液力偶合器多年來(lái)成功使用于井下輸送系統(tǒng)。福伊特公司為滿足當(dāng)代帶式輸送系統(tǒng)對(duì)高可靠性及主動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，推出一種全新的用于井下的高性能帶式輸送機(jī)TPKL型閥控充液式液力偶合器。
1、TPKL的結(jié)構(gòu)及閉路循環(huán)原理
1.1TPKL的結(jié)構(gòu)
    TPKL型液力偶合器采用所謂閉式油路循環(huán)的設(shè)計(jì)，以顯著減小油箱及外殼的尺寸。TPKL的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
1.2  TPKL的閉路循環(huán)原理
    液力循環(huán)（泵輪／渦輪）采用外置冷卻循環(huán)系統(tǒng)，這大大加強(qiáng)了循環(huán)系統(tǒng)的性能。在TPKL液力偶合器工作時(shí)，熱的工作液從偶合器液力循環(huán)中通過(guò)節(jié)流孔流入旋轉(zhuǎn)的泵殼，并通過(guò)與旋轉(zhuǎn)方向相反的固定勺管流出，液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了液流和壓力，熱的工作液通過(guò)外置的冷卻器冷卻后直接流回偶合器的液力循環(huán)中，同時(shí)，一套供油系統(tǒng)對(duì)液力循環(huán)進(jìn)行充液或排液。通常這一過(guò)程由獨(dú)立的閥控制。通過(guò)這些閥，偶合器的充液量從0%到100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，即偶合器從全空到全滿。傳輸?shù)呐ぞ嘏c充液量以及輸出速度直接相關(guān)，偶合器內(nèi)的充液量越大，輸出的扭矩也越大。在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，偶合器內(nèi)是空的，為了啟動(dòng)膠帶機(jī)，充液量相應(yīng)的從0%增加到100%，一套電控系統(tǒng)控制電磁充液閥及排液閥來(lái)完成這一過(guò)程。
    液力偶合器的輸出特性如圖2所示。
2、TPKL的運(yùn)轉(zhuǎn)方式
2.1電機(jī)啟動(dòng)
    在靜止?fàn)顟B(tài)下，偶合器內(nèi)幾乎是空的。因此在電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中偶合器幾乎不可能傳遞任何力矩。任何殘留在偶合器內(nèi)的少量液體都會(huì)因離心力的作用而通過(guò)打開(kāi)的排液閥流回油箱。在電機(jī)工作時(shí)，充液泵為軸承提供潤(rùn)滑油。
2.2帶式輸送機(jī)啟動(dòng)及加速
    打開(kāi)充液閥，液力偶合器內(nèi)充液量逐步增加同時(shí)開(kāi)始逐步產(chǎn)生力矩，一直到達(dá)預(yù)設(shè)的限制為止。這種限制可以是膠帶機(jī)最大許用啟動(dòng)力矩或根據(jù)上次膠帶機(jī)停機(jī)時(shí)儲(chǔ)存下的力矩值乘以一個(gè)可以單獨(dú)選用的啟動(dòng)系數(shù)得到的當(dāng)前啟動(dòng)力矩值。
    有三種看起來(lái)有些相似但實(shí)際不同的方法對(duì)膠帶進(jìn)行加速。①與負(fù)載無(wú)關(guān)的力矩限制條件。在這種情況下，通過(guò)充液閥及排液閥的動(dòng)作將力矩控制在一個(gè)固定的水平，這一限制與膠帶最大許用應(yīng)力有關(guān)。與此相關(guān)，根據(jù)負(fù)載情況的不同，啟動(dòng)的時(shí)間也會(huì)不同。②與負(fù)載相關(guān)，根據(jù)上次停車(chē)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)決定當(dāng)前加速力矩；相關(guān)數(shù)值（所有驅(qū)動(dòng)的總合）始終在系統(tǒng)停車(chē)時(shí)被更新并記錄下來(lái)，再次啟動(dòng)時(shí)，記錄下的數(shù)值乘以單獨(dú)設(shè)定的啟動(dòng)系數(shù)，并成為本次啟動(dòng)的限制數(shù)據(jù)；這種控制方式如我們前面提及的那樣，限制條件數(shù)據(jù)每次啟動(dòng)時(shí)都重新設(shè)定并且每次都是不同的，膠帶的最大許用應(yīng)力作為設(shè)定數(shù)值的上限。③與負(fù)載無(wú)關(guān)的固定啟動(dòng)時(shí)間方式。
2.3工況運(yùn)行
    膠帶機(jī)一旦達(dá)到額定帶速，偶合器會(huì)被工作液全部充滿并具備最大的傳輸能力。在膠帶機(jī)工作時(shí)，通過(guò)控制減
少充液量，液力偶合器可以實(shí)現(xiàn)“可控減速”，也就是說(shuō)，可以通過(guò)減少一部分工作液來(lái)減少傳遞的力矩。
2.4停  車(chē)
    由于安全原因，膠帶機(jī)總是通過(guò)電機(jī)停車(chē)來(lái)使膠帶機(jī)停車(chē)，同時(shí)采用制動(dòng)器剎車(chē)。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為阻力，液力偶合器將幾乎全部工作液排回油箱，此后靜止60s，就可以進(jìn)行下一次的啟動(dòng)了。如果液力偶合器溫度過(guò)高，比如由于緊急停車(chē)造成的，就需要在再次啟動(dòng)以前對(duì)其進(jìn)行冷卻。
2.5停車(chē)狀態(tài)下的旁路冷卻
    停車(chē)以后，供油系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)被冷卻到60℃以下。為實(shí)現(xiàn)這一功能，充液泵運(yùn)轉(zhuǎn)使油在油箱和冷卻器之間循環(huán)冷卻。TPKL液力偶合器采用的閉路循環(huán)系統(tǒng)的冷卻效率是很高的。由于很長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間或長(zhǎng)時(shí)間的慢速運(yùn)行，熱量直接產(chǎn)生在工作液中并立即被排出到外置的冷卻器中。
    圖3、圖4描述了TPKL的閉式油路循環(huán)在滿載啟動(dòng)2×500HP的膠帶機(jī)以后（甚至在啟動(dòng)過(guò)程中）迅速冷卻的過(guò)程。這一TPKL閉路循環(huán)在啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)膠帶機(jī)速度達(dá)到大約60%時(shí)達(dá)到其最高溫度，隨后很快下降，且可以輕易實(shí)現(xiàn)每小時(shí)20次以上的啟動(dòng)頻率。在圖3中膠帶最初一段時(shí)間是相對(duì)靜止的，盡管此時(shí)TPKL偶合器在逐步產(chǎn)生起力矩，一直到膠帶開(kāi)始移動(dòng)。此時(shí)膠帶張力不斷增加，膠帶被緩慢地預(yù)張緊(該膠帶機(jī)長(zhǎng)約3660m，帶速3.5m/s)。在啟動(dòng)過(guò)程中的預(yù)張緊階段大約持續(xù)30s，帶速為正常帶速的15%，膠帶可伸長(zhǎng)15到20m，這些能量由張緊裝置吸收。
3、應(yīng)用實(shí)例
3.1實(shí)例1
    1998年第一臺(tái)TPKL型閥控充液式力偶合器在位于美國(guó)亞拉巴馬州的一個(gè)煤礦交付使用。這些TPKL型液力偶合器安裝在總共帶有4臺(tái)電機(jī)的2個(gè)“傾卸助力驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)上，驅(qū)動(dòng)力形式及技術(shù)參數(shù)如圖5所示。
    由于安裝了這些新的TPKL驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該礦在其他輸送系統(tǒng)部件沒(méi)有更換的情況下，大幅提高了產(chǎn)出及設(shè)備可靠性。通過(guò)對(duì)第一批系統(tǒng)使用獲得的良好經(jīng)驗(yàn)，該礦決定逐步將所有井下膠帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都換裝TPKL型液力偶合器。到2003年10月，該礦所有井下的膠帶機(jī)都換裝了TPKL型液力偶合器（共10條膠帶機(jī)22臺(tái)562TPKL），2004年底井下膠帶機(jī)總長(zhǎng)度延長(zhǎng)至30km。
    從1998年起，由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的更新使該礦總運(yùn)輸能力從1997年的3 .7Mt/a提高到2003年7.OMt/a。由于TPKL提供了良好的軟啟動(dòng)能力使得這些膠帶機(jī)的運(yùn)送能力大大超過(guò)了原有的設(shè)計(jì)能力，主井膠帶100%裝載量(CEMA)是2500t/h(帶寬1220m)，并能輕易提高到3000t/h，甚至是3500t/h。當(dāng)所有的長(zhǎng)壁采掘面100%運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，人們能看到所有這些膠帶機(jī)都“從邊倒邊”被裝得滿滿當(dāng)當(dāng)。
    與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造前相比，該礦設(shè)備完好率在1997年低于85%。隨著越來(lái)越多的TPKL投入使用，該數(shù)據(jù)逐年提高。2003年所有膠帶機(jī)中完好率最低的也有99.19%，而與此對(duì)應(yīng)的整個(gè)井下輸送系統(tǒng)的完好率到達(dá)97%。
3.2實(shí)例2
    1998年，在美國(guó)尤他州的一個(gè)煤礦，第二套全新的TPKL系統(tǒng)投入使用，該系統(tǒng)安裝在另一個(gè)采用傾卸助力驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)壁面膠帶機(jī)上。這也是TPKL系統(tǒng)第一次使用在多套助力驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī)上。共有7臺(tái)TPKL562型液力偶合器安裝在3組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)站上，該膠帶機(jī)的示意圖見(jiàn)圖6。在某些特殊的負(fù)載條件下，特別是膠帶機(jī)上層承載很輕而導(dǎo)致頭架驅(qū)動(dòng)承擔(dān)大部分驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的膠帶張緊控制出現(xiàn)問(wèn)題，為此特更改了控制軟件以確保頭架驅(qū)動(dòng)的速度控制。當(dāng)頭架驅(qū)動(dòng)被控制運(yùn)行在固定滑差時(shí)可不論負(fù)載情況。因此，即使是輕載的情況下，助力驅(qū)動(dòng)裝置也承受負(fù)荷。
    使用這一設(shè)備，該礦成功地完成了五個(gè)采掘面。然后，這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被移到位于該礦另一個(gè)煤層的膠帶機(jī)上使用�，F(xiàn)在該礦井已經(jīng)關(guān)閉，但這些TPKL型液力偶合器現(xiàn)仍然屬于同一個(gè)集團(tuán)公司的另一個(gè)煤礦安全運(yùn)行。
3.3實(shí)例3
    位于美國(guó)西部賓夕法尼亞州的一個(gè)礦井從1998年開(kāi)始在5條傳統(tǒng)的膠帶輸送機(jī)上裝備TPKL型液力偶合器。這是全美產(chǎn)量最大的煤礦之一，該礦每年從兩個(gè)長(zhǎng)壁面產(chǎn)煤量超過(guò)11Mt。該礦用TPKL替換了原先使用的變頻系統(tǒng)，這不僅使膠帶機(jī)的最大裝載量大幅提高，而且還顯著提高了設(shè)備的完好率。從1999年開(kāi)始，該礦的所有的膠帶機(jī)都被逐步改換成TPKL型液力偶合器�，F(xiàn)在該礦的膠帶機(jī)組包括了36套TPKL562型液力偶合器使用在400HP、500HP和600HP的雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。近期該礦還決定裝備新的1250HP雙驅(qū)動(dòng)的膠帶機(jī)并使其成為標(biāo)準(zhǔn)配置，并為這些高性能膠帶機(jī)選配TPKL650型液力偶合器。
    在2001年，該礦決定在兩個(gè)采掘面的膠帶機(jī)上第一次為助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝TPKL液力偶合器以替代原先使用的變頻系統(tǒng)。該設(shè)備在2002年投入使用，膠帶機(jī)的示意圖見(jiàn)圖7。
3.4實(shí)例4
    位于新墨西哥州的一個(gè)新礦井將其所有井上及井下的膠帶機(jī)都標(biāo)準(zhǔn)配置750HP，4160V電壓的驅(qū)動(dòng)裝置是目前全球功率最大的助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在2002年10月，這一助力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)投入使用，目前膠帶機(jī)的的長(zhǎng)度是2450m，并會(huì)隨長(zhǎng)壁開(kāi)采面的延伸而增加長(zhǎng)度，膠帶機(jī)的示意圖見(jiàn)圖8。
4、結(jié)語(yǔ)
    從上述實(shí)例可以看出TPKL型閥控充液式液力偶合器已經(jīng)被充分證明不僅完全適用于復(fù)雜的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)還特別可靠。文中提到的第一批用于井下的TPKL在使用了四年以后進(jìn)行了大修。分解檢查未發(fā)現(xiàn)肉眼能識(shí)別的磨損。由此證明，這些液力偶合器仍將能確保繼續(xù)無(wú)故障工作很多時(shí)間。
    編后語(yǔ)：德國(guó)福伊特公司做為全球最大的液力產(chǎn)品生產(chǎn)商，其液力偶合器及液力軟啟動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的大中型煤礦被廣泛應(yīng)用，本次編者特別邀請(qǐng)福伊特公司啟動(dòng)部件產(chǎn)品部經(jīng)理蘇斯特先生對(duì)TPKL型閥控充液式液力偶合器做一介紹，在第五期還將介紹TPKL型偶合器的啟動(dòng)計(jì)算及模擬程序，敬請(qǐng)關(guān)注。