差動調(diào)速裝置功率流與功率配比研究

王磊

摘? 要：基于差動輪系的特性方程，重點分析差動調(diào)速裝置中差動輪系的功率流及影響裝置中主、輔電機(jī)功率配比的因素，提出確保輪系功率匯流的組合方法，得出主、輔電機(jī)裝機(jī)容量配比的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：差動調(diào)速裝置;差動輪系;功率流;調(diào)速幅度;功率比

中圖分類號：TM921? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0054-03

Abstract： Based on the characteristic equation of differential gear train， the power flow of differential gear train in differential speed regulation device and the factors affecting the power ratio of main motor and auxiliary motor in differential speed regulation device are analyzed emphatically， and the combination method to ensure the power confluence of gear train is put forward. The theoretical basis of the ratio of installed capacity of main motor and auxiliary motor is obtained.

差動調(diào)速裝置是一種高效、可靠的無級調(diào)速裝置，通過對部分功率的速度控制實現(xiàn)對全功率的速度控制[1～2]，有效降低對變頻相關(guān)器件的功率要求，提高系統(tǒng)的可靠性，又降低了投資成本。

本文重點分析調(diào)速系統(tǒng)中差動輪系的功率流向;調(diào)速幅度的概念及它與主輔兩電機(jī)功率配比的關(guān)系。

1 差動調(diào)速裝置組成

差動調(diào)速裝置由主電機(jī)、輔電機(jī)、差動輪系和制動器組成。該裝置依據(jù)差動輪系具有功率匯流特性而設(shè)計，并將動力源提供的功率分為兩部分，其中一部分功率主要用來傳遞動力，由主電機(jī)提供;另一部分功率由輔電機(jī)提供，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，最終兩部分功率匯流于差動輪系共同輸出，實現(xiàn)調(diào)速功能。通過連續(xù)改變輔電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以使輸出轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到無級調(diào)速的要求。

2 差動輪系功率流的分析

差動輪系由太陽輪、齒圈和行星架三個基本構(gòu)件組成，且有兩個自由度，即只有給定兩個確定的輸入轉(zhuǎn)速，才能有確定的轉(zhuǎn)速輸出，所以一般都是將差動輪系某兩個基本構(gòu)件的轉(zhuǎn)速在一定程度上關(guān)聯(lián)起來而保證第三個構(gòu)件有一個確定的轉(zhuǎn)速輸出。但這里應(yīng)指出的是三個構(gòu)件各自傳遞的功率對差動輪系而言既可能是輸入功率也可能是輸出功率，即使是被關(guān)聯(lián)的兩個構(gòu)件也可能不同為輸入或輸出功率。

在前文所述差動調(diào)速裝置工作原理中已提出要利用差動輪系的功率匯流特性實現(xiàn)分功率調(diào)速，功率匯流是要求被關(guān)聯(lián)兩構(gòu)件所傳遞的功率對于差動輪系而言同為輸入功率，即要求兩構(gòu)件的功率比大于零。差動輪系本身是具有功率匯流的特性，但并不是所有的運(yùn)轉(zhuǎn)情況都能實現(xiàn)功率匯流，它必須要求被關(guān)聯(lián)的兩個構(gòu)件滿足一定的運(yùn)轉(zhuǎn)條件才能真正實現(xiàn)功率匯流。因此，在選定差動輪系的任意兩個基本構(gòu)件作為關(guān)聯(lián)構(gòu)件時，應(yīng)分析清楚它們之間的轉(zhuǎn)矩方向關(guān)系并對它們的轉(zhuǎn)向關(guān)系有一定的要求，以滿足兩構(gòu)件的功率比大于零，進(jìn)而保證差動輪系的功率匯流。下面依據(jù)差動輪系的特性方程來分析輪系中的功率流。

2.1 差動輪系的特性方程式

2.2 差動輪系功率流簡圖的繪制

差動輪系的功率分為輸入功率和輸出功率。在明確了差動輪系的功率輸入輸出問題后，采用逆向分析法確定差動輪功率流與構(gòu)件轉(zhuǎn)動方向的關(guān)系。假設(shè)已知差動輪系中主從地位相同的兩構(gòu)件（功率比大于零的兩構(gòu)件），然后再根據(jù)差動輪系的特性方程分析基本構(gòu)件的轉(zhuǎn)向關(guān)系。

（1）當(dāng)a、b主從地位相同并且它們各自傳遞的功率對于差動輪系而言都是輸入功率，則有Pa /Pb>0，將其代入式（8）知iab>0，由此斷定a、b轉(zhuǎn)速方向相同，再由式（2）推知H也與a、b轉(zhuǎn)速方向相同。假定a轉(zhuǎn)向為正方向，可得圖2（a）所示簡圖。于是，當(dāng)要關(guān)聯(lián)a、b兩構(gòu)件時（兩構(gòu)件同時作為輸入構(gòu)件），應(yīng)使a、b兩構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相同，才能保證功率的匯流。

（2）當(dāng)b、H主從地位相同并且它們各自傳遞的功率對于差動輪系而言都是輸入功率，則有Pb /PH>0，將其代入式（10）知ibH<0，由此斷定b、H轉(zhuǎn)速方向相反，假定H的轉(zhuǎn)速方向為正方向，那么b的轉(zhuǎn)速方向為負(fù)方向，再由式（3）推知，a的轉(zhuǎn)速方向也為正方向。綜合所述，可得圖2（b）所示簡圖。于是，當(dāng)要關(guān)聯(lián)b、H兩構(gòu)件時（兩構(gòu)件同時作為輸入構(gòu)件），應(yīng)使b、H兩構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相反，才能保證功率的匯流。

（3）當(dāng)a、H輪主從地位相同并且它們各自傳遞的功率對于差動輪系而言都是輸入功率，則有Pa /PH>0，將其代入式（9）知iaH<0，由此斷定a、H轉(zhuǎn)速方向相反，假定H的轉(zhuǎn)速方向為正方向，那么a的轉(zhuǎn)速方向為負(fù)方向，再由式（4）推知，b的轉(zhuǎn)速方向也為正方向。綜合所述，可得圖2（c）所示簡圖。于是，當(dāng)要關(guān)聯(lián)a、H兩構(gòu)件時（兩構(gòu)件同時作為輸入構(gòu)件），應(yīng)使a、H兩構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相反，才能保證功率的匯流。

圖2中三角形表示差動輪系（因有三個基本構(gòu)件），各構(gòu)件標(biāo)在圖形頂點旁，箭頭表示功率流向。箭頭尖指向輪系為輸入功率，箭頭背向輪系為輸出功率，“+，-”表示構(gòu)件的轉(zhuǎn)向，“+”表示正方向，“-”表示負(fù)方向。

2.3 輪系中輸入輸出構(gòu)件的組合方法

為了實現(xiàn)差動輪系的功率匯流，在選擇輪系中的某兩個構(gòu)件作為關(guān)聯(lián)構(gòu)件時，應(yīng)按圖2所示，即選擇功率流向相同（同為輸入功率）的兩構(gòu)件，而且兩構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向也應(yīng)與圖中所示一致。如本文所述調(diào)速裝置（圖1所示），是選擇差動輪系的太陽輪和齒圈作為輸入（關(guān)聯(lián)）構(gòu)件，行星架作為輸出構(gòu)件，按圖2（a）所示，必須保證太陽輪和齒圈的轉(zhuǎn)速方向一致，才能滿足功率匯流的條件。

3 主、輔電機(jī)功率配比關(guān)系

3.1 調(diào)速幅度和差速比的概念

3.2 功率配比關(guān)系

4 結(jié)論

經(jīng)分析、計算得到如下結(jié)論：

（1）選擇差動輪系中的某兩個構(gòu)件作為關(guān)聯(lián)構(gòu)件（輸入構(gòu)件）時，如對輪系有功率匯流的要求，應(yīng)按圖1示意的方式選擇。（2）差動調(diào)速裝置中，輔電機(jī)額定功率與主電機(jī)額定功率之值等于調(diào)速幅度，調(diào)速幅度越大，輔電機(jī)需要分擔(dān)的功率就越大，這也就意味著需要調(diào)速的那部分功率就越大。（3）在整個調(diào)速區(qū)間內(nèi)，主電機(jī)和輔電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率之比取決于差速比R和系數(shù)K。因此，在不同的調(diào)速區(qū)工作時，主電機(jī)和輔電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率之比也是不同的。

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