李明濤，張清桂，孫小超，孔祥國，周 文

（1.西北機電工程研究所，咸陽 712099；2.陜西赫力機械工程有限責(zé)任公司，西安 712099）

0 引言

隨著我國工業(yè)發(fā)展，各種機械電子設(shè)備功率不斷增加，傳統(tǒng)拖動方式已經(jīng)不能滿足當今社會生產(chǎn)發(fā)展需要，應(yīng)運而生的各種軟啟動控制裝備逐步得到了廣泛應(yīng)用[1,2]，特別是針對冶金、煤炭、采礦、港口、石油等行業(yè)中大量使用的帶式傳輸機以及脈沖功率應(yīng)用中的大功率儲能飛輪等重載拖動需求催生了多種機電式拖動裝置[3～9]。

文獻3至文獻8采用了以差動行星輪變速箱為基本組成的拖動系統(tǒng)，文獻9采用滑差控制系統(tǒng)實現(xiàn)了異步電動機恒定子電流啟動方式，這些方案均是針對重載、中低速的使用場合，顯然不合適高速、中型載荷的使用環(huán)境。

文中以普通三相異步電動機、差動行星輪變速機構(gòu)和渦流制動器為基本組件，建立了一種適合高速、中型載荷的拖動系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有組成簡單，成本低，可靠性高的優(yōu)點，滿足了拖動高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)子的技術(shù)需求。

1 高速中載拖動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其特點

1.1 拖動系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

拖動系統(tǒng)由三相異步電動機、差動行星輪變速箱、制動器和控制回路組成，具體如圖1所示。

1.2 工作原理及功能

圖1 差動行星輪拖動系統(tǒng)框圖

圖2 機械傳動原理圖

拖動系統(tǒng)原理如圖2所示，其中三相異步電動機I作為動力源與差動行星輪變速機構(gòu)的行星輪架X通過聯(lián)軸器1連接，渦流制動器II作為扭矩控制端通過聯(lián)軸器2與差動行星輪變速機構(gòu)的制動小齒輪11連接，高速、大慣量轉(zhuǎn)子III作為拖動對象通過聯(lián)軸器3與差動行星輪變速機構(gòu)輸出端小齒輪7連接。

拖動系統(tǒng)剛開始工作時，渦流制動器II處于非工作狀態(tài)，三相異步電動機I直接啟動并帶動行星輪架X很快至電動機額定轉(zhuǎn)速附近，此時輸出端高速、大慣量轉(zhuǎn)子III由于加速困難而處于轉(zhuǎn)速極低狀態(tài)，而制動端渦流制動器II相當于按照中心輪A固定時的定比傳動提升轉(zhuǎn)速。

待三相異步電動機I完全啟動至工作轉(zhuǎn)速后，渦流制動器II開始工作并施加制動扭矩使差動行星輪變速機構(gòu)制動小齒輪11制動減速，而電動機轉(zhuǎn)速在制動過程中保持基本不變，從而使得高速、大慣量轉(zhuǎn)子III獲得加速動力。

整個拖動系統(tǒng)只有一個三相異步電動機I作為動力源，而渦流制動器II施加制動扭矩屬于被動作功，這一過程會造成電動機輸出功率增加。為了保證電動機一直工作在額定功率以下，系統(tǒng)中增加了電流傳感器對電動機是否過載進行檢測；與此同時，系統(tǒng)中增加了轉(zhuǎn)速傳感器對高速、大慣量轉(zhuǎn)子III進行轉(zhuǎn)速檢測，以保證輸出端在沒有到達設(shè)定轉(zhuǎn)速前保持持續(xù)動力。

2 差動行星輪變速機構(gòu)傳動比計算

[10]知，圖2所示為NGW差動行星輪系，其各基本構(gòu)件的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

其中： ωA， ωX和 ωB分別表示差動輪系中心輪架A，行星輪架X和內(nèi)齒圈架B的轉(zhuǎn)速。為將內(nèi)齒圈架X固定時中心輪架A與行星輪架X的傳動比；為將行星輪架X固定時中心輪架A與內(nèi)齒圈架X的傳動比。

因為：

將式(2)至(7)代入式(1)可得：

3 拖動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速求解

電動機I啟動時，在電動機輸出扭矩TD作用下行星輪架X以轉(zhuǎn)速Iω逆時針轉(zhuǎn)動，并拖動中心輪5和內(nèi)齒輪8同向運動。因此可以得到各個部分的轉(zhuǎn)動方向，如圖3所示。

圖3 差動行星輪各旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)向圖

設(shè)行星輪架X對行星輪作用力為F，中心輪5和內(nèi)齒輪8對行星輪4的作用分別為F1和F2，則不計行星輪轉(zhuǎn)動慣量、忽略阻尼時行星輪受力如圖4所示，即有：

圖4 行星輪受力圖

穩(wěn)態(tài)時由于輸出端和制動端都沒有外力矩，各個齒輪依靠慣性維持旋轉(zhuǎn)，彼此之間沒有力的相互作用，因此平衡態(tài)時F=F1=F2=0。即中心輪5和內(nèi)齒輪8的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與行星輪的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相同，即：

利用式(5)、式(6)和式(7)即可求得穩(wěn)態(tài)時制動端和輸出端轉(zhuǎn)速：

4 拖動系統(tǒng)動力計算

因為高速、大慣量轉(zhuǎn)子III轉(zhuǎn)動慣量遠遠大于拖動系統(tǒng)中其他旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量，所以加速輸出端III遠比加速制動器II困難，當電動機I達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速Iω時，輸出端轉(zhuǎn)速ωIII非常低。

為了便于分析，設(shè)當電動機I轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至Iω附近后在制動端II施加制動扭矩Tz，此時F2作用下的內(nèi)齒圈B與制動端II為定軸傳動，因此易知：

傳動過程中F1作用下的中心輪5與高速、大慣量轉(zhuǎn)子III為定軸傳動，因此有：

因為F=F1+F2，可以得出制動端II與輸出端III的動力關(guān)系：

制動時行星輪公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速Iω基本不變，行星輪架X處于扭矩平衡狀態(tài)，忽略阻尼時因此容易得到：

將式(9)、式(10)及式(14)代入式(17)可得電動機功率TD與制動扭矩Tz之間的關(guān)系：

因此，電機功率PI為：

將式(16)代入式(18)可得輸出端TIII關(guān)于電機功率PI的動力關(guān)系：

5 效率分析

不計系統(tǒng)阻尼時，電動機做功用于轉(zhuǎn)子III的驅(qū)動和制動端制動消耗，根據(jù)能量守恒有：

將式(16)和式(22)代入式(21)可得：

輸出端功率 PIII=TIII·ωIII，因此，拖動效率為：

6 某型高速重載機械拖動系統(tǒng)組建

6.1 拖動系統(tǒng)設(shè)計

某型高速、大慣量轉(zhuǎn)子I I I轉(zhuǎn)動慣量JIII約為30kgm2，要求在10分鐘內(nèi)將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升至8000轉(zhuǎn)/分,針對此項技術(shù)需求進行了拖動系統(tǒng)搭建，其參數(shù)分別為：

三相異步電動機選型為Y2-315M-2，額定功率為132kW，額定電流為233A，額定轉(zhuǎn)速為2980轉(zhuǎn)/分，采用Y型接法；渦流制動器型號為DWZ-400；差動行星輪變速機構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 差動行星輪變速機構(gòu)齒輪參數(shù)表

6.2 動力計算

將表1中所示參數(shù)代入式(8)中即可求得電動機轉(zhuǎn)速Iω、制動器轉(zhuǎn)速IIω和轉(zhuǎn)子III轉(zhuǎn)速ωIII之間的函數(shù)關(guān)系，即：

電動機直接啟動后，制動器未加載制動扭矩時，轉(zhuǎn)子III轉(zhuǎn)速非常低，若令 ωIII≈0，則根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速ωI≈2980轉(zhuǎn)/分，即可求得此時制動端轉(zhuǎn)速ωII≈4624轉(zhuǎn)/分；當轉(zhuǎn)子III被拖動至ωIII=-8000轉(zhuǎn)/分時，即可求得制動端轉(zhuǎn)速ωII≈1123轉(zhuǎn)/分。

因此，將轉(zhuǎn)子III拖動至-8000轉(zhuǎn)/分時，制動器工作時需要將制動端轉(zhuǎn)速從4624轉(zhuǎn)/分降至1123轉(zhuǎn)/分。

將轉(zhuǎn)子III轉(zhuǎn)動慣量和表1中相關(guān)參數(shù)代入式(20)，即可求得電機額定功率時輸出端、制動端的扭矩TII=272N.m，TIII=119N.m，無阻尼時拖動時間為3.6分鐘。

6.3 效率分析

將 ωI=2980轉(zhuǎn)/分和代入式(24)中可得：

將Iω=4000轉(zhuǎn)/分和Iω=8000轉(zhuǎn)/分代入后，可得平均效率和最高效率分別為37.7%和75.5%。

7 結(jié)束語

利用普通三相異步電動機、差動行星輪變速機構(gòu)、制動器和控制回路構(gòu)建的拖動系統(tǒng)，不僅具有成本低、性能可靠的優(yōu)點，合理分配傳動比也可以獲得很高的潛在效率，在實際設(shè)計中，為了保證效率應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)阻尼的影響。

參考文獻：

[1] 朱國勇.機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2013(2).

[2] 何明睿.電機軟啟動在煤礦中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù), 2012,31(7):41-42.

[3] 趙江平.機械電子式軟起動裝置設(shè)計分析[J].機電工程技術(shù),2012,39(12):91-93.

[4] 趙江平.帶傳動軟啟動裝置蝸桿的優(yōu)化設(shè)計[J].機械傳動,2011,35(08):44-48.

[5] 張淳,李志愿,吉濤,等.控制式差動無級變速器調(diào)速控制方案的研究[J].制造業(yè)自動化,2012,34(1):128-130.

[6] 牟宗魁.大型帶式傳輸機軟啟動裝置的性能比較與分析[J].機電工程技術(shù),2012,41(03):84-87.

[7] 姜雪,包繼華,于巖,等.行星機構(gòu)軟啟動裝置工作原理及應(yīng)用[J].礦山機械,2010,38(24),51-54.

[8] 馬燕平,芮延年.一種新型行星式軟啟動技術(shù)裝置的研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2013(1).

[9] 彭建飛,宣偉民,王海兵等.HL-2A裝置大功率電動飛輪脈沖發(fā)電機組啟動過程分析和建模[J].中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會.中國核學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集第7冊(脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用分卷):11-18.

[10] 饒振剛.行星輪傳動設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社.