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摘要：煤碳井下的输送机随着煤矿设备高速发展，对其启动控制系统的安全、效率等提出了更高的要求。可控变速装置软启动的特点完全能够满足井下煤碳输送机的技术要求。本文对可控变速装置软启动的应用、优点、系统构成和工作原理进行了介绍。可控变速装置确实可以提高煤碳井下输送机的平稳、可靠运行。
关键词：煤矿输送机；启动转矩；可控变速装置；CST软启动；减速系统；
1.煤矿输送机启动概述
随着采掘技术的发展，煤矿井下带式输送机，目前正朝着大功率、长距离、大运量、高速度方向发展，单机总功率达到5000kW、输送长度达到10kM以上、运量超过5000 t/h、运行速度超过5～ 6 m/s ，其安全性、稳定性、经济性十分重要，要求选用的控制系统应功能强大、运行稳定、灵敏、可靠。
但随之，煤矿胶带输送机所固有的一些特点，对其启动、运行也造成了一些重大的影响。煤炭输送机负载大，惯性大，输送机的启动和停车都很困难。启动时，所需的启动转矩很大，增大驱动电机的容量和电网容量。同时，由于煤炭输送带基本由弹性材料制成，在启动和停车时，加速度由零增加到最大或由最大下降到零，张力在输送机各段不同程度发生。弹性材料因此发生激烈变形，造成很大的瞬时冲击应力，可能致使皮带断裂或减低使用寿命，使金属构架、机械部件承载增大甚至超荷，使结构过度疲劳损坏，增大维修量等严重后果。
如果，煤炭输送机在启动的时候，有足够长的时间，同时，输送机启动的速度也可以控制，输送带的动张力就会降至最低，其巨大瞬时的冲击力就可消除。因此，如何选择煤炭输送机软启动方式，就成为煤炭技术人员面临的实际问题。
2. 煤矿输送机驱动装置的理想诉求
煤炭输送机理想的驱动装置需要达到以下技术要求：
2.1.起动时间可在一定的范围内调整，使带式输送机满载、平稳起动；
2.2.起动加速度能够自如控制，可有效降低起动时输送带的动态初张力，降低输送带的选用安全系数。
2.3.在多机起动或多点中间起動时，可以实现多机的功率平衡；
2.4.电动机空载起动，降低对电网的冲击，有过载保护功能；
2.5.输送机瞬时停车时，可以实现不停电动机，提高电动机使用寿命；
2.6.输送机低速运行时，系统不会严重发热导致停车故障，确保正常检修工作。
3.煤矿输送机可控变速装置的应用
可控变速装置（统称为CST软启动）由于能够实现煤炭输送机的平稳启动，被应用在中国神华公司所属煤矿工作面巷道带式输送机上得到广泛地应用。输送机系统主要包括CST主机、CST液压控制、张紧装置、伸缩储带装置、卷带装置、输送带保护系统、供电系统和输送带控制系统。
在兖煤菏泽能化公司所属煤矿井下煤流系统中，可控变速装置（CST软启动控制技术）也得到应用。其带式输送机的启停、保护装置、CST张力调节及电机功率平衡有效的融合一体，极大地提高煤流运输系统的平稳可靠运行。其主煤流带式输送机布置4台710kW电机，配套使用4台750KS型CST软启动装置，整套设备通过西门子PLC控制系统将堆煤、速度、跑偏、烟雾、超温自动洒水、断带、防撕裂及胶带张力下降及沿线急停等各类保护进行集中控制，通过双环千兆工业以太网网络技术，在地面实现主皮带运输系统的集中控制。
4.可控变速装置结构组成及工作原理
可控变速装置（CST软启动意为“可控启动传输装置”）是用于大惯性负载平滑起动的多级减速齿轮装置，多用于煤矿和矿山中带式输送机的驱动。其主要是通过控制其输出轴的转速和扭矩来实现大惯性负载的平滑启制动。主要结构有四大部分，包括减速齿轮箱、滑油冷却系统、液压系统和基于可编程控制器的控制装置（如下图1所示）。
图1可控变速装置系统
4.1 .齿轮减速系统
齿轮减速系统主要由输入轴齿轮组、输出轴齿轮组和多片湿式离合器（如图2所示）共同组成。输入轴的斜齿轮将电机的旋转运动传递到太阳轮上，并通过太阳行星轮之间的啮合将运动传递到与行星轮一体的输出轴上，驱动输出轴运动。旋转板（动摩擦片）在外圈方向上通过键槽固定在齿圈/制动盘上，并随齿圈/制动盘同步旋转。静止板（静摩擦片）在内圈方向通过键槽固定在输出轴体上。内外两层摩擦片交叉布置，相互隔离。
图2离合器的结构示意图
调整环形活塞上的液压，可控制摩擦片之间的压力，并导致摩擦片之间的间隙产生变化。环形活塞上未施加控制压力时，齿圈/制动盘处于自由运动状态，CST 不传递运动。实际应用中，在带式输送机起动初期输出轴由于负载力矩作用而处于静止状态。当逐渐增大外部液压控制作用时，环形活塞将逐渐压紧离合器，由于摩擦作用齿圈/制动盘旋转速度将减慢；根据作用与反作用原理，与输出轴固定的摩擦片将受到反向作用力，当施加的控制压力能提供足够的起动力矩时，皮带机就起动了。
调节活塞上的液压压力，可精确控制输入轴电机传送到CST 输出轴的力矩。齿圈与输出轴的速度呈线性反比例关系，当齿圈静止时，输出轴将达到满速运行。
4.2.冷却系统
每台CST均配有独立的冷却系统，CST的冷却系统主要由冷却泵、风冷式热交换器及油管路组成。其中篮式过滤器、流量计及在线过滤器均集成在热交换器上，当油温未达到冷却风扇启动温度时，通过在线过滤器对循环油进行过滤清洁。
冷却系统主要用于带走由于动摩擦片和静摩擦片相对运动所带来的损耗热量。冷却系统可以采用油/空气或油/水热交换器方式，通过相等容量冷却泵的运行，促使冷却油在CST 油箱、热交换器和离合器之间循环流动以保证CST 的安全运行。
4.3.液压系统
液压系统通常由2 级机械式液压泵、桥式液压整流阀组和比例阀组成，一级液压泵为低压泵，其流量较大，主要供CST 轴承润滑并为二级泵提供输入压力；二级液压泵为高压泵，但流量较小，为桥式整流阀组提供较高的压力，以确保比例阀控制作用。 液压系统分系统控制回路和润滑回路两部分。系统控制回路为高压回路，压力油从串联式双联齿轮泵高压端输出，经离合器压力比例控制阀调节后实现对离合器的推动控制。润滑回路为低压回路，压力油从串联式双联齿轮泵的低压端输出，经润滑过滤器过滤后，通过节流孔进入轴承润滑点，实现轴承的润滑。
4.4.电控系统
电气控制系统主要由控制器、现场传感器及用户接口组成。系统通过压力变送器、速度传感器、流量变送器等传感器采集设备的主要控制信息。通过比例阀的输出，实现CST设备对皮带机平滑启动停车性能的调节，有效的减小瞬时尖峰张力变化对皮带机系统的冲击和破坏。同时通过控制器内部的功率PID算法，实现几台CST设备之间的功率平衡，最大程度的延长设备的使用寿命。实现主电机空载起动，有效的减小起动冲击电流并缩短起动时间，减少对电网的冲击。
5. 可控变速装置的优点
5.1.由于可控变速装置的电动启动开始是完全是空载启动，以后逐渐加载的，不仅大大减少了起动冲击电流对电机的影响，延长了电机的使用寿命，而且，由于起动转矩大大减小，可以仅力矩来选择电机，减小了电机功率和对电网容量的需求，节省了造价。
5.2.由于实现了“软起动”，较理想地抑制了振荡波对皮带等设备所产生的破坏和危害，大大减少了胶带、构架所受应力，减少了能量损耗，提高了输送机的使用寿命，降低了事故发生率。
5.3.减少了起动过程中的能耗，整体运行效率特别高。绕线式电机配用三级偏置减速器式的驱动装置总体效率为89%，鼠笼电机、减速器、钢性联轴节组成的系坑总体效率为81%，而采用液压连轴节、减速器、鼠笼电机组成的系统效率仅79%，而可控变速装置效率可达93%。
5.4.可实现输送机的频繁启动。在需要频繁启动时，可不使电机停止运转，通过液压系统控制来实现。这样，不仅避免了电机反复启动冲击电流对电机的严重损害，而且避免了多次连续带载启动造成振荡，对输送带及设备其他部件所造成的极大危害。
5.5.在长运距，采用多点驱动或助推装置的胶带输送机上采用可控变速装置后，不仅降低了多台同时启动对电网的冲击和供电质量的影响，而且通过逻辑电路闭环反馈控制系统可使功率分配更加合理。
5.6.可控变速装置改变了传统使用的多级齿轮传动的偏置型减速箱，不仅可大大减小减速器的体积，减小所占空间，适应井下生产条件，大大提高了效率。
6. 结言
可控变速装置具有独特的优势，是输送机启动传输装置的一大突破。其不仅较好地实现了“软启”的设想，而且做到加速均匀，速度线性可调，减速装置得以改善，技术性能先进。在煤矿井下带式输送机系统中具有广泛的应用空间。
参考文献：
[1]孟宪军浅谈CST（软启动）的特点-内蒙古煤炭经济2007（4）
[2]李兵带式输送机软启动装置的比较分析淮南职业技术学院学报2005，5（1）
[3]曹剑.赵学刚.张磊.刘伟龙浅析CST软启动装置的日常维护-工矿自动化 2010（10）
[4]邹爱英.谭永海.李孝忠.管振翔CST的调速原理及技术性能特点山东煤炭科技2005（4）
[5]张永强.Zhang Yongqiang CST在带式输送机上的实用及分析-神华科技2009，7（6）
[6]吕东生.Lu Dongsheng带式输送机软启动技术的分析-呼伦贝尔学院学报2008，16（4）
作者简介：
杨国（1980-），男，中共党员，助理工程师。毕业于兖州矿区职工大学应用电子专业，现在上海久辉电气有限公司从事煤礦电气的科研开发与质量管理工作。
关键词：煤矿输送机；启动转矩；可控变速装置；CST软启动；减速系统；
1.煤矿输送机启动概述
随着采掘技术的发展，煤矿井下带式输送机，目前正朝着大功率、长距离、大运量、高速度方向发展，单机总功率达到5000kW、输送长度达到10kM以上、运量超过5000 t/h、运行速度超过5～ 6 m/s ，其安全性、稳定性、经济性十分重要，要求选用的控制系统应功能强大、运行稳定、灵敏、可靠。
但随之，煤矿胶带输送机所固有的一些特点，对其启动、运行也造成了一些重大的影响。煤炭输送机负载大，惯性大，输送机的启动和停车都很困难。启动时，所需的启动转矩很大，增大驱动电机的容量和电网容量。同时，由于煤炭输送带基本由弹性材料制成，在启动和停车时，加速度由零增加到最大或由最大下降到零，张力在输送机各段不同程度发生。弹性材料因此发生激烈变形，造成很大的瞬时冲击应力，可能致使皮带断裂或减低使用寿命，使金属构架、机械部件承载增大甚至超荷，使结构过度疲劳损坏，增大维修量等严重后果。
如果，煤炭输送机在启动的时候，有足够长的时间，同时，输送机启动的速度也可以控制，输送带的动张力就会降至最低，其巨大瞬时的冲击力就可消除。因此，如何选择煤炭输送机软启动方式，就成为煤炭技术人员面临的实际问题。
2. 煤矿输送机驱动装置的理想诉求
煤炭输送机理想的驱动装置需要达到以下技术要求：
2.1.起动时间可在一定的范围内调整，使带式输送机满载、平稳起动；
2.2.起动加速度能够自如控制，可有效降低起动时输送带的动态初张力，降低输送带的选用安全系数。
2.3.在多机起动或多点中间起動时，可以实现多机的功率平衡；
2.4.电动机空载起动，降低对电网的冲击，有过载保护功能；
2.5.输送机瞬时停车时，可以实现不停电动机，提高电动机使用寿命；
2.6.输送机低速运行时，系统不会严重发热导致停车故障，确保正常检修工作。
3.煤矿输送机可控变速装置的应用
可控变速装置（统称为CST软启动）由于能够实现煤炭输送机的平稳启动，被应用在中国神华公司所属煤矿工作面巷道带式输送机上得到广泛地应用。输送机系统主要包括CST主机、CST液压控制、张紧装置、伸缩储带装置、卷带装置、输送带保护系统、供电系统和输送带控制系统。
在兖煤菏泽能化公司所属煤矿井下煤流系统中，可控变速装置（CST软启动控制技术）也得到应用。其带式输送机的启停、保护装置、CST张力调节及电机功率平衡有效的融合一体，极大地提高煤流运输系统的平稳可靠运行。其主煤流带式输送机布置4台710kW电机，配套使用4台750KS型CST软启动装置，整套设备通过西门子PLC控制系统将堆煤、速度、跑偏、烟雾、超温自动洒水、断带、防撕裂及胶带张力下降及沿线急停等各类保护进行集中控制，通过双环千兆工业以太网网络技术，在地面实现主皮带运输系统的集中控制。
4.可控变速装置结构组成及工作原理
可控变速装置（CST软启动意为“可控启动传输装置”）是用于大惯性负载平滑起动的多级减速齿轮装置，多用于煤矿和矿山中带式输送机的驱动。其主要是通过控制其输出轴的转速和扭矩来实现大惯性负载的平滑启制动。主要结构有四大部分，包括减速齿轮箱、滑油冷却系统、液压系统和基于可编程控制器的控制装置（如下图1所示）。
图1可控变速装置系统
4.1 .齿轮减速系统
齿轮减速系统主要由输入轴齿轮组、输出轴齿轮组和多片湿式离合器（如图2所示）共同组成。输入轴的斜齿轮将电机的旋转运动传递到太阳轮上，并通过太阳行星轮之间的啮合将运动传递到与行星轮一体的输出轴上，驱动输出轴运动。旋转板（动摩擦片）在外圈方向上通过键槽固定在齿圈/制动盘上，并随齿圈/制动盘同步旋转。静止板（静摩擦片）在内圈方向通过键槽固定在输出轴体上。内外两层摩擦片交叉布置，相互隔离。
图2离合器的结构示意图
调整环形活塞上的液压，可控制摩擦片之间的压力，并导致摩擦片之间的间隙产生变化。环形活塞上未施加控制压力时，齿圈/制动盘处于自由运动状态，CST 不传递运动。实际应用中，在带式输送机起动初期输出轴由于负载力矩作用而处于静止状态。当逐渐增大外部液压控制作用时，环形活塞将逐渐压紧离合器，由于摩擦作用齿圈/制动盘旋转速度将减慢；根据作用与反作用原理，与输出轴固定的摩擦片将受到反向作用力，当施加的控制压力能提供足够的起动力矩时，皮带机就起动了。
调节活塞上的液压压力，可精确控制输入轴电机传送到CST 输出轴的力矩。齿圈与输出轴的速度呈线性反比例关系，当齿圈静止时，输出轴将达到满速运行。
4.2.冷却系统
每台CST均配有独立的冷却系统，CST的冷却系统主要由冷却泵、风冷式热交换器及油管路组成。其中篮式过滤器、流量计及在线过滤器均集成在热交换器上，当油温未达到冷却风扇启动温度时，通过在线过滤器对循环油进行过滤清洁。
冷却系统主要用于带走由于动摩擦片和静摩擦片相对运动所带来的损耗热量。冷却系统可以采用油/空气或油/水热交换器方式，通过相等容量冷却泵的运行，促使冷却油在CST 油箱、热交换器和离合器之间循环流动以保证CST 的安全运行。
4.3.液压系统
液压系统通常由2 级机械式液压泵、桥式液压整流阀组和比例阀组成，一级液压泵为低压泵，其流量较大，主要供CST 轴承润滑并为二级泵提供输入压力；二级液压泵为高压泵，但流量较小，为桥式整流阀组提供较高的压力，以确保比例阀控制作用。 液压系统分系统控制回路和润滑回路两部分。系统控制回路为高压回路，压力油从串联式双联齿轮泵高压端输出，经离合器压力比例控制阀调节后实现对离合器的推动控制。润滑回路为低压回路，压力油从串联式双联齿轮泵的低压端输出，经润滑过滤器过滤后，通过节流孔进入轴承润滑点，实现轴承的润滑。
4.4.电控系统
电气控制系统主要由控制器、现场传感器及用户接口组成。系统通过压力变送器、速度传感器、流量变送器等传感器采集设备的主要控制信息。通过比例阀的输出，实现CST设备对皮带机平滑启动停车性能的调节，有效的减小瞬时尖峰张力变化对皮带机系统的冲击和破坏。同时通过控制器内部的功率PID算法，实现几台CST设备之间的功率平衡，最大程度的延长设备的使用寿命。实现主电机空载起动，有效的减小起动冲击电流并缩短起动时间，减少对电网的冲击。
5. 可控变速装置的优点
5.1.由于可控变速装置的电动启动开始是完全是空载启动，以后逐渐加载的，不仅大大减少了起动冲击电流对电机的影响，延长了电机的使用寿命，而且，由于起动转矩大大减小，可以仅力矩来选择电机，减小了电机功率和对电网容量的需求，节省了造价。
5.2.由于实现了“软起动”，较理想地抑制了振荡波对皮带等设备所产生的破坏和危害，大大减少了胶带、构架所受应力，减少了能量损耗，提高了输送机的使用寿命，降低了事故发生率。
5.3.减少了起动过程中的能耗，整体运行效率特别高。绕线式电机配用三级偏置减速器式的驱动装置总体效率为89%，鼠笼电机、减速器、钢性联轴节组成的系坑总体效率为81%，而采用液压连轴节、减速器、鼠笼电机组成的系统效率仅79%，而可控变速装置效率可达93%。
5.4.可实现输送机的频繁启动。在需要频繁启动时，可不使电机停止运转，通过液压系统控制来实现。这样，不仅避免了电机反复启动冲击电流对电机的严重损害，而且避免了多次连续带载启动造成振荡，对输送带及设备其他部件所造成的极大危害。
5.5.在长运距，采用多点驱动或助推装置的胶带输送机上采用可控变速装置后，不仅降低了多台同时启动对电网的冲击和供电质量的影响，而且通过逻辑电路闭环反馈控制系统可使功率分配更加合理。
5.6.可控变速装置改变了传统使用的多级齿轮传动的偏置型减速箱，不仅可大大减小减速器的体积，减小所占空间，适应井下生产条件，大大提高了效率。
6. 结言
可控变速装置具有独特的优势，是输送机启动传输装置的一大突破。其不仅较好地实现了“软启”的设想，而且做到加速均匀，速度线性可调，减速装置得以改善，技术性能先进。在煤矿井下带式输送机系统中具有广泛的应用空间。
参考文献：
[1]孟宪军浅谈CST（软启动）的特点-内蒙古煤炭经济2007（4）
[2]李兵带式输送机软启动装置的比较分析淮南职业技术学院学报2005，5（1）
[3]曹剑.赵学刚.张磊.刘伟龙浅析CST软启动装置的日常维护-工矿自动化 2010（10）
[4]邹爱英.谭永海.李孝忠.管振翔CST的调速原理及技术性能特点山东煤炭科技2005（4）
[5]张永强.Zhang Yongqiang CST在带式输送机上的实用及分析-神华科技2009，7（6）
[6]吕东生.Lu Dongsheng带式输送机软启动技术的分析-呼伦贝尔学院学报2008，16（4）
作者简介：
杨国（1980-），男，中共党员，助理工程师。毕业于兖州矿区职工大学应用电子专业，现在上海久辉电气有限公司从事煤礦电气的科研开发与质量管理工作。