新型電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置設計與應用研究

趙峰

（1.甘肅建投重工科技有限公司；2.甘肅省專用車輛工程研究中心，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

在現今社會人力成本不斷上升的情況下，“機器自動化”的步伐加快，工程機械作為一個在建筑領域與工業生產領域的重要組成部分，可以大量節省人力、物力，有效地減少經營成本，工程機械一般都是以發動機或者電機為源動力，依靠液壓系統或者機械系統進行動力傳動，為了避免工程機械作業過程中由于負載過載、機械傳動故障或者液壓傳動故障導致的設備失控或損壞，過載保護限制與力矩控制裝置由此應運而生，過載保護與力矩控制裝置在工程機械中承擔了舉足輕重的角色，一種可靠的過載保護限制與力矩控制裝置是必不可少的，其精確度與性能直接影響了起重機械的作業安全。

目前，市面上主要的過載保護限制與力矩控制裝置按其功能原理與性質可以分為摩擦式扭力限制器和鋼球式扭矩限制器，本文在此基礎上提出了一種新型電磁液力型過載保護限制與力矩控制裝置。

2 目前主流力矩限制器的分類及其優缺點

扭矩限制器又稱為扭力聯軸器、安全聯軸器、力矩限制器與過載保護器等，雖然名稱叫法不同，但是根據其結構主要分為摩擦式扭力限制器與滾珠式扭力限制器。

2.1 摩擦式扭力限制器

摩擦型扭力限制器是利用鎖緊螺母來使彈簧產生彈力，作用于摩擦片上，鏈輪等輪狀物體被夾在兩片摩擦片之間，由于彈力的作用使得摩擦片和鏈輪間產生摩擦力，從而能進行傳送扭矩。

設備發生過載或機械故障而導致所需扭矩超過設定值時，鏈輪和摩擦片之間產生相對滑動，以滑動摩擦形式限制傳動系統所傳動的扭力，但是兩者之間依然保持著打滑時的扭矩，此時主動端空轉，傳動端只有彈簧壓力提供的滑動摩擦力。當過載情形消失后會自行恢復聯結。這樣就防止了機械損壞，避免了安全事故與設備損失。扭力限制器采用彈簧負荷式摩擦表面，以螺帽或螺栓調整彈簧力，達到相對精準的扭矩值,同一外形尺寸產品，可以更換不同的內置彈簧來確定不同的打滑扭矩。

2.2 鋼球式扭矩限制器

當設備傳遞力矩超過設定的打滑力矩（過載）時，鋼球離開凹坑，使主動端部件和從動端部件之間產生打滑，此時傳遞的力矩降低到預設值，同時發生環產生軸向位移，觸動傳感器或位移開關，使傳感器輸出信號，隨之可用輸出的信號來控制操作或切斷動力源，使設備停止轉動，起到保護設備的作用。

過載消除后，鋼球在保持架旋轉過程中轉動一個角度在下一個凹坑中自動復位，這樣主動端和從動端部件在相互旋轉一個角度后恢復正常轉動。

以上2種扭矩限制器都屬于過載保護限制與力矩控制裝置，也是目前市面上主流通用的力矩控制裝置，其都有價格較為經濟、扭力簡單易調、結構簡單、方便拆裝維護的特點，但是其都有相應的缺點，如由于滑動摩擦力與滾動摩擦力的難以測量與控制的問題導致的扭矩精度不高，過載后響應速度相對較慢，摩擦式扭矩限制器過載之后不能輸出信號，需要人工觀察并停止機械，若是過載或故障長時間不能消除會導致摩擦面過熱或者摩擦片磨損嚴重等問題，所以本文提出了一種新型電磁液力式扭矩限制器，提供了更為快速的時間響應、信號觸發與更為精確的控制，并從源頭根本上解決傳統滑動摩擦型與滾珠型產生的過熱問題。

3 電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置

3.1 電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置主體機械結構的設計

本文所涉及的電磁液力式扭矩保護裝置其基本組成如圖1所示。

圖1 扭矩控制器主要機械結構側面剖視圖

3.2 電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置基本運行原理

電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置基本運行原理如圖1所示，動力側動力軸通過動力側連軸套與裝置動力側連接，同理負載側通過負載側聯軸套與裝置負載側相連，當電氣系統將系統計算設定的電流導通至動力側電磁鐵線圈與負載側電磁鐵線圈時，每組電磁鐵產生一定量的電磁力，在電磁力的作用下，動力側轉動會帶動負載側轉動，當負載側或者動力側過載或者故障時，設定電流產生的電磁力不足以對抗負載過載產生的剪切力時，動力側與負載側動力連接暫時切斷，同時傳感器檢測到電流波動異常，向控制系統發出信號，當過載或故障消除時，根據系統設定裝置會通過設定電流自動恢復電磁力，或切斷電流保持動力切斷狀態。

裝置正常工作時，鎖止電磁鐵持續通電，產生電磁力吸附鎖桿從而導致彈簧形變至壓縮狀態，當裝置意外斷電時鎖桿在彈簧應力下會伸出，在液壓傳動油阻尼的作用下，動力側與負載側相對轉速差會呈緩慢指數曲線變化，下一時刻插入裝置負載側對應鎖止孔中，使動力側與負載側強制連接，當裝置電力恢復時，鎖止結構會根據設定保持鎖止或解除鎖止。

3.3 電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置電氣控制系統的設計

控制系統的基本構成與原理如下：

控制系統基本由屏幕、控制器、壓力傳感器、傾角傳感器、DCDC、ACDC、數據存儲記錄儀等組成，機械傳動部分由電磁鐵、鐵芯、線圈、彈簧、液壓傳動油及散熱系統等組成，因為直流電磁鐵磁路磁通量不隨時間做正余弦周期變化，所以直流電磁鐵沒有磁滯損耗與磁渦流損耗的特性，所以能量轉化率高，電磁通量穩定，能較好的適用于本裝置，線圈是電磁鐵的主要驅動部件，電磁鐵的工作性能主要靠線圈的結構形式與線圈的選取參數確定的，線圈主要有串聯和并聯2種形式，串聯線圈又被稱之為電流線圈，在主回路中與控制電源串聯存在，其主要特點是線圈通過電流大，匝數較少，而并聯線圈相反，其與控制電源并聯，匝數多、電阻大、電流小、電壓高，2種形式根據工況與配置都可選擇，控制裝置選用并聯線圈，采用空間更為緊湊的并列式纏繞方式。

電磁鐵的電磁吸力計算與控制為本裝置的核心，其計算方程有2種形式，一是依據能量守恒定律計算，二是馬克斯韋爾方程式，如下列公式1與公式2。

其中F為電磁吸力，G為磁導，S為磁體面積，μ為磁導系數，φ為磁通量，B為磁感應強度，δ為氣隙長度，n為單個磁鐵的線圈匝數，i為線圈中電流。

當工作氣隙值較大時，以公式1計算F電磁力較為準確，反之，當工作間隙較小時，以馬克斯韋爾方程式計算電磁吸力F較為準確，本裝置研究的電磁力系統兩電磁鐵之間間隙較小，即工作氣隙很小，因此采用馬克斯韋爾方程進行計算。

磁導與磁阻互為反比，磁阻即是磁通量通過磁路時所受到的阻力，磁阻量的大小與磁路路徑成正比，與磁路的橫截面面積成反比，所以根據馬克斯韋爾向量方程組可得出空間能量積分方程。

其中A為電磁向量，J為電流密度，Ω為磁體磁阻，μ為磁導系數，x為磁場能量泛函數X軸分量，y為磁場能量泛函數Y軸分量，z為磁場能量泛函數Z軸分量。

在此數學模型的基礎上，在MatLab仿真中采用時間載荷步進法按照間隔1S的時間間隔加載線性電壓，分別得到電流與時間，電磁力與時間的關系圖，如圖2所示。

圖2 電磁力與線性電流曲線圖仿真

電磁鐵線圈的設計由MatLab仿真可以得出，在加載線性電流后，電磁力的增加呈現為拋物線狀，隨著電流的增加，電磁力也逐漸增大，并且兩者互為正比。

通過自動控制理論中比例、積分、微分PID閉環反饋控制系統，如圖3所示。

圖3 PID閉環反饋控制系統

PID閉環反饋控制系統利用電流、電壓、壓力等傳感器提供的數據，自動控制系統的計算調節單元將來自傳感器的測量值與給定值相比較之后產生的偏差進行比例、微分、積分運算，并輸出統一標準信號，去控制執行機構的動作。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制，并使用MatLab/Simulink進行系統仿真與環境搭建建模。

將G磁導、S磁體面積、μ磁導系數、φ磁通量、B磁感應強度、δ氣隙長度、n磁鐵的線圈匝數、i線圈電流、A電磁向量、J電流密度、Ω磁體磁阻等參數代入模型，并以時間為橫向變化量，模擬測定F電磁吸力達到穩態的模型，通過MatLab模擬系統階躍響應穩態仿真結果可以得出，整體控制系統在PID閉環反饋控制下，能夠在微秒級別下快速響應，提高系統的閉環增益，減小系統的穩態誤差，從而提高系統的控制精度，加強系統的穩定性。

4 電磁液力式過載保護控制裝置相比傳統力矩控制器的優點

隨著電子電控與工業科技的發展進步，各種大扭矩，高轉速電機設備出現在各領域，許多工程機械與工程設備由于安全措施防護不到位，一旦故障產生，關鍵部分得不到有效的安全限制，從而導致了巨大的經濟損失與人員傷亡，因此一種力矩精確限制與扭矩過載保護的機電控制裝置在設備中就成為必不可少的安全保護裝置，目前市面上常見的力矩限制器分為滾珠型扭矩限制器、摩擦式扭矩限制器、氣動扭矩限制器、推拉力限制器，這幾種限制器都有相應的力矩保護功能，但是都是通過動摩擦或者靜摩擦的原理實現的，可在一定范圍內通過計算摩擦力設定過載保護扭矩數值，通過調節螺母或者螺栓做設定，但是精度較差，且摩擦力是通過兩種部件表面積接觸而產生，從動摩擦力到靜摩擦力會有作用過程，所以裝置觸發需要一定過程反應時間，且過載動摩擦力打滑時仍然留有較大的殘余扭力，打滑時間過長會產生巨大的熱量，且對裝置壽命影響較大，需要經常檢查裝置的磨損情況。除此之外，以上傳統力矩限制裝置還會受到溫差過大引起的熱脹冷縮的變化而導致的設備功能不穩定，較高的維護成本、占空間較大、運行噪聲較大、結構復雜、自動化程度低。

本文設計了一種新型電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置有效的解決了上述問題：根據負載側所需扭矩數據，使用多組對稱結構的電磁鐵，利用電磁吸力將動力源側扭矩傳遞給負載帶動側，動力扭矩采用非接觸式傳遞方式，動力傳遞無相對面接觸不產生摩擦、產生熱量小，并且裝置外殼采用全密封方式，中間填充液壓傳動油，能夠為系統散熱的同時提供一定的阻尼，使整套系統能量損耗低、設備損耗小，根據用戶設置的扭力閾值，系統會精確計算所需的電流，每組電磁鐵會根據電流大小產生不同的磁力，從相互的磁力轉變為轉動扭力，當負載端所需動力超過設定扭力轉化或者動力源側由于故障原因輸出扭力或轉速過大時（如低電壓穿越、電機短路等），設定電流所產生的相互磁力不足以平衡帶動扭矩所產生的剪切力時，動力源側與負載側的動力連接會瞬時切斷，同時基本無殘余應力產生，并觸發控制系統向上位機發送狀態信號。

同時因為整體系統由電力控制為主，可以更方便的移植“黑匣子”功能，在設備作業過程中能夠準確記錄每個傳感器及動力傳動過程中扭矩的變化，以便事故過后能夠準確的分析原因。

5 結語

通過以上內容針對目前主流扭矩限制器的結構及運行原理進行了簡要分析介紹，并提出了一種新型電磁液力式過載保護限制與力矩控制裝置，并通過數學模型理論計算、控制軟件編程與MatLab/Simulink等軟件進行系統仿真與環境建模，驗證了裝置的控制理論與可行性，為下一步整個系統的硬件設計與制作提供了堅實的理論基礎，也為更多相關廠家做出了相關的技術算法參考指導。