一種基于PLC控制的可調(diào)速磁力聯(lián)軸器設(shè)計(jì)*

陳 競(jìng)

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南焦作 454000)

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括各種齒輪結(jié)構(gòu)［1］、皮帶輪結(jié)構(gòu)、鏈結(jié)構(gòu)還有渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)等。這些現(xiàn)行的裝置具有傳動(dòng)比恒定、能實(shí)現(xiàn)較大功率的傳遞等優(yōu)點(diǎn)。但是所有這些結(jié)構(gòu)在傳動(dòng)的過(guò)程中，都要求主動(dòng)部件與從動(dòng)部件相互接觸，因此都會(huì)存在磨損、振動(dòng)和噪聲，另外還有潤(rùn)滑要求，并且精度也會(huì)受到影響。永磁磁力聯(lián)軸器屬于磁耦合傳動(dòng)的一種，可以實(shí)現(xiàn)非接觸的動(dòng)力傳遞，它取消了傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置中的動(dòng)密封，實(shí)現(xiàn)了靜密封、零泄漏。將永磁磁力聯(lián)軸器應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)件與從動(dòng)件的完全分離，并可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式的組合，許多較為復(fù)雜傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式會(huì)得到簡(jiǎn)化。

1 磁力傳動(dòng)原理

磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是通常狀況的力和轉(zhuǎn)矩的傳遞機(jī)構(gòu)［2］，也可以是全密封裝置下的力和轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

全密封動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)主要由以下三部分組成:

(1)主動(dòng)磁機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件和從動(dòng)磁機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，由主動(dòng)磁組件和從動(dòng)磁組件以及與之相配套的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中包括用于配合運(yùn)動(dòng)行式轉(zhuǎn)換的導(dǎo)向裝置等。

(2)在主、從動(dòng)磁運(yùn)動(dòng)部件之間工作氣隙中設(shè)置的隔離套部件以及工作狀態(tài)(如溫度、壓力等)測(cè)試監(jiān)控機(jī)構(gòu)等。

(3)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。

磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

1．動(dòng)力控制系統(tǒng) 2．動(dòng)力機(jī) 3．主動(dòng)磁組部件 4．隔離套5．負(fù)載傳動(dòng)及導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 6．從動(dòng)磁組部件 7．負(fù)載機(jī)構(gòu)8．運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)器 9．溫度檢測(cè)機(jī)構(gòu)

其工作過(guò)程如下［3］:①動(dòng)力控制系統(tǒng)控制指揮動(dòng)力機(jī)工作。根據(jù)運(yùn)行要求，動(dòng)力機(jī)工作轉(zhuǎn)速可調(diào)，轉(zhuǎn)向可變換;②動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)磁組件運(yùn)行工作;③主、從動(dòng)磁組件之間透過(guò)隔離套器壁相互磁耦合，當(dāng)主動(dòng)磁組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)磁組件由于磁場(chǎng)的耦合作用開(kāi)始運(yùn)動(dòng);④從動(dòng)磁組件帶動(dòng)和控制負(fù)載運(yùn)動(dòng);⑤件8主要檢測(cè)從動(dòng)磁組件及件5、件7的工作運(yùn)行狀態(tài);件9主要檢測(cè)隔離套內(nèi)部溫度、壓力等狀態(tài);隔離套除了用作密封隔離外，還對(duì)主、從動(dòng)磁組件起定位、支撐作用以及控制從動(dòng)磁組件的定向運(yùn)動(dòng)作用。

2 調(diào)速磁力聯(lián)軸器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合磁力聯(lián)軸器傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的PLC控制調(diào)速的同軸型圓筒式磁力聯(lián)軸器，該磁力調(diào)速器控制裝置工作原理示意圖如圖2所示。它主要由氣隙調(diào)節(jié)器、PLC控制裝置、傳感器和控制臺(tái)等部分組成。

圖2 磁力調(diào)速器及控制裝置工作原理示意圖

(1)氣隙調(diào)節(jié)器 氣隙調(diào)節(jié)器是調(diào)整永磁組件與導(dǎo)磁組件之間的工作氣隙(對(duì)于圓盤(pán)式磁力調(diào)速器)或相互作用面積(對(duì)于圓筒式磁力調(diào)速器)的機(jī)構(gòu)。永磁組件與導(dǎo)磁組件之間的氣隙或相互作用面積發(fā)生變化時(shí)，氣隙減小(或作用面積增大)，傳遞的扭矩增大，永磁組件轉(zhuǎn)速也升高;氣隙增大(或作用面積減小)，傳遞的扭矩減小，永磁組件轉(zhuǎn)速也降低;永磁組件與導(dǎo)磁組件之間的氣隙達(dá)到一定值(或作用面積為零)，永磁組件轉(zhuǎn)速為零，即負(fù)載轉(zhuǎn)速為零。

(2)PLC控制裝置 磁力調(diào)速器要求工作可靠，并可根據(jù)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。為了實(shí)現(xiàn)上述控制任務(wù)，本系統(tǒng)采用三菱FX1N PLC作為系統(tǒng)的控制器。PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)輸出軸速度、負(fù)載輸入軸速度、以及壓力、流量或其它控制信號(hào)量，通過(guò)PID控制算法，輸出信號(hào)控制，驅(qū)動(dòng)氣隙調(diào)節(jié)器，使磁力調(diào)速器的工作氣隙變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。磁力調(diào)速器的整個(gè)控制裝置應(yīng)為全自動(dòng)，可直接由PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。當(dāng)自動(dòng)控制裝置出現(xiàn)故障時(shí)，也可就地操縱控制裝置手動(dòng)調(diào)節(jié)工作氣隙。

(3)傳感器 傳感器是把被測(cè)量［4］(如壓力、流量等)變換為另一種與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且容易測(cè)量的量(通常為電學(xué)量)的裝置。它是一種獲得信息的重要手段，它所獲得信息的正確與否，關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。

(4)操作臺(tái)(人機(jī)界面) 通過(guò)操作臺(tái)的按鈕、開(kāi)關(guān)，可以設(shè)置控制裝置工作方式。本控制裝置具備“手動(dòng)/自動(dòng)”兩種工作方式。當(dāng)自動(dòng)方式有故障時(shí)，可就地操縱控制裝置手動(dòng)調(diào)節(jié)工作氣隙。利用液晶顯示屏顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，輸出軸速度及相關(guān)參數(shù)。

3 PLC控制電路設(shè)計(jì)

3．1 PLC 選型

FX1N系列是功能很強(qiáng)大的微PLC［5］，可擴(kuò)展到多達(dá)128 I/O點(diǎn)，并且能增加特殊功能模塊或擴(kuò)展板。通信和數(shù)據(jù)鏈接功能選項(xiàng)使得FX1N在體積、通信和特殊功能模塊等重要的應(yīng)用方面非常完美。該型號(hào)PLC具備定位和脈沖輸出功能:一個(gè)PLC單元能同時(shí)輸出2點(diǎn)100 kHz脈沖，PLC配備有7條特殊的定位指令，包括零返回、絕對(duì)位置讀出、絕對(duì)或相對(duì)驅(qū)動(dòng)以及特殊脈沖輸出控制。

根據(jù)系統(tǒng)功能，本設(shè)計(jì)項(xiàng)目選擇FX1N－24MT型PLC，其具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PLC技術(shù)參數(shù)表

3．2 PLC外圍電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的PLC外圍電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 PLC外圍電路原理圖

4 性能測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)本設(shè)計(jì)的目的和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)便易行的試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，如圖4所示，為了精確測(cè)試扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度，在試驗(yàn)平臺(tái)上連接了轉(zhuǎn)速扭矩測(cè)試儀。溫度檢測(cè)采用紅外溫度傳感器。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

4．1 導(dǎo)磁體盤(pán)采用黃銅時(shí)的空載試驗(yàn)

圖5 為導(dǎo)磁體盤(pán)采用黃銅時(shí)，負(fù)載端軸不帶負(fù)載的轉(zhuǎn)速與永磁體移動(dòng)距離的關(guān)系曲線。隨著永磁體逐漸進(jìn)入導(dǎo)磁體內(nèi)腔，負(fù)載軸的轉(zhuǎn)速逐漸升高。

額定輸出時(shí)的轉(zhuǎn)速差:1491－1468=23(r/min)

圖5 導(dǎo)磁體盤(pán)采用黃銅時(shí)負(fù)載軸空載轉(zhuǎn)速變化曲線

4．2 導(dǎo)磁體盤(pán)采用黃銅時(shí)的帶載試驗(yàn)

負(fù)載軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電動(dòng)機(jī)，每相帶4 kW負(fù)載時(shí)，其轉(zhuǎn)速與永磁體移動(dòng)距離的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 導(dǎo)磁體盤(pán)采用黃銅時(shí)負(fù)載軸帶載轉(zhuǎn)速變化曲線

負(fù)載軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1 273 r/min時(shí)，發(fā)電動(dòng)機(jī)輸出相電壓174 V，導(dǎo)磁體表面溫度:110℃。發(fā)電功率為(174/220)×(174/220)×3×8=15(kW)。

在全耦合狀態(tài)時(shí)，如果每相帶8 kW負(fù)載，輸出轉(zhuǎn)速由1 365 r/min降到1 273 r/min。

4．3 導(dǎo)磁體盤(pán)采用紫銅時(shí)的空載試驗(yàn)

導(dǎo)磁體盤(pán)采用紫銅時(shí)，負(fù)載軸空載轉(zhuǎn)速變化曲線如圖7所示。

圖7 導(dǎo)磁體盤(pán)采用紫銅時(shí)負(fù)載軸空載轉(zhuǎn)速變化曲線

4．4 導(dǎo)磁體盤(pán)采用紫銅時(shí)的帶載試驗(yàn)

導(dǎo)磁體盤(pán)采用黃銅時(shí)，負(fù)載發(fā)電動(dòng)機(jī)每相帶4 kW負(fù)載時(shí)，其轉(zhuǎn)速與永磁體移動(dòng)距離的關(guān)系曲線如圖8所示。在全耦合狀態(tài)下，導(dǎo)磁體表面溫升25℃，轉(zhuǎn)速差:1471－1431=40(r/min)。

圖8 導(dǎo)磁體盤(pán)采用紫銅時(shí)負(fù)載軸帶載轉(zhuǎn)速變化曲線

［1］ 段偉山．磁力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與研究［D］．天津:天津大學(xué)，2008．

［2］ 趙克中．磁耦合雙向傳動(dòng)控制器的研究［D］．沈陽(yáng):東北大學(xué)，2006．

［3］ 彭科容．永磁磁力耦合器結(jié)構(gòu)與特性研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008．

［4］ 張明月．傳感器技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］．電大理工，2010(3):3－4

［5］ 李翠翠，龍 斌．TPX619臥式數(shù)顯鏜床電氣控制系統(tǒng)的PLC改造［J］．煤炭技術(shù)，2013(10):24－25．