（机械工程专业论文）一种新型液粘性软启动装置机械结构的设计研究.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 一种新型液粘性软启动装置机械结构的设计研究 机械工程 王春奇 郑建明副教授 摘要 签名： 签名： 液体粘性传动技术是一门新兴的学科，它与液压传动和液力传动在基本概念和工作原 理上有着本质的不同。根据液体粘性传动理论发展起来的液粘性软启动装置，能实现带式 输送机的慢速、满载平稳启动。近几年来，以其优越的技术性能大量用于煤矿的大型带式 输送机上。由于种种原因，国内生产的液粘性软启动装置还存在许多不足之处，尤其是机 械结构部分。 本论文以液体粘性传动理论为依据，针对兖矿集团大陆机械有限公司已有液粘性软启 动装置使用过程中存在的主机严重漏油和摩擦片温度过高、使用寿命短等两个主要缺陷， 仔细分析了其机械结构，指出了产生这些缺陷的主要原因，在此基础上提出了一种新型液 粘性软启动装置的机械结构，该结构在两个方面作出改进，一是控制系统的执行元件和控 制油路的结构，解决主机漏油问题。二是主动摩擦片与主动轴的连接方式和弹簧的布置方 式，解决了摩擦片的散热问题。 在结构设计的基础上，论文分析了液粘性软启动装置与和液粘调速离合器运行机理的 相同点和不同点，根据液粘调速离合器成熟的设计计算理论，完成了液粘性软启动装置机 械结构的设计计算方法。 通过实验验证了新型液粘性软启动装置的可行性，对实际生产具有指导价值。 关键词：液体粘性传动；软启动装置；机械结构；设计计算 西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：d e s i g n i n gr e s e a r c h0 nm e c h a n l c a ls t r u c t u r ef o ra n e ws t y l e0 ff l i u dv i s c o s i t ys o f ts 1 - a r t u p e q u i p m e n t m a j o r ：m e c h a n i c a ie n g i n e e r i n g n a m e ： c h u n q iw a n gs i g n a t u r e ：必坚ag ：! 竺璺加r s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n m i n gz h e n gs i g n a t u r e ： i ! ：! 兰，兰， 印 a b s t r a c t d r i v et e c ho ff l i u dv i s c o s i t yi sa ne m e r g i n ga c a d e m i cd i s c i i l i n ew h i c hi s c u r r e n t l y d i f f e r e n tw i t hf l u i dd r i v ea n dh y d r a u l i cd r i v ei nt h eb a s i cc o n c e p ta n dw o r kp r i n c i p l e b a e do n d r i v et h e o r yo ff l u i dv i s c o s i t y ，f l i u dv i s c o s i t ys o f ts t a r t - u pe q u i p m e n tc a nb eu s e dt oc a r r yo u t s l o ws p e e da n df u l ll o a ds m o o t ha c t u a t i o no fb a n dc o n v e y e r ，w h i c hh a sb e e nu s e di nt h e l a r g e - s c a l eb a n dc o n v e y e rd u e t oi t sp r e d o m i n a n tt e c hc a p a c i t yi nr e c e n ty e a r s d u et oal o to f c a u s e ，f u i dv i s c o s i t ys o f ts t a r t - u pe q u i v i m 饥th a sl o t so fs h o r t a g e ，e s p a c i a l yi nt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r a lp a r t i o n a c c o r d i n gt od r i v et h e o r yo fr i n dv i s c o s i t ya n di na l l u s i o nt ot h es h o r t a g eo f s t r i c to i l l e a k a g eo fh o s t ，h i s ht e m po ff l r c t i o n a ld i s ca n ds h o r tl i f e - s p a ni nt h e f l i u dv i s c o s i t ys o f t s t a r t - u pe q u i p m e n tu s e di nt h em a i n l a n dc o m p a n yo fy a n k u a n gg r o u p , t h i sp a p e rp a r t i c u a l l y a n a l y s e si t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dp o i n t so u tt h em a i nr e a s o nc a u s i n gt h e s es h o r t a g e s , b a s e o nw h i c han o ws t y l eo ff l u i dv i s c o s i t ys t a r t - u ps t r u c t u r ci s p u tf o r w a r d ，a n ds o m e i m p r o v e m e n t sh a v eb e e nd o n e ，o n ei sa c t i o ne l e m e n to fc o n t r o l l i n gs y s t e ma n ds t u t r u c t u r eo f c o n t r o l l i n go i l - l i n eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fo i ll e a k a g e ，t h eo t h e ri st h ec o n n n e c t i n gs t y l e b e 俩e e na c t i v ef i r c t i o n a ld i s ca n da c t i v ea x i sa n dl a y i n gs t y l eo fs p r i n g su s e dt os o l v et h e p r o b l e mo f h e a td i f f u s i o n b a s e do ns t r u c t u r a ld e s i g n ，t h ep a p e ra n a l y s e st h es a m ee n dd i f f e r e n tp o m to fw o r k i n gm e c h e n i s i m b e t w e e nt l i u dv i s c o s i t ys o f ts t a r t - u pe q u i p m e n ta n df l i e dv i s c o s i t yo ft i m i n gc l u t c h a c c o r d i n gt ot h e d e s i g n i n gc o m p u t a t i o n a lt h e o r yo ft i m i n gc l u t c ho ff l i u dv i s c o s i t y , t h ed e s i g n i n gc o m p u t a t i o n a lm e t h o do f s o f ts t a r t - u pe q u i p m e n to fn i u dv i s c o s i t yi sc o m p l e t e d t h ef e a s i b i l i t yo f t h i s s t y l eo f f l i u dv i s c o s i t ys o f t s t a r t - u pe q u i p m e n th a sb e e nv a l i d a t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n te n dp r o d u c e ss o l l ws u p e r v i s i n gv a l u et o p r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：f l i u dv i s c o s i t yd r i v e , s o f ts t a r t - u pe q u i p m e n t , m e c h a n i c a ls t r c t a r e , d e s 蟾n i n g c o m p u t a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：1 扬。、，。年k 月。中日 学位论文使用授权声明 本人! z 受豸在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论立的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：至丕叁导师签名：洲年尹月舻日 1 绪论 1 绪论 1 1 液体粘性传动概况m 液体粘性传动技术是- - f j 新兴的学科，它与液压传动和液力传动在基本概念和工作原 理上有着本质的不同。液压传动基于帕斯卡定律，以液体的压能来传递动力；液力传动基 于欧拉方程，由液体动量矩的变化来传递动力：而液体粘性传动基于牛顿液体内摩擦定律， 以液体的粘性或油膜剪力切来传递动力。要理解液体粘性传动必须冲破两个传统的观念， 即：( 1 ) 必须改变那种认为在两个相对运动的金属表面之间加入工作油，只会起到减小摩 擦阻力的润滑作用，否则，使人很难想到可以利用油膜的剪切作用来传递很大的动力；( 2 ) 必须改变那种认为长期处于相对运动的摩擦面，由于打滑会导致发热，甚至引起摩擦面的 烧伤和工作油的温度过高而无法继续工作。液体粘性传动正是在结构上和技术上解决了上 述两个问题后才得到发展和应用的。 1 2 液体粘性传动的基本原理 液体粘性传动基于牛顿内摩擦定律【2 1 ，其大致内容如下：如图1 1 所示，在两块平行一 放置的平板之间，充满粘性的牛顿流体，油膜厚度为艿，当下板保持固定，上板以速度矿“ 平行与下板运动时，则板间流体受到剪切。当速度不太高时，流体相邻层间的流动状态可 看作时相互平行移动的层流，粘附在下板表面上的流体分子的速度为零，粘附在上板表面 上流体分子的速度为v ，其闻变化规律为一直线。此时为了保持上板恒定的运动速度v ， 则所需要的力f 与板的面积4 和速度梯度v 8 ( 或剪切率) 成正比。 眠肛a 罢 d 产里：“一v ( 1 2 ) a6 式中：f 油膜的剪切力( n ) ； 7 = 一油膜的剪切应力( p a ) ； u 流体的动力粘度( p a s ) ； 矿两平板的相对速度，或油膜的剪切速度( m s ) ； 艿油膜的厚度( m ) ； a 承受油膜剪切作用的面积( m 2 ) 。 由此可见，切应力7 与动力粘度“和剪切速度v 成正比，与油膜厚度艿成反比。只要 结构和各参数选取的合理，就可以设计出传递很大功率的液体粘性传动装置。 液体粘性传动装置在轴向有许多圆盘油膜用来传递动力，工作过程中，通过改变油膜 厚度进行调速。液体粘性传动装置的主动轴通常与电动机相连，被动轴与负载相连，工作 液体为粘性较小的润滑油，通过控制和改变油膜厚度万，就可以改变液体粘性转矩和被动 西安理工大学工程硕士学位论文 轴转速。这就是液体粘性传动的基本工作原理。 图1 - 1 流体内摩擦 f i g u r e1 1f r i c t i o ni nt h eb o d yf l u i d 1 3 液体粘性传动的优点 液体粘性传动有以下优点： a 可实现对输出转速的无级调节； b 调速的灵敏度高： c 采用闭环控制时，转速的稳定性好； d 易于实现转速调节的遥控和自动控制； e 油膜厚度可变的液体粘性传动，可实现无转速差的同步传动，此时无功率损失，传 动效率理论上为1 0 0 ： f 可使电机在轻载或空载的条件下启动，缩短或减少启动电流对电网的冲击时间； g 在启动惯性较大的负载时，可使之缓慢加速，防止系统过载； h 用于多机驱动时可实现功率平衡，且功率平衡精度优于调速型液力偶合器。 i 由于粘性液体在圆盘摩擦片之间层流流动，故粘滞力和圆盘摩擦片距离之间的关系 为线性，动态响应快，可以进行精确的加速度控制控制。 1 4 液体粘性传动技术在煤矿中的应用 液体粘性传动问世以来，在许多工程技术领域中获得了应用，但本文只限于讨论其 在煤矿运输设备中的应用。由于液体粘性传动具有许多优良性能，各国都竞相开发相应的 产品，美国、日本等国家的研究人员利用液体粘性传动技术的原理，最先研制出了用于控 制带式输送机启动加速度的液粘性软启动装置，并成功的应用于矿山、冶金等行业。我国 从八十年代开始发展液粘调速离合器( 简称h v d ) ，此i ； 曾有奥米伽离合器、滑差离合器、 调速离合器、液粘同步装置、液粘调速器等名称，1 9 9 4 年国家标准( g b t 1 5 0 9 6 9 4 ) 确 2 1 绪论 定正式名称为液粘调速离合器。1 9 9 5 年，我国也成功的研制成功了液粘性软启动装置， 最先用于煤矿的带式输送机上。 目前在煤矿，采用液体粘性传动技术制造的软启动装景( 以下称液粘性软启动装置) 已经大量用于井上、井下的大型带式输送机上，并取得了明显的经济效益和社会效益。 1 5 国内外液粘性软启动装置的研究现状与发展趋势 作为一项新兴的技术，国内外生产液粘性软启动装置的公司并不多，国外主要有美 国的罗克韦尔公司( r o c k w e l l ) 和澳大利亚的林康( n i p p o n ) 公司，国内已经形成 成熟产品的则只有兖矿集团大陆机械有限公司( 原煤炭部兖州煤矿机械厂) 和山东科技大 学两家。液粘性软启动装置有两种不同的安装形式，罗克韦尔公司生产的c s t 液粘性软 启动装置安装在驱动机械低速端( 减速器的输出轴侧) ，澳大利亚的林康公司和兖矿集团 大陆机械有限公司生产的则安装在驱动机械高速端( 减速器的输入侧) 。 1 5 1 国外液粘性软启动装置 国外生产液粘性软启动装置中，美国的罗克韦尔公司的c s t 应用的最广，并受到了 用户的认可和好评。 c s t 装置( 图1 2 ) 实际上由三部分组成【3 】：输入部分，输出部分和动、静摩擦片组 件。垂直轴c s t 的输入部分由一级或二级减速斜齿轮和一组直交伞齿轮组成；输出部分 由太阳齿轮、装在支架上的行星齿轮以及内齿圈组成；c s t 的输入部分和输出部分组合 成了一个内齿圈浮动的行星减速器。摩擦片组件包括静摩擦片和动摩擦片，静摩擦片与行 星减速器的壳体相连，动摩擦片则与行星减速器的浮动内齿圈相连。动、静摩擦片之间的 间隙可受液压油的作用而改变。电动机的旋转通过输入部分传输到输出部分的太阳齿轮， 太阳齿轮带动三个行星齿轮转动，因内齿圈是浮动的，当动、静摩擦片处于分离状态时， 行星齿轮将带动内齿圈自由旋转，输出轴转速为零，随着动静摩擦片之间间隙的减小，内 齿圈的旋转速度随之降低，输出轴的速度则逐渐加大。通过控制动静摩擦片之间的间隙， 就能够精确的控制电动机传送到输出轴的转速和力矩。 c s t 液粘性软启动装置在中国市场的表现非常优秀，其技术性能、运行可靠性等完 全得到了用户的认可，但尽管多年来罗克韦尔自动化公司付出了艰辛的努力，其在中国市 场的占有量仍然相当有限，主要原因是：( 1 ) 价格极其昂贵，一般用户根本承受不起；( 2 ) 结构复杂，一旦出现故障，用户自己无法解决，必须请罗克韦尔自动化公司的专业人员到 现场处理，严重影响了煤矿生产、造成极大的损失。( 3 ) 受结构的限制，如果选用了c s t ， 则无法在高速轴安装制动器，这一点，给用户选型带来了极大的不方便。近几年来，罗克 韦尔自动化公司针对上述问题采取了积极对策，如在国内投资办厂等，从而使其产品价格 有所降低、现场服务也更加及时，因此近几年销量增长很快。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 4 太阳轮行星轮 行星轮支架内齿圈 摩擦片组 图1 - 2 垂直轴的c s t 结构图 f i g u r e1 - 2c s to u t l i n ed r a w l i n go f v e r t i c a la x i s 图l o平行轴的c s t 外形图 f i g u r e1 - 3c s to u t l i n ed r a w l i n go f p a r a l l e la x i s 1 绪论 1 5 2 国内液粘性软启动装置 国内最早生产液粘性软启动装置的厂家是兖矿集团大陆机械有限公司，其产品也最具 有代表性，图1 - 4 是大陆机械有限公司生产的2 0 0 k w 液粘性软启动装置的主机结构f 舢，它 主要由五大部分组成，即主动部分、被动部分、控制系统执行元件部分、润滑密封部分和 支承部分。 i 从动轴2 润滑油孔3 润滑油孔4 端盖5 内( 被动) 摩擦片6 外( 主动) 摩擦片7 内齿圈8 弹簧 9 控制油缸l o 弹簧i i 端盖1 2 控制油孔1 3 主动轴1 4 控制油孔1 5 缸套1 6 活塞1 7 连接盘 1 8 漏油孔1 9 箱体2 0 轴承2 l 轴承2 2 上盏 图1 4 兖矿集团大陆机械有限公司生产的2 0 0 k w 液粘性软启动装置结构图 f i g u r e1 - 4s t r u c t u r ec h a r to f 2 0 0 k w s o f ls t a r t - u pe q u i p m e n t p r o d u c e d b yy a n k u a n gg r o u p m a i n l a n dm e c h a n e r yl t d 1 主动部分 主动部分包括主动摩擦片6 、内齿圈7 、连接盘1 7 和主动轴1 3 等。主动片6 为带外 齿的钢片，与带内齿的内齿圈7 相联而同步旋转，且主动片可在内齿圈上上自由轴向移动。 主动摩擦片6 和被动摩擦片5 相日j 安放。内齿圈用螺栓和连接盘相联。内齿圈外缘有油孔 使通过圆盘油膜剪切工作面的润滑油得以返回下部的油箱。主动轴通过连轴器接受电动机 输入的动力。 2 被动部分 5 西安理工大学工程硕士学位论文 被动部分包括从动轴1 和被动摩擦片5 。从动轴的右端有外齿圈与被动摩擦片连接。 从动轴通过连轴器将动力输出给工作机。被动摩擦片带内齿，被动片和被动轴同步旋转， 且可以相对被动轴做轴向移动 3 控制系统执行元件部分 执行元件部分包括油缸9 、活塞1 6 、弹簧1 0 等。活塞受左端油压的作用而向右移动， 使主被动摩擦片间的间隙减小，即油膜厚度减小。当控制油压减小时，弹簧力使活塞左移， 使主被动片的间隙增大，即油膜厚度增大。通过控制主、被摩擦片之间的间隙，控制电动 机传送到输出轴的转速和力矩。 兖矿集团大陆机械有限公司于1 9 9 5 年研制成功第一台安装在驱动机械高速端的可传 递功率2 0 0 k w 的液粘性软启动装置，在肥城矿务局杨庄煤矿投入工业性运行实验，实验 结果表明，该液粘性软启动装置的技术性能明显优于调速型液力偶合器，得到了用户的认 可。大陆机械有限公司生产的液粘性软启动装置虽然性能优越，但在设计、制造等诸多方 面还存在严重缺陷，主要有：( 1 ) 控制油的油路设计不合理，软启动装置严重漏油；( 2 ) 摩擦片温度过高，使用寿命太短；( 3 ) 运行不稳定、可靠性差，连续无故障工作时间短， 以至于维护费用加大，运行成本太高。因此，这种结构形式的液粘性软启动装置并没有被 批量生产。在随后的相当长时间内，大陆公司的技术人员对液粘性软启动装置进行了不断 的改进，但结构形式没有本质性的变化，虽然可靠性有所改善，但离用户的要求还有很大 的差距。在这种情况下，一些人就对液粘性软启动装置安装在驱动机械的高速端是否正确 产生了怀疑，大陆公司对液粘性软启动装置的研究、生产也几乎停止。 2 0 0 1 年，兖矿集团兴隆庄煤矿在其井下的一条b = 1 4 0 0 m m 大型顺槽可伸缩带式输送 机上引进了三套由澳大利亚林康公司生产的b o s s 液粘性软启动装置( 图1 5 ) 【5 1 ，这种 液粘性软启动装置采取了与大陆机械有限公司相同的安装位置，即在电动机的输出轴与减 速器的输入轴之间，该设备自投入运行以来，运行可靠稳定，其无故障工作时间甚至超过 了液力偶合器、性能则与c s t 完全相同，优于调速型液力偶合器，由于它结构简单、安 装方便、维护容易、性价比超过c s t ，用户非常满意。b o s s 软启动装置的成功，证明了 大陆机械公司液粘性软启动装置设计的原理和思路是正确的，大陆公司的产品不理想的原 因主要还是在具体的结构不合理或不正确。 1 5 3 国内外液粘性软启动装置的差距 考核软启动装置技术性能主要有以下几个指标：( 1 ) 启动加速度的稳定性，我们希 望启动加速度瞬时值与平均值的比值越小越好：( 2 ) ，启动时间的可控性，一般来说， 启动时日j 越长，启动加速度就越小，对输送机的保护也就越好：( 3 ) 启动频率，即单位 时间允许的启动次数，由于煤矿的特殊性，用户通常都希望启动频率尽可能的高。考核 软启动装置使用性能的主要主要指标则有：( 1 ) 无故障工作时间；( 2 ) 运行的平稳性； 6 1 绪论 ( 3 ) 可操作性以及维护的难以程度等。 国内与国外产品相比，二者的技术性能指标比较接近，国内生产的液粘性软启动装 置的主要问题表现在使用的可靠性和稳定性差，国外软启动装置的无故障工作时间、运 行的平稳性等远远优于国内产品。 图卜5 澳人利讵林康公司生产的b o s s 液粘性软启动装置 f i g u r e1 - 5s o f ts t a r t - u pe q u i p m e n tp r o d u c e db y n i p p o nc o m p a n y 1 5 4 液粘性软启动装置的发展趋势 相比其它技术而言，液粘性软启动技术发展的历史还是比较短，因此还有许多的空 白点。今后的发展趋势主要有以下几个方面： 1 ) 产品多样化 目前，液粘性软启动产品的种类还比较单一，用户的选择空间不大，这也在很大程 度上影响了液粘性软启动装置的推广和应用。 2 ) 设备大型化 随着煤矿生产能力的不断提高和科学技术的飞速发展，矿用带式输送机的运量越来 越大( 国内已达4 5 0 0 t h ) 、带速越来越快( 高达5 m s ) 、运距越来越长( 最长超过7 0 0 0 m ) 、 功率越来越强( 单机功率超过4 0 0 0 k w ) ，这就必然要求与之配套液粘性软启动装置的工 作能力越来越大，即设备同趋大型化。 3 ) 操作简单化 7 西安理工大学工程硕士学位论文 目前，跟其他同类功能的产品相比，国内外液粘性软启动装置的结构都比较复杂，是 一个机、电、液的组合体，这一方面要求使用者必须具有相应技术技能，同时，也给维护、 保养造成了很多的不便。今后，应该下大气力在优化机械结构，采用更先进、可靠的电气 控制系统、简化液压系统等方面采取有效措施，使液粘性软启动装置操作、维护等更加简 单、更加方便。 4 ) 使用可靠化 通过选用性能更好、可靠性更高的元部件，优化机械结构，简化液压、电控系统等措 施，最大限度的提高液粘性软启动装置使用的可靠性。 1 6 选题理由 实践证明：在所有类型的矿用输送机软启动装置中，液粘性软启动的性能是最好的， 是真正意义上软启动装置。也正是由于这个原因，液粘性软启动装置在煤矿的应用越来越 多。但目前成熟的液粘性软启动装置只有美国罗克韦尔公司的c s t 和澳大利亚n i p p o n 公司的b o s s 两种，国内市场几乎完全被这两家外国公司垄断，因此这两家公司的产品 价格远远高于一般用户的承受能力。而随着带式输送机在煤矿应用的日趋广泛，液粘性软 启动装置的市场前景必将非常广阔，研制一种新型及性能优良有价格合理液粘性软启动装 置是市场的迫切要求。 国内开展液体粘性传动技术研究比较早，目前也有成熟的研究成果，但大都是将液粘 传动技术用于制造调速器和变矩器，真正研究矿用输送机软启动的单位和人员并不多，到 目前还只处于起步阶段，与国外的差距很大。 本人长期从事煤矿带式输送机的设计、研究工作，参与了大陆机械有限公司液粘性软 启动装置的研制过程，对该产品有比较深刻的了解。多年来我对液粘性软启动装簧从原理 到结构作了大量的研究工作，同时还参与了兖矿集团兴隆庄煤矿b o s s 系统的引进工作， 另外，在自己设计的输送机上也曾配套过c s t 软启动，对其的应用情况和工作原理非常 清楚。因此，我选择此课题，目的在于通过对国内现有的液粘性软启动装置进行认真的探 讨、分析，找出问题之所在，进而提出一种具有全新结构的新型液粘性软启动装置，打破 国外公司在这一市场领域的垄断局面。 1 7 论文的主要研究内容和结构 液粘性软启动装置由三大部分组成：( 1 ) 主机( 机械结构) ；( 2 ) 液压系统，包括液 压润滑系统和液压控制系统；( 3 ) 电控系统。本文将只限于讨论主机部分，主要内容是， 对兖矿集团大陆机械有限公司原有产品进行分析，找出不足，进而提出一种新结构的液粘 性软启动装置，并进行分析计算，最后给出新型液粘性软启动装置的实验结果。 本论文主要由五部分组成： 第一章：绪论主要介绍液体粘性传动的概况、基本原理、优点以及在煤矿的应用， 分析国内外液粘性软启动装置的研究现状和发展趋势，阐述选题理由。 8 l 绪论 第二章：对兖矿集团大陆机械有限公司生产的液粘性软启动装置存在的问题进行了详 细的分析，在此基础上提出了一种新型液粘性软启动装置的机械结构图，并采用对比的方 法说明了新型液粘性软启动装置的机械结构的主要改进点。 第三章：论述了液粘性软启动装黄的设计计算方法。主要是：( 1 ) 摩擦副数量的确定； ( 2 ) 发热及散热计算；( 3 ) 液压润滑系统的设计计算：( 4 ) 液压控制系统的设计计算等。 第四章：介绍和说明了新型液粘性软启动装置的实验装置、实验原理、实验过程和实 验结果等。 第五章：论文工作总结。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 2 新型液粘性软启动装置的机械结构设计 2 1 国产液粘性软启动装置存在的主要问题 从对国产液粘性软启动装置在现场的实际使用情况调查后发现，存在的主要问题大部 分是由软启动装置自身的机械结构设计上存在的缺陷造成的，与其配套的液压系统和电气 控制系统都运行的比较正常，因此本文只限于讨论液粘性软启动装置的主体部分，即机械 结构部分。 国产液粘性软启动装置机械结构部分存在的主要问题有： ( 1 ) 润滑油和控制油的油路设计不合理，软启动装置严重漏油。 从图l - 4 可以看出：目前国内生产( 主要指大陆机械公司的产品) 的液粘性软启动装 置的控制油( 控制系统执行元件一油缸) 是经过开在主动轴上油孔最终进入控制油缸，对 现场实际使用情况调查发现，大量控制油从端盖与主动轴的结合处泄露，严重时成滴水状。 为了解决这一问题，大陆机械公司在端盖与主、被动轴的结合处各增加了一机械密封装置， 但密封效果仍不理想。产生这一问题的根本原因是因为控制油的压力高，主动轴与端盖之 日】的相对运动速度大，国产密封元件的产品质量不稳定。同样的密封结构，被动轴与端盖 的结合处润滑油的进油点漏油就较轻，因为润滑油的油压比控制油要低的多。因此要解决 控制油的漏油问题，主要途径可以有：降低控制油的工作压力；降低主动轴的转速； 选用高质量的密封装置；改变控制油的油路，使其不通过主动轴与端盖的结合面。很 显然两条是不可能实现的，而受国内制造工艺和技术水平的限制，密封圈的质量很难 在短时日j 内有较大程度的改善，况且，从密封装置入手解决漏油，也就是想办法如何去“堵” 住高压油，只能是治标不治本，因此最佳的解决方案就是改变控制油的油路设计，从根本 上彻底地解决控制油的泄露问题。 ( 2 ) 摩擦片温度过高，使用寿命短 摩擦片组是液粘性软启动装置的核心部件，它运行的优劣直接决定液粘性软启动装置 的技术性能。摩擦片分光摩擦片和带衬面的摩擦片，衬面用摩擦材料制成，被粘结或烧结 在金属芯片上，以提高摩擦系数和耐磨性。在输送机的启动阶段，液粘性软启动装置的主 被动摩擦片之间始终存在着滑差，产生大量的热量，如果这些热量不能及时被排走，摩擦 片温度过高，就将使摩擦衬面从金属芯片上脱落，最终导致液粘性软启动装置无法运行。 完善的液粘性软启动装置，必须保证润滑油的油温始终处于理想的范围内，为实现这一目 标，主要的措施有：润滑油的流量设计要合理；对润滑油要进行冷却；润滑油的油 路设计要自然、流畅，尽量减少润滑油的通过阻力。大陆公司生产的液粘性软启动装置润 滑系统存在的主要问题有：由于对输送机启动过程中各种能量损失计算不准，对输送机 启动过程中软启动装置的发热量就没有准确的计算，往往靠设计者的经验来确定润滑油的 流量，有时偏少，有时偏多；润滑油的油路设计还存在很大的不足，尤其是主、被动摩 1 0 2 新型液粘性软启动装置的机械结构设计 擦片闭合后被润滑油粘结在一起，很难自然脱离，导致润滑油在主被动摩擦片之间流动不 畅、阻力增加。因此在实际运行过程中，经常因摩擦片相互粘咬，短时间内温度急剧升高， 最终导致摩擦片、软启动装置的完全失效。 2 2 新型液粘性软启动装置的机械结构 针对国产液粘性软启动装置机械结构存在的不足，本文提出一种新型的液粘性软启动 装置机械结构，如图3 1 所示，它主要由五大部分组成，即主动部分、被动部分、控制系 统执行元件部分、润滑密封部分和支承部分。 1 主动部分 主动部分主要包括主动轴l 、连接盘5 和主动摩擦片8 。主动轴l 的通过螺栓与连接 盘5 连接成一体，连接盘再和主动摩擦片的外齿啮合，主动轴的外端通过半联轴器与电动 机相联，主动摩擦片通过连接盎与主动轴以齿相联接而同步旋转，且可在主动轴上轴向移 动。 2 从动部分 从动部分主要包括从动轴1 4 、从动摩擦片7 等。从动摩擦片通过键轴与从动轴相联 而同步转动，从动摩擦片可在从动轴上做轴向移动；从动轴通过半联轴器与负载连接，将 动力输出。 3 控制系统执行元件部分 执行元件部分包括活塞l l 、推力轴承l o 、压盘9 、碟簧1 5 等。碟簧装在主、从动摩 擦片之间。活塞受控制系统油压的作用克服弹簧力而向左移动，通过推力轴承推动压盘， 使主、从动摩擦片的间隙即油膜厚度减小；当油压减小时，弹簧力使主、从动摩擦片的间 隙增大。 4 润滑密封部分 润滑油通过主动端配油盘1 3 、进入输出轴上的轴向和径向油孔，再进入主动和从动 摩擦片之间；配油盘与输入轴之间采用了日j 隙密封，主动轴和外端盖之间采用了新型的高 效动力密封圈。 5 支承部分 主、从动部分通过一个调心滚柱轴承在中间连接，两端则分别通过轴承支承在壳体上， 壳体为筒状结构，体积小，刚性好。 2 3 新型液粘性软启动装置配套的润滑和控制系统 与新型液粘性软启动装置配套的润滑系统和控制系统，使用同一油箱，其液压原理图 见图2 2 。 ( 1 ) 润滑系统 8春口咖皇量扫is03s苫pijbluo o【参事苎时o p - 醇i i o o-j嚣，p【。n 匝晕5荨咖臻臀但餐掣舞餐刮糖【山匝 搬攀9t暴蒋=糍震陧一循释姐n_【雠蛭_l一憾暴r颦o_【制田，o越蜷街需卅 七氅避稃h基根辎颦毒循释心_楣浆畚匿辐船n霹需州i 耐帛晕特书臀堪h特h群懈宙 2 新型液粘性软启动装置的机械结构设计 润滑系统的作用是向主、从动摩擦片间充分供油形成工作油膜，并将软启动装置运行 过程中所产生的热量带走，然后通过冷却器和油箱将热量散发掉，以保证软启动器正常工 作。 润滑油系统包括油箱、吸油滤油器、电动机、双联叶片泵、冷却器、电接点压力表等。 油箱中的油经吸油滤油器、双联叶片泵、冷却器后进入软启动器从动轴上的油孔，经主、 从动摩擦片的间隙、从动连接圈上的回油孔而返回油箱。运行时油箱中的油是热油，经冷 却器后进入软启动器的则是冷油。电接点压力表的作用是确保润滑油系统工作安全，一旦 润滑油压低于设定值，将自动报警。 ( 2 ) 控制系统 控制系统的作用是根据被拖动设备的实际运行情况，供给活塞不同的工作油压，以调 整主、从动摩擦片闻的间隙大小，从而控制软启动装置的输出扭矩，保持被拖动设备的启 动加速度恒定，或者是使被拖动设备的运行速度根据实际需要变化可调。 控制压力油系统的组成部分见图2 - 2 。在正常启动情况下，电磁阀失电。此时，控制 油压力的高低是通过比例阀来调定的。比例阀是调节控制压力油压力的执行元件，它在微 机的控制下，根据适时从安装在从动轴上的速度传感器发出的速度信号，经过p i d 逻辑 运算，计算出比例阀下一步的动作增加值，从而实现输送机软启动的全闭环自动控制。 控制油系统 1 吸油滤油器2 双联泵3 溢流阀4 电接点压力表5 软启动器 6 电机7 精滤8 电接点压力表9 冷却器l o 比例阀1 1 电磁阀 图2 2 液压系统原理图 f i 9 2 2t h ep r i n c i n p a ld i a g r a mo fh y d r u l i cs y s t e m 西安理工大学工程硕士学位论文 2 4 新型液粘性软启动装置机械结构的主要改进点 与大陆机械有限公司液粘性软启动装置相比，新型液粘性软启动装置机械结构的主要改 进点在于： a 控制系统的执行元件和高压油路的结构完全不同 大陆机械有限公司液粘性软启动装置( 见图l - 4 ) 的执行元件部分包括控制油缸9 、活 塞1 6 ( 兼做压盘) 、弹簧l o 等，活塞的右端受控制系统油压的作用克服弹簧力而向左移动， 使主被动摩擦片之间的间隙逐步加大，减小控制系统的油压，弹簧则压迫压盘，主被动摩擦 片间隙减小，主被动摩擦片之间实际上是一种长闭结构，即液压力打开，弹簧力压紧。油缸 随主动轴一起旋转，油缸中的控制油要产生离心压力，这对液粘性软启动装置的控制是不利 的。 新型液粘性软启动装置( 图2 ，1 ) 的执行元件部分由固定油缸、活塞、推力轴承、压盘等 组成。油缸固定，不做旋转运动，推力轴承的内圈固定在活塞上，外圈则与压盘固定在一起， 活塞受控制油作用向右移动，推动推力轴承和压盘一起也向右运动，主被动摩擦片之间的间 隙则缩小，类似于常开机构。由于增加了推力轴承，油缸不旋转，控制油没有离心力，压力 稳定，便于控制。 大陆机械有限公司液粘性软启动装置的控制油首先进入端盖上的进油孔，再通过开在主 动轴上径向和轴向油孔最终进入油缸，由于主动轴和端盖之间有相对转动，控制油的压力又 比较高，因此，很容易造成此处的密封失效，控制油泄露。如图2 1 所示，新型液粘性软启 动装置的控制油的油路非常简单，不再经过主轴，而是由端盖直接进入油缸，因此密封结构 也就由原来的高压旋转密封变为静密封，采用普通的密封圈，即可完全保证高压油不泄露。 b 通过改变外摩擦片与主动轴的连接方式以及在主、被动摩擦片之间分散布置碟形弹簧等 措施，使得润滑系统的油路更加通畅。大大降低了软启动装置的发热量 1 ) 大陆机械公司生产的液粘性软启动装置( 图1 4 ) 的外( 主动) 摩擦片( 图2 3 ) 带有外 齿形花键，与内齿圈( 图2 - 4 ) 通过花键连接，内齿圈则与主动轴固定，在内齿圈筒壁上开 了若干小孔，润滑油通过主被动摩擦片的间隙后，还必须流经这些小孔，才能返回油箱，由 于受结构限制，这些小孔的直径不可能太大，因此润滑油通过这些小孔时压力损失较大，产 生很大的热量。 新型液粘性软启动装置( 图1 4 ) 的外( 主动) 摩擦片( 图2 5 ) 的结构有较大改变，它 与连接盘( 图2 6 ) 通过矩形键连接，连接盘则与主动轴固定，连接盘被设计成鼠笼状，这 就使得通过主被动摩擦片的问隙后的润滑油，几乎没有阻力的通过连接盘返回油箱，因此润 滑油通过时压力损失很小，一方面润滑油流动的非常通畅，另一方面还大大降低了因压力损 失而产生的热量。 1 4 2 新型液粘性软启动装置的机械结构设计 图2 - 3 大陆公司液粘性软启动装置外( 主动) 摩擦片结构 f i g u r e2 - 3 s t r u c t u r ec h a l to f a c t i v ed i s ci nl i q u i dv i s c o s i t ys t a r t i n gd e v i c e b ym a i n l a n dm e c h a n e r yl t d 图2 - 4 大陆公司液粘性软启动装置内齿罔结构 f i g u r e2 - - 4 s t m c t u r ec h a r to f a n n u l a rg e a ri nh q u i dv i s c o s i t ys t a r t i n gd e v i c e b ym a i n l a n dm e c h a n e r yi t d 2 ) 正如图l - 4 所示，大陆机械公司生产液粘性软启动装置将弹簧集中布置在通过平键与主 动轴连接的连接盘上，弹簧是主动的施力体，输送机正常运行后，主、被动摩擦片被弹簧力 压紧，启动时，控制油缸压缩弹簧，主、被动摩擦片后自然松开，调整油膜厚度，这就容易 使得摩擦片组中部分摩擦片因粘结而脱不开，新型液粘性软启动装置在每组主被动摩擦片组 之间均装有的碟形弹簧，油缸是主动施力体，碟形弹簧迫使使主被动摩擦片相互脱离( 见图 2 7 ) 。 通过采取上述各项改进措施，新型液粘性软启动装置的结构更加合理，技术性能指标和 运行可靠性指标将有明显改善。 1 5 西安理工大学工程硕士学位论文 1 6 图2 5 新型液粘性软启动装置外( 主动) 摩擦片结构图 f i g u r e2 - 5 s a u c t u r ec h a r to f a c t i v ed i s co f n e ws t y l eh q u i dv i s c o s i t ys t a r t i n gd e v i c e 广 图2 - 6 新型液粘性软启动装置连接盘结构 f i g u r e2 - 6l a n ds t r u c t u r a lo f n e ws t y l eh q m dv l s c o $ i g ys t a r t i n gd e v i c e 从动摩擦片主动摩擦片 图2 7新型液粘性软启动装置蝶簧结构 f i g u r e2 - 7b u t t e r f l ys p r i n gs t r u c t u r a lo f n e ws t y l el i q u i dv i s c o s i t ys t a r t i n gd e v i c e 2 新型液粘性软启动装置的机械结构设计 2 5 本章小结 本章对兖矿集团大陆机械有限公司生产的液粘性软启动装黄进行了详细的分析，指出了 存在的两个主要问题：( 1 ) 润滑油和控制油的油路设计不合理，软启动装置严重漏油；( 2 ) 摩擦片温度过高，使用寿命短。说明了产生这两个问题的主要原因，在此基础上提出了一种 新型液粘性软启动装置的机械结构图，并采用对比的方法说明了新型液粘性软启动装置的机 械结构的主要改进点。 1 7 西安理工大学工程硕士学位论文 3 新型液粘性软启动装置的设计计算 液粘性软启动装置位于电动机和输送机的传动滚筒之间，接受电动机传来的动力，通过 减速器驱动传动滚筒旋转，进而带动输送机运行。液粘性软启动装置与我们目前熟知的液粘 性调速离合器既有相同点，又有根本的不同。相同点是：二者都是利用油膜的剪切力来传递 动力；根本不同是：液粘性调速离和器工作时，它所传递的转矩随着主机输出转速的增加而 增加，而输送机液粘性软启动装置则要求传递的转矩为恒定值，从而保证启动加速度恒定。 液粘性软启动装置的工作过程是：输送机启动时，先将液粘性软启动装黄的主、被动摩 擦片之间的间隙调至最大，主、被动摩擦片所传递的转矩几乎为零，电动机空载启动至额定 转速，然后逐渐调整主、被动摩擦片之问的间隙，保持传递的转矩恒定，输送机等加速运行， 等输送机达到设计速度后，再将主、被动摩擦片完全压紧，此时不是靠油膜剪切力，而是利 用摩擦片之间的静摩擦力传递动力。由此可见，只是在输送机的启动阶液粘性软启动装置实 际靠油膜剪切力传递力矩，在