王向東

繼國家提出“中國智造2025”之后，工信部再次發布《建材工業智能制造數字轉型三年行動計劃（2020-2022年）》，要求推進建材工業與信息技術在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現融合發展，并圈定水泥行業智能化作為轉型的重點領域。

當前5G、物聯網、云計算、AI等新興信息技術同智能制造技術相互融合的趨勢加速，促進了智能制造的加速發展。中國許多水泥企業早已開始布局水泥生產的數字化、智能化，例如無人駕駛礦車、不斷挑戰人數極限的智能工廠等等。大家的終極目標是一致的——水泥制造智能化。在這次智能化浪潮中，傳統的傳動設備能不能更好的適應智能化制造的需要？水泥智能制造對于傳統的傳動系統有沒有什么新要求呢？作者結合自身的工作經驗，針對聯軸器、調速器和齒輪減速機分別提出了優化升級的方向。以下觀點僅供參考，歡迎大家拍磚。

一、水泥制造智能化對傳動系統的要求

作者認為智能化的目的是實現社會資源的優化配置，具體點講就是通過物聯網、5G、云計算、AI、自動化等各種技術手段，及時挖掘區域市場需求，并根據需求通過智能制造實現區域更高效地供給平衡。其結果就是工廠人員無限精簡、設備實現自動化、生產實現智能化。

隨著人們生活水平越來越高，工廠不得不面臨一個現實：愿意干臟活累活的人越來越少（這些工作優先被機器人代替），高水平的操作工和維修工越來越少，人工成本越來越高，這就對傳動系統中的設備提出了新要求：

（1）簡單：即設備結構要簡單、越簡單越好，使用要簡單、安裝要簡單、維護要簡單（Z好免維護），故障后能夠快速處理和快速恢復；

（2）可靠：即設備本身要可靠、壽命長，系統振動要小；

（3）高效：設備要高效節能，運行策略也要Z優；

（4）環保：設備不能產生污染物污染環境，也不能產生諧波污染電網；

傳動是工業的基礎，水泥行業也是一樣，從開礦到生產出水泥熟料的各個環節都離不開傳動系統。電機傳動系統的形式很多，水泥行業主要的傳動方式為兩大類，一種是“電機+聯軸器+負載+控制器”，另一種是“電機+聯軸器+減速機+負載+控制器”。無論怎么智能化，Z終要通過各種傳動設備來落地。因此，想要實現智能化制造，首先就要求傳動系統的設備簡單、可靠、高效、環保，從而才能更好地、不折不扣地執行大腦的指令。

二、傳動系統可能的優化升級方向

1、傳統聯軸器可能優化升級為無機械聯結的永磁聯軸器

聯軸器用于連接電機和負載，使之共同旋轉以傳遞扭矩，是各行業傳動系統中非常普遍的機械零件，如水泥行業的輥壓機、提升機、斜拉鏈、皮帶機等，其中大部分系統采用的是剛性聯軸器、彈性聯軸器等傳統聯軸器。

圖1 永磁聯軸器替代傳統聯軸器

永磁聯軸器是近幾年隨著稀土永磁材料發展而興起的、使主動端和被動端完全無機械聯、通過磁場實現扭矩傳遞、將可替代傳統聯軸器的一種新型聯軸器。其特點：結構簡單、安裝簡單、具有軟啟動和過載保護功能。特別是在系統故障后快速恢復方面優勢明顯。而永磁聯軸器又分為套筒異步式、套筒同步式、圓盤異步式三種典型結構，如圖2~4所示。

這三種結構型式在性能方面的比較見表1。

表1 三種不同結構的永磁聯軸器比較

由表中的性能對比可以看出，套筒異步式永磁聯軸器是一種結構Z簡單、安裝維護Z簡單的新型永磁聯軸器。

2、傳統機泵系統的調速控制方式可能優化升級為永磁調速控制

各類風機和泵在水泥行業中大量應用，如回轉窯窯尾風機、磨機尾部風機及冷卻循環水泵等。風機和泵選型均以系統的Z大流量或壓力需求來設計，并且還會留有一定的設計余量。常用的調節方式是通過調節擋板或閥門的開度來調節流量或壓力，不僅導致嚴重的節流損失，也會使風機水泵的運行工況點偏離Z佳效率點，造成電能浪費。因此調速技術獲得了廣泛的應用，例如傳統的液力耦合調速、應用Z廣的變頻調速等。尤其是這些年高壓變頻大面積使用，逐漸暴露了一些問題，首先產生大量的諧波，污染電網；其次比較嬌貴、難維護（易受溫度、濕度、粉塵、諧波等影響）；再次故障不可預測，元器件壽命短，等等。

永磁調速技術是近幾年發展起來并趨于成熟的一種調速技術。永磁調速是電氣原理機械實現，通過機械手段調節切割磁力線的多少，從而實現對負載的調速，屬于機械調速。其本質是扭矩控制系統，轉速下降扭矩隨之變小，因此不適合恒扭矩負載調速。其結構型式可分為套筒式、雙筒式、圓盤式三種結構，如圖5~7所示。關于這三種結構永磁調速器的對比見表2。

表2：三種不同結構的永磁調速器比較

通過上述比較可以看出，套筒式永磁調速技術屬于Z簡單的調速技術。

永磁調速與高壓變頻調速相比也存在明顯的優勢，永磁調速器安裝于電機和負載之間，如圖8所示，高壓變頻器安裝于清潔、恒溫的房間內，如圖9所示，兩者具體的性能對比見表3。

圖8 永磁調速器

圖9 高壓變頻

表3 永磁調速技術與高壓變頻調速比較

隨著生產的自動化和智能化，對電能質量的要求越來越高，諧波會引起設備誤動同時也增加能耗，因此從源頭上要盡量少用污染電網的設備，否則污染后再治理，系統越來越復雜，不可控因素會越來越多，系統可靠性將會越來越低。

3、齒輪減速機可能的優化升級方向為磁輪減速機或者永磁直驅電機

齒輪減速機是傳動的基礎，廣泛應用于各類傳動系統中，國徽上就是用齒輪代表工業。在水泥行業，齒輪減速機也得到了大量應用，如輸送系統、破碎機、垂直滾筒輾粉機、球磨機、水平球磨機、水泥磨機、煤磨機、選粉機、斗輪機等等。

齒輪的可靠性和故障率除了材料、加工精度和裝配精度外，Z關鍵的在于潤滑，潤滑油需要定期更換，還會存在漏油污染環境問題；于沖擊載荷，齒輪的故障率也會明顯上升。

磁輪減速機是一種利用永磁體磁場間的作用力進行傳動的裝置，由外磁環、調制環和內磁環三部分組成。磁輪減速機運作的基本原理是使用調制環上導磁材料調制兩邊磁環上永磁體產生的磁場，使調制好的磁場具有的諧波與對面磁環上的永磁體相互作用，從而使主動轉子帶動從動轉子運行，可以替代齒輪減速機用于智能裝備中，結構如圖10所示。該產品已經具備現場應用條件，實物如圖11所示。

圖10 磁輪減速機結構原理圖

圖11 磁輪減速機實物圖

永磁直驅電機這幾年發展也非常迅速，電機直接輸出低轉速大扭矩的動力，與負載直接相連，減少了變速環節，系統變得很簡單。但是永磁直驅電機必須矢量變頻控制，如果變頻器故障，電機將會罷工；同時變頻器的高次諧波又影響永磁體的磁性能，會導致磁性緩慢衰減，因此永磁直驅電機的主要瓶頸在變頻器和應用的環境。

無論磁輪減速技術還是永磁電機直驅技術，都代表著替代齒輪減速機的未來方向。

結束語

水泥制造向智能化、信息化、綠色化、無人惑少人化發展是大勢所趨，因此未來的傳動設備發展方向只能是簡單、可靠、免維護。正是基于這個判斷，針對傳統傳動系統的聯軸器、調速器、齒輪減速機分別提出了上述可能的優化升級的方向。

作者簡介：王向東，四川巴中人，哈工大本/碩，教授級高工；中組部第3批“萬人計劃”領軍人才、科技部雙創人才、南京市科技頂尖專家；江蘇金陵永磁產業研究院院長，南京艾凌節能技術公司董事長、蕪湖磁輪傳動公司董事長。

（來源：中國水泥網）