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)智能制造數字轉型三年行動計劃（2020-2022年）》，要求推進建材工業(yè)與信息技術在更廣范圍、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)智能化作為轉型的重點領域。

當前5G、物聯(lián)網、云計算、AI等新興信息技術同智能制造技術相互融合的趨勢加速，促進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的數字化、智能化，例如無人駕駛礦車、不斷挑戰(zhàn)人數極限的智能工廠等等。大家的終極目標是一致的——水泥制造智能化。在這次智能化浪潮中，傳統(tǒng)的傳動設備能不能更好的適應智能化制造的需要？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？作者結合自身的工作經驗，針對聯(lián)軸器、調速器和齒輪減速機分別提出了優(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、5G、云計算、AI、自動化等各種技術手段，及時挖掘區(qū)域市場需求，并根據需求通過智能制造實現(xiàn)區(qū)域更高效地供給平衡。其結果就是工廠人員無限精簡、設備實現(xiàn)自動化、生產實現(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)中的設備提出了新要求：

（1）簡單：即設備結構要簡單、越簡單越好，使用要簡單、安裝要簡單、維護要簡單（Z好免維護），故障后能夠快速處理和快速恢復；

（2）可靠：即設備本身要可靠、壽命長，系統(tǒng)振動要?。?/p>

（3）高效：設備要高效節(jié)能，運行策略也要Z優(yōu)；

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

傳動是工業(yè)的基礎，水泥行業(yè)也是一樣，從開礦到生產出水泥熟料的各個環(huán)節(jié)都離不開傳動系統(tǒng)。電機傳動系統(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+聯(lián)軸器+負載+控制器”，另一種是“電機+聯(lián)軸器+減速機+負載+控制器”。無論怎么智能化，Z終要通過各種傳動設備來落地。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)化升級為無機械聯(lián)結的永磁聯(lián)軸器

聯(lián)軸器用于連接電機和負載，使之共同旋轉以傳遞扭矩，是各行業(yè)傳動系統(tǒng)中非常普遍的機械零件，如水泥行業(yè)的輥壓機、提升機、斜拉鏈、皮帶機等，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：結構簡單、安裝簡單、具有軟啟動和過載保護功能。特別是在系統(tǒng)故障后快速恢復方面優(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構，如圖2~4所示。

這三種結構型式在性能方面的比較見表1。

表1 三種不同結構的永磁聯(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)軸器是一種結構Z簡單、安裝維護Z簡單的新型永磁聯(lián)軸器。

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

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

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

表2：三種不同結構的永磁調速器比較

通過上述比較可以看出，套筒式永磁調速技術屬于Z簡單的調速技術。

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

圖8 永磁調速器

圖9 高壓變頻

表3 永磁調速技術與高壓變頻調速比較

隨著生產的自動化和智能化，對電能質量的要求越來越高，諧波會引起設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的設備，否則污染后再治理，系統(tǒng)越來越復雜，不可控因素會越來越多，系統(tǒng)可靠性將會越來越低。

3、齒輪減速機可能的優(yōu)化升級方向為磁輪減速機或者永磁直驅電機

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

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。

磁輪減速機是一種利用永磁體磁場間的作用力進行傳動的裝置，由外磁環(huán)、調制環(huán)和內磁環(huán)三部分組成。磁輪減速機運作的基本原理是使用調制環(huán)上導磁材料調制兩邊磁環(huán)上永磁體產生的磁場，使調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，從而使主動轉子帶動從動轉子運行，可以替代齒輪減速機用于智能裝備中，結構如圖10所示。該產品已經具備現(xiàn)場應用條件，實物如圖11所示。

圖10 磁輪減速機結構原理圖

圖11 磁輪減速機實物圖

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

無論磁輪減速技術還是永磁電機直驅技術，都代表著替代齒輪減速機的未來方向。

結束語

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，因此未來的傳動設備發(fā)展方向只能是簡單、可靠、免維護。正是基于這個判斷，針對傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)的聯(lián)軸器、調速器、齒輪減速機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；江蘇金陵永磁產業(yè)研究院院長，南京艾凌節(jié)能技術公司董事長、蕪湖磁輪傳動公司董事長。

（來源：中國水泥網）