大功率機電液複合軟啟動無級調速器的製作方法

2023-06-03 21:06:06

專利名稱：大功率機電液複合軟啟動無級調速器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率機電液複合軟啟動無級調速器。
背景技術：
電動機在負載啟動時，會產生5 7倍額定電流強度的啟動電流，對大功率電動機來說，大啟動電流會對電機和電網產生很大的衝擊；而在停機時通過瞬時斷電使轉速速降至零的控制方式也會給設備帶來衝擊，降低使用壽命，故在很多工況下不允許大功率機械設備瞬時關機，需要平穩減速的停機；在工作中，同樣需要考慮工況變化所引起的大功率機械設備的平穩無級調速問題。要解決上述技術問題，就需要對大功率設備採用軟啟動/無級調速技術，使其能夠實現可控的軟啟動、軟停機、無級調速，過載自動保護及多驅動功率平衡等功能。 國內外在機械、電機和電子、液力和液壓等多學科領域對軟啟動/無級調速技術開展了深入和廣泛的研究，開發出了多種多樣的軟啟動/調速裝置或設備，大體可歸結為液力偶合器軟啟動/調速、液體粘性軟啟動/調速、變頻調速軟啟動、直流調速軟啟動、變電阻調速、摩擦調速、液壓調速等。這些軟啟動/調速傳動裝置或系統雖各有特點，但也都有某些無法令用戶完全接受的缺點。調速型液力偶合器可通過調節工作腔液體的充滿度來改變輸出轉速和轉矩，具有一定軟啟動功能和調速能力。但長期的理論研究和應用實踐表明，其在軟啟動/調速的功能和性能上遠遠無法滿足現實要求。液體粘性軟啟動/調速裝置利用存在於主、從動摩擦片之間油膜的粘性剪切作用力來傳遞動力。該裝置在一定範圍內能夠實現主、從動軸之間的無級調速和同步運行，能對傳動系統進行過載保護。但在軟啟動時，電動機處於負載啟動狀態，啟動電流大，電流衝擊時間長，不是真正的空載啟動，傳動效率較低，功率損失大，發熱嚴重，且裝置比較複雜，製造和維護成本較高。變頻調速軟啟動、直流調速軟啟動、變電阻調速、摩擦調速和液壓調速等在電器控制上一般均採用控制主驅動電機轉速或轉矩差以達到雙向無級調速，保證機械傳動系統平滑過渡。但是，變頻調速裝置雖然實現了軟啟動，然大功率的變頻控制器價格極為昂貴，且其中的電路和電子元器件維修困難，維護成本高；直流無級調速/軟啟動的主要問題在於大功率直流電動機體積龐大，且價格昂貴，特別是變電站的投資往往很大，系統複雜。在潮溼或多塵的環境下，直流電動機的整流子、電刷裝置及可控矽的控制部分需要經常維護，維護費用也很高。目前，大功率直流調速系統的價格與大功率變頻器的價格相當。變電阻調速雖說也能實現軟啟動，但電能消耗大，功率越大則使用成本越高，控制系統也越複雜，佔用空間也越大；摩擦調速只適用於小功率，當使用在大功率時，摩擦制動力矩大，摩擦發熱問題無法解決，摩擦調速方式對於大中型功率主電機來說，還談不上軟啟動；現有的液壓調速，雖說能實現軟啟動/無級調速，但設備易洩漏、噪聲大、溫度高、對環境有汙染，且效率低、故障多，因而整體工作性能不佳。此外，還有一些軟啟動器裝置，主要用於電動機的啟動過程，其輸出只改變電壓而不改變頻率，不具備無級調速和功率平衡等功能，主要應用於非重要的中小功率傳動場合。
大功率重載設備工作時，還必須解決一個對輸出過載進行限矩保護的問題。許多大型設備(如大功率皮帶輸送機)是由多臺電動機驅動，在實際工作時，多驅動傳動系統中 各個電動機的負載情況可能不一樣。怎樣在多驅動傳動系統中採用無級調速減速傳動裝置 保證多驅動功率平衡，從而保障設備平穩工作也是一個問題。 綜觀上述各種軟啟動調速裝置，沒有一種既可做到在保持主電機轉速不變的情況 下，實現輸出轉速雙向無級調速且平滑過渡；又能使大功率機械設備主電機啟動電流小於 額定電流而實現軟啟動；同時具備輸出過載限矩保護和多驅動功率平衡等功能；並且還能 做到結構簡單、工作性能可靠、製造和使用維護成本低廉。對於一些用於井下及易爆場所的 大功率設備，傳動裝置還必須能容易實現防爆功能。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、工作性 能可靠、製造和使用維護成本較低的大功率機電液複合軟啟動無級調速器，以小功率輔助 電機實現大功率主電機的機械軟啟動，解決大功率設備啟動時的大啟動電流對電網產生衝 擊的問題；以流體傳動的連續可控性實現對機械傳動連續控制，實現大功率設備工作中的 頻繁雙向平滑無級調速、軟停機、輸出過載限矩保護及多驅動功率平衡。 為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是一種大功率機電液複合軟啟 動無級調速器，包括通過滾子軸承固定在箱體兩側的輸入軸和低速級行星架輸出軸，該輸 入軸一端伸出箱體與主電機的轉軸相連，其特徵在於 A、所述輸入軸設於箱體內的一端開設內孔，該內孔設有漸開線花鍵內齒，該漸開 線花鍵內齒與高速級太陽輪軸的外齒連接構成齒隙浮動，該高速級太陽輪軸一端通過擋塊 與輸入軸實現軸向定位，同時另一端通過頂塊與通過滾子軸承固定在箱體內的高速級行星 架輸出軸實現軸向定位，該高速級行星架輸出軸同時也是低速級行星傳動輸入軸，其固定 於低速級行星架輸出軸的內孔內； B、所述高速級行星架輸出軸外套設高速行星架，該高速行星架上通過高速行星輪 軸固定設置高速行星輪，該高速行星輪與所述高速級太陽輪軸嚙合，該高速行星輪與高速 內齒輪嚙合，該高速內齒輪同時與第一齒輪聯軸節嚙合，構成徑向齒隙浮動，該第一齒輪聯 軸節套設在高速級行星架輸出軸外側； C、所述第一齒輪聯軸節上固定連接第一錐齒輪，該第一錐齒輪與通過滾子軸承固 定在箱體上的第一錐齒軸相嚙合，該第一錐齒軸的中部套接第一中間齒輪，該第一中間齒 輪經至少一個第一聯接齒輪與至少一個液壓旋轉功能元件相連接，該第一錐齒軸的末端與 固設在箱體外部的輔助電機的輸入軸聯接； D、所述第一錐齒輪同時與通過滾子軸承固定在箱體上的第二錐齒軸相嚙合，第二 錐齒軸的另一端花鍵外齒與一個內孔為花鍵的第二中間齒輪相連接，該第二中間齒輪經至 少一個第二聯接齒輪與至少一個液壓旋轉功能元件相連接； E、所述低速級行星架輸出軸位於箱體內的一端通過低速級行星輪軸固定設置低 速級行星輪，該低速級行星架輸出軸的內孔內還套設有低速級太陽輪，該低速級太陽輪與 低速級行星輪嚙合，該低速級行星輪與低速級內齒輪嚙合，該低速級內齒輪同時與第二齒 輪聯軸節嚙合，構成低速級行星架輸出軸徑向齒隙浮動，該第二齒輪聯軸節套設在低速級 行星架輸出軸外側且同時固定在箱體上。
所述液壓旋轉功能元件為油泵或液壓馬達。
所述液壓旋轉功能元件固定在箱體上。 當本發明安裝使用時，應將大功率重載機械設備的工作部件與本發明裝置的低速 級行星架輸出軸相連接，並將液壓旋轉功能元件(油泵或液壓馬達)出口壓力信號輸出到 主電機外接的控制電路中，然後才可進行工作。
本發明的具體工作原理闡述如下( — )軟啟動的實現工作時，首先啟動小功率輔助電機慢速運轉，經第一錐齒軸、 第一錐齒輪、第一齒輪聯軸節帶動與高速內齒輪嚙合的高速行星輪轉動。理論上，高速內齒 輪與高速行星輪嚙合可帶動高速級行星架輸出軸和太陽輪軸轉動，此時本發明傳動裝置成 為一個單輸入(高速內齒輪輸入)、雙輸出(太陽輪軸和高速級行星架輸出軸)的差動傳動 輪系。但由於通過低速級行星架輸出軸與高速級行星架輸出軸相連的負載很大，小功率輔 助電機的輸入動力無法驅動高速級行星架輸出軸轉動，這個單輸入雙輸出的差動傳動輪系 實際上變為一個高速級行星架輸出軸固定，高速內齒輪輸入，高速級太陽輪軸輸出的定軸 輪系。這樣，小功率輔助電機通過高速內齒輪、高速行星輪和高速級太陽輪軸，再經輸入軸 驅動大功率主電機轉子克服啟動時的堵轉矩慣量轉動。當小功率輔助電機逐漸加速到控制 轉速時，主電機亦隨之空載加速到額定轉速。當主電機達到額定轉速時，自動接通主電機電 源，並切斷輔助電機電源，主電機無需對主電機的轉子進行加速，故大功率主電機的啟動電 流將非常小，主電機將在真正的空載工況下啟動，也就完成了大功率主電機的空載軟啟動。
( 二 )雙向無級調速的實現在主電機接通電源的同時小功率輔助電機的電源被 切斷。主電機在轉向不變的情況下繼續運轉，動力原路返回，經輸入軸帶動高速級太陽輪軸 旋轉，輸入動力，形成了一種單輸入，雙輸出的動力分流狀態一部分動力經差動行星傳動 輪系的高速內齒輪至第一錐齒輪，驅動經第一、二錐齒軸連接的液壓旋轉功能元件(油泵 或液壓馬達)工作，謂輔助輸出；一部分動力經差動傳動輪系的高速級行星架輸出軸經低 速級行星傳動輪系至低速級行星架輸出軸輸出，驅動大功率重載設備工作部件，謂主輸出。 依據轉速差平衡分流規律，增大輔助輸出端液壓旋轉功能元件的出口壓力，使第一、二錐齒 軸的轉動阻力矩逐漸增大，則輔助輸出的轉速將逐漸減小，施加到主輸出的工作部件上的 動力將逐漸增大，實現工作部件由零到額定轉速的增速平滑過渡。當工作部件達到額定轉 速以後需要減速時，減小輔助輸出端液壓旋轉功能元件的出口壓力，使第一、二錐齒軸的轉 動阻力矩變小，則輔助輸出的轉速將逐漸增大，則施加到主輸出的工作部件上的動力將減 小，實現工作部件由額定轉速到零的減速平滑過渡。這樣便實現了主輸出的由零到額定轉 速、以及由額定轉速到零的加、減速雙向無級調速。(三)輸出過載自動保護功能的實現根據設備工作機構的許用載荷(輸出功率
轉矩)設定液壓旋轉功能元件的許用壓力，當系統的外載荷因某些原因而超過許用值時，
主輸出轉矩增大，輔助輸出轉矩相應增大，液壓旋轉功能元件出口壓力因超過許用控制壓
力而溢流，帶動第一、二錐齒軸產生差動滑移旋轉，使主輸出降速式停止，防止主電機及機
械傳動系統過載損壞，當外負荷過大問題解決後，系統又可以恢復正常運行。(四)多驅動主電機功率平衡的實現根據設備各驅動點應承受的功率轉矩來設
定各驅動點的軟啟動無級調速器的液壓旋轉功能元件出口壓力控制值，當出現負載不均
時，承受載荷較大的驅動點功率轉矩增大，使該驅動點液壓旋轉功能元件出口壓力相應增大，當液壓旋轉功能元件出口壓力超過許用控制壓力時，通過液壓旋轉功能元件洩流，使第 一、二錐齒軸產生差動滑移旋轉，從而使主輸出降速，直到其它低負荷驅動點接受到一定的 載荷而自動保持平衡為止。(五)軟制動的實現在需要軟停機時，無需關斷主電機電源，依據主電機動力向 主輸出和輔助輸出分流的規律，按照預定的減壓規律，逐步減少輔助輸出端液壓旋轉功能 元件的出口壓力，增加其動力輸出，使輸出軸的轉速按照預定的降速規律曲線漸漸降為零， 從而實現機械設備的軟制動。與軟啟動的工作原理相同，軟制動的制動時間也是可調的。
(六)節能功能若本發明應用於運行環境存在一定的運距梯度，且頻繁上行和下 行的大功率機械設備(如礦井提升機和斜井帶式輸送機等)，在安全和可靠性得到保障的 條件下，可考慮利用其自身和負載自重產生的勢能充當下行工況動力，節約能源。即下行工 況不啟動主電機(此時主電機停機制動)，重物利用自重下放，相當於原主輸出變為動力反 向輸入，帶動工作設備旋轉，相當於動力反向輸入低速行星差動輪系及高速行星差動輪系，
再經第一、二錐齒軸，帶動輔助輸出端的液壓旋轉功能元件運轉，此時液壓旋轉功能元件為 此動力的唯一輸出負載。控制液壓旋轉功能元件出口壓力，相當於增加負載，即可控制重物 自重下放的速度，使設備安全可控可靠下放。
與現有技術相比，本發明的有益效果為 本發明將軟啟動、無級調速、輸出過載限矩保護和多功率驅動平衡功能等融於一 體，是一種多功能機電液一體化的軟啟動無級調速裝置；②採用雙向可控無級調速，使大功 率重載設備可工作在任意設定的速度上；③以小功率輔助電機實現大功率主電機的軟啟 動，不僅能夠大幅度減輕傳動系統本身受到的啟動衝擊，延長關鍵零部件的使用壽命，同時 還能實現主電機空載啟動電流小於額定電流，避免大功率設備啟動時對電網的衝擊，減少 供電設施的設備投資；④本發明裝置實現了輸出過載限制保護，確保了安全運行。 本發 明裝置可實現多驅動主電機功率平衡，為需多電機聯合驅動設備的運行安全提供保障。
本發明裝置如應用於運行環境存在一定的運距梯度，且頻繁上行和下行的大功率機械設備 上，下行行程可無需動力，依自重安全下放，節省電能。⑦本裝置動力源可多樣化，可以不受 動力源限制，除電力以外，其他動力源都可以實現機器的同等功能。方法是將控制液壓油泵 出口壓力的液壓閥改為機械式溢流閥即可。⑧本調速器若配置於井下及其它易爆場所的大 功率設備，很容易實現防爆功能。


圖1為本發明一種具體結構的正向剖視圖。
具體實施例方式
參見圖l，本發明包括箱體6及一通過滾子軸承固定在箱體6上的輸入軸2，該輸 入軸2 —端伸出箱體6通過平鍵1與主電機的轉軸相連，另一端開設內孔4。該輸入軸2的 內孔4內設有漸開線花鍵內齒，該漸開線花鍵內齒與高速級太陽輪軸35的外齒連接構成齒 隙浮動。同時該高速級太陽輪軸35 —端通過擋塊3與輸入軸2實現軸向定位，另一端通過 頂塊34與通過滾子軸承固定在箱體6內的高速級行星架輸出軸33實現軸向定位。該高速 級行星架輸出軸33同時也是低速級行星傳動輸入軸，其通過滾子軸承安裝固定在低速級行星架輸出軸14的內孔內，並通過一頂塊與低速級行星架輸出軸14實現軸向定位。該低 速級行星架輸出軸14通過滾子軸承13固定在箱體6的另一側，且該低速級行星架輸出軸 14一端伸出箱體6外。 該高速級行星架輸出軸33上套接高速行星架30，該高速行星架30上通過高速行 星輪軸32固定設置高速行星輪29。該高速級太陽輪軸35與高速行星輪29嚙合，同時該高 速行星輪29與高速內齒輪28嚙合，該高速內齒輪28同時與第一齒輪聯軸節5嚙合，構成 徑向齒隙浮動，且該第一齒輪聯軸節5通過滾子軸承套設在高速級行星架輸出軸33外側。
該第一齒輪聯軸節5通過平鍵22及螺栓固定連接第一錐齒輪21，該第一錐齒輪 21與通過滾子軸承固定在箱體6上的第一錐齒軸12相嚙合。該第一錐齒軸12的中部套接 第一中間齒輪11 ，該第一中間齒輪11經至少一個第一聯接齒輪7與至少一個液壓旋轉功能 元件8相連接(在本實施例中為兩個第一聯接齒輪7與兩個液壓旋轉功能元件8)。該液壓 旋轉功能元件8可為油泵或液壓馬達。該第一錐齒軸12的末端經電機聯軸節10與固設在 箱體6外部的輔助電機9的輸入軸聯接。 該第一錐齒輪21同時與固定在箱體6上的第二錐齒軸20相嚙合。第二錐齒軸20 的另一端花鍵外齒與一個內孔為花鍵的第二中間齒輪23相連接，該第二中間齒輪23經至 少一個第二聯接齒輪24與至少一個液壓旋轉功能元件8相連接(在本實施例中為兩個第 一聯接齒輪7與兩個液壓旋轉功能元件8)。該液壓旋轉功能元件8可為油泵或液壓馬達。
該低速級行星架輸出軸14位於箱體6內的一端通過低速級行星輪軸17固定設置 低速級行星輪16。高速級行星架輸出軸33的靠近低速級行星架輸出軸14的一端外側套設 有低速級太陽輪15，該低速級太陽輪15與低速級行星輪16嚙合，該些低速級行星輪16與 低速級內齒輪18嚙合，該低速級內齒輪18同時與第二齒輪聯軸節19嚙合，構成低速級行 星架輸出軸徑向齒隙浮動，且該第二齒輪聯軸節19也套設在高速級行星架輸出軸33外側 且同時固定在箱體6上。
權利要求
一種大功率機電液複合軟啟動無級調速器，包括通過滾子軸承固定在箱體兩側的輸入軸和低速級行星架輸出軸，該輸入軸一端伸出箱體與主電機的轉軸相連，其特徵在於A、所述輸入軸設於箱體內的一端開設內孔，該內孔設有漸開線花鍵內齒，該漸開線花鍵內齒與高速級太陽輪軸的外齒連接構成齒隙浮動，該高速級太陽輪軸一端通過擋塊與輸入軸實現軸向定位，同時另一端通過頂塊與通過滾子軸承固定在箱體內的高速級行星架輸出軸實現軸向定位，該高速級行星架輸出軸同時也是低速級行星傳動輸入軸，其固定於低速級行星架輸出軸的內孔內；B、所述高速級行星架輸出軸外套設高速行星架，該高速行星架上通過高速行星輪軸固定設置高速行星輪，該高速行星輪與所述高速級太陽輪軸嚙合，該高速行星輪與高速內齒輪嚙合，該高速內齒輪同時與第一齒輪聯軸節嚙合，構成徑向齒隙浮動，該第一齒輪聯軸節套設在高速級行星架輸出軸外側；C、所述第一齒輪聯軸節上固定連接第一錐齒輪，該第一錐齒輪與通過滾子軸承固定在箱體上的第一錐齒軸相嚙合，該第一錐齒軸的中部套接第一中間齒輪，該第一中間齒輪經至少一個第一聯接齒輪與至少一個液壓旋轉功能元件相連接，該第一錐齒軸的末端與固設在箱體外部的輔助電機的輸入軸聯接；D、所述第一錐齒輪同時與通過滾子軸承固定在箱體上的第二錐齒軸相嚙合，第二錐齒軸的另一端花鍵外齒與一個內孔為花鍵的第二中間齒輪相連接，該第二中間齒輪經至少一個第二聯接齒輪與至少一個液壓旋轉功能元件相連接；E、所述低速級行星架輸出軸位於箱體內的一端通過低速級行星輪軸固定設置低速級行星輪，該低速級行星架輸出軸的內孔內還套設有低速級太陽輪，該低速級太陽輪與低速級行星輪嚙合，該低速級行星輪與低速級內齒輪嚙合，該低速級內齒輪同時與第二齒輪聯軸節嚙合，構成低速級行星架輸出軸徑向齒隙浮動，該第二齒輪聯軸節套設在低速級行星架輸出軸外側且同時固定在箱體上。
2. 根據權利要求1所述的大功率機電液複合軟啟動無級調速器，其特徵在於，所述液 壓旋轉功能元件為油泵。
3. 根據權利要求1所述的大功率機電液複合軟啟動無級調速器，其特徵在於，所述液 壓旋轉功能元件為液壓馬達。
4. 根據權利要求1所述的大功率機電液複合軟啟動無級調速器，其特徵在於，所述液 壓旋轉功能元件固定在箱體上。
全文摘要
一種大功率機電液複合軟啟動無級調速器，其輸入軸一端與主電機的轉軸相連，另一端與高速級太陽輪軸的外齒連接構成齒隙浮動，該高速級太陽輪軸通過與套設在高速行星輪軸上的高速行星輪嚙合而與高速級行星架輸出軸連接，該高速級行星架輸出軸同時作為低速級行星傳動輸入軸固定於低速級行星架輸出軸內孔內；高速級行星輪與高速級內齒輪嚙合，該高速級內齒輪同時與第一齒輪聯軸節嚙合，該第一齒輪聯軸節上固定連接第一錐齒輪，該第一錐齒輪同時與第一、二錐齒軸相嚙合，該第一、二錐齒軸分別與液壓旋轉功能元件相連接，該第一錐齒軸的末端還與輔助電機的輸入軸聯接。本發明將軟啟動、無級調速等功能融於一體，傳動效率高、噪聲小、結構緊湊、性能可靠、成本低。
文檔編號H02P1/16GK101694976SQ20091020504
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者彭翼, 李達, 王伏林, 陽芳南, 龔曉和 申請人:李本平;