专利名称：一种调速型液力偶合器驱动复杂机械系统的建模方法
技术领域：
本发明涉及一种机械工程领域有关液力偶合器的建模方法，具体系一种调速型液力偶 合器驱动复杂机械系统的建模方法。
(二)
背景技术：
液力偶合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦合器 的泵轮和透平轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，透平轮装 在输出轴上。动力机(内燃机、电动机等)带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这 种高速液体进入透平轮后即推动透平轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴，最后液 体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力耦合器靠液体与泵轮、透平轮的叶片相互作用产 生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等於输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭 矩恒小于输入扭矩。液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联 接。液力耦合器能消除冲击和振动，输出转速低于输入转速，两轴的转速差随载荷的增大 而增加，过载保护性能和起动性能好，载荷过大而停转时输入轴仍可转动，不致造成动力 机的损坏，当载荷减小时，输出轴转速增加直到接近于输入轴的转速，使传递扭矩趋於零。
调速型液力偶合器为，液力偶合器工作腔内充入一定量的工作液(一般为32号透平 油)，工作轮泵轮从电动机上获得机械能，并转化为液体能，推动透平轮旋转，透平轮把 液体能转化为机械能，通过油输出，带动工作机工作，周而复始，实现了从原动机到工作 机之间的能量传递。调速型液力偶合器之所以能够调速，是通过偶合器的导管改变导管开 度，从而改变工作腔内工作液的充满度，在电机转速不变的情况下，实现对工作机的无级 调速，改变输出功率的大小。偶合器配备有电动执行器，能接受执行控制信号并操作导管 开度，亦可按用户要求配自动测速装置，可以实现手动调节转速或自动控制。
调速型液力偶合器的具体结构由泵轮、透平轮、转动外壳、导流管等组成。泵轮和透 平轮对称布置，中间保持一定间隙，轮内有几十片径向辐射的叶片，运转时在偶合器中充 油，当输入轴带动泵轮旋转时，进入泵轮的油在叶片带动下，因离心力作用由泵轮内侧流向外缘，形成高压高速液流冲向透平轮叶片，使透平轮跟随泵轮作同向旋转，油在透平轮 中由外缘流向内侧被迫减压减速，然后流入泵轮，在这种循环中，泵轮将原动机的机械能 转变成油的动能和势能，而透平轮则将油的动能和势能又转变成输出轴的机械能，从而实 现能量的柔性传递。转动外壳与泵轮相连，转动外壳腔内放置一根可径向位移的导流管， 运转时，腔内的油随转动外壳一起以与泵轮相同的转速旋转，以圆周速度旋转的油环碰到 固定不转(只能移动)的导流管头孔口，动能就变成位能，油环的油即自导流管流出，偶 合器中的充油量只能与导流管孔口相齐平，只要改变导流管的位置，就能改变偶合器中的 充油度，也就可以在原动机转速不变的条件下实现工作机的无级调速。
调速型液力偶合器常用来驱动复杂机械系统。用数值逐步积分法对复杂机械系统进行 运行特性分析可实现在设计阶段预测和优化其动态性能，进而实现对复杂机械系统运行过 程进行控制和优化。而要做到这些，建立调速型液力偶合力矩方程或数学模型是进行系统 特性计算和分析的关键。
现有技术的方法是用液力偶合器原始特性曲线直接激励机械系统，由于液力偶合器原 始特性曲线是考虑电动机和泵轮转速已达到某个稳定速度，这样的计算方法忽略了电动机 和泵轮转速由零增加到某个稳定速度的过渡过程，计算的结果与实际情况不完全相符，会 影响整个复杂机械系统设计的正确性、精确度以及合理实施。
发明内容
本发明的目的是提供调速型液力偶合器及由其驱动的复杂机械系统的建模方法，使其 包括电动机和泵轮转速由零增加到某个稳定速度的过渡过程，更加逼近真实状态。 本发明的目的由以下方法实现
一种调速型液力偶合器驱动复杂机械系统的建模方法，其特征在于将以上的机械系 统分成两个独立部分分别进行建模，将液力偶合器的泵轮和透平轮分开处理， 一个独立部 分是电动机与液力偶合器的泵轮相连接，另一个独立部分是液力偶合器的透平轮与机械系 统相连接，分别建立各自的运动方程，根据这两个方程求解机械系统中的各运动量
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传动比/ = / 和工作液体重度一定时，液力偶合器 泵轮所传递的力矩M^与泵轮转速 之间的关系，即^1^=/( )的函数关系，它实际上是 一簇抛物线，即My =華5 (1)
式中Z)—作用直径；
;i一液力偶合器力矩系数；
y—油液重力系数；
一液力偶合器透平轮转速 (即机械系统转速)。
② 所述电动机和液力偶合器联合力矩特性
在电动机和液力偶合器实际运行中，wfl 、 和/都是变化的，所以它们的力矩特性 也都是在不断地变化，这样复杂的液一机耦合现象可用下述两运动方程来描述，即将液力 偶合器泵轮与电动机刚性相联部分作为一部分，将液力偶合器透平轮与减速器合输送机刚 性相联部分作为另一部分，两者相对独立，但中间的力矩相同，传动比也相同，这样前者 的运动方程为
Mrf_A^= /々rf (2) 式中 ,6^—电动机和泵轮的转速；
人一电动机、泵轮及油液的转动惯量。
③ 所述减速器、复杂机械系统等与液力偶合器透平轮刚性相联部分的运动方程W = M (3) 式中[A/]—复杂机械系统的质量矩阵； [C]—复杂机械系统的阻尼矩阵； [AT]—复杂机械系统的刚度矩阵；
作用在复杂机械系统上的外力矩阵，包括驱动系统的动力、制动系统的制动力 以及各类运行阻力。
^U^, Wl—复杂机械系统的加速度、速度及位移矩阵； 分别解上述(2)(3)两方程可得复杂机械系统各点、泵轮及透平轮的转速，进而得到传动比 和力矩系数等。
本发明的有益效果和优点是-
这样的建模方法避免了传统的用原始特性曲线直接激励机械系统所带来的误差，包括 电动机和泵轮转速由零增加到某个稳定速度的过渡过程，使得方案设计更加正确、全面地 符合真实机械系统状态，提高设计规划工作的正确性、精确度和实施效率。(四)
图1为一种调速型液力偶合器驱动复杂机械系统的建模方法的数学模型及计算原理图。
具体实施方式
办法 下面结合附图对本发明作进一步说明。
根据己知的电动机、液力偶合器及机械系统的工作原理及运动方程(1)、 (2)和(3)， 建立了图l所示的调速型液力偶合器及由其驱动的复杂机械系统的数学模型，它描述了调 速型液力偶合器与其他各系统之间的力学和运动学关系。
如图1所示，该复杂机械系统运行特性计算过程如下
1) 在时间段A^内，电动机带动减速器、泵轮等部件转动，其数学关系如方程(2)所 示，使泵轮得到角加速度^，根据运动学关系可进一步求出其泵轮角转速度c^，据此可 求得当前条件下泵轮和透平轮力矩(两者相等)M,，如方程(1)所示。
2) 然后，将透平轮力矩代入运动方程(3)中，可求出系统各运动和力学参数，并可 得液力偶合器转差率Z。
3) 由透平轮转速 来控制勺管的开度&,再根据&和/可求出新的液力偶合器力矩系
数;i和力矩值。
4) 当第一时间段结束并进入第二时间段A^内后，电动机、液力偶合器及整个系统各 参数都要发生变化，变化后的数值计算同上一过程。
5) 如此循环，直到运行时间结束。
权利要求
1. 一种调速型液力偶合器驱动复杂机械系统的建模方法，其特征在于，将机械系统分成两个独立部分分别进行建模，一个独立部分是电动机与液力偶合器的泵轮相连接，另一个独立部分是液力偶合器的透平轮与机械系统相连接，分别建立各自的运动方程，根据这两个方程求解机械系统中的运动量。
2. 根据权利要求1所述复杂机械系统的建模方法，其特征在于 所述的限矩型液力偶合器的力矩特性为限矩型液力偶合器力矩特性是指传动比Z'= / 和工作液体重度一定时，液力偶合器 泵轮所传递的力矩m^与泵轮转速 之间的关系，即^1^=/( )的函数关系，它实际上是 一簇抛物线。即= ;^5w82 (i)式中 d—作用直径义一液力偶合器力矩系数 ^一油液重力系数 一液力偶合器透平轮转速 ，即机械系统转速所述的电动机和液力偶合器联合力矩特性为在电动机和液力偶合器实际运行中，"s 、 /v和/都是变化的，它们的力矩特性也都 是在不断地变化，这样复杂的液——机耦合现象可用下述两运动方程来描述，即将液力偶 合器泵轮与电动机刚性相联部分作为一部分，将液力偶合器透平轮与减速器合输送机刚性 相联部分作为另一部分，两者相对独立，但中间的力矩相同，传动比也相同，这样前者的 运动方程为(2)式中 ，6^—电动机和泵轮的转速^一电动机、泵轮及油液的转动惯量所述的减速器、复杂机械系统与液力偶合器透平轮刚性相联部分的运动方程为<formula>formula see original document page 3</formula> 式中[M]—复杂机械系统的质量矩阵 [C]一复杂机械系统的阻尼矩阵 [《]一复杂机械系统的刚度矩阵{尸}一作用在复杂机械系统上的外力矩阵，包括驱动系统的动力、制动系统的制动力 以及各类运行阻力^U4,tcl—复杂机械系统的加速度、速度及位移矩阵分别解上述(2) (3)两方程可得复杂机械系统各点、泵轮及透平轮的转速，进而得到传 动比和力矩系数等。
全文摘要
本发明涉及一种机械工程领域有关液力偶合器的建模方法，具体系一种调速型液力偶合器驱动复杂机械系统的建模方法。一种调速型液力偶合器驱动复杂机械系统的建模方法，将机械系统分成两个独立部分分别进行建模，将液力偶合器的泵轮和透平轮分开处理，一个独立部分是电动机与液力偶合器的泵轮相连接，另一个独立部分是液力偶合器的透平轮与机械系统相连接，分别建立各自的运动方程，根据这两个方程求解机械系统中的运动量。本发明的建模方法避免了传统的用原始特性曲线直接激励机械系统所带来的误差使得方案设计更加正确、全面地符合真实机械系统状态，提高了整体机械系统设计规划工作的正确性、精确度和实施效率。
文档编号G06F17/50GK101303705SQ20081003676
公开日2008年11月12日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者李光布 申请人:上海师范大学