煤矿开采的刮板输送机在实际使用工况中，受复杂运量和工况影响易发生输送链卡滞，为保护输送系统的整体正常运行，传动系统中设计了电气过载保护和机械过载保护等专门的保护装置。设备正常运行出现过大载荷时，电流反馈负载端发生的异常情况，通过减小电流或断电形式进行电气过载保护，降低或停止动力供应，保护驱动系统。

因物体本身具有惯性，高速运转的电机及其连接部件无外力作用下，维持运动趋势，电气保护感应到突发工况造成电流升高后，电气保护及时断电保护，电机以及传动系统中所有的旋转和运动部件无法实行立即停止，为了解决运动趋势带来的传动系统损坏问题，通过机械方式消耗动能，减少了惯性能量对传动系统的危害。设计了剪切销形式的保护装置，当超过传动转矩就截断剪切销，实现剪切同时断开传动的保护方式。

随着实际生产中对生产效率提高要求，设备具备机械保护的功能，同时又不断开且限定最大传递力或者转矩，研发出摩擦式限矩器。目前比较成熟应用于刮板输送机传动系统驱动单元主要为变频器驱动三相异步电动机（分体或一体式），搭载摩擦限矩器进行机械保护，功率为75～3 000 kW。

刮板输送机配置限矩器的必要性分析

分析驱动布置方式主要是永磁直驱（半直驱）类一体机的应用，直驱或半直驱的动力部传动方式，采用直驱或半直驱形式的永磁电机，具有低速大转矩、体积较大等特点，价格比常规三相异步电机或变频驱动三相异步电机高，外形尺寸根据直驱参数要求，通常为常规电机的1.5～3倍。

由于体积比常规电机大，对于煤矿井下刮板输送机类安装空间紧凑的环境，目前还没有永磁直驱的应用场景，在国内试点应用使用均为半直驱电机高速变频一体机（电机转速为300～900 r/min+行星减速器形式），分析传动链设计，传动装置本质上仍是一种高速电机+减速器的连接方式，为满足验证试用安装要求，尺寸接近刮板输送机的安装空间要求，具体性能有待验证确认，该类传动方式成本较高，在国内很难大范围推广使用。

从技术角度分析，根据旋转运动的动量定理，永磁电机或常规电机，在负载端遇到卡滞时，旋转冲击在冲击位置受到冲击转矩，变频控制器感应到电流异常，对电机进行过载或者停机保护，实质上是切断电机动力源，电气保护任务完成，主要分析电气保护和机械保护。

（1）为简化分析，设定电气保护最理想情况为电气保护零延时断电，在卡滞发生的同时，电气系统立刻停止供电。电气系统启动断电保护，停止了动力供应，因物体惯性，电机转子仍处于高速旋转趋势下，传动系统由于惯性运动也按照原方向继续运行，卡滞发生点运动趋势与卡滞点造成冲击，瞬间产生冲击力及对应冲击转矩，进而产生了对整个机械传动系统的动态冲击，发生瞬间系统内力矩突变的过程。

（2）从能量角度，对刮板输送机传动系统，运动物体都具有动能，将运动物体停下来需要完全消耗动能，动能消耗时间越短，所需功率越大。由于电机转子转速高、质量大，相当于1个巨大的飞轮，在刮板输送机整套传动系统中，电机转动惯量占整个传动系统中总转动惯量约80%～90%。

刮板输送机配置限矩器的必要性

实际工况中，输送设备突发卡滞可能造成刮板输送机链条崩断、减速箱打齿、联轴器弹性块压溃甚至断轴等情况，以700 kW永磁半直驱电机，突发卡滞电机转子瞬间产生的冲击转矩为例，分析输送设备突发卡滞状态下的能量。

永磁半直驱一体机700 kW的电机输出转速为300～900 r/min，以750 r/min转速下电机转动惯量为70 kg·m²，突发卡速度改变量从750 r/min瞬间下降为0，速度改变量 $∆N$ 为750 r/min。

考虑到刮板输送机链条长度及自身张力，卡滞停止时间与刮板链发生卡滞点及链速存在关联关系，越靠近输出链轮主轴的卡滞，停止时间越短，相应冲击转矩越大。

不同卡滞位置的停止时间 $∆t$ 通常为0.02～0.3 s，结合实际应用中频繁发生断链的机头和机尾部工况，卡滞点设定为机头链轮部位，取工况中较恶劣数值的停止时间为0.05 s。

按照国际单位制，根据相关公式可计算得出卡滞瞬间产生 $\mathrm{的}$ 冲击转矩 $\mathrm{109}\mathrm{948}$ N·m，刮板输送机在突发卡滞等工况下，使用永磁直驱电机惯性冲击产生的冲击转矩为12.3倍的电机额定转矩，如果需要电机提供瞬间反向制动力，电机功率需要瞬间达到4 314 kW，远超电机最大驱动转矩的冲击能量，以及对应的冲击力加载到传动系统任何传动零件，易造成传动元件中最薄弱环节的损坏，如减速箱主轴、齿轮、链轮、电机的冲击损坏。量化数据结果符合井下刮板输送机，在输送过程中突发卡滞易出现断链、齿轮打齿、断齿、电机等损坏等实际工况。

大多数情况下，半直驱技术从原理上是高速电机结合减速结构再输出转矩的传动方式，本质仍是电机高速旋转驱动输送设备，当冲击卡链等工况发生时，在驱动单元产生的惯性冲击力矩，无法靠断电保护实现过滤和吸收冲击载荷；减速箱部分较常规单独减速箱传递方式损坏率没有明显降低；现场单独更换减速箱尤为困难，为减少停产所带来的不利因素，通常为一体机整体更换，增加了设备维护成本。

实测刮板输送机配置限矩器

针对运动物体惯性冲击造成损坏在类似工况环境中经常发生的情况，研究分析限矩器的机械保护装置消除尖峰载荷并吸收冲击能量。理论计算结合实际验证，通过实验装置产生冲击载荷，并加载在待测限矩器上分析得到数据。

（1）加载对象为1台相当于700 kW电动机转子的飞轮体，旋转加载到实际工况的转速达到相同的动能匹配，飞轮在没有限矩器保护装置的情况下，理论冲击转矩为109 948 $$ N·m，通过该实验装置将运动的飞轮体旋转动能，瞬间加载在限矩器保护装置后，限矩器受到瞬间冲击能量产生的冲击转矩，该冲击转矩远大于限矩器的设定转矩，通常限矩器内部由弹簧或其他压力设定结构产生压力，进而在摩擦副之间形成摩擦力，实现设定转矩。

通过高精度转矩传感器测出限矩器输出转矩为19 944 N·m。由此得出结论，限矩器瞬间把冲击转矩降低了82%，从实际检测数据得到，限矩器起到了明显的限定最大传递转矩的作用。高精度转速传感器测试表明限矩器在打滑转矩下持续摩擦做功，吸收冲击动能的同时输出安全的传递转矩，整个过程传动系统未断开，也无需复位，实现对设备持续安全保护。

被检测的限矩器测试打滑过程输出传递转矩稳定，打滑转速平稳降低，直到整个打滑过程结束，表明限矩器性能可靠，700 kW限矩器冲击载荷检测转矩输出曲线如图1所示。