液力偶合器在带式输送机中的应用论文大学毕业设计论文.docx

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液力偶合器在带式输送机中的应用论文大学毕业设计论文

液力偶合器在带式输送机中的应用

姓名：

王子和班级：

机械1505学号：

S20150189学院：

机械工程

摘要：

带式输送机一直是人类改造自然的主要工具。

它广泛的应用于机械、煤炭、运输等行业。

但是随着经济的发展，社会对于能源的需求大大增加，这样就势必对带式输送机提出了更高的要求。

为了适应高产高效集约化生产需要，带式输送机输送能力要加大。

长距离、高带速、大运量、大功率、高可靠性是今后发展的必然趋势，也是高产高效运输技术的发展方向。

液力偶合器应用在带式输送机中可以有效的输送机的运送效率和平稳性，从而达到提高运送效率的目的。

关键字：

带式输送机高产高效集约化液力偶合器应用提高运送效率

Theapplicationofthehydrauliccouplerinabeltconveyor

Abstract：

beltconveyorhasbeenthemaintoolofhumantransformnature.Itiswidelyusedinmachinery,coal,transportationandotherindustries.Butwiththedevelopmentofeconomy,socialdemandforenergyhasgreatlyincreased,sothatitwillinevitablyputforwardhigherrequirementsforbeltconveyor.Inordertomeettheneedsofhighyieldandhighlyintensiveproduction,beltconveyortoincreasetransmissioncapacity.Longdistance,highspeed,largecapacity,highpower,highreliabilityistheinevitabletrendoffuturedevelopment,alsoisthedevelopmentdirectionofhighyieldandefficienttransportationtechnology.Hydrauliccouplerusedinbeltconveyorcanbeeffectiveintheconveyortransportefficiencyandstability,soastoachievetheaimofimprovingtheefficiencyoftransporting.

Keywords:

beltconveyorHighproductionandefficiencyareintensiveHydrauliccouplingapplicationImprovetheefficiencyofdelivery

第一章绪论

1.1本课题研究的实际意义

随着科学与技术的不断发展，人类改造自然的方式也发生了很大的变化。

在自然矿藏资源的开采方面，带式输送机一直是人类改造自然的主要工具。

它的产生与发展凝聚了人类文明的智慧结晶，当代社会发展的步伐要求人类必须要更加合理有效的利用有限的自然资源，一切社会活动不能只关注它的经济效益，在关注经济效益的同时必须把保护自然环境放在首要地位。

所以我们必须充分应用我们现有的科学技术来改进和完善人类开采自然资源的技术与方法，从而达到更加合理有效的利用自然资源。

最终达到人与自然和谐相处的目的。

1.2国内带式输送机现状及发展前景

近几年带式输送机技术发展很快，尤其是长距离、大运量、高带速等大型带式输送机已成为主要发展方向，其核心技术是开发应用了带式输送机动态分析与监控技术，提高了带式输送机的运行性能和可靠性。

1.2.1国内带式输送机现状

我国近几年在带式输送机技术上虽然有长足的发展和创新，但仍与国外带式输送机在一些方面有差距。

1.核心技术上与国外存在差距

（1）带式输送机动态分析与监测技术。

长距离、大功率带式输送机的技术关键是动态设计与监测，它是制约大型带式输送机发展的核心技术。

目前我国用刚性理论来分析研究带式输送机，设计中虽对输送带使用了很高的安全系统，但仍与实际情况相差很远。

实际的输送带是粘弹性体，长距离带式输送机的动态响应是一个非常复杂的过程，而不能简单地用刚体力学来解释和计算。

国外已开发带式输送机动态设计方法的应用软件，在大型输送机上对输送机的动张力进行动态分析与动态监测，大大延长使用寿命，确保了输送机可靠运行，并使输送机的设备成本尤其是输送带成本大为降低。

（2）可控软起动技术与功率均衡技术。

长距离大运量带式输送机由于功率大、距离长且多机驱动，必须采用软起动方式来降低输送机制动张力，特别是多电机驱动时。

为减少对电网冲击，软起动时应有分时慢速起动，还要控制输送机起动加速度，解决承载带与驱动带的带速同步问题及输送带涌浪现象。

由于制造误差及电机特性误差，各驱动点功率会出现不均衡，一旦某个电机功率过大将会引起烧电机事故，因此，各电机之间的功率平衡应加以控制，并提高平衡精度。

国内已大量应用调速型液力偶合器来实现输送机的软起动与功率平衡，解决了长距离带式输送机的起动与功率平衡及同步性问题。

但其调节精度及可靠性与国外相比还有一定差距。

2.技术性能上与国外存在差距

我国带式输送机的主要性能与参数已不能满足高产高效矿井的需要，尤其是顺槽可伸缩带式输送机的关键元部件及其功能如自移机尾、高效储带与张紧装置等与国外有着很大差距。

（1）装机功率  我国工作面顺槽可伸缩带式输送机最大装机功率为4×250 kW，国外产品可达4×970 kW，国产带式输送机的装机功率约为国外产品的30%～40%，固定带式输送机的装机功率相差更大。

（2）运输能力  我国带式输送机最大运量为3000 t/h，国外已达5500 t/h。

（3）最大输送带宽度  我国带式输送机为1400 mm，国外最大为1830 mm。

（4）带速 由于受托辊转速限制，我国带式输送机带速为4m/s，国外为>5m/s。

（5）自移机尾  随着高产高效工作面的不断出现，要求顺槽可伸缩带式输送机机尾随着工作面的快速推进而快速自移。

国内自移机尾主要依赖进口。

LONGWALL公司生产的自移机尾用于在国内带宽1.2 m的输送机上，缺点是自移机尾输送带的跑偏量太小，纠偏能力弱，刚性差。

德国生产的自移机尾在国内使用效果优于前者，水平、垂直2个方向均有调偏油缸，纠偏能力强。

因此，前者还需完善，后者则需研制。

（6）高效储带与张紧装置  我国采用封闭式储带结构和绞车红紧为主，张紧小车易脱轨，输送带易跑偏，输送带伸缩时托辊小车需人工推移，检修麻烦。

国外采用结构先进的开放式储带装置和高精度的大扭矩、大行程自动张紧设备，托辊小车能自动随输送带伸缩到位。

输送带有易跑偏，但不会出现脱轨现象的特点。

3.可靠性、寿命上与国外存在差距

（1）输送带抗拉强度。

国生产的织物整芯阻燃输送带最高为2500 N/mm，国外为3150 N/mm。

钢丝绳芯阻燃输送带最高为4000 N/mm，国外为7000 N/mm。

（2）托辊寿命。

我国现有的托辊技术与国外比较，寿命短、速度低、阻力大，而美国使用的新型注油托辊，其运行阻力小，轴承采用稀油润滑，提高了托辊使用寿命，并可作为高速托辊应用于带式输送机上，使用面广，经济效益显著。

（3）输送机减速器寿命。

我国输送机减速器寿命2万h，国外减速器寿命7万h。

4.控制系统上与国外存在差距

（1）驱动方式。

我国为调速型液力偶合器和硬齿面减速器，国外传动方式多样，如BOSS系统、CST可控传动系统等，控制精度较高。

（2）监控装置。

国外输送机已采用高档可编程序控制器PLC，开发了先进的程序软件与综合电源继电器控制技术以及数据采信、处理、存储、传输、故障诊断与查询等完整自动监控系统。

我国输送机仅采用了中档可编程序控制器来控制输送机的启动、正常运行、停机等工作过程,无自动监测装置，没有故障诊断与查询功能等。

（3）输送机保护装置。

国外带式输送机除安装防止输送带跑偏、打滑、撕裂、过满堵塞、自动洒水降尘等保护装置外，近年又开发了很多新型监测装置：

传动滚筒、变向滚筒及托辊组的温度监测系统；烟雾报警及自动消防灭火装置；纤维织输送带纵撕裂及接头监测系统；防爆电子输送带秤自动计量系统。

这些新型保护系统我国基本处于空白。

而我国现有的打滑、堆煤、满仓保护，防跑偏、超温洒水，烟雾报警装置的可靠性、灵敏性、寿命都较低。

1.2.2带式输送机发展趋势

为了适应高产高效集约化生产需要，带式输送机输送能力要加大。

长距离、高带速、大运量、大功率、高可靠性是今后发展的必然趋势，也是高产高效运输技术的发展方向。

1.设备大型化以提高运输能力

我国在今后的10年内输送量要提高到3000～4000 t/h；带速提高至4～6m/s；输送长度对于可伸缩带式输送机要达到3000m，对于钢绳芯强力带式输送机需加长至5000m以上；单机驱动功率要达到1000～1500 kW。

煤矿现场急需主参数更大、技术更先进、性能更可靠的长距离、大运量、大功率顺槽可伸缩带式输送机。

2.提高元部件性能和可靠性

设备开机率的高低主要取决于元部件性能和可靠性。

除了进一步完善和提高现有元部件性能和可靠性，还要不断地开发研究新的技术和元件，使带式输送机的性能得到进一步的提高。

3.扩大功能，一机多用化

拓展运人、运料或双向运输等功能，做到一机多用，使其发挥最大经济效益。

开发特殊型带式输送机，如弯曲带式输送机、大倾角或垂直提升输送机等。

第2章带式输送机

2.1带式输送机简介

带式输送机是连续运输机的一种，连续运输机是固定式或移动式起重运输机中主要类型之一，其运输特点是形成装载点到装载点之间连续物料流，靠连续物料流的整体运动来完成物流从装载点到卸载点的输送。

在工业、农业、交通等各企业中,连续运输机是生产过程中组成有节奏的流水作业运输线不可缺少的组成部分。

液力偶合器是电机轴与皮带驱动滚筒（或调速机构）柔性连接器件，靠着液体的传动使动力机和工作机柔性地联接在一起。

可以避免钢性连接时对电机及调速机构造成损伤。

2.2带式输送机类型及工作原理

我国生产制造的带式输送机的品种、类型非常多。

在“八五”期间，通过国家一条龙“日产万吨综采设备”项目的实施，带式输送机的技术水平得到了很大的提高。

2.2.1带式输送机分类及特点

带式输送机分类方法有多种，按运输物料的输送带结构可分成两类，一类是普通型带式输送机，这类带式输送机在输送带运输物料的过程中，上带呈槽形，下带呈平形，输送带有托辊托起，输送带外表几何形状均为平面；另外一类是特种结构的带式输送机，各有各的输送特点，其简介如下：

各种带式输送机的特点

（1）U形带式输送机。

又称为槽形带式输送机，槽形带式输送机的明显特点是将普通带式输送机的槽形托辊角提高到使输送带呈U形，这样一来，输送带与物料间产生挤压，导致物料对胶带的摩擦力增大，从而输送机的运输倾角可达25°。

（2）管形带式输送机。

U形带式输送带进一步成槽，最后形成一个圆管状，即为管形带式输送机，因为输送带被卷成一个圆管，故可以实现密闭输送物料，可明显减轻粉状物料对环境的污染，并且可以实现弯曲运行。

（3）气垫式带输送机。

其输送带不是运行在托辊上的，而是在空气膜（气垫）上运行，省去了托辊，用不动的带有气孔的气室盘形槽和气室取代了运行的托辊，运动部件减少，总等效质量减少，阻力减小，效率提高，并且运行平稳，可提高带速。

但一般其运送物料的块度不超过300mm。

增大物流断面的方法除了用托辊把输送带强压成槽形外，也可以改变输送带本身，把输送带的运载面做成垂直边的，并且带有横隔板。

（4）压带式带输送机。

是用一条辅助带对物料施加压力。

这种输送机的主要优点是：

输送物料的最大倾角可达90°，运行速度可达6m/s，输送能力不随倾角的变化而变化，可实现松散物料和有毒物料的密闭输送。

其主要缺点是结构复杂、输送带的磨损增大和能耗较大。

（5）钢绳牵引带式输送机。

它是钢绳运输与带式运输相结合的产物，既具有钢绳的高强度、牵引灵活的特点，又具有带式运输的连续、柔性的优点。

2.2.2带式输送机工作原理

带式输送机又称胶带运输机，其主要部件是输送带，亦称为胶带，输送带兼作牵引机构和承载机构。

带式输送机组成如下图2.1所示，它主要包括以下几个部分：

输送带、托辊及中间架、滚筒拉紧装置、制动装置、清扫装置和卸料装置等。

1——皮带2——主动滚筒3——机尾换向滚筒4——托辊

图2.1带式输送机组成原理图

输送带1绕经传动滚筒2和机尾换向滚筒3形成一个封闭的环形带。

输送带的上、下两部分都支承在托辊4上.拉紧装置5给输送带以正常运转所需要的拉紧力。

工作时，传动滚筒通过它和输送带之间的摩擦力带动输送带运行。

物料从装载点装到输送带上，形成连续运动的物流，在卸载点卸载。

输送带是带式输送机部件中最昂贵和最易磨损的部件。

当输送磨损性强的物料时，如铁矿石等，输送带的耐久性要显著降低。

第3章液力偶合器

3.1液力偶合器调速原理及特点

3.1.1液力偶合器调速机理

液力偶合器以液体为介质传递功率，当动力机通过输入轴带动泵轮转动时，充注在工作腔中的工作液体在离心力作用下，沿泵轮叶片流道向外缘流动，使液体的动量矩增大。

当工作液体由泵轮冲向对面的涡轮时，工作液体便沿涡轮叶片流道做向心流动，同时释放能量并将其转化为机械能，驱动涡轮旋转并带动工作机做功。

如图3.1。

改变液力偶合器工作腔的充满度，便可以调节输出力矩和输出转速，充满度升高则输出转速升高，反之则降低，并可实现无级调速。

1.背壳

6.电动执行器

2.涡轮

7.勺管

3.工作腔

8.箱体

4.泵轮

9.冷却器

5.外壳（勺管室）

10.主循环油泵

图3.1调速型液力偶合器结构原理

3.1.2液力偶合器调速特点 

1.优越性：

（1）无级调速，在液力偶合器输入转速不变的情况下，可以输出无级连续变化的、且变化范围很宽的转速，当转速变化较大时，与节流调节相比较，有显著的节能效果。

（2）空载起动，电动机可以在空载或轻载下启动，减少对电网冲击，因而可选用容量较小的电动机及电控设备，减少设备的投资，降低起动电流。

（3）隔离振动，液力偶合器的泵轮和涡轮之间没有机械联系，转矩通过工作液体传递，是柔性连接。

当主动轴有周期性振动（如扭振等）时，不会传到从动轴上，具有良好的隔振效果。

能减缓冲击负荷，延长电动机或风机的机械寿命。

（4）过载保护。

由于液力偶合器是柔性传动，其泵轮与涡轮之间有转速差，故当从动轴阻力矩突然增加时，转速差增大，甚至当风机负荷使机器制动时，动力机仍能继续运转而不烧毁，风机也可受到保护。

（5）除轴承外无磨损部件，故工作性能可靠，能够长期无检修运行，寿命长。

（6）软起动，可以缓和地起动、加速、减速和停止。

（7）便于控制，液力偶合器的无级调速便于实现自动控制，适用于各种伺服系统控制。

（8）能用于大容量风机的变速调节，不受电动机电压高低的限制。

（9）降低噪声，当风机运行在低速时，整个给风系统的噪声明显的降低。

2.局限性：

由于还需另配主电机启动设备，专门的油液冷却散热系统，所以致使系统运行效率低，结构复杂而且体积大，损耗大，维护量大，价格适中。

3.2拖动系统的组成

由电动机带动生产机械运行的系统称作电力拖动系统；一般由电动机、传动机械、生产机械、控制设备等部分组成，如图3.2所示。

图3.2电机拖动系统组成

3.2.1生产机械

生产机械是电力施动系统的服务对象，对电力拖动系统工作情况的评价，将首先取决于生产机械的要求是否得到了充分满足。

同样我们设计一个拖动系统最原始的数据也是由生产机械提供的。

3.2.2电动机及其控制系统

电动机是拖动生产机械的原动力。

控制系统主要包括控制电动机的起动、调速、制动等相关环节的设备和电路。

在变频调速控制系统中，用于控制转速的就是变频器。

3.2.3传动机构

传动机构是用来将电动机的转矩传递给工作机械的装置。

大多数的传动机构都具有变速功能，常见的传动机构有带与带轮、齿轮变速箱、蜗轮与蜗杆、联轴器等。

3.3交流异步电动机调速方法分析

交流电动机有异步电动机（即感应电动机）和同步电动机两大类，每种电动机又都有不同类型的调速方法。

在此以三相鼠笼异步交流电动机的调速方法为主。

3.3.1交流异步电动机调速方法

按交流异步电动机原理，从定子传入转子的电磁功率Pm可分成两部分：

（1）：

是拖动负载的有效机械功率；

（2）：

是传给转子电路的转差功率，与转差率s成正比。

从能量转换角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是回收，是评价调速系统效率高低的标志。

从这点出发，可把异步电动机调速系统分成三类：

1.转差功率消耗型调速系统

上述的前三种调速方法都属于这类。

在异步电动机调速系统中，这类系统效率最低，而且越低速效率越低，它是以增加转差功率消耗来换取转速降低的（恒转矩负载时）。

可是，相对来说这类系统结构简单，设备成本最低。

2.转差功率馈送型调速系统

在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，如绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速方法属于这一类。

无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身损耗后，最终都转化成有用功率，因此这类系统效率较高，但要增加一些设备。

3.转差功率不变型调速系统

这类系统中转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高,上述后两种调速方法属于此类。

其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。

只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，但相比之下，设备成本高。

3.4皮带机拖动控制系统发展及要求

皮带机拖动控制系统也有了很大的发展，主要拖动控制系统一般采用下列几种：

1.电机直接启动配合液力偶合器；

2.软起动器配合液力偶合器启动；

3.可调速液力偶合器启动；

4.绕线电机串电阻启动；

5.CST调速启动；

6.变频器控制电机启动。

皮带机目前对拖动技术的基本要求是：

1.控制简单；

2.启动特性好，调速性能好，启动转距大；

3.节能；

4.工作可靠，维护量小；

5.价格适中。

第4章变频器简介

4.1变频器的发展

直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于19世纪，距今已有200多年的历史，已成为动力机械的主要拖动装置。

很长一段时间里，在不变速拖动系统或调速性能要求不高的场合采用的是交流电动机。

而在调速性能要求较高的拖动系统中则主要采用的是直流电动机。

4.1.1直流调速特点

直流调速系统在过去乃至今后的一段时间内仍将被广泛地使用，这是由于它具有良好的调速性能。

主要表现在其调速范围广、稳定性好、过载能力强等静、动态指标上，特别是在低速时仍能得到较大的过载能力，是其他的调速方法无法比拟的。

但直流调速系统也有着不可回避的弱点，主要表现在电动机本身的换向器及电刷维护保养困难、寿命短等方面。

随着交流变频技术的发展，直流调速系统将逐渐被变频调速系统所取代。

4.1.2变频调速技术发展

变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。

但如何得到一个单独向异步电动机供电的经济可靠的变频电源，一直是交流变频调速的主要课题。

20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速传动技术也随之取得了日新月异的进步，特别是进入20世纪90年代，随着半导体开关器件IGBT、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步电动机的静、动态特性已经可以和直流调速相媲美。

4.2变频器应用

变频调速已被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一，其优势主要体现在以下几方面。

4.2.1变频调速及其节能

由于采用变频调速后，其节能效果是十分可观的。

而用传统的挡板和阀门进行流量调节时，耗用功率变化不大。

它们的节能就具有非常重要的意义。

目前应用较成功的有恒压供水、中央空调、各类风机、水泵的变频调速。

特别值得指出的是恒压供水，由于使用效果很好，现在已形成了典型的变频控制模式，广泛应用于城乡生活用水、消防等行业。

恒压供水不仅节省大量电能，而且延长了设备的使用寿命。

4.2.2变频调速在电动机运行方面的优势

变频调速很容易实现电动机的正、反转。

只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。

变频调速系统起动大都是从低速区开始，频率较低。

加、减速时间可以任意设定，故加、减速过程比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。

变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网。

如图4.1。

图4.1

4.2.3变频器在皮带机拖动应用及其特点

利用变频器拖动电动机，起动电流小，可实现软起动和无级调速，方便的进行加减速控制，是电动机获得高性能，大幅度地节约电能，因而变频器在工业生产和生活中得到了越来越广泛的应用。

具体到带式输送机上，又有其自身的特点：

1.优越的软起动、软停止特性

变频器的起动、停止时间是任意可调（0-600秒）的，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的S型加减速时间，这样可将皮带机起停时产生的冲击减少至最小，这是其它驱动设备难以达到的。

2.验带功能

运输系统检修维护的主要工作是皮带机的检修维护，低速验带功能是皮带机检修的主要要求，变频调整系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在5%-100%额定带速范围内的任意带速。

3.平稳的重载起动

皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。

由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转可输出1.5-2倍额定转矩，因此最适于“重载起动”。

4.功率平衡

皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，为了保证系统内的同步性能，首先，要求位于机头的各滚筒应同步启停，在某一电机故障时能使系统停机，同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。

通过调整相应两变频器的速度给定和转矩给定，便可以任意增大或减小两驱动电机的电流差值的大小，控制各电机的电流值，电流值逐步趋于平衡，这便形成了一个动态的功率平衡系统。

5.自动调速、节电效果明显

对应于一些特殊生产条件的环境，有时运料的产量是极不均匀的，此时皮带机系统的运量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。

对于载荷不均的皮带机系统，可大大节约电能。

6.降低胶带张力

由于采用变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力30%，在初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。

在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。

7.具有工频转换功能（可选功能）

为了不影响生产，万一有故障，可以转换到工频旁路工作，检修时间维护变频器。

在生产需要长期全速运行时，变频器起动后也可选择切换到工频运行，这样可延长变频器内电解电容寿命。

8.