钢球联轴器软启动的原理及应用
一种钢球式软启动安全联轴器的性能分析
洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 张莉
西安重型机械研究所有限公司 王宇航
摘要：本文论述了电机软启动的概念，给出了电机启动过程中的转矩变化曲线，并推荐了一种新型软启动安全保护装置，对这种新型软启动装置的原理及特点进行了论述，对其理论依据及理论公式进行了研究推导，对其启动过程进行了计算分析，研究证明这种软启动装置对大惯量设备的启动及安全高效运行会起到重要的促进作用。 关键词：软启动；转矩；联轴器
Abstract: Concept of motor soft start is discussed, a torque change curve during motor start is proposed, and a new soft start safety device is recommended. The characteristics and working principles of this safety device is elaborated. The paper researched the theory and equations of the safety device. Process of soft start is calculated. It is proved that the device can remarkably improve the running stability and start process of mass inertia machinery. Key words: soft start, torque, coupling
0 前言
风机、磨机、辊压机等设备转动部分自重较大，其转动惯量一般在1200kgm 2~6000 kgm 2，大功率风机叶轮转子均支撑在轴瓦上，静摩擦因数较大，因此、此类设备为大惯量启动设备，其驱动电动机的启动为带载启动。
带载启动带来的直接危害是：①工作机传递给电动机的需克服的转矩超过了电动机的启动转矩，造成电动机满载启动，甚至超载启动，启动电流过大，对电动机及电网均有不良影响；②由于电动机从零速开始大转矩启动，机械部分无缓冲时间，对机械
部分造成冲击载荷。这些都直接影响到设备的长周期运行。
改进传动系统，使电动机近似空载启动（软启动），是保证设备长周期运行的重要措施。
1. 采用软启动安全联轴器的必要性
图1表示了电动机启动过程中的转矩变化曲线。
图1 电动机启动过程的转矩变化曲线 T s —启动转矩 T Dmax —最大转矩 T N —额定转矩 n N —额定转速
由图1可看出，在电动机启动过程中，电动机能产生的最大转矩T Dmax 在电动机的转速接近额定转速n N 时出现，而电动机转速接近0时，其所能产生的启
动转矩Ts 远小于最大转矩T Dmax 。
下面以风机为例进行说明： 图2表示了风机启动过程中，传递到电动机上的需克服的转矩Tw 的变化曲线。
图2 风机启动过程的转矩变化曲线
T N —额定转矩 T Fmax —最大转矩
n N —额定转速
由图2可看出，风机在启动过程中，转速接近0时，风机传递给电动机需克服的转矩值为最大值T Fmax 。
综合图1、图2可知，在电动机的启动过程中，风机传递给电动机需要
克服的转矩的幅值变化与电动机所能产生的转矩幅值的变化正好相反。当电动机的Ts 大于风机的T Fmax 时，电动机能带起风机，但这时T Dmax 则远大于T Fmax ，电动机为“大马拉小车”，当T s 小于T Fmax 时，虽然T Dmax 大于T Fmax ，但其不在同一时段出现，则电动机启动困难，甚至启动不起来。
风机在n ≈0时，传递给电动机需克服的转矩最大，而此时，由于n ≈0，电动机的转差率s=1，其转子电动势本身就很大，加上电动机超载启动，使电动机的启动电流很大，也造成机械部分的冲击载荷加大。
由上述分析可知，假定在电动机启动到n 接近n N 时，风机的最大转矩T Fmax 才能传递到电动机上，电动机此
时的转差率s ≈0，且可以用T Dmax 克服T Fmax ，将充分发挥出电动机的容量，也可使电动机的启动电流下降，这种特性，我们称之为电动机的软启动。
实现电动机的软启动，其方式主要有电气及机械两大类。对低压380V 电动机，可配置电气软启动器，对高压电机一般采用机械方式，通常为液
力偶合器和软启动安全联轴器。
液力偶合器是利用液体动能及势能来传递动力的液力传动部件，在液力偶合器中充有工作油，当电动机启动时，主动轴带动泵轮旋转，叶轮流道中的油在叶片带动下，由于离心力作用，由泵轮内侧流向外缘，形成高压高速油流冲击涡轮叶片，使涡轮转动并带动从动轴旋转，将动力传递到工作机。
当转速较小时，高压油压力及流速不够，涡轮相对泵轮滑动，电动机近似空载启动，当转速达到一定值时，高压油压力及流速足够，使涡轮克服工作机转矩，与泵轮同步旋转，工作机完全被启动。
液力偶合器作为电动机软启动装置，已应用多年，但其缺点是质量大，尺寸大，对大功率更是如此。如功率P=560kW，转速n=750rpm的型号，其外径D=1120mm，总长度L=722mm，质量W=600kg，这样的质量对风机轴承座的轴伸及电动机的轴伸是无法承受的，而这样大的尺寸，对已有风机的改造也是不可能的。
软启动安全联轴器由于其质量轻，尺寸小，易实施改造，维护工作少，已作为设备软启动的首选。
2、钢球式软启动安全联轴器的
原理及特点
软启动安全联轴器通过钢球的离心压力产生的摩擦力传递转矩，通常将联轴器装在传动链的高速端。当原动机启动时，由于转速很低，离心力很小，其产生的摩擦力也很小，联轴器打滑，主动侧随原动机旋转，被动侧静止，原动机为近似空载启动。随着转速的增加，摩擦力逐渐增大，联轴器的被动侧带动工作机开始旋转，直到与主动侧同步旋转，原动机的整个启动过程是一个平稳的逐渐加载的过程，实现了原动机的“软”启动，改变了普通联轴器联接时的“硬”启动方式。
当工作机过载或卡死时，由于转矩超过了设计摩擦力可传递的转矩，联轴器打滑，防止了机械部件的损坏及电动机的烧毁。
软启动安全联轴器的结构如图3所示。
联轴器的工作过程为：主动轴带动转子旋转，转子上的叶片将壳体内的空腔分成2~6等份，叶片推动空腔中的钢球作圆周运动，钢球由于离心力作用沿联轴器半径方向运动，逐渐贴紧在壳体内壁，并沿壳体内壁滑动，随着转速的升高，钢球与壳体内壁间的摩擦力达到一定值时，钢球带动壳体旋转，达到同步状态。壳体通过销轴组件带动半联轴器旋转，将动力传递到工作机。
图3 软启动安全联轴器结构示意 1—转子 2—壳体 3—钢球 4—销
轴组件 5—半联轴器
软启动安全联轴器的主要特点： 1）软启动性好。原动机启动时，联轴器处于打滑状态，可将带载启动变为近似空载启动，实现原动机的软启动。
2）可靠的过载保护并可调节。当工作机过载或卡死时，联轴器打滑，
限制了功率的增加，当异步电动机因过载导致转速下降时，联轴器可传递功率随转速迅速下降，有效保护电动机不被堵转。增减钢球的填充量，可调节过载保护功率值。
3）减振性好。钢球在传力过程中相互间的弹性运动可吸收传动系统的振动。
4）省能源与设备费用。由于实现了软启动，降低了启动电流，缩短了峰值时间，降低了能耗，同时，减小了设备的启动冲击，节省设备维修费用。
5）装拆卸方便，工作可靠，运行中无需维护，承载能力大，外形尺寸小，但长时间打滑发热严重，不适用于频繁起动或频繁换向的场合。
3、钢球式软启动安全联轴器启
动过程理论依据及曲线关系
软启动安全联轴器的传力介质为钢球，假设联轴器壳体内填充的钢球质量为m ，钢球形成的立方体的质心半径为r ，联轴器的转速为n ，则钢球产生的对壳体内壁的离心压力F 为：
F=mr(πn/30)2
假设联轴器的壳体内壁的半径为R ，钢球与壳体间的摩擦因数为f ，钢
球与壳体间的摩擦转矩（即联轴器可传递的转矩）T 为：
T=FRf=Rfmr(πn/30)2
由上式可知，联轴器可传递转矩与联轴器的直径及钢球的填充量成一次方线性关系，而与转速成2次方关系。
由于可传递转短T 与转速n 为2次方关系，因此联轴器有较好的软启动性：
①无论风机的T Fmax 有多大，在n ≈0时，即电动机刚启动时，T ≈0，联轴器打滑，即通过联轴器传递给电动机的需克服的转矩约等于零，电动机近似空载启动。
②在启动过程中，联轴器可传递转矩T 的增加滞后于转速n 的增加，下面列几组数据：
当n=0.3nN 时，T=0.32T N =0.09TN
当n=0.6nN
时，T=0.62T N =0.36TN
当n=0.9nN
时，T=0.92T N =0.81TN
这一特性与图1所描述的电动机启动过程中转矩的变化相吻合，也就是在n 接近n N 时，联轴器才将风机的最大转矩传递到电动机，在电动机能产生T Dmax 时克服风机的T Fmax 。
当风机超载等情况出现时，风机产生的转矩大于联轴器可传递转矩，联轴器打滑，有效保护电动机不被堵转。
当联轴器的尺寸确定时，可通过改变钢球的填充量n 来改变T ，从而改变联轴器的特性参数。
4 结论
实现大转动惯量设备的软启动，对传动系统及整机设备的安全高效运行具有重要的作用。实践证明采用新型钢球式安全联轴器能有效地降低电机的启动电流，保护传动系统，实现软启动。因此应引起主机厂及业主的高度重视。
参考文献
1. 阮忠唐 主编 联轴器、离合器设计与选用指南 化学工业出版社 北京 2006 2. 周希章 周全 等编著 如何正确选用电动机 机械工业出版社 北京 2004
3. 濮良贵 陈庾梅 主编 机械设计教程 西北工业大学出版社 西安 1994