專利名稱：一種調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械工程領(lǐng)域有關(guān)液力偶合器的建模方法，具體系一種調(diào)速型液力偶 合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法。
(二)
背景技術(shù)：
液力偶合器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器，又稱液力聯(lián)軸器。液力耦合器 的泵輪和透平輪組成一個可使液體循環(huán)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(jī)(內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)等)帶動輸入軸旋轉(zhuǎn)時，液體被離心式泵輪甩出。這 種高速液體進(jìn)入透平輪后即推動透平輪旋轉(zhuǎn)，將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸，最后液 體返回泵輪，形成周而復(fù)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(chǎn) 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 矩恒小于輸入扭矩。液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體聯(lián)系，工作構(gòu)件間不存在剛性聯(lián) 接。液力耦合器能消除沖擊和振動，輸出轉(zhuǎn)速低于輸入轉(zhuǎn)速，兩軸的轉(zhuǎn)速差隨載荷的增大 而增加，過載保護(hù)性能和起動性能好，載荷過大而停轉(zhuǎn)時輸入軸仍可轉(zhuǎn)動，不致造成動力 機(jī)的損壞，當(dāng)載荷減小時，輸出軸轉(zhuǎn)速增加直到接近于輸入軸的轉(zhuǎn)速，使傳遞扭矩趨於零。
調(diào)速型液力偶合器為，液力偶合器工作腔內(nèi)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(jī)上獲得機(jī)械能，并轉(zhuǎn)化為液體能，推動透平輪旋轉(zhuǎn)，透平輪把 液體能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過油輸出，帶動工作機(jī)工作，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了從原動機(jī)到工作 機(jī)之間的能量傳遞。調(diào)速型液力偶合器之所以能夠調(diào)速，是通過偶合器的導(dǎo)管改變導(dǎo)管開 度，從而改變工作腔內(nèi)工作液的充滿度，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，實(shí)現(xiàn)對工作機(jī)的無級 調(diào)速，改變輸出功率的大小。偶合器配備有電動執(zhí)行器，能接受執(zhí)行控制信號并操作導(dǎo)管 開度，亦可按用戶要求配自動測速裝置，可以實(shí)現(xiàn)手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速或自動控制。
調(diào)速型液力偶合器的具體結(jié)構(gòu)由泵輪、透平輪、轉(zhuǎn)動外殼、導(dǎo)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(nèi)有幾十片徑向輻射的葉片，運(yùn)轉(zhuǎn)時在偶合器中充 油，當(dāng)輸入軸帶動泵輪旋轉(zhuǎn)時，進(jìn)入泵輪的油在葉片帶動下，因離心力作用由泵輪內(nèi)側(cè)流向外緣，形成高壓高速液流沖向透平輪葉片，使透平輪跟隨泵輪作同向旋轉(zhuǎn)，油在透平輪 中由外緣流向內(nèi)側(cè)被迫減壓減速，然后流入泵輪，在這種循環(huán)中，泵輪將原動機(jī)的機(jī)械能 轉(zhuǎn)變成油的動能和勢能，而透平輪則將油的動能和勢能又轉(zhuǎn)變成輸出軸的機(jī)械能，從而實(shí) 現(xiàn)能量的柔性傳遞。轉(zhuǎn)動外殼與泵輪相連，轉(zhuǎn)動外殼腔內(nèi)放置一根可徑向位移的導(dǎo)流管， 運(yùn)轉(zhuǎn)時，腔內(nèi)的油隨轉(zhuǎn)動外殼一起以與泵輪相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以圓周速度旋轉(zhuǎn)的油環(huán)碰到 固定不轉(zhuǎn)(只能移動)的導(dǎo)流管頭孔口，動能就變成位能，油環(huán)的油即自導(dǎo)流管流出，偶 合器中的充油量只能與導(dǎo)流管孔口相齊平，只要改變導(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)速不變的條件下實(shí)現(xiàn)工作機(jī)的無級調(diào)速。
調(diào)速型液力偶合器常用來驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。用數(shù)值逐步積分法對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行 運(yùn)行特性分析可實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段預(yù)測和優(yōu)化其動態(tài)性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行過 程進(jìn)行控制和優(yōu)化。而要做到這些，建立調(diào)速型液力偶合力矩方程或數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行系統(tǒng) 特性計(jì)算和分析的關(guān)鍵。
現(xiàn)有技術(shù)的方法是用液力偶合器原始特性曲線直接激勵機(jī)械系統(tǒng)，由于液力偶合器原 始特性曲線是考慮電動機(jī)和泵輪轉(zhuǎn)速已達(dá)到某個穩(wěn)定速度，這樣的計(jì)算方法忽略了電動機(jī) 和泵輪轉(zhuǎn)速由零增加到某個穩(wěn)定速度的過渡過程，計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況不完全相符，會 影響整個復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、精確度以及合理實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供調(diào)速型液力偶合器及由其驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法，使其 包括電動機(jī)和泵輪轉(zhuǎn)速由零增加到某個穩(wěn)定速度的過渡過程，更加逼近真實(shí)狀態(tài)。 本發(fā)明的目的由以下方法實(shí)現(xiàn)
一種調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法，其特征在于將以上的機(jī)械系 統(tǒng)分成兩個獨(dú)立部分分別進(jìn)行建模，將液力偶合器的泵輪和透平輪分開處理， 一個獨(dú)立部 分是電動機(jī)與液力偶合器的泵輪相連接，另一個獨(dú)立部分是液力偶合器的透平輪與機(jī)械系 統(tǒng)相連接，分別建立各自的運(yùn)動方程，根據(jù)這兩個方程求解機(jī)械系統(tǒng)中的各運(yùn)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(zhuǎn)速 之間的關(guān)系，即^1^=/( )的函數(shù)關(guān)系，它實(shí)際上是 一簇拋物線，即My =華5 (1)
式中Z)—作用直徑；
;i一液力偶合器力矩系數(shù)；
y—油液重力系數(shù)；
一液力偶合器透平輪轉(zhuǎn)速 (即機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)速)。
② 所述電動機(jī)和液力偶合器聯(lián)合力矩特性
在電動機(jī)和液力偶合器實(shí)際運(yùn)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，這樣復(fù)雜的液一機(jī)耦合現(xiàn)象可用下述兩運(yùn)動方程來描述，即將液力 偶合器泵輪與電動機(jī)剛性相聯(lián)部分作為一部分，將液力偶合器透平輪與減速器合輸送機(jī)剛 性相聯(lián)部分作為另一部分，兩者相對獨(dú)立，但中間的力矩相同，傳動比也相同，這樣前者 的運(yùn)動方程為
Mrf_A^= /々rf (2) 式中 ,6^—電動機(jī)和泵輪的轉(zhuǎn)速；
人一電動機(jī)、泵輪及油液的轉(zhuǎn)動慣量。
③ 所述減速器、復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)等與液力偶合器透平輪剛性相聯(lián)部分的運(yùn)動方程W = M (3) 式中[A/]—復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣； [C]—復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的阻尼矩陣； [AT]—復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的剛度矩陣；
作用在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)上的外力矩陣，包括驅(qū)動系統(tǒng)的動力、制動系統(tǒng)的制動力 以及各類運(yùn)行阻力。
^U^, Wl—復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的加速度、速度及位移矩陣； 分別解上述(2)(3)兩方程可得復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)各點(diǎn)、泵輪及透平輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到傳動比 和力矩系數(shù)等。
本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點(diǎn)是-
這樣的建模方法避免了傳統(tǒng)的用原始特性曲線直接激勵機(jī)械系統(tǒng)所帶來的誤差，包括 電動機(jī)和泵輪轉(zhuǎn)速由零增加到某個穩(wěn)定速度的過渡過程，使得方案設(shè)計(jì)更加正確、全面地 符合真實(shí)機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)，提高設(shè)計(jì)規(guī)劃工作的正確性、精確度和實(shí)施效率。(四)


圖1為一種調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算原理圖。
具體實(shí)施方式
辦法 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
根據(jù)己知的電動機(jī)、液力偶合器及機(jī)械系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)動方程(1)、 (2)和(3)， 建立了圖l所示的調(diào)速型液力偶合器及由其驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它描述了調(diào) 速型液力偶合器與其他各系統(tǒng)之間的力學(xué)和運(yùn)動學(xué)關(guān)系。
如圖1所示，該復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行特性計(jì)算過程如下
1) 在時間段A^內(nèi)，電動機(jī)帶動減速器、泵輪等部件轉(zhuǎn)動，其數(shù)學(xué)關(guān)系如方程(2)所 示，使泵輪得到角加速度^，根據(jù)運(yùn)動學(xué)關(guān)系可進(jìn)一步求出其泵輪角轉(zhuǎn)速度c^，據(jù)此可 求得當(dāng)前條件下泵輪和透平輪力矩(兩者相等)M,，如方程(1)所示。
2) 然后，將透平輪力矩代入運(yùn)動方程(3)中，可求出系統(tǒng)各運(yùn)動和力學(xué)參數(shù)，并可 得液力偶合器轉(zhuǎn)差率Z。
3) 由透平輪轉(zhuǎn)速 來控制勺管的開度&,再根據(jù)&和/可求出新的液力偶合器力矩系
數(shù);i和力矩值。
4) 當(dāng)?shù)谝粫r間段結(jié)束并進(jìn)入第二時間段A^內(nèi)后，電動機(jī)、液力偶合器及整個系統(tǒng)各 參數(shù)都要發(fā)生變化，變化后的數(shù)值計(jì)算同上一過程。
5) 如此循環(huán)，直到運(yùn)行時間結(jié)束。
權(quán)利要求
1. 一種調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法，其特征在于，將機(jī)械系統(tǒng)分成兩個獨(dú)立部分分別進(jìn)行建模，一個獨(dú)立部分是電動機(jī)與液力偶合器的泵輪相連接，另一個獨(dú)立部分是液力偶合器的透平輪與機(jī)械系統(tǒng)相連接，分別建立各自的運(yùn)動方程，根據(jù)這兩個方程求解機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)動量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法，其特征在于 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(zhuǎn)速 之間的關(guān)系，即^1^=/( )的函數(shù)關(guān)系，它實(shí)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系數(shù) ^一油液重力系數(shù) 一液力偶合器透平輪轉(zhuǎn)速 ，即機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)速所述的電動機(jī)和液力偶合器聯(lián)合力矩特性為在電動機(jī)和液力偶合器實(shí)際運(yùn)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，這樣復(fù)雜的液——機(jī)耦合現(xiàn)象可用下述兩運(yùn)動方程來描述，即將液力偶 合器泵輪與電動機(jī)剛性相聯(lián)部分作為一部分，將液力偶合器透平輪與減速器合輸送機(jī)剛性 相聯(lián)部分作為另一部分，兩者相對獨(dú)立，但中間的力矩相同，傳動比也相同，這樣前者的 運(yùn)動方程為(2)式中 ，6^—電動機(jī)和泵輪的轉(zhuǎn)速^一電動機(jī)、泵輪及油液的轉(zhuǎn)動慣量所述的減速器、復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)與液力偶合器透平輪剛性相聯(lián)部分的運(yùn)動方程為<formula>formula see original document page 3</formula> 式中[M]—復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣 [C]一復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的阻尼矩陣 [《]一復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的剛度矩陣{尸}一作用在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)上的外力矩陣，包括驅(qū)動系統(tǒng)的動力、制動系統(tǒng)的制動力 以及各類運(yùn)行阻力^U4,tcl—復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的加速度、速度及位移矩陣分別解上述(2) (3)兩方程可得復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)各點(diǎn)、泵輪及透平輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到傳 動比和力矩系數(shù)等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)械工程領(lǐng)域有關(guān)液力偶合器的建模方法，具體系一種調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法。一種調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模方法，將機(jī)械系統(tǒng)分成兩個獨(dú)立部分分別進(jìn)行建模，將液力偶合器的泵輪和透平輪分開處理，一個獨(dú)立部分是電動機(jī)與液力偶合器的泵輪相連接，另一個獨(dú)立部分是液力偶合器的透平輪與機(jī)械系統(tǒng)相連接，分別建立各自的運(yùn)動方程，根據(jù)這兩個方程求解機(jī)械系統(tǒng)中的運(yùn)動量。本發(fā)明的建模方法避免了傳統(tǒng)的用原始特性曲線直接激勵機(jī)械系統(tǒng)所帶來的誤差使得方案設(shè)計(jì)更加正確、全面地符合真實(shí)機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)，提高了整體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃工作的正確性、精確度和實(shí)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(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者李光布 申請人:上海師范大學(xué)