（流体机械及工程专业论文）调速型液力偶合器的特性分析.pdf

摘要 调速型液力偶合器作为动力传动装置应用相当广泛，电厂中大功率的水 泵采用调速型液力偶合器调节给水流量具有明显的节能效果但在实践中， 由调速型液力偶合器本身特点所决定，其动态特性非常复杂，系统参数不确 定性及调节增益的严重非线性和不断变化性，成为控制系统需要解决的问 题本文根据其增益变化的特性，建立偶合器数学模型 本文以汽包锅炉为例，建立了偶合器变速调节的给水流量控制系统模 型。对系统中y o t c s 型调速型偶合器、5 0 c h t a 5 型锅炉给水泵，推导其动 态方程，建立系统数学模型，为系统仿真提供了理论基础。锅炉给水流量控 制属于过程控制，对给水这种大时滞、参数不稳定系统。采用数字p i d 控制 器对该系统进行仿真，并分析结果 关键词：调速型液力偶合器；锅炉给水泵；p i d 控制 a b s t r a c t v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i cc o u p l i n gf o rp o w e rt r a n s p o r tp l a n ti su s e di nt h e i n d u s t r i a lp r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e mw i d e l y h i g hp o w e rw a t e rp u m p sa d o p t v a r i a b l es p e e dh y d r a u l i cc o u p l i n gt or e g u l a t ew a t e rf l o w ，t h a th a so b v i o u s e n e r g y c o n s e r v i n gr e s u l t si np o w e rp l a n t b u ti nf a c t s ，t h ed y n a m i cp r o p e r t i e s a r e q u i t ec o m p l e xb y i t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h eu n c e r t a i n t yi ft h es y s t e m p a r a m e t e ra x r dt h es e r i o u sn o n l i n e a ra n dv a r i e t yo fr e g u l a t i o ng a i nh a sb e e n t h et e c h n i q u em a t t e rt h a tn e e d ss o l v i n g a c c o r d i n gt oi t sc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i co f g a i n ， t h ep a p e rs e th pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cc o u p l i n g t h ep a p e rm a k e s e x a m p l e o fs t e a md o m eb o l i e r ，s e t u pm o d e lo f w a t e r - s u p p l y f l o wc o n t r o l s y s t e mo fh y d r a u l i cc o u p l i n gc h a n g i n gs p e e d r e g u l a t i n g f o rs y s t e mo fy o t c sv a r i a b l eh y d r a u l i cc o u p l i n ga n d5 0 c h t a 5 b o i lw a t e r p u m p ，t h ed y n a m i ce q u a t i o n a n dm a t h e m a t i c sm o d e la r e o b t a i n e d ，t h a to f f e r st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rs y s t e m a t i cs i m u l a t i o n b o i l e rw a t e r c o n t r o li sp r o c e s s i n gc o n t r 0 1 i nt h el i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o n gt i m e d e l a ya n du n c e r t a i n t yp a r a m e t e r ，t h es y s t e mi sd e s i g n e di nd i g i t a lp i d c o n t r o l t os i m u l a t ef o rt h es y s t e m a n da n a l y s i st h eo u t c o m e k e y w o r d s ：v a r i a b l eh y d r a u l i cc o u p l i n g ；b o i lw a t e rp u m p ；p i dc o n t r o l 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。目前调速型液力偶合器的数学模型大都 采用惯性环节来描述，但却忽略了其增益随工况的不同而不同的这 个特点，本文根据其增益变化的特性，建立了比较精确的调速型液 力偶合器数学模型，为我国电厂的调速节能工作提供了理论基础。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：塑盈e i 萁i i ：婴：剑 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 水泵是通用机械，应用面宽，使用量大，耗电量多因此，降低水泵的 电耗对我国全局节能挖潜具有重大的意义国内各发电厂为了达到一流企业 的标准，均把促进节能降耗和降低厂用电作为当前的重要工作 1 1引言 在电力工业生产中，各类水泵是重要的辅助设备，其品种多，容量大， 消耗的电能约占发电量8 左右为了降低水泵的电耗除了提高水泵本身的 效率外，采用变速调节方式驱动是一种最有效的措施o i 射因为电力生产的 符合随用户的需求而时刻变化，所以大多数水泵都需要根据主机负荷而经常 调节流量当采用节流调节时，水泵的流量主要采用调节阀门或节流挡板来 进行调节，低负荷时甚至节流5 0 以上由于存在节流损失及偏离高效区运 行，能量浪费非常严重，其节能潜力相当可观【” 如改为调速驱动，既可以取消节流损失，又可以保证水泵始终运行在高 效区，因此可以大幅度节约电能世界上一些工业发达国家首先认识到水泵 调速节能的重要意义，因此纷纷将节流调节改为变速调节例如，美国为了 提高调峰机组的运行经济性，已将6 4 的锅炉给水泵改为调速泵，将4 6 的风机改为调速风机，收到了不错的经济效益 4 1 们 随着液力传动技术的日益发展，采用调速型液力偶合器来对水泵进行调 速和流量的调节，既对环境无污染，又有着较高的效率，是当前变速调节的 主要趋势 调速型液力偶合器主要依靠液体在叶轮中的动能来传递动力，由液力元 件的泵轮将输入的机械能转化为液体能，涡轮则把液体能转化还原为机械 能。调速型液力偶合器主要优点在于：一是隔离振动偶合器泵轮和涡轮之 间没有机械联系，扭矩是通过工作液体来传递的，属于柔性传动。当电动机 输出扭矩有周期性波动时，不会通过偶合器传至风机、水泵上，因而偶合器 具有良好的隔振效果二是过载保护。在正常工作时偶合器有3 左右的滑差， 当负载扭矩突然增大时( 如水泵的流量突然增加)偶合器的滑差会自行增 大，甚至使从动轴制动，此时电动机仍可连续运转而不致停车，因此偶合器 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 可保护整个动力系统免受冲击三是无级调速。如果改变偶合器流道中的充 油量，偶合器传递的扭矩也发生变化，在同一滑差下，充油量减小，偶合器 输出扭矩也会减小充油量的大小由电动执行机构改变勺管的开度来实现， 在电动机转速不变的情况下，可以实现负载的无级调速，用于风机和水泵调 速，可以节省大量能源 随着我国城市化步伐的加快，用电量的消耗也在逐年上升在我国迅速 展开调速节能的研究工作，不仅可以使我国在该领域的研究达到国际先进水 平，而且由此形成的调速节能技术在我国将具有广泛的应用前景，同时也将 产生巨大的社会效益 1 2 国内外液力偶合器及液力传动研究成果综述 液力传动与其他形式的传动相比，是问世较晚的一种传动方式由于1 9 世纪航海事业的发展，船舶吨位不断增加，德国电气工程师费丁格尔 ( f o t t i n g e r ) 教授研制出第一台液力传动装置一液力变矩器，并于1 9 0 2 年首 次应用到船舶的驱动系统中 e l 。1 9 0 8 年包易尔( h a u e r ) 将导轮去掉，便出现 了世界第一台液力偶合器。它较第一台液力变矩器的效率提高许多，后来成 功地应用到汽车的传动中1 7 j 。 所谓液力传控系统是指液力元件在系统中不仅起动力传输的作用，同时 也兼有调节控制的功能 8 1 传统的传动机械，都只能借助于它们本身构件工 作原理上的功能特点来达到动力变换的适应性，而调控性则常常依赖于操作 管理人员对工况的判断进行操纵控制去实现当代计算机技术和传感器技术 的发展，已经有可能把这种变换适应性和调控性紧密结合在一起，实现计算 机控制，使传动机械在功能上有一个极大的进步 目前，国外液力传控技术的实际应用己经达到较高水平嘲。8 0 年代日本 机械工业联合会对任原制作所研制的液力闭环调速给水自动装置给予了公 开奖励，该技术在居民给水、工业锅炉给水获得了成功的应用，国内电站进 口设备中就有该装置。8 0 年代美国的a 1 1 0 n j k o f w i c k i 和w a r r e n m l 学者发表 文章介绍了安装在机车上的液力变矩器动态模型p o 模型是针对大惯量负载 情况的动力传动系统建立的，模型简化程度较大。另外，英国空军在飞机空 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 中加油平台驱动装置中采用了液力传控系统，该设备从6 0 年代服役，至今仍 然采用我国自行研制和生产液力传动装置是从5 0 年代末开始的，首先在著 名的。红旗。牌高级轿车和。卫星”、。东方红i 型。等内燃机车上得到成功 的应用咖7 0 年代开始，在载重汽车、石油机械和装载机、铲运机、平地机、 叉车等工程机械及运输机械上也开始普遍使用液力变矩器传动。在刮板运送 机，高强度皮带传送机，炼钢厂转炉风机等许多工业机械上，液力偶合器传 动也得到了迅速的推广应用嘲因而从以上这些情况来看，国外液力传控技 术和应用都已达到较高的水平而国内对液力传控技术和应用的研究则还是 一个崭新的学术方向和应用领域。 当前，国际能源供应日益紧张，人们不得不把注意力放到如何提高能源 利用率和节约能源方面来因此，可以在应用中节约能源的调速型液力偶合 器和液力偶合器传动装置得到了迅速发展。随着现代工业机械向高速、大功 率方向发展，促使与其配套的调速型液力偶合器和液力偶合器传动装置也向 高速、大功率方向发展目前，德国福伊特公司正在研制输出转速1 2 0 0 0 r m i n ，功率在2 7 0 0 0 k w 以上的超大型液力偶合器传动装置和生产大功率的多元 调速装置【l ”。由于液力偶合器传动装置结构复杂、技术密集、加工精度高、 难度大、利润高，因而西方各大公司竟相研制生产，竞争很激烈由于液流 在液力元件工作腔中运动的复杂性，偶合器迄今尚不能用数学模型表达西 方各大公司均十分重视试验研究，液力偶合器腔型的改进、新结构的创立， 均以试验为根据各公司均设有设备齐全、仪器精良的研究性试验室，以发 展新产品，提高其在国际市场上的竞争能力p 4 1 。 当前，我国液力偶合器主要应用在带式输送机、刮板输送机、塔式起重 机、门式起重机、球磨机、破碎机、风机、输油泵、船舶辅机等设备上由 于调速型偶合器在炼钢转炉捧烟风机、和石油管道输油泵上应用，节能效果 显著，已引起人们格外的关注 我国对液力偶合器的应用还很不普遍，但液力偶合器所具有的改善传动 品质和节约能源等优点，表明了它具有较强的生命力。随着我国科学技术的 发展，以及人们对液力偶合器的认识不断加深，其应用领域将会日益扩大 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 1 3 水泵调速运行的经济性分析 水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大 据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约3 5 0 0 0 m w ，耗电量 约占全国电力消耗总量的4 0 左右目前，风机和水泵运行中还有很大的节 能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率n 5 m ” 我国火电机组的平均煤耗为0 4 k g l k w h ，比发达国家高 ( 0 0 7 0 1 ) k g k w h ，而厂用电率的高低是影响供电煤耗和发电成本的主要因 素之一国产3 0 0 m w 机组的厂用电率平均为4 7 1 ，而进口( g e 公司) 机组为 3 8 1 。国产机组比进口机组约高2 0 左右国产机组厂用电率偏高的原因主 要是锅炉辅机在经济运行方面存在问题和差距m 国外火电厂的水泵己纷纷增设调速装置，而目前我国火电厂中除少量采 用汽动给水泵及双速电机外，其它水泵基本上都采用定速驱动这种定速驱 动的水泵，由于采用出口阔，存在严重的节流损耗。尤其在机组变负荷运行 时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低调查表明：我国 5 0 m w 以上机组锅炉给水泵运行效率低予7 0 的占一半以上，低于5 0 的占i 5 左右。由于目前普遍的机组负荷偏低，风机的效率就更低，有的甚至不到 3 0 l l l l ，结果是白白地浪费掉大量的电能，己经到了非改不可的地步。 在机组变负荷运行方式下，如果主要辅机采用高效可调速驱动系统取代 常规的定速驱动系统，无疑可节约大量的节流损耗，节电效果显著，潜力巨 大，这已是不争的事实除此之外，由予可调速驱动系统都具有软起动功能， 可使电厂辅机实现软起动，避免了由于电动机直接起动引起的电网冲击和机 械冲击，从而可以防止与此有关的一系列事故的发生。倒如电动机转子笼条 的疲劳断裂，定子端都绕组绝缘损坏击穿等重大事故，提高了辅机运行的可 靠性【 由以上分析可知，当电动机定速带动水泵运行时，为了维持锅炉汽包压 力在正常值，必须在给水管道上加装给水调节阀，增加阻力，以至消耗大量 的能源。若电机采用调速驱动，则可用改变电机的转速来满足不同的压力要 求，节省了因阀门阻力引起的附加损耗，从而达到节能的目的同时以调速 方法改变水泵压力及流量的响应速度远比改变阀门开度来的快，使锅炉汽包 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 水位自动调节系统的反应加快，改善了锅炉给水调节系统的性能 为了降低水泵的能耗，除了提高水泵本身的效率，降低管路系统阻力， 合理配套并实现经济调度外，采用调速驱动是一种更加有效的途径因为大 多数水泵都需要根据主机负荷的变化调节流量，对调峰机组的水泵尤其如 此根据目前我国电网的负荷情况，大多数1 2 5 m w 机组己参与调峰，为扩大 调峰能力甚至一些2 0 0 m w 机组也不得不参与调峰运行 2 0 i 所以为这类调峰机 组配套的各种水泵最好采用调速驱动，以获得最佳节能效果例如，有i 台 国产2 0 0 m w 机组配各3 台d g 4 0 0 一1 8 0 型定速给水泵，当主机负荷为1 8 0 m w 时运行 2 台泵，调节阀的节流损失高达2 2 1 m p a ，仅此一项每年浪费电能8 8 3 9 万 k w h 【2 i 】如果改用l 台全容量调速给水泵则可以节省大量电能，参见表卜1 热电行业中，对在线运行的风机水泵的主要节能方法就是使其交速运 行，我们采用的变速方法是利用液力偶合器对负载的转速进行调节，我们称 之为液力调速。另外随着电力电子技术的发展，使人们可以通过改变电机的 供电频率，来改变电机的转速，进而达到改变负载的转速，我们称这种调速 方法为变频调速吲 表i - i2 0 0 m w 机组采用全容量调速给水泵的节电效果 主机负荷给水流量节约功率相对节电率 ( m 胃)( t h )( k 霄) ( ) 2 0 0 6 1 67 l o 1 4 6 l 1 8 05 3 57 7 01 7 1 5 1 6 04 7 08 7 52 0 5 9 1 4 04 l o9 5 02 3 9 3 液力调速是利用液力偶合器工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电 机能量。电机通过液力偶合器的输入轴拖动其主动工作轮( 泵轮) ，对工作油 进行加速，被加速的工作油冲击液力偶合器的从动工作轮( 涡轮) ，通过涡轮 输出轴又把工作油的能量传递给负载。这样，我们可以利用某种装置，控制 工作腔内参与能量传递的工作油的多少，来控制负载的转速嘲 变频调速是通过改变供给异步电动机的供电频率，来改变电机的转速， 从而改变负载的转速的我们知道，电机的转速n = 5 0 f ( 卜s ) p 其中f 为供电频率，p 为电机的极对数，s 为滑差因此，改变f 可以改变 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 电机的转速的 液力调速与变频调速的共同特点是都可以对负载进行无级变逮 从价格方面来看，一般情况下，液力偶合器的投资可以在半年到一年的 时间内，通过节省的电费得到回收，而相同功率的变频调速器的投资，大约 需要一年半到三年的时间讲1 如果是高一高变频，则需要的时间会更长因 此，在目前的电厂大功率调速机组上，变频调速还无法与液力调速形成竞争 力 1 4 本课题的背景及意义 目前，国内外采用的水泵的调速方式很多，按传动特性分类比较成熟的 有机械调速和电气调速两大类。机械调速装置包括蒸汽机、汽轮机和燃气轮 机机械调速为有级调速，主要为齿轮变速、变间距带轮与挠性带调节，它 们只有在水泵停止工作时才能进行速度变换，由于其调速响应及精度差，并 且机械调速传动普遍存在单位输出功率重量大、维护要求高等缺点，加上现 场空间小，且须保证机组的安全运行，故在旧设备改造上不宜采用机械式调 速传动。电气调速装置主要就是变频调速变频调速改变异步电机定子端输 入电源的频率。从而改变电机转速的，进而改变风机水泵运行的速度，称为 变频调速主要有交一直一交式电压型、电流型和脉宽调制型三种变频调 速具有无附加转差损耗、效率高、调速范围宽的优点，特别适合低流量运行 的小功率的风机、水泵，但在电源变换装置中的损耗不容忽视。尤其用在高 电压机时，高电压电源须经降压、整流、储能、逆变和升压五次能量变换， 增多了设备，不但生产成本( 投资) 高，而且使电能损耗增加了l o 一2 0 变频技术复杂，维护困难，价格高，最重要的是其产生的高次谐波对电网有 严重污染，不利于环境保护 从以上的分析来看，机械调速主要存在着单位输出功率重量大，能耗大 的问题；而电气调速虽然它调速运行的效率高，但是它产生的谐波对环境有 着严重的污染，并且该技术复杂，维护困难，不符合我国的实际生产情况 因此，研究一种适宜的调速节能技术以解决能耗大的问题就显得尤为重 要。液力调速节能技术从根本上解决了谐波的环境污染等问题，而且运行的 效率也不低，它具有比较好的环保特性，有着广阔的发展前景。对液力调速 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 这项节能技术开展基础性的研究可以使我们在节能的领域内获取新的知识， 形成新的理论研究成果将为我国探索适合于我国国情的先进节能技术的发 展和应用打下坚实全面的基础 但是，我国目前现有的调速型液力偶合器在调速灵敏度和可控性方面还 做得不够，本课题着重从其调速灵敏度和可控性入手，对其调速的特性进行 了比较深入的研究，为以后的调速节能工作提供了理论依据 1 5 本文研究的主要内容 电厂中给水泵的流量是评价锅炉汽包水位的主要参数之一，也是安全运 行的参数之一流量大则易发生汽蚀，流量小则易发生回流，这都对水泵本 身和电力生产造成一定的影响，其造成的能量损失极大的制约着我国经济建 设速度由调速型液力偶合器本身特点决定，泵和风机采用调速型液力偶合 器具有明显的节能效果。因此，本文以给水泵采用调速型液力偶合器进行调 速，并对其调速的特性进行详细的分析，主要做以下的研究； ( 1 ) 通过对调速型液力偶合器特性曲线的研究，探讨了调速型液力偶合 器的变速调节原理 ( 2 ) 建立了调速型液力偶合器力矩特性的数学模型的原理并构建了包括 工作机构在内的整个系统的原理图。 ( 3 ) 由于偶合器本身特点所决定，其动态特性非常复杂，系统参数不确 定性及调节增益的严重非线性，成为闭环控制需要解决的问题。目前，有关 偶合器的数学模型大都采用惯性环节描述，但其增益是变化的，随工况的不 同而不同本文将在以往的偶合器模型基础上，采用变增益方法，建立y o t c s 型调速型偶合器的数学模型 ( 4 ) 叶片式水力机械在稳定工况下运行时描述其工作过程的基本方程是 欧拉方程当在过渡过程不稳定工况下运行时，欧拉方程已不再适用，则必 须寻求适用于不稳定工况的基本方程本文以5 0 c h t a 5 型锅炉给水泵为伪， 推导离心式水泵的动态方程，建立其数学模型 ( 5 ) 对偶合器变速调节的给水流量控制系统进行仿真试验研究，并分析 试验结果 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 2 调速型液力偶合器的基本理论 液力偶合器是一种应用很广泛的通用传动元件它置于动力机与工作机 之间传递动力其作用有时似乎与联轴器相同，但实质全然不同在改善起 动性能、过载保护、无级调速等方面的液力偶合器特性，是联轴器所没有的 调速型液力偶合器由对称布置的泵轮、涡轮以及主轴、外壳、导管等构 件组成外壳与泵轮通过螺栓固定连接，其作用是防止工作液体外溢输入 轴( 与泵轮固定连接) 与输出轴( 与涡轮固定连接) 分别与动力机和工作机相 连接泵轮和涡轮均为具有径向直叶片的叶轮。由泵轮和涡轮具有叶片的凹 腔部分所形成的圆环状空腔称为工作腔，供工作液体在其中循环流动，传递 动力进行工作。在相同情况下，工作腔充液量越大，其传递力矩( 或转速) 的能力也越大；反之亦然。因而调节工作腔中充液量( 充满度) ，就可改变其 输出力矩和转速调速型液力偶合器的特点是充液量可调，它可在电动机转 速恒定的条件下，通过操纵勺管开度，对其输出转速进行无级调节，并通过 液力偶合器泵轮和涡轮之间工作油的循环流动，将电动机的功率平稳而无冲 击地传递给工作机械 2 1 液力传动的基本原理【捌 在液力元件的叶轮中，液体的流态实质上是复杂的空间三元流动，为便 于分析研究，通常将其简化为二元运动并假定叶轮的叶片数目无穷多，叶 片厚度无限薄，认为液体质点的轨迹和叶片形状相一致；处于各部分的液流 流态对轴心是对称的，即在同一半径的圆周上的各液体质点的速度均相同 并规定以平均流线( 在轴纵削面内，把流道分为流量相等两部分的中间流线) 来代表整个叶轮流道内液体运动的平均物理参数假定在无叶片区( 工作腔 内的无叶栅区) 里液流无能量变化，仍保持液流在进入该区前的原状态不变。 按以上假定，在进行液流流态的分析研究时，只需对一些特定的液流质 点进行研究，即可了解工作腔液流的全部状况 2 1 1 液流速度三角形和速度环量 在旋转叶轮腔内的某点上，液体质点随叶轮一起旋转的速度称为圆周 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 ( 或牵连) 速度，以搿表示，液体质点沿叶片骨线( 叶片沿流线方向截面形 状的中线) 的切线方向的流动速度称为相对速度，以口表示因此，液体质 点的绝对速度( 液体质点相对于固定坐标系的运动速度) 1 ，的矢量等于其圆 周速度“和相对速度国的矢量和即： v - - - + 由 在速度三角形中，绝对速度v 可分解成相互垂直的绝对速度的圆周分速 度( 绝对速度在圆周切线方向上的速度分量) k 和绝对速度的轴面分速度( 绝 对速度在轴面上的速度分量) 圆周分速度v - 垂直于液流质点的旋转半径， 它与旋转半径是形成动量矩的因素。 轴面分速度与通过叶轮的循环流量q 之间有如下关系： l ：罢( 2 一1 ) 2 毒坦。1 ) q 一工作腔内的循环流量； 以一垂直于轴面分速度的理论过流面积； 矿一考虑叶片厚度对过流面积影响的捧挤参数，伊 r r 2 = r m ； ，啦= 1 钿 = v 棚，故泵轮出 口速度环量l 2 大于泵轮进口的速度环量k ；涡轮出口的速度环量岛小于涡 轮进口的速度环量r n 在泵轮与涡轮之间为无叶片区，两者进、出口的速 度环量不变即： k 2 r n ；r , 2 。k 由此可见，液力偶合器中液流经过泵轮获得的速度环量与经过涡轮所失 去的速度环量的绝对值相等，即： 缸i + 摄f = 0 2 1 2 动量、动量矩和力矩方程 物体质量m 与其绝对速度之积棚，称为动量。某液体质点的动量堋，与该 质点旋转半径，之积，称为该液体质点的动量矩三。 = 嬲w = 月张冠c o s 口= m v r ( 2 4 ) 因此，液体质点的动量矩即为质点与该点绝对速度的圆周分速度气和旋 转半径置之积根据动量矩定律可知，作用于液体质点的力矩等于单位时间 内该点动量矩的变化量。即： ，：竺( 2 5 ) 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - 5 ) 膨= i d l = 堕署= 鲁饥：是一墨) ( 2 - 6 ) 式中宰是单位时间内流过叶轮的液体质量。若单位时间内流过循环流 m 道某一过流断面的工作液体的容积为q ，则 鲁= 警仉：恐一v 1 r i ) = 眺z 坞一v i r l ) ( 2 - 7 ) 故液流与叶轮相互作用的力矩为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 膨= 詈( v i ：垦一匕- 焉) = 虞：马一吒- 玛) ( 2 - 8 ) 式中q 一工作腔内液体的循环流量( m 3 i s ) ； 墨，如一分别为叶轮液流进、出口半径( 研) ； ，一工作液体重度( k d m 3 ) ； l 。，k 2 一叶轮进、出口处液流绝对速度的圆周分速度( m l s ) ； 户一工作液体密度( 堙m 3 ) ； 式( 2 - 8 ) 为以内参数表示的液力元件的叶轮力矩方程 2 1 3 伯努利方程 沿着i f = 意形状的管路稳定流动的液体，在流动中如无数量上的增、减， 则在管路中任何两断面均可写出： 乃+ 争+ 丢= + 争+ 百v b 2 + 脚， 式中，一4 占两断面的平均速度( r e ，s ) ： 只，b 一4 口两断面的相对压力( p a ) ： 乃，一4 曰两断面中心点到基准面的高度( m ) ： g 一重力加速度( m l s 2 ) ： ，一液体重度( ，饼3 ) ： 珥( 柚一由断面彳到断面曰时，单位重力液体的能量损失总和，以液 柱高度表示( m ) 2 2 液力偶合器的变速调节原理 调速型偶合器就是人为地改变工作腔中的充液量，从而改变偶合器的特 性，在原动机特性和负载特性都不变的情况下，改变偶合器的充液量也就是 改变了偶合器的输入、输出特性，从而达到调节工作机转速的目的 改变充液量有许多方法因此，调速型偶合器的结构也各有不同。调速 型偶合器工作时，存在两个循环流动：一个是工作腔内的循环流动，其流量 为g ，它在工作过程中因充液量和工况不同而改变：另一个是工作腔与外部 油室之间的循环流动，其循环流量为g ，。g ，不仅可以改变工作腔中的充液量， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 而且可以实现工作液的冷却，因而调速型偶合器的工作油温一般不易超过 8 0 设循环流量g ，流入工作腔的流量为g ，流出量为鼋出其差值 幻= 纵- q a ，则在平衡工作点运行时，g = 0 而当q o 时，相对充液量增 加时，工作腔流量g 也随之增加反之幻 - | 06 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 0 n r ( r n i n ) 图2 - 5 液力偶合器外特性曲线 ( 2 ) 原始特性曲线 原始特性曲线表示力矩系数及效率与转速比的关系如= f ( o ，如图2 6 所示。在已测得的数据的基础上，按式( 2 - 1 2 ) 逐点计算后绘制而成。通常 原始特性曲线是指在液力偶合器最大充液率下的特性曲线。同一系列的液力 偶合器具有相同的原始特性曲线。原始特性曲线用于不同系列的不同规格液 力偶合器的相互比较，以鉴别性能优劣，并通过原始特性知道液力偶合器的 o 3 6 4 2 l o o o o o 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 其它特性 此外，影响调速型液力偶合器特性的主要有腔型、叶片倾角、工作液体 的温度、转速差、充液率、叶片倾斜角度、液体重度，挡板和泵轮、涡轮间 的轴向间隙等因素 8 6 j j 矿 4 2 o 、 t 、 x 7 1 图2 - 6 液力偶合器的原始特性曲线 2 4 调速型液力偶合器的调节特性 调速型液力偶合器的调节输出量是转速，输入量对不同的调节方式可 以是不同的物理量，这里采用的是勺管的位移作为输入量。把调节输入量用 艿表示，那么调节特性就是珥对艿的变化曲线 偶合器的调节特性，可以通过它不同调节水平下的动力特性来求取为 使所求的调节特性具有可比性，必须给出标准负载条件。由于调速性偶合器 大多应用于泵和风机的调速运行，而m ：a c 刀；是一种典型的使用条件，因此 以此为标准负载特性，并取磊= o 9 7 为标准设计工况这样，在偶合器的原 始特性图上，通过8 - - 8 1 - - 1 0 0 ，盎= o 9 7 的工况点，作乞= 乞磊曲线， 根据它与各不同万值下的一曲线的交点a ，b 、c 、d 做出一万曲线， 这就是偶合器的调节特性如果在工程实践中能够直接测得万和响应的磊 值，当然也不必通过上述作图了不同乃调节特性也将不同。此处， 乞= 坞，触；，d 为偶合器的有效直径，为泵轮转速。 从偶合器的调节特性我们可以看到，它们有一个共同的特点，即在一定 的调节范围内有良好的线性关系，但在大调节量时，却有很大的饱和性实 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 际的偶合器调节特性一般都不是线性的，具有很大的饱和性，即增益( 也称 j ； 为放大系数) k = 竺孚在整个调节范围内不是常数 d j 在闭环控制系统中工作的调速型偶合器，故有调节特性的非线性将给系 统设计带来困难，对系统的稳定性、调节误差及响应时间等调节均有影响 所以，在调速特性的分析中，解决调节的非线性是非常重要的。 调节特性的线性化处理方法比较传统办法之一是使用凸轮机构，也是机 械中用来改变运动规律的一种常用办法这种办法的不足之处是，一方面用 凸轮机构改变运动规律往往受到实际机构可行性限制，不能按理论计算如愿 以偿，使线性化校正的效果并不理想，另一方面不同机构的偶合器以及不同 的使用条件，偶合器的固有调节特性并不一致，凸轮机构难以适应不同情况 采用现代微机控制技术，可以比较方便的解决线性化的问题，办法是在 电动执行机构前加一个。可变函数发生器【捌”，它把由调节器给出的控制电 流信号，按一定的变换关系，根据偶合器的固有调节特性曲线，得到一个新 的输出电流，以此作为电动执行机构的输入信号如图2 - 7 所示 ，l， 函数发生器的增益局= ，此时k = 墨五局将是一个常数可见，函 a 2 数发生器实际上是一个“电子凸轮”，它变化的是电流信号j 由于微机控 制系统可以修改程序来调整软件的环节，因此有很强的适应性使用时通过 现场运行试验采集k 一，的函数关系信息，输入函数发生器，即可得到线性 化的如一，调节特性 不同的勺管位移量就意味着流道内工作液体的循环流量q 也不同，通 常，调速型液力偶合器就是通过改变工作液体的循环流量q 来改变水泵等工 作机的转速和扭矩的 调 l 可变 ， 电动 艿 调速 - l 节 函数执行型偶 器 发生机构合器 嚣 ， b x lk 2 图2 - 7 可变函数发生器实现调节特性的线性化 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 对于流道几何尺寸已确定的偶合器，在相同运转的工况下，即相同的转 速比门；，流道内循环流量q 的大小与工作液体在流道内的充满程度有关 设流道内的充液量为口，则当流道全充满时q = l ，理论上工作液体的体 积等于偶合器内部腔体的几何容积时，才能称之为全充满实际上，由于偶 合器内部腔体有不少辅助容积，对扭矩的传递不起作用，在q = o 9 - 0 9 5 时 就能保证偶合器循环流道内充满液体，不影响扭矩的传递：并且，偶合器内 部几何容积大于工作液体的体积，还可以容纳因运转时高速、高温使工作介 质中分解出来的油气、水气等 当偶合器流道中充液量g 减少时，偶合器传递扭矩能力也随之降低例， 如图2 - 8 所示( 横坐标为转差率s ，且有s = 1 - f ) 显然，充液量g 的减少导 致循环流量q 要小于全充满时的状态，根据式2 8 ，叶轮力矩方程射的值将 降低同时，在图2 - 8 中还可以看到，随着充液量g 的减少，偶合器的扭矩 特性出现不稳定区( 图中阴影线区域) ，在该区域扭矩曲线发生突跳，表现为 所传递的扭矩产生周期性波动，危害传动系统的正常工作，所以，偶合器在 该区域不能正常运转 当偶合器传递扭矩时，涡轮转速开始降低，泵轮转速高于涡轮转速，f 由 l 逐步减少，液体在流道内开始循环流动，流入涡轮的液体作向心运动，在 涡轮旋转而产生的离心力用下，未到达流道近轴线的内侧就开始作离心运 动，重新进入泵轮这种循环流动的结果，使得泵轮和涡轮之间的液体发生 重新分配，泵轮中的充油量减少、涡轮中的充油量增加，循环液体中向心运 动和离心运动之间形成一分界面。这种情况称为液流的小循环 0 20 4 0 6 0 8l m t 图2 - 8 液力偶合器部分充油特性 们 帖 眈 们 m 埔：2 h 住坶o 6 2 o 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 随着偶合器传递扭矩的增加，涡轮转速降低、转速比f 减小，涡轮中的 向心运动趋势增加、离心运动趋势减弱，流入涡轮的液流流量增多，向心运 动和离心运动产生明显分层，并在轴面上形成环状流动随着转速比f 减小， 这一环状流动逐步向涡轮流道内径处靠近，此时，因循环流量有所增加，使 得传递扭矩会缓慢增加 当转速比f 近一步减小至f ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) 进行线性化得： 毗= 毗+ j d a 西m t ( 3 - 2 9 ) 肘z 。z 也出2 五堀出 3 - 3 0 ) 埘j - - x , 匀一蜀# 盐( 3 - 3 1 ) 式中= 弛2 删知 ；。删知 对式( 3 - 2 9 ) ，( 3 - 3 0 ) ，( 3 - 3 1 ) 进行拉氏变换且联立得： 婴；姜b 。( 3 - 3 2 ) f l o g - = = - - - - _ 二- - - - - - 一 l 孽( 力 g o b s + ( 蜀4 + j i 堀) 、 由式( 3 - 2 1 ) 、( 3 - 2 2 ) 、( 3 - 2 3 ) 、( 3 - 2 4 ) 、( 3 - 2 5 ) 得： 酗= 警( 3 - 3 3 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 8 舯毛= 罨糟 斌，五十五4 五2 鑫誓 由式( 3 - 3 2 ) 得： ，乞2 丽磊城万r s c 面o k , z 埘= 筹，4 ， 式中与= 毛，l = 百j 面o ) m 由式( 3 - 3 3 ) ，( 3 - 3 4 ) 可得调速型液力偶合器的传递函数的方框图 图3 3 偶合器传递函数方框图 3 3 3 调速壅液力偶合器传递函数的简化与数学模型的建立 ( 1 ) 由式( 3 1 7 ) 得 q 叠= j 足+ 置，缈= ( 彳，刖+ 工，助( 3 - 3 5 ) 式中4 一导管入口过流截面积； 工，一导管淹没长度； 。工，一油箱的自由表面面积 因为丛躬与缈属于一个数量级，且4s 。上，则式( 3 - 3 5 ) w 简化为： 鲇( 曲* 置，灭d ( 3 - 3 6 ) ( 2 ) 由物理意义分析，工作腔内的充液量的微小变化对喷嘴流量的影响很 小，故有： 2 ，l 幼k o i c , s 4 足， ( 3 - 3 7 ) ( 3 )由实验分析得出，喷嘴流量基本上不髓传动比变化而变化，因此可 以忽略墨的影响。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 由( 1 ) ，( 2 ) ，( 3 ) 的简化模型得调速型液力偶合器的传递函数为： 尝；l ( 3 - 3 8 ) 伙d ( t , s + 1 x t s + 1 ) 式中七。一调速型液力偶合器的总增益，七o = 毛与； 毛一充液糨毛= 等产；b 一机械糨b = 矗 一充液时间常数，= 三考；乙一机械时间常数，已= i 孑笔口k b 。 一 k _ + k _ z 至此，调速型偶合器的传递函数模型可以表述为两个惯性环节组成。以 上的推导是在许多假设与简化的基础上得到的，毛、正、l 是无法得出其精 确解的。但从实验中可看出，调速型液力偶合器的输出转速的阶跃响应是无 超调的，和调速型液力偶合器的动态模型由两个惯性环节组成的结论是相符 的 3 6 n 3 7 是与泵轮转速及偶合器的结构有关，一般偶合器的控制对象的时间常 数乙很大，则调速型偶合器的传递函数模型可以简化为一阶惯性环节： 竺堕：j l 郎) t s + l 式中：七一调速型液力偶合器的总增益； 乙一时间常数； 我们把式( 3 - 3 9 ) 称为调速型液力偶合器的数学模型 3 4y o t c s 型调速型液力偶合器静态特性试验与拟合曲线方程 y o t c s 型调速型液力偶合器其静态特性试验数据见表3 - 1 对其曲线进 行多项式拟合，坼= 口o + q 卿+ a 2 霹，曲线拟合系数见表3 - 2 由表3 - 2 可见 曲线拟合系数a o ，a t ，a 2 是与勺管开度否有关的，不同的勺管开度下对应的系数 不同由此口o ，q ，啦应表示为艿的函数 一一2 a o2 a 帅+ a e l 8 + a 0 2 艿； 2 码2 钮m + 口i i 艿+ 口1 2 艿； 2 如= + a 2 l 弭艿 辽宁工程技术大学硕士学位论文 蓝线拟合方程为： 一一2 朋r r = ( o 3 x l o 一1 3 7 x 1 0 8 + 0 9 7 x 1 0 6 艿) + ( o 4 9 x 1 0 + 1 9 7 x 1 0 4 a - 0 8 8 x 1 0 4 a ) m r ( 3 - 4 0 ) 一一2 + ( o 科+ 5 3 6 8 - 7 2 8 8 ) 霹 表3 - 1y o t c s 型偶合器的试验数据 万= 1 0 0 占= 8 0 艿= 6 0 艿= 4 0 艿= 2 0 m fm rm tm rm t嘶m tm rm tm r 1 6 7 6 86 4 1 6 82 0 7 2 86 4 0 6 1 1 7 5 3 66 3 6 8 31 6 7 8 1 6 2 4 9 2l7 4 1 53 6 2 9 7 3 3 4 0 56 3 9 1 33 4 1 0 56 3 8 7 53 3 3 2 16 3 1 5 63 4 0 9 25 6 6 2 63 3 2 9 82 5 7 8 0 5 0 7 8 36 3 7 1 55 2 3 8 96 3 7 9 85 1 5 9 56 2 5 6 35 1 5 3 35 2 1 3 94 3 8 4 91 9 0 0 3 0 8 2 2 66 3 5 9 46 9 0 1 46 3 6 0 26 7 4 7 96 1 6 8 87 0 5 7 54 2 1 2 7 8 6 0 9 56 3 4 7 88 6 4 3 66 3 1 0 28 4 8 1 56 1 0 6 57 7 7 1 33 l o 0 9 1 0 2 4 5 76 3 2 9 51 0 3 0 9 76 2 7 1 31 0 3 8 4 55 9 6 9 l l 1 0 2 7 66 3 1 7 ll l l 8 2 5 6 2 6 6 2 1 1 2 6 3 75 7 9 2 3 1 1 8 1 6 56 3 0 7 01 2 0 4 8 36 2 5 5 61 2 2 9 4 15 5 5 3 2 表3 - 2 不同勺管开度下转速与扭矩的关系函数 艿= 1 0 0 a o = 一1 0 6 0 8x 1 0 4 l 。3 4 5 2 1 4a 2 2 2 8 2 3 6 艿= 8 0 a e = - o 4 1 9 6 1 0 6 q 2 1 3 7 2 0 9a 2 2 1 1 4 0 5 万= 6 0 , j t 口。一6 3 7 8 5 3 3口1 2 2 3 5 4 1 4 a 2 2 一o 2 2 2 0 艿= 4 0 t 口0 2 1 4 5 6 7 口1 2 4 0 5 4a 2 2 一o 0 0 7 1 艿= 2 0 a 0 2 7 3 3 1 5a 1 2 1 5 8 3口2 = o 在这里，我们