大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級調速傳動裝置的製作方法
2023-06-03 20:58:31 1
專利名稱：大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級調速傳動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及 一 種大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級調速傳動 裝置。
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
停機時通過瞬吋斷電使轉速速降至零的控制方式也會給沿夂惡求 /!人、油古
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，電動機的動力通過粘 性轉矩作用在負載上，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
4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。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，
不員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
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'卜主 l冃況可能不一樣。
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重載設備機 電液複合軟啟動/無級調速傳動裝置，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 一種大功率重 載設備機電液複合軟啟動/無級調速傳動裝置，具有 一 滑套於行星架輸出 軸內部的動力輸入軸，該動力輸入軸 一 端與主電機連接，另 一 端固定於 行星架輸出軸的內孔且與位於行星架輸出軸內孔的太陽輪軸連接構成齒 隙浮動，在行星架輸出軸上繞圓一周通過行星輪軸固定至少兩組行星輪， 每個行星輪均與太陽輪軸相外嚙合，其特徵在於，
所述行星輪同時與 一 位於行星架輸出軸外的內齒圈相內嚙合，所述 內齒圈齒向連接齒輪聯軸節而構成徑向齒隙浮動，所述齒輪聯軸節固定 於行星架輸出軸的伸出部位上，同時所述齒輪聯軸節上固定一錐齒輪， 所述錐齒輪與固定於機體內的錐齒軸相嚙合，所述錐齒軸的另一端與小 功率輔助電機的轉軸相連接；所述錐齒輪同時還與一固定於機體上的錐 齒輪軸外嚙合，錐齒輪軸的另一端與一花鍵齒輪相連接，花鍵齒輪與至 少一個固定於液壓旋轉功能元件輸出軸上的聯接齒輪嚙合。
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 固定在座體上，且所述液壓旋轉功能元件輸出軸上的聯接齒輪通過滾珠 軸承固定在機體上。所述錐齒軸在機體內的部分通過滾動軸承及擋油板、 透蓋、油封和螺栓安裝在機體內，錐齒軸的另 一 端外齒與齒輪軸聯軸節 相內嚙合，該齒輪軸聯軸節與電機聯軸節通過螺釘相連，電機聯軸節與小 功率輔助電機的轉軸相連接，小功率輔助電機安裝固定於電機座上，電 機座固定在機體上。所述動力輸入軸伸出機體的一端通過大端蓋、軸承 座、小端蓋、油封、螺栓固定於機體上，該軸承座固定在大端蓋上，大 端蓋與機體密封連接。所述機體上還設有用於改善液壓油品質的放油螺 絲和循環油管。所述行星架輸出軸穿過機體的一端通過小端蓋、油封和螺栓固定於機體上。
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 裝置的行星架輸出軸相連接，並將每個液壓旋轉功能元件(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 (一)軟啟動的實現工作時，首先啟動小功率輔助電機慢速運轉， 經電機聯軸節、齒輪軸聯軸節、錐齒軸、錐齒輪帶動與內齒圈嚙合的行 星輪轉動。理論上，內齒圈與行星輪嚙合可帶動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(內齒圏輸入)、雙輸出(太 陽輪軸和行星架輸出軸)的差動傳動輪系。但由於與行星架輸出軸相連的
負載很大，小功率輔助電機的功率遠遠小於大功率主電機的功率，所以
小功率輔助電機的輸入動力無法驅動行星架輸出軸轉動，這個單輸入雙
輸出的差動傳動輪系實際上變為一個行星架輸出軸固定，內齒圈輸入，
太陽輪軸輸出的定軸輪系。這樣，小功率輔助電機通過內齒圈、行星輪
和太陽輪軸，再經動力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，白動接通電源。此時
不需要再對主電機轉子進行加速，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，經動力輸入軸帶動太陽輪軸作為動力輸入，形成了一種單輸入，雙
輸出的動力分流狀態。一部分動力經差動傳動輪系的內齒圈至錐齒輪，
驅動經錐齒輪軸,花鍵齒輪、聯接齒輪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，使錐齒輪
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
7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，使錐齒輪軸的轉動阻力矩變小，則輔 助輸出的轉速將逐漸增大，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)輸出過載白動保護功能的實現根據設備工作機構的許用載
荷(輸出功率轉矩設定油泵出口控制壓力系統的許用壓力，當系統的
外載荷因某些原因而超過許用值時，i輸 ，口g.屮.鈷矩增大，輔助輸出轉矩相
應增大，油泵出口壓力因超過許用控制壓力而溢流，帶動錐齒輪軸產生
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傳動裝置的油泵出壓力控
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
驅動點油泵出口壓力相應增大當油泵出口壓力超過許用控制壓力時，
通過油泵洩流，使錐齒輪軸產生差動滑移旋轉從而使主輸出降速賃直
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，按昭預定的減壓規律
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行星差動傳動裝置，再
8經錐齒輪對，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
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傳動裝置;②採用內齒圈和太
陽輪軸同時浮動，傳動效率高、噪聲小、結構緊湊、性能可靠;③採用
雙向可控無級調速，可工作在任辜-設*的諫麼卜④以小功率鋪fHi —11 u由*n
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; 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⑦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，依白重安全下放^5"省電能。⑧本傳動裝置若配置於井下及其它易
爆場所的大功率設備，還兼具防爆功能。
圖1為本發明一種具體結構的正向剖視圖。
圖2為本發明與小功率輔助電機及油泵的連接結構剖視圖。
具體實施例方式
參見圖1及圖2，本發明包括機體1及一採用滾動軸承4和38固定 在機體1內壁面上和大端蓋39內壁的行星架輸出軸6，行星架輸出軸6 內滑套有 一 動力輸入軸32 ，動力輸入軸32的 一 端由滾動軸承75固定在 機體1內並伸出機體1外與主電機的轉軸相連，另一端則由滾動軸承76 固定於行星架輸出軸6的內孔。該動力輸入軸32固定於行星架輸出軸6 內孔的 一 端設有漸開線花鍵內齒，該漸開線花鍵內齒與位於行星架輸出 軸6內孔的太陽輪軸30的一端外齒連接而構成齒隙浮動。太陽輪軸30與動力輸入軸32相接處裝有將兩者進行軸向定位的擋塊31，太陽輪軸 30另 一端與行星架輸出軸6通過頂塊29進行軸向定位。在行星架輸出軸 6上繞圓一周各通過行星輪軸24固定有三組行星輪構件，每組行星輪構 件由 一 行星輪28和位於行星輪28孔內的滾動軸承27及擋圈25和隔套 26構成，滾動軸承27和擋圈25固定在相應的行星輪軸24上。每個行星 輪28均與太陽輪軸30相外嚙合，同時均與一位於行星架輸出軸6外機 體1內的內齒圈17相內嚙合。每一行星輪軸24的外端部開設有一卡板 槽且有一卡板22卡於槽內，卡板22用螺栓23與行星架輸出軸6的一端 相固連以對行星輪軸24進行軸向定位。
在行星架輸出軸6外的機體1內還具有與內齒圈17相齒向連接以構 成徑向齒隙浮動的齒輪聯軸節12，齒輪聯軸節12採用一對滾動軸承8和 隔套7及隔套9固定於穿越其內孔的行星架輸出軸6的伸出部位上，兩 個半圓卡環14卡入齒輪聯軸節12端部圓周徑向開設的切槽內，兩半圓 卡環14的端面用螺栓16固定於內齒圈17的一端以對齒輪聯軸節12進 行軸向定位。
在機體1內還設有一固定在齒輪聯軸節12上的錐齒輪ll，該錐齒輪 11與錐齒軸77相嚙合。錐齒軸77通過滾動軸承78、 79、 80及擋油板 65、透蓋66、油封67和螺栓81安裝在機體1內，錐齒軸77的另一端外 齒與齒輪軸聯軸節68相內嚙合。齒輪軸聯軸節68與電機聯軸節69通過 內六角螺釘70相連，電機聯軸節69與小功率輔助電機72的轉軸相連接， 小功率輔助電機72通過六角螺栓73安裝固定於電機座7 1上，電機座71 經螺栓74固定在機體1上。
另還有一與錐齒輪11相外嚙合的錐齒輪軸45通過滾動軸承44， 46， 48和軸用彈性擋圈43固定於機體1和軸承座50內，軸承座50通過六角 螺栓49和彈簧墊圈63固定在機體1的內壁上；錐齒輪軸45的另一端花 鍵外齒與一個內孔為花鍵的花鍵齒輪60相連接，並通過開槽螺母61和 開口銷62在軸向定位，花鍵齒輪60經聯接齒輪52,分別與至少一個液 壓旋轉功能元件相連接。該液壓旋轉功能元件可為油泵或液壓馬達。在 本實施例中採用油泵59 ，該油泵59轉軸上的聯接齒輪52與花鍵齒輪60相嚙合，聯接齒輪52經滾珠軸承51、 53固定在機體1的內壁和蓋板55上，蓋板55經六角螺栓64固定在機體1上；座體56經六角螺栓54固定在蓋板55上，油泵59經彈簧墊圈57和六角螺栓58固定在座體56上。前所述及的動力輸入軸32穿過大端蓋39的一端由小端蓋33、油封34和六角螺栓35固定於軸承座37上，起到密封機體1的作用，軸承座37通過六角螺栓36固定在大端蓋39上，大端蓋39通過圓柱銷40、 0型密封圈19、彈墊20、螺栓21與機體1密封連接；在機體1上還設有放油螺絲41和循環油管42 ，用於改善機體1內存放的液壓油品質；前所述及的行星架輸出軸6穿過機體1的一端由小端蓋2、油封5和六角螺栓3固定於機體l上，起到密封機體l的作用；還設計有排氣帽組15，經螺栓13固定在機體1的頂部，同時頂部設計有吊裝用的吊環螺釘18。
權利要求
1. 一種大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級調速傳動裝置，具有一滑套於行星架輸出軸內部的動力輸入軸，該動力輸入軸一端與主電機連接，另一端固定於行星架輸出軸的內孔且與位於行星架輸出軸內孔的太陽輪軸連接構成齒隙浮動，在行星架輸出軸上繞圓一周通過行星輪軸固定至少兩組行星輪，每個行星輪均與太陽輪軸相外嚙合，其特徵在於，所述行星輪同時與一位於行星架輸出軸外的內齒圈相內嚙合，所述內齒圈齒向連接齒輪聯軸節而構成徑向齒隙浮動，所述齒輪聯軸節固定於行星架輸出軸的伸出部位上，同時所述齒輪聯軸節上固定一錐齒輪，所述錐齒輪與固定於機體內的錐齒軸相嚙合，所述錐齒軸的另一端與小功率輔助電機的轉軸相連接；所述錐齒輪同時還與一固定於機體上的錐齒輪軸外嚙合，錐齒輪軸的另一端與一花鍵齒輪相連接，花鍵齒輪與至少一個固定於液壓旋轉功能元件輸出軸上的聯接齒輪嚙合。
2. 根據權利要求1所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，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所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，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所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，其特徵在於，所述液壓旋轉功能元件固定在座體上，且 所述液壓旋轉功能元件輸出軸上的聯接齒輪通過滾珠軸承固定在機體 上。
5. 根據權利要求1所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，其特徵在於，所述錐齒軸在機體內的部分通過滾動軸承 及擋油板、透蓋、油封和螺栓安裝在機體內，錐齒軸的另 一 端外齒與齒 輪軸聯軸節相內嚙合，該齒輪軸聯軸節與電機聯軸節通過螺釘相連，電機 聯軸節與小功率輔助電機的轉軸相連接，小功率輔助電機安裝固定於電 機座上，電機座固定在機體上。
6. 根據權利要求1所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，其特徵在於，所述動力輸入軸伸出機體的一端通過大端蓋、軸承座、小端蓋、油封、螺栓固定於機體上，該軸承座固定在大端 蓋上，大端蓋與機體密封連接。
7. 根據權利要求1所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，其特徵在於，所述機體上還設有用於改善液壓油品質的 放油螺絲和循環油管。
8. 根據權利要求1所述的大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級 調速傳動裝置，其特徵在於，所述行星架輸出軸穿過機體的一端通過小 端蓋、油封和螺栓固定於機體上。
全文摘要
一種大功率重載設備機電液複合軟啟動/無級調速傳動裝置，具有一滑套於行星架輸出軸內部的動力輸入軸，該動力輸入軸一端與主電機連接，另一端固定於行星架輸出軸的內孔且與位於行星架輸出軸內孔的太陽輪軸連接構成齒隙浮動；在行星架輸出軸上繞圓一周通過行星輪軸固定至少兩組行星輪；每個行星輪均與太陽輪軸相外嚙合，同時均與一位於行星架輸出軸外的內齒圈嚙合；還具有與內齒圈相齒向連接以構成徑向齒隙浮動的齒輪聯軸節，該齒輪聯軸節上固定有一錐齒輪與連接小功率輔助電機的錐齒軸相嚙合，同時還設有連接該錐齒輪和液壓旋轉功能元件的錐齒輪軸。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H02P1/26GK101478278SQ20081014308
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者翼 彭, 達 李, 王伏林, 肖建群, 陽芳南, 龔曉和 申請人:李本平