【正文】 由式（ 3–9）得： 1 0 212( ) ( )abH a b a bZZn n nZ Z i Z Z i???? （ 3–14a） 記101()aabZAnZ Z i? ?，2()babZB Z Z i? ? ，則 2Hn A Bn?? （ 3–14b） 由上式可知，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速是蝸桿轉(zhuǎn)速的函數(shù)，使蝸桿轉(zhuǎn)速按照一定的規(guī)律變化就可相應(yīng)得 到按一定規(guī)律變化的滿足系統(tǒng)要求的輸出轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速是可控的， A 、 B 均為與 2n 無關(guān)的常數(shù)。 當(dāng)變速裝置在額定轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)行時(shí)，蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反向自鎖， 2 0n? ，且輸出端轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。 （ 3）主電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和蝸桿額定轉(zhuǎn)速的匹配條件 根據(jù)變速裝置的功能要求，在軟啟動(dòng)開始和軟制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，主電機(jī)和蝸桿的轉(zhuǎn)速均為額定轉(zhuǎn)速且無論輸出端有無 負(fù)載，均有 0Hn ? ，結(jié)合（ 3–9）式得： 10 120 2banZin i Z?? （ 3–12） 式中 10n ——主電機(jī)額定轉(zhuǎn)速， /minr ； 20n ——蝸桿額定轉(zhuǎn)速， /minr 。 式（ 3–9）中 Hn 、 1n 和 2n 都是時(shí)間的函數(shù)，求導(dǎo)得： 碩士學(xué)位論文 20 1 2 2 112()abHabZ i Z iZ Z i i??? ?? ? （ 3–10） 式中 H? ——轉(zhuǎn)臂角加速度， 2/rad s ； 1? ——輸入端角加速度， 2/rad s ； 2? ——蝸桿角加速度， 2/rad s 。相應(yīng)于輸入轉(zhuǎn)速 1n 的方向，結(jié)合軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)等功能要求，分析易知各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，記順時(shí)針 方向?yàn)檎?，反之為?fù)。 式（ 3–4a）、（ 3–4b）即為行星傳動(dòng)中基本構(gòu)件之間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系。 取相對(duì)于轉(zhuǎn)臂的角速度，則有 0HH?? ，結(jié)合（ 3–2）式得 0HHa a b bTT????。 碩士學(xué)位論文 18 行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 （ 1）行星傳動(dòng)基本構(gòu)件間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系 圖 3 1 所示的 2KH 型行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括太陽輪 行星輪 內(nèi)齒輪 以及轉(zhuǎn)臂 H，其中 H 為基本構(gòu)件。 Z1Z2Z3Z4Z aZcZb( 接 滾 筒 )H23456 7891 01 11nHnanbn2n1 圖 3 1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 1聯(lián)軸器 2主電機(jī) 4齒輪 5馬達(dá) 6蝸桿 7轉(zhuǎn)臂 8太陽輪 9行星輪 10內(nèi)齒輪 11蝸輪 The mechanical transmission system 1Clutch 2Motor 4Gear 5 Hydraulic Motor 6Worm 7Turnplate 8Central gear 9Pla gear 10Inner gear 11Worm wheel 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要分析各傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、角速度、角加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 圖 3 1 為帶式輸送機(jī)可控變速裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。 本章小結(jié) 在介紹軟啟動(dòng)技術(shù)、帶式輸送機(jī)理想啟動(dòng)曲線、并分 析常用軟啟動(dòng)裝置優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本章主要闡述了帶式輸送機(jī)可控變速裝置的結(jié)構(gòu)組成、所能實(shí)現(xiàn)的功能及工作原理。 總之，帶式輸送機(jī)可控變速裝置充分運(yùn)用了機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)與現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，是典型的機(jī)、電、液一體化系統(tǒng)。若溫度過高，電氣控制系統(tǒng)中的溫度變送器就會(huì)發(fā)出溫升過高的信號(hào)，繼而電液比例調(diào)速閥 9 的開口量增大，從而通過加大潤(rùn)滑油液的流量對(duì)齒輪、軸承、蝸輪和蝸桿等各 個(gè)傳動(dòng)件進(jìn)行有效冷卻和潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)。 ⑥ 溫度保護(hù) 齒輪、軸承等傳動(dòng)件溫度過高會(huì)顯著降低使用壽命。 ⑤ 檢帶運(yùn)行 如果需要檢查輸送帶，應(yīng)使其低速運(yùn)行。基本工作原理與多機(jī)或多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的功率平衡類似，在裝置中同樣 設(shè)有輸出軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)把載荷給定值與檢測(cè)的實(shí)際值進(jìn)行比較，根據(jù)載荷偏差情況，如果載荷偏差處于設(shè)定值以內(nèi)，就通過控制電液比例調(diào)速閥 6 的開口量來控制液壓馬達(dá)的供油量而使內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)輸出軸 Ⅴ 的轉(zhuǎn)速，完成多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的功率平衡功能。多機(jī)或多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的功率平衡功能本質(zhì)上都是通過 調(diào)速實(shí)現(xiàn)的。在此過程中由于行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)合成作用，輸出軸 Ⅴ 和滾筒的轉(zhuǎn)速就會(huì)按照相應(yīng)的規(guī)律減小，直至閥 6 的開口量達(dá)到最大，此時(shí)主電動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，輸入軸 Ⅱ 在主電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下仍以恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而輸出軸 Ⅴ 和滾筒的轉(zhuǎn)速減小為零，從而實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的軟制動(dòng)。 ② 輸送機(jī)軟制動(dòng) 軟制動(dòng)本質(zhì)上是軟啟動(dòng)的逆過程。 當(dāng)主電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)并且達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過電氣控制系統(tǒng)將電液比例溢流閥 8 的壓力調(diào)節(jié)到額定值，而將電液比例調(diào)速閥 6 的開口量由最大值按照設(shè)定的規(guī)律減小，從而使液壓馬達(dá)按照一定的規(guī)律降速，即內(nèi)齒輪按照一定的規(guī)律降速，而輸出軸 Ⅴ 將按照一定的規(guī)律升速啟動(dòng)，直至閥 6 的開口完全關(guān) 閉，液壓馬達(dá)、蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及內(nèi)齒輪的轉(zhuǎn)速均降至為零，此時(shí)輸出軸 Ⅴ 達(dá)到輸送機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)輸入和輸出的轉(zhuǎn)速不同又可分為下述幾種情況： ① 輸送機(jī)軟啟動(dòng) 輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)先使液壓馬達(dá)帶動(dòng)內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)至轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的數(shù)值，根據(jù)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理可知，輸出軸 Ⅴ 和輸入軸 Ⅱ 都有可能轉(zhuǎn)動(dòng)，但 是由于輸出軸 Ⅴ 與滾筒聯(lián)接，阻力矩很大，而輸入軸 Ⅱ 通過齒輪機(jī)構(gòu)與主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子聯(lián)接，阻力矩較小，則主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)而輸出軸 Ⅴ 不轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，此時(shí)控制系統(tǒng)將電液比 例溢流閥 8 的壓力調(diào)節(jié)到較低數(shù)值，液壓系統(tǒng)處于低壓溢流工作狀態(tài)，從而可以減小液壓系統(tǒng)的功率消耗，節(jié)約能量，提高效率。 液壓系統(tǒng)是根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行工作的。在額定運(yùn)行狀態(tài)（正常運(yùn)行狀態(tài)）下內(nèi)齒輪 10 不轉(zhuǎn)動(dòng)，則行星輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)通過軸 Ⅳ 帶動(dòng)輸出軸 Ⅴ 轉(zhuǎn)動(dòng)，即通過轉(zhuǎn)臂 H 輸出運(yùn)動(dòng)和力矩。 碩士學(xué)位論文 14 帶式輸送機(jī)可控變速裝置的工作原理 根據(jù)功能要求和工作狀態(tài)的不同，帶式輸送機(jī)可控變速裝置的工作原理可分為額定運(yùn)行狀態(tài)下的工作原理和調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)下的工作原理兩種情況。 電氣控制系統(tǒng)由先進(jìn)的可編程控制器（ PLC）及其擴(kuò)展模塊以及自行設(shè)計(jì)的功率放大器組成。通過電氣控制系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)不同工作狀態(tài)下的壓力設(shè)定使其始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高效率、低油溫的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)電氣控制系統(tǒng)中溫度變送器的信號(hào)來控制調(diào)速閥 9 的開口量而達(dá)到對(duì)潤(rùn)滑油量的控制。液壓馬達(dá)為蝸桿機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，通過電液比例調(diào)速閥 6 調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量而使其轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)無級(jí)變化。 （ 2）液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 考慮蝸桿載荷小，要求無級(jí)變速等具體情況，變速裝置采用由電液比例閥組成的液壓系統(tǒng)作為蝸桿的動(dòng)力源。在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上把 2KH行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放在齒輪減速機(jī)構(gòu)之后既充分利用了 2KH行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承載能力大的優(yōu)良特性，又可避免過載時(shí)對(duì) 齒輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生過大的應(yīng)力沖擊，有利于延長(zhǎng)齒輪和相關(guān)傳動(dòng)件的壽命。 帶式輸送機(jī)可控變速裝置的組成 （ 1）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由一級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)和一級(jí) 2KH 行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的蝸輪與行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的內(nèi)齒輪固聯(lián)在一起，如圖 24 所示。電氣控制系統(tǒng)以先進(jìn)的 PLC（可編程控制器）及其配套功能模塊構(gòu)成，功能完善，制造成本低。 帶式輸送機(jī)可控變速裝置的組成及工作原理 帶式輸送機(jī)可控變速裝置是典型的機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品，它有機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三大部分組成，機(jī)、電、液有機(jī)結(jié)合，布局合理。 表 11 幾種常用軟啟動(dòng)裝置性能比較 Some monly used softstart device performance parison 調(diào)速型液力耦合器 BOSS CST 電軟啟動(dòng) 軟啟動(dòng)特性 較好 好 好 較差 控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)單 較復(fù)雜 復(fù)雜 簡(jiǎn)單 功率平衡 較好 好 好 一般 低速運(yùn)行 較穩(wěn)定 穩(wěn)定 穩(wěn)定 一般 傳動(dòng)效率 較高 高 高 低 可靠性 可靠 可靠 可靠 一般 互換性 好 差 差 好 體積 大 小 大 小 運(yùn)行成本 低 高 高 低 價(jià)格 低 高 高 低 驗(yàn)帶 可以 可以 可以 不可以 本文所研究的 帶式輸送機(jī)可控變速 裝置充分運(yùn)用了機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)與現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，是典型的機(jī)電液一體化系統(tǒng)。 CST 系統(tǒng)初期投資費(fèi)用高，機(jī)械零件加工精度要求高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)用油講究，日常維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用高。調(diào)速型液力耦合器工作效率低，維護(hù)工作量大，調(diào)節(jié)控制反應(yīng)慢、精度低，難以達(dá)到理想的功率平衡。 表 11 為幾種常見軟啟動(dòng)裝置的性能比較 [39]。 電軟啟動(dòng)：電軟啟動(dòng)控制器以反并聯(lián)的晶閘管組為開關(guān)，以 軟啟動(dòng)交流調(diào)壓方式限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，以使該電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)帶式輸送機(jī)平穩(wěn)地過渡到額定轉(zhuǎn)速，完成軟啟動(dòng)。由公式 n=60f/P(n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、 f 為交流電源頻率、 P 為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) )可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與交流電源頻率成正比關(guān)系。 變頻調(diào)速裝置：主要由 IGBT 絕緣柵極可控晶體管、控制器、與電抗器組成。 CST（ Controlled Start Transmissions）系統(tǒng)：該系統(tǒng)是美國(guó)道奇公司專門為大型帶式輸送機(jī)配套的集減速、離合和調(diào)速于一體的驅(qū)動(dòng)裝置。如變頻調(diào)速、可控硅控制開關(guān)磁 阻啟動(dòng)等；（ 4）機(jī)械式軟啟動(dòng)裝置，如 BEST、德國(guó)力士樂公司的輔助液壓馬達(dá)周轉(zhuǎn)齒輪系統(tǒng)（原理與 BEST相同）等。 常用軟啟動(dòng)裝置 長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外的工程技術(shù)人員在機(jī)械、電機(jī)和電子、液力和液壓等多學(xué)科領(lǐng)域?qū)泦?dòng)技術(shù)開展了深入和廣泛的研究，開發(fā)出了多種多樣的軟啟動(dòng)裝置或設(shè)備，軟啟動(dòng)技術(shù)也較以往有了突破性進(jìn)展。這就是 Dodge最佳 起 動(dòng)曲線。延遲段的速度一般取為設(shè)計(jì)帶速的 10%。這是由于帶式輸送機(jī)在 起 動(dòng)之前，輸送帶處于松弛狀態(tài)，為避免輸送帶的沖擊，將輸送帶拉緊啟動(dòng)，可進(jìn)一步改善啟動(dòng)峰值張力作用。 圖 22 Nordell啟動(dòng)曲線 Nordell startup curves Harrison和 Nordell啟 動(dòng)速度曲線都能有效地避免 起 動(dòng)過程中加速度的突變，明顯減小了輸送帶啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)峰值張力，取得了較為理想的效果。 圖 22中， t=0時(shí) 啟 動(dòng)加速度為零，此后速度逐漸增大； t=T/2時(shí)加速度線性增大到最大值，然后逐漸對(duì)稱地減小，而速度繼續(xù)增大； t=T帶速達(dá)到輸送機(jī)設(shè)計(jì)帶速v0時(shí)，加速度減小到 0。加速度曲線的一階導(dǎo)數(shù)是連續(xù)的。 Harrison推薦的 起 動(dòng)過程可表示如下： 0( ) (1 co s )2vv t tT??? (0 )tT?? （ 2–1） 0 sin2vatTT? ?? (0 )tT?? 式中 0v ——膠帶穩(wěn)定運(yùn)行速度， /ms； T ——輸送機(jī) 啟 動(dòng)時(shí)間， s 。 根據(jù)我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 啟 動(dòng)加速度不得大于 m/s2，國(guó)外較先進(jìn)的軟啟動(dòng)裝 置可使 啟 動(dòng)加速度控制在 m/s2 以下。軟啟動(dòng)系統(tǒng)則是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載應(yīng)保證在 啟 動(dòng)和停車的過程 中 作用在機(jī)械電器設(shè)備上的沖擊能量最小，使設(shè)備運(yùn)行更平穩(wěn)，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用，同時(shí)還能解決多電機(jī)的順序 啟 動(dòng)和過載自動(dòng)保護(hù)及多級(jí)驅(qū)動(dòng)的功率平衡問題。 對(duì)于輸送帶，如果 啟 動(dòng)時(shí)間過短， 啟 動(dòng)加速度快， 啟 動(dòng)張力就大，輸送帶振蕩變形會(huì)很嚴(yán)重，巨大的瞬時(shí)沖擊將損壞輸送帶與其他元部件。 第 2 章 帶式輸送機(jī)可控變速裝置的特點(diǎn) 7 2 帶式輸送機(jī)可控變速裝置 的特點(diǎn) 概述 軟啟動(dòng) 軟啟動(dòng)技術(shù)是大型帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，已成為帶式輸送機(jī)技術(shù)先進(jìn)性的標(biāo)志之一。 根據(jù)工程實(shí)際采用合適的方法， 用面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言 Visual Basic 編制程序 對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到 可控變速裝置傳動(dòng)系統(tǒng) 主要參數(shù)。 本文在介紹帶式輸送機(jī)新型軟啟動(dòng)裝置 —— 可控變速裝置結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，主要做了以下 三個(gè)方面的 研究工作： （ 1） 對(duì) 帶式輸送機(jī)可控變速裝置 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng) 學(xué)、傳動(dòng)效率分析 以及蝸桿傳動(dòng)特性分析，揭示可控變速裝置在不同工作狀態(tài)下 各 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及受力特性 。 碩士學(xué)位論文 6 河南理工大學(xué)的程釗對(duì)帶式輸送機(jī)可控變速裝置進(jìn)行了模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在 AutoCAD20xx 環(huán)境下建立了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)二維參數(shù)化繪圖系統(tǒng) [36]。 陜西科技大學(xué)的曹巨江等在 VisualC++環(huán)境下開發(fā)了行星輪減速器的可視化CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了行星輪減速器設(shè)計(jì)過程的程序化，建立了便于修改和維護(hù)的行星輪減速器設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果自動(dòng)生成