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    礦用磨機雙驅方案的選擇及特點分析

    2021-08-02  來自: 中實洛陽重型機械有限公司 瀏覽次數:223

    目前新建大型選廠都通過簡化磨礦工藝流程和傳動結構,盡量增大磨機的規格和功率,以期有效提高核心設備的生產效率和作業率。為了提高礦用磨機的處理能力,bixu采用直徑更大的筒體,以裝填更多的鋼球和物料,因而驅動功率也驟然增加。如目前規格zuida半自磨機筒體內徑已達 12.8 m,球磨機筒體內徑已達 8.53 m,單臺磨機的zuida裝機功率也已經達到 28 MW。

    基于技術迭代、成本、加工能力、供貨周期甚至環境條件等不同因素考慮,不同裝機功率的大型礦用磨機可適用多種驅動方案,因而,對不同驅動方案從技術角度進行比較和選擇也是十分必要的。

    筆者通過對磨機驅動功率范圍分類,對齒輪驅動和無齒輪驅動磨機的特點進行簡要分析,并根據目前技術發展水平,zhongdian分析了雙側同步齒輪傳動磨機的方案及系統配置特點。

    1 大型礦用磨機驅動系統選擇

    為了驅動筒體回轉,使內部的鋼球磨介和礦石發生磨礦作用,bixu對這些尺寸jida的筒體施加足夠的轉矩。礦用磨機通常采用開式齒輪邊緣傳動,即動力都是由電動機通過減速器或者氣動離合器傳遞到小齒輪,由小齒輪與緊固在筒體法蘭上的大齒輪互相嚙合,從而帶動筒體回轉。

    1.1 齒輪傳動磨機適應的功率范圍

    齒輪傳動又可分為單側齒輪傳動和雙側齒輪傳動。常見的單側齒輪傳動結構簡單,投資和運轉成本低,通常用于中小型磨機;出于磨機整體結構及齒輪加工的經濟性考慮,大型磨機一般采用雙側齒輪傳動;而超出當前齒輪加工能力的礦用磨機則需要用到無齒輪傳動(Gearless Driven Mill,GDM)。因而,不同的傳動形式取決于磨機的規格以及大齒輪的設計和加工能力。在擁有新的開式齒輪設計技術及更大的齒輪加工機床之前,較大規格磨機就bixu 使用雙側齒輪驅動乃至無齒輪驅動方式。

    隨著開式齒輪技術的發展,不同驅動系統之間的競爭也在不斷加劇,zui終結果就是無齒輪驅動與齒輪驅動磨機的功率上限越來越高。目前guoji上的主流意見認為,單側齒輪傳動磨機的功率上限為10 MW,雙側齒輪傳動磨機的功率上限為20 MW,此功率以上的磨機須采用無齒輪驅動。

    在實踐中,齒輪驅動磨機的zuida裝機功率也在不斷刷新記錄,正逐漸趨于上述極限值。如中信重工機械股份有限公司(以下簡稱“中信重工”)2016年為秘魯首鋼秘鐵現場提供了4臺φ6.40 m×11.15 m 溢流型球磨機,每臺磨機裝機功率已達 8.5 MW;2017年為黑龍江多寶山銅礦二期項目提供的1臺φ11.0 m×6.4 m 半自磨機和2臺φ7.9 m×13.6 m 球磨機均采用雙側齒輪驅動,每臺磨機驅動功率已達 18 MW,即單側齒輪傳動功率達 9 MW。此外,φ11.0 m×6.4 m半自磨機大齒輪外徑已達 13.6 m,無論從尺寸上還是傳動功率上均已達quanqiuzui。單從齒輪設計及加工能力方面考慮,目前中信重工已具備加工制造直徑 16.0 m 以下、模數可達 45的大型齒輪的能力,傳遞功率可達 23 MW。

    1.2 無齒輪驅動方案

    無齒輪驅動磨機實際上是采用了一種特殊的大型低速變頻同步電動機作為動力源,這種電動機以磨機筒體作為轉子,磨機筒體法蘭上安裝有60~80組轉子電極,而電動機定子則環繞在安裝轉子的筒體法蘭周圍。這種驅動技術于1986年shouci引進到金屬礦山領域,并應用于智利 Chuquicamata 銅礦2臺裝機功率均為8.2 MW的φ9.75 m 半自磨機上,目前多用于裝機功率為22~28 MW的磨機。這種傳動方式的特點是磨機傳動功率不受限制,磨機可調速,傳動效率略高于齒輪傳動磨機;但其結構復雜,體積龐大,因而磨機整體初始投資成本、制造安裝周期及后期故障率、運營維護成本均遠高于齒輪傳動磨機。

    1.3 多點嚙合齒輪傳動方案

    目前,中信重工已著手開發新型雙電動機多點嚙合齒輪傳動方式,以適應超過 20 MW 以上的磨機傳動。其總體技術路線仍為雙側同步電動機驅動,每側電動機通過一根輸入小齒輪軸,將轉矩輸入到一個多點嚙合齒輪箱,動力在齒輪箱中由輸入小齒輪分流至兩根輸出軸上,并通過輸出軸上的2個開式齒輪共同帶動大齒輪驅動筒體回轉。

    簡而言之,這種驅動方案充分利用了目前成熟的開式齒輪設計、加工技術,通過雙側電動機,將 20.38MW的功率通過4個小齒輪傳遞到磨機筒體上。這種方案保持了齒輪驅動磨機的可靠性,可完全替代同功率無齒輪驅動方案,并zui終降低了設備采購及后期運營、維護成本。

    2 雙驅磨機的驅動形式

    目前新建或擴建的大型金屬礦山采購的主力機型仍為裝機功率在 11~18 MW的雙驅齒輪傳動半自磨機和球磨機。隨著變頻技術的發展,雙驅磨機的傳動技術思路和特點已經有了很大變化,這些技術有逐漸應用到單驅磨機上的趨勢。因此,有必要對雙驅驅動的各種技術方案進行zhongdian分析。

    雙側齒輪驅動磨機分可為異步和同步 2 種傳動方式。異步傳動方案是由2臺異步電動機分別通過1臺減速器將轉矩傳遞到兩側的小齒輪上;同步傳動方案則是由2臺低速同步電動機分別將轉矩通過離合器或聯軸器直接傳遞到兩側的小齒輪上。前者雖然組成部件較多,但成本相對較低,電動機防護等級也可做到IP54,多用于南非、澳大利亞等露天現場;而后者傳動鏈短,總體布置簡潔明了。

    對于雙側齒輪驅動磨機,首要解決的問題是如何處理兩側電動機的同步性,即bixu保證兩側電動機負載平衡;還需要考慮通過調整筒體轉速,以適應不同性質的礦石對工藝系統及磨機本體的影響。異步傳動方案通過共用啟動電阻,就可使兩側的異步繞線電動機的負載平衡性能保持在 5%以內。而雙驅低速同步驅動方案兩側電動機負載平衡的實施方式則較為復雜,通常有2 種方案可以選用:一種是通用電氣公司的QTS 雙驅同步方案,另一種是采用變頻器以主從跟隨的方式對2臺電動機轉矩進行控制,以此達到平衡。

    2.1 QTS 雙驅同步方案

    采用 QTS 雙驅同步方案的雙驅磨機,由2臺帶有Q 軸勵磁的無刷勵磁電動機分別通過氣動離合器,將轉矩傳遞到磨機兩側的小齒輪軸上。該系統的特點是,每臺電動機上的Q 軸繞組分別與其驅動勵磁繞組正交,且2個 Q 軸勵磁共用一套單獨的勵磁控制系統。

    磨機啟動時,離合器處于脫開狀態,2臺電動機一前一后空載啟動并進入同步轉速,然后氣動離合器在短時間內抱合,并帶動大小齒輪及筒體回轉。負載平衡的調節方法是,當2臺電動機間的功率差值超過預設值時,先通過脈沖釋放離合器氣壓進行粗調,然后再通過調整兩側 Q 軸勵磁電流,改變2臺電動機負載角進行精調,zui終保持兩側功率差值趨于zui小。

    這種雙驅同步解決方案于1980年開始使用,多用于雙驅定速磨機,在雙驅變頻驅動方案大規模應用之前,是解決低速同步電動機負載平衡的weiyi方案。該技術本身已非常成熟,40年來采用這種方案的磨機總裝機數量接近200臺,其中一部分現場也使用了PWM 變頻技術的QTS 變頻雙驅方案。

    2.2 變頻雙驅同步方案

    隨著電力電子技術的發展日趨成熟,近年來新的雙驅磨機逐漸采用變頻同步驅動方案。該方案中包含了變頻器、低速變頻無刷勵磁同步電動機以及磨機控制器等,一般將其整體稱之為“磨機驅動系統”。由于變頻器可以通過直接力矩控制或矢量控制等方式直接控制電動機轉矩,因而磨機啟動過程也完全發生了變化,不僅解決了同步性能,還可實現平滑帶載啟動。

    由于可以控制電動機轉矩,因而負載平衡的控制也不同于前述方案。變頻雙驅方案一般將2臺電動機分別設置為主機和從機,通過力矩或速度反饋等方式,保持2臺電動機轉矩平衡來實現兩側負載平衡。這種方式下,兩側的負載不平衡差值一般在 1%以內[6],此外,還可實現包括板結檢測在內的多種控制功能。

    3 不同雙驅系統的特點分析

    3.1 雙驅異步方案

    雙驅異步方案兩側采用異步電動機、高速聯軸器、減速器和低速聯軸器組成傳動鏈,該方案負載平衡控制方式較為簡單,傳動可靠性高,但機械零部件相對較多,運行期間點檢和維護工作量大。

    使用定速磨機方案時,一般采用繞線異步電動機驅動;采用變頻雙驅異步方案時,則采用鼠籠電動機驅動。由于前者有碳刷存在,應用時須注意定期清理因摩擦而產生的積碳。

    3.2 QTS 雙驅同步方案

    該方案通過控制氣動離合器和帶 Q 軸繞組的無刷勵磁低速同步電動機的共同作用,巧妙地解決了雙驅同步負載平衡問題。其總體布置較為簡潔,組成部件少,使用可靠,維護方便。但由于啟動時間較短,粗調時采用氣動離合器打滑來實現,對傳動系統的瞬間沖擊比較大。

    兩側氣動離合器一方面使同步電動機單獨啟動,降低了啟動電流,同時也用于負載平衡的粗調節,在電動機短路產生jida力矩的極端情況下,還能起到保險銷的作用,即切斷主電動機和小齒輪軸的連接。主電動機一般采用 30.34極無刷勵磁低速同步電動機,電動機體積較大,采用上升氣流式自通風冷卻方式,電動機下方需預留地坑。

    3.3 變頻同步方案

    目前,常規的變頻同步方案均采用交-直-交變頻方式,通過1臺或2臺變頻器驅動兩側電動機。各主要供貨廠家采用了不同的變頻器技術方案,如目前常見的有三電平、五電平以及級聯多電平等,電動機力矩控制方法也分矢量控制及直接轉矩控制等。由于不同方案對應變頻器配置、主電動機電壓、額定頻率、極數甚至其外形尺寸均不相同,因而包括變頻器和主電動機在內的驅動系統通常由同一個供應商集成供應。

    變頻雙驅磨機采用鋼球-彈簧結構的力矩限制器連接電動機和小齒輪軸,這種力矩限制器由2個半聯軸器與1個帶有多個精密碟簧-鋼球式轉矩限制聯軸模塊的模塊支架組成,出廠前力矩脫開值已經設置為2 倍電動機額定轉矩。這種力矩限制聯軸器一方面保證磨機啟動時及運行過程中能正常傳遞轉矩;另一方面,當驅動系統發生突然短路,輸出轉矩急劇上升,5 ms 內可使小齒輪脫離電動機連接,從而保護磨機大小齒輪。

    由于變頻系統隨時可對速度和力矩進行控制,這種磨機驅動系統除了有磨機帶載平滑啟動、負載平衡等功能外,還可對磨機啟動時的載荷板結進行檢測和消除,實現磨機調速等功能。需要注意的是,變頻驅動系統大都能將磨機筒體的轉速控制在0.1r/min 左右,實現磨機筒體的慢速轉動,便于停機檢修期間在外部對磨機筒體進行觀察。出于安全考慮,仍建議配置獨立的慢速驅動裝置,作為進入磨機內部施工的輔助動力源。

    4 結論

    通過對大型礦用磨機不同驅動形式及其特點進行分析和比較,得出以下結論:

    (1)目前廣泛使用的礦用磨機普遍使用單側或雙側齒輪傳動,功率超過 20 MW的磨機一般采用無齒輪傳動或新型多點嚙合方式齒輪傳動;

    (2)雙驅磨機有異步、QTS 雙驅同步和變頻雙驅同步等多種驅動形式,不同驅動形式的啟動方式、兩側電動機力矩平衡措施均不相同;

    (3)QTS 雙驅同步通過氣動離合器和Q 軸繞組,解決了同步電動機驅動的力矩平衡問題;

    (4)變頻雙驅同步則通過對磨機轉矩的控制,不僅解決了力矩平衡問題,同時也豐富了磨機的控制手段,而且jida地增強了操作者對磨機的控制能力,同時也增加了對整個磨礦系統平衡的調節手段,可為未來的磨礦系統智能化提供基礎準備。





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