电、气、液多形式输出动力源的设计分析.pdf

木工机床2023No.3Design and Research设计与研究电电、气气、液多形式输出动力源的设计分析液多形式输出动力源的设计分析*Design and analysis of power source with multi-output of electricity，pneumatic and hydraulic陈声佩（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）摘要：单一动力驱动多形式输出动力源的设计，需根据使用工况及输出形式进行动力装置选型并制定传动路线。文章以应用于小型移动装备的电、气、液多形式输出动力源为例，阐述动力源装置选型、动力配置、传动路线及传动机构等设计思路。关键词：多形式输出；动力源；设计中图分类号：U469.7文献标识码：A文章编号：1005-1937（2023）03-009-04Abstract：In the design of multi-output power source of single power drive，it is necessary to select power device and make transmission route according to working condition and output form.Taking the multi-form output power source for small mobile equipmentas an example，this paper expounds the design ideas of power source device selection，power configuration，transmission route andtransmission mechanism，etc.Key words：multi-output；power source；design随着机电一体化技术的成熟，越来越多的装备向自动化、智能化方向发展，电动伺服、液压传动、气力控制等终端伺服驱动装置得到普及应用。根据功能的需要，执行装置往往不再是单一类型的电动式、气动式或液压式，而需要综合动作、负载能力、响应速度、静动态精度等多种因素，选取合适的执行方式。因此，具有多形式输出的综合式动力源需要根据整个系统的具体技术要求而定。此外，应用在小型化或移动装备的动力源还需考虑空间、重量等因素。1动力源工况和参数某移动装备为长时间野外作业的小型装备。其动力源需为执行元件提供电力、液压、气力三种动力。移动装备在高速转场移动时，需输出固定流量的液压控制动力源及恒功率变量调节的大流量液压驱动动力源；在低速工作移动时，液压大流量驱动停止，输出为固定流量的液压控制动力源及伺服变量调节的小流量驱动，以及电力和气力输出。输出类型及参数见表1。表表1 1动力源输出类型及参数动力源输出类型及参数序号12345输出类型电力气力液压液压液压装备状态低速工作低速工作低速工作高速转场全程工作参数型式：三相交流电压：380 V功率：3 kW流量：500 m3/h工作压力：10 kPa变量方式：伺服变量流量范围：16 L/min工作压力：316 MPa变量方式：恒功率变量流量范围：555 L/min工作压力：1.516 MPa型式：固定流量流量：5 L/min额定压力：6 MPa2总体方案根据动力输出类型，相应的动力源装置为发电机、气泵和液压泵。考虑移动装备需在野外长时间作业，因此动力装置选用内燃机。为达到小型化，各动力源装置不单独配置动力，而是由单台内燃机*福建省科技计划引导性项目（2020N0018）作者简介：陈声佩（1974），男，硕士，高级工程师，研究方向：农业机械设计。9WOODWORKING MACHINERY设计与研究Design and Research经传动机构分别驱动发电机、气泵及液压泵。根据表1参数可知，输出的电、气、液三种类型不需要同时工作。因此配备动力不能简单对各消耗功率进行累加，应根据各动力源的最大消耗功率，确定配备的动力。因动力需驱动多个动力源，若选用直联输出的发电机组，需对发电机转子轴加长以便动力输出再驱动其它动力源，同时发电机与动力的联接也需改动。因此电力输出选用独立的STC-3型三相发电机，其工作转速为1500 r/min，需将动力减速后再驱动。考虑效率因素，发电机驱动功率定为3.5 kW。因气力输出为低压大流量，若选用离心风机则难以达到工作压力，而选用往复式空气压缩机，虽然压力很容易达到，但达不到所需流量。根据产品型录，选用压力相比离心风机高很多，并且具有大流量输出特性的漩涡气泵作为气力输出动力源，该型气泵还具少油或无油运转、输出空气清洁、免维护寿命长等特点。根据厂家提供的输出特性曲线图，选用YX-81D型漩涡气泵。如图2所示，当漩涡气泵工作转速达到 3600 r/min 时，可输出10 kPa，530 m3/h气体，满足输出需求，此时输入功率为3.6 kW。1020403060507080200400600800100012000#G/m3/h/kPaYX-81DYX-82SYX-83DYX-84S1020403060507080200400600800100012000#G/m3/h/kPaYX-81DYX-82SYX-83DYX-84S（a）50 Hz（b）60 Hz图图1 1漩涡气泵输出特性曲线图漩涡气泵输出特性曲线图根据两个不同时工作的变量泵输出参数，变流量液压输出因低速时最小流量不足高速最大流量的2%，若用同一个泵进行流量调节，则在最小排量时易出现较大的流量波动，导致控制精度降低，因此需用两个不同排量的变排量液压泵分别应用于高速转场和低速工作场合。因最大工作压力均超过10 MPa，已超出叶片式变量泵的压力范围，考虑到轴向柱塞泵相对于其它液压泵，具有额定压力高、效率高、寿命长、变量方便易于控制等优点，因此选用斜盘式轴向柱塞泵作为变流量液压源。再根据调节方式和流量，选取最小排量的10CCY14-1B型机动伺服变量泵作为低速工作时变排量液压动力源，同时令其工作转速为650 r/min，此时最大驱动功率为1.9 kW；选取40YCY14-1B型压力补偿变量泵作为高速转场时变排量液压动力源，工作转速设定为1500 r/min，最大驱动功率为1.5 kW。定量液压输出动力源选用CBN-E304型齿轮泵，工作转速设定为1400 r/min，最大驱动功率为0.7 kW。综合以上参数可得，低速工作状态时最大驱动功率需9.7 kW，高速转场需2.2 kW。考虑驱动最大功率9.7 kW使用单缸柴油机即可达到，而且风冷单缸的重量要比水冷单缸小很多。因此根据发动机型录，选取195F型高速风冷柴油机为总驱动动力，其标定转速为3600 r/min，标定功率为11 kW，满足动力驱动需求。因驱动部件多，需将动力分成多路传递。因此，传动路线方案如下：低速工作时，发动机动力以3600 r/min转速经联轴器、电磁离合器直接驱动漩涡气泵，一路经皮带减速至1500 r/min后驱动发电机，同时带动与发电机轴联接的液压泵组减速机，经减速 1400 r/min 后驱动定量齿轮泵，再减速至650 r/min后驱动小排量机动伺服变量泵。此时，大排量泵将输出液压油直接排回油箱，以减小功率消耗。高速转场时，电磁离合器断电不接通，漩涡气10木工机床2023No.3Design and Research设计与研究泵不工作。发电机切断对外输出，处于空转状态，仅消耗少量功率克服摩擦转矩，经皮带减速后的动力经减速机输入轴直接驱动大排量压力补偿变量泵，而后经齿轮减速驱动定量齿轮泵。此时，小排量泵将输出液压油直接排回油箱，以减小功率消耗。3总体结构设计根据总体方案和各输出动力源选型，电、气、液多形式输出动力源总体结构布置如图2所示。各主要部件分为两组布置，发动机与漩涡气泵通过联轴器和电磁离合器联接并固定在机架上，发电机与液压泵组通过联轴器联接并固定在活动机架上。当调节活动机架时，即可将连接于发动机和发电机带轮的V型带张紧，从而传递动力。采用此结构，同组间选用梅花式弹性联轴器联接，可降低安装时对同轴度的调整要求，并且两组部件可各自调整对正，互不影响。而后两组部件通过对安装要求较低的带传动联接，可降低安装难度。1345267910118图图2 2动力源总体结构布置图动力源总体结构布置图1.高速柴油机；2.V型带；3.联轴器；4.电磁离合器；5.漩涡气泵；6.减速机；7.定排量泵；8.小排量泵；9.大变量泵；10.油箱；11.发电机由于各泵工作转速不同，因此各泵之间采用齿轮传动的泵组减速机联接。图3为泵组减速机结构图。因两个变量泵外形尺寸较大，再考虑到定排量泵工作转速与大排量泵接近，因此以驱动定排量泵的中间齿轮兼做惰轮，从而增大两变量泵中心距。此外，将定量泵布置于减速机的另一侧，以减小各泵之间的干涉并便于液压管路布置。安装于动力源后部的油箱为各泵提供液压油，油箱容积需根据热平衡确定。根据液压动力源的1234567图图3 3泵组减速机结构图泵组减速机结构图1.大变量泵；2.小齿轮；3.输入轴；4.中间齿轮；5.定量泵；6.大齿轮；7.小排量泵使用情况，定排量液压控制动力源为常回油箱短时使用，基本无溢流损耗，其液压功率损耗可以不计，只需将低速工作的小排量泵最大驱动功率的20%，即380 W进行热平衡计算即可。按油箱周围通风良好状态，液压油允许温升25K，由式1可得最小体积为 59.3 L。依此要求，设计油箱长宽高为 500350460 mm，油液高度380 mm，油箱有效容量66 L，即可使液压油温升不超过25 K。Vmin(PT)3（1）式中：Vmin油箱散热最小体积，L；P液压系统损耗功率，W；T允许温升，K。4应用及总结经实测，动力源在低速工作时，发动机在最大负荷状态下可正常工作；发电机三相输出在不同负荷状态时均能保持电压稳定；气力输送在停机时先接通电磁离合器，发动机启动正常，在10 kPa输出压力时输出流量充足；小排量变量泵输出流量能随控制动作及时调整；高速转移时，变排量泵能根据负荷自动调整输出流量；控制液压动力源在低速工作和高速转移时均能输出稳定流量液压油；液压油最大温升T=21 K。本文采用单一动力经合理布置传动路线分别驱动动力装置，具有结构紧凑、输出动力形式丰富，发动机动力利用率高等优点，是一种适用于小型移动式装备的电、液、气多形式输出动力源。（下转第35页）11木工机床2023No.3Technology and Equipment工艺与装备产标准。4轮胎滚动阻力损耗功率测试工程装备轮胎与测功机滚筒摩擦中损耗功率Pm=Frv3600式中，v为装备行驶速度，Fr为轮胎滚动阻力，Fr=2KpWvr+R4(R+r)2-L2式中K，为系数，p为轮胎气压，W为轴载荷，R轮胎半径，r为测功机滚筒半径。利用测功机反拖装备，对装备半轴拆下进行滚动阻力测试，将测试系数录入测功机控制系统，当轮胎气压为450 kPa时，将前后轮损耗功率相加为总滚动阻力损耗，不同转速下的装备车轮与测功机滚筒摩擦阻力损耗见表3。表表3 3装备车轮与测功机滚筒阻力损耗装备车轮与测功机滚筒阻力损耗装备速度/（km/h）损耗功率/kW53.4106.7159.82013.52516.83020.23523.54026.95结语利用底盘测功机进行工程装备损耗功率测试具有几个优点：1）提供了一个受控的测试环境，消除了可能影响结果准确性的外部因素；2）可以进行重复测试，确保数据的一致性和可靠性；3）提供了一个实用和高效的测试解决方案。本研究的结果将有助于提高工程装备的能源效率和性能优化，最终惠及使用这些装备的各个行业。参考文献：1 李波.基于底盘测功机的整车驾驶性客观测试与评价方法研究D/OL.合肥：合肥工业大学，2023（5）2023-04-23.https：/ 张尚浩，张晓瑞，徐立友，闫祥海.基 于虚拟样机的交流底盘测功机系统研究J.现代制造工程.2022（9）：123-131.3 周腊吾，郭浩，赵晗，马勉卓.测功机系统的研究综述J.电机与控制应用.2020（12）：1-9.4 孙国轩，孟亚鹏，杨万安.底盘测功机模拟行驶阻力的影响因素研究：2020 中国汽车工程学会年会论文集（4）C/OL.（2020-10-27）2023-04-23.https：/ 段正淳.光机电一体化技术手册M.北京：机械工业出版社，2010.2 成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2016.3 李豫龙，曹旺，等.斜盘式恒压变量柱塞泵动态特性研究J.科技创新与应用，2023（15）：56-60.（收稿日期：2023.08.21）（上接第11页）35