對(duì)于常規(guī)礦用磨機(jī)，國內(nèi)外常采用的驅(qū)動(dòng)方式有單邊同步電動(dòng)機(jī) + 開式齒輪副驅(qū)動(dòng)、單邊異步電動(dòng)機(jī) + 減速器 + 開式齒輪副驅(qū)動(dòng)、雙邊同步電動(dòng)機(jī) + 開式齒輪副驅(qū)動(dòng)、雙邊異步電動(dòng)機(jī) + 減速器 + 開式齒輪副驅(qū)動(dòng)等幾種。研究表明，當(dāng)磨機(jī)裝機(jī)功率達(dá)到 20 MW 以上時(shí)，以上驅(qū)動(dòng)方式已不再適用。根據(jù)國際公認(rèn)的磨機(jī)驅(qū)動(dòng)方式選用原則，裝機(jī)功率在 10 MW 以下建議選用單邊驅(qū)動(dòng)；10～20 MW 建議選用雙邊驅(qū)動(dòng)；20 MW 以上建議選用無齒傳動(dòng)，即環(huán)形電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于 20 MW 以上大型礦用磨機(jī)，采用環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：磨機(jī)尺寸不受限制，其功率只與電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力有關(guān)，可以調(diào)速，沒有雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的載荷分配問題。但近些年通過對(duì)國外用戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)造價(jià)高昂，對(duì)環(huán)境要求極高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專業(yè)的維護(hù)團(tuán)隊(duì)，備件需求量大，維護(hù)成本高，可靠性也有待提高。
相對(duì)環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪傳動(dòng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如所需備件少、投資成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等，另外齒輪技術(shù)經(jīng)過近百年的快速發(fā)展已日趨成熟，安全可靠。因此，為適應(yīng)未來大型磨機(jī)的發(fā)展需求，擺脫對(duì)環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的依賴，中信重工機(jī)械股份有限公司結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分別提出了四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案和雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)方案。筆者擬從傳動(dòng)原理、技術(shù)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性等方面與原環(huán)形電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行對(duì)比，探討兩種齒輪傳動(dòng)方案的可行性，為新一代大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)提供新的解決方案。
1 傳動(dòng)方案及原理
針對(duì)提出的四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案和雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)方案，現(xiàn)以
φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)為例分別進(jìn)行介紹。已知磨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。
表 1 磨機(jī)基本技術(shù)參數(shù)
1.1 四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)
如圖 1 所示，
φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)主傳動(dòng)采用雙邊異步電動(dòng)機(jī) + 雙輸入行星減速器 + 開式齒輪傳動(dòng)方案。其中，電動(dòng)機(jī)與行星減速器采用高彈性聯(lián)軸器聯(lián)接，行星減速器與開式齒輪軸組采用齒式聯(lián)軸器聯(lián)接，主傳動(dòng)開式齒輪軸組另一端與慢速驅(qū)動(dòng)裝置聯(lián)接。
1. 異步電動(dòng)機(jī) 2. 高速聯(lián)軸器 3. 雙輸入行星減速器 4. 齒式聯(lián)軸器 5. 開式齒輪軸組 6. 齒圈 7. 慢速驅(qū)動(dòng)裝置 8. 磨機(jī)本體
圖 1 四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案
磨機(jī)主傳動(dòng)單電動(dòng)機(jī)功率 6 MW，單邊驅(qū)動(dòng)為雙電動(dòng)機(jī)輸入經(jīng)行星減速器單軸輸出，然后通過開式齒輪軸組驅(qū)動(dòng)齒圈，單邊驅(qū)動(dòng)功率 12 MW，雙邊總傳遞功率 24 MW。該傳動(dòng)方案大幅度降低了電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率，解決了大功率電動(dòng)機(jī)采購成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的問題；通過精確的電氣控制技術(shù)，可滿足雙邊四電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步性和均載性要求，并確保雙邊驅(qū)動(dòng)平均負(fù)載不均衡系數(shù)小于 2%。當(dāng)主機(jī)功率不太大時(shí)，也可將雙邊 (四電動(dòng)機(jī)) 驅(qū)動(dòng)改為單邊 (雙電動(dòng)機(jī)) 驅(qū)動(dòng)。該傳動(dòng)方案具有較寬的功率覆蓋范圍。
1.2 雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)
如圖 2 所示，
φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)主傳動(dòng)采用雙邊同步電動(dòng)機(jī) + 多點(diǎn)嚙合減速器 + 齒圈傳動(dòng)方案，單邊驅(qū)動(dòng)單元傳遞功率 12 MW。其中，電動(dòng)機(jī)與多點(diǎn)嚙合減速器采用力矩限制聯(lián)軸器聯(lián)接，減速器與開式齒圈直接嚙合驅(qū)動(dòng)磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，力矩限制聯(lián)軸器設(shè)置有制動(dòng)盤，配備制動(dòng)器，可用于更換襯板時(shí)的制動(dòng)及運(yùn)行過程中的緊急制動(dòng)。
1. 同步電動(dòng)機(jī) 2. 制動(dòng)器 3. 力矩限制聯(lián)軸器 4. 多點(diǎn)嚙合減速器 5. 齒圈 6. 磨機(jī)本體
圖 2 雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)方案
雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率相對(duì)較低，采購成本低；通過電氣控制技術(shù)保證雙邊驅(qū)動(dòng)功率不均衡系數(shù)小于 2%，同時(shí)多點(diǎn)嚙合減速器內(nèi)部設(shè)有機(jī)械柔性均載機(jī)構(gòu)，保證嚙合點(diǎn)均載；多點(diǎn)嚙合減速器與齒圈直接嚙合，取消了開式小齒輪軸組，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔；取消了慢驅(qū)傳動(dòng)裝置，通過變頻控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)磨機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)；采用多點(diǎn)嚙合技術(shù)，單邊驅(qū)動(dòng)功率可達(dá) 19 MW，雙邊驅(qū)動(dòng)功率可達(dá) 38 MW，能夠保證磨機(jī)有較高的裝機(jī)功率。
2 技術(shù)特點(diǎn)
2.1 四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)
多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是解決特大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要方法之一，在多電動(dòng)機(jī)精確控制技術(shù)的推動(dòng)下，在礦山、石油化工及軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
(1) 將常規(guī)平行軸單輸入、單輸出減速器更改為雙輸入、單輸出行星齒輪傳動(dòng)，降低了電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率，縮小了減速器體積，具有較高的功率密度。
(2) 各驅(qū)動(dòng)單元的聯(lián)接均采用柔性聯(lián)接方式，即電動(dòng)機(jī)與減速器間的棒銷聯(lián)軸器，減速器與小齒輪軸組的鼓形齒聯(lián)軸器，使得各傳動(dòng)單元能夠相對(duì)獨(dú)立，減小了電動(dòng)機(jī)和主機(jī)動(dòng)態(tài)載荷對(duì)減速器的影響。
(3) 如圖 3 所示，雙輸入、單輸出行星減速器采用兩級(jí)傳動(dòng)：第一級(jí)為雙輸入平行軸傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給二級(jí)太陽輪；第二級(jí)采用內(nèi)齒圈輸出，避免行星輪及行星轉(zhuǎn)架不平衡力矩產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)載荷而影響齒輪及軸承壽命。
1. 輸入小齒輪 2. 一級(jí)大齒輪 3. 二級(jí)行星齒輪 4. 二級(jí)太陽輪 5. 輸出內(nèi)齒圈
圖 3 雙輸入行星減速器
(4) 雙輸入行星減速器輸出內(nèi)齒圈采用薄壁把合式結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)齒圈與輸出軸的彈性變形改善齒面接觸，提高行星齒輪傳動(dòng)的均載性能。
(5) 根據(jù) AGMA6114-A06 對(duì)磨機(jī)開式齒輪服務(wù)系數(shù)的最小要求，四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)受開式齒輪軸組承載能力的限制，單邊最大傳遞功率建議不超過 12 MW，雙邊最大傳遞功率建議不超過 24 MW。
2.2 雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)
大型磨機(jī)雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)打破了常規(guī)磨機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)形式 (見圖 4)，動(dòng)力由輸入小齒輪輸入，輸入小齒輪與兩個(gè)一級(jí)大齒輪嚙合進(jìn)行功率分流，一級(jí)大齒輪與輸出小齒輪軸通過扭力軸組聯(lián)接，最后，兩個(gè)輸出小齒輪軸通過與大齒圈嚙合實(shí)現(xiàn)功率合流和磨機(jī)驅(qū)動(dòng)。該傳動(dòng)方案具有如下特點(diǎn)：
1. 輸入小齒輪 2, 2′. 一級(jí)大齒輪 3, 3′. 輸出小齒輪軸 4, 4′. 扭力軸組
圖 4 多點(diǎn)嚙合齒輪減速器
(1) 經(jīng)對(duì)各傳動(dòng)單元的分析計(jì)算，該方案可實(shí)現(xiàn)大型磨機(jī)的驅(qū)動(dòng)；
(2) 多點(diǎn)嚙合齒輪箱采用平行軸功率分流傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；
(3) 采用柔性支承瓦技術(shù)，安裝維護(hù)方便，具有較高的承載能力和可靠性；
(4) 采用扭力軸均載技術(shù)，解決了雙路受載不均的問題；
(5) 多點(diǎn)嚙合齒輪箱設(shè)計(jì)了多種彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，對(duì)零部件的加工誤差、產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差不敏感，具有良好的自適應(yīng)性；
(6) 電動(dòng)機(jī)單機(jī)功率 12 MW，相對(duì)環(huán)形電動(dòng)機(jī)，采購成本大幅度降低，技術(shù)成熟，維護(hù)方便；
(7) 傳動(dòng)系統(tǒng)取消了小齒輪軸組，縮短了傳動(dòng)鏈，提高了可靠性；
(8) 設(shè)置了力矩限制聯(lián)軸器和閘控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的過載保護(hù)和緊急制動(dòng)；
(9) 雙電動(dòng)機(jī)雙邊多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)，傳遞功率大，具有較大的功率拓展性，保守估計(jì)雙邊傳遞功率可達(dá) 38 MW 以上。
綜上所述，雙電動(dòng)機(jī)雙邊多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)具有良好的傳動(dòng)性能和可靠性，完全可以替代大型磨機(jī)環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，具有較高的可實(shí)施性及經(jīng)濟(jì)性。
3 加工要求
隨著磨機(jī)的大型化，齒輪傳動(dòng)裝置的承載能力明顯提高，對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的體積、質(zhì)量、加工精度、關(guān)鍵零部件的機(jī)械性能及可靠性等，均提出了較高的要求，故在關(guān)鍵零部件加工過程中需應(yīng)用如下關(guān)鍵技術(shù)：
(1) 大型滲碳淬火齒輪精密加工技術(shù)，如 DIN 標(biāo) 5 級(jí)精度齒輪的加工、齒面有效硬化層厚度均勻度控制及磨削缺陷的消除等；
(2)
φ10 m 及以上開式齒圈高質(zhì)量制造技術(shù)，如百噸級(jí)超重齒圈的鑄造及機(jī)械加工、Q10～Q9 級(jí)(AGMA2000) 精度輪齒加工、開式齒圈機(jī)械加工殘余應(yīng)力及變形控制等；
(3) 齒輪材料熱處理精細(xì)控制技術(shù)，如窄淬透帶高性能齒輪鋼冶煉、熱處理殘余應(yīng)力的消除與變形控制、滲碳層的精確控制、齒輪和軸等零部件機(jī)械性能的精確控制等；
(4) 大型齒輪精密修形技術(shù)，如閉式齒輪全齒面磨齒修形、開式齒輪梳齒修形等；
(5) 大型焊接箱體變形控制技術(shù)等。
4 成本及經(jīng)濟(jì)性分析
針對(duì) 20 MW 級(jí)大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，以
φ12.2 m× 8.8 m 半自磨機(jī)為例，對(duì)四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)、雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)及環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行成本分析，這 3 種傳動(dòng)方案的機(jī)械和電控液壓系統(tǒng)配置及造價(jià)對(duì)比如表 2 所列。由表 2 可知，四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)造價(jià)最低，雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)造價(jià)居中，環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案價(jià)格遠(yuǎn)高于前兩種方案。
表 2 φ12.2 m×8.8 m 半自磨機(jī)驅(qū)動(dòng)方案配置及造價(jià)對(duì)比
以上研究表明，四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)體積小，功率密度高，具有較高的承載能力，采用雙邊異步電動(dòng)機(jī) + 減速器 + 開式齒輪副驅(qū)動(dòng)方案，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和日常維護(hù)技術(shù)成熟；但由于主減速器采用行星傳動(dòng)，一旦出現(xiàn)故障，需要返廠維修，故為保證可靠性，對(duì)其加工裝配質(zhì)量的要求較高。另外，受限于開式小齒輪軸組承載能力，經(jīng)核算，該傳動(dòng)方案?jìng)鬟f功率建議不超過 24 MW。
雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合傳動(dòng)的主減速器為功率分流平行軸傳動(dòng)，單邊兩點(diǎn)嚙合，承載能力高；采用誤差彈性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試要求較低；大量采用滑動(dòng)軸承，提高了支撐剛度和承載能力，保證了減速器的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。另外主減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)維修方便。
環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可根據(jù)磨機(jī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大功率恒速、變速驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)鏈短，理論上具有較高的可靠性；但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間采用復(fù)雜的水和空氣密封裝置，需要專業(yè)的維護(hù)團(tuán)隊(duì)，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求較高，備件多，適用于資金充足、技術(shù)水平較高的用戶。
5 結(jié)語
針對(duì) 20 MW 以上大型磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，分別提出了四電動(dòng)機(jī)雙輸入行星傳動(dòng)方案和雙電動(dòng)機(jī)多點(diǎn)嚙合齒輪傳動(dòng)方案，并從傳動(dòng)原理、技術(shù)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了對(duì)比分析論證。分析結(jié)果表明，這兩種方案均可實(shí)現(xiàn) 20 MW 以上大型磨機(jī)驅(qū)動(dòng)，與環(huán)形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，可靠性高，且具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
