（机械电子工程专业论文）液粘调速离合器流体剪切传动机理研究.pdf

堑甄太堂墁土堂位监塞强墓 摘要 液体粘性传动是流体传动领域中的一个新兴学科分支，其依靠平行旋转圆盘 间隙内流体剪切力来传递转矩动力，改变摩擦副间隙即可实现输出转速的调节， 在高电压、大中功率水泵及风机的流量调节系统中具有明显节能和较高性价比优 势。在此前研究中，一般都忽略了科氏力影响；关于油槽所引起的动压对传动性 能影响的研究内容较少。本文以液粘调速离合器中一对摩擦副间隙内流体流动为 研究对象，考虑离心力、科氏力、粘度一温度特性及油槽的影响，对其传动机理 开展研究，主要内容如下： 第一章，对液粘传动技术特点及其工程应用背景进行阐述。在分析了国内外 相关技术研究现状基础上，提出了本文的主要研究内容。 第二章，对液粘调速离合器传动特性的研究。建立了一对摩擦副间隙内流体 流动的简化数学模型( 忽略油槽和粘度一温度特性影响) ，采用迭代法求解，获 得了近似解析解。文章分析了科氏力、摩擦副间隙及输入压力等因素对流场速度、 流量及输出转矩的影响。最后，推导出传动效率计算公式，研究了最大传动效率 与摩擦副间隙的关系，并指出传递效率随着输入压力的增加而降低。 第三章，对摩擦副间隙内流体传热现象开展研究。利用计算流体动力学软件 f l u e n t 对摩擦副间隙内流体传热进行研究( 考虑粘度一温度特性的影响) ，发现等 温边界条件下的计算结果更接近于实验结果。继而分析了摩擦副间距、输入输出 转速、输入流量等因素对流场温度的影响。最后，对摩擦盘表面的局部努赛尔数 n z r 和平均努赛尔数m 列进行了研究。 第四章，分析了粘度一温度特性对传动性能的影响。利用f l u e n t 计算出摩擦 副间隙内流体压力、温度、剪应力及转矩，并将计算结果同定常粘度条件下的计 算值进行比较。研究结果表明，在一定条件下，可忽略粘度一温度特性的影响； 考虑粘度一温度特性时的传动效率与定常粘度时的传动效率基本一致。 第五章，对摩擦盘表面油槽的研究。利用f l u e n t 对摩擦盘表面加工有油槽的 i i i 浙江大学博士学位论文摘要 摩擦副间隙内流场进行研究，得到了流场压力、温度、速度、推力及粘性转矩的 数值解。研究结果表明油槽引起的动压会削弱从动摩擦盘上的输出转矩。继而研 究了油槽深度、数量、面积比、几何形状及油槽倾斜角对传动性能的影响，并提 出了油槽设计参数的建议。 第六章，实验验证研究。搭建了液粘调速离合器功能实验台的软、硬件系统。 对一对平行摩擦盘间隙内流体压力、温度及转矩传递特性进行了实验研究。此外， 对输入流体温度兀与输出转速纰之间的关系也进行了实验研究，发现当外负载、 输入转速及摩擦副间隙等参数保持不变时，娩与兀之间呈近似线性单调递减函数 关系。 第七章，对全文的主要研究工作进行了总结。阐述了主要研究结论和创新点， 并对课题的后续研究提出了展望。 关键词：液粘调速离合器，旋转圆盘流动，惯性力，近似解析解，数值计算，转 矩损耗，流体传热，实验研究 i v a b s t r a c t h y d r o v i s c o u sd r i v e ( h v d f o rs h o i r t ) i san e wb r a n c ho ff l u i dp o w e r t r a n s m i s s i o n ， i nw h i c ht h ep o w e ri st r a n s m i t t e df r o mt h ed r i v i n gd i s k st ot h ed r i v e no n e st h r o u g h t h e a c t i o no ft h ef l u i ds h e a rf o r c ei nt h eo i lf r i c t i o np a i r s t h eo u t p u ts p e e do fh v d c a nb e r e g u l a t e db ya d j u s t i n gt h ec l e a r a n c eb e t w e e n f r i c t i o np a i r s h v dh a sb e e nw i d e l yu s e d i 1 1t h ef l o wr e g u l a t i o no fh e a v yf a n sa n dp u r m p si nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s i th a s p o r v e dt ob ee f f i c i e n ti ne n e r g y s a v i n g i nt h ep r e v i o u sw o r k s ，f e w a u t h o r sc o n s i d e r t h ee f f e c to fc o r i o l i sf o r c eo nt h ef l o wi nt h eg a pb e t w e e nd i s k si nh y d r o v i s c o u sd r i v e i na d d i t i o n f e wr e s e a r c h e r sc o n s i d e rt h ee f f e c to fd y n a m i cp r e s s u r ec a u s e db yo i l g r o o v e so nt h et o r q u et r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y t h eo b j e c to f t h i sd i s s e r t a t i o ni st oe x p l o r et h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo fh v d w i t hc o n s i d e r a t i o n o ft 1 1 ee f f e c t so fc e n t r i f u g a la n dc o r i o l i sf o r c e s ，v i s c o s i t y t e m p e r a u t ec h a r a c t e r i s t i c s ， a n do i lg r o o v e s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1 ，t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh v da n di t se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s a r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ar e v i e wo fh v dr e l a t e dt e c h n o l o g i e si sp r e s e n t e d t h e nt h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ep u tf o r w a r d i nc h a p t e r2 t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh v d a r es t u d i e d as i m p l i f i e d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l o wb e t w e e nap a i ro f d i s k si nh v di se s t a b l i s h e dw i t h o u t c o n s i d e r a t i o no ft h ee f f e c t so fv i s c o s i t y t e m p e r a u t ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eg r o o v e s a n a p p r o x i m a t es o l u t i o nt o t h em o d e li so b t a i n e db ym e a n so fi t e r a t i o nm e t h o d t h e e f f e c t so fc o r i o l i sf o r c ea n dt h eg a po nt h ef l o wv e l i c i t i e s ，t h er a t eo ff l o wa n d v i s c o u s t o r q u ea r ea n a l y z e d t h e nt h ef o r m u l a ro fh v d st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y i sd e r i v e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a x i m u mt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dt h ec l e a r a n c ei s s t u d i e d i tp o i n t so u tt h a tt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e sa si n p u tp r e s s u r ei n c r e a s e s i nc h a p t e r3 ，t h eh e a tt r a n s f e ri nt h eg a po ff r i c t i o nd i s k si nh v d i si n v e s t i g a t e d t h ef l o wc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fv i s c o s i t y - t e m p e r a u t ec h a r a c t e r i s t i c si s s o l v e db y m e a n so fc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) c o d ef l u e n t n u m e r i c a lr e s u l t sa r e o b t a i n e d i ti sf o u n dt h a tt h en u m e r i c a lr e s u l e to ft e m p e r a t u r eu n d e ri s o t h e r m a l v 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t b o u n d a r yc o n d i t i o ni si na g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h ee f f e c to ft h ef a c t o r s s u c ha st h eg a p ，i n p u ta n do u t p u ts p e e d ，i n p u tf l o wr a t eo nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i sa n a l y z e d t h e nt h el o c a ln u s s e l tn u m b e rn ua n dt h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e rn u a v a r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y i nc h a p t e r4 ，t h ee f f e c to fv i s c o s i t y t e m p e r a u t ec h a r a c t e r i s t i c so nt h eh v di s i n v e s t i g a t e d n u m e r i c a lr e s u l t so fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，v i s c o u ss t r e s sa n dt o r q u ea r e o b t a i n e db yf l u e n t t h er e s u k ss h o wt h a tt h ee f f e c to f v i s c o s i t y - t e m p e r a u t e c h a r a c t e r i s t i c so nt h ef l o wc a nb ei g n o r e du n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n t h et r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yc o n s i d e r i n gv i s c o s i t y - t e m p e r a u t ec h a r a c t e r i s t i c si sa l m o s ti d e n t i c a lt ot h a t u n d e rc o n s t a n tv i s c o s i t y i nc h a p t e r5 ，t h ee f f e c to ft h eo i lg r o o v e so nt h ed r i v e nd i s ks u r f a c ei sd i s c u s s e d t h ef l o wb e t w e e nag r o o v e da n daf l a td i s ki si n v e s t i g a t e db yf l u n e t n u m e r i c a l r e s u l t sr e l a t e dt ot h ef l o ws u c ha sp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t i e s ，a x i a lf o r c ea n d v i s c o u sm o m e n ta r eo b t a i n e d i ts h o w st h a tt h ev i s c o u st o r q u eo nt h ed r i v e nd i s ki s s e v e r e l yw e a k e n e db yt h ed y n a m i cp r e s s u r ec a u s e db yo i lg r o o v e s t h e nt h ee f f e c t so f g r o o v ed e p t h ，g r o o v e sn u m b e r ，r a t i o no ft h eg r o o v e da r e at ot o t a la r e a , g r o o v e g e o m e t r ya n da n g l eo fi n c l i n a t i o no nt h eh v d sp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d t h e r e l e v a n tp a r a m e t e r sf o r t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fg r o o v ea r ep r o p o s e d i nc h a p t e r6 ，e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa r ec a r d e do u t t h ef u n c t i o nt e s tb e n c ho fh v d i sd e v e l o p e d ，a n dt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h et e s tb e n c ha r ed e s i g n e d t h e e x p e r i m e n t a ls t u d i e so ff l o wp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dt o r q u et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s a r ec a r d e do u tr e s p e c t i v e l y 1 h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u tf l o wt e m p e r a t u r ea n dt h e o u t p u ts p e e di sa l s oi n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a to u t p u ts p e e d d e c r e a s e sl i n e a r l y 嬲i n p u tf l o wt e m p e r a u t ei n c r e a s e sw h e nt h el o a d ，i n p u ts p e e da n d c l e a r a n c ek e e dc o n s t a n t i nc h a p t e r7 ，t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e d c o n c l u s i o n sa n d i n n o v a t i v ep o i n t sa r e i n t r o d u c e d f i n a l l y , t h es u b s e q u e n tr e s e a r c ho nt h eh v di s p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：h y d r o v i s c o u sd r i v e ，r o t a t i n gd i s k sf l o w s ，i n e r t i a lf o r c e ，a p p r o x i m a t e v i 浙江大学堡主兰篁丝苎 竺墨! 竺l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - l _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - - - _ _ - _ _ _ - _ - _ - 一。 a n a l y t i c a ls o l u t i o n , n u m e r i c a ls o l u t i o n ，v i s c o u st o r q u el o s s ，h e a tt r a n s f e r , e x p e r i m e n t a l s t u d y v i i 浙江大学博士学位论文 插图清单 插图清单 图1 1 不同转速调节方式下的所需功率与流量的关系曲线2 图1 2 流体内摩擦定理示意图6 图1 3 液粘传动工作原理示意图7 图1 4 液粘调速装置在发电厂煤粉送风机调速节能系统中的应用8 图1 5 液粘调速装置在某自来水厂离心式水泵调速节能系统中的应用8 图2 1 液粘调速离合器主机结构示意图1 7 图2 2 控制油缸受力简图18 图2 3 流场物理模型1 9 图2 4 静止粘性液体中旋转圆盘附近的流体流动2 0 图2 5 从动摩擦盘附近流体粒子受力示意图2 4 图2 6 。两种解的压力在，向对比图l 3 3 图2 7 两种解的压力在r 向对比图2 。3 3 图2 8 两种解的径向速度在，_ 向对比3 3 图2 9 两种解的径向速度在z 向对比3 3 图2 1 0 近似解析解和数值解的对比( 周向速度) 3 4 图2 1 1 输入压力p l 对流体流量q 的影响3 5 图2 1 2 摩擦副间隙内流体压力p 与摩擦副间隙h 的关系3 6 图2 1 3 惯性力对在z 向分布的影响3 7 图2 1 4 惯性力对在，向分布的影响3 7 图2 1 5 径向速度k 在z 向的分布3 7 图2 1 6 径向速度蚱在，向的分布3 7 图2 1 7m 2 与a c o 间的关系3 9 图2 18m 2 与h 间的关系3 9 图2 1 9 输入压力对输出转矩的影响3 9 x i i i 浙江大学博士学位论文附表清单 图2 2 0 惯性力对输出转矩的影响3 9 图2 2 1 转矩损耗肼- 9h ，c 0 2 ，p 1 之间的关系4 0 图2 2 24 mm 2 与眈之间的关系4 1 图2 2 3m 2 埘时，h 与统之间的关系4 1 图2 2 4 传递效率7 7 与传动比i 之间的关系( p i = 0 1m p a ) 4 4 图2 2 5 传递效率刁与传动比i 之间的关系( p i = o 2m p a ) 4 4 图2 2 6r 为极大值时，f h 之间的关系4 5 图2 2 7r 取极大值时，p l i 之间的关系4 5 图2 2 8h 与双之间的关系4 5 图2 2 9r m 眦与p l 之间的关系4 5 图3 1 油液粘度一温度特性实验测试数据4 7 图3 2 液粘调速离合器实验装置摩擦盘简图4 8 图3 3 计算域示意图4 9 图3 4 不同计算条件下的温升分布云图5 4 图3 5 不同输入输出转速条件下的，向温度分布( z = 0 0 0 0 0 8r n ) 5 4 图3 6 不同输入输出转速条件下的z 向温度分布( ，= o 1 3 5m ) 5 4 图3 7 不同边界条件下的温度分布云图1 5 5 图3 8 不同边界条件下的温度分布云图2 5 5 图3 9 温度边界条件对流场压力分布的影响5 6 图3 1 0 输入输出转速对流场压力分布的影响5 6 图3 1 1 热流密度分布( h = 0 0 0 0 1 6m ) 5 8 图3 1 2 热流密度分布( h = 0 0 0 0 4m ) 5 8 图3 1 3 输入流量q 对热流密度的影响5 8 图3 1 4 纰对热流密度的影响5 8 图3 1 5 摩擦盘上的局部n u 分布5 9 图3 1 6h 对局部n u 的影响5 9 图3 17q 对局部盹的影响5 9 浙江大学博士学位论文插图清单 图3 1 8 输出转速对局部n u 的影响5 9 图3 1 9c w 对n u 吖分布的影响6 l 图3 2 0g 对m 料分布的影响6 l 图3 2 lr e 对n u 吖分布的影响6 1 图3 2 2p r 对n u 钾分布的影响6 l 图3 2 3 温度计算结果与实验数据对比i 6 2 图3 2 4 温度计算结果与实验数据对比2 6 2 图3 2 5 温度计算结果与实验数据对比3 6 3 图3 2 6 温度计算结果与实验数据对比4 6 3 图3 2 7 温度计算结果与实验数据对比5 6 3 图4 1z = 0 0 0 0 2r l l 截面上和k 速度矢量分布6 5 图4 2z ，截面上圪和所速度矢量分布示意图6 6 图4 3 ，= 0 1 3 6m 截面处确分布6 7 图4 4 ，= o 1 3 6m 截面处的径向速度所分布6 8 图4 5 流体粘度为常数及粘度媪度特性条件下的输入流量q 6 8 图4 6 摩擦副间隙对压力分布的影响6 9 图4 7 两种条件下压力分布对比( p l = o 1m p a ) 7 0 图4 8 两种条件下压力分布对比( q = 0 2 l r a i n ) 7 0 图4 9 两种条件下压力分布对比( q = 6 l m i n ) 7 1 图4 1 0 粘度温度特性条件下的流体温升7 2 图4 1 1 常粘度条件下的流体温升7 2 图4 1 2 常粘度和粘度一温度特性条件下的温度对比7 4 图4 1 3 作用在从动摩擦盘上的剪切力7 5 图4 1 4 常粘度时m e 与h 、忱之间的关系。7 6 图4 1 5 粘度一温度特性条件时m s 与h 、纰之闻的关系7 6 图4 1 6 粘度温度特性条件下主从动摩擦盘上的转矩差7 7 图4 1 7 粘度媪度特性条件下，m 2 删时，2 与h 之间的关系7 7 浙江大学博士学位论文 附表清单 x v i 图4 1 8 粘度一温度特性条件下的传递效率7 7 图4 1 9 常粘度条件下的传递效率7 7 图5 1 物理模型( 表面有油槽) 8 0 图5 2 模型2 ( 表5 1 ) 中的压力分布8 6 图5 3 模型2 ( 表5 1 ) 的温度分布8 6 图5 4 模型2 ( 表5 1 ) 的速度流线图8 7 图5 5 模型2 ( 表5 1 ) 中不同截面上的周向速度8 7 图5 6 模型2 ( 表5 1 ) 中的各种计算结果8 9 图5 7 模型1 ，2 ，3 ，4 ，5 ( 表5 1 ) 切向速度分布9 0 图5 8 模型1 ，2 ，3 ，4 ，5 ( 表5 1 ) 压力和温度分布9 0 图5 9 模型1 ，2 ，3 ，4 ，5 ( 表5 1 ) 的推力和转矩9 1 图5 1 0 油槽数目对压力和温度分布的影响9 2 图5 1 1 油槽数目对传递特性的影响9 2 图5 1 2 油槽比对压力和温度分布的影响9 4 图5 1 3 油槽比对推力、转矩、转矩损耗及传递效率的影响9 4 图5 1 4 物理模型( 油槽形状) 9 5 图5 1 5 模型2 ( 表5 1 ) ，模型a ，b ，f ( 表5 3 ) 中压力分布9 6 图5 1 6 模型2 ( 表5 1 ) ，模型a ，b ，f ( 表5 3 ) 的温度分布9 6 图5 1 7 模型2 ( 表5 1 ) ，模型a ，b ，f ( 表5 3 ) 的周向速度分布9 7 图5 1 8 油槽内的径向速度分布9 8 图5 1 9 油槽内的温度分布9 8 图5 2 0 油槽几何形状对传递性能的影响9 9 图5 2 1 不同倾斜角油槽内的流体径向速度分布1 0 1 图5 2 2 不同倾斜角油槽内的流体温度分布1 0 2 图5 2 3 油槽倾斜角度对传递性能的影响1 0 3 图6 1 液粘调速离合器功能实验台原理图1 0 7 图6 2 液粘调速离合器功能实验台实物照片1 0 7 浙江大学博士学位论文插图清单 图6 3 液粘调速离合器主机装配图1 0 8 图6 4 液粘调速离合器实验主机实物照片1 0 9 图6 5 流体压力和温度的实验装置1 0 9 图6 6 温度传感器p t l 0 0 在水温中的阶跃响应曲线1 1 1 图6 7 数据采集程序前面板1 11 图6 8 实验中所使用的摩擦片形状1 1 2 图6 9 实验装置中使用的从动摩擦盘1 1 3 图6 1 0m 2 一( - 02 的数值计算和实验结果对比1 1 4 图6 1 1 油膜厚度对转矩的影响( 实验值和理论值) 1 1 4 图6 1 2 输入流量对转矩传递的影响1 1 5 图6 1 3 实验值和理论值传递效率对比1 1 5 图6 1 4 从动摩擦盘( c ) 转矩1 1 5 图6 15 从动摩擦盘( d ) 转矩。1 15 图6 1 6 从动摩擦盘( e ) 转矩1 1 6 图6 1 7 从动摩擦盘( c ) ( d ) ( e ) 转矩1 1 6 图6 1 8 干摩擦和混合摩擦时的转矩和传递效率1 1 7 图6 1 9 从动摩擦盘( b ) ，输出转速- 9 输入油温间的关系1 1 8 图6 2 0 温度与压力传感器在从动摩擦片上的布置图( 右倾斜槽) 1 1 9 图6 2 1 摩擦副实际间隙( 右倾斜槽) 1 1 9 图6 2 2t l ，t 2 ，t 3 点实验温度和数值计算温度对比1 2 0 图6 2 3p l ，p 2 ，p 3 点实验压力和数值计算压力对比1 2 1 图6 2 4 温度与压力传感器在从动摩擦片上的布置图( 径向槽) 1 2 1 图6 2 5 摩擦副间隙测量值( 径向槽) 1 2 2 图6 2 6 实验温升和压力实验值1 ( 径向槽) 1 2 3 图6 2 7 实验温升和压力实验值2 ( 径向槽) 1 2 3 图6 2 8 输入流量对实验温升和压力的影响( 径向槽) 1 2 4 图6 2 9 温度与压力传感器在从动摩擦片上的布置图( 混合油槽) 1 2 4 浙江大学博士学位论文附表清单 x i i 图6 3 0 输入转速对实验压力值的影响1 2 5 图6 3 1 输入流量实验压力值的影响1 2 5 图6 3 2 输入转速对实验温升的影响1 2 5 图6 3 3 输入流量对实验温升的影响1 2 5 浙江大学博士学位论文 附表清单 附表清单 表1 1 调速型液力偶合器及液粘调速离合器性能相互比较3 表3 1 计算参数4 9 表3 2 网格无关性验证5 0 表3 3 计算参数5 0 表3 4 计算结果正确性验证5 l 表5 1 流场几何参数( 表面有油槽) 8 4 ：表5 2 计算参数。8 5 表5 3 计算参数( 油槽形状) 。9 5 表6 1 油槽参数( 实验) 11 2 x i x 堑琶太堂簋堂焦监塞 基迸 致谢 本学位论文是在导师邱敏秀研究员的悉心指导下完成的，承蒙导师的指导和 培养，使我的科研能力有了全面提高。攻读博士学位期间，邱老师不但为我提供 了良好的学习和科研条件，而且在生活上也给予了许多帮助和关怀。导师渊博的 学识、认真负责的工作态度以及高尚的师德，都给我留下了至深的印象。至此论 文完成之际，谨向邱老师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的范毓润教授在课题研究中 给予的指导和帮助。 感谢浙江大学访问学者、福建师范大学数学与计算机科学学院的张胜元教授 在论文数学公式推导过程中给予的帮助。 感谢蒋庆良高工在实验台设计过程中给予的指导和帮助。 感谢上虞晶盛机电工程有限公司在课题实验中给予的支持和帮助。在此，向 何才太先生、毛全林先生、毛伟炎先生、李承友先生等表示衷心的感谢。 感谢同课题组廖玲玲、姜剑勇对本课题所开展的前期研究和实验准备工作。 感谢傅林坚、徐志鹏、满军、杜恒、周蕾、代少云、方景辉、李葳、邓业民、 陆倩倩、马冲、雷军波、郑祥格、满珍等在日常生活和学习中给予的支持和帮助。 特别感谢父母对我的养育之恩，感谢他们多年以来对我的关爱、支持、理解 和培养。感谢我的弟弟、妹妹及所有关爱我的亲人们对我的支持和帮助。衷心感 谢我的妻子方静，她给予了我无限的关心、理解和支持，使得我能够安心求学。 本课题受到国家自然科学基金委资助( 项目号：5 0 4 7 5 1 0 6 ；项目负责人：邱 敏秀) ，在此表示感谢。 衷心感谢所有关心、帮助过我的老师、同学和朋友。 黄家海 2 0 1 1 年4 月于浙大求是园 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着社会的发展，能源和环境是人类必须面对的两个重大课题，众多国家和 政府已采取了积极措施解决此问题，中国政府在( ( 国民经济和社会发展第十一个 五年规划纲要中明确提出了“十一五”期间国家节能减排目标，并将节约资源 等相关内容列入国家可持续发展战略中，使之成为基本国策之一。 相关统计数据表明，截止2 0 0 9 年底，我国装机容量连续1 4 年居世界第二位， 2 0 0 9 年全国总发电量达到3 6 ，8 1 2 亿千瓦时，全国全社会用电量3 6 ，5 9 5 亿千瓦时， 其中全国工业用电量2 6 ，7 5 5 亿千瓦时，占全国全社会用电量的比重为7 3 1 1 ， 而工业产值占全国g d p 的比重大约为4 6 8 ，显然，工业是目前全国最大能源 消耗产业，其所消耗能源与产值之间是严重失衡的。因此，工业领域的节能对全 国节能减排目标的实现具有重要意义。 实现工业领域节能减排的措施有多种，其中“合理用电、节约用电”是其中 一条非常有效的手段。据估计我国在服役的大型机电设备中，许多设备存在着耗 能现象，倘若经过节能改造，估计节电率可达2 0 以上。风机、水泵属于通用机 械，分布面极广，使用量大，在国民经济各部门中都有着广泛应用，如火力发电、 农业、冶金、化工等领域。相关统计资料表明，我国风机、水泵总装机容量大约 为1 亿多千瓦，其耗电量约占全国电力消耗总量的3 0 4 0 ，超过全国工业用 电总量一半以上。据粗略估计，国内风机、水泵实际运行功率一般只有额定功率 的3 0 5 0 ，从而造成了资源浪费。 在工业生产过程中，根据生产工艺需要常常要求风机、水泵的输出风量、水 流量处于变工况状态，但目前绝大多数风机、水泵采用普通交流电机驱动，输出 转速恒定，即输出风量、水流量恒定，此时多余的风量或水流量通常采用挡板、 阀门或放空回流等手段来进行调节，从而导致了能源浪费。由流体力学知识可推 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 导出，风机、水泵的输出流量与转速成一次方关系，转矩与转速成平方关系，轴 功率与转速成立方关系。所以当风机、水泵转速降低时( 输出流量也相应降低) ， 风机、水泵的轴功率将呈三次方下降，因此节能潜力非常巨大。 目前，风机、水泵的转速调节有多种方式，按照传动特性分类，可分为电气 调速和机械调速两大类。电气调速包括变频调速、变极调速及串级调速等；机械 调速则包括调速型液力偶合器与液粘调速离合器两种方式。电气调速一般是通过 改变电机输入电源频率或电机极对数等方法手段来实现。机械调速则是在电机输 出转速保持不变的条件下，通过调速型液力偶合器或液粘调速离合器来调节风 机、水泵的转速。图1 1 列举了若干种电气调速和机械调速时的电机输入功率( p ) 与风机、水泵输出流量( q ) 之间的函数关系曲线【l 】由图1 1 可以看出，电气调 速方式( 变频调速、串级调速) 略优于液粘调速离合器，但由于机械调速不涉及 电气参数，因而其可以适应于不同电压等级的异步电动机和同步电动机，功率适 用范围由几十千瓦到数千千瓦，尤其在高电压、大中功率的调速场合，机械调速 方式在价格和技术可行性上都具有电气调速无法比拟的优势，而且机械调速装置 一般采用封闭式机械结构，所以可抵抗粉尘、湿度等环境因素的影响；此外，机 械调速对电网无任何干扰。故目前在高电压、大中功率设备的调速场合，尤其是 在一些工作环境较恶劣的场所，基本上都是采用调速型液力偶合器或液粘调速离 合器进行调速【l 】。 o g ， 、 静 奄 0 2 0 婚 801 0 0 流量q 量) 图1 1 不同转速调节方式下的所需功率与流量的关系曲线 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 虽然调速型液力偶合器和液粘调速离合器都是属于机械调速范畴，具有相似 的功能，但二者之闻还是存在着一定的区别，如下表1 1 2 卅所示。 表1 1 调速型液力偶合器及液粘调速离合器性能相互比较 由表1 1 可知，液粘调速离合器综合性能指标优于调速型液力偶合器。首先， 液粘调速离合器工作范围大于调速型液力偶合器工作范围，液粘调速离合器可以 实现同步传动，而调速型液力偶合器工作时输入输出端一定存在着转速差；其次， 由于液粘调速离合器是通过改变摩擦盘间隙来实现输出转速的调节，因此响应速 度较快，而调速型液力偶合器则是通过改变工作腔内的充油量来实现调速，因而 响应速度慢【3 ，5 1 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 为了更形象地说明液粘调速离合器和调速型液力偶合器在风机、水泵调速节 能方面的性能差异，以炼钢高炉上使用的除尘风机调速节能为例。输入电机额定 功率为3 ，8 0 0k w ，额定转速为9 0 0 转分钟，风机额定风量为1 2 ，2 0 0m 3 m i n ，该 风机每次工作周期时长为3 2 分钟，通过测算，发现调速型液力偶合器每个工作周 期耗能1 , 2 8 7k w h ，液粘调速离合器每个工作周期耗能1 ，2 4 6k w h t 6 1 ，每个工作周 期内液粘调速离合器比调速型液力偶合器节能4 1k w h 。若该除尘风机按照每天工 作8 小时，每年工作2 6 0 天计算，则液粘调速离合器比调速型液力偶合器每年节能 1 5 9 ，9 0 0k w h 。 综上所述，液粘调速离合器在工业生产中，尤其在高电压、大中功率水泵及 风机的流量调速系统中，具有节能和较高性价比优势，应用空间广泛。因此，对 液粘调速离合器传动机理的研究具有重要的经济意义和社会意义。 1 2 液粘传动技术概况 液粘传动是流体传动领域中的一个新兴分支，其与液力传动、液压传动在工 作原理上有着本质的区别。液力传动基于欧拉方程，依靠工作腔内流体动量矩的 变化来传递动力，改变工作腔内的充油量即可改变其输出转速，液力传动可分为 液力变矩器与液力偶合器两类，液力偶