可控起动传输CST系统原理

1、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 （CONTROLLED START TRANS-MISSION SYSTEM ，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

2、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 46 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 62）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

3、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，

4、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

5、方程：nM1 uF(1 i )( R22 R12) 1 (N m)(461)2b式中n摩擦副数；u 油膜的等效动力粘度， N s/m2 ；F (R22 R12 ) 摩擦面面积， m2；R1、R2 摩擦面内、外圆半径， m；1主动摩擦片的 (等于内齿轮的) 旋转角速度， rad/s；i 2 / 1 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， 2 0，i 2 / 1 0 ；在一定工况下，油液的等效动力粘度 u 基本 恒定，则：M 1 K 1( 462)b式中 K nuF(1 i)(R22 R12 )为一常数，可称为

6、 CST 湿式摩擦离合器力矩传输系数。 2在系统等加速起动过程中，电动机输出功率 N 基本不变，行星轮架输出力矩，即 CST 主机输出力矩：M (t) i1M1(t)463)式中1i1内齿轮与太阳轮齿数比。根据能量守恒定律：M (t) (t) M 1(t) 1(t) N464)令( 462)式中 b1(tt) ，即：M 1(t ) K1(t) b(t)控制起动过程中 为某一常数，则：M (t) i1M 1(t) i1Ka465)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 b(t) 随时间线怀减小。当 为常数时，内齿轮角速度 1(t)亦呈线性减小， 而行星齿轮架

7、角速度即 CST 主机输出轴角速度 (t )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 63 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 Cr Mn Ni Mo（AISI 标准，合金元素含量：Cr 0.4%0.6%；Mn 0.75 1%；Ni 0.4%0.7

8、%；Mo 0.150.25%；C 0.4% 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

9、、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 0.0100.020mm。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

10、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 465和图 466 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 30ba

11、r(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

12、，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 467 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、

13、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

14、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 RS232 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 68 表示了 CST 主机（驱动器

15、）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

16、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

17、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 iCST 主机减速器速比范围 i=15.3857.66，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 461 CST 系统输出功率 P（

18、kw）电动机满载转速 n=1480r/min型号230K280K420K630K1120K1750k1950K2550KAGMA 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)15.3815.3896.341817.0917.0986.622417.6683.840517.0986.662617.0986.694217.0986.6156618.9118.9178.322418.86

19、78.538019.2576.955818.9178.385219.4776.036820.9320.9370.722421.2989.533620.6371.752020.9370.777020.9370.7136821382382311522.3866.2128123.1623.1663.922423.3863.330623.8862.045023.1663.919322152281524.8259.643324.5060.465723.5462.9121725.6325.6357.722425.5358.028025.8157.341625.5957.863025.6357.711171

20、7461945254427.1054.639628.3628.3652.220728.3552.225229.2150.736828.0052.957528.3652.2101015781758229931.3931.3947.118731.7146.722631.6346.833930.8048.152331.3947.114251588207731.7146.690134.7434.7442.616934.7442.620634.7242.630934.7442.646434.7442.682412881435187738.4438.4438.515338.4438.518638.4438

21、.527938.3338.642038.4438.574511641297169645.0045.0032.96369941108144947.0847.0831.46089501059138557.6657.6625.74977768651131表 462 CST 系统输出功率 P（kw ）电动机满载转速 n=990r/min型号230K280K420K630K1120K1750k1950K2550KAGMA实际输出最大实际输出最大实际输出最大实输出最大实际输出最大传动比传轴输出传轴输出传轴输出轴输出传轴输出动转功率动转功率动转功率转功率动转功率比速比速(kw)比速(kw)速(kw)比速(k

22、w)15.3815.3896.341817.0917.0986.622417.6683.840517.0986.662617.0957.0963017.0986.6156618.9118.9178.322418.8678.538019.2576.955818.9152.457019.4776.036820.9320.9370.722421.2989.533620.6371.752020.9347.351520.9370.7136821382382311522.3866.2128123.1623.1663.922423.3863.330623.8862.045023.1663.919322152

23、281524.8259.643324.5040.444023.5462.9121725.6325.6357.722425.5358.028025.8157.341625.5938.742125.6357.7111717461945254427.1054.639628.3628.3652.220728.3552.225229.2150.736828.0035.438528.3652.2101015781758229931.3931.3947.118731.7146.722631.6346.833930.8032.135031.3947.114251588207731.7146.690134.74

24、34.7442.616934.7442.620634.7242.630934.7428.531034.7442.682412881435187738.4438.4438.515338.4438.518638.4438.527938.3325.818138.4438.574511641297169645.0045.0032.96369941108144947.0847.0831.46089501059138557.6657.6625.74977768651131CST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 1120103in1b（

25、126.5kNm），CST 系统产品 系列的输出力矩范围为 2301032250103in1b（26288kN 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 15.3857.66， 则输出功率范围为 1023115kW。3、CST 主机尺寸630K630KRL848965W9431626H9221092pmax/i942/ib(1480r/min)630/ ib(990 r/min)pmin/i420/id( 1480 r/min)281/id( 990 r/min)注： LWH长宽高（ mm）pmax最大输出功率（ kW）；pmin最小输

26、出功率（ kW） i传动比， ia=15.32, ib=17.09 ic=20.93 id=38.44 ie=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）630K113518.62.24系统压力为 1030psi，约 0.72.0par（ 71042105）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

27、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 1060s 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

28、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

29、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

30、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

31、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4611 和图 4612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 10h，工人每周工作 4 天（ 40h）。该矿主斜井长 2134m，倾角为 40，提升高度为 152.4m。主斜井装备三条 800m 长的带式输送机（搭接转载） ，完成全矿井主提升运输任务，如图 4 6 13 所示。主斜井吊挂式带式输送机主要技术参数： 输送能力 Q=3200t/h，输送机长度L=800m，带宽 B=1524mm，带速 V=3.81m/s，驱动电动机功率 N=3298KW ；驱动滚筒直径 D=1000mm，托辊直径为 159mm，槽角为 35，4 层尼龙面芯胶带，强度为 1400N/mm该主斜井带式输送机的传运装置采用道奇公司的 CST 软起