可控起動傳輸(CST)系統原理

可控起動傳輸（CST）系統第一節(jié) CST系統的結構及工作原理為了保證重型輸送機的平穩(wěn)、安全、經濟、高效運行，必須對其起、制動過渡過程、運行狀態(tài)及性能進行合理的調節(jié)與控制，實行軟特性可控起動與制動，延長起、制動時間，減小速度變化率及其引起的動載荷，改善輸送機的運行條件，使驅動裝置、牽引構件及張緊裝置的負載能力與強度得到充分利用，達到最佳的技術狀態(tài)和經濟效果。美國道奇（DODGE）公司制造的可控起動傳輸系統（CONTROLLED START TRANS-MISSION SYSTEM，以下簡稱CST系統）是80年代初研制的機械減速與液壓控制相結合的軟特性可控傳輸系統，它具有優(yōu)良的起動、停車、調速和功率平衡性能，是重型刮板輸送機和長大帶式輸送機上較理想的動力傳輸裝置。一、 主機結構及運動分析CST系統是一個可進行微機閉環(huán)控制的機液傳動系統，其主機部分是一個帶有反應盤濕式摩擦離合器的齒輪減速箱，如圖461所示。減速器由輸入軸、一對外嚙合齒輪（斜齒圓柱齒輪或圓錐齒輪）和一套行星輪系的二級變速裝置及與行星輪托架固接的輸出軸組成。液控反應盤濕式摩擦離合器（見圖462）由動摩擦片組、靜摩擦片組及環(huán)行液壓控制油缸組成。動摩擦片以圓周外齒嵌于行星輪系環(huán)形內齒輪一側的內環(huán)齒中，與內齒輪同步旋轉；靜摩擦片中心的花鍵孔，可沿固定于機殼離合器座上的花鍵軸滑移。牽引電動機起動時，輸入軸與電動機軸同步旋轉，經外嚙合齒輪驅動太陽輪、行星輪轉動。因與帶式輸送機驅動滾筒軸相聯接的CST輸出軸上承受很大負載力矩，輸出軸和行星輪托架不轉動，行星輪只做自轉而不繞太陽輪公轉，從而帶動內齒輪和動摩擦片旋轉。這時環(huán)形油缸活塞未擠壓摩擦片，動、靜摩擦片間隙較大，未形成傳遞扭矩的油膜，故靜摩擦片并不阻礙動摩擦片和內齒輪的旋轉運動。當電動機空載起動，達到額定轉速后，液壓控制器使環(huán)形液壓缸工作，其環(huán)形活塞的擠壓作用，使動、靜摩擦片間隙減小，二者間形成傳遞力矩的油膜，增加行星輪系內齒輪的旋轉阻力矩，即將負載力矩逐漸加到內齒輪上，這時行星輪則不僅自轉，且繞太陽輪公轉，其托架和CST輸出軸轉動，輸出力逐漸驅動負載。輸出力矩值與環(huán)形液壓缸中液體壓力成正比。隨著負載按設置加速度起動，內齒輪亦按相應減速度制動，輸出軸與內齒輪轉向相反、轉速成反比。直至動、靜摩擦片間無相對滑移轉動，動摩擦片和內齒輪停轉，行星輪托架和CST輸出軸達到最高轉速（滿速）運行。改變環(huán)形液壓缸中的壓力，移動環(huán)形活塞，即可調節(jié)動、靜摩擦片間隙及滑差，并改變對內齒輪的制動力矩及內齒輪的轉速，從而調節(jié)行星輪托架及CST輸出軸和輸送帶驅動滾筒的轉速，達到控制帶式輸送機加、減速率及運行速度的目的，實現軟特性起、制動和高、低速運行。二、 軟起動控制特性分析反應盤濕式摩擦離合器傳遞力矩方程： （461）式中 摩擦副數； 油膜的等效動力粘度，Ns/m2 ； 摩擦面面積，m2； 摩擦面內、外圓半徑，m； 主動摩擦片的（等于內齒輪的）旋轉角速度，rad/s； 從動、主動摩擦片轉速比； 油膜平均厚度，m。一定型號的CST軟起動傳輸系統中，主機各零部件結構尺寸已定；從動摩擦片不旋轉，；在一定工況下，油液的等效動力粘度基本恒定，則： （462）式中為一常數，可稱為CST濕式摩擦離合器力矩傳輸系數。在系統等加速起動過程中，電動機輸出功率基本不變，行星輪架輸出力矩，即CST主機輸出力矩： （463）式中 ； 內齒輪與太陽輪齒數比。 根據能量守恒定律： （464）令（462）式中，即： 控制起動過程中為某一常數，則： （465）在系統起動過程中，調節(jié)環(huán)形液壓缸中的壓力P，使?jié)袷侥Σ岭x合器中的油膜厚度隨時間線懷減小。當為常數時，內齒輪角速度亦呈線性減小，而行星齒輪架角速度即CST主機輸出軸角速度呈線性增大。起動過程中CST內齒輪與輸出軸轉速變化及轉換關系如圖463所示。三、系統組成及控制分析CST系統由驅動減速器、液壓系統、計算機控制系統，冷卻系統和潤滑系統組成。1、驅動減速器減速器是CST系統的主機。典型的CST減速器由一對斜齒圓柱齒輪（或斜齒圓錐齒輪）和一套行星輪系（一個太陽輪、三個行星輪及一個環(huán)形內齒輪）組成。減速器外殼為鋼板裝置式焊接結構，分上、下兩部分，外表平整光潔、質量良好。齒輪材料為Cr Mn Ni Mo（AISI標準，合金元素含量：Cr 0.4%0.6%；Mn 0.751%；Ni 0.4%0.7%；Mo 0.150.25%；C 0.4%0.45%），采用滲碳淬火熱處理工藝，齒面硬度在HRC64以上,精度等級為AGMA(美國齒輪制造協會)標準12級，內齒輪環(huán)形齒精度為AGMA標準11級等級。齒輪為整體結構，太陽輪與中間軸采用花鍵聯接，便于拆裝和更換；行星輪裝在軸承外圈上，過盈配合，結構緊湊。減速器的輸入軸，輸出軸與聯軸器聯接處無軸肩，與聯軸器以單鍵（平鍵）聯接，輸入軸與聯軸器采用端部定位結構，以防止聯軸器軸向滑動；輸出軸與聯軸器采取過盈配合，以補償單鍵傳遞力矩之不足。輸入軸、輸出軸均采用帶彈簧圈的雙唇密封，并在內側輔之以標準的油脂清潔輔助密封，以可靠、有效地隔離外部污物的侵入。軸承全部采用重載雙列調心滾子軸承，其標準號為AFBNA（減摩軸承協會）B10，工作壽命不低于15000h。減速器箱中的反應盤系統是一個濕式離合器力矩加載系統，離合器摩擦片采用1035鋼制造，厚度為2.0mm，精加工后厚度偏差值為0.0100.020mm。動摩擦片表面有熱傳遞性能很好的環(huán)氧樹脂復合材料涂層，涂層厚1.5mm，表面呈菱形花紋，構成工作油液流動溝槽，利于形成動、靜摩擦片間的工作油膜。不同型號的CST離合器摩擦片規(guī)格、數量各異，630k型CST主機中的離合器摩擦片數為32對。CST減速器的結構形式有兩種，一種是輸出軸與輸入軸平行，第一級為斜齒圓柱齒輪傳動，第二級為行星輪系傳動；另一種是輸出軸與輸入軸直交，第一級為圓錐齒輪傳動，第二級為圓柱齒輪傳動，第三級為行星輪系傳動。直交軸的CST在型號中加R表示。圖465和圖466分別為兩種典型的CST主機結構圖。2、液壓系統液壓系統提供控制油液，油泵經伺服閥向環(huán)形液壓缸提供壓力油。通過改變油壓及環(huán)形活塞壓力，控制和保持動、靜摩擦片間隙及壓力油膜產生的剪切阻力矩大小，從而獲得不同的輸出力矩和輸出轉速。液壓泵由變頻調速電機驅動，控制油泵的壓力對于630K型CST系統為20bar(2MPa)，對于1120K型CST系統為30bar(3MPa).3、潤滑系統雙向潤滑泵向系統內所有運動部件提供連續(xù)的強制潤滑和冷卻，以減小磨損、防止過熱，確保正常運行。4、冷卻系統冷卻系統對工作沒液進行降溫冷卻。起動時，吸收反應盤離合器滑動損耗發(fā)熱的工作油液，經熱交換器冷卻后再泵入反應盤系統。以埋入減速器箱內的環(huán)形熱敏傳感器監(jiān)督油溫。熱交換器有風冷和水冷兩種形式。液壓控制、潤滑及冷卻用油液均使用牌號為Mobilfluid424的汽車油。5、計算機控制系統CST具有一套完善、先進的操作、控制、保護系統計算機控制系統。該系統的核心是一臺微型計算機，在主控板上設有顯示屏幕、操作按鍵及通信接口。主控板是CST系統的控制中樞，主控板與電控板通信，電控板則具體執(zhí)行對該套CST系統的控制、保護職能。輸送機及CST系統的起動、超自然停車、多點驅動時的功率平衡及冷卻系統的開停，均采用計算機控制及屏幕監(jiān)督。操作人員將要求的特性存入電液控制器，電控部分使用固態(tài)數字邏輯電路產生準確的加速度控制。輸出軸上的數字測速計（速度傳感器）產生脈沖序壓力及反應盤壓力進行調整，以產生一個理想的加速過渡過程和加速度曲線。圖467為控制系統的基本方塊圖。CST的計算機電液控制系統技術先進，控制保護性能完善，操作使用方便快捷。（1）對系統各部分工況參數進行連續(xù)監(jiān)控及保護。受監(jiān)控的工況參數有液壓油壓力、反應盤離合器溫度、油箱油液溫度、潤滑油壓力及進出口壓差、冷卻油液流量、輸入軸的振動、輸出油轉速、電動機輸出功率等。其中一些參數直接顯示在主控板屏幕上，使操作者一目了然。如系統工作出現任何不正常狀態(tài)或發(fā)生故障，微機將發(fā)出指令使系統迅速停機，進行保護，同時在屏幕上顯示故障的類型及求助的方式。（2）分級保密系統。輸送機及CST系統工作的一些重要控制參數，如起動時間、停機時間、低速運行的速度值、油壓油溫的極限值、各驅動電動機的功率分配等，可通過主控板上的按鍵預先輸入到電子計算機中去。根據這些參數的重要程度和管理權限，劃分為A、B、C三種密級，只有相應職級的人員，才能持有該級別的密碼，從而有權輸入或修改該級別的參數，不能越級執(zhí)行。這樣的分級保密、執(zhí)行系統，為輸送機和CST系統嚴格科學的管理和安全可靠的運行提供了可靠的保證。（3）具有通信聯網能力和現代控制系統所特有的優(yōu)良性能。CST系統的主控板微型計算機設置了RS232異步串行通信接口，可以通過雙芯屏蔽通信線下與各臺CST電控箱連接，管理各CST傳動系統的運行控制和工況參數檢測，向上可與上級指揮調度中心的計算機（或PLC）聯網，傳遞CST的工作信息，并接受調度中心指令。因此該計算機電控系統可將帶式輸送機作為一個重要生產環(huán)節(jié)納入全礦的生產監(jiān)控系統中。圖468表示了CST主機（驅動器）與控制器、水冷系統、液壓系統的連接關系。根據環(huán)境條件，也可選用風冷系統，以電風扇吹風冷卻；作為選擇件，液壓控制器也可以裝到驅動器（主機）上；根據驅動單元布置條件，CST驅動器也可選用直角（KR）結構。當CST系統用于傾斜下運帶式輸送機上，且驅動電動機處于發(fā)電反饋運行方式時，CST應與制動裝置配合使用。四、控制方法 1、靜止 制動裝置鎖住，濕式摩擦離合器完全放松，處于自由狀態(tài)，輸送機與電動機分離。2、起動 仍舊使用制動裝置，濕式摩擦離合器仍處于自由狀態(tài)；通電空載起動電動機；檢查全部系統，一切正常即輸送機開始加速，否則停止。3、加速 按設置的加速度斜坡曲線，逐漸減小制動器壓力而增大濕式摩擦離合器壓力，動、靜摩擦片滑差減小，行星輪系環(huán)齒圈轉速降低，CST輸出軸轉速漸增，輸送機加速運行。4、滿速運行制動裝量完全釋放，濕式摩擦離合器完全加壓，動、靜摩擦片間無相對滑動，行星輪系環(huán)齒圈無轉動。如輸送機保持增速，則電動機進入發(fā)電反饋運行狀態(tài)，當反饋功率超過滿載功率100%時，剎車通過制動器起作用。5、慢速運行制動裝置完全釋放，濕式摩擦離合器受控保持一定壓力，動、靜摩擦片間有相對滑動，行星輪系環(huán)齒圈慢速轉動，輸送機保持慢速運行。如輸送機超過設置的速度運行，則濕式摩擦離合器松開，剎車通過制動器起作用。6、減速按設置的減速度斜坡曲線，逐漸減小濕式摩擦離合器壓力，并逐漸使用剎車。離合器動、靜摩擦片間滑差逐漸增大，行星輪系環(huán)齒圈轉速逐漸升高，CST輸出軸轉速逐漸降低，輸送機運行速度逐漸減小，直至停車。第二節(jié) CST系統的主要技術指標及性能特點1、速比CST主機減速器速比范圍=15.3857.66，AGMA標準速比有13檔：15.38，17.09，18.91，20.9，23.16，25.63，28.36，31.39，34.74，38.44，45.00，47.08，57.66。根據CST主機減速器的結構，改變第一級外嚙合齒輪的傳動比，即可獲得CST系統的不同速比。2、輸出功率P表461 CST系統輸出功率P（kw） 電動機滿載轉速=1480r/min型號230K280K420K630K1120K1750k1950K2550KAGMA傳動比實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)15.3817.0918.9117.0918.9186.678.322422415.3817.6618.8696.383.878.541840538017.0919.2586.676.962655817.0918.9186.678.394285217.0986.6156620.9320.9370.722419.4721.2976.089.536833620.6371.752020.9370.777020.9322.3870.766.21368128121382382311523.1625.6323.1625.6363.957.722422423.3825.5363.358.030628023.8824.8225.8162.059.657.345043341624.5025.5960.457.865763023.1623.5425.6363.962.957.71217111719321746215219452815254428.3631.3928.3631.3952.247.120718728.3531.7152.246.725222627.1029.2131.6354.650.746.839636833928.0030.8052.948.157552328.3631.3952.247.1101015781425175815882299207734.7438.4434.7438.4442.638.516915334.7438.4442.638.520618634.7238.4442.638.530927934.7438.3342.638.646442031.7134.7438.4446.642.638.590182474512881164143512971877169645.0047.0857.6645.0047.0857.6632.931.425.763660849799495077611081059865144913851131表462 CST系統輸出功率P（kw） 電動機滿載轉速=990r/min型號230K280K420K630K1120K1750k1950K2550KAGMA傳動比實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)實際傳動比輸出軸轉速最大輸出功率(kw)15.3817.0918.9117.0918.9186.678.322422415.3817.6618.8696.383.878.541840538017.0919.2586.676.962655817.0918.9157.0952.463057017.0986.6156620.9320.9370.722419.4721.2976.089.536833620.6371.752020.9347.351520.9322.3870.766.21368128121382382311523.1625.6323.1625.6363.957.722422423.3825.5363.358.030628023.8824.8225.8162.059.657.345043341624.5025.5940.438.744042123.1623.5425.6363.962.957.71217111719321746215219452815254428.3631.3928.3631.3952.247.120718728.3531.7152.246.725222627.1029.2131.6354.650.746.839636833928.0030.8035.432.138535028.3631.3952.247.1101015781425175815882299207734.7438.4434.7438.4442.638.516915334.7438.4442.638.520618634.7238.4442.638.530927934.7438.3328.525.831018131.7134.7438.4446.642.638.590182474512881164143512971877169645.0047.0857.6645.0047.0857.6632.931.425.763660849799495077611081059865144913851131CST系統采用輸出力矩作為作為其產品型號的標定，如1120K表示這種型號的CST系統輸出軸最大力矩為1120103in1b（126.5kNm），CST系統產品系列的輸出力矩范圍為2301032250103in1b（26288kNm）。采用4極或6極異步電動機，額定轉速為1480r/min或990r/min，速比為15.3857.66，則輸出功率范圍為1023115kW。3、CST主機尺寸630K630KRL848965W9431626H9221092pmax/i942/ib（1480r/min）630/ ib（990 r/min）pmin/i420/id（1480 r/min）281/id（990 r/min）注：LWH長寬高（mm）pmax最大輸出功率（kW）；pmin最小輸出功率（kW）i傳動比，ia=15.32, ib=17.09 ic=20.93 id=38.44 ie=57.66 4、冷卻系統的有關參數： 型號冷卻油量（L/min）液壓泵電機功率（kW）風扇電機功率（kW）630K113518.62.24 系統壓力為1030psi，約0.72.0par（71042105）5、CST系統的性能特點： CST系統主機將減速器和進行軟起、制動控制的濕式線性離合器合為一體，結構緊湊，起動和停車時加、減速度均可控。 1）起動性能好，起動和停車的加、減速度可在大范圍內調節(jié)和控制CST系統的起動加速度與負荷無關，電動機空載起動到額定轉數后，輸送機由靜止狀態(tài)按設置的加速度加速至滿速，允許每小時起動10次。它具有優(yōu)異的力矩控制特性，可根據輸送機工況（起動、調速、運行、停車）的需要，靈活精確地改變離合器的壓力及傳遞力矩的大小，實現帶式輸送機無沖擊均勻加速及平穩(wěn)運行?，F場可調加減速度，加速時間為1060s或更長，可使輸送機減速停車時間長于自然停車時間（超自然停車）。運用CST傳動系統可最大限度地降低輸送帶中的動張力及張緊裝置的位移，從而可降低輸送帶強度等級，并提高輸送帶、牽引電動機、滾筒、托輥及整機結構件壽命，以及大大減小起動電流對電網的沖擊。理想的加速度曲線為s形曲線。2）優(yōu)良的調速性能應用反應盤濕式離合器輸出速度大幅度可調，穩(wěn)定轉速可在10%100%之間任意調節(jié)，故很容易實現驗帶時的低速運行要求。3）運行可靠，效率高濕式線性離合器提供雙向保護，使減速器及輸送機免受沖擊載荷及過大驅動力矩的損害，整機壽命可以達10萬小時。離合器為非磨損部件，液壓粘滯層使各摩擦片之間沒有因相對滑動而產生的磨損，故壽命很長，無需經常更換。減速運行時，CST反應盤系統完全被鎖住，動、靜磨擦片間無滑動效率損失，所以CST系統總傳動交往率很高，可達93%。4）多級驅動或多點驅動時具有良好的功率及負載平衡性能。 用計算機控制CST系統,對所有驅動單元可實現預期的負載合理匹配或均衡分配，匹配誤差不超過2%；還可使所有電動機在空載條件下順序起動，從而降低所需電動機容量，并大大減小峰值功率對電網的要求，具有明顯的經濟效益。5）控制靈活簡便CST系統具有完善的電液控制裝置和先進的控制技術，可很容易地實現對輸送機的起動、停車時間，加、減速率，運行速度，各驅動單元的負荷分配及所提供的最大力矩等參數的精確、有效控制。6）有完善的操作、控制、保護功能CST系統的控制中心是一臺微型電子計算機，可進行全數字式控制。主控板上設顯示屏幕、操作按鍵及通信插口。電控板執(zhí)行對整套CST系統的控制、保護功能。電液控制技術先進、性能完善、安全可靠、使用方便。第三節(jié) CST系統的應用DODGE公司已銷售1000余臺CST傳輸系統，在美國、加拿大、澳大利亞、印度、中國等國的帶式輸送機上成功使用。美國有很多礦井采用CST進行技術改造，擴大生產和運輸能力。我國首先引進CST系統的是江西德西銅礦，在礦井主提升帶式輸送機（Q=2500和t/h，L=1237m,B=1200m）上安裝了三套CST（型號980K）系統，總傳動功率為2100KW，運行正常，效果很好。山西、寧夏、山東、陜西等地的一些煤礦已購買或簽約進口CST系統裝備在帶式輸送機上。神華集團神府精煤公司購買了4套630K型CST系統，將分別用于大柳塔煤礦和活雞兔煤礦的主平硐帶式輸送機上。DODGE公司準備在中國建廠生產CST傳輸系統，以便于向中國和亞洲用戶供應產品和配件。圖4611和圖4612是CST系統的應用實例。美國科羅拉多州塞浦露斯礦業(yè)公司20英里礦，設計生產能力為400萬噸/年，全礦職工175人，其中正式工50人，工作制度每班10h，工人每周工作4天（40h）。該礦主斜井長2134m，傾角為40，提升高度為152.4m。主斜井裝備三條800m長的帶式輸送機（搭接轉載），完成全礦井主提升運輸任務，如圖4613所示。主斜井吊掛式帶式輸送機主要技術參數：輸送能力Q=3200t/h，輸送機長度L=800m，帶寬B=1524mm，帶速V=3.81m/s，驅動電動機功率N=3298KW；驅動滾筒直徑D=1000mm，托輥直徑為159mm，槽角為35，4層尼龍面芯膠帶，強度為1400N/mm。該主斜井帶式輸