CN106704408B - 可控型机械式软启动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控型机械式软启动系统及方法，包括输入轴、输出轴、空载启动系统、中间传动系统、同步/啮合系统和啮合系统，整个系统的操作主要包括空载启动、预同步、同步、工作和停车五个步骤。本发明在任何负载之下，能保证电动机始终空载启动，空载启动成功并达到设定转速后，负载的转速才开始逐渐增加，并且按照设计的函数曲线逐渐增加直到与电动机转速相同；整个启动过程中，负载对电动机造成的冲击小，启动过程平稳可控，在多数场合可以不用启动控制系统，从而同时具备传统电气式和机械式软启动系统的优点。

Description

可控型机械式软启动系统及方法

技术领域

本发明涉及一种机械式运动和动力传递系统方法，具体为一种可控型机械式软启动系统及方法。

背景技术

在大型设备中，如风机、磨机等，转动部分质量较大，因而具有较大的转动惯量。机器启动时是带载启动，同样的，由于惯量大，机器停机也慢。我们称这类设备为大惯量启动设备。这类设备如果直接启动，电动机需克服的转矩超过了电动机的启动转矩，造成电动机满载启动，甚至超载启动，启动电流过大，对电动机及电网均有不良影响；由于电动机直接以大转矩启动，机械部分无缓冲时间，对机械部分将造成巨大的冲击载荷。这些会直接影响到设备的长周期运行。因此为了保证设备的长周期运行，往往采用软启动的方式来改善这一问题。常见的软启动技术包括以下几种：

1.1电机类软启动技术

通过改变电动机的结构或改变电源特性，不依赖于机械系统的工作原理使得电动机获得良好的软启动特性。例如：变频调速软启动、软启动器软启动、直流电动机软启动、开关磁阻软启动等。这几类软启动主要的缺点有：

⑴启动电流冲击较大，电动机不能空载启动；

⑵大功率的防爆变频器依赖进口，价格昂贵，备品备件要进口,事故处理也依赖外国公司；

⑶控制复杂,使用维护要求高,对环境温度及清洁度要求高；

⑷频率改变还是对电源有一定的污染；

⑸在井下使用时，功率器件的发热较难解决。

1.2机电结合类软启动技术

软启动功能的实现同时依赖于机械系统的工作原理和电动机的工作特性，如双电动机差动软启动。双电动机差动软启动是近些年来发明的一种较新型的大功率软启动方式，主要由大功率主电机、小功率辅助电动机、差动的行星传动机构、辅助传动系统和控制系统组成，具有以下特点：传动效率高，发热量小，工作可靠，使用寿命长，机械和控制系统简单，维护成本低等。但这种软启动方式没有过载保护，采用涡轮蜗杆传动容易造成自锁。

1.3机械类软启动技术

不依赖于电动机本身的特性，而是改变机械系统的工作原理来实现软启动功能。例如：液力偶合器软启动、液体黏性软启动、磁粉制动软启动、低速大转矩液压马达软启动等，目前这类软启动是最为常见的。缺点：启动过程是不可控的，控制过程不可控。不能精确控制负载转速与启动过程(时间)之间的函数关系。

从长远角度来看，传统的软启动方式难以满足未来对大功率、高效率、绿色环保等要求，因此有必要对新型软启动方式进行研究和探索。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可控型机械式软启动系统及方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种可控型机械式软启动系统，包括输入轴、输出轴、空载启动系统、中间传动系统、同步/啮合系统和啮合系统，所述输入轴同时与所述同步/啮合系统、所述空载启动系统和所述啮合系统连接，所述同步/啮合系统和所述啮合系统均与所述中间传动系统连接，所述空载启动系统与所述中间传动系统之间通过离合式连接结构连接，所述同步/啮合系统和所述啮合系统均与所述输出轴通过离合式连接结构连接。

一种可控型机械式软启动方法，包括以下步骤：

1)空载启动：驱动电机带动输入轴转动，此时空载启动系统与中间传动系统之间是分离状态，当输入轴转速达到预设值时，通过速度控制器实现空载启动系统和中间传动系统的结合，完成空载启动阶段；

2)预同步：当空载启动系统与中间传动系统结合后，通过延时发生器、函数发生器和转换机构实现中间传动系统与同步/啮合系统的结合，在此阶段，利用延时发生器和函数发生器可有效控制启动时间；

3)同步：中间传动系统将速度信号输入传递给同步/啮合系统，同步/啮合系统开始同步，并通过同步/啮合系统中的啮合结构进行传动；

当转速继续升高，切换传动方式，通过速度控制器控制啮合系统的结合，此时同步/啮合系统和啮合系统同时进行传动；

当转速进一步增大，完成传动方式切换，通过速度控制器控制同步/啮合系统分离，控制空载启动系统分离，仅通过啮合系统进行传动，同步阶段完成；

4)工作：在此阶段中，在输入轴和输出轴完成同步后，开始进行无能量损失的可靠稳定的传动；

5)停车：输入轴转速逐渐降低，当转速持续降低，通过速度控制器使得啮合系统分离，从而实现停车。

作为本发明的其中一种结构选择，所述空载启动系统包括轴承、离心式离合器外壳和离心式离合器转子，所述中间传动系统包括丝杆螺母、定位销、输出丝杆、盘簧、减速器压板、减速器、限位板和内复位弹簧，所述同步/啮合系统包括摩擦式离合器外壳、若干内摩擦片、若干外摩擦片、端齿外壳、离心摆锤、摩擦式离合器内壳、外复位弹簧和所述减速器压板，所述啮合系统包括所述摩擦式离合器外壳、前端齿、所述端齿外壳、所述连杆、所述离心摆锤、所述摩擦式离合器内壳和后端齿；

所述摩擦式离合器内壳的右端置于所述摩擦式离合器外壳中且左端与所述输出轴固定连接，所述输入轴同时与所述摩擦式离合器外壳和所述离心式离合器转子连接；

所述离心式离合器外壳位于所述摩擦式离合器内壳与所述摩擦式离合器外壳所形成的腔体内，所述离心式离合器外壳的一部分凸出于所述摩擦式离合器内壳的右端，所述轴承套在所述离心式离合器外壳上，所述轴承位于所述离心式离合器外壳与所述摩擦式离合器外壳之间，所述内复位弹簧设置在所述离心式离合器外壳与所述摩擦式离合器内壳之间；

所述输出丝杆、所述减速器和所述离心式离合器外壳从左至右依次设置在所述摩擦式离合器内壳中，所述离心式离合器转子设置在所述离心式离合器外壳中，所述减速器的转矩输入端与所述离心式离合器外壳连接，所述减速器的转矩输出端与所述输出丝杆连接，所述丝杆螺母和所述盘簧均设置在所述输出丝杆上，所述盘簧位于所述减速器与所述丝杆螺母之间；

所述定位销固定于所述摩擦式离合器内壳的内壁，所述丝杆螺母的环面设置有曲线导向卡槽，所述定位销卡于所述曲线导向卡槽内；

所述离心摆锤、所述前端齿和所述后端齿从左至右依次设置在所述摩擦式离合器内壳的外壁，所述前端齿正对所述后端齿，所述离心摆锤的中部与所述摩擦式离合器内壳铰接，所述离心摆锤的重心位于其铰接点的左侧，所述外复位弹簧设置在所述离心摆锤左端和所述摩擦式离合器内壳之间，所述减速器压板设置在所述离心摆锤右端和所述减速器之间，所述减速器压板的中部与所述摩擦式离合器内壳铰接，所述减速器压板的左端位于所述离心摆锤右端的下方，所述减速器压板的右端正对所述减速器，所述离心摆锤的左端通过连杆与所述前端齿连接，所述后端齿与所述摩擦式离合器外壳固定连接，所述前端齿固定安装在所述端齿外壳上，所述连杆的一端与所述离心摆锤铰接且另一端与所述端齿外壳铰接；

若干所述内摩擦片和若干所述外摩擦片均设置在所述摩擦式离合器外壳内，若干所述内摩擦片与若干所述外摩擦片交错排列，若干所述外摩擦片均与所述摩擦式离合器外壳的内壁固定连接，若干所述内摩擦片均与所述摩擦式离合器内壳的外壁固定连接，相邻的所述内摩擦片和所述外摩擦片之间设置有用于调节摩擦力大小的间隙。

进一步地，所述摩擦式离合器内壳为左端小右端大的阶梯式筒状结构，所述内复位弹簧位于所述摩擦式离合器内壳的内阶梯面与所述离心式离合器外壳之间，所述内复位弹簧与所述输入轴平行。

进一步地，所述摩擦式离合器内壳中设置有用于限制所述减速器向右运动的限位板，所述限位板与所述摩擦式离合器内壳之间为销连接结构。

本发明的有益效果在于：

本发明在任何负载之下，能保证电动机始终空载启动，空载启动成功并达到设定转速后，负载的转速才开始逐渐增加，并且按照设计的函数曲线逐渐增加直到与电动机转速相同；整个启动过程中，负载对电动机造成的冲击小，启动过程平稳可控，在多数场合可以不用启动控制系统，从而同时具备传统电气式和机械式软启动系统的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图框图，图中结构状态处于空载启动阶段；

图2是本发明的结构示意图框图，图中结构状态处于预同步阶段；

图3是本发明的结构示意图框图，图中结构状态处于同步阶段，且同步/啮合系统工作；

图4是本发明的结构示意图框图，图中结构状态处于同步阶段，且同步/啮合系统和啮合系统同时工作；

图5是本发明的结构示意图框图，图中结构状态处于同步阶段，且啮合系统工作；

图6是本发明中实施例的剖视结构示意图；

图中：1-摩擦式离合器外壳、2-轴承、3-离心式离合器外壳、4-离心式离合器转子、5-内摩擦片、6-外摩擦片、7-前端齿、8-端齿外壳、9-连杆、10-离心摆锤、11-摩擦式离合器内壳、12-丝杆螺母、13-定位销、14-输出丝杆、15-外复位弹簧、16-盘簧、17-减速器压板、18-减速器、19-限位板、20-内复位弹簧、21-后端齿、22-曲线导向卡槽、23-输入轴、24-输出轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明包括输入轴、输出轴、空载启动系统、中间传动系统、同步/啮合系统和啮合系统，输入轴同时与同步/啮合系统、空载启动系统和啮合系统连接，同步/啮合系统和啮合系统均与中间传动系统连接，空载启动系统与中间传动系统之间通过离合式连接结构连接，同步/啮合系统和啮合系统均与输出轴通过离合式连接结构连接。

本发明装置在工作时分为空载启动阶段、预同步阶段、同步阶段、工作阶段和停车阶段。

空载启动阶段

如图1所示，在空载启动阶段，驱动电机带动输入轴转动，此时空载启动系统与中间传动系统之间是分离状态，实现空载启动。系统内设有速度控制器，当输入轴转速达到预设值时，完成空载启动阶段，空载启动系统与中间传动系统结合，进入预同步阶段。

预同步阶段

如图2所示，中间传动系统由延时发生器、函数发生器和转换机构组成，当空载启动系统与中间传动系统结合后，带动减速器工作进而带动函数发生器，再通过函数发生器带动转换机构，实现中间传动系统与同步/啮合系统的结合。

在此阶段，利用延时发生器与函数发生器并结合具体工况，可有效控制启动时间。

同步阶段

参与同步阶段的部分为同步/啮合系统和啮合系统，分三步进行，系统内设有速度控制器，进行速度反馈。进入同步阶段，中间传动系统将信号输入传递给同步/啮合系统，系统开始同步，并通过此系统中的啮合结构进行传动，如图3所示。

由于同步/啮合系统的传递不够稳定并且会有能量损耗，因此利用啮合系统进行传动。

当转速继续升高，系统传动方式进行切换，速度控制器控制啮合系统相结合，此时同步/啮合系统和啮合系统同时进行传动。如图4所示。

转速进一步增大，完成传动方式切换，速度控制器控制同步/啮合系统分离、空载启动系统分离，系统仅通过啮合系统进行传动，如图5所示，同步阶段完成。

工作阶段：在此阶段中，系统工作通过输入轴—啮合系统—输出进行无能量损失的可靠稳定的传动。

停车阶段：当停车时，输入轴转速会越来越低，当转速持续降低，速度控制器使得啮合系统分离，从而实现停车的过程。

结构实施例

如图6所示，空载启动系统包括轴承2、离心式离合器外壳3和离心式离合器转子4，中间传动系统包括丝杆螺母12、定位销13、输出丝杆14、盘簧16、减速器压板17、减速器18、限位板19和内复位弹簧20，同步/啮合系统包括摩擦式离合器外壳1、若干内摩擦片5、若干外摩擦片6、端齿外壳8、离心摆锤10、摩擦式离合器内壳11、外复位弹簧15和减速器压板17，啮合系统包括摩擦式离合器外壳1、前端齿7、端齿外壳8、离心摆锤10、摩擦式离合器内壳11和后端齿21；摩擦式离合器内壳11的右端置于摩擦式离合器外壳1中且左端与输出轴24固定连接，输入轴23同时与摩擦式离合器外壳1和离心式离合器转子4连接；离心式离合器外壳3位于摩擦式离合器内壳11与摩擦式离合器外壳1所形成的腔体内，离心式离合器外壳3的一部分凸出于摩擦式离合器内壳11的右端，轴承2套在离心式离合器外壳3上，轴承2位于离心式离合器外壳3与摩擦式离合器外壳1之间，内复位弹簧20设置在离心式离合器外壳3与摩擦式离合器内壳11之间；输出丝杆14、减速器18和离心式离合器外壳3从左至右依次设置在摩擦式离合器内壳11中，离心式离合器转子4设置在离心式离合器外壳3中，减速器18的转矩输入端与离心式离合器外壳3连接，减速器18的转矩输出端与输出丝杆14连接，丝杆螺母12和盘簧16均设置在输出丝杆14上，盘簧16位于减速器18与丝杆螺母12之间；定位销13固定于摩擦式离合器内壳11的内壁，丝杆螺母12的环面设置有曲线导向卡槽22，定位销13卡于曲线导向卡槽22内；离心摆锤10、前端齿7和后端齿21从左至右依次设置在摩擦式离合器内壳11的外壁，前端齿7正对后端齿21，离心摆锤10的中部与摩擦式离合器内壳11铰接，离心摆锤10的重心位于其铰接点的左侧，外复位弹簧15设置在离心摆锤10左端和摩擦式离合器内壳11之间，减速器压板17设置在离心摆锤10右端和减速器18之间，减速器压板17的中部与摩擦式离合器内壳11铰接，减速器压板17的左端位于离心摆锤10右端的下方，减速器压板17的右端正对减速器18，离心摆锤10的左端通过连杆9与前端齿7连接，后端齿21与摩擦式离合器外壳1固定连接，前端齿7固定安装在端齿外壳8上，连杆9的一端与离心摆锤10铰接且另一端与端齿外壳8铰接；若干内摩擦片5和若干外摩擦片6均设置在摩擦式离合器外壳1内，若干内摩擦片5与若干外摩擦片6交错排列，若干外摩擦片6均与摩擦式离合器外壳1的内壁固定连接，若干内摩擦片5均与摩擦式离合器内壳11的外壁固定连接，相邻的内摩擦片5和外摩擦片6之间设置有用于调节摩擦力大小的间隙。摩擦式离合器内壳11为左端小右端大的阶梯式筒状结构，内复位弹簧20位于摩擦式离合器内壳11的内阶梯面与离心式离合器外壳3之间，内复位弹簧20与输入轴23平行。摩擦式离合器内壳11中设置有用于限制减速器18向右运动的限位板19，限位板19与摩擦式离合器内壳11之间为销连接结构。

基于结构实施例的工作原理如下：

摩擦式离合器外壳1与输入轴相连接，摩擦式离合器内壳11与输出轴相连接。

启动时：输入轴带动离心式离合器转子4，当转子4达到一定的转速时，转子4与离心式离合器外壳3接触，通过摩擦带动外壳3转动。离心式离合器外壳3带动减速器18的输入轴转动，输出丝杆14带动丝杆螺母12转动，盘簧16蓄能，丝杠螺母外周按照特定函数加工凸轮型线，凸轮带动负载离合器内壳11移动，内摩擦片5和外摩擦片6相接触，输入轴和输出轴实现同步转动。当摩擦式离合器内壳11转速达到一定速度时，离心摆锤10由于离心作用将压下限位装置17，并经过连杆9使前端齿7和后端齿21啮合，此时输入轴通过摩擦式离合器外壳1和端齿传递扭矩，从而直接带动输出轴工作，实现软启动。

同时，由于限位装置17抬起，减速器18和丝杆螺母12在盘簧14的作用下实现反转复位，内摩擦片5和外摩擦片6脱离。

本系统的中间传动系统采用摩擦式离合器进行传动，根据本系统的工作原理，还可以采用钢球式离合器、液力变矩器等相同原理的结构进行替换。减速器在此是延时发生器的作用，采用的是RV减速器，根据工作原理，可采用其他类型的减速器进行替换，比例越大，延时时间越长。

在同步/啮合系统中采用了离心摆锤与限位装置进行同步，根据系统的工作原理你，此处还可采用连杆机构等相同原理的结构进行替换。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可控型机械式软启动方法，其特征在于，包括可控型机械式软启动系统，所述系统包括输入轴和输出轴；还包括空载启动系统、中间传动系统、同步/啮合系统和啮合系统，所述输入轴同时与所述同步/啮合系统、所述空载启动系统和所述啮合系统连接，所述同步/啮合系统和所述啮合系统均与所述中间传动系统连接，所述空载启动系统与所述中间传动系统之间通过离合式连接结构连接，所述同步/啮合系统和所述啮合系统均与所述输出轴通过离合式连接结构连接；

基于所述可控型机械式软启动系统的启动方法，包括以下步骤：

1)空载启动：驱动电机带动输入轴转动，此时空载启动系统与中间传动系统之间是分离状态，当输入轴转速达到预设值时，通过速度控制器实现空载启动系统和中间传动系统的结合，完成空载启动阶段；

2)预同步：当空载启动系统与中间传动系统结合后，通过延时发生器、函数发生器和转换机构实现中间传动系统与同步/啮合系统的结合，在此阶段，利用延时发生器和函数发生器有效控制启动时间；

3)同步：中间传动系统将速度信号输入传递给同步/啮合系统，同步/啮合系统开始同步，并通过同步/啮合系统中的啮合结构进行传动；

当转速继续升高，切换传动方式，通过速度控制器控制啮合系统的结合，此时同步/啮合系统和啮合系统同时进行传动；

当转速进一步增大，完成传动方式切换，通过速度控制器控制同步/啮合系统分离，控制空载启动系统分离，仅通过啮合系统进行传动，同步阶段完成；

4)工作：在此阶段中，在输入轴和输出轴完成同步后，开始进行无能量损失的可靠稳定的传动；

5)停车：输入轴转速逐渐降低，当转速持续降低，通过速度控制器使得啮合系统分离，从而实现停车。

2.根据权利要求1所述的可控型机械式软启动方法，其特征在于：所述空载启动系统包括轴承、离心式离合器外壳和离心式离合器转子，所述中间传动系统包括丝杆螺母、定位销、输出丝杆、盘簧、减速器压板、减速器、限位板和内复位弹簧，所述同步/啮合系统包括摩擦式离合器外壳、若干内摩擦片、若干外摩擦片、端齿外壳、离心摆锤、摩擦式离合器内壳、外复位弹簧和所述减速器压板，所述啮合系统包括所述摩擦式离合器外壳、前端齿、所述端齿外壳、所述离心摆锤、所述摩擦式离合器内壳和后端齿；

所述摩擦式离合器内壳的右端置于所述摩擦式离合器外壳中且左端与所述输出轴固定连接，所述输入轴同时与所述摩擦式离合器外壳和所述离心式离合器转子连接；

所述离心式离合器外壳位于所述摩擦式离合器内壳与所述摩擦式离合器外壳所形成的腔体内，所述离心式离合器外壳的一部分凸出于所述摩擦式离合器内壳的右端，所述轴承套在所述离心式离合器外壳上，所述轴承位于所述离心式离合器外壳与所述摩擦式离合器外壳之间，所述内复位弹簧设置在所述离心式离合器外壳与所述摩擦式离合器内壳之间；

所述输出丝杆、所述减速器和所述离心式离合器外壳从左至右依次设置在所述摩擦式离合器内壳中，所述离心式离合器转子设置在所述离心式离合器外壳中，所述减速器的转矩输入端与所述离心式离合器外壳连接，所述减速器的转矩输出端与所述输出丝杆连接，所述丝杆螺母和所述盘簧均设置在所述输出丝杆上，所述盘簧位于所述减速器与所述丝杆螺母之间；

所述定位销固定于所述摩擦式离合器内壳的内壁，所述丝杆螺母的环面设置有曲线导向卡槽，所述定位销卡于所述曲线导向卡槽内；

所述离心摆锤、所述前端齿和所述后端齿从左至右依次设置在所述摩擦式离合器内壳的外壁，所述前端齿正对所述后端齿，所述离心摆锤的中部与所述摩擦式离合器内壳铰接，所述离心摆锤的重心位于其铰接点的左侧，所述外复位弹簧设置在所述离心摆锤左端和所述摩擦式离合器内壳之间，所述减速器压板设置在所述离心摆锤右端和所述减速器之间，所述减速器压板的中部与所述摩擦式离合器内壳铰接，所述减速器压板的左端位于所述离心摆锤右端的下方，所述减速器压板的右端正对所述减速器，所述离心摆锤的左端通过连杆与所述前端齿连接，所述后端齿与所述摩擦式离合器外壳固定连接，所述前端齿固定安装在所述端齿外壳上，所述连杆的一端与所述离心摆锤铰接且另一端与所述端齿外壳铰接；

若干所述内摩擦片和若干所述外摩擦片均设置在所述摩擦式离合器外壳内，若干所述内摩擦片与若干所述外摩擦片交错排列，若干所述外摩擦片均与所述摩擦式离合器外壳的内壁固定连接，若干所述内摩擦片均与所述摩擦式离合器内壳的外壁固定连接，相邻的所述内摩擦片和所述外摩擦片之间设置有用于调节摩擦力大小的间隙。

3.根据权利要求2所述的可控型机械式软启动方法，其特征在于：所述摩擦式离合器内壳为左端小右端大的阶梯式筒状结构，所述内复位弹簧位于所述摩擦式离合器内壳的内阶梯面与所述离心式离合器外壳之间，所述内复位弹簧与所述输入轴平行。

4.根据权利要求2所述的可控型机械式软启动方法，其特征在于：所述摩擦式离合器内壳中设置有用于限制所述减速器向右运动的限位板，所述限位板与所述摩擦式离合器内壳之间为销连接结构。