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        多型拖拉機(jī)輸出動(dòng)力執(zhí)行機(jī)械檢調(diào)適配動(dòng)力裝置

        2020-08-31 05:41:24周庚池
        機(jī)電信息 2020年17期

        摘要:介紹了國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)在對(duì)PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器(械)進(jìn)行生產(chǎn)檢測(cè)調(diào)試時(shí)常采用的幾種動(dòng)力輸出方式,從操作煩易度、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)成本及環(huán)境影響等方面,對(duì)幾種動(dòng)力輸出方式進(jìn)行了分析,并推薦了一款極簡適配輸入動(dòng)力裝置,為相關(guān)PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)械生產(chǎn)制造企業(yè)在機(jī)器(械)檢調(diào)時(shí)提供了極大的便利。

        關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出裝置;標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速及功率;增速箱傳動(dòng)比;適配輸入

        0 引言

        本文介紹的PTO(POWER-TAKE-OFF)動(dòng)力裝置是農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)向農(nóng)機(jī)具或其他機(jī)械傳遞動(dòng)力的后置動(dòng)力輸出軸。根據(jù)《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī) 后置動(dòng)力輸出軸 1、2、3和4型 第3部分:動(dòng)力輸出軸尺寸和花鍵尺寸、動(dòng)力輸出軸位置》(GB/T 1592.3—2016)的要求,拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸分為3個(gè)型式,每個(gè)型式有與其相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速及標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的輸出功率。其操縱方式包括手動(dòng)、氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng),可由駕駛員在駕駛室內(nèi)進(jìn)行操作。

        目前國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)出口到歐美等地區(qū)的戶外園林機(jī)械中,使用PTO動(dòng)力裝置的機(jī)械有:PTO圓木鋸、PTO劈材機(jī)、PTO斷木機(jī)、PTO碎枝機(jī)等。PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器(械)如圖1所示。

        上述機(jī)器(械)的輸入軸-花鍵軸的尺寸、三點(diǎn)懸掛連接部件尺寸及位置也要符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)要求。但是這些機(jī)器(械)由于使用目的及工作介質(zhì)不同,在銷售出廠時(shí),都設(shè)定了相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)速及輸入功率。這些參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定對(duì)PTO動(dòng)力輸入提出了一定的適配要求:除了輸入部件的規(guī)格、尺寸相吻合外,機(jī)器(械)的輸出轉(zhuǎn)速及功率最好也要相匹配,否則對(duì)機(jī)器的使用壽命、穩(wěn)定性、安全可靠性等都會(huì)造成不利影響。

        目前,國內(nèi)外貿(mào)生產(chǎn)企業(yè)在對(duì)PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器(械)進(jìn)行生產(chǎn)檢測(cè)調(diào)試時(shí),常采用以下幾種動(dòng)力輸出方式,下面將對(duì)這幾種方式進(jìn)行簡述。

        1 常規(guī)的直接使用農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)PTO動(dòng)力輸出軸+萬向聯(lián)軸器方式

        拖拉機(jī)的輸出動(dòng)力成為PTO動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器(械)的輸入動(dòng)力。生產(chǎn)企業(yè)在對(duì)機(jī)器(械)進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試前,需要根據(jù)機(jī)器(械)設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速、功率及輸入軸的相關(guān)尺寸,選擇相匹配的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)、萬向聯(lián)軸器。

        假設(shè)某生產(chǎn)企業(yè)制造的機(jī)器的設(shè)定參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW、輸入軸為?準(zhǔn)35 mm的6齒矩形花鍵。輸入軸通過增速箱,將傳動(dòng)扭矩傳遞給機(jī)器原執(zhí)行機(jī)構(gòu),一般來說這類機(jī)器的增速箱的傳動(dòng)比i=2.5~3.5。以某款PTO劈木機(jī)為例,其增速比為2.7,以此可計(jì)算得到輸入軸轉(zhuǎn)速:1 450/2.7≈537 r/min。

        根據(jù)GB/T 1592.1—2008/ISO 500-1:2004標(biāo)準(zhǔn)要求,可選擇動(dòng)力輸出軸標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為540 r/min、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下動(dòng)力輸出功率為≤60 kW、動(dòng)力輸出軸為?準(zhǔn)35 mm的6齒矩形花鍵。

        采用拖拉機(jī)動(dòng)力輸入方式的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力有保證、傳動(dòng)連接方便快捷。但它的缺點(diǎn)也很明顯:首先,經(jīng)濟(jì)成本高,1臺(tái)輪距≥1 150 mm、動(dòng)力輸出功率≤60 kW的輪式農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的價(jià)格至少在7萬元;當(dāng)然也可以購買小馬力(≤20馬力)的輪式后置拖拉機(jī),但1臺(tái)也要近2萬元。其次,拖拉機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲對(duì)環(huán)境影響特別大,尤其是在制造工廠相對(duì)封閉的工作環(huán)境內(nèi)。再次,對(duì)于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出的操作必須要由專業(yè)或經(jīng)過訓(xùn)練的操作人員進(jìn)行,否則極易發(fā)生危險(xiǎn)。

        2 采用交流變頻調(diào)速電機(jī)+萬向聯(lián)軸器方式

        要使調(diào)速電機(jī)的輸出速度與調(diào)試機(jī)器的額定速度相匹配,通過調(diào)整變頻器的輸出頻率,使變頻器控制的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速能與調(diào)試機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速相接近。變頻調(diào)速電機(jī)的調(diào)整范圍較寬,一般可以達(dá)到1:10左右,因而可以較快地達(dá)到調(diào)整效果,提高運(yùn)行效率。

        仍以上述生產(chǎn)企業(yè)制造的機(jī)器為例,其額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW。我們將變頻器頻率調(diào)整為28 Hz,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極數(shù)為6極,這樣就可得到調(diào)速電機(jī)輸出速度接近540 r/min。

        交流異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速(旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速)n的計(jì)算公式如下:

        需指出的是,由于采用PTO作為動(dòng)力輸入的執(zhí)行機(jī)器(械),一般均用于重載場(chǎng)合且對(duì)轉(zhuǎn)矩要求比較高,因而我們可以將這些機(jī)器(械)視為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。根據(jù)變頻器的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí),輸出功率也相應(yīng)降低,這就帶來了功率與執(zhí)行機(jī)器的額定功率不相匹配的問題。要解決這一問題,我們勢(shì)必要加大電機(jī)的輸出功率,提高了成本,制作難度大。

        3 采用交流電動(dòng)機(jī)+萬向聯(lián)軸器方式

        交流電動(dòng)機(jī)的速度與頻率、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)有關(guān)系:n=60f/p,在電源工作頻率確定的情況下,轉(zhuǎn)速與磁極對(duì)數(shù)成反比。以工頻電源50 Hz為例,2極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為2 800 r/min左右、4極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為1 450 r/min左右、6極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為900 r/min左右、8極電機(jī)異步轉(zhuǎn)速為700 r/min左右。

        仍以額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min、額定功率6.0 kW的機(jī)器(械)為例,輸入軸理想的輸入轉(zhuǎn)速為540 r/min,但是6極電機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min、8極電機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min,均與540 r/min有很大差距。如果要縮短這差距,一方面可繼續(xù)加大極對(duì)數(shù),但電機(jī)定子內(nèi)徑得加大,制造難度加大,成本也會(huì)提高;另一方面,不少企業(yè)會(huì)額外增加一對(duì)三角帶輪來實(shí)現(xiàn)減速的目的,雖然可達(dá)到適配速度的效果,但同樣也會(huì)帶來制造難度加大、成本提高的問題。

        那么有沒有一種方法,使提供的動(dòng)力輸出與PTO執(zhí)行機(jī)器(械)達(dá)到最佳的匹配效果呢?筆者通過相關(guān)試驗(yàn)、改進(jìn),找到了一種行之有效的方法,就是采用本文介紹的極簡適配輸入動(dòng)力裝置。

        4 采用“交流電機(jī)+原機(jī)器(械)逆?zhèn)鲃?dòng)的變速箱+萬向聯(lián)軸器”方式的極簡適配輸入動(dòng)力

        這種方式的動(dòng)力傳遞路徑是:交流電機(jī)通過聯(lián)軸器將傳動(dòng)傳遞給原機(jī)器“逆?zhèn)鲃?dòng)”的變速箱,再通過萬向聯(lián)軸節(jié)傳遞給執(zhí)行機(jī)器的變速箱輸入軸。

        交流電機(jī)功率及速度的選定基于原機(jī)器的額定參數(shù)。

        首先,設(shè)定交流電機(jī)的功率。設(shè)定機(jī)器額定輸入功率為W,那么交流電機(jī)的輸出功率W′應(yīng)按下式計(jì)算:

        式中,η1為聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率;η2為逆?zhèn)鲃?dòng)變速箱的傳動(dòng)效率;η3為萬向聯(lián)軸節(jié)的傳動(dòng)效率;η4為原機(jī)器變速箱的傳動(dòng)效率。

        在公式中,我們可以視η2≈η4,綜合η1×η2×η3×η4數(shù)值約為0.92~0.95,也就是說,我們?cè)谠O(shè)定交流電機(jī)功率時(shí),只要把功率損失補(bǔ)償算上即可。如機(jī)器額定輸入功率為6.0 kW,交流電機(jī)輸出功率W′只要按W′×(0.92~0.95)=6.0 kW計(jì)算即可,圓整取最大值W′≈6.5 kW。

        然后,確定交流電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于此適配動(dòng)力輸入裝置采用了原機(jī)器的“逆?zhèn)鲃?dòng)”變速箱,因此它的傳動(dòng)比i1與機(jī)器正常變速箱傳動(dòng)比i2正好互為倒數(shù),i1×i2=1,也就是說,交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速是一致的。如果機(jī)器的額定轉(zhuǎn)速是1 450 r/min,交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速也是1 450 r/min。如果交流電機(jī)用工頻電源,電機(jī)直接選用6.5 kW、三相四極交流電機(jī)即可。

        最后,新制作“逆?zhèn)鲃?dòng)”變速箱(以下簡稱逆變速箱)。此逆變速箱的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)件的尺寸與原機(jī)器一致,只不過原變速箱輸入軸變成逆變速箱輸出軸,原變速箱輸出軸變成逆變速箱輸入軸。逆變速箱結(jié)構(gòu)無論是兩軸平行的圓柱齒輪傳動(dòng),還是兩軸互相垂直的傘齒輪傳動(dòng),輸出軸直接采用原變速箱的輸入軸,而輸入軸則要加長,以便與交流電機(jī)的偶合聯(lián)軸器相配,但是該逆變速箱輸入軸上的齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸向位置等均不變。當(dāng)然,該逆變速箱輸入軸加長端的軸承端蓋的結(jié)構(gòu)要做改動(dòng),原無孔軸承端蓋要加工成中孔,并配以骨架油封,以防潤滑油漏出,具體結(jié)構(gòu)這里不再贅述。如果將這種新的動(dòng)力輸入裝置共同集成于一個(gè)可移動(dòng)的托盤或平臺(tái)上,用手推車或液壓叉車可以移動(dòng),生產(chǎn)企業(yè)在調(diào)試大型的PTO執(zhí)行機(jī)器(械)時(shí),可把動(dòng)力輸入裝置就近移到機(jī)器附近,極大地方便了工人的操作。

        綜上,這種“交流電機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”的動(dòng)力輸入方式,使功率、轉(zhuǎn)速及效能的匹配達(dá)到了最佳效果,既簡化了配置,又方便了操作。

        圖2是筆者制作的一臺(tái)“交流電機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”動(dòng)力輸入裝置。

        5 結(jié)語

        拖拉機(jī)后置動(dòng)力執(zhí)行機(jī)器(械)在檢調(diào)時(shí)所采用的動(dòng)力輸出方式,不同的生產(chǎn)制造企業(yè)各有差異,本文闡述的幾種方式各有優(yōu)勢(shì)和不足,相對(duì)而言,“交流異步電動(dòng)機(jī)+逆變速箱+萬向聯(lián)軸器”的動(dòng)力輸入方式,既簡化了配置,又方便了操作,使功率、轉(zhuǎn)速及效能的匹配能達(dá)到了最佳效果。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出軸1、2和3型 第1部分:通用要求、安全要求、防護(hù)罩尺寸和空隙范圍:GB/T 1592.1—2008/ISO 500-1:2004[S].

        [2] 孫建忠,劉鳳春.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

        收稿日期:2020-06-05

        作者簡介:周庚池(1967—),男,江蘇高郵人,工程師,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝。

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