大型永磁驱动带式输送高端装备的技术应用分析

编者按：中国砂石协会于2022年8月16日-18日在湖北武汉召开第九届全国砂石骨料行业科技大会。来自国家部委和各省、市有关政府部门领导，行业专家、学者，各级行业协会代表，砂石行业及上下游产业链企业代表现场参会。这是我国砂石行业今年首个全国性会议，也是名副其实的“千人大会”，线上参会人数超十万。其中大会《论文集》受到行业同仁广泛好评。

应广大读者请求，中国砂石协会融媒体中心继续推出科技大会精选投稿论文系列报道，今天推出的论文为《大型永磁驱动带式输送高端装备的技术应用分析》。原文如下：大型永磁驱动带式输送高端装备的技术应用分析郭文晋、冯志军、王彦、田根（武穴市长江矿业有限责任公司，湖北黄冈，435404）

摘要：大型永磁驱动带式输送高端装备是以低速大转矩永磁直驱电机作为驱动装置，替代传统的异步电动机+减速机的落后驱动方式，通过自适应转弯托辊组技术实现空间转弯，能够满足矿山复杂地形输送、超长距离输送要求，实现大角度上下坡和空间转弯输送，同时配备智能化控制系统，对输送机进行状态监测、故障诊断，能够实现输送机的故障预判，避免重大突发事故，是矿山物料输送的节能环保装备。

关键词：永磁驱动带式输送；智能控制系统；绿色低碳；节能降耗

引言

智能伺服永磁直驱系统是机械传动行业的一次技术革命，该系统融合了伺服矢量控制、永磁同步电动机、智能控制等技术，它取代了“异步电机+减速器+液力耦合器”的驱动系统，直接驱动生产机械。使传动系统结构简化，效率提高，噪音降低，安装方便，而且人工无需再进行日常维护，检修，从而节约了大量的人力物力成本，减轻了生产过程中的环境污染，有效减少碳排放。可广泛应用于带式输送机、提升机、绞车、球磨机等各种动力传动场合，是目前综合性能最佳的动力传动系统。该项技术为绿色低碳的数字化智能化技术，主要适用范围包括建材、煤炭、冶金、电力等行业的矿产资源输送。

1 技术内容

1.1 基本原理

大型永磁驱动带式输送高端装备是一种通过驱动滚筒与输送带的摩擦驱动实现连续运输物料的机械，主要由低速大转矩永磁直驱电机、直线段和转弯段机架、输送带、托辊、滚筒、张紧装置、逆止装置、断带抓捕装置、智能化控制系统等组成。该装备以低速大转矩永磁直驱电机作为驱动装置，替代传统的异步电动机+减速机的落后驱动方式；通过自适应转弯托辊组技术实现空间转弯，能够满足矿山复杂地形输送要求，实现大角度上下坡和空间转弯输送；同时，配备智能化控制系统，对输送机进行状态监测、故障诊断，能够实现输送机的故障预判，避免重大突发事故，是矿山物料输送的节能环保装备。

1.2 关键技术与设备

1、关键技术关键技术1：带式输送系统大功率永磁电机直驱技术。长距离大运力带式输送系统重载起动时力矩要大、转速要低，采用传统异步电机驱动时存在起动困难、冲击大、效率低等不足。为此，该项目提出了电磁-温度-应力多场耦合下低速大扭矩永磁电机设计方法，发明了电机定子绕组真空灌封工艺，通过配置灌封材料（导热系数>1.1），控制真空压力、浇注温度和时间，使电机定子绕组温升小于55K。发明了电机转子磁钢装配方法，研制了电机装配工装，创新了大功率永磁电机精确装配工艺，提高了大径长比永磁电机的装配质量和效率。

关键技术2：带式输送系统空间转弯技术。复杂地形下长距离输送系统需具备空间稳定转向运行功能，以适应沿线不同转弯半径、起伏落差大等要求。为此，该项目首次在转弯段采用四节深槽托辊组，提出了小曲率半径空间转弯段的设计理论和计算方法，发明了适应不同转弯半径的自适应调节托辊组，确保了输送带不同空间转弯半径下的自动调中和稳定转向。发明了自动复位式输送带调偏装置，有效防止了转弯段输送带跑偏、撒料等问题。

关键技术3：带式输送机自适应控制技术。带式输送系统负载具有大惯量非线性时变特征，长距离大运力带式输送系统尤为突出。该项目建立了长距离输送带粘弹性动力学模型，揭示了输送带应力波传递规律，提出了上运、下运、起伏和空间转弯等复杂工况下的状态辨识和负载自适应控制方法，开发了长距离带式输送系统自适应控制软件，实现了长距离大运力带式输送系统转矩精确分配和转速实时同步，多电机功率不平衡度由5%降低到2%，输送带张力波动幅度减小30%－60%。

关键技术4：带式输送系统故障诊断技术。为了实现对带式输送系统故障的提前预警，该项目基于多传感器信息融合与数据通讯等技术，发明了长距离带式输送系统故障检测装置，通过对永磁电机驱动系统、制动系统和中间传送段的状态监测，以及对堆料、过载、打滑、跑偏、纵向撕裂、横向断带等进行诊断，实现了由传统的事后故障处理方式到主动预警防控方式的根本性转变，有效避免了重大事故的发生。

2、关键设备——大功率永磁直驱电机智能永磁直驱系统主要包含永磁同步电动机、智能伺服控制器。永磁同步电动机永磁体由稀土永磁材料钕铁硼做成，取代电励磁，无励磁损耗；转子无绕组，无转子铜耗，无转子铁耗，因此，效率比异步电机和电励磁同步电机高；高性能的钕铁硼稀土永磁材料具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度、矫顽力都较大，用较少的钕铁硼永磁体就能产生足够的电机磁能积，因此电机体积、尺寸可以大为减小。数据表明，永磁同步电动机效率比同容量异步电动机提高3%~12%， 并且在体积和最高工作转速与异步电动机相同的情况下，输出功率也高出10%~30%。传统驱动系统与智能永磁直驱系统的能量损耗及各种费用对比如下：

表1永磁直驱系统与传统驱动系统的节能对比

表2永磁直驱系统与传统驱动系统的维护管理费对比

3、工艺（工作）流程

大型永磁驱动带式输送高端装备主要包括三个功能单元。通过三个单元的协同工作，实现长距离带式输送机的起动、制动、调速控制，并具备带式输送机的状态监测、故障诊断、断带抓捕和安全逆止保障功能。其技术功能图如下所示：

图1 大型永磁驱动带式输送高端装备技术功能图

功能单元一：长距离大运力带式输送系统本体，包括永磁直驱电机、空间转弯装置、分布式张力控制系统。

（1）带式输送系统大功率永磁电机直驱技术。长距离大运力带式输送系统重载起车力矩大、转速低，传统异步电机加中间传动环节的驱动方式存在起动困难、冲击大、效率低、能消耗大和维护繁琐等不足。本项目发明了定子绕组环氧树脂真空灌封工艺，提出了低速大扭矩永磁电机电磁-温度-应力多场耦合优化方法，解决了永磁电机高温失磁难题；发明了一种永磁电机磁钢装配方法，提高了大径长比永磁同步电机的装配质量和效率。

（2）带式输送系统空间转弯技术。长距离输送系统需具备空间稳定变向运行功能，以适应沿线不同转弯半径、起伏落差等复杂地形。为此，本项目研制了适应不同转弯半径的自适应调节托辊组，确保了输送带不同空间转弯半径下的自动调中和稳定转向，实现了输送带的小角度急转弯。

（3）输送带张力沿线分布式可控技术。长距离输送时输送带起停车沿线动张力分布极不均衡，尤其在大倾角上下坡段、空间转弯段输送带动张力梯度更大，严重制约了带式输送系统运力的提升。本项目发明了可控制动托辊，实现了输送带沿线动张力的分布式控制，提高了输送带的安全性。

功能单元二：长距离大运力带式输送系统安全保障系统，包括断带抓捕装置、逆止器等。

（1）输送机断带保护技术。带式输送机长期运行存在断带事故隐患，长距离输送时断带事故的危害巨大。本项目发明了断带保护技术，根据输送带横向波动规律设置固定在联体制动机架上的随动触发机构与闭锁微动力触发机构，在断带时利用张力减小信号以及预紧扭簧、配重作用力快速触发抓捕机构动作，并为带式输送系统主驱动装置提供停车信号，实现了上带与下带的全断面同步可靠抓捕。

（2）输送带反弹控制技术。长距离上运带式输送机重载起车过程中输送带发生弹性变形，储存了大量的弹性势能，若紧急停车，会产生巨大的反弹冲击力，严重时会损坏驱动部件，发生严重的倒转飞车事故。本项目发明了限矩型接触式逆止器，通过动、静摩擦片和蝶形弹簧限定逆止力矩，实现了各逆止器之间的逆止力矩平衡，有效延长了设备寿命，避免了事故的发生。

功能单元三：长距离大运力带式输送系统控制与监测装置，包括：自适应控制系统、智能视频监控系统、机器人巡检装置等。

（1）带式输送机自动巡检技术。随着运距和运力增大，带式输送机运行工况和沿线环境线路复杂多变，对输送机的可靠性提出了更高的要求。本项目发明了带式输送机自动巡检系统，实现了对不同地形下输送系统上下坡、转弯等关键位置运行状态的实时无人监测。

（2）带式输送机故障检测技术。为了实现对输送机故障的提前预警，本项目发明了长距离带式输送机故障检测装置，对过载、打滑、跑偏、纵向撕裂、横向断带等进行故障诊断，实现了由传统的事后故障处理方式到主动预警防控方式的根本性转变，有效避免了重大恶性事故的发生。

（3）带式输送机自动控制技术。带式输送机负载具有大惯量非线性时变特征，长距离大运力带式输送机尤为突出。本项目提出了集中驱动+多点分布式驱动的主从控制模式，实现了长距离大运力带式输送机转矩精确分配和转速实时同步；通过对上运、下运、起伏和空间变向等复杂工况进行状态辨识和负载跟踪控制，避免了控制不合理导致的超速、叠带、飘带和断带问题。

2 创新性与解决的突出问题

该项目通过产学研联合自主创新，突破了制约矿山长距离大运力带式输送系统本体关键技术、状态监测技术和大功率永磁直驱技术等共性难题，实现了大型带式输送系统的国产化。主要技术内容如下：

（1）研发了长距离大运力带式输送系统永磁电机直驱、沿线张力分布式可控、空间转弯等本体关键技术，解决了传统大型带式输送系统起动力矩小、冲击大、张力波动大等问题，增强了对矿山复杂地形的适应能力。

（2）研发了长距离大运力带式输送系统控制与监测技术，实现了输送系统的自适应控制、实时自主巡检和恶性事故超前预警，提高了输送系统运行的安全性与可靠性。

（3）研发了长距离大运力带式输送系统安全保障技术，解决了输送带反弹控制、物料防滚滑、断带抓捕保护等难题，为大型带式输送系统的重载高速运行提供了安全保障。

3 应用前景

详述该技术在行业内的推广前景和潜力，提供具体测算过程及相关数据，包括可推广范围、盘活资源储量、增加产值利润、低碳、节能、节地、节水及综合利用等。

本技术发明的“大型永磁驱动带式输送高端装备”是矿山开采和物料输送的重大技术装备，在盘活资源储量、增加产值利润、低碳、节能、节地、节水及综合利用等方面取得了显著的成效，主要表现在：

（1）盘活资源储量：矿山周边一般基础设施薄弱，交通不便，造成大量的矿产资源无法运出，本技术能够实现复杂地形下长距离大运力的矿产资源输送，尤其适用于矿产资源的大倾角、转弯连续输送，能够为矿产资源的高效连续输送提供装备保障，有效盘活矿山资源。

（2）增加产值利润：本技术具备连续高效输送的特点，小时输送量可达10000t/h以上，且每天运行时间可达20小时以上，运输效率显著提高。本技术运输成本是汽车运输成本的1/10，铁路运输成本的1/3，运输成本大幅降低，大大提高企业的产量和盈利水平。

（3）节能低碳：本项目采用大功率永磁直驱电机驱动，比传统驱动系统节能20%以上，且通过转弯技术实现了物料的单机长距离输送，无需采用多条输送机的搭接运输方式，避免了转载能耗，节能效果显著。本技术能够替代汽车输送，避免了物料长距离汽车运输产生的汽车尾气污染，降低了碳排放；

（4）节地：本技术输送机沿线廊道具有多种结构形式，与汽车运输相比，无需修建专用道路，土建工作量小，能够最大程度地减少占地面积。输送机具有空间转弯能力，能够躲避村庄、耕地等，避免对生态环境的破坏。

（5）节水及综合利用：本技术所有设备均采用电力、液压等驱动方式，冷却方式采用风扇冷却，仅在转载点处需要进行洒水降尘，我公司研发的喷雾抑尘技术能够大大降低工业用水的消耗量，节水效果良好。

大型永磁驱动带式输送高端装备是长距离运输散料的绿色、节能、高效装备，是煤炭、矿山、建材、冶金、电力等国民经济重点行业不可或缺的重大装备，国内外市场需求巨大。

2020年2月25日，国家发展改革委、国家能源局、应急管理部、国家煤矿安监局、工业和信息化部、财政部、科技部、教育部共同印发了《玩滚球的十大平台：加快煤矿智能化发展的指导意见》，《意见》指出“推进煤炭行业转型升级、促进煤炭工业高质量发展应该强化标准引领，提升煤矿智能化基础能力；推进科技创新，提高智能化技术与装备水平；实施绿色矿山建设，促进生态环境协调发展；加强国际合作，积极参与“一带一路”建设。

据行业协会统计，散料输送在水泥、矿石、煤炭等行业应用广泛，国内散料年平均需求量达264亿吨，产业链达4.52万亿/年，上下游市场潜力巨大。

图2国内散料输送行业产业链规模

据美国地质调查局的数据统计，“一带一路”已发现煤炭、铀、铁、铜、铝、稀土、钾盐、石墨等百余种能源资源，其中煤炭730亿吨，铁矿石676亿吨，未来“一带一路”沿线市场散料输送装备市场需求巨大，“一带一路”沿线市场对“智能高效节能型带式输送机”有迫切需求。

本技术发明的“大型永磁驱动带式输送高端装备”与传统带式输送机和汽车、火车等运输方式相比，具有运输效率高、节能环保、安全可靠、维护量大大减少、智能化运行的特点，入选2020年山东省可转化重大科技成果、2021年“中国好技术”A类（全国仅20项），产生了显著的经济和社会效益，未来市场潜力巨大。