带式输送机传动系统的技术现状及应用分析
2013-03-11
赵玉良
（中国重型机械协会重型基础件分会）
1 带式输送机传动系统的基本特点（中国重型机械协会重型基础件分会）
带式输送机（以下简称皮带机）是一类广泛应用于各种散状物料或成品物件输送的通用机械产品，在冶金、矿山、煤炭、电力、建材及化工等行业均得以普遍应用。根据输送物料或应用环境的不同，皮带机的类型及安装方式也各不相同，如从安装方式分有水平输送、斜坡输送及长距离输送等。安装和应用环境的多样性和复杂性，决定了配套于皮带机的传动系统的多样化类型及要求。概括起来，对皮带机传动系统的要求可归纳成如下几个主要方面：
（1）由于皮带机常常在带载状态下起动及制动，因此大、中功率皮带机一般均应有软起动及软停车的要求，借此可减缓起动冲击、降低起动电流、提高系统零部件的寿命及工作的可靠性。同时，采用软起动及软停车措施还可降低带强等级，也有利于降低整机造价和运行成本。
（2）长距离皮带机多采用多点驱动，因而存在各驱动点的载荷均衡和功率平衡的要求。
（3）对井下使用的皮带机，一般要求传动系统的重量尽可能轻、体积尽可能小，即对传动系统的设计和类型选择有更严格的要求。除此之外，传动系统还要满足防爆方面的要求。
（4）对垂直或斜坡安装的皮带机，系统设计中应注意防逆转及制动的要求，传动系统还存在因逆转或制动失效而发生“飞车”的可能性。齿轮箱停机时也处于受载状态，即静态受载。系统设计及零部件选用时应充分考虑上述工况及由此所引发的相关要求。
（5）大、中功率皮带机的传动系统在起动、停机或紧急制动时常常会产生扭转振动，必要时应对传动系统的动力学性能进行分析和评定。
（6）对安装于野外或寒冷、酷热环境下的皮带机传动系统，应充分注意润滑油品和润滑系统冷却散热等方面的适应性。
（7）大、中功率或长距离皮带机传动系统还应具有低速运行功能，以适应检修及调试验带时的需要。
（8）皮带机传动系统设计时尚应充分考虑传动系统的安装、对中及工作过程中的相关变形及由此所带来的影响，底座及联轴器设计选型时应注意其良好的适应性和安装调试的便利性。
2 皮带机传动系统的主要类型
目前，应用于皮带机上的传动系统构成主要有如下几种类型：
（1）电机＋减速机，两者之间用一般联轴器连接，这种类型一般用于中、小功率皮带机。
（2）电机＋液力偶合器（或钢球联轴器、液粘离合器等）＋减速机，可用于软起动要求不高的中、小功率皮带机。
（3）电机＋可控起动装置，主要用于大、中功率或多点驱动的皮带机。
（4）变频电机＋减速机，适用工况同（3）。
此外在进行传动系统设计时，对于斜坡安装的皮带机，传动系统还应包括有逆止器、制动器等部件。为便于安装对中，亦有直接将电机与减速机置于同一刚性底座上，并设计成摆动结构，成为一相对独立的功能模块。
应用于皮带机上的减速机主要有下面几种：
（a）圆柱齿轮或圆锥圆柱齿轮减速机。
（b）行星齿轮或圆锥齿轮与行星传动的复合齿轮箱。
（c）可控起动行星齿轮传动装置。
此外还包括了一些其它类型的传动装置，如电动滚筒，因其一般只用于小功率传动，不予讨论。有关各类齿轮箱的特点及性能，详见有关文献，不再赘述。
3 皮带机传动系统的故障及质量影响因素分析
由于各方面的原因，皮带机传动系统工作过程中出现的故障也多种多样，常见的故障主要有：
（a）齿轮或轴的断裂；
（b）齿面点蚀、胶合、烧伤；
（c）轴承滚道点蚀、剥落或烧伤；
（d）齿轮箱振动过大、箱体开裂；
（e）齿轮箱润滑系统故障、整机发热；
（f）摩擦片烧伤或失效；
（g）逆止器、制动器失效。
皮带机传动系统出现故障，轻者影响系统正常工作，严重时会使得皮带机无法正常工作，这对于一些连续生产线或重要应用场合如电力、港口、煤矿、冶金等行业，将会带来严重后果。正是基于如上考虑，一些设计者或用户往往不仔细认真地分析失效或引起故障的原因是什么，而简单武断地就认为国内产品质量不行，因而把配套传动产品直接选用国外品牌，认为这样就可以万无一失。而事实上，由于未对故障失效的本质问题研究透彻，改进措施未跟上，许多选用国外品牌的皮带机仍然出现了许多传动系统的故障或失效，因而同样未能达到解决问题之目的。
那么，影响皮带机传动系统正常工作的因素究竟有哪些？本文从减速器的自身质量、传动系统设计、产品选型及安装维护如下几个方面进行全面分析。
3.1减速器的自身质量及影响因素
影响减速器质量的因素包括了：
（a）设计因素；
（b）材料和热处理；
（c）加工制造工艺；
（d）装配及试验。
对设计方面的因素，选用定型系列产品或有着丰富产品开发经验的单位开发的产品一般都均有保障，不会成为问题。
对材料和热处理方面的要求，对较为重要的应用场合或对产品可靠性要求较高时，根据应用的具体情况，用户应指定主要零件材料的牌号、探伤类型及级别、热处理质量等级及要求，明确了这些要求，同时选定好具备相应的制造条件，市场信誉好的企业，这样连同后面的加工制造工艺和装配试车要求等一般都不会成为问题了。
一般地，对应用于皮带机传动系统的齿轮材料及相关要求，可参见下表示。
表1 齿轮材料及相关要求
合理的传动系统设计对整机，也包括齿轮箱在内的各个零部件的工作可靠性有着决定性的影响。不同类型及应用环境下的皮带机，其传动系统应按本文前面述及的要求，首先选择类型和结构型式，然后再进行系统的整体设计和零部件设计或选型。一个科学合理的传动系统是在结构功能性、经济性和安全性方面综合考虑平衡的结果。一般地，传动系统设计应重点关注下述几个方面的问题：
（1）合理进行系统软启动及软停车方式的设计选择。合理的软起动及停车方式对减缓系统冲击、降低动载荷、延长零部件寿命有着决定性的影响。对皮带机而言，目前采用的软起动方式，如变频调速、液控软起动、液力偶合器及钢球联轴器等分别适用于不同的工况和条件。如对大功率长距离的多点驱动皮带机，考虑到软起动和多驱动点功率均衡的要求，应选用可控软起动系统，如液控软起动装置。选用时起动加速度曲线及起动时间和加速度的限定值应按照对皮带机的动态特性分析一并进行，并满足有关规范要求，以实现整机优异的动力学性能。常见软起动技术的类型、特点及选用可参见有关文献，不再详述。
（2）对倾斜安装的上、下行带式输送机，其制动系统设计时应注意采取措施控制制动时间和制动加速度，以减缓制动过程中对包括齿轮箱在内的系统冲击。应尽量采用分级制动、可控制动及低速制动，应力求避免高速制动。
（3）采用电机和液力偶合器或调速型液力偶合器的组合传动型式，选型时要进行电机外特性曲线和液力偶合器特性曲线的匹配性检验，应保证系统工作时的工作点位于高效工作区间。
（4）对大功率或高可靠性要求的皮带机，应对其传动系统进行动力学建模分析，并满足以下动力学设计准则：
（a）系统工作频率及其它特征频率应远离各阶固有频率；
（b）第二阶固有频率应为阶固有频率的二倍以上，以后各相邻固有频率之比≥1.3，分布要合理；
（c）振型图的节点不能位于齿轮上；
（d）Z大转矩与其平均值之比不大于2.5。
当分析评定结果不符合上述要求时，应通过改变传动链的相关设计参数或结构参数进行调整，必要时需更换相关联接零部件的类型，以力争实现上述目标，并由此使系统获取良好的动态性能，进而保证皮带机安全可靠工作。
（5）传动系统选用的联轴器应满足相应工况要求，同时亦要考虑对中、拆卸及维修的便利性。如对长距离大功率传动，应选用传递转矩大、对中心及角向偏差补偿能力强、吸振性能好、环境适应性强的蛇形弹簧联轴器、鼓形齿联轴器、膜片联轴器等。一般传动可选用弹性柱销联轴器、弹性块联轴器等。当选用具有软起动性能的钢球联轴器时，可将起联接和软起动功能的两类联轴器复合为一体，以取得更为优异的综合性能。
3.3正确选型
选型即为正确选定所用齿轮箱的类型及规格。齿轮箱的类型主要是由应用的具体环境和布置方式所决定。如软起动要求较高时可选用具有可控起动功能的产品；要求体积小、结构紧凑时，一般应选用行星齿轮减速器，亦可选用轴装式圆锥圓柱齿轮减速器等。
在决定齿轮箱的规格时，应综合考虑载荷状况，如Z大负载、冲击情况、反向制动要求等，此外还要考虑起动频率、应用环境条件等，据此按产品选型要求认真计算选定规格，注意选定的机械功率、热功率均要满足使用要求。
为达到选型既经济又安全，准确了解皮带机的载荷及工况至关重要。选型前应对工作载荷进行准确的分析计算和评估，即应对皮带机的载荷谱有一个全面准确的评定。因此主机设计制造单位、传动件供应商及用户要充分沟通、交流，以使Z终的选型准确、可靠。必要时也要对原动机的工作状况，如起动力矩、Z大过载力矩、工作特性曲线等进行全面了解，以充分保证系统工作的匹配和合理。
3.4精心安装及维护
对一个传动系统而言，合理的安装方式和精度对正常工作有着重大影响，尤其是在对中误差较大时会有很大的附加载荷，会影响相关轴系如轴承及轴的工作寿命及可靠性，同时在设备工作过程中也要随时对轴系偏差进行监控，一旦发现异常应及早处理，以防发生不利的变化时导致事故。
传动系统的润滑冷却装置也要时刻处于正常状态，注意使用产品说明书规定的油品并定期更换，或者按照油品分析结果决定何时更换。冷却器结垢后要及时清理，以免影响冷却效果。极端应用环境下的油品一定要与之相适应，如极低温度或高温时应选用合成油等。
对应用可靠性较高的皮带机，传动系统应配置在线振动、润滑、温度等方面的监测装置，以随时对系统工作状态进行监测，当发现异常时，可报警并提醒及时对发现问题进行处理。
4 国内减速机技术现状及评价
我国的减速机行业是六十年代开始起步，改革开放后得以高速发展的。特别是在近二十多年来，随着许多大型国企及民营企业的介入，行业技术水平得以迅速提升，许多过去依赖进口的减速机产品已逐步被国产化产品所替代。总体来讲，国内主流厂家减速机产品的性能已基本与国外同类产品先进水平相当。
对带式输送机上采用的液控软起动装置，亦即常说的CST传动，多年来国内许多单位也都进行了大量研究和开发。中重院有限公司早在2000年就已对其传动机理、控制特性、摩擦散热特性、结构设计及系列化问题进行过系统分析，并完成了多个规格的方案设计。
对采用通用系列减速机的皮带机，多采用ZLY、ZSY、DBY、DCY系列产品，由于上述产品均为二十多年前开发设计的，无论是产品性能还是外观造型，均已陈旧落后。因此中重院有限公司又相继开发了MP、MR系列模块化齿轮减速器（JB/ZQ6101-2001），以及可和国外产品互换的P系列齿轮减速器。此外国内许多其它厂家也陆续开发了多种类型的大、中功率通用系列产品为皮带机配套，目前国内能够为皮带机产品提供高可靠性产品的厂家已有许多，可供用户进行充分选择。
多年来许多行业的关键传动件产品的应用实践已充分证明国内减速机行业有足够的实力为各行业提供高端的传动设备，国内目前传动件的整体技术水平已基本达到国外同类技术先进水平，并具有稳定批量提供高可靠性产品的能力。但应说明的是，如同国内许多行业一样，减速机行业也存在企业数目众多，水平参差不齐。不同层次的主机产品应选用不同性能级别的传动件产品，选对合作伙伴这才是使用者应首先予以考虑的问题。
5 小结
基于皮带机对与其配套的传动系统的要求，本文从技术设计、产品选型、使用与维护及行业技术现状几个方面讨论了相关联的一些问题，充分肯定了国内有能力为皮带机提供适用的配套传动件产品，用户不必盲目迷信国外品牌，至少应将两者置于对等地位，公平进行竞争、评判。
对国内产品，除正确进行传动系统的总体设计和产品选型及安装、使用、维护得当外，在确定产品的采购价格时，应根据产品品质给出一个公平合理的订货价格，而不应对国外产品可给出一个很高的采购价格，而对国内产品则拼命压价，造成国内外同一产品价格相差很大，却要求产品品质一样，这显然也有失公允。一个公平、公正的竞争环境方能准确合理地对中外品牌进行评判、比较，这同时对制造商和用户都是有利的。
综上述，概括起来，一个安全及运行可靠的皮带机传动系统应从如下六个方面得以保证，这就是：系统设计科学；产品选型正确；成交价格公道；安装使用合理；维护保养得当 ；安全监控到位。
认真遵从上述原则，通过主机厂、传动件供应商及使用方的密切配合和通力合作，就一定能达到皮带机安全、可靠运行之目的。
