1　驱动方式的划分

　　由于磨机是一种低速、重载、恒转速的设备，决定了磨机传动是一种大功率下的大速比传动。磨机启动时需要克服传动系统的磨损损耗和研磨体重心的偏移对传动轴所产生的有效力矩。磨机传动形式的选择，除了与功率有关，还与设备投资、维护及安装地点等多种因素有关。通常，磨机功率小于 10 000 kW，采用单电动机驱动；磨机功率在 10000～20000 kW 之间，采用双电动机驱动；磨机功率大于 20 000 kW，采用无齿轮驱动。磨机传动方式的划分如图1 所示。

　　图1　球磨机驱动方式的划分

　　Fig.1　Identifi cation of driving mode of ball mill

　　2　常见的几种磨机驱动方式

　　2.1　单驱同步电动机形式

　　单驱同步电动机的驱动方式在国内的矿业市场占有**的份额，并且使用时间较长，其布置方式如图2 所示。该驱动系统的配置有同步电动机、气动离合器、小齿轮轴组和大齿轮。大齿轮通过高强度螺栓把合安装在筒体上，依靠大齿轮的转动，带动磨机筒体做旋转运动。

　　图2　单驱同步电动机的布置方式

　　Fig.2　Layout of single drive synchronous motor

　　同步电动机分为有刷电动机和无刷电动机。有刷电动机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化依靠随电动机转动的换向器和电刷来完成。无刷电动机由控制器提供不同电流方向的交流电，以达到电动机线圈电流方向的交替变换，无刷电动机的转子和定子之间没有电刷和换向器。

　　无刷电动机以电子换向取代机械换向，技术上优于有刷电动机。有刷电动机的碳刷易磨损，需定期更换，但无刷电动机的效率在一定电流范围内要比有刷电动机略差。

　　2.2　单驱异步电动机形式

　　单驱异步电动机在国内的化工行业应用*多，较早的金属矿山也有应用，但其所适用的磨机规格普遍较小，其布置方式通常如图3 所示。该驱动系统的配置有异步电动机、减速器、小齿轮轴组和大齿轮。大齿轮通过高强度螺栓把合安装在筒体上，依靠大齿轮的转动，带动磨机筒体做旋转运动。

　　图3　单驱异步电动机的布置方式

　　Fig.3　Layout of single drive asynchronous motor

　　异步电动机分为绕线式异步电动机和鼠笼式异步电动机。绕线式异步电动机在启动性能方面有优势，能够在转子回路中串入外加电阻，进行降压启动。在磨矿系统中通常采用加水电阻的方式，能够改善电动机的启动和调速性能，启动电流小，启动转矩大；但缺点是结构复杂，维护较麻烦，运行可靠性较差。

　　鼠笼式异步电动机结构简单，制造方便，价格便宜，变频器调速应用广泛，使用、安装、维护方便等；其缺点是启动转矩较小，功率因数滞后，轻载功率因数低。

　　矿用磨机通常需要满足低速满载的大转矩启动，因而常选用绕线式异步电动机。但在特殊防爆的作业环境和较差电网条件下，则需要选用有较高防护等级的鼠笼式异步电动机。

　　2.3　双驱同步电动机形式

　　当磨机功率较大，单个电动机、气动离合器及小齿轮轴无法满足要求时，需要选择双侧驱动。双驱电动机的同步布置方式如图4 所示，2 套传动系统对称布置在大齿轮的两侧，每个系统包括同步电动机、气动离合器、小齿轮轴组和大齿轮。

　　图4　双驱同步电动机的布置方式

　　Fig.4　Layout of double drive synchronous motor

　　双边驱动的技术难点是同步性，当前主要采用GE 公司的 Quadramatic *技术，控制实现磨机的运转。使用粗调/精调来平衡载荷，2 台电动机的功率负载平衡由电动机 Q 轴励磁控制，通过改变电动机负载角度及离合器脉冲以控制粗平衡；同时，Q 轴电动机通过高性能系统来校正离合器的不平衡及磨机齿轮偏心。

　　动态 (精调) 负载平衡是通过流经 2 台电动机反平行连接的正交磁场绕组，改善控制增量电流来实现。受控 Q 轴电流加大轻负载电动机的负载电角度，同时减小重负载电动机的负载电角度，以达到 2 台电动机的平衡，平均功率差约等于±(0 ～ 0.5)%。

　　2010年，江铜集团德兴铜矿在 φ7.32 m×10.68 m球磨机上采用双边同步驱动，这在国内属**，此后，国内大功率磨机驱动大多采用此方式。

　　2.4　双驱异步电动机形式

　　双驱异步驱动系统布置形式如图5 所示，配置 2套传动系统对称布置在大齿轮的两侧，每个系统包括异步电动机、高速联轴器、减速器、低速联轴器和小齿轮轴。同样，双边驱动的技术难点是同步性，当前主要采用双水电阻启动器控制启动，启动后采用机械自平衡的方式进行调节。

　　图5　双驱异步电动机的布置方式

　　Fig.5　Layout of double drive asynchronous motor

　　3　驱动方式的技术特点

　　笔者仅根据同规格的磨机采用不同的驱动方式，进行应用方面的技术性能和其优缺点的比较。

　　3.1　单驱齿轮传动

　　以某矿山选矿厂 φ5.5 m×8.5 m 溢流型球磨机为例，按装机功率 4 500 kW 的配置进行分析，同步电动机与异步电动机的性能比较如表1 所列。

　　表1　同步电动机与异步电动机的性能比较

　　(1) 单驱同步电动机 整个传动系统安装同侧，结构紧凑、简单，占地面积小。启动方式上，*先电动机空载启动，达到正常转速后，气动离合器充气抱闸，拖动齿轮轴运行。磨机停车时，直接打开气源，脱开离合器，磨机即可停车。磨机停车时，电动机勿需停机即可，没有中间环节，传动效率高。整个过程操作简单，方便快捷。在过载情况下，可以通过离合器摩擦片的打滑来保证系统的安全。正常工作情况下，需要定期更换磨损的摩擦片，维护成本较低。但是由于大功率离合器均为进口品牌，价格较贵，初期投资成本较高，备品备件价格也较贵。在国内市场中，同步驱动方式占有 90% 多的市场份额。近些年在国内选矿应用市场中，一些大型企业集团例如白银集团、金川集团、紫金集团、*钢以及太钢等新运行的大中型磨机，多采用同步驱动方式。

　　(2) 单驱异步电动机 传动系统通过多个联轴器进行连接，经过减速器进行降速。启动方式上，*先启动减速器的润滑油站，保证润滑良好。电动机通过外串的液态水电阻进行降压启动，直接拖动齿轮轴运行。磨机停车时，需电动机停机，由于经过多级机械传动，效率将会降低。整个操作过程相对较复杂。在过载情况下，只能通过电动机的运行状况进行监测，通过电动机的停车停止磨机。正常运转情况下，需要定期维护滚动轴承和齿轮，检修拆卸工作量较大。由于减速器品牌众多，价格要比离合器便宜，因而初期投资成本较低，在国外市场中，此种驱动方式占据主导地位。

　　其他方面比如励磁、气源、水电阻及占地面积等，各有其特点和运行需求。

　　综合考虑，由于低速同步电动机直驱传动方式的结构简单，维护成本较低，具有良好的适用性，因而得到用户的广泛认可，当前在国内处于主流地位。绕线式异步电动机 + 减速齿轮箱的传动方式，尽管增加了齿轮箱系统，使传动效率有所降低，但是项目投资成本较低，维护量小，驱动系统无励磁柜等复杂电气控制设备，能更好地适应磨机苛刻的运行环境和长期稳定运行的生产需求，在国外有较高的市场占有率。

　　3.2　双驱齿轮传动

　　(1) 同步双驱传动系统 该系统每侧都在同一轴线安装，布置方式与同步单驱相同。启动时，*先电动机空载启动，达到正常转速后，气动离合器充气抱闸，拖动齿轮轴运行。磨机停车时，直接打开气源，脱开离合器，磨机即可停车。磨机停车时，电动机勿须停机，没有中间环节，传动效率高。该系统属于高品质、长寿命运行结构。

　　双驱齿轮传动的关键技术在于负载平衡的调节。GE 公司在电动机上额外添加了双驱绕组，重新合成转子磁力线，实现双驱功能，双驱绕组是主转子磁*之间的另外一个磁*。

　　磨机负载平衡控制通过以下 2 个步骤实施：①双驱励磁电流精调负载平衡。双驱电流增加轻负载电动机的负载角度，减小重负载电动机的负载角度，从而实现 2 台电动机的负载平衡，快速维持由齿轮偏心、坏齿、磨机负载变化等引起的功率差异*小化；② 离合器脉冲粗调负载平衡。如果双驱电流的平均值高于预先设定值，或无双驱电流控制的电动机的功率差异高于预先设定值，离合器脉冲粗调负载平衡的功能将被触发。电动机负载角度能被控制在大约±25%。

　　负载平衡调节为 GE 公司的*技术，该方式结构简单，控制精度高，技术成熟可靠，当前国内双驱磨机均采用此方式运行。

　　(2) 异步双驱传动系统 单侧布置方式与异步单驱相同。该系统采用横向滑环电动机，其控制负载平衡的关键技术是依靠双液态电阻启动器启动。由于每台电动机均采用水电阻启动，为了保证启动过程的平衡，2 台水电阻变阻器通过连通器连接，形成一体式水电阻启动器。启动后 2 台电动机各自运行，依靠机械部分自动调节到 2 台电动机的平衡。启动前，*先将辅助装置 (包括传感器、显示器面板和浸入装置，电解液液位报警和跳闸浮动开关、电解液过热温度调节器等) 调整到位；调整启动时间范围在 15 ～ 40 s，通常设定值在 25 s 左右，每小时启动的次数不超过 4次，启动转矩限制在额定电动机转矩的 180%；启动后，切除液态电阻启动器，磨机停车时，需要直接关停电动机，磨机方能停车[11-12]。安装碳刷和维护滑环对电动机的正常使用非常重要，滑环腔内的碳灰尘需要定期清洗。

　　异步双驱电动机的尺寸一般较大，结构复杂，对操作人员的要求也较高。在澳大利亚的 SINO 铁矿运行的球磨机即采用此方式驱动，但是整体市场份额很小，国内尚未有使用案例。

　　4　结语

　　选择合适的传动系统，是优化整机结构，保证设备正常运行不可缺少的重要条件，对于提高矿山设备的生产效率、节能减耗都至关重要。通过对几种驱动方式的分析比较，选择合理的驱动装置，既可以保证设备安全、稳定地运行，又能实现预期的经济效益。随着技术的进步和提高，环形电动机和变频直连技术的应用，为新的驱动方案提供了更多的支持和选择，都需要我们不断地学习研究。