基于TRIZ的大惯量负载电传动系统研究.doc

基于TRIZ的大惯量负载电传动系统研究苏明1 朱东敏2 习仲萍31.贵州师范大学机械与控制仿真重点实验室 贵阳 5500142.贵州成智重工科技有限公司 贵阳 5500813.贵州省机械电子产品质量监督检验院 贵阳 550081摘 要 为改善大惯量负载电传动系统的启动性能，分别采用TRIZ理论的矛盾矩阵、分离原理、物-场模型等三种手段进行了分析，基于相应TRIZ原理给出了解决方案，在AMESim中建立系统模型并进行了仿真分析。关键词：大惯量负载，电传动系统，启动性能，TRIZ，矛盾矩阵，分离原理，物-场模型中图分类号： TH137 文献标识码： AResearch on Large Inertia Load Electric Drive System Based on TRIZ TheorySU Ming1 ZHU Dong-Min2 Xi Zhong-Ping 31. Simulation Laboratory of Mechanical & Control Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550014, China2.CINTEC Heavy Equpiment(China) Co.LTD, Guiyang 550081, China3.Guizhou Province Machinery and Electronics Products Quality Supervision Testing Institute, Jinyang New Area Century City, Guiyang 550001, ChinaAbstract In order to improve startup performance of large inertia load electric drive system, the paper analyze contradiction between startup performance and energy consumption during normal operation of large inertia load electric drive system using of contradiction matrix, the separation principle and things - field model of TRIZ theory. Create and simulates system model in AMESim.Keywords: large inertia loads, electric drive System, Start Performance, TRIZ, Contradiction Matrix，Separation principle，Substance - field model31引言TRIZ是由前苏联学者 G.S.Altshuller 及其领导的团队提出的创新方法理论体系1。其核心思想是提供一套指导人类进行发明创造、解决技术难题的科学原理和法则。主要内容包括：（1）技术系统的进化原理，由八大进化法则组成；（2）技术矛盾矩阵模型及40个发明原理、39 个工程参数；（3）物理矛盾及四大分离原理；（4）物-场分析模型及一般解法和76个标准解法；（5）HowTo模型及科学效应库；（6）发明创新问题解决算法。TRIZ理论解决问题的流程如图1所示1图1 TRIZ理论解决问题的流程本文针对大惯量负载启动困难的特点，采用矛盾矩阵、物理矛盾和物-场分析对大惯量负载电传动系统进行分析，从发现问题和寻求问题解决方案两个方面对大惯量负载电 基金项目：贵州省重大科技专项（20116016）、贵州省教育厅自然科学研究（2011027号）、贵阳市科技特派员项目（2011207）。苏明（1962），男，福建浦城人，教授/研究员，博士，主要从事机电传动与控制的科研教学工作。传动系统进行研究。2大惯量负载电传动系统分析在许多工程机械中大量通过交流电机经皮带直接驱动大惯量负载，转矩方程如下2式中： 电动机输出转矩（N.m） 折合到电机轴上的转动惯量（kg.m2） 负载转矩（N.m）转速（r/min）在启动阶段，由交流电机的机械特性知，电机的启动转矩小，启动电流大，通常会达到额定电流的5-7倍，一般不允许直接启动。在工程实际中主要采用星三角启动，以降低启动电流，但星三角启动实质上是一种降压启动方式，虽然可降低启动电流，但启动转矩成平方下降，不得已只有加大电机功率。因此，采用星三角启动的大惯量负载电传动系统通常存在以下问题：（1）从节能的角度出发，应该选择与负载匹配的电机功率，但启动性能会变差，严重时，甚至有可能启动不了；（2）从提高启动性能的角度出发，应该选择较大功率的电机，但机座号的加大，会增加系统运行的能耗。如何提高大惯量负载电传动系统的启动性能，同时又不增加系统正常运行时的能耗，是电气传动系统的一个共性问题。3基于矛盾矩阵的解决方案根据前述，从技术矛盾的角度，传统的大惯量负载电传动系统出现了以下技术矛盾：一方面要加大电机功率，提升启动性能，就会导致电机机座号提高，正常运行时能耗加大；另一方面要按正常运行进行电机匹配，减小电机机座号，就会导致启动性能变差。两个矛盾参数：启动性能 正常运行时能耗将两个矛盾参数转化为39个工程参数中的两项。使其变为TRIZ标准问题。在39个工程参数中“能量损失”指做无用功消耗的能量。本问题中，由于机座号的增加，导致的正常运行时的能耗增加，属于能量损失。在39个工程参数中“对象产生的有害因素”指物体或系统的功能、效率或质量降低的有害作用。本问题中，为了降低正常运行的能耗，需要减小电机机座号，产生的有害作用是启动性能的降低。针对以上描述，系统存在以下技术矛盾：TC1：能量损失参数的改善，将导致对象产生的有害因素的恶化。TC2：对象产生的有害因素的改善，将导致能量损失参数的恶化。按TC1或者TC2查找矛盾矩阵，推荐的创新原理为21、35、2、22。创新原理21：减小有害作用的时间原理创新原理35：改变物理或化学参数原理创新原理2：抽取原理创新原理22：变害为利原理根据创新原理35的提示，结合工程实际，将传动系统的机械连接改变为柔性连接，在电机输出轴与负载之间加入液力偶合器，通过液力偶合器将电动机动力传给工作机械，实现电动机与工作机械的柔性连接。充分利用带液力偶合器的电传动系统开始近似于空载启动，启动过程快的特点3、4。4基于分离原理的解决方案从物理的角度，出现了以下物理矛盾：既需要电机功率大，以提高系统的启动性能，又需要电机功率小，以在正常工作状态节能。一个参数，两个矛盾特性：电机功率大 电机功率小从时间上分析，需要电机功率大是希望在启动阶段，启动转矩大，能够克服破碎机转子的静态负载和大惯量动态负载；需要电机功率小是希望在正常运行阶段，电机功率与正常运行负载匹配。从时间上看，矛盾参数是处于不同时间范围内的，可以采用时间分离原理进行解决。依据矛盾属性的时间分离原理，在保证正常运行阶段电机功率与正常运行负载匹配的前提下，要在启动阶段实现快速启动，从技术层面看，可以采用两种方法实现：（1）变频技术：在启动阶段，电机电源频率从低向高逐步变化，实现大转矩启动。（2）液力传动：在电机输出轴与负载之间加入一个液力偶合器，实现电机空载启动。以上两种技术均可较好地解决电机驱动大惯量负载的启动问题，但从成本方面考虑，可选择液力传动方案，利用液力偶合器近似于空载启动的特性。5基于物-场分析的解决方案TC1：当采用机座号较大的大功率电机时，启动性能较好，但在正常运行阶段，由于机座号大，电机能耗大，不节能。TC2：当采用机座号较小的小功率电机时，启动性能差，但在正常运行阶段，由于电机功率与负载匹配较好，机座号小，电机能耗小，节能效果好。分析其主要矛盾，主要希望解决启动性能差的问题，即TC2为主要矛盾。图2 物-场分析模型图中：S1负载转矩 S2电机输出转矩 F机械场这是一个典型的作用不充分模型。按照物-场分析的一般解法，可以选择一般解法4、5、6。解法4：引入第二个场增强有用的效应解法5：引入第二个场和第三个物质增强有用的效应解法6：引入第二个场或第二个场和第三个物质，代替强有用的效应根据创新解法6的提示，根据工程实际和专业知识，增加液力偶合器的液力场，利用液力偶合器近似于空载启动的特性。图3 应用解法6的物-场分析模型图中：S3液压油 F2液力场6系统实现及仿真根据以上分析，对大惯量负载电传动系统，采用液力偶合器实现电动机与工作机械的柔性连接，可以提高大惯量负载电传动系统的启动性能，实现降低电机机座号的目的，达到节能的目的。系统构成如下图4 系统实现以反击式破碎机为例，在AMESim中建立其电传动系统仿真模型5如下：图5 反击式破碎机电传动系统模型图中：皮带传动比为2:1，变矩器设定为偶合器模式。电机带动破碎机转子直接启动，启动完成后加入幅值300Nm持续时间100s的冲击负载。仿真曲线如下：电动机工作曲线如下：电动机扭矩电动机转速图6 电动机工作曲线偶合器工作曲线如下：泵轮转速涡轮转速图7 偶合器工作曲线破碎机转子工作曲线如下：破碎机转子扭矩破碎机转子转速图8 破碎机转子工作曲线电动机不必采用星三角启动，即可实现启动快速、平稳，正常工作时，冲击负载对电动机影响小，可以较好地保护电机。7结论与讨论通过分析与仿真，可以得出以下结论：（1）对同一问题可以采用不同的TRIZ分析方法进行研究。（2）液力偶合器用于大惯量负载电传动系统可以实现快速启动，克服采用星三角启动器时存在的电机机座号的加大，会增加系统运行的能耗的问题。（3）尽管与变频技术比较，液力偶合器用于大惯量负载电传动系统在正常运行阶段存在滑差，稳速性能比变频差、液力偶合器会耗一定能量等问题。但液力偶合器用于大惯量负载电传动系统，与变频技术比较，具有有效减少冲击负载对电动机的冲击，隔离扭振的作用。液力