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液力偶合器在大型皮带运输机上的应用实践

作者:四川天屿翔机械设备有限公司 浏览: 发表时间:2023-12-25 11:33:17

液力偶合器在皮带运输机上已获得广泛应用,其被安装在减速机高速轴上,用于传递工作扭矩,尤其是限矩型液力偶合器因具有性价比高、能较好地改善传动品质和节约能源等优点而被广泛应用。首钢京唐钢铁联合有限责任公司(简称首钢京唐公司)供料作业部目前有379 条各种规格类型的皮带运输机,其中有271 条皮带运输机安装了限矩型液力偶合器。正确安装和使用液力偶合器并对其进行优质维护,对皮带运输机的安全稳定运行十分重要。

 

1    液力偶合器的工作原理

 

电动机起动时直接带动装在电机轴上的液力偶合器泵轮转动,在泵轮叶片间的工作液也会随之旋转,受到离心力的作用,工作液直接被甩到涡轮叶片上,然后再流回到泵轮中,不断循环往复,推动涡轮旋转,使涡轮轴带动载荷工作。随着泵轮速度的不断加快,被甩到涡轮叶片上的工作液量不断增加,涡轮的转速不断加快,直至皮带运输机达到正常运行速度,设备起动完成。液力偶合器工作过程能量转换如图1所示。


 

2    液力偶合器的分类及使用特性

 

2.1    分类

 

液力偶合器可按使用特性、驱动形式、内腔数量和制动轮进行分类。按使用特性可分普通型 (YOP)、限矩型(YOX) 和调速型(YOT)3按驱动形式可分为外轮驱动型和内轮驱动型2类;按内腔数量可分单腔型、双腔型和带辅助腔的多腔型3类;按制动轮可分带制动轮和不带制动轮2类。不同类型液力偶合器的性能特点可分别满足不同生产场合的需要 。

 

2.2    使用特性

 

按液力偶合器的使用特性分类,目前首钢京唐公司皮带运输机设备上安装的都是限矩型,少量除尘风机部分安装了调速型,没有使用普通型。限矩型和调速型液力偶合器的主要使用特性如下:

 

1限矩型液力偶合器。目前,限矩型液力偶合器在首钢京唐公司主要用于皮带运输机,其被安装在皮带运输机减速机高速轴上,以汽轮机油或液压油作为工作液,实现电机与减速机之间的动力传递。因限矩型液力偶合器腔内的充油量是根据传递动力大小等因素确定的,无法实现在线增减,因此无法实现在线调速。与普通刚性联接器相比,因限矩型液力偶合器传递动力的介质是油,所以是一种柔性传动装置。

 

(2) 调速型液力偶合器。调速型液力偶合器是在限矩型液力偶合器的基础上发展起来的一种新型液力偶合器,目前其在首钢京唐公司主要用于焦化作业部和炼钢作业部的除尘风机上。在电机端输入转速不变的情况下,调速型液力偶合器可以在线调节输出端速度,调节现场风量,节省能源。调节方法是控制调速型液力偶合器内腔工作液的充满度,充满度与输出轴转速成正相关关系即工作液充满度越大,输出轴转速越高,反之输出轴转速越低,从而实现无级调速。

 

3    限矩型液力偶合器的结构及主要优缺点

 

3.1    结构

 

限矩型液力偶合器主要由主动半联轴器、泵轮、涡轮、被动半联轴器、外壳和弹性块等零部件组成,其结构如图2所示。


 

由图2可见,限矩型液力偶合器内腔是全封闭的,液力偶合器运转前从充油孔注入的定量工作液在皮带运输机运行过程中无法改变,只能在皮带运输机运行时观察载荷状况,在停机状态下才可增减工作液量,从而使限矩型液力偶合器的使用性能达到最佳。

 

3.2    主要优缺点

 

3 . 2 . 1    主要优点

 

限矩型液力偶合器的主要优点如下:

 

1具有柔性传动功能。当电机起动时,力矩接近于空载起动,从而降低起动电流,起动过程平缓、顺利,能有效减缓对设备的冲击。

 

2有过载保护功能。设备发生卡阻或超载工作时,工作液温度升高,易熔塞喷油,从而有效地保护电机和相关设备。

 

3具有协调多电机同步起动功能。在多机起动系统中,能够实现电机顺序起动,协调各电机同步、平稳驱动。

 

4故障率低,使用寿命长。工作过程中泵轮与涡轮间无接触,无机械磨擦,使用寿命长,故障率低,维护成本低。

 

5散热效率高。正常生产作业下产生的热量相对稳定,靠壳体旋转产生的风力自然散热即可,无需在限矩型液力偶合器外部设置单独的冷却供油系统。

 

6投资少,所需安装空间小。

 

3 . 2 . 2    主要缺点

 

限矩型液力偶合器的主要缺点如下:

 

1传动效率有损失。输出轴(涡轮)转速低于输入轴(泵轮)转速,两轴的转速差随载荷的增大而有所增加,传动效率(输出轴转速与输入轴转速之比)正常工况下为 80%~95%

 

2传动精度低。由于泵轮和涡轮之间存在转速差,而且其值是一个变量,不宜用于对传动精度要求高的场合

 

3设备从起动到达到正常速度有一定的时间滞后。

 

4易熔塞喷油,工作液会污染环境

 

4    限矩型液力偶合器充油管理

 

4.1    充油量分析

 

限矩型液力偶合器的油量充满度是可调的,由液力偶合器的结构和传动特性决定,调节范围 40%~80% 这并不是指在这个调节范围内的任意值都合适,更不能认为充油量越大越好。充油量越大,系统的过载能力越强,在出现皮带运输机重停和堵料等异常情况时,不用清理皮带上的存料来减轻载负荷就能带载起车,这一优点深受现场操作人员欢迎;但低速大电流起动时必然伴随皮带和滚筒间的激烈磨擦打滑,导致驱动装置抖动,极端情况下还会出现皮带与滚筒间因过热而冒烟等情况,极易损坏设备。充油量越少,系统的过载能力越弱,但随 着充油量的减少,传动系统更加柔性化,电机在起动过程中就能迅速进入高速低电流区,这 也是解决电机起动电流大的重要途径。充油量减少后,拖动重负载时,若要达到与充油量多时同样的输出力矩,则势必使液力偶合器的滑差增大,这种滑差损失将转化成热能,使工作液温度升高,易造成易熔塞内金属熔化,使工作液喷出

 

限矩型液力偶合器充油量多和充油量少的利弊 总是对立的,各自的优点不可兼得。虽然充 油量多一点时的优点对生产现场更具现实意义,但它同时存在多种弊端,必须进行合理调节。

 

4.2    生产现场实际充油量的合理确定

 

一般情况下,液力偶合器出厂时,其物理性能都能满足充液率40%~80%的工作要求。目前,首钢京唐公司供料作业部在现场没有特殊要求情况下,都按充液率70%~80%充油,现场操作按充油孔在水平线上45°能见到工作液作为充量参考标准。

 

实际使用过程中,充油量多少还有转差率和起动电流2个判断标准。

 

1转差率。若转差率大于5%则皮带运输机失速严重,应当判定为缺油,需要充油处理;若转差率小于5%则皮带运输机运转速正常,可以判定为充油量适当。转差率可以通过安装在皮带运输机上的速度检测器的检测值计算得出,即:转差率=(泵轮转速-涡轮转速)/泵轮转速

 

2起动电流。若起动电流大于2.5倍稳态电流,则说明液力偶合器刚性太大,应考虑减 少充油量。目前首钢京唐公司供料作业部有2台熔剂锤式破碎机安装了液力偶合器,因起动惯性力矩大,起动时电流高于2.5倍稳态电流,只能减少充油量,目前充油量只有液力偶合器内腔容积的45%其他液力偶合器的充油量按充油孔在水平线上45°能见到工作液这个参考标准稍作调整,都能达到使用要求。起动电流控制定值可以通过电气控制系统设定。在实际运行中,皮带运输机起动完成后,正常生产作业时,电机的电流一般为额定电流的50%~80%

 

4.3    液力偶合器工作液的选用

 

目前,根据液力偶合器生产厂家建议,首钢京唐 公司供料作业部选用N32汽轮机油居多,N46液压油也有部分使用,两者使用效果均比较理想 。

 

4.4     日常补油和换油管理

 

因液力偶合器的内腔是封闭的,正常情况下应没有消耗,所以一般不需要充油处理,但设备渗油或漏油等问题不可避免,所以供料作业部要求每年4 月、102次打开液力偶合器充油孔,检查油位和油质。 若在工作液中发现金属粉末,则进行换油处理。打开充油孔时必须待液力偶合器壳体温度下降至环境温度附近,否则易出现从充油孔喷油现象。

 

5    皮带运输机用限矩型液力偶合器的选择

 

目前,常用的皮带运输机用限矩型液力偶合器有外轮驱动型和内轮驱动型2种。

 

5.1    外轮驱动型限矩型液力偶合器

 

限矩型动压泄液式液力偶合器(简称YOXⅡ型)在结构设计上属于外轮驱动型,由于YOXⅡ型动态灵敏性好,且开发较早,所以生产厂家也多,较适用于皮带机。长期以来,DTⅡ型固定式皮带运输机被普遍推荐选用。由于YOXⅡ型采用外轮驱动结构,且要求主体安装在减速机高速轴上,重量主要由减速机高速轴承受,通常减速机高速轴的直径比电机轴小得多,又呈悬臂结构,在设计时对安装液力偶合器这个动载荷考虑不多,因此会导致减速机高速轴经常发生疲劳断裂事故。首钢在北京的老厂区主要使用的都是这种外轮驱动型限矩型液力偶合器。首钢京唐公司供料作业部一期工程和二期工程部分皮带运输机采用这种型式,原设计达221条皮带机,这些液力偶合器检修后均更换为先进的带辅助腔的多腔型液力偶合器。

 

随着皮带运输机向长运距、大运量和高速度方向发展,要求液力偶合器内腔的容积不断加大,自重也随之加大,将外轮驱动型液力偶合器安装在减速机高速轴上的缺点更加明显减速机高速轴断轴事故发生机率加大。

 

5.2    内轮驱动型限矩型液力偶合器

 

复合泄液式限矩型液力偶合器(简称 YOXF  型)在结构设计上属于内轮驱动型。YOXF型因既有静压泄液、又有动压泄液,因而动态反应更为灵敏,其性能优于YOXⅡ型。由于YOXF型为内轮驱动,所以其主体可以安装在电机轴上,重量主要由电机轴承受。由于电机轴比减速机高速轴粗很多,因而其承受径向载荷的能力显著高于减速机高速轴,所以可显著减轻减速机高速轴的载荷,避免其断轴事故的发生。正是由于这个优点,YOXF型在大型皮带运输机上得到广泛应用。同时,YOXF型还具有以下优点:

 

(1)工作介质既可用油也可用清水,因而既可用于普通场合,也可用于井下煤矿等要求防爆场所。

 

(2) 输出端既可为一般梅花型弹性联轴节,也可带制动轮,更换方便。

 

(3) 输入端可根据需要配置辅助腔长度,长辅助腔可改善皮带运输机的软起动性能,短辅助 腔可减少轴向尺寸。

 

因此,YOXF型是皮带运输机驱动系统较为理想的选择。 随着首钢京唐公司二期工程的投产,皮带运输机更加大型化,YOXF型得到广泛应用。原设计采用YOXF型的皮带运输机达50条,后续随着YOXⅡ型液力偶合器检修更换周期的到来很多将被性能更优的YOXF型替代。

 

YOXF型用于大型皮带运输送机上比YOXⅡ型所表现出来的性能更优越,应用更加广泛,但生产成本相对较高。有些皮带运输机生产厂家为降低成本,在解决减速机断轴问题时,仍沿用YOXⅡ型,只是简单地将其调头安装,将液力偶合器主体安装在电机轴上,由电机轴来承受液力偶合器的重量,将外轮驱动变成内轮驱动。这种做法非常不可取,这样会使液力偶合器的使用性能变差设计时液力偶合器的泵轮和涡轮并不是完全对称的,且其辅助腔的位置也呈单向性,若调头安装,不仅改变了液力偶合器内腔液流流态 ,还使原有的前后辅助腔起不到超载泄液的作用,从而不能有效调节液力偶合器内腔中的工作液量,无法起到限矩作用,不能有效保护电机,甚至出现不能重负荷起动情况。因此,YOXⅡ型调头安装必须谨慎处理,否则有可能引起不良后果。

 

 

6    限矩型液力偶合器的安装与拆卸

 

6.1    安装

 

限矩型液力偶合器主体壳体通常用铝合金制造,安装与拆卸都不允许直接锤敲壳体。设计时液力偶合器充油孔与电机轴的配合一般为过渡配合或小过盈配合。安装新的液力偶合器前,应当先测量配合面尺寸是否存在较大过盈和较大间隙配合可能性,在符合配合要求前提下,在电机轴上涂抹2号锂基脂,并用撞锤通过黄铜棒撞击液力偶合器轴向联轴器部分,将液力偶合器安装到位。供料作业部液力偶合器大多带有制动轮,制动轮安装在减速机高速轴上,一般为间隙配合。制动轮与液力偶合器之间用带有弹性的橡胶梅花盘联接,两者找正时,同轴度要求在0.1mm以内,以免引起驱动装置抖动。

 

6.2    拆卸

 

限矩型液力偶合器壳体为铝合金材料,拆卸时不能用气焊加热或用龙门架和千斤顶进行外壳强扒。首钢京唐公司供料作业部自制了带螺纹的管状工装,配合液压千斤顶顶杆,拆卸效果较好。

 

7    液力偶合器易熔塞喷油处理

 

在生产作业过程中,由于起停频繁或重停起次数多,液力偶合器散热不及,导致其内腔中的工作液温度快速升高,造成易熔塞内金属熔化而喷油。易熔塞内金属熔化前后对比如图3所示。



易熔塞喷油虽然是液力偶合器自身的一种保护动作,但是这种保护动作促发后也会带来不少影响,不仅消耗了大量工作液,造成环境污染,而且恢复生产也需要时间,过热的工作液喷 出时对人身安全也构成威胁。因此,必须减少正常生产状态下工作液的喷发次数。

 

随着首钢京唐公司二期工程的投产,易熔塞喷油次数明显增多。后经检查发现,一期工程建设时,因皮带运输机的作业率相对较低,易熔塞内金属熔化温度为125 当时是满足生产需要的。但随着供料作业部皮带运输机作业率的大幅提高易熔塞内金属熔化温度已经无 法适应生产需要经液力偶合器生产厂家建议,将易熔塞内金属熔化温度提高至140 易熔塞喷油次数显著降低。

 

8    永磁偶合器的发展趋势

 

近年来,永磁偶合器技术得到了较快发展,首钢京唐公司炼铁作业部一期工程高炉重要的 N2N3皮带运输机永磁偶合器替换液力偶合器试验取得了成功,不仅实现软起动目的,同时简化了驱动装置,节约了后期维护费用,易熔塞喷油隐患也得到了彻底根除。目前,永磁偶合器技术在国内皮带运输机设计上已经得到部分使用,在首钢京唐公司炼铁作业部二期工程重要皮带运输机上已经得到较多使用。永磁偶合器结构如图4所示。


 

永磁偶合器虽然有很多优点但是目前推广使用的最大难点还是前期一次性投资问题,对于同一条皮带运输机,安装永磁偶合器的费用是液力偶合器的5~8倍。因此永磁偶合器对于特别重要的日常无法停机的皮带运输机才有使用价值。

 

 

9    结论

 

(1)液力偶合器具有轻载起动、过载保护、减缓冲击、调速和均衡同步驱动等多种优异功能,这些优异功能均须在正确选型匹配的前提下方可获得

 

2电机带限矩型液力偶合器驱动、电机带调速型液力偶合器驱动和永磁偶合器驱动等驱动方式都有各自优缺点。用户应从现场实际情况出发,科学、合理地考虑低成本和维护等综合因素,选择既满足生产实际需要、又满足投资要求的驱动方式。

 


 

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