本發(fā)明涉及一種機械式運動和動力傳遞系統(tǒng)方法，具體為一種可控型機械式軟啟動系統(tǒng)及方法。

背景技術：

在大型設備中，如風機、磨機等，轉動部分質量較大，因而具有較大的轉動慣量。機器啟動時是帶載啟動，同樣的，由于慣量大，機器停機也慢。我們稱這類設備為大慣量啟動設備。這類設備如果直接啟動，電動機需克服的轉矩超過了電動機的啟動轉矩，造成電動機滿載啟動，甚至超載啟動，啟動電流過大，對電動機及電網(wǎng)均有不良影響；由于電動機直接以大轉矩啟動，機械部分無緩沖時間，對機械部分將造成巨大的沖擊載荷。這些會直接影響到設備的長周期運行。因此為了保證設備的長周期運行，往往采用軟啟動的方式來改善這一問題。常見的軟啟動技術包括以下幾種：

1.1電機類軟啟動技術

通過改變電動機的結構或改變電源特性，不依賴于機械系統(tǒng)的工作原理使得電動機獲得良好的軟啟動特性。例如：變頻調速軟啟動、軟啟動器軟啟動、直流電動機軟啟動、開關磁阻軟啟動等。這幾類軟啟動主要的缺點有：

⑴啟動電流沖擊較大，電動機不能空載啟動；

⑵大功率的防爆變頻器依賴進口，價格昂貴，備品備件要進口,事故處理也依賴外國公司；

⑶控制復雜,使用維護要求高,對環(huán)境溫度及清潔度要求高；

⑷頻率改變還是對電源有一定的污染；

⑸在井下使用時，功率器件的發(fā)熱較難解決。

1.2機電結合類軟啟動技術

軟啟動功能的實現(xiàn)同時依賴于機械系統(tǒng)的工作原理和電動機的工作特性，如雙電動機差動軟啟動。雙電動機差動軟啟動是近些年來發(fā)明的一種較新型的大功率軟啟動方式，主要由大功率主電機、小功率輔助電動機、差動的行星傳動機構、輔助傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，具有以下特點：傳動效率高，發(fā)熱量小，工作可靠，使用壽命長，機械和控制系統(tǒng)簡單，維護成本低等。但這種軟啟動方式?jīng)]有過載保護，采用渦輪蝸桿傳動容易造成自鎖。

1.3機械類軟啟動技術

不依賴于電動機本身的特性，而是改變機械系統(tǒng)的工作原理來實現(xiàn)軟啟動功能。例如：液力偶合器軟啟動、液體黏性軟啟動、磁粉制動軟啟動、低速大轉矩液壓馬達軟啟動等，目前這類軟啟動是最為常見的。缺點：啟動過程是不可控的，控制過程不可控。不能精確控制負載轉速與啟動過程(時間)之間的函數(shù)關系。

從長遠角度來看，傳統(tǒng)的軟啟動方式難以滿足未來對大功率、高效率、綠色環(huán)保等要求，因此有必要對新型軟啟動方式進行研究和探索。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種可控型機械式軟啟動系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的：

一種可控型機械式軟啟動系統(tǒng)，包括輸入軸、輸出軸、空載啟動系統(tǒng)、中間傳動系統(tǒng)、同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)，所述輸入軸同時與所述同步/嚙合系統(tǒng)、所述空載啟動系統(tǒng)和所述嚙合系統(tǒng)連接，所述同步/嚙合系統(tǒng)和所述嚙合系統(tǒng)均與所述中間傳動系統(tǒng)連接，所述空載啟動系統(tǒng)與所述中間傳動系統(tǒng)之間通過離合式連接結構連接，所述同步/嚙合系統(tǒng)和所述嚙合系統(tǒng)均與所述輸出軸通過離合式連接結構連接。

一種可控型機械式軟啟動方法，包括以下步驟：

1)空載啟動：驅動電機帶動輸入軸轉動，此時空載啟動系統(tǒng)與中間傳動系統(tǒng)之間是分離狀態(tài)，當輸入軸轉速達到預設值時，通過速度控制器實現(xiàn)空載啟動系統(tǒng)和中間傳動系統(tǒng)的結合，完成空載啟動階段；

2)預同步：當空載啟動系統(tǒng)與中間傳動系統(tǒng)結合后，通過延時發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和轉換機構實現(xiàn)中間傳動系統(tǒng)與同步/嚙合系統(tǒng)的結合，在此階段，利用延時發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器可有效控制啟動時間；

3)同步：中間傳動系統(tǒng)將速度信號輸入傳遞給同步/嚙合系統(tǒng)，同步/嚙合系統(tǒng)開始同步，并通過同步/嚙合系統(tǒng)中的嚙合結構進行傳動；

當轉速繼續(xù)升高，切換傳動方式，通過速度控制器控制嚙合系統(tǒng)的結合，此時同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)同時進行傳動；

當轉速進一步增大，完成傳動方式切換，通過速度控制器控制同步/嚙合系統(tǒng)分離，控制空載啟動系統(tǒng)分離，僅通過嚙合系統(tǒng)進行傳動，同步階段完成；

4)工作：在此階段中，在輸入軸和輸出軸完成同步后，開始進行無能量損失的可靠穩(wěn)定的傳動；

5)停車：輸入軸轉速逐漸降低，當轉速持續(xù)降低，通過速度控制器使得嚙合系統(tǒng)分離，從而實現(xiàn)停車。

作為本發(fā)明的其中一種結構選擇，所述空載啟動系統(tǒng)包括軸承、離心式離合器外殼和離心式離合器轉子，所述中間傳動系統(tǒng)包括絲桿螺母、定位銷、輸出絲桿、盤簧、減速器壓板、減速器、限位板和內復位彈簧，所述同步/嚙合系統(tǒng)包括摩擦式離合器外殼、若干內摩擦片、若干外摩擦片、端齒外殼、離心擺錘、摩擦式離合器內殼、外復位彈簧和所述減速器壓板，所述嚙合系統(tǒng)包括所述摩擦式離合器外殼、前端齒、所述端齒外殼、所述連桿、所述離心擺錘、所述摩擦式離合器內殼和后端齒；

所述摩擦式離合器內殼的右端置于所述摩擦式離合器外殼中且左端與所述輸出軸固定連接，所述輸入軸同時與所述摩擦式離合器外殼和所述離心式離合器轉子連接；

所述離心式離合器外殼位于所述摩擦式離合器內殼與所述摩擦式離合器外殼所形成的腔體內，所述離心式離合器外殼的一部分凸出于所述摩擦式離合器內殼的右端，所述軸承套在所述離心式離合器外殼上，所述軸承位于所述離心式離合器外殼與所述摩擦式離合器外殼之間，所述內復位彈簧設置在所述離心式離合器外殼與所述摩擦式離合器內殼之間；

所述輸出絲桿、所述減速器和所述離心式離合器外殼從左至右依次設置在所述摩擦式離合器內殼中，所述離心式離合器轉子設置在所述離心式離合器外殼中，所述減速器的轉矩輸入端與所述離心式離合器外殼連接，所述減速器的轉矩輸出端與所述輸出絲桿連接，所述絲桿螺母和所述盤簧均設置在所述輸出絲桿上，所述盤簧位于所述減速器與所述絲桿螺母之間；

所述定位銷固定于所述摩擦式離合器內殼的內壁，所述絲桿螺母的環(huán)面設置有曲線導向卡槽，所述定位銷卡于所述曲線導向卡槽內；

所述離心擺錘、所述前端齒和所述后端齒從左至右依次設置在所述摩擦式離合器內殼的外壁，所述前端齒正對所述后端齒，所述離心擺錘的中部與所述摩擦式離合器內殼鉸接，所述離心擺錘的重心位于其鉸接點的左側，所述外復位彈簧設置在所述離心擺錘左端和所述摩擦式離合器內殼之間，所述減速器壓板設置在所述離心擺錘右端和所述減速器之間，所述減速器壓板的中部與所述摩擦式離合器內殼鉸接，所述減速器壓板的左端位于所述離心擺錘右端的下方，所述減速器壓板的右端正對所述減速器，所述離心擺錘的左端通過連桿與所述前端齒連接，所述后端齒與所述摩擦式離合器外殼固定連接，所述前端齒固定安裝在所述端齒外殼上，所述連桿的一端與所述離心擺錘鉸接且另一端與所述端齒外殼鉸接；

若干所述內摩擦片和若干所述外摩擦片均設置在所述摩擦式離合器外殼內，若干所述內摩擦片與若干所述外摩擦片交錯排列，若干所述外摩擦片均與所述摩擦式離合器外殼的內壁固定連接，若干所述內摩擦片均與所述摩擦式離合器內殼的外壁固定連接，相鄰的所述內摩擦片和所述外摩擦片之間設置有用于調節(jié)摩擦力大小的間隙。

進一步地，所述摩擦式離合器內殼為左端小右端大的階梯式筒狀結構，所述內復位彈簧位于所述摩擦式離合器內殼的內階梯面與所述離心式離合器外殼之間，所述內復位彈簧與所述輸入軸平行。

進一步地，所述摩擦式離合器內殼中設置有用于限制所述減速器向右運動的限位板，所述限位板與所述摩擦式離合器內殼之間為銷連接結構。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明在任何負載之下，能保證電動機始終空載啟動，空載啟動成功并達到設定轉速后，負載的轉速才開始逐漸增加，并且按照設計的函數(shù)曲線逐漸增加直到與電動機轉速相同；整個啟動過程中，負載對電動機造成的沖擊小，啟動過程平穩(wěn)可控，在多數(shù)場合可以不用啟動控制系統(tǒng)，從而同時具備傳統(tǒng)電氣式和機械式軟啟動系統(tǒng)的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖框圖，圖中結構狀態(tài)處于空載啟動階段；

圖2是本發(fā)明的結構示意圖框圖，圖中結構狀態(tài)處于預同步階段；

圖3是本發(fā)明的結構示意圖框圖，圖中結構狀態(tài)處于同步階段，且同步/嚙合系統(tǒng)工作；

圖4是本發(fā)明的結構示意圖框圖，圖中結構狀態(tài)處于同步階段，且同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)同時工作；

圖5是本發(fā)明的結構示意圖框圖，圖中結構狀態(tài)處于同步階段，且嚙合系統(tǒng)工作；

圖6是本發(fā)明中實施例的剖視結構示意圖；

圖中：1-摩擦式離合器外殼、2-軸承、3-離心式離合器外殼、4-離心式離合器轉子、5-內摩擦片、6-外摩擦片、7-前端齒、8-端齒外殼、9-連桿、10-離心擺錘、11-摩擦式離合器內殼、12-絲桿螺母、13-定位銷、14-輸出絲桿、15-外復位彈簧、16-盤簧、17-減速器壓板、18-減速器、19-限位板、20-內復位彈簧、21-后端齒、22-曲線導向卡槽、23-輸入軸、24-輸出軸。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

本發(fā)明包括輸入軸、輸出軸、空載啟動系統(tǒng)、中間傳動系統(tǒng)、同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)，輸入軸同時與同步/嚙合系統(tǒng)、空載啟動系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)連接，同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)均與中間傳動系統(tǒng)連接，空載啟動系統(tǒng)與中間傳動系統(tǒng)之間通過離合式連接結構連接，同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)均與輸出軸通過離合式連接結構連接。

本發(fā)明裝置在工作時分為空載啟動階段、預同步階段、同步階段、工作階段和停車階段。

空載啟動階段

如圖1所示，在空載啟動階段，驅動電機帶動輸入軸轉動，此時空載啟動系統(tǒng)與中間傳動系統(tǒng)之間是分離狀態(tài)，實現(xiàn)空載啟動。系統(tǒng)內設有速度控制器，當輸入軸轉速達到預設值時，完成空載啟動階段，空載啟動系統(tǒng)與中間傳動系統(tǒng)結合，進入預同步階段。

預同步階段

如圖2所示，中間傳動系統(tǒng)由延時發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和轉換機構組成，當空載啟動系統(tǒng)與中間傳動系統(tǒng)結合后，帶動減速器工作進而帶動函數(shù)發(fā)生器，再通過函數(shù)發(fā)生器帶動轉換機構，實現(xiàn)中間傳動系統(tǒng)與同步/嚙合系統(tǒng)的結合。

在此階段，利用延時發(fā)生器與函數(shù)發(fā)生器并結合具體工況，可有效控制啟動時間。

同步階段

參與同步階段的部分為同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)，分三步進行，系統(tǒng)內設有速度控制器，進行速度反饋。進入同步階段，中間傳動系統(tǒng)將信號輸入傳遞給同步/嚙合系統(tǒng)，系統(tǒng)開始同步，并通過此系統(tǒng)中的嚙合結構進行傳動，如圖3所示。

由于同步/嚙合系統(tǒng)的傳遞不夠穩(wěn)定并且會有能量損耗，因此利用嚙合系統(tǒng)進行傳動。

當轉速繼續(xù)升高，系統(tǒng)傳動方式進行切換，速度控制器控制嚙合系統(tǒng)相結合，此時同步/嚙合系統(tǒng)和嚙合系統(tǒng)同時進行傳動。如圖4所示。

轉速進一步增大，完成傳動方式切換，速度控制器控制同步/嚙合系統(tǒng)分離、空載啟動系統(tǒng)分離，系統(tǒng)僅通過嚙合系統(tǒng)進行傳動，如圖5所示，同步階段完成。

工作階段：在此階段中，系統(tǒng)工作通過輸入軸—嚙合系統(tǒng)—輸出進行無能量損失的可靠穩(wěn)定的傳動。

停車階段：當停車時，輸入軸轉速會越來越低，當轉速持續(xù)降低，速度控制器使得嚙合系統(tǒng)分離，從而實現(xiàn)停車的過程。

結構實施例

如圖6所示，空載啟動系統(tǒng)包括軸承2、離心式離合器外殼3和離心式離合器轉子4，中間傳動系統(tǒng)包括絲桿螺母12、定位銷13、輸出絲桿14、盤簧16、減速器壓板17、減速器18、限位板19和內復位彈簧20，同步/嚙合系統(tǒng)包括摩擦式離合器外殼1、若干內摩擦片5、若干外摩擦片6、端齒外殼8、離心擺錘10、摩擦式離合器內殼11、外復位彈簧15和減速器壓板17，嚙合系統(tǒng)包括摩擦式離合器外殼1、前端齒7、端齒外殼8、離心擺錘10、摩擦式離合器內殼11和后端齒21；摩擦式離合器內殼11的右端置于摩擦式離合器外殼1中且左端與輸出軸24固定連接，輸入軸23同時與摩擦式離合器外殼1和離心式離合器轉子4連接；離心式離合器外殼3位于摩擦式離合器內殼11與摩擦式離合器外殼1所形成的腔體內，離心式離合器外殼3的一部分凸出于摩擦式離合器內殼11的右端，軸承2套在離心式離合器外殼3上，軸承2位于離心式離合器外殼3與摩擦式離合器外殼1之間，內復位彈簧20設置在離心式離合器外殼3與摩擦式離合器內殼11之間；輸出絲桿14、減速器18和離心式離合器外殼3從左至右依次設置在摩擦式離合器內殼11中，離心式離合器轉子4設置在離心式離合器外殼3中，減速器18的轉矩輸入端與離心式離合器外殼3連接，減速器18的轉矩輸出端與輸出絲桿14連接，絲桿螺母12和盤簧16均設置在輸出絲桿14上，盤簧16位于減速器18與絲桿螺母12之間；定位銷13固定于摩擦式離合器內殼11的內壁，絲桿螺母12的環(huán)面設置有曲線導向卡槽22，定位銷13卡于曲線導向卡槽22內；離心擺錘10、前端齒7和后端齒21從左至右依次設置在摩擦式離合器內殼11的外壁，前端齒7正對后端齒21，離心擺錘10的中部與摩擦式離合器內殼11鉸接，離心擺錘10的重心位于其鉸接點的左側，外復位彈簧15設置在離心擺錘10左端和摩擦式離合器內殼11之間，減速器壓板17設置在離心擺錘10右端和減速器18之間，減速器壓板17的中部與摩擦式離合器內殼11鉸接，減速器壓板17的左端位于離心擺錘10右端的下方，減速器壓板17的右端正對減速器18，離心擺錘10的左端通過連桿9與前端齒7連接，后端齒21與摩擦式離合器外殼1固定連接，前端齒7固定安裝在端齒外殼8上，連桿9的一端與離心擺錘10鉸接且另一端與端齒外殼8鉸接；若干內摩擦片5和若干外摩擦片6均設置在摩擦式離合器外殼1內，若干內摩擦片5與若干外摩擦片6交錯排列，若干外摩擦片6均與摩擦式離合器外殼1的內壁固定連接，若干內摩擦片5均與摩擦式離合器內殼11的外壁固定連接，相鄰的內摩擦片5和外摩擦片6之間設置有用于調節(jié)摩擦力大小的間隙。摩擦式離合器內殼11為左端小右端大的階梯式筒狀結構，內復位彈簧20位于摩擦式離合器內殼11的內階梯面與離心式離合器外殼3之間，內復位彈簧20與輸入軸23平行。摩擦式離合器內殼11中設置有用于限制減速器18向右運動的限位板19，限位板19與摩擦式離合器內殼11之間為銷連接結構。

基于結構實施例的工作原理如下：

摩擦式離合器外殼1與輸入軸相連接，摩擦式離合器內殼11與輸出軸相連接。

啟動時：輸入軸帶動離心式離合器轉子4，當轉子4達到一定的轉速時，轉子4與離心式離合器外殼3接觸，通過摩擦帶動外殼3轉動。離心式離合器外殼3帶動減速器18的輸入軸轉動，輸出絲桿14帶動絲桿螺母12轉動，盤簧16蓄能，絲杠螺母外周按照特定函數(shù)加工凸輪型線，凸輪帶動負載離合器內殼11移動，內摩擦片5和外摩擦片6相接觸，輸入軸和輸出軸實現(xiàn)同步轉動。當摩擦式離合器內殼11轉速達到一定速度時，離心擺錘10由于離心作用將壓下限位裝置17，并經(jīng)過連桿9使前端齒7和后端齒21嚙合，此時輸入軸通過摩擦式離合器外殼1和端齒傳遞扭矩，從而直接帶動輸出軸工作，實現(xiàn)軟啟動。

同時，由于限位裝置17抬起，減速器18和絲桿螺母12在盤簧14的作用下實現(xiàn)反轉復位，內摩擦片5和外摩擦片6脫離。

本系統(tǒng)的中間傳動系統(tǒng)采用摩擦式離合器進行傳動，根據(jù)本系統(tǒng)的工作原理，還可以采用鋼球式離合器、液力變矩器等相同原理的結構進行替換。減速器在此是延時發(fā)生器的作用，采用的是RV減速器，根據(jù)工作原理，可采用其他類型的減速器進行替換，比例越大，延時時間越長。

在同步/嚙合系統(tǒng)中采用了離心擺錘與限位裝置進行同步，根據(jù)系統(tǒng)的工作原理你，此處還可采用連桿機構等相同原理的結構進行替換。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。