可控起动传输CST系统原理.docx
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可控起动传输CST系统原理
可控起动传输（CST）系统
第一节CST系统的结构及工作原理
为了保证重型输送机的平稳、安全、经济、高效运行，必须对其起、制动过渡过程、运行状态及性能进行合理的调节与控制，实行软特性可控起动与制动，延长起、制动时间，减小速度变化率及其引起的动载荷，改善输送机的运行条件，使驱动装置、牵引构件及张紧装置的负载能力与强度得到充分利用，达到最佳的技术状态和经济效果。
美国道奇（DODGE）公司制造的可控起动传输系统（CONTROLLEDSTARTTRANS-MISSIONSYSTEM，以下简称CST系统）是80年代初研制的机械减速与液压控制相结合的软特性可控传输系统，它具有优良的起动、停车、调速和功率平衡性能，是重型刮板输送机和长大带式输送机上较理想的动力传输装置。
一、主机结构及运动分析
CST系统是一个可进行微机闭环控制的机—液传动系统，其主机部分是一个带有反应盘湿式摩擦离合器的齿轮减速箱，如图4—6—1所示。
减速器由输入轴、一对外啮合齿轮（斜齿圆柱齿轮或圆锥齿轮）和一套行星轮系的二级变速装置及与行星轮托架固接的输出轴组成。
液控反应盘湿式摩擦离合器（见图4—6—2）由动摩擦片组、静摩擦片组及环行液压控制油缸组成。
动摩擦片以圆周外齿嵌于行星轮系环形内齿轮一侧的内环齿中，与内齿轮同步旋转；静摩擦片中心的花键孔，可沿固定于机壳离合器座上的花键轴滑移。
牵引电动机起动时，输入轴与电动机轴同步旋转，经外啮合齿轮驱动太阳轮、行星轮转动。
因与带式输送机驱动滚筒轴相联接的CST输出轴上承受很大负载力矩，输出轴和行星轮托架不转动，行星轮只做自转而不绕太阳轮公转，从而带动内齿轮和动摩擦片旋转。
这时环形油缸活塞未挤压摩擦片，动、静摩擦片间隙较大，未形成传递扭矩的油膜，故静摩擦片并不阻碍动摩擦片和内齿轮的旋转运动。
当电动机空载起动，达到额定转速后，液压控制器使环形液压缸工作，其环形活塞的挤压作用，使动、静摩擦片间隙减小，二者间形成传递力矩的油膜，增加行星轮系内齿轮的旋转阻力矩，即将负载力矩逐渐加到内齿轮上，这时行星轮则不仅自转，且绕太阳轮公转，其托架和CST输出轴转动，输出力逐渐驱动负载。
输出力矩值与环形液压缸中液体压力成正比。
随着负载按设置加速度起动，内齿轮亦按相应减速度制动，输出轴与内齿轮转向相反、转速成反比。
直至动、静摩擦片间无相对滑移转动，动摩擦片和内齿轮停转，行星轮托架和CST输出轴达到最高转速（满速）运行。
改变环形液压缸中的压力，移动环形活塞，即可调节动、静摩擦片间隙及滑差，并改变对内齿轮的制动力矩及内齿轮的转速，从而调节行星轮托架及CST输出轴和输送带驱动滚筒的转速，达到控制带式输送机加、减速率及运行速度的目的，实现软特性起、制动和高、低速运行。
二、软起动控制特性分析
反应盘湿式摩擦离合器传递力矩方程：
（4—6—1）
式中
——摩擦副数；
——油膜的等效动力粘度，N·s/m2；
——摩擦面面积，m2；
——摩擦面内、外圆半径，m；
——主动摩擦片的（等于内齿轮的）旋转角速度，rad/s；
——从动、主动摩擦片转速比；
——油膜平均厚度，m。
一定型号的CST软起动传输系统中，主机各零部件结构尺寸已定；从动摩擦片不旋转，
；在一定工况下，油液的等效动力粘度
基本恒定，则：
（4—6—2）
式中
为一常数，可称为CST湿式摩擦离合器力矩传输系数。
在系统等加速起动过程中，电动机输出功率
基本不变，行星轮架输出力矩，即CST主机输出力矩：
（4—6—3）
式中
；
——内齿轮与太阳轮齿数比。
根据能量守恒定律：
（4—6—4）
令（4—6—2）式中
，即：
控制起动过程中
为某一常数，则：
（4—6—5）
在系统起动过程中，调节环形液压缸中的压力P，使湿式摩擦离合器中的油膜厚度
随时间线怀减小。
当
为常数时，内齿轮角速度
亦呈线性减小，而行星齿轮架角速度即CST主机输出轴角速度
呈线性增大。
起动过程中CST内齿轮与输出轴转速变化及转换关系如图4—6—3所示。
三、系统组成及控制分析
CST系统由驱动减速器、液压系统、计算机控制系统，冷却系统和润滑系统组成。
1、驱动减速器
减速器是CST系统的主机。
典型的CST减速器由一对斜齿圆柱齿轮（或斜齿圆锥齿轮）和一套行星轮系（一个太阳轮、三个行星轮及一个环形内齿轮）组成。
减速器外壳为钢板装置式焊接结构，分上、下两部分，外表平整光洁、质量良好。
齿轮材料为CrMnNiMo（AISI标准，合金元素含量：
Cr0.4%—0.6%；Mn0.75—1%；Ni0.4%—0.7%；Mo0.15—0.25%；C0.4%—0.45%），采用渗碳淬火热处理工艺，齿面硬度在HRC64以上,精度等级为AGMA（美国齿轮制造协会）标准12级，内齿轮环形齿精度为AGMA标准11级等级。
齿轮为整体结构，太阳轮与中间轴采用花键联接，便于拆装和更换；行星轮装在轴承外圈上，过盈配合，结构紧凑。
减速器的输入轴，输出轴与联轴器联接处无轴肩，与联轴器以单键（平键）联接，输入轴与联轴器采用端部定位结构，以防止联轴器轴向滑动；输出轴与联轴器采取过盈配合，以补偿单键传递力矩之不足。
输入轴、输出轴均采用带弹簧圈的双唇密封，并在内侧辅之以标准的油脂清洁辅助密封，以可靠、有效地隔离外部污物的侵入。
轴承全部采用重载双列调心滚子轴承，其标准号为AFBNA（减摩轴承协会）B10，工作寿命不低于15000h。
减速器箱中的反应盘系统是一个湿式离合器—力矩加载系统，离合器摩擦片采用1035钢制造，厚度为2.0mm，精加工后厚度偏差值为0.010—0.020mm。
动摩擦片表面有热传递性能很好的环氧树脂复合材料涂层，涂层厚1.5mm，表面呈菱形花纹，构成工作油液流动沟槽，利于形成动、静摩擦片间的工作油膜。
不同型号的CST离合器摩擦片规格、数量各异，630k型CST主机中的离合器摩擦片数为32对。
CST减速器的结构形式有两种，一种是输出轴与输入轴平行，第一级为斜齿圆柱齿轮传动，第二级为行星轮系传动；另一种是输出轴与输入轴直交，第一级为圆锥齿轮传动，第二级为圆柱齿轮传动，第三级为行星轮系传动。
直交轴的CST在型号中加R表示。
图4—6—5和图4—6—6分别为两种典型的CST主机结构图。
2、液压系统
液压系统提供控制油液，油泵经伺服阀向环形液压缸提供压力油。
通过改变油压及环形活塞压力，控制和保持动、静摩擦片间隙及压力油膜产生的剪切阻力矩大小，从而获得不同的输出力矩和输出转速。
液压泵由变频调速电机驱动，控制油泵的压力对于630K型CST系统为20bar（2MPa），对于1120K型CST系统为30bar（3MPa）.
3、润滑系统
双向润滑泵向系统内所有运动部件提供连续的强制润滑和冷却，以减小磨损、防止过热，确保正常运行。
4、冷却系统
冷却系统对工作没液进行降温冷却。
起动时，吸收反应盘离合器滑动损耗发热的工作油液，经热交换器冷却后再泵入反应盘系统。
以埋入减速器箱内的环形热敏传感器监督油温。
热交换器有风冷和水冷两种形式。
液压控制、润滑及冷却用油液均使用牌号为Mobilfluid—424的汽车油。
5、计算机控制系统
CST具有一套完善、先进的操作、控制、保护系统——计算机控制系统。
该系统的核心是一台微型计算机，在主控板上设有显示屏幕、操作按键及通信接口。
主控板是CST系统的控制中枢，主控板与电控板通信，电控板则具体执行对该套CST系统的控制、保护职能。
输送机及CST系统的起动、超自然停车、多点驱动时的功率平衡及冷却系统的开停，均采用计算机控制及屏幕监督。
操作人员将要求的特性存入电液控制器，电控部分使用固态数字逻辑电路产生准确的加速度控制。
输出轴上的数字测速计（速度传感器）产生脉冲序压力及反应盘压力进行调整，以产生一个理想的加速过渡过程和加速度曲线。
图4—6—7为控制系统的基本方块图。
CST的计算机—电液控制系统技术先进，控制保护性能完善，操作使用方便快捷。
（1）对系统各部分工况参数进行连续监控及保护。
受监控的工况参数有液压油压力、反应盘离合器温度、油箱油液温度、润滑油压力及进出口压差、冷却油液流量、输入轴的振动、输出油转速、电动机输出功率等。
其中一些参数直接显示在主控板屏幕上，使操作者一目了然。
如系统工作出现任何不正常状态或发生故障，微机将发出指令使系统迅速停机，进行保护，同时在屏幕上显示故障的类型及求助的方式。
（2）分级保密系统。
输送机及CST系统工作的一些重要控制参数，如起动时间、停机时间、低速运行的速度值、油压油温的极限值、各驱动电动机的功率分配等，可通过主控板上的按键预先输入到电子计算机中去。
根据这些参数的重要程度和管理权限，划分为A、B、C三种密级，只有相应职级的人员，才能持有该级别的密码，从而有权输入或修改该级别的参数，不能越级执行。
这样的分级保密、执行系统，为输送机和CST系统严格科学的管理和安全可靠的运行提供了可靠的保证。
（3）具有通信联网能力和现代控制系统所特有的优良性能。
CST系统的主控板微型计算机设置了RS—232异步串行通信接口，可以通过双芯屏蔽通信线下与各台CST电控箱连接，管理各CST传动系统的运行控制和工况参数检测，向上可与上级指挥调度中心的计算机（或PLC）联网，传递CST的工作信息，并接受调度中心指令。
因此该计算机电控系统可将带式输送机作为一个重要生产环节纳入全矿的生产监控系统中。
图4—6—8表示了CST主机（驱动器）与控制器、水冷系统、液压系统的连接关系。
根据环境条件，也可选用风冷系统，以电风扇吹风冷却；作为选择件，液压控制器也可以装到驱动器（主机）上；根据驱动单元布置条件，CST驱动器也可选用直角（KR）结构。
当CST系统用于倾斜下运带式输送机上，且驱动电动机处于发电反馈运行方式时，CST应与制动装置配合使用。
四、控制方法
1、静止
制动装置锁住，湿式摩擦离合器完全放松，处于自由状态，输送机与电动机分离。
2、起动
仍旧使用制动装置，湿式摩擦离合器仍处于自由状态；通电空载起动电动机；检查全部系统，一切正常即输送机开始加速，否则停止。
3、加速
按设置的加速度斜坡曲线，逐渐减小制动器压力而增大湿式摩擦离合器压力，动、静摩擦片滑差减小，行星轮系环齿圈转速降低，CST输出轴转速渐增，输送机加速运行。
4、满速运行
制动装量完全释放，湿式摩擦离合器完全加压，动、静摩擦片间无相对滑动，行星轮系环齿圈无转动。
如输送机保持增速，则电动机进入发电反馈运行状态，当反馈功率超过满载功率100%时，刹车通过制动器起作用。
5、慢速运行
制动装置完全释放，湿式摩擦离合器受控保持一定压力，动、静摩擦片间有相对滑动，行星轮系环齿圈慢速转动，输送机保持慢速运行。
如输送机超过设置的速度运行，则湿式摩擦离合器松开，刹车通过制动器起作用。
6、减速
按设置的减速度斜坡曲线，逐渐减小湿式摩擦离合器压力，并逐渐使用刹车。
离合器动、静摩擦片间滑差逐渐增大，行星轮系环齿圈转速逐渐升高，CST输出轴转速逐渐降低，输送机运行速度逐渐减小，直至停车。
第二节CST系统的主要技术指标及性能特点
1、速比
CST主机减速器速比范围
=15.38—57.66，AGMA标准速比有13档：
15.38，17.09，18.91，20.9，23.16，25.63，28.36，31.39，34.74，38.44，45.00，47.08，57.66。
根据CST主机减速器的结构，改变第一级外啮合齿轮的传动比，即可获得CST系统的不同速比。
2、输出功率P
表4—6—1CST系统输出功率P（kw）电动机满载转速
=1480r/min
型号
230K
280K
420K
630K
1120K
1750k
1950K
2550K
AGMA
传动比
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
15.38
17.09
18.91
17.09
18.91
86.6
78.3
224
224
15.38
17.66
18.86
96.3
83.8
78.5
418
405
380
17.09
19.25
86.6
76.9
626
558
17.09
18.91
86.6
78.3
942
852
17.09
86.6
1566
20.93
20.93
70.7
224
19.47
21.29
76.0
89.5
368
336
20.63
71.7
520
20.93
70.7
770
20.93
22.38
70.7
66.2
1368
1281
2138
2382
3115
23.16
25.63
23.16
25.63
63.9
57.7
224
224
23.38
25.53
63.3
58.0
306
280
23.88
24.82
25.81
62.0
59.6
57.3
450
433
416
24.50
25.59
60.4
57.8
657
630
23.16
23.54
25.63
63.9
62.9
57.7
1217
1117
1932
1746
2152
1945
2815
2544
28.36
31.39
28.36
31.39
52.2
47.1
207
187
28.35
31.71
52.2
46.7
252
226
27.10
29.21
31.63
54.6
50.7
46.8
396
368
339
28.00
30.80
52.9
48.1
575
523
28.36
31.39
52.2
47.1
1010
1578
1425
1758
1588
2299
2077
34.74
38.44
34.74
38.44
42.6
38.5
169
153
34.74
38.44
42.6
38.5
206
186
34.72
38.44
42.6
38.5
309
279
34.74
38.33
42.6
38.6
464
420
31.71
34.74
38.44
46.6
42.6
38.5
901
824
745
1288
1164
1435
1297
1877
1696
45.00
47.08
57.66
45.00
47.08
57.66
32.9
31.4
25.7
636
608
497
994
950
776
1108
1059
865
1449
1385
1131
表4—6—2CST系统输出功率P（kw）电动机满载转速
=990r/min
型号
230K
280K
420K
630K
1120K
1750k
1950K
2550K
AGMA
传动比
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
实际传动比
输出轴转速
最大输出功率（kw）
15.38
17.09
18.91
17.09
18.91
86.6
78.3
224
224
15.38
17.66
18.86
96.3
83.8
78.5
418
405
380
17.09
19.25
86.6
76.9
626
558
17.09
18.91
57.09
52.4
630
570
17.09
86.6
1566
20.93
20.93
70.7
224
19.47
21.29
76.0
89.5
368
336
20.63
71.7
520
20.93
47.3
515
20.93
22.38
70.7
66.2
1368
1281
2138
2382
3115
23.16
25.63
23.16
25.63
63.9
57.7
224
224
23.38
25.53
63.3
58.0
306
280
23.88
24.82
25.81
62.0
59.6
57.3
450
433
416
24.50
25.59
40.4
38.7
440
421
23.16
23.54
25.63
63.9
62.9
57.7
1217
1117
1932
1746
2152
1945
2815
2544
28.36
31.39
28.36
31.39
52.2
47.1
207
187
28.35
31.71
52.2
46.7
252
226
27.10
29.21
31.63
54.6
50.7
46.8
396
368
339
28.00
30.80
35.4
32.1
385
350
28.36
31.39
52.2
47.1
1010
1578
1425
1758
1588
2299
2077
34.74
38.44
34.74
38.44
42.6
38.5
169
153
34.74
38.44
42.6
38.5
206
186
34.72
38.44
42.6
38.5
309
279
34.74
38.33
28.5
25.8
310
181
31.71
34.74
38.44
46.6
42.6
38.5
901
824
745
1288
1164
1435
1297
1877
1696
45.00
47.08
57.66
45.00
47.08
57.66
32.9
31.4
25.7
636
608
497
994
950
776
1108
1059
865
1449
1385
1131
CST系统采用输出力矩作为作为其产品型号的标定，如1120K表示这种型号的CST系统输出轴最大力矩为1120×103in—1b（126.5kN·m），CST系统产品系列的输出力矩范围为230×103～2250×103in—1b（26～288kN·m）。
采用4极或6极异步电动机，额定转速为1480r/min或990r/min，速比为15.38—57.66，则输出功率范围为102—3115kW。
3、CST主机尺寸
630K
630KR
L
848
965
W
943
1626
H
922
1092
pmax/i
942/ib（1480r/min）
630/ib（990r/min）
pmin/i
420/id（1480r/min）
281/id（990r/min）
注：
L×W×H＝长×宽×高（mm）
pmax——最大输出功率（kW）；pmin——最小输出功率（kW）
i—传动比，ia=15.32,ib=17.09ic=20.93id=38.44ie=57.66
4、冷却系统的有关参数：
型号
冷却油量（L/min）
液压泵电机功率（kW）
风扇电机功率（kW）
630K
1135
18.6
2.24
系统压力为10—30psi，约0.7—2.0par（7×104—2×105）
5、CST系统的性能特点：
CST系统主机将减速器和进行软起、制动控制的湿式线性离合器合为一体，结构紧凑，起动和停车时加、减速度均可控。
1）起动性能好，起动和停车的加、减速度可在大范围内调节和控制
CST系统的起动加速度与负荷无关，电动机空载起动到额定转数后，输送机由静止状态按设置的加速度加速至满速，允许每小时起动10次。
它具有优异的力矩控制特性，可根据输送机工况（起动、调速、运行、停车）的需要，灵活精确地改变离合器的压力及传递力矩的大小，实现带式输送机无冲击均匀加速及平稳运行。
现场可调加减速度，加速时间为10—60s或更长，可使输送机减速停车时间长于自然停车时间（超自然停车）。
运用CST传动系统可最大限度地降低输送带中的动张力及张紧装置的位移，从而可降低输送带强度等级，并提高输送带、牵引电动机、滚筒、托辊及整机结构件寿命，以及大大减小起动电流对电网的冲击。
理想的加速度曲线为s形曲线。
2）优良的调速性能
应用反应盘湿式离合器输出速度大幅度可调，稳定转速可在10%—100%之间任意调节，故很容易实现验带时的低速运行要求。
3）运行可靠，效率高
湿式线性离合器提供双向保护，使减速器及输送机免受冲击载荷及过大驱动力矩的损害，整机寿命可以达10万小时。
离合器为非磨损部件，液压粘滞层使各摩擦片之间没有因相对滑动而产生的磨损，故寿命很长，无需经常更换。
减速运行时，CST反应盘系统完全被锁住，动、静磨擦片间无滑动效率损失，所以CST系统总传动交往率很高，可达93%。
4）多级驱动或多点驱动时具有良好的功率及负载平衡性能。
用计算机控制CST系统,对所有驱动单元可实现预期的负载合理匹配或均衡分配，匹配误差不超过2%；还可使所有电动机在空载条件下顺序起动，从而降低所需电动机容量，并大大减小峰值功率对电网的要求，具有明显的经济效益。
5）控制灵活简便
CST系统具有完善的电液控制装置和先进的控制技术，可很容易地实现对输送机的起动、停车时间，加、减速率，运行速度，各驱动单元的负荷分配及所提供的最大力矩等参数的精确、有效控制。
6）有完善的操作、控制、保护功能
CST系统的控制中心是一台微型电子计算机，可进行全数字式控制。
主控板上设显示屏幕、操作按键及通信插口。
电控板执行对整套CST系统的控制、保护功能。
电液控制技术先进、性能完善、安全可靠、使用方便。
第三节CST系统的应用
DODGE公司已销售1000余台CST传输系统，在美国、加拿大、澳大利亚、印度、中国等国的带式输送机上成功使用。
美国有很多矿井采用CST进行技术改造，扩大生产和运输能力。
我国首先引进CST系统的是江西德西铜矿，在矿井主提升带式输送机（Q=2500和t/h，L=1237m,B=1200m）上安装了三套CST（型号980K）系统，总传动功率为2100KW，运行正常，效果很好。
山西、宁夏、山东、陕西等地的一些煤矿已购买或签约进口CST系统装备在带式输送机上。
神华集团神府精煤公司购买了4套630K型CST系统，将分别用于大柳塔煤矿和活鸡兔煤矿的主平硐带式输送机上。
DODGE公司准备在中国建厂生产CST传输系统，以便于向中国和亚洲用户供应产品和配件。
图4—6—11和图4—6—12是CST系统的应用实例。
美国科罗拉多州塞浦露斯矿业公司20英里矿，设计生产能力为400万吨/年，全矿职工175人，其中正式工50人，工作制度每班
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