（机械电子工程专业论文）机械电子式软起动装置控制系统的研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 论文题目：机械电子式软起动装置控趔系统8 的3 研6 0 究 摘要 本文通过对带式输送机的动态特性和机械电子式软起动装置工作原理 的分析，建立了机械电子式软起动装置的数学模型，利用m a t i a b ，s i t l l 山i t l l ( 对其进行了系统仿真。 在分析带式输送机的工作过程的基础上，对机械电子式软起动装置的 控制系统进行了研究，对控制系统进行了硬件与软件设计。使用可编程控 制器对变频器的输出频率进行控制，实现对调速电机转速的控制。调速电 机与主电机的转速经差动行星轮系的速度合成，可使传动系统在很大范围 内无级调速，实现对负载的可控起动。 以带式输送机实验台为负载进行了机械电子式软起动装置的模拟试 验，对传感器进行了选型设计，对试验数据进行了采集与分析，确定了合 理的起、制动速度曲线，求出双电机驱动功率的最佳配比。 通过系统建模仿真与实验室模拟试验，结果表明，机械电子式软起动 装置能够有效的控制带式输送机起停过程瓣加速度，降低驱动电机的启动 电流，实现带式输送机的平稳起动与停车。 美嘲葡：带式输送机动态特性仿真软起动差动行星轮系 太原理工大学硕士学位论文 t h e s i st r y ：t h er e s e a r c ho f c o n t r o l s y s t e m o l l ：? m e c h a t r o n i c s s o f t s t a r t e q u i p m e n t a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e c h a t r o n i c ss o f ts t a r te q u i p m e n t i sc o n s t r u c t e db yt h ea n a l y s i so fb e l tc o n v e y o r sd y n a m i cp r o p e r t i e sa n dt h e w o r k i n gt h e o r y o f t h em e c h a t r o n i c ss o f ts t a r te q u i p m e n t ，t h es y s t e ms i m u l a t i o n i sc o n d u c t e di nm a n a b s i m u l i n k o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ew o r k i n g p r o c e s so f b e l tc o n v e y o r , t h e c o n t r o l s y s t e mo f t h em e c h a t r o n i c ss o i ls t a r te q u i p m e n ti ss t u d i e d ，t h eh a r d w a r ea n d s o r w a r ea r ed e s i g n e df o rc o n t r o ls y s t e m t h ep r o g r a m m el o g i cc o n t r o l l e ri s u t i l i z e d t o c o n t r o lt h ei n v e r t e r s o u t p u tf r e q u e n c y w h i c h a c c o m p l i s h e s c o n t r o l l i n gt h ev e l o c i t - o fs p e e d - c o n t r o l l i n ga s y n c h r o n o u sm o t e r t h ev e l o c i t y b e t w e e nm a i na s y n c h r o n o u sm o t e ra n ds p e e d c o n t r o l l i n ga s y n c h r o n o u sm o t e ri s c o m p o s e db yw a y o f t h ed i f f e r e n t i a lp l a n e t a r y g e a rt r a i n ，t h et r a n m i s s i o ns y s t e m i sm a d et or e g u l a t ev e l o c i t ys t e p l e s si nl a r g es c o p ew h i c hs u c c e e di nc o n t r o l l i n g s t a r t i n gp r o g r e s s o f l o a d t h es i m u l a t e dt e s to ft h em e c h a t r o n i c ss o f ts t a r te q u i p m e n ti sm a d e r e g a r d i n gt h ee x p e r i m e n t a ln a t f o r m o fb e l tc o n v e y o ra sl o a d ，t h es e n s o rd e s i g n i sh a df o rs e l e c t i n gt y p e ，t h et e s t i n gd a t u ma r eg a t h e r da n da n a l y z e d ，t h er a t i o n a l c u r v eo fv e l o c i t yi nt h es t a r t i n ga n db r a k i n gp r o g r e s sa r eg a i n e d ，t h eb e s t m a t c h i n g r a t i oo f d r i v i n gp o w e rf o rt h ed o u b l ea s y n c h r o n o u sr o o t e r si sf o u n d b y m e o l l so f s y s t e ms i m u l a t i o na n ds i m u l a t e dt e s ti nl a b o r a t o r y , t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tm e c h a t r o n i c ss o f ts t a r te q u i p m e n tc a nc o n t r o lt h ea c c e l e r a t i o no f b e l tc o n v e y o ri nt h es t a r t i n ga n db r a k i n gp r o c e s sa n dr e d u c et h es t a r t u pc u r r e n t f o r d r i v i n gr o o t e rw h i c h a c h i e v e st h eb e l tc o n v e y o r s t a a i n g a n d b r a k i n gs t e a d i l y k e y w o r d s ：b e l t c o n v e y o r ， s o f ts t a r t ， d y n a m i cp r o p e r t y ， s i m u l a t i o n d i f f e r e n t i a l p l a n e t a r yg e a r t r a i n 太原理：f 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的与意义 近年来，在煤炭、冶金、电力、建材、石油、化工等行业。带式输送 机得到普遍应用，带式输送机的相关理论和实验研究取得了很大进展，其 主要部件的技术性能明显提高，为带式输送机向长距离、大运量方向发展 奠定了基础。带式输送机具有驱动功率大，多台电机同时驱动的特点。但 是在它们的起制动过程中存在以下问题： 1 ) 由于大功率，高带速输送机的直接起动，使输送带的张力增加好几 倍，对输送机的元部件产生很大的冲击，影响了备元部件、输送带及整机 的稳定性和使用寿命。 2 ) 动张力的增大要求输送带强度提高。由于输送带成本在带式输送机 整机费用中占4 0 - - 6 0 ，故采取有效措施控制动张力，降低输送带强度， 具有可观的经济效益。 3 ) 动张力的增大要求传动装置、电动机的额定功率有较大幅度的提高， 因此在设备的选型上将造成较大的浪费。 4 ) 大功率电机的惠接起动，对电网产生很大的冲击，供电设备必须有 足够的富裕量。 5 ) 多台电机驱动的负荷分配不均匀造成电机过负载现象时有发生。 6 ) 在急剧的起动和制动过程中胶带和滚筒之问严重打滑会引起发热和 加速胶带的损耗。 这些因素会对输送机设备造成严重危害，缩短它的使用寿命。解决上 述问题的有效方法是用软起动技术控制带式输送机的起制动过程的加速 度，从而保证设备安全平稳运行，延长使用寿命。 如前所述，带式输送机在直接起动的过程中所出现的问题使得我们必 须认真研究与分析。带式输送机设计的关键问题是选择合理的驱动系统， 保证带式输送机的起动过程平稳可控，消除和减少动态张力。因此，在提 高设备的经济性与可靠性的基础上，研究开发一蠢经济可靠、功能强大的 1 太原理工大学硕士学位论文 适合于大运量、长距离、高速重载带式输送机软起动系统，是很有必要的。 1 2 软起动技术的现状与发展 机械设备的软起动与软停车是指机械设备在重载或满载的工况下能够 可控制的平稳起动与停车。 随着现代科学技术的发展，软起动技术具有越来越多的功能和优点。 它可以实现无级变速、多点驱动功率平衡、过载保护等功能，具有传动效 率高、结构简单，安装便捷等方面的优点。这项技术已经被越来越多的工 业部门所采用，具有广阔的市场前景。 在美国等发达国家，从2 0 世纪7 0 年代起便开始研究各种软起动技术 与设备，其中具有代表性的公司有美国r o c k w e l ld o d g e 公司，德国 s i e m e n s 公司，美国m 0 1 t 0 r t r o n i c s 公司等。 美国的r o c k w e l ld o d g e 公司生产的c s t 系统，是机械减速与液 压控制相结合的软特性可控传输系统，该系统采用基于液体粘性传动原理 的离合器使减速器与主驱动电机连接。电机在无负载的情况下起动，很快 达到额定速度。然后通过液压控制系统，使离合器的静摩擦片逐渐靠近动 摩擦片，传递动力。 美国的m 0 1 d r l r o n i c s 公司生产的高级固态软起动控制器通过固态 开关s c r ( 可控硅整流器) 的导通相位角来降低加在电动机定子上的电压， 即通过控制s c r 在每个交流正弦波中的导通时间来控制加在电动机上的 电压，以实现降压启动。 国外软起动器虽然可以达到良好的控制性能，但其性能价格比较高， 在国内推广有一定的难度。 国内有关研究部门和生产单位近几年投入了大量的财力与物力进行软 起动技术的研究。 k d k a 矿用隔爆型电机软起动控制器是常州自动化研究所开发的软起 动装置，该装惺采用固态继电器控制技术，可以实现软起动、限流起动、 太原理工火学硕士学位论文 软停车、自然停车等功能。 磁粉可控起动行星齿轮减速器的软起动装置：运用差动轮系和磁粉制 动器实现重载机械可控起动。差动轮系可对运动进行合成，磁粉制动器的 制动力矩可调，可使电机空载起动。缺点在于磁粉制动器制动力矩有限， 仅适用于小功率场合。 电磁离合器软起动装置：由电动机侧的电枢和负载侧的磁极两部分组 成。起动开始，先起动主动侧的电动机，使之达到额定转速，然后逐渐增 加从动侧的励磁电流，使磁极跟着电枢同方向旋转。通过改变励磁电流的 大小，就可以改变磁极的转速，也就是改变工作机械的转速，控制线路简 单，价格便宜，但长时间低速运行，传动损失大，效率低。 液体粘性传动调速装置：是一种集机械、电力、液压于一体的新型传 动装置，它安装于电机与减速器之间，通过调节摩擦片的i 司隙值的大小实 现可控起动。通过控制系统实现起动停车加速度的大范围的调节与控制， 使带式输送机平稳起动，可以获得无滑羞商效的直接传动，电动机可实现 空载起动。其缺点在于速度控制精度不高而且在软起动和调速过程中发热 量大，传动效率低；液压系统复杂；对润滑油的要求极高。 国内软起动装置经过多年的研究达到了一定的水平，并部分得到推 广应用，有效提高了带式输送机运行的可靠性，但仍然存在传动效率低， 系统结构复杂且可靠性较差，缺少自动化控制与通信协议等方面缺陷，未 形成有效软起动控制系统。因此，有必要研究开发性自皂优良、传动效率高、 机械结构与控制系统简单、工作寿命长，价格便宜和安装维护方便的新型 机械电子式软起动系统。 1 3 机械电子式软起动装置的工作原理 机械电子式软起动装置作为一种新型的机电一体化控制系统，是一种 集先进的计算机技术、传感技术、电力电子技术及传统的差动行星减速装 置为一体的机电一体化重载机械软起动传动系统。 3 太原理工大学硕士学位论文 1 3 1机械电子式软起动装置的组成 机械电子式软起动装置由机械传动系统与控制系统两部分组成。如图 1 1 所示。机械传动系统由主电机、调速电机和差动轮系等构成。控制系统 由计算机、可编程序控制器、变频器等组成。 一一一一一 ：一 控制系坑 传动系坑 图1 1 机械电子式软起动装置系统框图 1 3 2 机械电子式软起动装量的工作原理 机械传动系统原理图如图 - 2 所示，主要由差动行星齿轮减速机构、 蜗轮蜗杆机构等组成。主电机9 用于驱动差动行星齿轮减速机构，以便驱 动负载。在起动、停车的过程中，通过对调速电机8 的转速进行控制，使 差动行星机构差动传动，达到对输出轴无级调速的目的。 图1 2 机械传动系统原理图 图1 2 中，主电机9 的输出轴与行星齿轮传动机构的输入轴a 相连 太原理工大学硕士学位论文 将驱动力输入行星传动机构。输入轴a 的另一端连接齿轮1 ，通过齿轮2 与中心轮3 的输入轴b 相连，中心轮3 经行星轮4 和内齿圈5 驱动行星架 h 。通过输出轴c 将动力输出。 调速电机8 为小功率电机，经过蜗轮蜗杆传动，起控制速度( 速度合 成) 的作用，用于控制内齿圈5 的转速，并通过对内齿圈5 的转速控制， 最终实现对输出轴的转速控制，其功率主要消耗在软起动和软停车过程中 对差动的内齿圈的速度控制上。 在机械电子式软起动装置传动系统的设计过程中，蜗杆设计为单头蜗 杆。在调速电机起动后，通过蜗轮蜗杆正行程实现减速，带动轮系的其它 元件转动。在运动的控制端，由于系统选用螺旋升角a 小于摩擦角的传动， 在主电机传动过程中，蜗轮为主动构件，将无法使从动的蜗杆回转，机构 出现自锁，调速电机不转动。利用蜗轮蜗杆反行程出现自锁，达到控制调 速电机随时起停的目的。反行程具有的自锁特性常用于重型机械的起动过 程，以达到安全可靠的目的。 预起动时，首先通过p l c 与变频器之间的通信启动调速电机，此时机 械电子式软起动装置是一个单输入( 内齿豳5 ) 双输出( 中心轮3 和行星 架h ) 的两自由度机构。由于减速器输出轴上的负载通常远大于与主电机 输入轴相连的惯性负载，来自调速电机的动力无法驱动行星架转动，使得 传动系统实际上成为一个行星架h 不动韵定轴轮系。调速电机的动力经蜗 轮蜗杆机构和齿轮传动机构将驱动主电机的转子转动，并使其逐步达到主 电机的预期转速如空载转速( 如1 4 6 0 r m i n ) 。 此后，控制系统接通主电机的电源，主电机的转子转速已达到预期值， 不需再对主电机的转子进行加速，所以在接通主电机电源后，主电机启动 电流非常小( 理论上为零) ，主电机实现空载起动。这时，主电机和调速电 机均处于空载工作状态，传动系统成为一个行星架( 输出轴) 转速为零的 差动行星轮系。 主电机空载起动完成后，通过控制变频器的输出频率，使调速电机按 太原理工大学硕士学位论文 照预设曲线缓慢减速，通过蜗轮蜗杆传动，调节内齿圈5 的转速，将来自 主电机的动力逐渐施加到与输出轴相连的机械设备上，随着调速电机的速 度的降低，减速器输出轴的转速以所要求的速度曲线平稳输出，最终达到 额定工作速度。通过主电机与调速电机的速度合成，该传动系统可以在相 当大的范围内实现无级调速，并能长期稳定的工作在低速状态之下，同时 使主电机的起动电流和输送带的起动张力控制在允许范围内，从而实现系 统的软起动。 由于在系统设计过程中，在已知主电机额定转速的前提下，使用变频 器对调速电机的转速进行控制，使调速电机的转速与主电机的转速始终保 持一定的比例关系，当调速电机达到设定速度时，通过主电机与调速电机 在差动行星轮系的速度合成，使减速器的输出轴转速为零。当无级调节调 速电机的转速时，可实现对输出轴的无级调速。 同理，对于带式输送机等类型的机械设备来说，在拖动系统重载工况 下，主电机工作于额定转速，在控制系统的作用下启动调速电机，通过主 电动机和调速电机在差动轮系的速度合成，可使减速器输出轴缓慢减速直 至为零，实现被拖动机械的软停车。 1 4 本课题所完成的任务 1 、机械电子式软起动装置的建模与计算机仿真 确定软起动装置的组成，在建立变频器、异步电动机、差动行星轮系 及带式输送机数学模型的基础上，建立软起动装置的仿真模型，利用 m a t l a b6 s i m u l i n k 进行系统仿真。 2 、控制系统设计 控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。 1 ) 控制系统的硬件设计： 在明确控制任务的基础上，确定控制系统硬件的结构与组成。选择可 太原理工大学硕士学位论文 编程控制器的机型；根据试验中调速电机的功率大小，确定所选用的变频 器的机型；对传感器进行选型设计。 2 ) 控制系统的软件设计： 根据控制系统的控制过程与要求，使用可编程控制器( s i m a t l c s 7 - 2 0 0 ) ，选择v 3 1s t e p 7m i c m w i n 编程软件，针对带式输送机起制动过 程的不同工况，编制相应的控制程序完成对系统工作过程的控制。 3 、实验室模拟试验 以带式输送机实验台为负载搭建了机械电子式软起动装置的模拟试 验系统，采用p l c 与变频调速技术对调速电机转速进行控制。对起动、停 车过程中加在主电机、调速电机和负载处的转速数据进行采集，利用电流 传感器对驱动电机( 主电机、调速电机) 的启动电流进行监测，对试验数 据进行处理与分析。选择合理的起、制动速度曲线，确定双电机驱动功率 的最佳配比。 7 太原理工大学硕士学位论文 第二章机械电子式软起动装置的动态特性分析 本章对机械电子式软起动装置的工作过程进行分析，选择合理的加速 度控制曲线。确定带式输送机的简化模型，求出带式输送机与差动轮系组 成系统的等效转动惯量，为建立软起动装置的数学模型奠定基础。 2 1 机械电子式软起动装置的工作过程分析 2 1 1 工作过程的分析 i _ l i i j x 一了 t e k , i l i“ii l 柚l $ t i 图2 - l 系统工作过程的转速变化曲线 太原理工人学硕士学位论文 图2 一卜a 、图2 一卜b 、图2 一卜c 分别为调速电机、主电机、负载端在 系统工作过程中的转速变化曲线。 第1 阶段为系统预起动时的转速变化曲线。图中可以看出，调速电机 率先启动，按照设定速度曲线达到预定速度。主电机的转子随着调速电机 被动旋转，在调速电机达到预定速度后主电机转子也达到预期转速。此时， 由于负载阻力矩大，负载端无输出。 接通主电机电源，主电机在额定转速下主动运转，进入图2 一l 所示的 第2 阶段，调速电机按照设定曲线减速运行，主电机恒速转动，随着调速 电机转速的降低，通过差动轮系的速度合成，负载缓慢起动。当调速电机 减速为零时，负载达到工作转速，系统实现软起动。 图2 1 所示的第3 阶段为负载稳定运行阶段，调速电机失电，主电机 工作在额定转速，驱动负载稳定运行。由于蜗轮蜗杆反行程自锁，内齿圈 与调速电机转速为零。 当需要停车时，如图2 一l 所示的第4 阶段所示，调速电机按设定衄线 升速至预定转速，主电机恒速转动，由于差动轮系的速度合成，负载缓慢 减速，随着调速电机加速运行至预定转速，负载转速逐步降为零，从而实 现系统软停车。 当工作需要紧急停车或完全停车时，主电机、调速电机与负载的转速 变化见图2 一l 所示的第5 阶段，在控制系统的作用下，主电机先失电，其 转速由额定转速快速减至零。由于负载的机械惯性，所以调速电机需要继 续运转以此来克服负载的惯性力矩，此时，传动系统变为定轴轮系，主电 机转子跟随调速电机被动旋转，直至两者的转矩达到平衡，即负载转速为 零即玎。= 0 ，调速电机失电，系统完全停车。 2 1 2 机械电子式软起动装置加速度控制曲线的设计 ， 理想的可控起动速度曲线，应使带式输送机平稳起动，且整个起动过 程中加速度的最大值较小，速度输出平稳，无速度突变，以最大限度地减 9 太原理工大学硕士学位论文 小起动的惯性力和起动冲击作用。据相关资料与实验室试验表明，用“s ” 形曲线可以达到良好的效果。以同样时间起动电机( 软起动) ，s 形曲 线比直线平稳的多，振动、噪声亦小。 机械电子式软起动装置是通过控制给定的速度与加速度曲线，减小加速 度和速度的变化率的方法，使输送机的速度曲线变成平滑的“s ”形来减小 带式输送机的起动冲击。如何选择合理的加速度控制曲线，使得带式输送 机的加速度响应值和起动冲击达到最小，在作者课题进行过程中，对正弦 形、三角形和梯形加速度设计曲线的设计比较。其中，t 为起动运行时间， v 为额定带速 1 ) 三角形加速度控制曲线 带式输送机的三角形加速度曲线的最大值为a m = 2 v t ，其加速度的计 算式为： l2 a m i t 口( ，) = o ， 1 2 a m ( 1 一妻) l 1 ( 0 s t 丁2 ) ( t 2 f r 1 ( 2 - 1 ) 图2 - 2 三角形速度与加速度变化曲线图 2 ) 梯形加速度控制曲线 梯形加速度控制曲线如图2 _ 3 所示，梯形加速度控制曲线中 t l = t 3 - t 2 = t n ( n j r j j e j i g 数) 则带式输送机的梯形加速度曲线的最大值：a ；= n v c ( n - 1 ) t i 砸) = ( 0 t 蔓t 1 ) ( t l r 2 ) ( 2 - 2 ) ( t 2 t 3 1 三“ 1 塾h ， h 一 太原理工大学硕士学位论文 。tt2rl 图2 _ 4 正弦形加速度变化曲线图 如图2 - 4 所示，起动开始时，加速度为零，速度平稳增加，到t 2 时， 加速度达到最大值。速度达到v 2 , 然后，逐渐对称地降低加速度，速度逐 渐增加；达到设计带速时，加速度减到零，完成起动过程。 由于传统设备的起动加速度不可控，起动过程的加速度特性很硬，起 动冲击极大。软起动设备的加速度特性很软，加速度变化率很小。下面根 据以上给出的三种加速度变化曲线，求出三种曲线的加速度变化率j 。 三角形加速度控制曲线 ，= 2 争= 4 考 ( o f 叫2 ) ( 2 - 4 ) 梯形加速度控制曲线 j 寄名孝( o _ t - t i ， 。， 太原理工大学硕士学位论文 正弦形加速度控制曲线 ，2 ；争a 9 季c o 呼r ( o 隧丁) q 。6 由式2 1 2 - 3 可得，在三种加速度控制曲线中，梯形加速度控制曲线 ( 取n = i o ，。，= 】1 丁2 ) 的起动冲击最大，正弦形( j = 4 9 3 ，2 ) 居 中，三角形( ，= 4 v t 2 ) 最小。 起动时间t 作为重要的设计参数，可根据设计经验，通过控制起动的 最大速度或加速度来实现。在软起动的设计过程中，起动时间一般为 3 0 2 4 0 s 。 根据理论计算与程序设定，系统起动时间t 为6 5 s ，减速器输出轴的 额定转速为7 2 r m m ，已知带式输送机实验台的驱动滚筒的f 0 4 m 。当减 速器输出轴额定转速为7 2 f f i l l i n 时，可求得此时皮带的转速为3 0 1 4 耐s ，根 据式2 1 至2 - 6 ，可求得不同加速度控制曲线下，加速度的大小及其变化率， 为最终确定加速度控制曲线提供依据。 表2 1 加速度大小及其变化率的比较 曲线类型加速度大小( 最大值)加速度的变化率 三角形 0 0 9 30 0 0 2 9 正弦形 0 0 7 90 0 0 3 5 梯形0 0 5 20 0 0 7 8 如表2 1 所示，虽然梯形加速度曲线加速度最大值最小，但其加速度 变化率最大，因此梯形加速度控制曲线( 取n = 1 0 ，j = 1 1q r 2 ) 的起动 冲击最大，正弦形加速度大小居中，且加速度的变化率较小，综合考虑三 种曲线中加速度及其变化率的大小，选择式2 - 3 确定的正弦形加速度控制 曲线作为机械电子式软起动装置的加速度控制曲线。 同理，在系统软停车的设计过程中，其加速度控制曲线选择如式( 2 7 ) 所示，其中，7 ：软停车时间v ：额定带速 ( 以) = _ v 刀s i m 2 r 0 f t ( 2 7 ) 太原理工大学硕士学位论文 系统软起动与软停车的时间可在程序中设定，皮带的设计带速由机械 电子式软起动装置的传动系统与主电机的额定转速共同决定。理论测算可 得，机械电子式软起动装置减速器输出端( 皮带) 设计的速度约为7 2 r m i n 。 2 2 带式输送机的动态特性分析 带式输送机作为一个复杂的机电系统，负载重、带速高，在起动和停 车的过渡过程中，输送带中将产生很大的动张力，可能导致输送带的整体 或局部滑动，引起输送带传动面及驱动滚筒衬垫强烈磨损和发热，使输送 带与滚筒间粘着系数降低，甚至难于继续起动和运行。输送带在动张力的 作用下，还会使其安全系数降低，张紧装置负荷显著增大，产生很大的附 加位移和冲击，甚至损坏机件。因此，在设计输送机系统时，采用动态分 析方法，从分析弹性波在输送带中的传播规律入手，计算过渡过程的动载 荷及带式输送机的起动、制动时问，减少输送带中的动应力，改善输送机 的起、制动及运行条件。 带式输送机的动态分析，是将输送带按粘弹性体的力学性质，综合计 入驱动装置的启制动特性、各运动体的质量分布、输送带的初始张力及张 紧力等因素的作用，求得带式输送机在起动和制动过程中，输送带上的不 同点随时间推移所产生的速度、加速度和张力的变化。利用动态分析，可 找出带式输送机在起制动过程中可能出现的动态危险，对以上状况，应采 取相应手段进行调整，相关资料表明，最有效措施是改善驱动装置及其启 制动特性，使输送机得以优化。因此，对带式输送机进行动态分析，应对 其起制动过程进行动力学分析，恰当地分析输送机系统的动力学特性，最 主要的是研究驱动装置的机械特性、输送机的运行阻力和输送带的力学性 质。 l3 太原理工大学硕士学位论文 2 2 1 带式输送机起动过程的分析 1 、带式输送机的起动 输送机的起动过程是一个不稳定工况，由于所采用的交流电机特性的 影响，输送带中的动张力往往在起动过程中达到最大值。输送带是一个粘 弹性体，在驱动力的作用下会产生粘弹性变形，由于不稳定而产生动张力， 同时输送带在起动前各部分的静阻力各不相同j 因此输送带的起动是一个 逐级起动的过程。对输送带中的某一带段来说，只有它两端的拉力差大于 它所受的静阻力时，才会起动。在起动的一瞬间，静阻力变为动阻力，带 段开始运动。在这一过程中，由于静阻力到动阻力的突变，使输送带产生 振动，导致输送带截面内的动张力上升。 在带式输送机的起动过程中，输送带的张力在初张力的基础上增加， 驱动装置输入的驱动力作用在下述的三个方面，即：驱动装置的加速；作 用在驱动滚筒绕入点的输送带上；推动回程输送带。工程计算表明，推动 回程输送带的驱动力所占比例较小，驱动力主要作用在前两部分上，其中 作用在输送带上的部分需要通过头部输送带在波的传播过程中逐渐向后传 播，当输入的驱动力突变时，对输送带会产生冲击，产生峰值张力，它和 输送机的长度，运行阻力，输送带的力学性质等因素有关。最有效的调整 办法是通过软起动装置改变驱动装鼍的机械特性，使输入平稳变化，以消 除峰值张力。 带式输送机的起动过程总体分为三个阶段：初动阶段，由牵动整条胶 带所需的时间决定；静阻力施加于驱动滚筒的阶段，由静阻力从最后一个 托辊组反射回驱动滚筒所需的时间决定：以及输送机起动到额定速度的阶 段。 2 、输送带中弹性波的传播速度 可以将输送带看作具有库仑阻尼力的线弹性模型，来考查弹性波沿托 辊组支承的输送带的传播速度。输送带是均质系统，对其任意截面施加的 扰动，将以弹性变形的形式沿输送带传播。输送带中弹性波的传播速度为： 太原理工大学硕士学位论文 旧 归j 云h ) ( 2 - 8 ) 式中，n 输送带被研究区段的载荷线密度( k g m ) e 输送带的折算弹性模量( n ) 弹性波沿胶带的传播速度，是带式输送机动力过程的主要特征参数之 一，它很大程度上决定了胶带动张力的幅值。构成胶带动张力的弹性波有 三种：入射波，反射波和透射波。反射波发生在密度不同的两种介质的边 界上，向着扰动源( 驱动滚筒) 返回运动。透射波是越过边界并远离扰动 源的弹性波。入射波是上述两种波的波源，从扰动源向外传播。 托辊组间的输送带是由垂度l r ：鱼竖趑表示的抛物线，这时由 密度和变形决定的折算弹性模量为 。 1 2 s 3 。 占1 q 2 1 2 + 1 2 s 3 e 0 ( 2 9 ) 式中，s 所考查的输送带的平均张力； g 。带上线密度( 在承载区段上9 0 = q 。+ 钆，回空段上q 。= ) q 。带上物料的线密度 吼。输送带的线密度 ，。托辊组间距 e 0 输送带纵向动力弹性模量 将式( 2 - 9 ) 代入( 2 - 8 ) 式，可得输送带中弹性波的传播速度： 铲，障：，f 1 f 氅一( 眺) ( 2 - 1 0 ) q 2 i 云2 丽再面丽i 沏“ 3 、输送带内的振荡 对于输送带在起动前，由于拉紧装置提供了拉紧力，输送带处于拉紧 状态。滚筒开始旋转时，输送带紧边的张力在增加，松边的张力在减小。 这两个变化都以波的形式沿输送带传播。随着驱动滚筒的继续转动。振荡 l5 太原理工大学硕士学位论文 波继续传播。山于输送带中有较大的张力，拉紧装置会有明显的伸长。高 张力波继续传播，拉紧装置继续伸长或放绳，松、紧边张力波相遇，造成 剧烈振荡。在输送机正常工作时，每当负载变化，类似晴况就会发生。振 荡危害主要表现在： ( 1 ) 对输送带选型的影响 输送带费用一般要占整机费用的4 0 左右，输送带设计人员常按丑三常 张力选择输送带强度。振荡会提高输送带的安全系数，造成很大的浪费； 会破坏输送带接头，造成断带事故。 ( 2 ) 对输送物料的影响 起动时，如果输送带振荡，将引起物料滚动或滑动。 ( 3 ) 丧失正常的传动比 正常传递所需的紧边与松边张力比会丧失，尤其在拉紧装置远离驱动 装置时更是如此，从而使输送带在滚筒上打滑、摩擦发热。 ( 4 ) 对机械部件的影响 输送带会打击滚筒和托辊，造成机架、滚筒、主轴、轴承、拉紧装置 等机械部件的损坏。对带有凸弧段的输送机，槽形托辊损坏更为严重。 为了将振荡减小至最低程度，我们必须选择合理的驱动装置，实现软 起动，即在设定的起动时间内，通过控制输送机起动的加速度值，来确保 输送机的平稳起动，并达到额定速度；同时使起动电流与起动张力控肯4 在 允许范围内。带式输送机的软起动装置有很多种，较常用的有差动轮系液 粘调速装置( c s t ) ：变频调速装置；液力调速装置等。 将机械电子式软起动装置应用带式输送机的起动过程，可有效降低输 送带的动张力，保证输送机的平稳运行。 4 、起动过程的动载荷分析 带式输送机阻转矩丁，的大小与传输速度无关，属于匾转矩负载。在 非稳定运动状态下，胶带除受静张力作用之外，还受速度变化引起的附加 动张力的作用。动张力与静张力的叠加，引起胶带在驱动滚筒处张力的平 太原理工大学硕士学位论文 均分配，导致输送机的不平稳运行，甚至引发输送带接头的失效及滚筒及 其它部件的损坏，破坏输送机的正常运转。 在对带式输送机起动过程的动载荷进行分析时采取如下假定：驱动滚 筒与胶带为摩擦结合：胶带在滚筒上无滑动；阻力系数与胶带的运行速度 及张力无关；胶带变形服从虎克定律。胶带为均质体系，需用偏微分方程 描述其动力过程。在输送机非稳定的运动状态下，胶带的动张力由下式确 定： s d = c p v( 2 一1 1 ) 其中v 为胶带截面的位移速度( 起动时此速度与胶带的即时速度一 致) ，由于假定胶带与驱动滚筒之间无滑动，求得起动时驱动滚筒外缘的圆 周速度，可确定胶带的动张力。 考虑到带式输送机采用固定式拉紧装置且墨。= 常数，s c 。为胶带奔离点 的张力，得到 ：霉d v 端：爱霉铆加 2 。1 2 m o ：! ! 竺量! m o 为折算至4 滚筒外缘上驱动装置的的质量 彬 k = 1 2 一1 3k 为减速器惯性矩的系数； b 表征电动机机械特性曲线斜度的系数；i 为减速器的速比。 ( g d ) ： 电动机转子的飞轮转矩。 所胶带承载分支的折算质量 p ，胶带回空分支的折算质量 c ，胶带承载分支张力波的速度 c ，_ 皎带回空分支张力波的速度 f 驱动装置的剩余力，f = r w 由初始条件伽时v = o ，微分方程( 2 7 ) 的解为： 哟：五竺_ ( e x 掣二生粤盟t - 1 ) ( 2 1 3 ) 土一c r 辟一q 岛 太原理工大学硕士学位论文 根据公式( 2 - 1 1 ) 与( 2 1 3 ) ，可以求得胶带趋入点与奔离点的动张力 ( f ) = 竿( e 意- 1 ) = 一竿( e 砉一1 ) 1 4 ) a = p c ，p r c 。p 。 公式( 2 1 4 ) 表明，胶带空载分支的动张力波为压力波。 空载起动时，p ：ap 。，输送带两区段边界上发生的反射波可忽略不 计。输送带趋入点与奔离点的动张力分别为： ：华( e - 1 ) s 孟：一竺。争_ 1 ) a j = 8 一c ? p ? 一c 。p | 对于带固定拉紧装置的输送机，其起动时间，。可由式( 2 1 1 ) 求得： 。= 甄7 屏1 1 0 一g 所圳+ 螋掣) ( 2 _ 1 6 ) 式中，a f 输送机空载起动时，驱动装置的剩余力，a f = f 0 一w c ：弹性波沿空载输送带承载区的传播速度 空载输送带承载区的载荷线密度。 f 一弹性波返回驱动滚筒所经历的时间， f ：2 ( + 三) c ， i 输送带的长度。 v 。额定带速 综上所述，带式输送机起、制动时的软特性控制方法，采用延长起、 制动时间，并连续均匀加、减速方法来实现。输送机的安全性与经济性通 常与起动或制动时的动载荷有关，因此，减小速度的变化率及其起制动时 太原理工大学硕士学位论文 引起的动载荷，避免输送带在起动时与驱动滚筒产生滑动，限制驱动装置 的加速力矩，使起动时间大于弹性波面环绕输送带的传递时间。 2 2 2 带式输送机的等效转动惯量 带式输送机的动态连续模型是多阶的复杂的微分方程组，且包括复杂 边界条件，对其完整的动力学方程解析求解几乎不可能。为此，在对带式 输送机的研究过程中对其进行简化，忽略输送带的粘弹特性，对输送机进 行动力学分析。 带式输送机的简化模型和受力分析简图如图2 5 和图2 - 6 所示，其中， 图2 3 - a ，图2 3 b ，图2 3 - c 分别为尾部滚筒、托辊和驱动滚筒的受力分析 简卧 图2 - 5 带式输送机的简化模型 图2 - 3 _ a图2 - 3 - b图2 - 3 - c 图2 - 6 受力分析简图 在对带式输送机的转动惯量进行计算时，依据的原则是通过计算带式 输送机各部件折合到驱动滚筒的转动惯量，求出带式输送机的等效转动惯 量进行研究。 1 、带式输送机转动惯量的折算原则 太原理工大学硕士学位论文 由机械原理可知，单自由度机构可简化为具有等效质量或等效转动惯 量的等效构件，其上作用有等效力或等效力矩。此时，等效构件的运动规 律与其在机构中的运动规律完全相同。 带式输送机的简化模型如图2 5 所示，它由驱动滚筒、托辊、尾部滚 筒和输送带组成。忽略输送带的粘弹特性。将带式输送机的各部件的转动 惯量等效计算到带式输送机的驱动滚筒上，求出带式输送机的等效转动惯 量。 根据带式输送机的简化模型，带式输送机的转动惯量包括：托辊的转 动惯量、输送带的转动惯量，驱动滚筒的转动惯量和尾部滚筒的转动惯量。 将其全部折算到带式输送机的驱动滚筒处。 2 、带式输送机转动惯量的计算 已知驱动滚筒的半径为n ，质量为m 1 ：尾部滚筒的半径为吃，质量 为m ，：托辊的半径为屹，质量为m 3 ：输送带与物料的整体质量为m 4 。 其中， 。r 2 。 设驱动滚筒的张力为e ，转矩为 彳i ，角速度为w 1 ；尾部滚筒的张 力为f 2 ，转矩为m - 2 ，角速度为w 2 ；托辊的张力为f 3 ，转矩为m 3 ，角 速度为w 3 ；皮带的等效质量为m 。 根据回转刚体的运动方程可得 m ：，坐 研 加速度为a ，驱动力矩为j j l 厶。 ( 2 一1 6 ) 根据牛顿第二定律可得： f = m a = m w r 根据刚体的运动学方程可得： w 1 2 w 2 r 2 2 w 3 吩 1 ) 当以输送带为研究对象时，输送带受到的张力e 由式( 2 1 6 ) 与式( 2 1 7 ) 可得： 曩= m 4 a = m a w l l m 4 = 厶w l = 只 只= ，4 叫1 2 o ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) 太原理工大学硕士学位论文 以= 饷，1 2 2 ) 当以托辊为研究对象时，托辊的受到的张力只 根据式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 与式( 2 1 8 ) 可得： j 3 w 3 = m 3 = f ：3 w 3 = w lr l 乜 巧= ，3 r l 4 设托辊的个数为n ，则托辊所受到的总的张力为e 只= 嵋= 嵋r 。4 3 ) 当以尾部滚筒为研究对象时，尾部滚筒受到的张力为r 根据式( 2 - 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 与式( 2 1 8 ) 可得： j 2 w 2 = m 25 f 2 r 2 w 2 = 1 lr l 吃 五= ，2 ，l 芬 4 ) 当以驱动滚筒为研究对象时，驱动滚筒所受的张力为只 根据式( 2 1 6 ) 可得： j l w l = 蝎= 耳1 坷= 以，i 如上所求：折算到带式输送机驱动滚筒处的总的张力为f f = 耳+ e + 最+ f 4 当以驱动滚筒为研究对象时，由旋转刚体的动力学方程，由式( 2 1 6 ) 带式输送机的等效转动惯量厶为： j ，= w 厶= ，t ，l w l = ( 只+ e + 只+ ) + ，l w t 厶= ( w l ， + 嵋w ir j ，弓+ 以w 1 1 ，考+ 以w l l r l ) * r 1 1 w l l ，m = j i + n j 3 2 + ，2 _ 2 0 + j 4 ( 2 1 9 ) 太原理工大学硕士学位论文 2 3 差动行星轮系的研究 2 3 1 差动行星齿轮机构简介 由齿轮副组成的机构，称为齿轮传动。当轮系运转时，如果所有齿轮 的轴线位置固定，则这种轮系为定轴轮系。当轮系运转时，其中至少有一 个齿轮的几何轴线绕另一个齿轮的几何轴线转动，则这种轮系为周转轮系。 行星轮系作为周转轮系的一种，当轮系运动时，如果组成该轮系的齿 轮中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定，而绕着其他齿轮的几何轴线 回转，该齿轮机构为行星传动机构，即行星轮系。若行星齿轮传动中的三 个基本构件均不固定，必须有两个原机构才有确定的运动，称为差动行星 齿轮机构。通常差动行星齿轮机构较多采用2 k - h 传动。应用差动轮系可 实现变速运动，获得较大的传动比，实现运动的合成。 差动行星齿轮机构具有两个自由度，为了使差动机构中所有构件的运 动完全确定，只有在给定两个构件的运动后，其余各构件的运动才能确定。 在机械电子式软起动装置中，差动行星减速机构为2 k h 型轮系，可 以实现运动的合成与分解。由于行星齿轮传动结构的对称性，运行效率较 高，运行平稳。因此，行星齿轮传动不仅适用于高转速、大功率，而且还 在低速、大转矩的传动装置上得到广泛的应用。它几乎可适用于一切功率 和调速范围。 差动行星机构应用于机械电子式软起动装置的传动系统中，如图1 2 所示，行星架h 分布有较大的扭矩，且方向与中心轮3 、内齿圈5 的扭矩 方向相反，作为原动机的两个电动机提供的力矩都可作为动力，可使输出 端有较小的输出速度。因此选行星架h 作为输出端以承受载荷，中心轮3 、 内齿圈5 作为原动件，分别连接电机。在此情况下，共有如下两种方案可 供选择。 系杆接输出端僦麓霎嚣呙2 簇箍器 太原理工大学硕士学位论文 机械电子式软起动装置选用双电机驱动的方式。对于实际应用的方案， 由于调速范围较大，且考虑到机械电子式软起动装置的整体尺寸及承载能 力以及充分发挥电机的承载功率，在两个输入端分别加入一减速机构以综 合考虑。 在系统设计过程中，选择以内齿圈5 接变频调速机构( 变频器+ 调速电 机+ 蜗轮蜗杆) 变速运转，中心轮3 通过轮系减速接主电机恒速转动。 2 3 2 差动行星轮系的运动分析 对于机械电子式软起动装置而言，由于减速机构行星齿轮减速器为差 动轮系，该轮系有两个自由度，因此在中心轮3 、内齿圈5 和行星架h 组 成的基本构件