基于机电液一体化的可控软启动系统的研究

摘 要
启动冲击是造成带载启动机械设备损坏或缩短其使用寿命的主要原因。软启动是指机
械设备在重载的工况下能够可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动。软启动不仅
能够极为有效地减小启动时传动系统对工作机械的破坏性冲击，同时还能大大缩短电动机
启动电流的冲击。
本课题设计的基于机电液一体化的可控软启动系统，采用周转轮系配合液压湿式离合
器的结构，通过控制离合片间液体粘滞力的逐渐增大来使周转轮系的自由度由2 逐渐变为
1，从而使输出轴柔性加载。整个软启动系统设计过程复杂，因此借助三维平台UG 建立了
软启动系统的数字样机，为物理样机的精确运行提供保证，并通过结构分析模块和运动分
析模块对该系统进行了分析。本文对液体粘性传动机理进行了理论分析，并设计了液压系
统。为实现对液压系统电磁阀的控制，设计了基于PLC 的控制系统。为验证软启动系统的
启动效果、评价设计的优劣、并求得最优化的启动参数，利用基于LabVIEW 开发平台的虚
拟仪器技术对软启动系统进行数据采集、实时显示、数据存储。最后，利用Matlab 对实
验数据进行了相关处理，得出了实验结论。
通过理论分析和实验数据，表明了所研制的基于机电液一体化的可控软启动系统较好
的满足了运动要求。在重载的情况下能够可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启
动，能够减轻传动系统本身所受到的启动冲击，实现柔性加载，还能减小电动机启动电流
的冲击，并且在过载时具有过载保护功能。

关键词：软启动，虚拟样机，液体粘性传动，PLC，虚拟仪器
目 录
第一章 绪论. 1
§1-1 课题来源与选题意义... 1
1-1-1 选题意义................ 1
1-1-2 课题来源................ 1
§1-2 软启动技术的发展现状................... 2
1-2-1 液力偶合技术........ 2
1-2-2 降压启动设备........ 2
1-2-3 变频调速技术........ 3
§1-3 本文的主要研究内容... 3
第二章 基于虚拟样机技术软启动设计与仿真....... 5
§2-1 软启动装置设计的总体思路........... 5
§2-2 软启动装置的结构设计................... 5
2-2-1 行星轮系设计........ 6
2-2-2 湿式离合器设计..... 8
§2-3 虚拟样机技术.............. 9
2-3-1 虚拟样机技术介绍. 9
2-3-2 虚拟样机技术支撑平台............. 9
2-3-3 基于VP的产品设计过程模型.. 10
§2-4 三维实体建模.............11
2-4-1 零件库的建立........11
2-4-2 利用IGES数据接口建立渐开线齿轮三维模型............... 13
2-4-3 模型的装配及装配过程仿真... 15
§2-5 行星轮系的运动分析. 18
2-5-1 运动方程式的建立................... 18
2-5-2 运动仿真的建立... 20
2-5-3 仿真结果分析....... 21
2-5-4 优化调整.............. 22
§2-6 关键零部件的结构分析................. 22
2-6-1 对传动主轴的有限元分析....... 22
2-6-2 对离合片的有限元分析........... 23
第三章 液体粘性传动技术研究与液压系统设计 26
§3-1 液体粘性传动的基本原理............. 26
3-1-1 液体粘性传动的概念............... 26
3-1-2 液体粘性传动的分类............... 26
3-1-3 液体粘性传动的墓本原理....... 26
基于机电液一体化的可控软启动系统研究
iv
3-1-4 液体粘性传动的发展现状........ 29
3-1-5 液体粘性传动的实用价值........ 29
§3-2 液压系统方案的设计.. 30
3-2-1 对液压系统的要求 30
3-2-2 液压系统方案设计 30
§3-3 液压系统原理图的设计.................. 30
§3-4 选择液压元件............. 31
第四章 基于PLC的控制系统设计............... 33
§4-1 可编程序控制器......... 33
4-1-1 可编程序控制器的主要特点.... 33
4-1-2 可编程序控制器的最新发展趋势................ 34
4-1-3 可编程序控制器的工作原理.... 34
4-1-4 可编程序控制器的I/O滞后现象.................. 36
§4-2 系统控制要求............. 36
§4-3 PLC选型. 37
4-3-1 容量的选择........... 37
4-3-2 时间响应的要求.... 38
4-3-3 经济和其它的一些因素............ 38
§4-4 编制应用程序............. 38
4-4-1 程序结构............... 38
4-4-2 程序设计方法........ 39
§4-5 PLC的安装和维护......39
第五章 软启动实验与数据采集系统的建立........... 42
§5-1 虚拟仪器概述............. 42
5-1-1 虚拟仪器的概念.... 42
5-1-2 虚拟仪器的特点.... 43
5-1-3 虚拟仪器的构成及分类............ 44
§5-2 软启动数据采集系统硬件设计...... 46
§5-3 软启动实验系统软件设计.............. 48
5-3-1 虚拟仪器开发环境LabVIEW... 48
5-3-2 数据采集程序........ 50
5-3-3 数据实时显示........ 51
5-3-4 数据存储............... 52
§5-4 软启动系统试验大纲.. 52
5-4-1 直接测试参数........ 52
5-4-2 间接计算参数........ 53
5-4-3 实验步骤............... 53
第六章 试验数据处理与试验现象分析.. 55
§6-1 最小二乘法................. 55
§6-2 MATLAB简介............... 55
河北工业大学硕士学位论文
v
§6-3 试验数据处理............ 56
6-3-1 试验数据说明....... 56
6-3-2 试验数据处理....... 56
§6-4 数据分析结果............ 57
§6-5 试验现象与改进过程. 57
第七章 结论................... 59
§7-1 论文完成的主要工作与创新点..... 59
§7-2 工作展望 59
参考文献..... 60
致谢 63
攻读硕士期间所取得科研成果.. 64