一种新型行星式软启动技术装置的研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

通常对于转动惯量大、带负载启动的机械，启动时产生的附加动载荷大于电动机许用最大转矩，由此产生的启动电流往往会达到额定电流的 3-5倍，因此，带负载启动常常会导致电动机烧毁或机器传动装置的破坏。

多年来，针对重载软启动问题，国内外-些大学、研究机构和公司投入了大量的人力和物力进行研究开发 ，采取的解决方法主要有以下几种。

1)绕线式异步电动机法 ：即通过转子回路外串三相对称电阻的方式，增大电动机的启动转矩。启动结束后，切除外串电阻。这种方法存在着启动电流和转矩突变的现象，对轴有较大的冲击。

2)变频启动法：由变频控制原理知道，变频调速时转速近似正比于频率，即改变电源频率就能改变异步电动机的转速。但是 由于异步电动机变频调速低速段的功率与电动机额定功率差距较大，所以采用变频调速时，通常需要将电动机功率向上选-个档级。

国家重大04专项项 目(2011ZX04004-061)这样会存在高速段大马拉小车的问题。

3)液力偶合器法：液力偶合器是-种机械能、液体能和机械能转化装置。虽然液力偶合器具有无级调速性能好的特点，但是其启动加速度通常不易控制，且轴向泄漏-直是比较难解决的问题。

4)可控启动法 ：代表产品为美国道梯公司生产的CST系列产品，它具有 良好的启动、停车、调速和功率平衡的功能。但是它的构成和控制较为复杂，且价格非常昂贵，推广应用困难。

针对上述问题，本文通过对可控制软启动技术的研究 ，拟以行星轮系为基础，开发设计-种新型的行星式软启动技术装置，实现电动机无负载启动后 ，按预定加速度方式平稳拖动负载由低速向目标速度 自动启动。

1 行星式软启动方案行星式软启动装置结构示意图如图 1所示，本装置主要由五个部分组成：齿轮a为与输入轴连接的中心轮；齿轮 b为与输出轴连接的中心轮；c、d为双联行1212013年第 1期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)星轮，该装置共有三组双联行星轮；h为行星架；CZ为磁粉制动器。

1)电动机空载启动。电动机带动齿轮 a转动，磁粉制动器 CZ不工作，行星架 h处于自由状态；由于大惯性负载的存在，输出轴齿轮 b不动。此时电动机空载启动，避免了产生较大的启动电流。

2)启动过程。磁粉制动器开始工作，作用于行星架 h上的制动力矩逐渐加大，转速逐渐降低，使得输出轴齿轮 b的转速逐渐增大，带动负载进入启动过程。

3)正常状态。当启动过程结束时，行星架 h被完全制动，负载达到稳定的转速。周转轮系由差动轮系变成单自由度的行星轮系。

输入轴CZ、 譬d、1 工 I 11- 。 - - - b L二- - a- 二 7图1 行星式软启动装置结构示意图例关系，只要确定-个力矩，其他两个所受力矩的大写可确定，所以通过磁粉制动器的制动力矩(即 )就可以改变输出轴的输出力矩 r，，从而来控制负载的启动。

2.2 等效传动系统动力分析根据软启动装置结构(见图 1)，建立了如图2所示的新型行星式软启动等效传动系统动力分析图。

由系统动力分析图可知，系统动力特性微分方程为：MiD㈤ - - L- l Ⅱ6 oM2。( )-M2 ( )：M3j厶式中：，。为齿轮 a的当量转动惯量；， 为磁粉制动器转子与差动轮系的行星架及行星轮绕 自身转动，折算后的当量转动惯量；， 为齿轮 b及行星轮折算后的当输出轴 量转动惯量；M 。(t)为电动机动态转矩；M2。(t)为磁粉制动器动态转矩；M3。(t)为工作负载动态转矩；M ，为工作负载静态转矩；M： (t)为磁粉制动器达到公称转矩之前的动态转矩； (t)为齿轮 a的角速度；(t)为行星轮系行星架的角速度；C.O (t)为齿轮 b的角速度；t为时问变量。

2 动力学建模2.1 力矩分析根据图 1所示结构，设 、 和 分别为作用于齿轮 a、b和行星架 h的转矩，由平衡条件可得： 0 (1)如不计摩擦损失，其输入和输出功率应平衡，其数学表达式为：(17，。-n) (n6-It)0 (2)式中： n 、n 分别为齿轮 a、b和行星架 h的转速。

n口 - nh zczb/ 、1，ab式中：匕为周转轮系转化机构的传动比； 、z 、z 分别为 a、c，d、b各轮的齿数。

由式(1)、式(2)和式(3)可求得：： ： 1：( ： -1)：(-匕) (4)由式(4)可知，周转轮系三构件的力矩成-定比22∞ ㈦ M (t。L - 1 lI该装置的两个工作阶段分析。

1)在装置带动负载启动阶段，要求负载匀加速启动，即齿轮 b角加速度 为常数，由微分方程可以求得磁粉制动器在启动过程中的动力学特性表达式为：[(1 ，(1-ZcZb)×M1E( ：6-1) ZaZdM ce 1E J马燕平，等：-种新型行星式软启动技术装置的研究 2013年第1期M2，JM2J(1- )Ih 6Ce6 d式中：t 为工作负载开始转动时间，S； 为电动机空载同步角速度，rad/s；03 为电动机工作时额定角速度，rad/s；C为不定积分常数； 腰为电动机额定转矩。

2)当M2 (t)线性递增，行星架角加速度 s 为常数时，由微分方程可以求得工作负载自启动过程中的动力特性表达式为： a zd ZbZ c - ×[ Zbgc丽IbBh ]ce地)。( ) ，- ZaZd，6[-Z。b ZcM2jce-皿]M1E再 南 c )]式中： 为行星架达到零速时的时间，s。

根据磁粉制动器动力特性表达式，可以选择合适的磁粉制动器，实现可控缓冲启动。

3 遗传算法优化及其MATLAB实现遗传算法(GA)是模拟遗传选择和生物进化过程的计算模型，它具有简单通用、鲁棒性强和并行处理效果好等特点。

3.1 数学模型初始条件为：交流异步电动机的输出功率 P5.5kW，系统的传动比匕10，双联行星轮的组数 3。

3.1.1 设计变量中心轮 a的齿数 、中心轮 b的齿数 、大行星轮c的齿数 、小行星轮 d的齿数 、齿轮的模数 m和齿轮的齿宽 6 是该装置的基本结构参数，可将它们作为设计变量，即： ( 1， 2， 3， 4， 5， 6) (。 ， 6， 。， d，，扎，b )3.1.2 目标函数本文以最小体积为优化 目标来设计行星式软启动技术装置。该装置的体积.厂( )为：-厂( ) ( )孚m b 。 6 np( Zd2)]0.785xs Zx6( 1 2 3 323 4 )式中： 、 、 、 分别为中心轮 a、b、行星轮 c、d的体积。

3.1.3 约束条件传动比约束条件 g ( )为：g ( ) -10o同心约束条件g：( )为：g2( ) 3- 2- 40邻接约束条件g ( )为：g3( ) 3-6.46x115<0齿面接触疲劳强度约束条件g ( )为：加 √罴警 2.8≤。 l 5 6 3齿根弯曲强度约束条件g ( )为：g5( )：2-K-Ta Yr-Ys- 349.44≤0式中： 、 分别为区域系数和弹性影响系数；K为载荷系数； 、 分别为齿形系数和应力校正系数。

3.2 MATLAB遗传工具箱求解根据上述构建的数学模型，利用遗传算法工具箱对其进行优化计算。

表 1 遗传算法与传统设计方法计算结果对比由表 1所示可以看出，在达到同样工作要求的前提下，采用遗传算法之后，各个齿轮的齿数、齿宽与传统设计方法相比均有所减小，并最终使装置的体积也明显减校经过优化设计使装置的结构更加合理、紧凑和经济。

4 结语1)本课题所研究的行星式软启动技术是-种带负载软启动技术，可以实现电动机无负载启动后，按预定加速度方式平稳地拖动负载由低速向目标速度自动启动运行。

2)通过对系统动力分析，构建了磁粉制动器和工1232013年第 1期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)作负载启动过程动力模型，为行星式软启动技术的实现奠定了理论基矗3)通过遗传算法和 MATLAB对行星式软启动技术装置进行了结构优化设计。由对比计算可以看出，采用遗传算法使软启动装置的体积显著减小，系统结构更加紧凑，合理。