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液力偶合器在球磨機上的應用及其選型匹配
發布時間：2017-09-01
引言
球磨機是礦山、冶金、電力、輕工、化工、建材等行業廣泛應用的重要設備和耗能較大的設備。 球磨機(以及圓筒混合機)屬于慣量大、啟動困難的重型設備。合理選型并正確使用液力偶合器， 對于改善球磨機啟動性能、降低其電動機功率配置節約能源、延長整機使用壽命、提高設備使用效率是十分重要的。
1 球磨機的啟動與運行特點
由于各行業用途及其工藝要求的不同， 所使用的球磨機品種類型也不盡相同。 礦山選礦廠、水泥廠、化工廠等行業使用的球磨機為連續進出料類型。 該類型又分為周邊齒輪傳動型（見圖 1）、膠輪傳動型（即托輾式見圖 2）、中心傳動型（見圖 3）等類型；輕工業用于涼席竹片打磨，陶瓷廠用于長石、石英、泥料濕法間歇細磨等所使用的球磨機為間歇進出料類型。 即球磨機一次性裝料粉磨完成后須停機卸料再重新裝料啟動運行。 此類型多為周邊皮帶傳動型（見圖 4）。 在此還要特別提到鋼鐵廠燒結車間使用的原料圓筒混合機， 無論是設備結構還是工作原理都與周邊齒輪傳動連續進出料類型的球磨機十分相似，故并此討論。
我們以間歇進出料型球磨機為例分析球磨機啟動過程：在重新裝料后，密度較大的鋼球集中置于轉筒下層，待粉磨原料覆蓋其上，濕式球磨機內還注有液體，轉筒內填充物的重心偏離轉筒旋轉軸線距離 r0(見圖5a)。 在球磨機啟動之初，電動機除要克服傳動系統摩擦阻力矩 Mf、對大慣量加速的阻力矩 Mr外，還必須克服填充物因重力形成的偏心力矩 Mr（見圖 5b）。 偏心力矩Mf起初是按正弦函數關系變化，最大值為 mgr0，直至進入球磨機穩定運行工況后轉變為恒定值， 隨著原料鋼球互混并作拋落運動， 其平均重心的位置與距旋轉軸線的距離比較靜態均發生了改變（見圖 5c）。 球磨機啟動時的阻力矩可表示如下：
M=Mf+Mj+Mr
式中 Mf――傳動摩擦阻力矩；
Mj――慣量加速阻力矩；
Mr――物料偏心力矩。
球磨機的啟動運行過程阻力矩變化如圖 6 所示，圖中橫坐標為轉筒轉角 α，縱坐標為阻力矩 M，從圖上可知啟動過程的最大力矩不是在零速點而是在轉筒旋轉約 α=π/2 之處， 這也就是球磨機在啟動時轉筒旋轉了一定角度后常發生堵轉悶車的緣故。
2 球磨機應用液力偶合器的必要性
由球磨機啟動過程分析可知， 其啟動過載系數很高， 一般為 2.5~3.5。 為使直接拖動的電動機能順利啟動， 往往電動機的額定功率是按正常運行功率的 1.4~1.5 倍配置，這種為解決大慣量重型設備滿載啟動困難而采取加大裝機容量即大馬拉小車的辦法， 缺點是顯而易見的。 首先是能源消耗大，由于電動機功率富裕量大， 正常運行工況負載率低， 故而電動機的功率因數低，無功功率偏大，造成電動機及網絡系統的銅、鐵損耗大、能耗高；其次是傳動系統的傳動品質差，由于是電動機直接拖動啟動， 電動機啟動時產生沖擊扭矩對傳動系統的元件均產生沖擊作用而加劇其磨損和疲勞影響到設備的使用壽命； 再者由于單機功率配置大使整個供電網絡的投資加大，生產成本提高。
實踐證明， 將液力偶合器應用于球磨機不僅改善了其傳動品質，延長了設備的使用壽命，也由于降低了裝機容量 （一般按正常運行功率的 1.05~1.1 倍配置即可）而大量節約能源和降低設備的成本，因此在球磨機上應用液力偶合器很有必要。
3 球磨機應用液力偶合器的合理選型與匹配
從前面的分析可知，球磨機在啟動時由于慣量大，填充物料造成偏心阻力矩大，故而啟動扭矩很大，一般為正常運行時的 2.5~3.5 倍，而在正常運行時扭矩基本穩定，變化不大，據此特點所選用的液力偶合器應具較大的啟動過載系數而無需靈敏的過載保護性能， 因此以選擇有較大啟動過載系數且結構相對簡單的普通型液力偶合器或者選擇無輔室限矩型液力偶合器為佳。
為使電動機、 工作機及傳動系統相互適應而具有較好的技術經濟指標， 球磨機所選用的液力偶合器的合理配置便顯得十分重要， 否則可能降低整機技術經指標甚至影響到其正常工作。 液力偶合器的匹配原則是：
（1）保證傳動系統的高效率。 應使液力偶合器的設計運行工況與電動機額定工況點相重合， 以保證傳動高效率（見圖 7a、7b）。
（2）必須使液力偶合器 i=0 的輸入特性曲線 MBo交于電動機尖峰力矩右側穩定工況區段并盡可能接近尖峰力矩點 A， 使電動機能穩定工作并利用其峰值力矩啟動負載。
（3）應使工作機、液力偶合器和電動機的額定功率依次呈 3%~5%遞增，以保證動力充足、啟動順利。液力偶合器匹配合理的球磨機在啟動過程中能充利用渦輪負載滯后傳遞泵輪的特點， 使電動機在零負荷或小負荷條件下迅速啟動進入穩定工況， 再以其峰值力矩對負載順利完成啟動過程。 現將配裝有液力偶合器的球磨機啟動過程分析如下（見圖 8）：電動機啟動后， 軸上可提供的驅動力矩隨轉速升高沿電機外特性曲線 MD―nD變化，與電機軸相聯結的泵輪吸收機械能， 其力矩隨轉速升高沿 i=0 負荷拋物線 (MB∝n2B)上升，電動機驅動力矩 MD與泵輪力矩 MB之差△M1=MD－MB使泵輪加速的力矩。 若球磨機靜止阻力矩或反抗力矩（球磨機呈反轉工況時）大于電機最大力矩，則泵輪力矩和轉速沿拋物線上升至 A 點而渦輪始終不動（堵轉），直至偶合器溫度上升至安全塞熔噴卸荷。 對于匹配適當的球磨機，當電動機轉速升至 nDe時，泵輪力矩與球磨機靜止時最大力矩 MZ0相等 (即 MT=MBe =MZ0)時球磨機開始啟動，此后電機和負荷同時加速 ，泵輪力矩曲線從 e 點開始脫離拋物線沿 es 曲線上升至 S點， 與此同時渦輪力矩和轉速沿 gs＇ 曲線上升至 s 點，此后泵輪（電動機軸）力矩與轉速沿 SBHC 曲線一直到額定工況點 H，而渦輪力矩與轉速則沿 S＇B＇H＇C 曲線一直到穩定工況點 H＇，球磨機進入穩定運行狀態，啟動過程完成。 圖中 ΔM2=MT－MZ為偶合器輸出對負載的加速力矩， 即在球磨機啟動過程中只要轉筒轉動越過最大阻力矩點后便獲得很大加速度而迅速進入穩定運行工況。
4 實踐中應當注意的問題
從前面啟動過程分析， 我們可以明顯地看到球磨機（圓筒混料機）應用液力偶合器的好處，一是提高電動機啟動能力，改善加速性能，減少裝機容量配置，降低能源消耗和設備投資； 二是電動機迅速啟動可降低電動機啟動電流和縮短啟動電流持續時間， 大大減少對供電網絡的電流沖擊， 這對于需頻繁啟動的設備尤為重要， 不僅可降低能耗， 也有利于延長設備使用壽命。
值得我們注意的是， 以上效益只能在液力偶合器匹配合理和正確使用條件下才能獲得。 在實踐中我們發現不少用戶在選型匹配上存在誤區， 以及在使用上不盡合理以致出現這樣或那樣的問題與故障導致對液力偶合器的作用產生懷疑。 在此就實踐中遇到過的一些問題和現象作些分析說明，以引起相關設備設計、生產、使用者的注意。
（1）盲目追求液力偶合器的軟啟動特性以致啟動Hydraulics Pneumatics & Seals/No.7.2010困難。 一些用戶主張采用帶后輔腔的動壓泄液限矩型液力偶合器， 認為此型偶合器啟動過載系數低有利于電動機的先行啟動再以偶合器輸出最大力矩啟動球磨機，這實屬對液力偶合器的誤解。 有無后輔腔的限矩型液力偶合器在高速比區（i=nT/nB接近額定工況點）外特性幾乎相同（見圖 9），即在額定工況點附近兩者使用效果無多少區別， 兩者的區別在于低速比至堵轉 (i=0)區段。 由于后輔腔在偶合器低速比區工作液環流作大循環時有聚液作用，且隨 i 的降低聚液量增加使工作腔內工作液減少而使偶合器外特性曲線在低速比區變得低而平緩，啟動（或制動）過載系數下降。 這種“變軟”的特性對于大慣量且要求緩慢啟動以減少皮帶啟動拉伸張力的帶式輸送機是很有利的， 但對于球磨機就未必有利。 從前面對球磨機啟動與運行特點分析可知，球磨機在啟動時阻力矩遠大于正常運行阻力矩 （為 2.5~3.5倍），且存在一個峰值如同門檻力矩（見圖 6），若偶合器啟動過載系數下降偏小則在啟動過程中渦輪輸出力矩無法越過此門檻力矩而保持不動或轉過若干轉之后被迫停止，使偶合器停留在 i=0 工況而不可能進入圖 9 所示輸出力矩最大的工況點 A，球磨機的啟動無法完成。通過圖 8 我們也可以得到解釋： 若啟動過載系數下降則表明i=0 工況點的泵輪力矩系數 λB值下降， 現假設降至 iB工況點對應的 λB值，則在電動機啟動程中泵輪的力矩與轉速將沿 iB拋物線上升至 B 點， 此點力矩可能小于或等于負載門檻力矩而無法完成對球磨機的啟動， 或雖勉強啟動卻因啟動過程時間延長導致偶合器急劇升溫而易于引發噴液。
（2）不合理地對電動機采用降壓啟動方式。 由圖 6可知， 球磨機啟動過程最大力矩是在轉筒轉動約 1/4轉， 也就是偶合器渦輪轉動 I/4 （I 為傳動系統總減速比）附近而非在 nT=0 處；而從前面液力偶合器匹配適當的球磨機啟動過程分析可知，電動機是利用偶合器主、從動輪間無剛性聯接， 從動端負載滯后傳遞于主動端而實現空載或小負荷條件下迅速啟動， 進入穩定運行工況并利用其峰值力矩驅動負載完成啟動過程的，因而此過程中要求電動機自身的啟動是一次性連貫完成，也就是要求其采取全壓啟動方式。 目前有很多用戶出于減少對電網沖擊的考慮而教條地對電動機采取降壓啟動方式， 并且在降壓啟動切換至全壓啟動運行之間設有幾秒至十幾秒鐘的停頓， 殊不知這適得其反增加了球磨機的啟動難度甚至無法啟動并可能造成元件故障。 我們知道在降壓啟動（如星形―三角形啟動）時電動的輸出扭矩（或功率）只有全壓啟動方式的 1/3，這是無法驅動球磨機轉筒越過最大扭矩點的， 而只是使轉筒轉動了一個角度便使偶合器處于堵轉發熱狀態。 在電動機由降壓啟動切換至全壓啟動運行的停頓時間里轉筒在偏心重力作用下開始反轉并帶動偶合器渦輪反轉， 若此時電動機切入到全壓啟動則因偶合器進入反轉工況使驅動力矩下降 （見液力偶合器全特性章節），需經過一段時間待偶合器返回牽引工況后對球磨機的啟動才重新開始。 在此時間內偶合器同時由主、從動端吸收能量而溫度急劇上升可能引發高溫噴液并極易造成密封件老化損壞。 鑒此，我們建議配有液力偶合器的球磨機采取全壓啟動方式， 如果一定要采用降壓啟動方式則在電器切換過程中不得有使轉筒反轉的停頓時間。 實踐證明全壓啟動方式不僅可行，還可降低設備成本， 如某建材機械廠在其產品斗式提升機上引入應用液力偶合器后， 便取消進口價值 5 萬余元的降壓啟動控制系統而改用全壓啟動方式， 僅此一項便節約了近十倍于液力偶合器價格的成本， 并減少了電器故障率、技術經濟效益十分明顯。
（3）實屬多余的采用電器軟啟動裝置。 由液力偶合器的工作原理可知， 應用液力偶合器之后對于負載而言使剛性負載“變軟”，對于動力機而言改善了其啟動性能， 提高了啟動能力并大大減少了電動機啟動對供電網絡的沖擊。 如果在電動機啟動控制電器中加入軟啟動裝置， 則不僅因功能重疊湮沒了偶合器軟啟動特性而且并不能使球磨機啟動變得更簡單順利， 因為在此方式中的啟動之初電動機輸出功率（扭矩與轉速）很低， 在轉速低情況下偶合器泵輪形成不了足夠的力矩(MB∝n2B)，而此期間電動機輸出功率全部轉化為熱能使偶合器急劇升溫。 所以說電器軟啟動裝置對于應用了偶合器的球磨機不僅無益而且使設備成本激增， 實屬多余而不可取。 湖南郴州黃砂坪某選礦廠自作主張投資 14 萬元對裝機功率 380kW 且配置了 YOX875 液力偶合器的球磨機加裝了電器軟啟動裝置， 在試運行時不能順利啟動并引發偶合器油溫陡升， 在取消軟啟動裝置改全壓啟動后球磨機啟動順利運行正常， 偶合器溫度正常。
（4）必須控制好液力偶合器的充液。 定充型液力偶合器的規格、 傳遞功率是按等比級數排列并已形成國家標準， 而每規格偶合器在一定轉速條件下所傳遞的功率隨其充液量呈近似線性關系變化。 在對液力偶合器作合理匹配時極有可能要求調整偶合器充液量來調整和控制其傳遞的功率， 因此在使用現場準確控制對偶合器的合理充液量是十分重要的。 如果充液量不足則偶合器傳遞功率能力下降， 啟動過載系數變小使球磨機啟動困難或啟動時間拉長導致偶合器溫升快；如果充液量過大則使偶合器啟動性能變硬， 偶合器輸入特性曲線將在非穩定工況區與電動機外特性曲線相交（如圖 8 中 iD負載拋物線與 MD－nD相交與 D 點）而使電動機無法正常啟動穩定運行， 對于功率配置富裕量不足的電動機而言尤為明顯。
摘自：中國計量測控網
