（机械电子工程专业论文）风电混合驱动负载模拟装置开发.pdf

摘要 论文题目：风电混合驱动负载模拟装置开发 学科名称：机械电子工程 硕士生：李恩甫 导师：刘宏昭教授 签名：盗恳座! 签名：骝赴 摘要 本文是在分析差动齿轮箱的结构原理及电动机模拟风力机原理基础上，扩展单自由度 动态载荷模拟加载装置为双自由度混合动力驱动负载模拟装置，用超高转差率电动机与变 频器控制模拟风力机的异步电动机，通过差动齿轮箱进行动力合成，驱动模拟动态载荷的 磁粉制动器。完成了风电混合驱动负载模拟装置的开发。主要研究工作有： 分析差动齿轮箱的结构原理，推导出差动齿轮箱的输入输出转速、转矩和功率之间的 关系，并对差动齿轮箱中n w g 型差动轮系的结构与相关参数进行研究。 完成了混合动力驱动负载模拟装置机械系统开发，构建了基于p c 机、r s 2 3 2 r s 4 8 5 传输网络、转矩转速功率测量仪和传感器所组成的分布式测控硬件系统。设计了基于变频 器控制的异步电动机自动控制电路以及防止“飞车 的机械制动装置。 利用该混合动力驱动负载模拟实验系统，结合理论和实验研究提出的相关加载及测控 策略，通过加载测量各机械传动处的输出参数，分析模拟实验装置的转速、转矩和功率相 互关系。在将测控结果与理论计算对比分析基础上，分析误差产生的原因。 在分析风力机运行特性基础上，研究了风能利用系数恒定区域风力机最大功率追踪原 理，并分析矢量控制异步电动机的输出特性。结合实验台性能提出风能利用系数恒定区域 电动机模拟风力机的原理。 关键词：混合驱动；差动齿轮箱；风力机模拟 摘要 i i a b s t r a c t s u b j e c t ：d e v e l o p i n go na n a l o gd e v i c eo fh y b r i dd r i v eo f m a j o r ： a u t h o r ： w l n da n de l e c t r i c s u p e r v i s o r ： m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g e n f ul i p r o f h o n g z h a ol i u a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yf o c u s e do ne x p a n d i n gs i n g l ed e g r e eo ff r e e d o ma n a l o gl o a d i n g s y s t e mi n t od o u b l ed e g r e eo ff r e e d o mh y b r i dp o w e rd r i v i n gl o a do na c c o u n to ft h ep r i n c i p l eo f d i f f e r e n t i a lg e a rb o xa n di n d u c t i o nm o t o rs i m u l a t i n gw i n dt u r b i n e t l l a t st os a y , u l t r a - h i g hs l i p m o t o rt o g e t h e rw i t hi n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l l e db yt r a n s d u c e rd r i v em a g n e t i c p o w d e r b r a k e w h i c hs i m u l a t e sf l u c t u a t i n gl o a d t l l et h e s i sf u l f i l l e dt h ed e s i g no fi n d u c t i o nm o t o rs i m u l a t i n g w i n dt u r b i n e t h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： b a s e do na n a l y z i n gs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fd i f f e r e n t i a lg e a rb o x ，t h er e l a t i o n s h i po f i n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r sa r ed e d u c e da n de s t a b l i s h e d t h es t r u c t u r ea n dg e a rp a r a m e t e r so f n g wd i f f e r e n t i a lg e a rt r a i na r er e s e a r c h e d t h ea n a l o g u em e c h a n i c a ls y s t e mo fh y b r i dp o w e rd r i v i n gl o a di sd e v e l o p e d ，a n dt h e n ，o n t h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo fp c r s 2 3 2 r $ 4 8 5t r a n s m i s s i o nn e ta n dt h et e s t i n gi n s t r u m e n t s ，a n i n s p e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sc o n s t r u c t e df o r t h et e s t i n gp l a t f o r i n t h ea u t o m a t i cc o n t r o l c i r c u i tb a s e do nt r a n s d u c e rc o n t r o l l i n gi n d u c t i o nm o t o ri sd e v i s e d t h em e c h a n i c a lb r a k e a p p a r a t u so fa v o i d i n gi n d u c t i o nm o t o ra sg e n e r a t o ri sd e s i g n e d a p p l y i n gt h e s es y s t e m s ，a n dc o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ， t h el o a d i n gm e t h o da n dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la r eo b t a i n e d b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g m e a s u r e m e n tr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a ll o a d t h ee x p e r i m e n t a la p p r o a c ha n a l y s e st h er e l a t i o n s h i p o fi n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r sa n dt h ec a u s eo fe r r o r b a s e do no p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i e so fw i n dt u r b i n e c o n t r o l l i n gw i n dt u r b i n er u n n i n go nt h e m p p t ( m a x i m u m p o w e rp o i n t t r a c e ) i sr e s e a r c h e da n d o u t p u t c h a r a c t e r i s t i co f v e c t o r - c o n t r o l l e di n d u c t i o nm o t o ri sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fe x p e r i m e n tp l a t f o r n l t h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nm o t o rs i m u l a t i n gw i n dt u r b i n ei s p u tf o r w a r d i nw i i l de n e r g y u t i l i z a t i o nc o e 衢c i e n fc o n s t a n ta r e a k e yw o r d s ：h y b r i dd r i v e ；d i f f e r e n t i a lg e a rb o x ；w i n dt u r b i n es i m u l a t i o n a b s t r a c t 王i 目 录 目录 1 绪论1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 风电混合驱动负载模拟装置研究现状1 1 3 选题研究内容和论文构成2 2 模拟装置运动合成机构4 2 1 差动齿轮箱的总体构成。4 2 2 差动齿轮箱的参数计算5 2 2 1 传动比计算一5 2 2 2 差动轮系总功率流经路线确定及封闭功率流判定7 2 2 3 差动齿轮箱输入输出构件转矩关系8 2 2 4 行星轮的受力图及差动轮系输入输出功率关系9 2 3 差动齿轮箱齿轮数计算【1 4 】1 0 2 3 1 啮合齿轮5 和6 的参数计算1 0 2 3 2 齿轮3 和4 的参数计算1 l 2 3 3 齿轮1 、齿轮2 和齿轮3 计算。1 3 2 3 4 齿轮变位计算1 6 2 4 本章小结l8 3 混合驱动负载模拟装置系统。1 9 3 1 模拟装置机械系统的开发1 9 3 1 1 模拟装置工作原理与要求1 9 3 1 2 风力机模拟器异步电动机及变频器的选取。2 0 3 1 3 防止“飞车”装置的设计2 2 3 1 4 传感器及参数测量仪选取2 3 3 1 5 传动装置的设计与选取2 3 3 1 6 模拟装置系统设计2 4 3 2 模拟装置新增自由度系统自动控制开发2 4 3 3 模拟装置硬件测控系统2 5 3 4 模拟装置系统的完成2 6 4 风电混和驱动负载模拟装置实验研究2 7 4 1 磁粉制动器输出转速与异步电动机输出转矩分析2 7 4 2 机械系统传动效率分析3 4 5 风力机输出特性及异步电动机模拟风力机可行性分析3 7 5 1 风力机运行特性d 2 】【3 3 】【3 4 】一3 7 5 2 风力机运行区域及最大功率追踪3 5 】【3 6 】【3 7 】4 0 5 3 异步电动机变压变频控制方式4 2 5 3 1 变频调速基本原理4 2 5 3 2 异步电动机变压变频时的机械特性4 3 5 4 c 。恒定区域变频控制异步电动机模拟风力机的原理探讨4 5 6 总结与展望一4 7 j 目t谢4 8 西安理工大学硕士学位论文 参考文献。4 9 附录5 1 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 风电混合驱动负载模拟装置的开发实际上是对专利“有杆抽油机的一种风电混合驱动 方法及其装置【1 l ”在实验室中的实现。目前对风能的利用主要通过风力机将风能转化为电 能，然后并网。风力机发电并网过程中，风能利用系数受限，发电设备成本、运转、维护 费用高，而且并网也是一个难题。因此，若能对风能的直接利用，将风能通过机械传动装 置直接转化为机械能，就会省去中间这些过程，提高风能利用效率，节约发电设备成本。 但是，由于风能的随机性，不稳定性，在对它直接利用的时候，需要另一稳定动力源作为 风能缺陷的补偿，这样就可以保证风能和稳定动力源经混合装置合成后输出稳定。基于此， 提出了“风电混合驱动负载模拟装置的开发”。换句话说，风能的特点决定了对风能的直 接利用需要依靠混合驱动装置。 风能是一种普遍的绿色能源，储量巨大。混合驱动装置的基本思路是采用一个两自由 度的差动齿轮箱，一方面将风能经风力机风轮产生的机械能通过传动装置传递给差动齿轮 箱，另一方面将超高转差率电动机的输出也通过传动装置传递给差动齿轮箱，经过动力混 合后驱动负载即风电混合驱动负载。然而，由于风电混合驱动负载系统非常复杂，要对其 系统进行详尽的研究，最理想的实验方法是将风力机、超高转差速电动机与差动齿轮箱及 传动装置直接安装在现场做实验。但是这样的实验即耗时间又浪费金钱及人力，加之试验 周期长。因此，开发混合动力驱动负载模拟装置非常有必要，这样，大部分的实验可以在 实验室里完成，不同的工况只需要改变模拟装置的控制参数，不仅缩短了实验周期，而且 成本低，困难程度小，为实验室条件下进行风电混合驱动负载技术的深入研究创建了条 件。 1 2 风电混合驱动负载模拟装置研究现状 风电混合驱动负载模拟装置分为三个部分：第一部分混合动力源即模拟风力机的 变频控制异步电动机与超高转差率电动机；第二部分混合驱动的执行机构一一差动齿 轮箱；第三部分负载，即磁粉制动器对负载的动态实时模拟。文献【2 】【3 】已经对第一 部分中的超高转差率电动机与第三部分有详尽研究。本文仅对第一部分中的风力机的 模拟器和第二部分进行相关研究。 变频控制的异步电动机对风力机的模拟研究较多。主要有基于异步电机的转差 频率控制方案，矢量控制方案、转矩控制方案等【4 儿5 j 1 6 j 。 混合驱动机电系统执行装置是一个二自由度机构，运动的输出具有可控的编程 西安理工大学硕士学位论文 性。在时间上，国外在这方面的研究先于国内。上世纪9 0 年代初，英国利物浦科技 大学的j o n e s 和t o k u z 结合传统机构和可控机构的特点，提出“复合式机器( h y b r i d m a c h i n e ) ”的概念，奠定了混合驱动可控机构的思想r 。为了进一步研究这类机构的 特点，j o n e s 和t o k u z 在1 9 9 2 年建立了完善的系统模型和实验方案，全伺服驱动和混 合驱动两种方案，负载是曲柄滑块。针对变规律输出运动，实验分析两类机构的输出 转矩，及驱动源的输出转矩、功率、位移、速度、加速度瞵j 。a l i 应用混合驱动理论设 计一个混合驱动装置，通过关注可控电机与常规电机功率输出之间的关系，实验表明：实 现可变传动输出运动，常速电机是伺服电机的3 5 倍例。h e r m a n 应用混合驱动理论，采 用差动轮系作为混合驱动系统，驱动凸轮机构实现可变的变近、远休止时间的柔性输出运 动，其计算机仿真结果表明：采用混合驱动系统比单独运用伺服电机驱动，伺服电机的最 大输出功率和力矩减小7 0 t 1 0 j 。 相对于国外，我国在混合驱动机构研究方面起步比较晚，研究主要方向集中在混 合驱动杆机构的存在性条件、精确轨迹的实现及工作空间等，对混合机构的动力学及 功率分配问题研究相对比较少。文献 1 1 对混合驱动机构的可动性条件、曲柄存在条 件及运动合成规律进行研究。文献 1 2 】提出了一种新型的混合动力传动方案，并对动 力传动装置进行了结构方案的设计和比较，分析了动力传动装置的运动学关系。 本论文模拟装置是由不可控的超高转差率电动机和可控变频控制的异步电动机 作为驱动器。两个输入驱动源通过一个二自由度机构差动齿轮箱合成，实现预期的输 出，其中，超高转差率电动机为系统提供主要的动力，变频控制电动机承担较小的动 力，主要起调节作用，通过对它的调节，可以平滑调节输出转速和功率。因此，混合 驱动机构也是一个具有柔性的可控机构系统。 该模拟装置是一个典型的机电一体化系统，虽然对每一个部分都有一定程度的研 究，但是对于各部分组成的整体系统，目前国内外尚没有研究。 1 3 选题研究内容和论文构成 针对上述问题，本文是在文献 2 】动态载荷模拟加载系统装置的基础上进行扩展，设 计并开发出一种风电混合驱动负载模拟实验装置。该实验台使得驱动源由原先一个变成 现在两个，并对新增的驱动源设计了参数测量和自动控制系统。利用搭建好的实验台完成 差动齿轮箱基本构件理论计算参数正确性的验证，模拟装置性能实验研究和异步电机的机 械特性及其变频控制特性分析。论文共分六章，各章具体研究内容如下： 第一章，叙述了本文的选题背景和意义，混合驱动研究的现状，以及本论文的主要研 究内容； 第二章，以差动齿轮箱为研究对象，分析了两输入及一输出参数之间的相互关系以及 计算差动齿轮箱内部相关齿轮参数； 2 1 绪论 第三章，开发了风电混合驱动负载模拟装置及硬件测控系统，设计了变频控制异步电 动机自动控制电路及防止“飞车 机械刹车装置，为后续混合模拟装置实验提供基础； 第四章，以实验为基础，验证模拟装置输入输出参数相互系，并对机械传动系统的效 率进行分析； 第五章，分析了异步电动机的输出特性及运行方式，并将异步电动机输出特性与风力 机风能利用系数在恒定区域输出特性比较，提出异步电动机对风力机输出转速和输出转矩 的模拟方法； 第六章，总结与展望。 西安理工大学硕士学位论文 2 模拟装置运动合成机构 差动齿轮箱的研究是搭建本实验台的关键，它的输入输出转速、转矩与功率关系决定 着对试验台的扩展方案。本章着重计算差动齿轮箱的输入输出转速、转矩和功率之间的关 系，并对差动齿轮箱中的n w g 型差动轮系的结构与相关参数进行研究。 2 1 差动齿轮箱的总体构成 差动轮系是平面机构自由度数等于2 的周转轮系，平面机构自由度等于l 的周转轮系 成为行星轮系。行星轮系和差动轮系的齿轮传动机构统称为行星齿轮传动。差动齿轮箱是 一个混合轮系即由差动轮系和定轴轮系组合而成。 差动齿轮箱具有功率合流和动轴线的运动特点，以及内啮合的合理应用，使其相对于 普通定轴线齿轮在技术上和经济上有如下特点1 3 】【1 4 1 【1 5 1 ： ( 1 ) 体积小、重量轻、结构紧凑，传递功率大、承载能力高； ( 2 ) 传动效率高，在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率可达0 9 7 - - - 0 9 9 ； ( 3 ) 传动比大，实现运动的合成和分解； ( 4 ) 运动平稳、抗冲击和振动能力较强，工作可靠。 基于上面优点，行星齿轮传动广泛应用于冶金、矿山、汽车、航空、船舶、纺织、化 工、食品等机械上。 差动齿轮箱利用两个电动机开、停、正转、反转的搭配，可以得到多种传动比和相应 的旋转方向，经济的满足了改变提升速度和转速的要求，其内部传动简图如下： 4 iil节 i5 l l0 i 3 i l_ i 鲁譬i k hd c 图2 - 1 差动齿轮箱传动图 f i g 2 1d i f f e r e n t i a lg e a rb o xt r a n s m i s s i o nd i a g r a m 该传动图中，动力由a 端和c 端输入，通过两级减速( 由齿轮6 一齿轮5 一齿轮4 一 2 模拟装置运动合成机构 外齿圈3 形成) 与2 k h 类n g w 型行星齿轮传动( 由太阳轮a 行星轮2 和内齿圈37 形 成) 将动力合成后实现预期输出。 2 2 差动齿轮箱的参数计算 差动齿轮箱中差动轮系由太阳轮乙、内齿圈z 3 ，和与太阳轮、内齿圈共同啮合的行星 轮z 2 及行星架日共同组合而成。n g w 型差动轮系如图2 2 所示： 图2 2n g w 型差动轮系示意图 f i g 2 2d i f f e r e n t i a lg e a rt r a i nd i a g r a m 几个完全相同的行星齿轮均匀的分布在中心轮的周围来共同分担载荷，因而使每个齿 轮所受的载荷较小，相应齿轮模数较小，充分利用了内啮合承载能力高和内齿圈的空间容 积，使结构很紧凑而承载能力又很高；行星齿轮传动采用了对称的分流传动结构，数个均 匀分布的行星轮使作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力相互平衡，有利于提高传动效率； 并且5 个相同的行星轮均匀分布于中心轮周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡， 抗冲击和振动的能力较强；n g w 差动轮系是两输入一输出的两自由度合成机构，为开发 风电混合驱动负载模拟装置奠定了基础。 2 2 1 传动比计算 如图2 1 所示，n g w 周转轮系具有二自由度， 轮系输出轴转速施加影响1 6 1 。 a 构件转速对行星架转速的影响为： 以刍= 争 彳h b 构件转速对行星架转速的影响为： 两个输入轴转速均能独立地对差动齿 ( 2 1 ) 西安理工大学硕士学位论文 6 胛备= 孕 ( 2 2 ) b h a 构件及b 构件同时输入转速，对行星架转速施加影响时，则为 由胪2 6 a 。mn 2 参+ 卺 m o j b o g _ o + o ) 以 2 盲 且z 3 = 2 2z 4 = 2 2z 5 = 5 8z 6 = 1 7 邮1 得 ( 2 3 ) ( 2 4 ) t 2 ：盟：磐_ 1 1 9 4 1 ( 2 5 ) 6 3 z 6 气1 7 2 2 “。 若将外齿圈固定，太阳轮输入，转臂输出，由行星架转速计算公式中2 o 得 磊2 石n a2 锄 在公式( 2 4 ) o e 令- c 0 82 0 得 石c o a5 钿小i z b 由( 2 6 ) ( 2 7 ) 两式得 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 磊2 芬2 小i z b c 2 剐 若将差动齿轮箱c 端抱闸，即可作为减速器使用，其传动比为3 8 8 8 ，故上式得 丁z b - 2 8 8 8 丁z a ：0 3 4 6 ( 2 9 ) z 么 j7 若将差动齿轮箱a 端约束，太阳轮输入，行星架输出，同理可得 2 模拟装置运动合成机构 磊2 等2 钿2 ，+ i z b 乩3 4 6 故c 端到日端的传动比 i a 6 h = i 雷b h = 1 6 0 7 3 由式( 2 3 ) 、( 2 1 1 ) 可得 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) = 盎+ 志泣1 2 ) 2 式( 2 1 2 ) 给出差动齿轮箱输入输出转速之间的关系，为第四章实验分析模拟装置 系统转速关系提供了理论基础。 2 2 2 差动轮系总功率流经路线确定及封闭功率流判定 差动轮系总功率流经路线决定着混合驱动负载模拟装置中异步电动机功率的选择，对 它的确定非常重要，然而确定总功率流经哪个基本构件，不是人为规定的，而是由轮系的 结构参数盘和两中心轮的传动比l b 决定的，这里k = n a n b ，h ，分别为中心轮a ，b 在周转轮系的转速。 转化轮系基本构件a 、b 的传动比 f h 矿写：堑鱼：一垒 0 ，由式( 2 1 3 ) 知f h 爿口 a = 2 4 7 5 m m 即采用变位系数码+ 0 的正传动。 ( 1 ) 确定啮合角 将数值代入式( 3 - 6 ) ，可得啮合角： at = 翻c o s a c o s a 一2 1 。31 8 ” 口 ( 2 ) 确定变位系数之和 彳= x 3 + = ( i n v a - i n v a ) ( z 3 + z 4 ) ( 2 t a n a ) = 2 9 7 6 ( 3 ) 确定的中心距变动系数 v ：( i f - a ：2 5 0 - 2 4 7 5 ：0 5 v = 一= 一= 、 m5 ( 4 ) 确定齿项高降低系数 a y = x 3 + k y = 2 9 7 6 0 5 = 2 4 7 6 通过对两种方案的对比，优缺点如表2 2 所示 表2 - 2 两种方案优缺点对比 t a b l e2 - 2c o m p a r i s o no f m e r i t sa n dd e m e r i t so f a l t e r n a t i v e s 方案优点缺点 1 设计简单，互换性好重合度有所降低 2 提高了承载能力重合度减弱较多 ( 2 5 0 ) ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) 对比两个方案，由于方案1 设计简单，互换性好，重合度满足条件，能够确保连续传 动，不影响传动平稳性，因此经比较确定方案1 ，即确定齿轮3 和齿轮4 均为标准圆柱直 齿轮。至此，已确定齿轮3 、4 、5 、6 的模数和齿数，即齿轮6 和5 - m = 4 r a m ，z 。= 1 7 ， z 5 = 5 8 ；齿轮4 和3 ：m = 5 m m ，z 4 = 2 2 ，z 3 = 7 7 。 2 3 3 齿轮1 、齿轮2 和齿轮3 计算 设计行星齿轮传动时，齿轮的齿数应满足传动比条件、同心条件、邻接条件和装配条 件。此外在高速重载传动中，各啮合齿轮的齿数之间应没有公约数，以利于提高工作平稳 性。 由上述条件可得配齿数法计算齿数如式( 2 5 5 ) 西安理工大学硕士学位论文 z a z - 1 ) z 月：卺z a 叫z 鼍乙：警乙：知( 2 5 5 ) ：m = ：纽_ ：( 0月：挚= ：* 乙：詈乙：古乙 ( 2 式中刀。行星轮个数，查表得刀p = 5 由此可知，若z 。为9 的偶数倍数，上式中各项皆为整数；若乙为9 的奇数倍数，则 乙会出现半齿，齿轮需要进行变位。 根据齿轮强度，传动平稳等要求考虑，可在以下齿数组中选取合适齿数： ( 1 ) z l = 1 8z 2 = 1 7z 3 = 5 2 ； ( 2 ) z 1 = 2 7z 2 = 2 5 5 ( 名义齿数，需变位) 2 3 = 7 8 齿圈3 的测绘剖视图，如图2 4 所示， 图2 - 4 齿圈3 剖视图 f i g 2 4c u t - o p e nv i e wo fa n n u l a rg e a r 根据实际变速箱中的空间，可测得图2 - 4 中厶= 3 0 m m ，齿圈与齿圈架用螺纹连接， 为保证螺栓连接的空间，初设三2 - - - 3 0 m m ，外齿圈3 齿根圆直径为： 由式( 2 5 6 ) 知 办3 = 以一2 h ：3 = 3 7 2 5 m m ( 2 5 6 ) d = d ，3 2 厶一2 厶= 2 5 2 5 m m( 2 5 7 ) 设内齿圈3 模数为m ，则根据太阳轮1 、行星轮2 和内齿圈3 的啮合副可得约束条件， 2 m z i + l m z 2 = l z m z r + 2 吃m 罢 ( 2 5 8 ) 由式( 2 5 8 ) 可得。 d m 丽 2 5 9 ) 将上面的可选齿数组代入式( 2 5 9 ) 得： 当z ，：5 2 时，可推出m 丝：4 5 0 8 9 。 5 2 + 4 当z 3 , = 7 8 时，可推出m 丝：3 0 7 9 2 7 苓+ 4 2 模拟装置运动合成机构 考虑到齿轮强度要求，取模数m 2 5 m m ，并选用优先系列。有以下几种情况供选 择： 若选齿数组乙= 1 8z 2 = 1 7z 3 = 5 2 ，则模数可取m 2 2 5 m m ，3 m m ，4 m m ； 若选齿数组z a = 2 7z 2 = 2 5 5 ( 名义齿数，需变位) z 3 = 7 8 ，则模数可取m = 2 5m m ， 3m m 。 该2 k h 型n g w 行星齿轮减速传动方案已确定，行星轮采用轴承内装式，因轴承装 在行星轮内饰，其轮缘减薄，该行星轮剖视图如图2 5 所示，根据行星轮传动设计的经验 公式得： 图2 5 行星轮剖视图 f i g 2 5c u t o p e nv i e wo fp l a n e tg e a r 若h i m a ：。的角度变位方法和步骤进行计算。 a 确定行星轮齿数z 由前面已确定选齿结果：z 。= 2 7z 2 = 2 5 5 ( 名义齿数，需变位) z ，= 7 8 ，根据 z 翻2 = z a + z 2 = 5 2 5 和a = 2 4 0 左右的限制条件初选a 一2 啮合副的变位系数和 x z l 2 = 0 6 。 根据初选的x a 2 = + 恐= 0 6 ，由简化公式计算： 艿：1 0 0 0 ( x a + x 2 ) c o sp ：11 4 2 9 z + z ， 。 式中卢= 0 ，p 为螺旋角；按b 查u 得d = 0 8 0 a y a 2 = ( _ 删_ d o u 训等一o 眦 ( 2 6 0 ) ( 2 6 1 ) 2 模拟装置运动合成机构 式中材= 0 z 2 = z 2 一( b 2 一儿2 ) = 2 4 9 4 2 ( 2 6 2 ) 由此可取z ，= 2 5 b a _ - 2 啮合剐的计算 啮合副中心距 1 a a 2 = 去m x ( z a + z 2 ) = 7 8 r a m z ( 2 6 3 ) 1 、o 7 = 去m ( z 3 一z 2 ) = 7 9 5 r a m 二 因z 2 的计算值为2 4 9 4 2 ，小于其圆整值2 5 ，i ra 2 = a 2 3 = 7 9 2 r a m a 4 2 = 7 8 r a m 其中心距分离系数： 齿高变动系数 儿2 = 虹：0 4 ( 2 6 4 ) m 鲵：= ( 志刊学- 0 0 2 1 8 式中p = 0 ，p 为螺旋角，= 0 ； c 值按a _ 觜_ 7 6 9 2 3 查得c = 0 4 2 变位系数和x 三1 2 和啮合角a 爿2 x 翻2 = y a 2 + 蚬2 - - 0 4 2 8 a 爿2 ：a r c c o s a a 2 _ c o s a = 2 2 。1 5 4 6 ( 2 6 5 ) ( 2 6 6 ) 所以根据齿数比2 7 2 5 = 1 0 8 ，可得x l = 0 2 3 0 ，x 2 = x 1 2 一五= o 1 9 8 c 卜3 啮合副的计算 按照a 一2 啮合副的计算方法可得中心距分离系数： 齿顶高变动系数： 奶3 = 虹一0 1 m ( 2 6 7 ) 1 7 西安理工大学硕士学位论文 变位系数x3 ： 啮合角a 2 3 m y 2 3 = ( 而c 一曲等一o 毗。 x z 2 3 = y 2 3 + y 2 3 = 一0 0 9 8 x 3 = x 翻2 + x 2 = o 1 0 0 ( 2 6 8 ) ( 2 6 9 ) a 2 3 ，：a 2 3 _ c o s a ：1 9 。2 3 41arccos4 ( 一2 7 0 ) a 1 1 ，= = 。( ) “2 3 由此可知，啮合角a 2 3 在推荐值范围内。 d 重合度计算 由外啮合角a 1 2 = 2 2 0 1 5 4 6 得s l = 0 0 2 8 ，s 2 = o 0 3 8 5 ，故 s = z 1 6 l + z 2 s 2 = 2 7 x0 0 2 8 + 2 5 0 0 3 5 = 1 6 3 1 1 2 由内啮合角 a 2 3 = 1 9 。2 3 4 1 ”得s 1 = 0 0 2 2 ，s 2 = 一0 0 1 5 ，故 s = z l s l + z 2 s 2 = 2 5 0 0 2 2 7 8x ( 一0 0 1 5 ) = 1 7 2 1 2 因此符合齿轮连续传动条件。 2 4 本章小结 本章通过对差动齿轮箱的结构分析，计算出其输入输出转速、转矩之和功率间的关系 式，确定了差动轮系的功率流向路线；并通过对差动齿轮箱测绘，结合差动轮系理论知识， 计算出差动齿轮箱各齿轮的齿数。为后续模拟装置开发动力源、传感器选型及实验验证这 些输入输出参数之间关系提供理论依据。 3 混合驱动负载模拟装置系统 3 混合驱动负载模拟装置系统 生产实践中不仅要求机械传动系统精度高，负载大的高速运转，而且要具有一定 的柔性，方便、准确、快速的在一定要求范围内改变输出件的运动规律。目前生产实 践中使用的传统机械系统虽然具有高承载力，但美中不足之处是缺乏柔性，要改变输 出运动规律就得改变运动传动机构的结构或尺寸。随着可控电机的出现而出现的可控 电机驱动机械传动系统，虽然能够用同一种机械结构实现多种运动输出，但由于目前 可控电动机的功率不高，此系统可获得的输出运动和动力参数受到一定限制，使得系 统不能在高负荷、高速度的场合使用，另外，具有优良性能的控制电动机成本也较高。 混合驱动可控机构兼容了传统机械系统和可控电机驱动机械系统的优点，是一种 既能以高速、高精度、甚至高负载地运转，又能提供一定柔性的两自由度闭环机械系 统。本论文研究的混合驱动机电系统是一个具有两个自由度机电系统，由可控的变频 控制异步电动机和不可控的超高转差率电动机混合组成，具有可编程的运动输出，整 个系统是典型的机电一体化系统。其中，超高转差率电动机为系统提供主要的动力， 变频控制电动机承担较小的动力，主要起调节作用。因此，混合驱动机构也是一个具 有柔性的可控机构系统。 混合驱动机构不仅能够达到常规机械装置可以实现的动力学特性( 如不增加功率 实现低速大扭矩等) ，还可以通过可控电动机来平滑调节输出的速度和功率。与单独 的变频调速电动机传动机构相比，混合驱动机构能够提供更好的动力学特性。同时由 于主驱动装置和可控电机驱动装置在能源上的共享，混合驱动机构中可控电动机所需 的能量等级将大大降低，与那些只使用变频调速装置的系统相比，混合驱动机构具有 节能的优势，但调速范围相对变小。 3 1 模拟装置机械系统的开发 3 1 1 模拟装置工作原理与要求 本模拟装置以超高转差率电动机与变频控制的异步电动机为输入动力源，具有两 自由度的差动齿轮箱为动力合成机构，磁粉制动器为模拟载荷加载装置，电磁制动器为 防止“飞车”装置，通过控制载荷加载装置实现动态载荷的模拟加载，通过对整个传动系 统不同传动部件的转矩、转速及功率等参数的测试，验证整个机械传动系统输入输出参数 转速、转矩的关系，分析理论计算与实际测量参数之间误差大小及产生原因。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 3 1 2 风力机模拟器异步电动机及变频器的选取 目前大部分风力机模拟器都是用于风力机发电，通过对风力机输出转速、转矩及 功率特性的分析，采用某种控制方式产生风力机控制信号控制变频器来调节电动机参 数，使之输出与实际风轮一样的转速、转矩及功率特性。例如，基于直流电动机通过 控制电枢电流进行风力机特性模拟2 0 1 1 2 1 】；也有基于直流电机的电流控制方法【2 2 1 1 2 3 】； 也有通过永磁同步电机模拟风轮的气动转矩l 2 4 】。所以可以选择电动机模拟风力机转矩 特性，直接驱动动力合成机构差动齿轮箱。 风力机模拟器是按照给定风力机的转矩、转速以及风速的关系输出机械功率，即 在某一风速下，转矩能够随风速的突变而突变，而转速根据动态特性变化。因此风力 机模拟器涉及转矩与转速的关系和动态响应两个方面的问题，一方面要快速产生与瞬 间风况相应