关于水泥智能化制造中传动设备优化升级方向的思考

王向东

继国家提出“中国智造2025”之后，工信部再次发布《建材工业智能制造数字转型三年行动计划（2020-2022年）》，要求推进建材工业与信息技术在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展，并圈定水泥行业智能化作为转型的重点领域。

当前5G、物联网、云计算、AI等新兴信息技术同智能制造技术相互融合的趋势加速，促进了智能制造的加速发展。中国许多水泥企业早已开始布局水泥生产的数字化、智能化，例如无人驾驶矿车、不断挑战人数极限的智能工厂等等。大家的终极目标是一致的——水泥制造智能化。在这次智能化浪潮中，传统的传动设备能不能更好的适应智能化制造的需要？水泥智能制造对于传统的传动系统有没有什么新要求呢？作者结合自身的工作经验，针对联轴器、调速器和齿轮减速机分别提出了优化升级的方向。以下观点仅供参考，欢迎大家拍砖。

一、水泥制造智能化对传动系统的要求

作者认为智能化的目的是实现社会资源的优化配置，具体点讲就是通过物联网、5G、云计算、AI、自动化等各种技术手段，及时挖掘区域市场需求，并根据需求通过智能制造实现区域更高效地供给平衡。其结果就是工厂人员无限精简、设备实现自动化、生产实现智能化。

随着人们生活水平越来越高，工厂不得不面临一个现实：愿意干脏活累活的人越来越少（这些工作优先被机器人代替），高水平的操作工和维修工越来越少，人工成本越来越高，这就对传动系统中的设备提出了新要求：

（1）简单：即设备结构要简单、越简单越好，使用要简单、安装要简单、维护要简单（Z好免维护），故障后能够快速处理和快速恢复；

（2）可靠：即设备本身要可靠、寿命长，系统振动要小；

（3）高效：设备要高效节能，运行策略也要Z优；

（4）环保：设备不能产生污染物污染环境，也不能产生谐波污染电网；

传动是工业的基础，水泥行业也是一样，从开矿到生产出水泥熟料的各个环节都离不开传动系统。电机传动系统的形式很多，水泥行业主要的传动方式为两大类，一种是“电机+联轴器+负载+控制器”，另一种是“电机+联轴器+减速机+负载+控制器”。无论怎么智能化，Z终要通过各种传动设备来落地。因此，想要实现智能化制造，首先就要求传动系统的设备简单、可靠、高效、环保，从而才能更好地、不折不扣地执行大脑的指令。

二、传动系统可能的优化升级方向

1、传统联轴器可能优化升级为无机械联结的永磁联轴器

联轴器用于连接电机和负载，使之共同旋转以传递扭矩，是各行业传动系统中非常普遍的机械零件，如水泥行业的辊压机、提升机、斜拉链、皮带机等，其中大部分系统采用的是刚性联轴器、弹性联轴器等传统联轴器。

图1 永磁联轴器替代传统联轴器

永磁联轴器是近几年随着稀土永磁材料发展而兴起的、使主动端和被动端完全无机械联、通过磁场实现扭矩传递、将可替代传统联轴器的一种新型联轴器。其特点：结构简单、安装简单、具有软启动和过载保护功能。特别是在系统故障后快速恢复方面优势明显。而永磁联轴器又分为套筒异步式、套筒同步式、圆盘异步式三种典型结构，如图2~4所示。

这三种结构型式在性能方面的比较见表1。

表1 三种不同结构的永磁联轴器比较

由表中的性能对比可以看出，套筒异步式永磁联轴器是一种结构Z简单、安装维护Z简单的新型永磁联轴器。

2、传统机泵系统的调速控制方式可能优化升级为永磁调速控制

各类风机和泵在水泥行业中大量应用，如回转窑窑尾风机、磨机尾部风机及冷却循环水泵等。风机和泵选型均以系统的Z大流量或压力需求来设计，并且还会留有一定的设计余量。常用的调节方式是通过调节挡板或阀门的开度来调节流量或压力，不仅导致严重的节流损失，也会使风机水泵的运行工况点偏离Z佳效率点，造成电能浪费。因此调速技术获得了广泛的应用，例如传统的液力耦合调速、应用Z广的变频调速等。尤其是这些年高压变频大面积使用，逐渐暴露了一些问题，首先产生大量的谐波，污染电网；其次比较娇贵、难维护（易受温度、湿度、粉尘、谐波等影响）；再次故障不可预测，元器件寿命短，等等。

永磁调速技术是近几年发展起来并趋于成熟的一种调速技术。永磁调速是电气原理机械实现，通过机械手段调节切割磁力线的多少，从而实现对负载的调速，属于机械调速。其本质是扭矩控制系统，转速下降扭矩随之变小，因此不适合恒扭矩负载调速。其结构型式可分为套筒式、双筒式、圆盘式三种结构，如图5~7所示。关于这三种结构永磁调速器的对比见表2。

表2：三种不同结构的永磁调速器比较

通过上述比较可以看出，套筒式永磁调速技术属于Z简单的调速技术。

永磁调速与高压变频调速相比也存在明显的优势，永磁调速器安装于电机和负载之间，如图8所示，高压变频器安装于清洁、恒温的房间内，如图9所示，两者具体的性能对比见表3。

图8 永磁调速器

图9 高压变频

表3 永磁调速技术与高压变频调速比较

随着生产的自动化和智能化，对电能质量的要求越来越高，谐波会引起设备误动同时也增加能耗，因此从源头上要尽量少用污染电网的设备，否则污染后再治理，系统越来越复杂，不可控因素会越来越多，系统可靠性将会越来越低。

3、齿轮减速机可能的优化升级方向为磁轮减速机或者永磁直驱电机

齿轮减速机是传动的基础，广泛应用于各类传动系统中，国徽上就是用齿轮代表工业。在水泥行业，齿轮减速机也得到了大量应用，如输送系统、破碎机、垂直滚筒辗粉机、球磨机、水平球磨机、水泥磨机、煤磨机、选粉机、斗轮机等等。

齿轮的可靠性和故障率除了材料、加工精度和装配精度外，Z关键的在于润滑，润滑油需要定期更换，还会存在漏油污染环境问题；于冲击载荷，齿轮的故障率也会明显上升。

磁轮减速机是一种利用永磁体磁场间的作用力进行传动的装置，由外磁环、调制环和内磁环三部分组成。磁轮减速机运作的基本原理是使用调制环上导磁材料调制两边磁环上永磁体产生的磁场，使调制好的磁场具有的谐波与对面磁环上的永磁体相互作用，从而使主动转子带动从动转子运行，可以替代齿轮减速机用于智能装备中，结构如图10所示。该产品已经具备现场应用条件，实物如图11所示。

图10 磁轮减速机结构原理图

图11 磁轮减速机实物图

永磁直驱电机这几年发展也非常迅速，电机直接输出低转速大扭矩的动力，与负载直接相连，减少了变速环节，系统变得很简单。但是永磁直驱电机必须矢量变频控制，如果变频器故障，电机将会罢工；同时变频器的高次谐波又影响永磁体的磁性能，会导致磁性缓慢衰减，因此永磁直驱电机的主要瓶颈在变频器和应用的环境。

无论磁轮减速技术还是永磁电机直驱技术，都代表着替代齿轮减速机的未来方向。

结束语

水泥制造向智能化、信息化、绿色化、无人惑少人化发展是大势所趋，因此未来的传动设备发展方向只能是简单、可靠、免维护。正是基于这个判断，针对传统传动系统的联轴器、调速器、齿轮减速机分别提出了上述可能的优化升级的方向。

作者简介：王向东，四川巴中人，哈工大本/硕，教授级高工；中组部第3批“万人计划”领军人才、科技部双创人才、南京市科技顶尖专家；江苏金陵永磁产业研究院院长，南京艾凌节能技术公司董事长、芜湖磁轮传动公司董事长。

（来源：中国水泥网）