Abstract: With the advent of long distance, large capacity, large power belt conveyor, at home and abroad have developed various types of soft start device. Yanzhou mining (Group) Co. Ltd made some practical achievements in CST system for belt conveyor controllable soft starting transmission technology research and application, has certain reference value for the domestic counterparts.

Key words: Coal mine; Belt conveyor; CST; Soft start

【中图分类号】TD528 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）05-0000-00

1 引言

近几年来，随着长运距、大运量、大功率带式输送机的出现，国内外相继开发出多种型式的带式输送机软启动装置。兖州矿业（集团）有限责任公司下属厂、矿积极应用当前已有的适用新技术，并与有关单位共同开展科技攻关，在带式输送机CST（Controlled Star Transmission）系统软启动可控传动技术研究与应用方面取得一些实用成果，对国内同行具有一定的参考价值。

2 带式输送机CST软启动装置性能特点

目前的大型带式输送机可控启动装置主要有液力调速装置、CST装置、液体粘性传动装置、变频调速装置和交流电动机软启动装置等几种。其中，CST装置是一种新型的机电一体化可控软启动装置。山东科技大学和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿根据使用实践对其技术性能特点进行了分析研究。

三相交流异步电动机以运行可靠、控制方便和价格低廉等因素被广泛应用于带式输送机。但由于电动机启动性能和调速性能差、启动转矩小，与带式输送机直接相连启动，会增加胶带的张力。输送带是具有粘弹性的弹性体，带式输送机系统可以认为是弹簧——质量系统。若运输系统启动时间过短，启动加速度过大，胶带产生的动张力就越大，瞬间引起的冲击力也相当大，会加速托棍、滚筒及其它部件的损坏，缩短胶带的使用寿命。可控软启动就是把启动时间和启动加速度进行控制，把加速段、减速段的胶带张力及瞬间值减至最小，以延长带式输送机胶带及其它部件的使用寿命。

2.1 结构及调速原理

①结构。CST系统是由美国道奇公司研制开发的专为大型带式输送机配套的带有电液反馈控制、齿轮减速器和低速轴端装有线性、湿式离合器的新型机电一体化软启动系统。这种装置通过比例阀及控制系统，实现软启动与功率平衡，是集减速、离合、调速于一体的传动装置。在传动稳定阶段，CST与液力偶合器不同，CST的反应盘像液压制动器一样安全锁住，不会产生滑差，没有效率损失。CST是唯一能保证在紧急停车或突然断电时提供可控停车的驱动系统。此系统主要由机械传动系统、电气控制系统、风冷热交换器、油泵系统及冷却控制系统5个部分组成，CST冷却系统包括1台冷却油循环泵和1台热交换器。CST在加速和需要离合器打滑来进行负荷分配时，冷却油通过离合器旋转板上的特殊凹槽对离合器进行冷却。离合器完全锁定后也可不需冷却器冷却；但是，多级驱动的系统多数时间是需要冷却的。减速箱下部的储油槽中应总是装有达到油标指示油位的美孚424润滑油。1个串联式（两级）液压泵固定安装在CST第一级减速齿轮轴上。其外出口油经过过虑直接输出到输入轴及中间轴的轴承上，通过沉浸溅射来冷却和润滑剩下的转动部分；液压泵的内输出口油用于激活液压控制系统来操作离合器。润滑油也起冷却减速器和离合器的作用。1台电动机驱动的冷却泵将油从油箱中抽出，使其中部分油经过热交换器冷却后经过离合器盘的凹槽回到油箱中。此冷却泵及其电动机安装在1个从CST齿轮箱伸出的机座上。冷却泵流量范围为2646L/min。热交换器为风冷型。当润滑油温度超过88℃时，温度传感器的超温信号使CST停止运行。当离合器冷却流量降得过低时，冷却压力传感器将提供同样的保护措施停止CST。

②调整原理。CST可控启动传输系统是由湿式离合器装置和液压控制系统组成的一个多级齿轮减速器。它是专门以逐渐加速的加速度平滑启动运送大惯性载荷，如煤炭或矿石的长距离带式输送机而设计的。CST装置的输出轴扭矩是由液压控制系统控制的，随着离合器的液压压力而变化。1个带式输送机传输系统可由1台电动机及1台CST装置或者多台电动机及多台CST装置组成，驱动电动机空载启动。当驱动电动机达到满转速时，控制系统逐渐增加到每台CST离合器上的液压压力，起动带式输送机并逐渐加速到满速度。使得带式输送机在达到满速度之前有1个缓慢的预拉伸过程。加速阶段的持续时间可在10～160s进行调整。当驱动系统中有多台CST装置时，控制系统可以确保每台驱动电动机分担相同的负载，合理地分配载荷可以有效地延长整个驱动系统各部件的寿命。系统中载荷的分配是通过控制系统控制每台CST离合器的压力，允许1台或几台CST的离合器保持少量打滑来实现的。输送带正常运行时，根据系统中负载的分布要求，每台CST装置的离合器保持少量打滑状态或保持最大压力（无打滑）以输出所要求的扭矩。但是，系统中任何负载的增加都将引起离合器打滑，这种情况被称为软锁定。当离合器被软锁定时，任何瞬间的过载或冲击载荷都将引起离合器打滑，驱动系统的所有部件都将在冲击或过载时受到保护。常用的直角方式CST装置有三级减速齿轮，第一级为直角螺旋斜齿轮装置，第2级为螺旋齿轮装置，第3级为行星齿轮装置。当电动机达到满转速时，太阳轮带动3个行星轮转动，行星轮带动自由旋转齿圈转动，输出轴固定在行星齿轮架上，此时并不转动。当液压系统向环形活塞加压时，离合器的旋转板和静止板相互作用，使加在齿圈上的力矩逐渐增加。当齿圈的转速以控制速率降低时，行星齿轮架由行星轮及内齿圈带动开始转动，输出轴转速与内齿圈转速成反比。

③CST系统的输出、输入信号。CST冷却油压力传感器或压力开关用于保证CST的离合器上有足够的冷却油流量；CST润滑压力传感器或压力开关用于保证CST中的轴承有足够的润滑压力；CST油温传感器RTD用于监测CST油槽中油温，以供热交换器冷却及超温报警；CST输出轴速度传感器安装在CST输出轴上，用于提供速度信号来控制输送带的加速度；CST输入轴上的速度传感器用于提供驱动电机运行信号，如果不能提供可靠的电动机功率信号，则可来检测电动机打滑及控制负载平衡；CST离合器压力传感器用于检测施加到离合器上的实际压力，以便对输送带速度进行检测和控制；输送带打滑传感器。安装在输送带滚筒轴上的速度传感器用于测量输送带速度，通过输送带速度与CST输出轴速度比较来检测输送带打滑；离合器压力比例控制阀用于调节离合器的压力，控制CST输出扭矩和输送带速度；冷却泵/电动机运行，启动冷却泵及其电动机的开关量信号；冷却风扇运行，在需要的时候开启和关闭热交换器冷却风扇的开关量信号。

2.2 技术性能特点

①主要优点。降低输送带张力、电动机的功率，减少初期投资；实现功率平稳，平衡精度±2%，反应时间5～l00ms，传动系统效率可达99%；保护功能齐全，降低胶带安全系数，且安全度不变；离合片之间的流动为层流流动，粘制力和离合器片间距离为线性关系，精确控制带式输送机的运行状态，可调带速为10%～99%。

②主要缺点。调速系统与减速器合为一体，体积大、安装不便；控制系统复杂、维护量较大；在高速轴上配置逆止器和制动器较困难；价格昂贵，备品备件要进口；使用中常有CST控制箱所有按钮都不起作用、CST系统润滑压力和冷却压力上不来、CST输出轴速度不显示和CST高温等故障。

3 CST软启动装置在兴隆庄矿带式输送机的应用

随着兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿高产高效综放工作面的全面实施，采煤工作面胶带运输量由1300t/h增到1600t/h、带速由3.15m/s提至4.50m/s，且驱动功率显著增大。如何降低重载下的胶带启动初张力、减小所需胶带强度、延长胶带接头寿命、平衡多机驱动功率、减少对电网的冲击电流、提高带式输送机运行可靠性，成为胶带运输的当务之急。他们根据生产实际，结合对带式输送机的管理经验，在新采区一采和十采集中运输系统选用CST，其具有的性能使得上述问题迎刃而解。

3.1 CST功能

该矿使用的CST是国外专为大型带式输送机平滑启动高惯性负载而设计的。CST的离合器压力盘组件安装在减速机的低速端，软启动组件同减速机为二合一单元，软启动液力传动用油和减速器齿轮润滑用油为一体，采用离合器压力盘组件可控启动，以消除负载对整个驱动系统的冲击。

①可控起动。通过PLC程序控制带式输送机启动速度曲线。此曲线是通过对带式输送机的动态分析而得来的。

②可控停车。控制带式输送机按照要求的线性曲线停车。

③可控的启动时间。带式输送机的加速启动时间可以在40～300s范围内根据要求设定。

④可控的最终速度。除了可变的启动时间外，带式输送机还可以有可变的最终速度，如验带速度（慢动）方式。最终速度为设计全速10%～50%。

3.2 实践检验

①优点。CST投运后，其良好的启动性能充分显现对带式输送机机械和电气设施的有益之处。它能够平滑、渐进地将电动机旋转扭矩传输到输出轴，消除负载对整个驱动系统的冲击；CST可用来对启动阶段的加速度进行控制，使胶带的动态涨力降至最小；带式输送机电动机可以空载起动，使电动机冲击电流造成的损害减到最小；CST驱动系统使操作者具有灵活性，即只停带式输送机而不停主电动机，亦可暂时使其中1台驱动器退出工作而带式输送机照常运行，其载荷相应降低；与传统驱动装置相比较，CST是机电一体化设计，省缺减速器和液力偶合器，外型尺寸小、重量轻便于安装，维护工作量减少、节省人工、需要开拓峒室较小，对安全生产有利；系统具备现场多种故障报警显示功能，极大方便故障处理和维护。

②不足之处。CST冷却风扇噪声大，影响操作者对开停机信号的反应速度和准确性；CST液力传动用油和减速器齿轮润滑用油为一体，虽然减少油品种类，但因CST对传动油的要求极高，系统用油一旦出现轻度不良现象，CST报警频繁、拒绝起动，易造成不应有的停机（产）损失；由于驱动功率大于CST传动以及润滑油温高，加之现场通风条件制约，用风冷装置冷却油温效果差，时常出现油温报警影响开机。

3.3 运行效益

（1）CST的投用，使带式输送机启动性得到彻底改善，延长机械和电气（电动机）使用寿命，其潜在的效益巨大；减少维修、更换主要部件用工，社会效益可观。按每月少投入120个人工、每个人工日工资30元计算，1a节省工资4.32万元；减主要部件的损失费用按1a少损坏1个滚筒计算，则减少维修费用12万元；按延长胶带使用寿命1a计算（胶带使用寿命为6a），1a少投入费用100余万元。

（2）对胶带特别是胶带接头的启动冲击力减小，避免胶带断带事故，降低停产损失。以1条胶带1a减少断带事故1次计算，1a减少停产损失360万元。

4 CST软启动装置在济二矿带式输送机的应用

兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿为南、北两翼生产，两翼均采用强力带式输送机进行原煤运输。北翼带式输送机运距1850m，运量2000t/h，带速4m/s，带宽1200mm，驱动功率2：2配置4×351kW。带式输送机采用美国道奇公司CST装置，很好实现带式输送机的软启动。

（1）CST装置的液压系统

①液压系统的组成。CST装置通过改变加在离合器上的压力来改变轴的输出力矩，实现平滑启动。其液压系统包括以下分系统：冷却系统为压力油一箱体一冷却油泵一油一空气热交换器—40目篮式过滤器一离合器盘一箱体；润滑系统为压力油一油箱一238uY型过滤器一液压桥一串联式液压泵低压泵一10u过滤器一各轴承一油箱；控制系统为压力油一油箱--238uY型过滤器一液压桥一串联式液压泵低压泵一10u过滤器一串联式液压泵高压泵一液压桥一25u过滤器一RV阀一离合器盘一油箱。

②液压系统的日常维护。液压系统的液压油既作为冷却油液，又作为工作液体，油液的质量保证至关重要。日常检修维护应注意以下几点：每天检修班进行油位和过滤器检查，检查油位是否正常、有无漏油，10u过滤器油标指示是否在绿色范围内，若油标在红色区域内则需更换或清洗过滤器；检修班每天检查各部件有无震动和异常躁声，找出引起震动和躁声的原因并加以消除；每月分析油样，检查其中金属、杂质和水分含量，同时检查油在-40℃和100℃时的粘性，若性能指标超过规定范围则必须更换液压油；每半年更换1次液压油，每1a更换液压油并清洗箱体内脏物和金属粉末，清洗所有过滤器。

（2）CST装置的控制系统

工业控制采用可编程控制器PLC实现。PLC的优点是工作可靠、抗干扰能力强、编程语句功能丰富，有逻辑控制、数字运算、I/0数据处理等，可以满足工业控制的各种要求，外围设备模块种类多，可以连接各种传感器信号。各传感器的信号以模拟量的形式传输给PLC处理器，处理器再向外围发出指令，实现装置的控制。

（3）井下应用

①优点分析。a.带式输送机使用多台CST时，启动带式输送机之前驱动电动机空载启动，在电动机达到额定转速后，通过控制系统使离合器压力增加缓慢使输送带涨紧、启动、加速至满速。通过启动时间的调整，使输送带的安全系数由原来的10降至6.5。节约成本，特别是降低胶带损耗率。至今为止，该矿只在带式输送机改造时更换过1次胶带，节约胶带资金约600万元。b.由于电动机为空载启动，减小启动对电动机的影响。带式输送机的电动机至今未更换过，运行状态良好。c.CST装置可以控制带式输送机的停机曲线，由于增加停机时间，输送带在停机过程中的动态张力可以减至最小。此种特性极大减轻长距离、大运量带式输送机对涨紧装置的要求，使用普通涨紧装置就能满足要求。d.通过CST装置对带式输送机的保护作用，延长带式输送机各设备部件的使用寿命，保证工作面的正常生产。

②使用体会。由于煤矿井下煤尘较多，在呼吸器、篮网过滤器等裸露部分，煤尘杂质容易进入，影响压力油的性能及各过滤器、阀件的使用寿命；这种设备属于带式输送机软启动技术方面较为先进的设备，在使用前需要进行职工培训，提高日常维护的技能。

5 CST软启动装置在济三矿带式输送机的应用

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿设计能力5Mt/a，目前已经超过10Mt/a。2台带式输送机采用CST作为软启动传输装置，配备美国罗克韦尔道奇公司CST减速器、天津天宁公司TK200监控系统和中国矿业大学YZL型液压自动张紧装置，整个系统由PLC控制。

（1）TK200监控系统

TK200监控系统是1种适用于各种控制任务的通用型工业自动化系统，与CST系统相互配合可完成带式输送机的软启动和软停车。带式输送机启动过程为：按下TK200控制系统启动按钮，带式输送机开始预警，经过2s后胶带张紧；当系统收到张紧返回信号后，间隔3s依次启动3台主电动机；如果此时没有故障信号则发出CST运行信号，带式输送机开始启动直至满速4.5m/s。当需要正常停车时，控制系统可实现胶带停止而主电动机不停，减少主电动机的频繁启动。

（2）CST系统组成

①CST减速齿轮箱。由输入轴齿轮组、输出轴行星齿轮组和离合器3个部分组成。

②润滑系统。CST系统液压泵为两级式双联液压泵，由与CST输入轴相连的中间轴直接驱动。无论CST旋转方向如何，双联泵均可为系统提供润滑和控制用的泵压。

③冷却系统。用于带走动摩擦片和静摩擦片相对运动产生的热量。由于将原来的油/空气热交换方式改为油/水热交换方式，解决油温高的问题。

④离合器控制系统。CST控制器输出信号到比例阀PCV，对离合器压力进行比例控制，离合器压力表及压力变送器将压力信号反馈至CST控制器中。控制压力输出从输出轴底部连接到离合器活塞上。来自PCV的控制压力将压缩离合器活塞环好摩擦盘，实现力矩传输，并且与CST控制器和PCV阀输出成正比。这一切都是通过PLC程序中多个PID控制回路实现。

（3）主要控制信号

离合器压力4～20mA，监测施加到离合器上的压力，以便对胶带速度进行检测和控制；润滑压力4～20mA，保证系统轴承能够得到足够的润滑；油温传感器4～20mA，监测油箱中油的温度，油温过高及时报警；冷却流量（4～20mA），保证系统工作时有足够的冷却油流量；轴速度。频率信号，提供胶带的运行速度；功率信号传感器，提供准确的驱动电动机功率信号，进行功率平衡控制；各种开关量信号，主电动机、油泵电动机、冷却风扇电动机的开停信号。

（4）现用软启动装置比较

该矿的带式输送机有大连调速型液力耦合器、德国福伊特调速型液力耦合器及CST可控传输装置几种软启动方式，相比而言，CST有以下优点：在传动稳定阶段与液力偶合器不同，其反应盘象液压制动器一样安全锁住，不会产生滑差，没有效率损失；系统运行稳定。

6 带式输送机CST软启动装置的日常维护

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿井下共有11部主带式运输机，其中北边带式运输机及北二带式运输机担负北部主煤流系统的运输，采用CST软启动装置驱动。该矿的CST装置投入运行初期经常出现各类故障，造成带式运输机故障停机，有时影响生产时间长达数小时，同时也极易引起各类安全隐患。他们经过与CST装置生产厂家的交流与验证，这些故障竟然是由日常维护不到位引起的。此后, 他们加强了对CST装置的日常维护，运行日趋稳定，故障次数也大幅下降。

按照部件划分，CST装置主要由主电动机、减速器、冷却泵、热交换器、控制器等构成；按照功能划分，CST装置主要由传动系统、液压系统、冷却系统、润滑系统、控制系统构成。

（1）换油

CST装置生产厂家要求，CST装置必须使用美孚424液压传动油，同时建议至少每6个月换1次传动油，并定期化验油质；若油质不脏时可用滤油小车在线过滤。美孚424液压传动油装置每桶（200L）进价4179元。如果按照厂家要求，1台使用4×750kW CST装置的带式运输机每年仅更换油脂的费用就高达10万元。巨额的费用使很多用户都不会按照要求更换传动油。另外，一般单位也不具备化验油质的条件，无法定期化验油质。而用滤油小车在线过滤传动油的方案，经过试验，其用途也不大。

但是如果不进行该项维护，则CST装置内部的液压传动油就会逐渐变质。其原因一方面是外界环境的侵蚀，另一方面是由于CST装置内部齿轮运转、动/静摩擦片互相摩擦产生一部分碎屑，同时CST装置的高温、高压也会对油质造成影响。油脂变质带来的直接影响就是当油脂内的杂物堵塞传感器时会导致传感器读数不准，当杂物堵塞滤网或比例阀等部件时会造成CST装置压力降低，无法达到正常运行的状态，而此时CST装置的各类保护装置就会频繁报警，导致CST装置发生故障。因此，及时更换CST装置的液压传动油是最根本的维护项目，必须进行到位。

（2）更换滤芯

①每周更换1次呼吸器滤芯。呼吸器是安置在CST装置箱体上方的设备，其内部有1块纳米棉制成的呼吸器滤芯，CST装置启动及停止时会在箱体内产生强大的气压。呼吸器滤芯的作用是让箱体内外气流通畅。由于其不属于液压部分，很多矿井对其不重视、不更换，甚至不使用。如果不安装呼吸器滤芯，则井下的煤尘、杂质就会进入CST装置箱体内部，使CST装置的油脂在很短的时间内变质；如果呼吸器滤芯不按时更换，就会发生滤芯堵塞现象，CST装置内部产生的气压无法从呼吸器中进出，就会对管路中的密封垫造成冲击，时间一长会造成管路连接处密封漏油，同时外界的杂质也会进入管路中造成油脂变质。因此，呼吸器滤芯必须使用并按时更换。

②每两周更换1次10u和25u过滤器。如果发生润滑过滤器堵塞或系统压力过低则须立即更换。CST装置液压系统中的10u和25u过滤器分别用于提供系统压力和润滑压力，如果不按照要求及时更换，容易导致过滤器堵塞，使系统压力及润滑压力下降。系统压力下降会导致离合器压力无法达到预期值，无法实现整个液压系统的功率平衡；润滑压力下降会导致CST装置润滑效果下降，进而影响CST装置动、静摩擦片的寿命。需要注意的是，新型号CST装置中的10u和25u过滤器，其内部采用纳米棉构造，无法清洗，只能更换。

③每两周清洗1次篮式过滤器和Y型过滤器。篮式过滤器及Y型过滤器主要用于过滤油路中较大的杂质，以保证油品的清洁，因此要定期清洗。清洗时注意不要使用汽油等腐蚀性介质，因为汽油一类的介质会对过滤器上的密封垫等橡胶制品造成腐蚀，造成其密封性下降，引起管路漏油。

（3）日常清洁及紧固

CST装置的日常清洁是非常重要的。厂家要求每周清扫和擦洗液压箱1次，确保液压箱内无明显存在杂物。由于煤矿井下环境非常恶劣，煤尘、油污易进入CST装置液压箱，腐蚀液压箱体及管路连接处；另外，高湿度下混合大量煤尘的空气会造成液压箱内的接线端子氧化及短路，这些都会影响CST装置寿命，造成CST装置故障。因此，必须在日常每班对CST装置进行卫生清理，尽量使用柔软的棉布擦拭液压箱，而不能使用冲水的方法清洗液压箱。

（4）体会

CST装置的主要缺点是维护量偏大。据统计，这个矿由于维护不到位造成的CST装置故障占其故障总数95%以上。维系CST装置正常运行的主要元素是其内部使用的液压传动油，通过比例阀调节供给离合器的传动油压力可以调节CST装置的输出功率。煤矿井下环境非常恶劣，济三矿北边带式运输机CST装置的工作范围环境温度为41℃，环境湿度大于80%，而现场各类油脂挥发后使环境气体具有一定的腐蚀性，这些都会对CST装置的正常运行造成影响。因此，需要经常对CST装置进行维护，以防止其发生故障。

根据他们的经验，日常维护对CST装置的正常运行是非常重要的，但是如果完全按照厂家的要求对CST装置进行维护，所需的资金是非常巨大的。因此，煤矿要根据自身情况进行现场分析，总结出实际、经济的维护周期，这样才能在节省材料费用的前提下尽可能地保证CST 装置的正常运用。

7 结束语

带式输送机是目前煤矿运送煤炭最常用的方法之一。为了达到更高的生产效率和更低的输送成本，要求输送机单机长度和功率均要增大，给带式输送机驱动技术提出新课题。大功率带式输送机的胶带是弹性体，当电动机给输送带系统加上力矩、输送带受力而变形时，输送带越长、加载时间越短、储存能量越大。迅速释放这些能量对带式输送机部件产生极大的冲击力，力的频谱可能会与带式输送机部件的谐振频率共振而导致整个系统被破坏。如能使驱动系统缓慢对输送带加力，就可以最大限度地减少输送带局部过大的变形，从而避免上述情况发生。因此在带式输送机的设计、选型过程中，必须解决这些控制问题。根据兖州矿区几个特大型煤矿的实践，带式运输机采用CST软启动装置是迄今为止最合适的。

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