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帶式輸送機傳動系統的技術現狀及應用分析
2013-03-11
趙玉良
（中國重型機械協會重型基礎件分會）
1 帶式輸送機傳動系統的基本特點（中國重型機械協會重型基礎件分會）
帶式輸送機（以下簡稱皮帶機）是一類廣泛應用于各種散狀物料或成品物件輸送的通用機械產品，在冶金、礦山、煤炭、電力、建材及化工等行業均得以普遍應用。根據輸送物料或應用環境的不同，皮帶機的類型及安裝方式也各不相同，如從安裝方式分有水平輸送、斜坡輸送及長距離輸送等。安裝和應用環境的多樣性和復雜性，決定了配套于皮帶機的傳動系統的多樣化類型及要求。概括起來，對皮帶機傳動系統的要求可歸納成如下幾個主要方面：
（1）由于皮帶機常常在帶載狀態下起動及制動，因此大、中功率皮帶機一般均應有軟起動及軟停車的要求，借此可減緩起動沖擊、降低起動電流、提高系統零部件的壽命及工作的可靠性。同時，采用軟起動及軟停車措施還可降低帶強等級，也有利于降低整機造價和運行成本。
（2）長距離皮帶機多采用多點驅動，因而存在各驅動點的載荷均衡和功率平衡的要求。
（3）對井下使用的皮帶機，一般要求傳動系統的重量盡可能輕、體積盡可能小，即對傳動系統的設計和類型選擇有更嚴格的要求。除此之外，傳動系統還要滿足防爆方面的要求。
（4）對垂直或斜坡安裝的皮帶機，系統設計中應注意防逆轉及制動的要求，傳動系統還存在因逆轉或制動失效而發生“飛車”的可能性。齒輪箱停機時也處于受載狀態，即靜態受載。系統設計及零部件選用時應充分考慮上述工況及由此所引發的相關要求。
（5）大、中功率皮帶機的傳動系統在起動、停機或緊急制動時常常會產生扭轉振動，必要時應對傳動系統的動力學性能進行分析和評定。
（6）對安裝于野外或寒冷、酷熱環境下的皮帶機傳動系統，應充分注意潤滑油品和潤滑系統冷卻散熱等方面的適應性。
（7）大、中功率或長距離皮帶機傳動系統還應具有低速運行功能，以適應檢修及調試驗帶時的需要。
（8）皮帶機傳動系統設計時尚應充分考慮傳動系統的安裝、對中及工作過程中的相關變形及由此所帶來的影響，底座及聯軸器設計選型時應注意其良好的適應性和安裝調試的便利性。
2 皮帶機傳動系統的主要類型
目前，應用于皮帶機上的傳動系統構成主要有如下幾種類型：
（1）電機＋減速機，兩者之間用一般聯軸器連接，這種類型一般用于中、小功率皮帶機。
（2）電機＋液力偶合器（或鋼球聯軸器、液粘離合器等）＋減速機，可用于軟起動要求不高的中、小功率皮帶機。
（3）電機＋可控起動裝置，主要用于大、中功率或多點驅動的皮帶機。
（4）變頻電機＋減速機，適用工況同（3）。
此外在進行傳動系統設計時，對于斜坡安裝的皮帶機，傳動系統還應包括有逆止器、制動器等部件。為便于安裝對中，亦有直接將電機與減速機置于同一剛性底座上，并設計成擺動結構，成為一相對獨立的功能模塊。
應用于皮帶機上的減速機主要有下面幾種：
（a）圓柱齒輪或圓錐圓柱齒輪減速機。
（b）行星齒輪或圓錐齒輪與行星傳動的復合齒輪箱。
（c）可控起動行星齒輪傳動裝置。
此外還包括了一些其它類型的傳動裝置，如電動滾筒，因其一般只用于小功率傳動，不予討論。有關各類齒輪箱的特點及性能，詳見有關文獻，不再贅述。
3 皮帶機傳動系統的故障及質量影響因素分析
由于各方面的原因，皮帶機傳動系統工作過程中出現的故障也多種多樣，常見的故障主要有：
（a）齒輪或軸的斷裂；
（b）齒面點蝕、膠合、燒傷；
（c）軸承滾道點蝕、剝落或燒傷；
（d）齒輪箱振動過大、箱體開裂；
（e）齒輪箱潤滑系統故障、整機發熱；
（f）摩擦片燒傷或失效；
（g）逆止器、制動器失效。
皮帶機傳動系統出現故障，輕者影響系統正常工作，嚴重時會使得皮帶機無法正常工作，這對于一些連續生產線或重要應用場合如電力、港口、煤礦、冶金等行業，將會帶來嚴重后果。正是基于如上考慮，一些設計者或用戶往往不仔細認真地分析失效或引起故障的原因是什么，而簡單武斷地就認為國內產品質量不行，因而把配套傳動產品直接選用國外品牌，認為這樣就可以萬無一失。而事實上，由于未對故障失效的本質問題研究透徹，改進措施未跟上，許多選用國外品牌的皮帶機仍然出現了許多傳動系統的故障或失效，因而同樣未能達到解決問題之目的。
那么，影響皮帶機傳動系統正常工作的因素究竟有哪些？本文從減速器的自身質量、傳動系統設計、產品選型及安裝維護如下幾個方面進行全面分析。
3.1減速器的自身質量及影響因素
影響減速器質量的因素包括了：
（a）設計因素；
（b）材料和熱處理；
（c）加工制造工藝；
（d）裝配及試驗。
對設計方面的因素，選用定型系列產品或有著豐富產品開發經驗的單位開發的產品一般都均有保障，不會成為問題。
對材料和熱處理方面的要求，對較為重要的應用場合或對產品可靠性要求較高時，根據應用的具體情況，用戶應指定主要零件材料的牌號、探傷類型及級別、熱處理質量等級及要求，明確了這些要求，同時選定好具備相應的制造條件，市場信譽好的企業，這樣連同后面的加工制造工藝和裝配試車要求等一般都不會成為問題了。
一般地，對應用于皮帶機傳動系統的齒輪材料及相關要求，可參見下表示。
表1 齒輪材料及相關要求
合理的傳動系統設計對整機，也包括齒輪箱在內的各個零部件的工作可靠性有著決定性的影響。不同類型及應用環境下的皮帶機，其傳動系統應按本文前面述及的要求，首先選擇類型和結構型式，然后再進行系統的整體設計和零部件設計或選型。一個科學合理的傳動系統是在結構功能性、經濟性和安全性方面綜合考慮平衡的結果。一般地，傳動系統設計應重點關注下述幾個方面的問題：
（1）合理進行系統軟啟動及軟停車方式的設計選擇。合理的軟起動及停車方式對減緩系統沖擊、降低動載荷、延長零部件壽命有著決定性的影響。對皮帶機而言，目前采用的軟起動方式，如變頻調速、液控軟起動、液力偶合器及鋼球聯軸器等分別適用于不同的工況和條件。如對大功率長距離的多點驅動皮帶機，考慮到軟起動和多驅動點功率均衡的要求，應選用可控軟起動系統，如液控軟起動裝置。選用時起動加速度曲線及起動時間和加速度的限定值應按照對皮帶機的動態特性分析一并進行，并滿足有關規范要求，以實現整機優異的動力學性能。常見軟起動技術的類型、特點及選用可參見有關文獻，不再詳述。
（2）對傾斜安裝的上、下行帶式輸送機，其制動系統設計時應注意采取措施控制制動時間和制動加速度，以減緩制動過程中對包括齒輪箱在內的系統沖擊。應盡量采用分級制動、可控制動及低速制動，應力求避免高速制動。
（3）采用電機和液力偶合器或調速型液力偶合器的組合傳動型式，選型時要進行電機外特性曲線和液力偶合器特性曲線的匹配性檢驗，應保證系統工作時的工作點位于高效工作區間。
（4）對大功率或高可靠性要求的皮帶機，應對其傳動系統進行動力學建模分析，并滿足以下動力學設計準則：
（a）系統工作頻率及其它特征頻率應遠離各階固有頻率；
（b）第二階固有頻率應為階固有頻率的二倍以上，以后各相鄰固有頻率之比≥1.3，分布要合理；
（c）振型圖的節點不能位于齒輪上；
（d）Z大轉矩與其平均值之比不大于2.5。
當分析評定結果不符合上述要求時，應通過改變傳動鏈的相關設計參數或結構參數進行調整，必要時需更換相關聯接零部件的類型，以力爭實現上述目標，并由此使系統獲取良好的動態性能，進而保證皮帶機安全可靠工作。
（5）傳動系統選用的聯軸器應滿足相應工況要求，同時亦要考慮對中、拆卸及維修的便利性。如對長距離大功率傳動，應選用傳遞轉矩大、對中心及角向偏差補償能力強、吸振性能好、環境適應性強的蛇形彈簧聯軸器、鼓形齒聯軸器、膜片聯軸器等。一般傳動可選用彈性柱銷聯軸器、彈性塊聯軸器等。當選用具有軟起動性能的鋼球聯軸器時，可將起聯接和軟起動功能的兩類聯軸器復合為一體，以取得更為優異的綜合性能。
3.3正確選型
選型即為正確選定所用齒輪箱的類型及規格。齒輪箱的類型主要是由應用的具體環境和布置方式所決定。如軟起動要求較高時可選用具有可控起動功能的產品；要求體積小、結構緊湊時，一般應選用行星齒輪減速器，亦可選用軸裝式圓錐圓柱齒輪減速器等。
在決定齒輪箱的規格時，應綜合考慮載荷狀況，如Z大負載、沖擊情況、反向制動要求等，此外還要考慮起動頻率、應用環境條件等，據此按產品選型要求認真計算選定規格，注意選定的機械功率、熱功率均要滿足使用要求。
為達到選型既經濟又安全，準確了解皮帶機的載荷及工況至關重要。選型前應對工作載荷進行準確的分析計算和評估，即應對皮帶機的載荷譜有一個全面準確的評定。因此主機設計制造單位、傳動件供應商及用戶要充分溝通、交流，以使Z終的選型準確、可靠。必要時也要對原動機的工作狀況，如起動力矩、Z大過載力矩、工作特性曲線等進行全面了解，以充分保證系統工作的匹配和合理。
3.4精心安裝及維護
對一個傳動系統而言，合理的安裝方式和精度對正常工作有著重大影響，尤其是在對中誤差較大時會有很大的附加載荷，會影響相關軸系如軸承及軸的工作壽命及可靠性，同時在設備工作過程中也要隨時對軸系偏差進行監控，一旦發現異常應及早處理，以防發生不利的變化時導致事故。
傳動系統的潤滑冷卻裝置也要時刻處于正常狀態，注意使用產品說明書規定的油品并定期更換，或者按照油品分析結果決定何時更換。冷卻器結垢后要及時清理，以免影響冷卻效果。極端應用環境下的油品一定要與之相適應，如極低溫度或高溫時應選用合成油等。
對應用可靠性較高的皮帶機，傳動系統應配置在線振動、潤滑、溫度等方面的監測裝置，以隨時對系統工作狀態進行監測，當發現異常時，可報警并提醒及時對發現問題進行處理。
4 國內減速機技術現狀及評價
我國的減速機行業是六十年代開始起步，改革開放后得以高速發展的。特別是在近二十多年來，隨著許多大型國企及民營企業的介入，行業技術水平得以迅速提升，許多過去依賴進口的減速機產品已逐步被國產化產品所替代。總體來講，國內主流廠家減速機產品的性能已基本與國外同類產品先進水平相當。
對帶式輸送機上采用的液控軟起動裝置，亦即常說的CST傳動，多年來國內許多單位也都進行了大量研究和開發。中重院有限公司早在2000年就已對其傳動機理、控制特性、摩擦散熱特性、結構設計及系列化問題進行過系統分析，并完成了多個規格的方案設計。
對采用通用系列減速機的皮帶機，多采用ZLY、ZSY、DBY、DCY系列產品，由于上述產品均為二十多年前開發設計的，無論是產品性能還是外觀造型，均已陳舊落后。因此中重院有限公司又相繼開發了MP、MR系列模塊化齒輪減速器（JB/ZQ6101-2001），以及可和國外產品互換的P系列齒輪減速器。此外國內許多其它廠家也陸續開發了多種類型的大、中功率通用系列產品為皮帶機配套，目前國內能夠為皮帶機產品提供高可靠性產品的廠家已有許多，可供用戶進行充分選擇。
多年來許多行業的關鍵傳動件產品的應用實踐已充分證明國內減速機行業有足夠的實力為各行業提供高端的傳動設備，國內目前傳動件的整體技術水平已基本達到國外同類技術先進水平，并具有穩定批量提供高可靠性產品的能力。但應說明的是，如同國內許多行業一樣，減速機行業也存在企業數目眾多，水平參差不齊。不同層次的主機產品應選用不同性能級別的傳動件產品，選對合作伙伴這才是使用者應首先予以考慮的問題。
5 小結
基于皮帶機對與其配套的傳動系統的要求，本文從技術設計、產品選型、使用與維護及行業技術現狀幾個方面討論了相關聯的一些問題，充分肯定了國內有能力為皮帶機提供適用的配套傳動件產品，用戶不必盲目迷信國外品牌，至少應將兩者置于對等地位，公平進行競爭、評判。
對國內產品，除正確進行傳動系統的總體設計和產品選型及安裝、使用、維護得當外，在確定產品的采購價格時，應根據產品品質給出一個公平合理的訂貨價格，而不應對國外產品可給出一個很高的采購價格，而對國內產品則拼命壓價，造成國內外同一產品價格相差很大，卻要求產品品質一樣，這顯然也有失公允。一個公平、公正的競爭環境方能準確合理地對中外品牌進行評判、比較，這同時對制造商和用戶都是有利的。
綜上述，概括起來，一個安全及運行可靠的皮帶機傳動系統應從如下六個方面得以保證，這就是：系統設計科學；產品選型正確；成交價格公道；安裝使用合理；維護保養得當 ；安全監控到位。
認真遵從上述原則，通過主機廠、傳動件供應商及使用方的密切配合和通力合作，就一定能達到皮帶機安全、可靠運行之目的。
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