一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法
2024-02-18 13:36:15
專利名稱：一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法
技術領域：
本發明涉及一種機械工程領域有關液力偶合器的建模方法，具體系一種調速型液力偶 合器驅動複雜機械系統的建模方法。
(二)
背景技術：
液力偶合器是以液體為工作介質的一種非剛性聯軸器，又稱液力聯軸器。液力耦合器 的泵輪和透平輪組成一個可使液體循環流動的密閉工作腔，泵輪裝在輸入軸上，透平輪裝 在輸出軸上。動力機(內燃機、電動機等)帶動輸入軸旋轉時，液體被離心式泵輪甩出。這 種高速液體進入透平輪後即推動透平輪旋轉，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸，最後液 體返回泵輪，形成周而復始的流動。液力耦合器靠液體與泵輪、透平輪的葉片相互作用產 生動量矩的變化來傳遞扭矩。它的輸出扭矩等於輸入扭矩減去摩擦力矩，所以它的輸出扭 矩恆小於輸入扭矩。液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯繫，工作構件間不存在剛性聯 接。液力耦合器能消除衝擊和振動，輸出轉速低於輸入轉速，兩軸的轉速差隨載荷的增大 而增加，過載保護性能和起動性能好，載荷過大而停轉時輸入軸仍可轉動，不致造成動力 機的損壞，當載荷減小時，輸出軸轉速增加直到接近於輸入軸的轉速，使傳遞扭矩趨於零。
調速型液力偶合器為，液力偶合器工作腔內充入一定量的工作液(一般為32號透平 油)，工作輪泵輪從電動機上獲得機械能，並轉化為液體能，推動透平輪旋轉，透平輪把 液體能轉化為機械能，通過油輸出，帶動工作機工作，周而復始，實現了從原動機到工作 機之間的能量傳遞。調速型液力偶合器之所以能夠調速，是通過偶合器的導管改變導管開 度，從而改變工作腔內工作液的充滿度，在電機轉速不變的情況下，實現對工作機的無級 調速，改變輸出功率的大小。偶合器配備有電動執行器，能接受執行控制信號並操作導管 開度，亦可按用戶要求配自動測速裝置，可以實現手動調節轉速或自動控制。
調速型液力偶合器的具體結構由泵輪、透平輪、轉動外殼、導流管等組成。泵輪和透 平輪對稱布置，中間保持一定間隙，輪內有幾十片徑向輻射的葉片，運轉時在偶合器中充 油，當輸入軸帶動泵輪旋轉時，進入泵輪的油在葉片帶動下，因離心力作用由泵輪內側流向外緣，形成高壓高速液流衝向透平輪葉片，使透平輪跟隨泵輪作同向旋轉，油在透平輪 中由外緣流向內側被迫減壓減速，然後流入泵輪，在這種循環中，泵輪將原動機的機械能 轉變成油的動能和勢能，而透平輪則將油的動能和勢能又轉變成輸出軸的機械能，從而實 現能量的柔性傳遞。轉動外殼與泵輪相連，轉動外殼腔內放置一根可徑向位移的導流管， 運轉時，腔內的油隨轉動外殼一起以與泵輪相同的轉速旋轉，以圓周速度旋轉的油環碰到 固定不轉(只能移動)的導流管頭孔口，動能就變成位能，油環的油即自導流管流出，偶 合器中的充油量只能與導流管孔口相齊平，只要改變導流管的位置，就能改變偶合器中的 充油度，也就可以在原動機轉速不變的條件下實現工作機的無級調速。
調速型液力偶合器常用來驅動複雜機械系統。用數值逐步積分法對複雜機械系統進行 運行特性分析可實現在設計階段預測和優化其動態性能，進而實現對複雜機械系統運行過 程進行控制和優化。而要做到這些，建立調速型液力偶合力矩方程或數學模型是進行系統 特性計算和分析的關鍵。
現有技術的方法是用液力偶合器原始特性曲線直接激勵機械系統，由於液力偶合器原 始特性曲線是考慮電動機和泵輪轉速已達到某個穩定速度，這樣的計算方法忽略了電動機 和泵輪轉速由零增加到某個穩定速度的過渡過程，計算的結果與實際情況不完全相符，會 影響整個複雜機械系統設計的正確性、精確度以及合理實施。
發明內容
本發明的目的是提供調速型液力偶合器及由其驅動的複雜機械系統的建模方法，使其 包括電動機和泵輪轉速由零增加到某個穩定速度的過渡過程，更加逼近真實狀態。 本發明的目的由以下方法實現
一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法，其特徵在於將以上的機械系 統分成兩個獨立部分分別進行建模，將液力偶合器的泵輪和透平輪分開處理， 一個獨立部 分是電動機與液力偶合器的泵輪相連接，另一個獨立部分是液力偶合器的透平輪與機械系 統相連接，分別建立各自的運動方程，根據這兩個方程求解機械系統中的各運動量
①所述限矩型液力偶合器的力矩特性
限矩型液力偶合器力矩特性是指傳動比/ = / 和工作液體重度一定時，液力偶合器 泵輪所傳遞的力矩M^與泵輪轉速 之間的關係，即^1^=/( )的函數關係，它實際上是 一簇拋物線，即My =華5 (1)
式中Z)—作用直徑；
;i一液力偶合器力矩係數；
y—油液重力係數；
一液力偶合器透平輪轉速 (即機械系統轉速)。
② 所述電動機和液力偶合器聯合力矩特性
在電動機和液力偶合器實際運行中，wfl 、 和/都是變化的，所以它們的力矩特性 也都是在不斷地變化，這樣複雜的液一機耦合現象可用下述兩運動方程來描述，即將液力 偶合器泵輪與電動機剛性相聯部分作為一部分，將液力偶合器透平輪與減速器合輸送機剛 性相聯部分作為另一部分，兩者相對獨立，但中間的力矩相同，傳動比也相同，這樣前者 的運動方程為
Mrf_A^= /々rf (2) 式中 ,6^—電動機和泵輪的轉速；
人一電動機、泵輪及油液的轉動慣量。
③ 所述減速器、複雜機械系統等與液力偶合器透平輪剛性相聯部分的運動方程W = M (3) 式中[A/]—複雜機械系統的質量矩陣； [C]—複雜機械系統的阻尼矩陣； [AT]—複雜機械系統的剛度矩陣；
作用在複雜機械系統上的外力矩陣，包括驅動系統的動力、制動系統的制動力 以及各類運行阻力。
^U^, Wl—複雜機械系統的加速度、速度及位移矩陣； 分別解上述(2)(3)兩方程可得複雜機械系統各點、泵輪及透平輪的轉速，進而得到傳動比 和力矩係數等。
本發明的有益效果和優點是-
這樣的建模方法避免了傳統的用原始特性曲線直接激勵機械系統所帶來的誤差，包括 電動機和泵輪轉速由零增加到某個穩定速度的過渡過程，使得方案設計更加正確、全面地 符合真實機械系統狀態，提高設計規劃工作的正確性、精確度和實施效率。(四)
圖1為一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法的數學模型及計算原理圖。
具體實施方式
辦法 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
根據己知的電動機、液力偶合器及機械系統的工作原理及運動方程(1)、 (2)和(3)， 建立了圖l所示的調速型液力偶合器及由其驅動的複雜機械系統的數學模型，它描述了調 速型液力偶合器與其他各系統之間的力學和運動學關係。
如圖1所示，該複雜機械系統運行特性計算過程如下
1) 在時間段A^內，電動機帶動減速器、泵輪等部件轉動，其數學關係如方程(2)所 示，使泵輪得到角加速度^，根據運動學關係可進一步求出其泵輪角轉速度c^，據此可 求得當前條件下泵輪和透平輪力矩(兩者相等)M,，如方程(1)所示。
2) 然後，將透平輪力矩代入運動方程(3)中，可求出系統各運動和力學參數，並可 得液力偶合器轉差率Z。
3) 由透平輪轉速 來控制勺管的開度&,再根據&和/可求出新的液力偶合器力矩系
數;i和力矩值。
4) 當第一時間段結束並進入第二時間段A^內後，電動機、液力偶合器及整個系統各 參數都要發生變化，變化後的數值計算同上一過程。
5) 如此循環，直到運行時間結束。
權利要求
1. 一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法，其特徵在於，將機械系統分成兩個獨立部分分別進行建模，一個獨立部分是電動機與液力偶合器的泵輪相連接，另一個獨立部分是液力偶合器的透平輪與機械系統相連接，分別建立各自的運動方程，根據這兩個方程求解機械系統中的運動量。
2. 根據權利要求1所述複雜機械系統的建模方法，其特徵在於 所述的限矩型液力偶合器的力矩特性為限矩型液力偶合器力矩特性是指傳動比Z'= / 和工作液體重度一定時，液力偶合器 泵輪所傳遞的力矩m^與泵輪轉速 之間的關係，即^1^=/( )的函數關係，它實際上是 一簇拋物線。即= ;^5w82 (i)式中 d—作用直徑義一液力偶合器力矩係數 ^一油液重力係數 一液力偶合器透平輪轉速 ，即機械系統轉速所述的電動機和液力偶合器聯合力矩特性為在電動機和液力偶合器實際運行中，"s 、 /v和/都是變化的，它們的力矩特性也都 是在不斷地變化，這樣複雜的液——機耦合現象可用下述兩運動方程來描述，即將液力偶 合器泵輪與電動機剛性相聯部分作為一部分，將液力偶合器透平輪與減速器合輸送機剛性 相聯部分作為另一部分，兩者相對獨立，但中間的力矩相同，傳動比也相同，這樣前者的 運動方程為(2)式中 ，6^—電動機和泵輪的轉速^一電動機、泵輪及油液的轉動慣量所述的減速器、複雜機械系統與液力偶合器透平輪剛性相聯部分的運動方程為formula see original document page 3 式中[M]—複雜機械系統的質量矩陣 [C]一複雜機械系統的阻尼矩陣 [《]一複雜機械系統的剛度矩陣{屍}一作用在複雜機械系統上的外力矩陣，包括驅動系統的動力、制動系統的制動力 以及各類運行阻力^U4,tcl—複雜機械系統的加速度、速度及位移矩陣分別解上述(2) (3)兩方程可得複雜機械系統各點、泵輪及透平輪的轉速，進而得到傳 動比和力矩係數等。
全文摘要
本發明涉及一種機械工程領域有關液力偶合器的建模方法，具體系一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法。一種調速型液力偶合器驅動複雜機械系統的建模方法，將機械系統分成兩個獨立部分分別進行建模，將液力偶合器的泵輪和透平輪分開處理，一個獨立部分是電動機與液力偶合器的泵輪相連接，另一個獨立部分是液力偶合器的透平輪與機械系統相連接，分別建立各自的運動方程，根據這兩個方程求解機械系統中的運動量。本發明的建模方法避免了傳統的用原始特性曲線直接激勵機械系統所帶來的誤差使得方案設計更加正確、全面地符合真實機械系統狀態，提高了整體機械系統設計規劃工作的正確性、精確度和實施效率。
文檔編號G06F17/50GK101303705SQ20081003676
公開日2008年11月12日 申請日期2008年4月29日 優先權日2008年4月29日
發明者李光布 申請人:上海師範大學