新型变频调速-变量泵复合调速传动链性能研究

CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERYVol. 16 No. 4

Aug. 2018

新型变频调速-变量泵复合调速传动链性能研究

程宏

1

!，奚鹰!，黄智

1

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海201804$ 2.同济大学工程实践中心，上海200092)

摘要！提出了一种新型液压机械复合调速传动链，该传动链包含了一套完整的行星机构,用来实现输出端功率

的合流.有别于传统的机械液压无级变速系统,该传动链中与行星机构匹配的两个输人端，通过变频器与变量 泵，都能实现转速的变化，从而可以获得更大调速范围的传动链外特性曲线.使用了 Matlab/Simulik等仿真 工具进行了理论分析，并且通过PAC SystemRX3i控制器与iFIX人机交互界面进行了试验分析.结果表明:采用 双变量复合控制，可显著提升传动链性能研究范围，优化动力匹配.

关键词：液压机械无级变速传动链；行星齿轮机构；双变量复合调速；传动链外特性曲线 中图分类号！ TP 242.2

文献标志码：A

文章编号！ 1672- 5581(2018)04-0321 - 06

Performance study of transmission chain through

composite control with advanced frequency

converter and variable pump

CHENG Hong12，XI Ying1，HUANGZhi1(1. School of Mechanical Engineering,Tongli University,Shanghai 201804,China；2. Engineering Practice Center,Tongli University,Shanghai 200092,China)

Abstract： A sort of hydro-mechanical set of planetary

gear

set

variable transmission

used

chain is designed to

combine both

in this paper.

(PGS) which is power from mechan

transmission. In comparison to traditional hydro-mechanical power system, the external characteristic curve with wider range of speed regulation can be obtained in this transmission chain through composite control by frequency converter and variable pump which are matched in two independent input end of the PGS so that the speed in sun gear and gear ring can be regulated separately. Theoretical analysis is conducted by Matlab and Simulink, then the experimental analysis is achieved by PAC System RX3i controller and human machine interface called iFIX. The results demonstrate that the range ofperformance study can be control with double variant.

Key words： hydro-mechanical variable transmission chain； planetary gear set (PGS); externalcharacteristic curve； composite control with double variant

近年来，在通常的机械液压复合传动系统中， 能量效率研究中，也显现出比前两种具有更大的功 普遍设计方案采用变频调速或变容积调速来作为 整个系统的驱动调速单元.近年来，在一些传动链 中采用了由变频器、电动机及定量泵所组成的调速 驱动系统，这是继变频调速驱动单元、变容积调速 驱动单元之后的又一节能型液压动力源，在相关的

率与效率优势14].然而，在传动链中基于变转速-变 量复合调 及.

本文的试验正是从基于双变量复合调速出发， 充分考虑到在变转速变排量复合调速液压系统中，

系

能

的研

improved

obviously

and

the

power match can

be

optimiz

作者简介:程宏(1973 )，男，讲师，博士研究生.E~mail:chenghong@tongii.edu.cn

322

中国工程机械学报第16卷

压力、流量、电动机及变量泵、定量马达的转速与转 矩等参数反映了系统的工况及运行状态，而电动机 转速、泵排量等参数影响着系统的性能正是基 于这样的考虑，本试验通过iFIX软件设计了人机 交互界面，用来监控这些试验参数，通过试验与仿 真结果的对比，获得了该传动链的外特性曲线，明 确了双变量调节的效果.

1复合调节传动链理论基础

在行星机构中，太阳轮、行星轮与齿圈的转速

有如下关系6 !

ns + knq = (R + 1)%j

(1)

式中：为行星架U的转速，r/min;%s为太阳轮s 的转速，：/min;n〇为齿圈q的转速，r/min;R为行 星轮的特征参数，即齿圈q与太阳轮s的齿数比.

由整个机械液压无级变速器的结构可知，电动 机的转速就是泵的输人转速，设电动机的转速为

%]，在不考虑液压部分容积效率的情况下有

ns =

(2)

式中：为变量泵与定量马达的排量比.

由于电动机与齿圈之间连接一对传动齿轮，结 合式(1)和式(2)，可得

nDe + knBiT = (k + 1)nj

(3)

式中：T为中间级传动比.

变

从上可知，％d为电动机的转速，即整个机械液 压无级变速器的输人转速ni为行星架的转速，SP 整个机械液压无级变速器的输出转速为

由于采用的双向变量泵，为了保持输出转速的连续，

R _ $8(7)

根据《行星齿轮传动设计》[7]可知，必须合理地 选择特征参数R，R值过大或过小都是不合理的.R 值过大，则势必导致齿圈齿数较多，或者太阳轮的 齿数减小.显然，在行星齿轮传动机构中，齿圈的尺 寸受到整体结构和总成本的，而出于强度的考 虑，太阳轮齿数不能取得很小.根据实际状况，初步

选择R v3.经过进一步设计与校核，确定太阳轮的 齿数为20,行星轮的齿数为19,齿圈的齿数为58. 因此，确定行星机构特征参数R v 2. 9.排量比e的 大小，这里直接给出确定值e v 0.5.

从实际选型和整体结构出发，选取ix = 2/3,即 齿数分别为40与60的一对齿轮，中间加一级减速 装置的目的在于:①出于试验的目的，尽量增大调 速范围，通过合理的设计可以提高试验效率;②便 于液压回路管路的连接，避免部件之间的干涉;③ 使电动机与齿圈的转向相同，便于理论分析与试验 操作.

理论上，该机械液压无级变速传动系统的输人

转速n与输出转速n。的关系为

该行星机构属于差动轮系，差动轮系各构件的 转矩关系为,]

Ts z Tj z Eq = 1 z _ (1 + R) z R (9)

式中：Ej为行星架j的转矩，N • m;Ts为太阳轮s

的转矩，N • m; T〇为齿圈q的转矩，N • m.

星架的输出

的

大 相 ，

负载转矩为Tf，则根据式(9)可得太阳轮s承受的

转矩为

齿圈q承受的转矩为

t

〇-R+1 (1)

液压功率分流比特性是指机械液压无级变速 系统中液压传动的输出功率Ps占据整个变速器输 出功率尺的比值，即

-Ps = Ts%s

Pj Tn

\"12)

式中：为液压功率分流比.

根据式(2)、式（4)、式（10)和式（11)，可将式 (12)化简为

)i e + Rix— 7 e + 2

U3；

根据式(12)得出功率分流比）与排量比e的 关系曲线，如图1所示.

当泵排量相对变化率0'e'1时，液压功率 分流比随着e增大而逐渐增大，，卩当排量比上升 时，液压在整个变速系统的输出中所起到的作用 越来越大.由图1可知，随着e增加，）的变化率 变.

第#期程宏，等:新型变频调速-变量泵复合调速传动链性能研究323

-

0.- 0.-0.-

0.图1液压功率分流比与排量比关系图 Fig. 1 The relation between hydraulic power split

ratio and displacement ratio效

本试验研究的关键点

.由于机械部

分的传动效 ，而 部分的传动效率较低，

因此，整个机械 无级变

动系统的总效率主

要

动

的

*

泵的输出流量

马达的输入流量，

差动轮系中太阳轮的QP

1000

(14)^gp%D?vp

yg7^

e%D$vp Ivm

(15)

式中：Qp为液压泵的输出流量(液压马达的输入流

量），L/min；yg 泵的排量，mL/r; 为马达的排量，mL/r;九为液压泵的容积效率；$7为 液压马达的容积效率*

太阳轮的

Es

VgmApVmB

20+

(N • m)

(16)

太阳轮的输出功率（即液压马达的输出功)

Ps

2+Tsns _ Vgp%D$vp$vm$mhA〇 _

60 000 600 000

QpVtAp600

(kW)

式中：AO为压差，kPa; $mh为液压马达机械-液压效

$

马

效率.

太阳轮的输出功 际 动部

分的输出功率.因此，由式（17)可知，可以通过 量 泵的输出流量Qp液压马两端的压差

A〇,以及定量马

书中给出的：

曲

，

动

的输出功率.实际上，本

试验台的设计可以 整个 无级变速器的

输入功 输出 功 ， 通 输 出 功 输入功 的

，获得在

工况下该变速器的传动效

，也可以 动效率对整个传动效的影响*

通过Simulink仿

整个机械液压无级变

速系 动效率的变化曲线，如图2所示*

0.960 0.955

^ 0.950

| 0.945

0.940

^ 0.935

胃 0.930

S擦

0.925

0.920

图2

液压机械无级变速传动效率

Fig. 2

The efficiency in hydro-mechanical variable transmission

由图2可知：当功率分流比在0〜0.1时，机械 功率流

90%以上，效

；当功率流比在

0. 1〜0. 2时，液压功率流比重逐渐上升，由于液压 的效率相对机械效 .因，在0.1〜0. 2段时，

相比机械

主要传动的效

，但是整个无级动效率维持在 的水平， ；当

功率分流比大于0. 2后，效

下降，并且下

.因此，在实际应用中，液压机械无级传 动中的功率分流比处于0〜0.2之间变动，可保持 无 动高效的运行.由于功率分流 泵

的排量相对变化率决定的，结合图1与图2

I,

在确定的功率分流 ，泵的排量相对变化率

变化范围为e二0〜0.之间.

2试验台结构

在

分析之后，搭建试验平台进

行试验. 计和

，本试验台选取的设备主

要有：①西

1TL0001-1CB13-3JA5/7. 5;②波

克兰变量泵PM10-14;③力士乐定量马达 A2FM28;④磁粉制动器 CZ-10;⑤ GEPACSystem RX3i;⑥行星机构;⑦多种类

器*

试验台搭建的整体框架如图3所示，试验台实

图4 示.

在两个变量(变频调速和变量泵），为了 试验的

，通过对比两个变量的不

调节 的试验结

.两种试验顺的逻辑如图5所示*

324

中国工程机械学报第16卷

PACSystem

PX3i

IINIIII 圓

行

星机构

mm

图3

试验台搭建整体框架

Fig. 3

Frame of the construction for thetest-bed

图4试验台实物图

Fig. 4 ?\"〇()。尸 tlie (已81:-467

变频器频率f

上升10 Hz

启动变频器

/=10Hz

调节排量比 6=0.1

图 E 验 图

Fig. 5 Logic for different test sequence

3试验结果分析

第1节

，电动机的输出功率分为机械功

功率，考虑到机械部分

部分的传动

效率，根据能量守恒，

二

$R $M

(18)

式中：E9为系统的输入转矩，N / 为系统的输入转速，r/min; 为太阳轮的转矩，N • m$ 为太 阳轮的转速，r/min; E:为齿圈的转矩，N •

为

圈的 ，r/min; $H 系

效率；$m为机

械系

效 •

结合式(1)、式(2)、式(4)、式(9)和式(18)可得

e n kix $h

$m图6为电动机说明书提供的该电动机在不同频 下所能承受的 曲

试验数 合对比图[9].可以看出：当从基

调速时，电动机所

能承受的

；而从基 下调 ，

动机所能承受的 变，直

、于

30H1 .试

出实际结

结果基

本一致，

变频器 机的

•

25「 …

?

.&2 o/ 只貂5*1

轵

1

n 0 10 20 30 40 50 60 70 80

//Hz

图F

不同频率下电动机所能承受的负载转矩

Fig. 6

The maximum load torque of three-phase asynchronous motor on different frequencies

结合图6可以 ％?乃的仿真曲线•

在

= 2/3的情况下，按照第1种

试

（序， 取6 = 0.1，得到整个动 动链的输出

输

出转矩的关系，如图7所示.

when e is 0.1

第#期程宏，等:新型变频调速-变量泵复合调速传动链性能研究325

当8分别取其 ，其对应的曲 图8〜

图11所示.

when e is 0 • 2

when e is 0 • 3

图10

e = 0.4时，输出转速-转矩关系图

Fig. 10

Relation between output speed and torque when e is 0 • 4

将图7〜图11汇总可得到图12*在实际试验过程中，通常

虑基频\"0 Hz)

以下的输出 输出 的关系，通过试验数据

在Matlab中可以拟合成图12的曲线.虚 示的

量比下，输出最大

的

.这条

的是整个变速系统的 爬坡性能.由于变量泵 以 无 调 ， 整个 动 系 的 输出

38

36343230S(28眾.26/N24)渥220H

200 400 600 800 1000 1200140016001800 2 000

输出转速/Omirr1)

图11

e = 0.5时，输出转速-转矩关系图

Fig. 11

Relation between output speed and torque when e is 0.5

图12传动链外特性曲线(0<+<0.5)

Fig. 12 External characteristic curve of transmission

chain(0以用黑色点划线U =0)与黑色

\"二〇. 5)之间的面积来表示.相 的、单一变量的 系统，机械

无级调速系统显然能适

多的工况，从而可以

优化选择，提

：用效率*

合乙=1的情况下输出 输出

的关系，可以得出整个传动系统的输出曲

图13

V*

500

1000

1500

2 000

2 500

变速系统输出转速/ Omirr1)

图13传动链综合外特性曲线

Fig.13

External characteristic curve of comprehensive transmission chain

在图13中，实线表示的是ix = 2/3时的变速

326

中国工程机械学报第16卷

系动性能，虚线表示的是ix = 1时候的变速系

动性能.3 出，如果增加机械传动部分

(如中间 动比O可显 善整个传动系统的调 ，同时，对输出

的效

显著.合考虑

变量泵的

，即考虑e的符

号、中间

动比乙，出整个传动系统的双调

曲线，如图14所示.

(_S87

.6

oN5_)432o/

跋 1o_黹壬o__o

_辗o•

鵂铟o丨•-2//3,o.揪

•/o■ o.'2-丨-2/3,-2，//3;o=?sc.3-z-3，

^多?5i-3d

c变速系统输出转速/ (r.miir1)

图14传动链总体外特性曲线

Fig. 14 Composite external characteristic curve of

transmission chain with two variates

从图14可以分析出：由于采取 变量泵，

量比e 分，与单向变量泵相比，其调

能 显的改善.如图14中的 部分，与图12相比，即e>0时，其最大扭

55N. m提85N • m，提 60W，且可以在更低的转下输出更大的 *

，在 的输出转

下， 无级调速，其最大

的区间

丨更

大，这意味

个传动系统的适应能

.

55 ? 50

^45I5 40M3 35i搏

30 25

20

200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000

变速系统输出转速/ Omirr1)

图1E不同变量下传动链外特性曲线

Fig. 15 External characteristic curve of transmission

chain by different variate

在图15中:实线表示，当排量 定，提高变频

器的输出频率，传动链的输出扭矩提高，

大承能力时， 扭矩输出状态，且排量 ，传动链最大输出扭

大，最大扭

；虚线表示， 定，提 量比，输出

变大，输出扭

变小.频率大于30 Hz后，改变

对传动链输出大，对输出扭矩的

.

4结论

本文介绍了变频器与变量泵双变量复合调节 动链的性能研究情况，，

变量

星机构两个输入端的匹 试验，通过试

仿真结果

的对比，分析得出 建 的成果.

(1)当功率分流比0大于0. 2后，传动链的传 动效率显著下降.

(). 的、单一变量的 系统相

比，双变量调速系统显然能适

多的工况，从而

可以 优化选择，提高能量利用效率.\"3)

增 机械 动 部分\" 中 间

动

U可显 善整个传动系统的调

；同时，对

输出 的效 显 .

().

量

定，提高变频器的输出

【，动链的输出扭矩提高， 大承载能 ，保扭矩输出状态，且排量 ，传动 大输出 扭 大， 大扭

.\"5) 定， 提

量 ， 输出

变 大输出扭矩变小.频率大于30 Hz后，改变

对传动链输出 大，对输出扭矩的

.

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180

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角度/(° )

图11缸压驱动力矩图线

Fig. 11

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