王向東

繼國家提出“中國智造2025”之后，工信部再次發(fā)布《建材工業(yè)智能制造數(shù)字轉(zhuǎn)型三年行動計劃（2020-2022年）》，要求推進(jìn)建材工業(yè)與信息技術(shù)在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現(xiàn)融合發(fā)展，并圈定水泥行業(yè)智能化作為轉(zhuǎn)型的重點領(lǐng)域。

當(dāng)前5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI等新興信息技術(shù)同智能制造技術(shù)相互融合的趨勢加速，促進(jìn)了智能制造的加速發(fā)展。中國許多水泥企業(yè)早已開始布局水泥生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化，例如無人駕駛礦車、不斷挑戰(zhàn)人數(shù)極限的智能工廠等等。大家的終極目標(biāo)是一致的——水泥制造智能化。在這次智能化浪潮中，傳統(tǒng)的傳動設(shè)備能不能更好的適應(yīng)智能化制造的需要？水泥智能制造對于傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)有沒有什么新要求呢？作者結(jié)合自身的工作經(jīng)驗，針對聯(lián)軸器、調(diào)速器和齒輪減速機(jī)分別提出了優(yōu)化升級的方向。以下觀點僅供參考，歡迎大家拍磚。

一、水泥制造智能化對傳動系統(tǒng)的要求

作者認(rèn)為智能化的目的是實現(xiàn)社會資源的優(yōu)化配置，具體點講就是通過物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計算、AI、自動化等各種技術(shù)手段，及時挖掘區(qū)域市場需求，并根據(jù)需求通過智能制造實現(xiàn)區(qū)域更高效地供給平衡。其結(jié)果就是工廠人員無限精簡、設(shè)備實現(xiàn)自動化、生產(chǎn)實現(xiàn)智能化。

隨著人們生活水平越來越高，工廠不得不面臨一個現(xiàn)實：愿意干臟活累活的人越來越少（這些工作優(yōu)先被機(jī)器人代替），高水平的操作工和維修工越來越少，人工成本越來越高，這就對傳動系統(tǒng)中的設(shè)備提出了新要求：

（1）簡單：即設(shè)備結(jié)構(gòu)要簡單、越簡單越好，使用要簡單、安裝要簡單、維護(hù)要簡單（Z好免維護(hù)），故障后能夠快速處理和快速恢復(fù)；

（2）可靠：即設(shè)備本身要可靠、壽命長，系統(tǒng)振動要?。?/p>

（3）高效：設(shè)備要高效節(jié)能，運行策略也要Z優(yōu)；

（4）環(huán)保：設(shè)備不能產(chǎn)生污染物污染環(huán)境，也不能產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)；

傳動是工業(yè)的基礎(chǔ)，水泥行業(yè)也是一樣，從開礦到生產(chǎn)出水泥熟料的各個環(huán)節(jié)都離不開傳動系統(tǒng)。電機(jī)傳動系統(tǒng)的形式很多，水泥行業(yè)主要的傳動方式為兩大類，一種是“電機(jī)+聯(lián)軸器+負(fù)載+控制器”，另一種是“電機(jī)+聯(lián)軸器+減速機(jī)+負(fù)載+控制器”。無論怎么智能化，Z終要通過各種傳動設(shè)備來落地。因此，想要實現(xiàn)智能化制造，首先就要求傳動系統(tǒng)的設(shè)備簡單、可靠、高效、環(huán)保，從而才能更好地、不折不扣地執(zhí)行大腦的指令。

二、傳動系統(tǒng)可能的優(yōu)化升級方向

1、傳統(tǒng)聯(lián)軸器可能優(yōu)化升級為無機(jī)械聯(lián)結(jié)的永磁聯(lián)軸器

聯(lián)軸器用于連接電機(jī)和負(fù)載，使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩，是各行業(yè)傳動系統(tǒng)中非常普遍的機(jī)械零件，如水泥行業(yè)的輥壓機(jī)、提升機(jī)、斜拉鏈、皮帶機(jī)等，其中大部分系統(tǒng)采用的是剛性聯(lián)軸器、彈性聯(lián)軸器等傳統(tǒng)聯(lián)軸器。

圖1 永磁聯(lián)軸器替代傳統(tǒng)聯(lián)軸器

永磁聯(lián)軸器是近幾年隨著稀土永磁材料發(fā)展而興起的、使主動端和被動端完全無機(jī)械聯(lián)、通過磁場實現(xiàn)扭矩傳遞、將可替代傳統(tǒng)聯(lián)軸器的一種新型聯(lián)軸器。其特點：結(jié)構(gòu)簡單、安裝簡單、具有軟啟動和過載保護(hù)功能。特別是在系統(tǒng)故障后快速恢復(fù)方面優(yōu)勢明顯。而永磁聯(lián)軸器又分為套筒異步式、套筒同步式、圓盤異步式三種典型結(jié)構(gòu)，如圖2~4所示。

這三種結(jié)構(gòu)型式在性能方面的比較見表1。

表1 三種不同結(jié)構(gòu)的永磁聯(lián)軸器比較

由表中的性能對比可以看出，套筒異步式永磁聯(lián)軸器是一種結(jié)構(gòu)Z簡單、安裝維護(hù)Z簡單的新型永磁聯(lián)軸器。

2、傳統(tǒng)機(jī)泵系統(tǒng)的調(diào)速控制方式可能優(yōu)化升級為永磁調(diào)速控制

各類風(fēng)機(jī)和泵在水泥行業(yè)中大量應(yīng)用，如回轉(zhuǎn)窯窯尾風(fēng)機(jī)、磨機(jī)尾部風(fēng)機(jī)及冷卻循環(huán)水泵等。風(fēng)機(jī)和泵選型均以系統(tǒng)的Z大流量或壓力需求來設(shè)計，并且還會留有一定的設(shè)計余量。常用的調(diào)節(jié)方式是通過調(diào)節(jié)擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)流量或壓力，不僅導(dǎo)致嚴(yán)重的節(jié)流損失，也會使風(fēng)機(jī)水泵的運行工況點偏離Z佳效率點，造成電能浪費。因此調(diào)速技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，例如傳統(tǒng)的液力耦合調(diào)速、應(yīng)用Z廣的變頻調(diào)速等。尤其是這些年高壓變頻大面積使用，逐漸暴露了一些問題，首先產(chǎn)生大量的諧波，污染電網(wǎng)；其次比較嬌貴、難維護(hù)（易受溫度、濕度、粉塵、諧波等影響）；再次故障不可預(yù)測，元器件壽命短，等等。

永磁調(diào)速技術(shù)是近幾年發(fā)展起來并趨于成熟的一種調(diào)速技術(shù)。永磁調(diào)速是電氣原理機(jī)械實現(xiàn)，通過機(jī)械手段調(diào)節(jié)切割磁力線的多少，從而實現(xiàn)對負(fù)載的調(diào)速，屬于機(jī)械調(diào)速。其本質(zhì)是扭矩控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速下降扭矩隨之變小，因此不適合恒扭矩負(fù)載調(diào)速。其結(jié)構(gòu)型式可分為套筒式、雙筒式、圓盤式三種結(jié)構(gòu)，如圖5~7所示。關(guān)于這三種結(jié)構(gòu)永磁調(diào)速器的對比見表2。

表2：三種不同結(jié)構(gòu)的永磁調(diào)速器比較

通過上述比較可以看出，套筒式永磁調(diào)速技術(shù)屬于Z簡單的調(diào)速技術(shù)。

永磁調(diào)速與高壓變頻調(diào)速相比也存在明顯的優(yōu)勢，永磁調(diào)速器安裝于電機(jī)和負(fù)載之間，如圖8所示，高壓變頻器安裝于清潔、恒溫的房間內(nèi)，如圖9所示，兩者具體的性能對比見表3。

圖8 永磁調(diào)速器

圖9 高壓變頻

表3 永磁調(diào)速技術(shù)與高壓變頻調(diào)速比較

隨著生產(chǎn)的自動化和智能化，對電能質(zhì)量的要求越來越高，諧波會引起設(shè)備誤動同時也增加能耗，因此從源頭上要盡量少用污染電網(wǎng)的設(shè)備，否則污染后再治理，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，不可控因素會越來越多，系統(tǒng)可靠性將會越來越低。

3、齒輪減速機(jī)可能的優(yōu)化升級方向為磁輪減速機(jī)或者永磁直驅(qū)電機(jī)

齒輪減速機(jī)是傳動的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各類傳動系統(tǒng)中，國徽上就是用齒輪代表工業(yè)。在水泥行業(yè)，齒輪減速機(jī)也得到了大量應(yīng)用，如輸送系統(tǒng)、破碎機(jī)、垂直滾筒輾粉機(jī)、球磨機(jī)、水平球磨機(jī)、水泥磨機(jī)、煤磨機(jī)、選粉機(jī)、斗輪機(jī)等等。

齒輪的可靠性和故障率除了材料、加工精度和裝配精度外，Z關(guān)鍵的在于潤滑，潤滑油需要定期更換，還會存在漏油污染環(huán)境問題；于沖擊載荷，齒輪的故障率也會明顯上升。

磁輪減速機(jī)是一種利用永磁體磁場間的作用力進(jìn)行傳動的裝置，由外磁環(huán)、調(diào)制環(huán)和內(nèi)磁環(huán)三部分組成。磁輪減速機(jī)運作的基本原理是使用調(diào)制環(huán)上導(dǎo)磁材料調(diào)制兩邊磁環(huán)上永磁體產(chǎn)生的磁場，使調(diào)制好的磁場具有的諧波與對面磁環(huán)上的永磁體相互作用，從而使主動轉(zhuǎn)子帶動從動轉(zhuǎn)子運行，可以替代齒輪減速機(jī)用于智能裝備中，結(jié)構(gòu)如圖10所示。該產(chǎn)品已經(jīng)具備現(xiàn)場應(yīng)用條件，實物如圖11所示。

圖10 磁輪減速機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖11 磁輪減速機(jī)實物圖

永磁直驅(qū)電機(jī)這幾年發(fā)展也非常迅速，電機(jī)直接輸出低轉(zhuǎn)速大扭矩的動力，與負(fù)載直接相連，減少了變速環(huán)節(jié)，系統(tǒng)變得很簡單。但是永磁直驅(qū)電機(jī)必須矢量變頻控制，如果變頻器故障，電機(jī)將會罷工；同時變頻器的高次諧波又影響永磁體的磁性能，會導(dǎo)致磁性緩慢衰減，因此永磁直驅(qū)電機(jī)的主要瓶頸在變頻器和應(yīng)用的環(huán)境。

無論磁輪減速技術(shù)還是永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，都代表著替代齒輪減速機(jī)的未來方向。

結(jié)束語

水泥制造向智能化、信息化、綠色化、無人惑少人化發(fā)展是大勢所趨，因此未來的傳動設(shè)備發(fā)展方向只能是簡單、可靠、免維護(hù)。正是基于這個判斷，針對傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)的聯(lián)軸器、調(diào)速器、齒輪減速機(jī)分別提出了上述可能的優(yōu)化升級的方向。

作者簡介：王向東，四川巴中人，哈工大本/碩，教授級高工；中組部第3批“萬人計劃”領(lǐng)軍人才、科技部雙創(chuàng)人才、南京市科技頂尖專家；江蘇金陵永磁產(chǎn)業(yè)研究院院長，南京艾凌節(jié)能技術(shù)公司董事長、蕪湖磁輪傳動公司董事長。

（來源：中國水泥網(wǎng)）