱动时，还应具有功率平衡的功能：
(4)电动机应能空载启动，在多机驱动时，还应具有能使电动机错开启动时间的功能；
(5)具有过载保护功能；
(6)启动时，必须降低对外界电源的电流与电压的冲击，并尽量避免对外界电源产生污染：
(7)在输送机短时停车时，还应具有可以不停电动机的功能：
(8)操作维护要简便，工人易于掌握。
带式输送机软启动装置有好多种，目前国内外带式输送机较常用的软启动装置有三种：(1)差动轮系液粘调速装置(CST)；(2)变频调速装置；(3)液力调速装置。
2.1_差动轮系液粘调速装置
差动轮系液粘调速装置，由行星齿轮减速器与可控液粘离合器组成，见图三。其工作原理：通过调节离合器中的油压、利用摩擦片间所形成的油膜的动力粘性来传递动力，并控制减速器输出轴的转速，达到输送机的软启动。电动机转速通过行星齿轮减速器的输入轴、中间齿轮，传递给太阳轮，太阳轮使三个行星轮旋转。与离合器中的动摩擦片相连接的内齿圈是浮动的，可作自由转动。当离合器中无油压时，行星轮使自由浮动的内齿圈转动，从而使行星轮托架不转动，减速器输出轴就静止不转。当对离合器逐渐施加油压时，两摩擦片间油膜所产生的粘性剪切力矩，使内齿圈转速逐渐下降，直至停止转动。此时行星轮托架就逐渐加大转速，直至达到额定转速。通过控制离合器中的油压与油压施加时间，就可使输送机按照设定的速度曲线平稳启动。该装置优点是启动时调速精度高，可以变速运行。缺点是产品依赖进口，价格昂贵；使用维护要求高，对油的粘度与清洁度要求特高；使用过程中的备品备件必须进口，事故处理也依赖外国公司。
2.2变频调速装置
变频调速装置主要由功率器件- IGBT绝缘栅极可控晶体管、控制器与电抗器组成。其工作原理：通过控制器来调节功率器件中的绝缘栅极，使进入功率器件的交流电源的频率发生变化。根据公式一所示（n为电动机转速、f为交流电源频率、P为电动机极对数），电动机转速与交流电源频率成正比关系。当交流电源的频率由小到大变化时，电动机转速也随之由小到大变化。只要控制频率变化范围以及频率变化的时间，就可使输送机按照设定的速度曲线平稳启动，达到输送机的软启动。该装置优点是启动时调速精度高，可以变速运行，调速范围大。缺点是电动机不能空载启动；防爆产品依赖进口、价格昂贵：控制复杂、使用维护要求高，对环境温度与清洁度要求高；使用过程中的备品备件必须进口，事故处理也依赖外国公司。虽然电抗器可以减少对外界电源的污染，但频率改变，还是对电源有一定程度的污染。如果是在井下使用，功率器件的发热问题也是必须要解决的一个技术难关。
2.3液力调速装置
液力调速装置主要由液力偶合器、电动执行器、稀油润滑装置与油箱等组成，见图四。其工作原理：是利用传动介质来传递动力，通过调节偶合器工作腔内充液量的多少，来控制偶合器输出轴的转速，达到输送机的软启动。先由电动机带动偶合器的泵轮空运转，然后向偶合器工作腔中注入传动介质液。当导流管处于最里边位置时，进入工作腔中的传动介质液全部由导流管流回油箱，此时涡轮与输出轴不转动。当电动执行器带动导流管缓慢向外移动时，进入导流管流回油箱的传动介质液逐渐减少，而进入工作腔中的传动介质液逐渐增多。在高速旋转的泵轮叶片带动下，传动介质液形成高压高速液流，冲向涡轮叶片，使涡轮与输出轴逐转转动起来。随着工作腔内传动介质液的不断增多，涡轮与输出轴的转速也就逐渐增加，直至达到额定转速。只要控制导流管向外移动速度，就可使输送机按照设定速度曲线平稳启动。该装置优点：启动时调速精度较高，也可变速运行，运行可靠，结构简单．操作维护方便，价格低廉，国内有成熟产品可供货。缺点：调速范围小，在低速运行时效率低。
除了上述三种软启动装置外，最近国内煤矿还出现一种电的软启动装置。从原理上来分析，实际上是一种降压启动。过去曾在带式输送机上使用过，后因这种启动方式由于存在下列缺陷，目前已较少使用。(1)由于降压启动，在低转速时，电动机输出转矩不大，满载时有可能启动不起来。(2)降压后会产生谐波，对外界电源有相当大的污染。(3)在多电机启动时，电动机不能顺序错开启动，只能是几台同时启动，原因是最先启动的这台电动机由于转矩小而发生堵转现象。(4)在启动过程中，高爆高压开关经常会跳闸。(5)没有功率平衡的功能，也不能空载启动。目前这种电的软启动装置虽然比降压启动有了一些改进，但上述缺陷还是解决不了。因此这种启动装置一般用于转载机或小型带式输送机上，而且只能是单电机驱动。
上述三种软启动装置各有优缺点，但都能满足带式输送机的软启动要求。对于运送一般物料的带式输送机来说只有软启动的要求，而无变速运行的要求。带式输送机在常用机械设备中属于不太精密的设备，对启动时的调速精度和运行要求都不是很高，即使启动加速度值有些波动，也不太会影响带式输送机的软启动性能。．但这三种软启动装置的价格相差悬殊，差动轮系液粘调速装置价格最高，其次是防爆变频调速装置，最低的为液力调速装置。液力调速装置与前二种相比价格至少相差8～10倍以上。从日常维护费用来看，液力调速装置也是最低的，因为前二种调速装置的备品备件是进口的。
通过上述对三种软启动装置的技术经济分析比较，可以看出，液力调速装置运行可靠，操作维护简使，价格低廉，又能全部满足带式输送机软启动要求，产品国内可以解决。因而选择液力调速装置作为带式输送机的软启动装置不仅是技术可行，而且也经济合理。调速精度太高的软启动装置对带式输送机来说，技术上没有必要，经济上也是一种浪费。需要经常变速运行或对启动加速度精度有特殊精度要求的设备，如船舶航行、门式起重机行走以及电梯运行等，采用差动轮系液粘调速装置与变频调速装置是合适的，才能最大限度地发挥这二种装置的优势。德国专家把这二种调速装置与液力调速装置形象地比喻为本茨车与大众车，大人上班用本茨车，学生上学用大众车就够了．在我国目前煤矿的管理水平、技术水平、资金状况以及人员素质都较低的情况下，采用差动轮系液粘调速装置与变频调速装置是有相当大的困难，而采用液力调速装置作为带式输送机的软启动装置是合适的，也是符合我国国情的，
煤科总院上海分院是我国首家将液力调速装置用作带式输送机的软启动，已是一个成熟的技术与产品。上海分院研制成功的液力调速装置荣获煤炭部科技进步一等奖、国家“七五”重大科研成果奖。目前国内煤矿用带式输送机软启动装置绝大多数为液力调速装置，光是上海分院制造的液力调速装置就有100多套。差动轮系液粘调速装置引进之后，真正在国内煤矿带式输送机上实际使用的仅为几套。变频调速装置在国内煤矿带式输送机上使用，仅为一套是引进的，而且是非防爆的，后因控制复杂、工人不易掌握等原因，对控制部分进行了改造。这二种软启动装置为什么在国内不能普遍使用，主要原因是价格太贵，操作维护复杂，工人不易掌握，备品备件依赖进口。
国外带式输送机的软启动大多数也是采用液力调速装置。即使在美国，在带式输送机上使用差动轮系液粘调速装置也是少数。97年儿月上海分院与西山矿务局联合组团赴澳大利亚技术考察，在所考察的六个煤矿的八条大型带式输送机的软启功，全部是采用液力调速装置，其中GTEGORY煤矿带式输送机长度为10km。澳大利亚PROK公司为马来西亚设计的6.5km、SEDGMAN公司为印度尼西亚设计的37km超特大型带式输送机软启动也是采用液力调速装置。国外带式输送机大多采用液力调速装置为软启动装置，主要原因是液力调速装置足以满足带式输送机软启动要求，而且价格低廉，运行可靠，操作维护简便。
3、结论
3.1启动是带式输送机的关键技术，软启动已成为带式输送机是否达到技术先进的标志之一，在带式输送机尤其是大型带式输送机设计时，必须配置软启动装置．
3.2选择软启动装置的准则：(1)必须满足带式输送机软启动要求：(2)价格要经济合理；(3)使用维护要简便，工人易于掌握。
3.3国内外带式输送机，大多数是采用液力调速装置作为软启动装置。经实际使用证明，液力调速装置是目前最常用和理想的软启动装置。
3.4在目前我国煤矿的管理水平、技术水平、资金状况与人员素质都较差的情况下，采用差动轮系液粘调速装置与变频调速装置是有相当大的困难。而液力调速装置是国内一个成熟的技术与产品，采用液力调速装置作为带式输送机软启动装置不但技术上可行，而且也是符合我国国情的，应给予大力推广使用。
