大型矿用磨机的传动方案往往并不唯一，其选择与成本、制造周期和技术发展程度等多种因素相关，目前对不同驱动方案的对比研究较少。首先对齿轮传动和无齿轮传动磨机驱动进行了大的分类和阐述，然后着重对各种双驱磨机的驱动方案，尤其是 QTS 双驱同步和变频双驱同步方案的特点进行了分析和介绍，为大型磨机驱动方案的对比和选择提供了参考。

目前新建大型选厂都通过简化磨矿工艺流程和传动结构，尽量增大磨机的规格和功率，以期有效提高核心设备的生产效率和作业率。为了提高矿用磨机的处理能力，必须采用直径更大的筒体，以装填更多的钢球和物料，因而驱动功率也骤然增加。如目前规格最大的半自磨机筒体内径已达 12.8 m，球磨机筒体内径已达 8.53 m，单台磨机的最大装机功率也已经达到 28 MW。

基于技术迭代、成本、加工能力、供货周期甚至环境条件等不同因素考虑，不同装机功率的大型矿用磨机可适用多种驱动方案，因而，对不同驱动方案从技术角度进行比较和选择也是十分必要的。

笔者通过对磨机驱动功率范围分类，对齿轮驱动和无齿轮驱动磨机的特点进行简要分析，并根据目前技术发展水平，重点分析了双侧同步齿轮传动磨机的方案及系统配置特点。

1 大型矿用磨机驱动系统选择

为了驱动筒体回转，使内部的钢球磨介和矿石发生磨矿作用，必须对这些尺寸极大的筒体施加足够的转矩。矿用磨机通常采用开式齿轮边缘传动，即动力都是由电动机通过减速器或者气动离合器传递到小齿轮，由小齿轮与紧固在筒体法兰上的大齿轮互相啮合，从而带动筒体回转。

1.1 齿轮传动磨机适应的功率范围

齿轮传动又可分为单侧齿轮传动和双侧齿轮传动。最常见的单侧齿轮传动结构简单，投资和运转成本低，通常用于中小型磨机；出于磨机整体结构及齿轮加工的经济性考虑，大型磨机一般采用双侧齿轮传动；而超出当前齿轮加工能力的矿用磨机则需要用到无齿轮传动(Gearless Driven Mill，GDM)。因而，不同的传动形式取决于磨机的规格以及大齿轮的设计和加工能力。在拥有新的开式齿轮设计技术及更大的齿轮加工机床之前，较大规格磨机就必须使用双侧齿轮驱动乃至无齿轮驱动方式。

随着开式齿轮技术的发展，不同驱动系统之间的竞争也在不断加剧，最终结果就是无齿轮驱动与齿轮驱动磨机的功率上限越来越高。目前国际上的主流意见认为，单侧齿轮传动磨机的功率上限为10 MW，双侧齿轮传动磨机的功率上限为20 MW，此功率以上的磨机须采用无齿轮驱动。

在实践中，齿轮驱动磨机的最大装机功率也在不断刷新记录，正逐渐趋于上述极限值。如中信重工机械股份有限公司(以下简称“中信重工”)2016年为秘鲁首钢秘铁现场提供了4台φ6.40 m×11.15 m 溢流型球磨机，每台磨机装机功率已达 8.5 MW；2017年为黑龙江多宝山铜矿二期项目提供的1台φ11.0 m×6.4 m 半自磨机和2台φ7.9 m×13.6 m 球磨机均采用双侧齿轮驱动，每台磨机驱动功率已达 18 MW，即单侧齿轮传动功率达 9 MW。此外，φ11.0 m×6.4 m半自磨机大齿轮外径已达 13.6 m，无论从尺寸上还是传动功率上均已达全球之最。单从齿轮设计及加工能力方面考虑，目前中信重工已具备加工制造直径 16.0 m 以下、模数可达 45的大型齿轮的能力，传递功率可达 23 MW。

1.2 无齿轮驱动方案

无齿轮驱动磨机实际上是采用了一种特殊的大型低速变频同步电动机作为动力源，这种电动机以磨机筒体作为转子，磨机筒体法兰上安装有60～80组转子电极，而电动机定子则环绕在安装转子的筒体法兰周围。这种驱动技术于1986年首次引进到金属矿山领域，并应用于智利 Chuquicamata 铜矿2台装机功率均为8.2 MW的φ9.75 m 半自磨机上，目前多用于装机功率为22～28 MW的磨机。这种传动方式的特点是磨机传动功率不受限制，磨机可调速，传动效率略高于齿轮传动磨机；但其结构复杂，体积庞大，因而磨机整体初始投资成本、制造安装周期及后期故障率、运营维护成本均远高于齿轮传动磨机。

1.3 多点啮合齿轮传动方案

目前，中信重工已着手开发新型双电动机多点啮合齿轮传动方式，以适应超过 20 MW 以上的磨机传动。其总体技术路线仍为双侧同步电动机驱动，每侧电动机通过一根输入小齿轮轴，将转矩输入到一个多点啮合齿轮箱，动力在齿轮箱中由输入小齿轮分流至两根输出轴上，并通过输出轴上的2个开式齿轮共同带动大齿轮驱动筒体回转。

简而言之，这种驱动方案充分利用了目前成熟的开式齿轮设计、加工技术，通过双侧电动机，将 20.38MW的功率通过4个小齿轮传递到磨机筒体上。这种方案保持了齿轮驱动磨机的可靠性，可完全替代同功率无齿轮驱动方案，并最终降低了设备采购及后期运营、维护成本。

2 双驱磨机的驱动形式

目前新建或扩建的大型金属矿山采购的主力机型仍为装机功率在 11～18 MW的双驱齿轮传动半自磨机和球磨机。随着变频技术的发展，双驱磨机的传动技术思路和特点已经有了很大变化，这些技术有逐渐应用到单驱磨机上的趋势。因此，有必要对双驱驱动的各种技术方案进行重点分析。

双侧齿轮驱动磨机分可为异步和同步 2 种传动方式。异步传动方案是由2台异步电动机分别通过1台减速器将转矩传递到两侧的小齿轮上；同步传动方案则是由2台低速同步电动机分别将转矩通过离合器或联轴器直接传递到两侧的小齿轮上。前者虽然组成部件较多，但成本相对较低，电动机防护等级也可做到IP54，多用于南非、澳大利亚等露天现场；而后者传动链短，总体布置简洁明了。

对于双侧齿轮驱动磨机，首要解决的问题是如何处理两侧电动机的同步性，即必须保证两侧电动机负载平衡；还需要考虑通过调整筒体转速，以适应不同性质的矿石对工艺系统及磨机本体的影响。异步传动方案通过共用启动电阻，就可使两侧的异步绕线电动机的负载平衡性能保持在 5%以内。而双驱低速同步驱动方案两侧电动机负载平衡的实施方式则较为复杂，通常有2 种方案可以选用：一种是通用电气公司的QTS 双驱同步方案，另一种是采用变频器以主从跟随的方式对2台电动机转矩进行控制，以此达到平衡。

2.1 QTS 双驱同步方案

采用 QTS 双驱同步方案的双驱磨机，由2台带有Q 轴励磁的无刷励磁电动机分别通过气动离合器，将转矩传递到磨机两侧的小齿轮轴上。该系统的特点是，每台电动机上的Q 轴绕组分别与其驱动励磁绕组正交，且2个 Q 轴励磁共用一套单独的励磁控制系统。

磨机启动时，离合器处于脱开状态，2台电动机一前一后空载启动并进入同步转速，然后气动离合器在短时间内抱合，并带动大小齿轮及筒体回转。负载平衡的调节方法是，当2台电动机间的功率差值超过预设值时，先通过脉冲释放离合器气压进行粗调，然后再通过调整两侧 Q 轴励磁电流，改变2台电动机负载角进行精调，最终保持两侧功率差值趋于最小。

这种双驱同步解决方案于1980年开始使用，多用于双驱定速磨机，在双驱变频驱动方案大规模应用之前，是解决低速同步电动机负载平衡的唯一方案。该技术本身已非常成熟，40年来采用这种方案的磨机总装机数量接近200台，其中一部分现场也使用了PWM 变频技术的QTS 变频双驱方案。

2.2 变频双驱同步方案

随着电力电子技术的发展日趋成熟，近年来新的双驱磨机逐渐采用变频同步驱动方案。该方案中包含了变频器、低速变频无刷励磁同步电动机以及磨机控制器等，一般将其整体称之为“磨机驱动系统”。由于变频器可以通过直接力矩控制或矢量控制等方式直接控制电动机转矩，因而磨机启动过程也完全发生了变化，不仅解决了同步性能，还可实现平滑带载启动。

由于可以控制电动机转矩，因而负载平衡的控制也不同于前述方案。变频双驱方案一般将2台电动机分别设置为主机和从机，通过力矩或速度反馈等方式，保持2台电动机转矩平衡来实现两侧负载平衡。这种方式下，两侧的负载不平衡差值一般在 1%以内[6]，此外，还可实现包括板结检测在内的多种控制功能。

3 不同双驱系统的特点分析3.1 双驱异步方案

双驱异步方案两侧采用异步电动机、高速联轴器、减速器和低速联轴器组成传动链，该方案负载平衡控制方式较为简单，传动可靠性高，但机械零部件相对较多，运行期间点检和维护工作量大。

使用定速磨机方案时，一般采用绕线异步电动机驱动；采用变频双驱异步方案时，则采用鼠笼电动机驱动。由于前者有碳刷存在，应用时须注意定期清理因摩擦而产生的积碳。

3.2 QTS 双驱同步方案

该方案通过控制气动离合器和带 Q 轴绕组的无刷励磁低速同步电动机的共同作用，巧妙地解决了双驱同步负载平衡问题。其总体布置较为简洁，组成部件少，使用可靠，维护方便。但由于启动时间较短，粗调时采用气动离合器打滑来实现，对传动系统的瞬间冲击比较大。

两侧气动离合器一方面使同步电动机单独启动，降低了启动电流，同时也用于负载平衡的粗调节，在电动机短路产生极大力矩的极端情况下，还能起到保险销的作用，即切断主电动机和小齿轮轴的连接。主电动机一般采用 30.34极无刷励磁低速同步电动机，电动机体积较大，采用上升气流式自通风冷却方式，电动机下方需预留地坑。

3.3 变频同步方案

目前，常规的变频同步方案均采用交-直-交变频方式，通过1台或2台变频器驱动两侧电动机。各主要供货厂家采用了不同的变频器技术方案，如目前常见的有三电平、五电平以及级联多电平等，电动机力矩控制方法也分矢量控制及直接转矩控制等。由于不同方案对应变频器配置、主电动机电压、额定频率、极数甚至其外形尺寸均不相同，因而包括变频器和主电动机在内的驱动系统通常由同一个供应商集成供应。

变频双驱磨机采用钢球-弹簧结构的力矩限制器连接电动机和小齿轮轴，这种力矩限制器由2个半联轴器与1个带有多个精密碟簧-钢球式转矩限制联轴模块的模块支架组成，出厂前力矩脱开值已经设置为2 倍电动机额定转矩。这种力矩限制联轴器一方面保证磨机启动时及运行过程中能正常传递转矩；另一方面，当驱动系统发生突然短路，输出转矩急剧上升，5 ms 内可使小齿轮脱离电动机连接，从而保护磨机大小齿轮。

由于变频系统随时可对速度和力矩进行控制，这种磨机驱动系统除了有磨机带载平滑启动、负载平衡等功能外，还可对磨机启动时的载荷板结进行检测和消除，实现磨机调速等功能。需要注意的是，变频驱动系统大都能将磨机筒体的转速控制在0.1r/min 左右，实现磨机筒体的慢速转动，便于停机检修期间在外部对磨机筒体进行观察。出于安全考虑，仍建议配置独立的慢速驱动装置，作为进入磨机内部施工的辅助动力源。

4 结论

通过对大型矿用磨机不同驱动形式及其特点进行分析和比较，得出以下结论：

(1)目前广泛使用的矿用磨机普遍使用单侧或双侧齿轮传动，功率超过 20 MW的磨机一般采用无齿轮传动或新型多点啮合方式齿轮传动；

(2)双驱磨机有异步、QTS 双驱同步和变频双驱同步等多种驱动形式，不同驱动形式的启动方式、两侧电动机力矩平衡措施均不相同；

(3)QTS 双驱同步通过气动离合器和Q 轴绕组，解决了同步电动机驱动的力矩平衡问题；

(4)变频双驱同步则通过对磨机转矩的控制，不仅解决了力矩平衡问题，同时也丰富了磨机的控制手段，而且极大地增强了操作者对磨机的控制能力，同时也增加了对整个磨矿系统平衡的调节手段，可为未来的磨矿系统智能化提供基础准备。