液体粘性传动调速起动及其控制技术研究

论文摘要

液体粘性传动(简称液粘传动)调速起动装置利用摩擦片间油膜的剪切作用来传递动力,从而实现机械设备的可控起动过程。在降低机械设备的制造及运行成本、延长使用寿命等方面具有明显的作用。本文以带式输送机为应用对象,对液粘传动调速起动及其控制技术开展研究工作。在对液粘传动调速起动的工程背景、调速起动的意义、基本原理及其优越性进行论述的基础上,对国内外研究现状及液粘传动调速起动方面存在的问题进行了综合分析,提出了本文的主要研究内容。对液粘传动调速起动机理进行了较深入的研究,由于调速起动过程是一个瞬态过程,起动过程中油膜厚度始终在动态地变化,存在油膜挤压效应。本文综合考虑了油膜挤压效应以及摩擦片表面粗糙度和油膜离心力的影响,建立了修正瞬态雷诺方程,同时建立了热能量方程和工作油粘温方程。通过有限元模型的数值计算,对调速起动过程中油膜厚度的变化、油膜传递扭矩、油膜承载力及油膜压力场和温度场进行了分析研究,得出了油膜挤压效应、摩擦片表面沟槽截面尺寸和布置方式、摩擦片表面粗糙度和工作油通过摩擦片后的温升对油膜承载力和传递扭矩的影响规律。在对摩擦片组进行受力分析的基础上,建立了摩擦片组的动态平衡方程,同时建立了系统的流量平衡方程和负载的动态平衡方程,并对本文实验所采用的比例溢流阀的动态特性进行了实验研究,确立了其传递函数。根据调速起动的特点,分别推导出比例压力控制系统和比例流量控制系统的传递函数,并对其动态响应特性进行了分析比较,结果表明比例压力控制系统较适合于带式输送机的调速起动。对PID控制及PID优化控制的调速起动特性进行了较深入的研究,对Harrision起动速度曲线进行了计算机仿真,结果表明两者均不能满足带式输送机调速起动的需求,输出速度相对于给定速度有一定的滞后,并且存在振荡现象。在此基础上提出了模糊PID串级控制,分析了其动态响应特性并对Harrision起动速度曲线进行了计算机仿真,结果表明输出速度能较好地跟踪给定速度且无振荡现象,是带式输送机调速起动较理想的控制方法。为验证理论分析的正确性及控制策略的有效性,设计制作了液粘传动调速起动实验台,并分别采用PLC和单片机搭建实验平台,对PID优化控制和模糊PID串级控制进行了相应的实验研究。结果表明采用模糊PID串级控制不仅输出速度能较好地跟踪给定速度,且无明显的速度波动,证明了理论分析的正确性。同时通过实验研究讨论了工作油温度、负载大小及起动时间对调速起动的影响规律。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Abstract （detailed）
• 1 绪论
• 1.1 工程背景
• 1.1.1 调速起动的意义
• 1.1.2 液粘传动调速起动的基本原理
• 1.1.3 液粘传动调速起动的优越性
• 1.2 液粘传动调速起动国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 液粘传动调速起动现存问题
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 液粘传动调速起动机理分析
• 2.1 调速起动的速度与加速度
• 2.2 基本方程
• 2.2.1 修正瞬态雷诺方程
• 2.2.2 考虑表面粗糙度的修正瞬态雷诺方程
• 2.2.3 热能量方程
• 2.2.4 工作油粘温方程
• 2.2.5 扭矩与油膜承载力
• 2.3 计算方法与步骤
• 2.3.1 修正瞬态雷诺方程的有限元求解
• 2.3.2 热能量方程的有限元求解
• 2.3.3 计算步骤
• 2.4 计算结果与分析
• 2.4.1 调速起动过程中的油膜厚度、传递扭矩与油膜承载力
• 2.4.2 摩擦片表面沟槽对调速起动的影响
• 2.4.3 摩擦片表面粗糙度对调速起动的影响
• 2.4.4 温升对调速起动的影响
• 2.4.5 挤压效应对调速起动的影响
• 2.5 本章小结
• 3 液粘传动调速起动系统的动态特性
• 3.1 摩擦片组的受力分析
• 3.2 摩擦片组的动态平衡方程及其简化
• 3.2.1 摩擦片组的动态平衡方程
• 3.2.2 动态平衡方程的简化
• 3.3 比例压力控制系统的动态特性
• 3.3.1 系统的流量平衡方程
• 3.3.2 负载的动态平衡方程
• 3.3.3 比例溢流阀动态特性的实验研究
• 3.3.4 系统的传递函数
• 3.3.5 系统的响应特性
• 3.4 比例流量控制系统的动态特性
• 3.4.1 油膜厚度的稳定性
• 3.4.2 系统的传递函数
• 3.4.3 系统的响应特性
• 3.5 本章小结
• 4 液粘传动调速起动系统的控制策略
• 4.1 PID 控制系统的响应特性
• 4.1.1 闭环控制系统的响应特性
• 4.1.2 PID 控制的基本原理
• 4.1.3 PID 控制器参数的整定
• 4.1.4 PID 控制系统的响应特性
• 4.2 PID 优化控制系统的响应特性
• 4.2.1 目标函数与优化方法
• 4.2.2 计算步骤
• 4.2.3 优化结果及分析
• 4.2.4 起动曲线的仿真分析
• 4.3 模糊PID 串级控制系统的响应特性
• 4.3.1 模糊控制的基本原理
• 4.3.2 模糊控制器的设计及仿真分析
• 4.3.3 模糊PID 串级控制的基本原理
• 4.3.4 模糊PID 串级控制器的设计及仿真分析
• 4.4 本章小结
• 5 液粘传动调速起动的实验研究
• 5.1 实验装置
• 5.1.1 机械传动系统
• 5.1.2 液压控制系统
• 5.1.3 电气控制系统
• 5.2 系统的开环响应特性
• 5.3 PID 控制系统的调速起动特性
• 5.4 模糊PID 串级控制系统的调速起动特性
• 5.4.1 硬件系统
• 5.4.2 控制程序
• 5.4.3 调速起动实验结果
• 5.4.4 工作油温度对调速起动的影响
• 5.4.5 负载对调速起动的影响
• 5.4.6 起动时间对调速起动的影响
• 5.5 本章小结
• 6 主要结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集