（机械工程专业论文）调速型液力偶合器系统设计方法与控制技术.pdf

调速型液力偶合器的系统设计方法与控制技术 摘要 一f 近年米随着我国煤矿井r 综采机械化程度不断提高，k 距离、高带速、高倾角、人运晕的 人啦带式输送机陆续投入使j 4 ，国内各人型矿井的主要输送机多采h j 性价比较优的调速璀液力偶 合器作为起动的控制装置，但这些产品的设计方法剥i 手段比较落后，而且人多使川电动执行器或 油缸执行器作为伺服机构，起动时间不能按需进行调1 y ，无法实现人掣带式输送机的起动加速度 “，控0 本文采川现代设计理念和方法进行了全新的调速删液力偶合器整机设计；研制山新p 的伺 服控制机构，实现了调速型液力偶合器的起动时间可控；提出了新的输送机闭环控制系统，为人 1 9 带式输送机的起动加速度可控奠定了基础，对人刑带式输送机在煤矿升r 推广席j j 具有重要意 义。本文的主要研究1 ：作雨i 成果如f ： ( 1 ) 采州传统设计方法与现代敬计手段相结合进行了全新的整机设计，升提山了套新】删调速 删液力偶合器系统设计流程日 在起动时间不可控的调速型液力偶合器基础上，采h l 相似没计原理，设计山偶合器的流道 形状：庄结构上对士要的传动元部什进行了优化设计：从机械结构、控制方式两方面入手，进行 全新的整机系统结构设计，并提出了一套调速型液力偶合器的整机系统设计流稃，经实际使川证 明效果较好。j f 2 1 采_ l j 二维实体有限元法进行叶轮强度计算和校核 b 当前国内凋速型液力偶合器设计、计算过样中，人多采川相似设计原理进行叶轮设计， 按液流质点简化计算或_ 二维模州单元网格划分求解叶轮强度问题的传统方法相比，本文首次利h 二维实体有限元法进行叶轮强度分析，经过与传统的数值计算结果进行比对，_ 二者 ：最人应力值 f 二比较接近，但在局部、特定位置上的戍力值有一定误差，说明原有的函数计锋方法冈过j 简化 而存拒一定的缺| 5 f i ；能直观地显示出叶轮应力集中部f 市，体现了二维实体有限元方法的优越性， f 对施i 图的设计起刨r 指导作川。 ( 3 ) 研究更合理的新刑伺服控制机构和输送机闭环控制系统 通过试验研究新型的伺服控制机构运动规律，实现了调速掣液力偶合器挚机的起动时间可 控，进而研制山能够控制带式输送机起动加速度的帮机| ! d ：i 环控制系统。 f 4 ) 修止了已有的计算公式 1 1 j ：对偶台器叶轮强度进行计算时，根据实际1 况，偶合器泵轮外轮缘上的螺引多采川预紧联 接，此，每只螺钉的实际拉力应加上螺钊预紧力的影阿了_ 体文对该公式的修止，使得叶轮的受 力分忻更接近丁实际，提高了计算的精度。、 、 ( 5 ) 完成了帮机性能测试，验证了计算结果 恨据设计施i 幽纸制造的样机，按行业标准进行了整机的实验室性能测试， 粟表明： 1 ) 整机运转止常经有限元计算和优化没计后牡机性能得到较人提高； 2 ) 捕矩系数 7 22 1 7 。1 0 “r a i n 2 m r ，达剑国内先进水平； 3 ) 偶合器整机的输山转述从0 剑额定转速所需时间可以按需住1 5 g o s 之间任意调m 达剑 关键词带式输送机，可控起动，调速删液力偶合器，系统设计遵篮量篮癌日蟊耘性能试验 s y s t e md e s i g nm e t h o d & c o n t r o lt e c h n i q u e s f o rv a r i a b l es p e e df l u i dc o u p l i n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a c c o r d i n gt ot h es t e a d yi m p r o v e m e n ti nm i n e r a lm e c h a n i z a t i o nl e v e l ，l a r g e b e l tc o n v e y o rs y s t e m s ，w h i c hh a v eh i g hl e n g t h ，s p e e d ，a n g l ea n dc a p a c i t y , h a v eb e e nu s e di nc h i n a c o a lm i n e so n ea f t e ra n o t h e r m o s to ft h e s ec o n v e y o r su t i l i z et h ev a r i a b l es p e e df l u i dc o u p l i n g w h i c hh a sh i g hc o s tp e r f o r m a n c ea ss t a r tc o n t r o l l e r b e c a u s eo fi t sb a c k w a r dd e s i g nm e a n sa n d e l e c t r i co rc y l i n d e rp e r f o r m e rs e r v os y s t e m ，t h es t a r tt i m ea n ds t a r ta c c e l e r a t eo ft h el a r g eb e l t c o n v e y o rc a nn o tb ed e m a n dr e g u l a t e da n dc o n t r o l l e d t h i st h e s i su s et h es t a t e - o f - a r tc o n c e p ta n d m e a n st o d e s i g n t h en e wv a r i a b l es p e e df l u i d c o u p l i n g m a t c hw i t hn e ws e r v oc o n t r o l l e r , i m p l e m e n tc o n t r o l l a b l es t a l l t i m eo ft h ed e v i c e ，p u tf o r w a r dan e wc o n v e y o rc l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e m i tl a i dt h ef o u n d a t i o no fs t a r t i n ga c c e l e r a t i o nc o n t r o l l a b i l i t yo fl a r g ec o n v e y o r sa n dh a s g r e a ti m p o r t a n c et ot h el a r g eb e l tc o n v e y o r sp o p u l a r i z a t i o ni nc o a lm i n e s t h em a i nr e s e a r c h e s a n da c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 1 u s i n gi n t e g r a t i o n o ft r a d i t i o n a l d e s i g n a n ds t a t e - o f - a r tm e a n st o d e s i g n t h en e w v a r i a b l es p e e df l u i dc o u p l i n g , a n db r i n g i n gf o r w a r das u i to ff l o wf o r t h en e wt y p eo f t h ec o u p l i n gs y s t e md e s i g n o nt h eb a s eo fu n c o n t r o l l a b l es t a r tt i m ef l u i dc o u p l i n g ，u s es i m i l a r i t yd e s i g np r i n c i p l et od e s i g n t h er u n n e rs h a p eo ft h ec o u p l i n g ；m a k eo p t i m u md e s i g no ns t r u c t u r eo fm a i nt r a n s m i s s i o np a r t s ； t a k et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dc o n t r o lm e a n sa st h ep o i n to fd e p a r t u r et od e s i g nt h en e wf l u i d c o u p l i n gs y s t e ms t r u c t u r ea n db r i n gf o r w a r das u i to ff l o wf o rt h ev a r i a b l es p e e df l u i dc o u p l i n g s y s t e md e s i g n b yp u t t i n g i tt ou s e ，t h ee f f e c ti sp r e f e r a b l e 2 ) u s i n g t h e3 d e n t i t yf i n i t ee l e m e n t m e t h o dt oa n a l y z et h es t r e s so fi m p e l l e r a sc o m p a r e dt oc u r l e n ti n t e r n a lt r a d i t i o n a l d e s i g n a n dc a l c u l a t i o np r o c e s so fv a r i a b l e s p e e d c o u p l i n g a l m o s t b ys i m i l a r i t yd e s i g np r i n c i p l e ，w h i c h s o l v et h e i m p e l l e rs t r e n g t hp r o b l e m a c c o r d i n g t op r e d i g e s t i o nc a l c u l a t i o no ft h ef l u i df l o wp a r t i c l eo r2 dm o d e le l e m e n tp a r t i t i o n t h i s t h e s i s f i r s t l y u s e st h e3 de n t i t yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y z e t h es t r e s so f i m p e l l e ra n d c o m p a r ei t w i t ht r a d i t i o n a ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t t h em a x i m u ms t r e s so fb o t hr e s u l t si s r a t h e ra p p r o x i m a t i v e ，b u tt h e r ea r es o m ed i f i e r e n c e sb e t w e e nt h e ma tp a r to rc e r t a i np o s i t i o n i t s h o w st h a tt h et r a d i t i o n a ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm u s tb ec e r t a i nl i m i t a t i o n s b y e x c e s s i v e p r e d i g e s t i o n s t h e3 dm e t h o dc a nd i s p l a yt h el o c a t i o n so fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nd i r e c t l y , w h i c h r e f l e c t st h ea d v a n t a g eo ft h i sk i n do ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ta l s og u i d e st h ed e s i g no fs h o p d r a w i n g s 3 ) s t u d y i n g t h en e ws e r v oc o n t r o l l e ra n d c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mo f t h eb e l t c o n v e y o r s t u d yt h e m o t i o nl a wo fs e r v oc o n t r o l l e rt h r o u g ht e s t i m p l e m e n tc o n t r o l l a b l es t a r tt i m eo ft h e v a r i a b l es p e e df l u i dc o u p l i n ga n dd e v e l o pt h ec l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nc o n t r o lt h e s t a r t ，a c c e l e r a t eo ft h ec o n v e y o r 4 j m o d i f y i n g t h ep r e s e n tc a l c u l a t i n gf o r m u l a a c c o r d i n gt o t h er e a lc o n d i t i o no ft h a tt h eb o l t so nt h eo u te d g eo fp u m pi m p e l l e ru s e d1 0b e p r e t e n s i o nc o n n e c t e d ，t h e b o l tr e a ls t r e s ss h o u l db ec o n s i d e r e dw h e nc a l c u l a t et h es t r e s so f c o u p l i n gi m p e l l e r t h i sm o d i f i c a t i o nm a k e t h es t r e s sa n a l y z em o r ec l o s et ot h er e a lc o n d i t i o na n d i m p r o v et h ea c c u r a c 弘 5 1 h a v i n g t a k e nt h ep e r f o r m a n c et e s to ft h ec o n v e y o ra n d p r o v e dc a l c u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t so fc o n v e y o rp e r f o r m a n c et e s ta c c o r d i n gt ot h ei n d u s t r ys t a n d a r d si nt h el a b o r a t o r y s h o w ： 1 、t h ec o u p l i n gw o r k e dn o r m a l l yi t sp e r f o r m a n c eh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e da f t e rf i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o na n do p t i m u m d e s i g n 2 ) t h et o r q u ec o e f f i c i e n t 7 = 2 1 7 x l o “m i n 2 m ，2 h a sf c a c h e dn a t i o n a la d v a n c e d l e v e l 3 ) t h eo u t p u tr e v o l u t i o ns p e e dc a nb ew i l l f u l l yr e g u l a t e df r o m0t or a t e ds p e e di n1 5 9 0 s i h a sm e tt h ee x p e c t i n go b j e c t i v e k e yw o r d sb e l t c o n v e y o r ，s t a r t i n ga c c e l e r a t i o nc o n t r o l l a b i l i t y , v a r i a b l es p e e df l u i d c o u p l i n g ，s y s t e md e s i g nm e t h o d c o n t r o lt e c h n i q u e s 。p e r f o r m a n c et e s t 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者签名：译撕 日期：加2 年牛月， 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：体劲 日期：上 2 年中月j 日 指导教师签名：丕柳 了鬼式砀 日期：甜铲月叼f 了 海交通人学f ! l j 【i 论义2 0 0 2 1 1 研究的目的、意义 第一章绪论 近年来，随着煤矿生产综采机械化水平的不断提高，长距离、高带速、大 功率带式输送机在矿井中得到广泛应用，据有关资料介绍 1 1 1 2 l ：在德国，带式输 送机的最高带速已超过1 5 m s ；在法国，带式输送机的单机长度已到达1 5 k m ， 设计带速为8 4 m s ；1 9 7 2 年建在西撒哈拉的带式输送机，该机线路总长达 1 0 0 k m ，为世界之最，其设计带速为4 5 m s 3 1 4 ；同本叶山石灰石矿长距离带式 输送机单机长度达1 4 0 8 9 k i n 5 ；澳大利亚c h a n n a r 铁矿长距离带式输送机系统 是代表现代带式输送机发展水平的一条运输线f 6 j 【7 】，该运输系统由长为1 0 3 k m 、 曲率半径为9 k m 、弧长达4 k m 的弯曲长距离带式输送机和一条1 0 1 k m 长的直 线长距离带式输送机构成：目前我国带式输送机的最高速度为4 5 m s ，而在 些火型露天矿中，有的要求设计带速为6 7 m s ，甚至更高，如沈阳矿山机械厂 已生产的运距4 6 k m ，单机功率1 0 0 0 k w ，带速5 8 5 m s ，运量达7 8 0 0 t h 的大 型带式输送机嘲，因此，对输送机慢速起动、功率平衡提出了更高的要求。调速 型液力偶合器因其使用安全可靠、维修简单、价格适中等优点，成为目前国内带 式输送机控制起动的首选原部件，并得到了大量的应用。 本文所研究的新型调速型液力偶合器起动技术在于：传统设计中，人们将 输送带视作刚体，认为输送机起动时各质点是同时运动的，而事实上输送带是 具有粘弹性特性的粘弹性体，动张力在输送带中的传输需要一定的时间，各质点 ，j 能依次丌始运动【9 】。在短距离输送机中问题或许不会太大但在长距离输送机 中，这一段时间如果不够长，就会丧失输送带与传动滚筒保持_ i f 常传动所需的传 动比，造成输送带在传动滚筒上打滑而不能萨常起动；同时，起动是一加速过程， 动张力的大小在很大程度上取决于加速度。带速越高、起动时间越短，起动加速 度就越大，随之所带来的动张力就越大，对整个输送机系统造成巨大的瞬时冲击， 造成输送带与接头断裂、以及损坏其它元部件1 1o 】。同时还需兼顾起动时间不能 太长，以免温升过大，烧毁电机等故障发生。由于带式输送机起动技术的研究在 。 入了动力学原理和方法之后，有了长足的进步，闪而对控制带式输送机起动的 原部件也有较高的要求。 【| 此可见，采用合理的可控起动设备，对降低动张力、减小安全系数、降低 输送带强度、以及提高系统的可靠性、延长输送带及其它元部件的使用寿命将会 带来： 常火的影响，最终为研制长距离、大功率带式输送机的安全使用提供可靠 的l 口控起动技术支持。 现今，带式输送机可控起动一般可分为电气调速起动与机械调速起动两犬 类。f j 前因内外常用的可控起动装置有： 1 ) 电气软肩动装置： 2 ) 差动轮系液粘调速装置( c s t ) 1 1 1 】； 3 1 电机变频调速装置； 4 1 调速型液力偶合器。 电气软启动装置从原理上来讲是一种降压启动，它必须与限矩型液力偶合 海交通人学坝h 仑义2 0 0 2 第二章液力偶合器基本理论和特性分析 带式输送机的可控驱动装置般山电机、调速型液力偶合器、减速器等所 组成。带有调遽型液力偶合器的驱动装置在微机系统的闭环控制下可使输送机实 现慢速可控起动。起动时液力偶合器不充油，电机带着泵轮空载起动，起动电流 小，发热量不大，对电网的冲击也不大。在电机转速恒定的情况下，调速型液力 偶合器呵以通过改变勺管位置来改变泵轮和涡轮流道内的充液量，从而控制涡轮 轴的转速和传递功率。控制勺管拉出或仲入的速度，从而控制起动加速度，实现 输送机的可控起动，减小输送带的动张力。 2 1 基本理论 2 1 1 运动简化 j ：作液体在液力偶合器工作腔( 办称流道) 内的流动，是一种粘性液体的复 杂空问三元流动，国内外目前在理论和试验方面都缺少研究，对于速度场和压力 场的分布舰律了解有一定的局限性。因此，在偶合器流道研究中通常应用欧拉 ( e u l e r ) 束流理论将三元流动简化为一元流动，然后通过试验加以修正1 1 6 1 。为 此引入如下四条假定： 1 ) 液体在叶轮流道内总的流动，是山一系列旋转曲面所分割的流动的总和 组成，任何质点的运动不会超出自身所在的旋转曲面的范围； 2 ) 中央旋转曲面上的流动情况，可以代表流道内整个流动的平均物理现象： 3 ) 叶轮内的叶片数为无限多、厚度为无限薄，亦即在叶轮的叶片之m 的流 道内，各旋转曲面上的流动是呈轴对称的，液流相对运动的流动轨迹，与叶片骨 线一致液流流出叶轮时其方向由叶片出 j 角确定，与进口流动无关； 4 ) 液流在无轮叶流道内流动时，液体与前、后叶轮的叶尾和头部以及与流 道难i 研之1 1 日j 的摩擦阻力忽略不计，即认为该处的液体是理想液体。 2 1 。2 运动方程 1 叶轮扭甜! 方程 i ：作液体作用于叶轮叶片，卜的扭矩( 用m l 1 表示) 与叶轮叶片作用r 液体的 h 矧! ( f j 用m l - l 表示) 是对大小相等、方向 目反的作用和反作用扭舞! n 引，有： m l 一，一一m ，_ f = d q ( 月2 p 。2 一置v )( 2 - 1 ) - 巾：q 一上作腔内的循环流量，m 3 s ； p 一工作液体密度，k g m 3 ： 月，、r 一叶轮叶片问流道的进口、出口半径，m ； v f 抑、k 2 一叶轮叶片问流道的进口前、出口处的液流圆周分速度，m s 。 2 相对运动伯努利方程 i 塑窒望苎兰丝! ! ! 堡茎! ! ! ! 当不可压缩的工作液体在静止不动的叶轮叶片之问作稳定流动时，在两个 断嘶( 如图2 - 1 所示) 上的位能、压能、动能以及离心惯性力所作的功将保持如 卜关系1 1 6 】： z ，+ 旦+ 互一堕2 9 = z 2 + 昭p 2 p g2 9+ 堕2 9 一堕2 9 + 啊2 ( 2 2 ) 1 昭 式中：z 、z 2 一液体质点1 和2 离丌轴水平线的距离，m p ，、p 2 一断面1 和2 处的压力，p a v 、v 2 一断面1 和2 处的液体流速，m s h i 2 一单位重量的液体由位置1 流到位置2 的位能损失总和，m 订、口2 一断面1 和2 处液体相对速度，m s “，、u 2 一断面1 和2 处液体圆周速度，m s 。 ，辫。 ( a ) 轴面投影示意图 ( b ) i - 4 仑进、出口处速度图 图2 1 _ t - 作液体在叶轮叶片问流道内的流动及速度三角形 3 叶轮理论压头方程式 如忽略能量损火，叶轮x , j 3 1 作液体所作的机械功等于单位重量液体升高h 所i i 之功【1 6 】：m m = n g q s - # ，将式2 - 1 代入，r r l = “1 、r 2 t o = “2 即得： h ，。三( “：。一“v 。) g 此公式办称为欧拉公式。 2 2 液力偶合器特性分析 2 2 1 液力偶合器的分类 ( 2 3 ) “、 ： 飞，。 口以， 海交通人学坝t 。论文2 0 0 2 液力偶合器是一种应用很广的通用传动元件，置于动力机和工作机之i b j ，传 递两者的动力【1 9 】。其特性有改善起动性能、过载保护、无级变速、对载荷的自动 适应等。 液力偶合器按其应用性能可分为三个基本类型：普通型、限矩型和调速型。 普通型偶合器结构简单，除工作腔外无任何限矩、调速等结构措施。腔体中有效 容积大，故传动效率高。其零速力矩可达额定力矩的6 7 倍，甚至高达2 0 倍。 因之过载系数大，过载保护性能差。多用于不需要过载保护与调速的传动系统中， 起隔离扭振和减缓冲击的作用。 普通型液力偶合器由于过载系数大，使之在许多设备上无法应用。为了有效 地保护动力机不过载，要求液力偶合器在任何工况下的力矩均不得大于动力机最 人力矩。因此必须采取措施来限制低速时力矩的升高。常采用的结构措施有设置 辅助腔、采取多角形工作腔和在泵轮、涡轮i n j 加设挡板等多种方式。其中应用最 多的是设置辅助腔，在工作机过载情况下，转速由高变低时，工作腔中液体逐步 流入辅助腔，从而限制液力偶合器传递力矩，其能量消耗较少。在泵轮、涡轮之 间加设挡板常作为辅助限矩方式来应用。常用的限矩型液力偶合器有静压泄液式 和动压泄液式两种结构。 调速型液力偶合器是在输入转速不变的情况下，通过调节工作腔的充液量来 改变输出转速。同时调节力矩，充液量的调节是在运行中进行的。普通型和限矩型 液力偶合器均是在运转之前，按传递功率的大小充入适量的工作液体。由于通常 是在额定工况下运转的，转差率较小，发热量亦小，靠自身冷却即可满足散热要 求。调速型液力偶合器则不同，由于输出转速调节幅度大和传递功率较大，故需 爱仃工作液体的外循环和冷却系统，使工作液体不断地进、出工作腔，以散逸热 最和调节工作腔充液量。 假定液力偶合器工作腔的充液量为q 。欲使其有q 的变化量，则需使：1 二作腔 的进、出l 流量q 1 和q 2 不相等，即： q = a t ( q 1 一q 2 ) 式- 1 1a t 是调节时间。若使出口流量q 2 保持不变，改变进口流量，则为进口 凋甘；若使进口流量q 1 保持不变，改变出口流量，则为出口调节；若同时改变 进、j 口流量q 1 和q 2 ，则为复合调节。以卜三种调节是常用的方式。 2 2 2 液力偶合器特性参数及特性曲线 液力偶合器的性能可由特性参数或特性曲线来评价【伯】。通常，在通过i g i t + 后， 经加制造出来的新型液力偶合器，都必须进行试验室的性能测试，以取得这 螳参数和曲线，作为评价该偶合器性能优劣的指标。 1 特性参数 ( 1 ) 力矩 如忽略摩擦、鼓风等损失，以外参数表示的叶轮力矩方程为【9 】 m t = m b m 8 = xp g n ；d 5 式中：a 一偶合器扭矩系数，m i n 2 r m p 一工作介质密度，k g m 3 ； 1 0 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ! ：塑奎望墨兰塑! 笙兰! 塑!一一 n 。一泵轮转速，r m i n ； d 一偶合器有效直径，m 。 ( 2 ) 转速比 f = h r n 日 用以表示液力偶合器运转工况。i = 0 为零速工况，若在该工况前液力偶合器 静止朱动，则称为起动工况；若在该工况前液力偶合器在运转，则称为制动工况。 ( 3 ) 转差率 s = ( 1 一i ) 1 0 0 转差率除了表明相对转速的大小以外，同时也表明功率损失的大4 、。按 g b 5 8 3 7 8 6 规定：普通型与调速型液力偶合器的额定转差率s 3 ；限矩型液 力偶合器的额定转差率s 4 。 ( 4 ) 泵轮力矩系数 泵轮力矩系数是评价液力元件能容大小的参数【侧，按下式来表述： k = f ( i ) ( 2 - 6 ) 九是液力偶合器的重要技术指标，它是泵轮扭矩的无因次系数，九值高说 明液力偶合器的能容高，也即表明在相同有效直径( 指叶轮内流道的最大直径) 下的偶合器所能传递的功率大、性能好，并表明腔型好，其值由测定出的力矩经 计算得出。 应该注意的是，a 与k 是有区别的， 是有困次的、偶合器的扭矩系数， 面a 。是无冈次的、泵轮的扭矩系数。 ( 5 ) 效率 。；生：些生。旦：j ! n b m 8 n8 n 8 ( 2 - 7 ) 液力偶合器效率与其转速比相等( 在忽略轴承等功率损失的情况下) ，这是 液力偶合器的重要特点之一。因此，通常使之在高转速比下运转，以求得到较高 的效率。 2 特性曲线 ( 1 ) 外特性曲线 外特性曲线表示液力偶合器在牵引工况下的力矩、效率与输出转速的关系， 即矗：l ：作油的密度p 和泵轮角速度。保持某一特定值时，偶合器的泵轮扭矩m 。 和涡轮十 【矩m ，以及偶合器的效率n 随涡轮角速度，的变化关系，如图2 2 1 1 6 1 ，按 实验数据绘制而成。通常外特性曲线是指在液力偶合器最大充液率下的输出特性 海交通人学坝i 。论史2 0 0 2 曲线，即表明液力偶合器在各工况下的最大传递力矩能力的曲线。 m b m t n m 】 一嗵b 工 、 彳念 多 n - 夕 1 ， 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 0 n t 【r m n 】 图2 - 2 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九= 厂( f ) ，如图2 - 3 【1 6 】 所示。在已测得的数据的基础上，按式2 6 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 的棚! i 比较，以鉴 别性能优劣，并通 过原始特性知道液 力偶合器的其它特 ，比。 对r 影响液力 偶合器特性的主要 仃腔型、叶片倾角、 l ：作液体的温度、 转速差、充液率等 i 副素。 5 4 1 0 6 3 2 1 0 | 0 2 50 5 00 7 51 0 0 图2 - 3 液力偶合器原始特性曲线 lo 07 5 05 0 兀 02 5 3 液力偶合器的调节特性 通过改变液力偶合器所传递的功率和转速，就可以达到改变： 作机的转速或 扭翅t 的目的，通常，调速型液力偶合器是以改变流道内的工作液体循环流量q 来实现的1 1 。 对于流道几何尺寸已确定的偶合器，在相同运转工况下，即相同的转速比j 下，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。 啪瑚姗伽姗瑚o 海交通人学坝i 论文2 0 0 2 没流道内的充液量为q ，则当流道全充满时c 1 = 1 ，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j 二，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 = 0 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： 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 来的油气、水气等。 当偶合器流道中的充液 撞q 减少时，偶合器传递扭矩 的能力也随之降低，如图 2 4 【1 6 】所示( 横坐标为转差率 s ，且有s = 1 一i ) 。显然，充 液量q 的减少导致循环流量q 要小于全充满时的状态，根据 式2 1 叶轮力矩方程m 的值 将降低。同时，在图2 - 4 中还 可以看到，随着充液量q 的减 少，偶合器的扭矩特性出现一 不稳定区( 图中阴影线区域) ， 缸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 j9 5 口一 f f ， |。 | ij | |。|f i r ，。 ，z7 次 | f i髟。， 哦么彩f ? nk 缓乏 盟 趔挖e r l 7 卜、，_ 一 o 20 ，40 60 810s 图2 - 4 液力偶合器部分充j 由特性 常工作，所以，偶合器在该区域不能征常运转。 偶合器在部分充油时出现不稳定工况，与其流道内的液流结构有关。图2 5 【1 6 】 为部分充油状态下的偶合器流道内液体的分靠和流动状态随转速比i 的变化关 系。当- 1 时，泵轮与涡轮的转速相同，流道内液体不能发生相对运动，只受到 偶合器旋转而引起的离心力作用，液体的自由边界呈圆柱形分布在流道的外缘， 吧罔2 5 a 。在这一边界的内侧靠近轴线处为空气环。 r | ， r 。7 缪 矽 7 芗 荔 r t “ 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 o o 0 d 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 【一 )【 一，o“一一。 静黛 ( c ) i = o 7 0 6 5( d ) i o 5 5 - 06 图2 5 偶合器部分充油状态下流道内液流分布及流动状况 当偶合器传递扭矩时，涡轮转速丌始降低，泵轮转速高于涡轮转速，i 由1 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一d 运动，重新进入 泵轮。这种循环流动的结果，使得泵轮和涡轮之问的液体发生重新分配，泵轮f 】 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、日j 形成 一分界面，如图2 5 b 。这种状况称为液流的小循环。 随着偶合器传递扭矩的增加，涡轮转速降低、转速比i 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i 减小，这一环状流 动逐步向涡轮流道内径处靠近，见图2 - 5 c 。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i 近一步减小，至ic0 4 时，d j 于涡轮的转速降低，使得离心运动 的趋势大为减弱，液流自泵轮流入涡轮，其向心流动能到达涡轮流道近轴线的最 内侧，再山泵轮流道的最小半径处进入泵轮，形成如图2 5 d 所示之环状流动， 这种状况称为液流的大循环。由于从小循环向大循环过渡时，液流离丌涡轮和进 入泵轮的平均流线半径大大减小，并且这种变化不是平滑的过渡，使得传递扭甜! 出现突跳式的增加。 由此可见，偶合器在部分充油状态下，流道内存在两种类型的液体流动：小 循环和大循环，偶合器在小循环或大循环情况下运转时，工作都是稳定的，而祚： 火、小循环流动相互转换时，会造成力矩突变和转速不稳定。从图2 ，5c p 还可以 看f ，当偶合器的充油量较大时，i 值较大时就会发生从小循环到大循环的转变， f m 充油量减小后，从小循环到大循环转变的i 值也逐步降低，阁巾例影线l 域之 卜为小循环，阴影线区域之上为大循环。偶合器不能在这一特性不稳定的区域1 作，应该尽量避免其产生。采取的措施有：一是使液力偶合器与：厂作机载荷合理 匹配，使特性曲线不穿越该不稳定区；二是采取结构措施，在涡轮叶l 心部位加设 挡板，以防止小循环流动向大循环流动的突变；三是使涡轮诸叶片及其构成的流 道出口半径不相等，并按某种规律相匹配，使液流由小循环流动向大循环流动的 变化为较平稳的过渡，使力矩和转速趋于稳定。 2 3 液力偶合器起动过程分析 1 4 海交通人学坝f j 论史2 0 0 2 2 3 。1 异步鼠笼电机的输出特性 异步鼠笼电枞的输出特性函数为 丁；坠塑造& j 一+ 垒+ q s s 式中： 0 电机的输出转矩 a 。与电机转予电阻有关的系数 s 电枧的转差率 。一电机的过载系数， 。= t 。，玎n s m - - - 电机最大转矩对应的转差率 丁。a x 一电机的最大转矩 t n 电机豹额定转矩 - in = 9 5 5 0 p n r i n p n 电枧的额定功率 n n 电机的额定转速 其机械特性曲线如图2 6 联示： n o n n 霉2 。6 异步鼠笼电机机械特性曲线 ( 2 - 8 2 3 。2 液力偶合器起动过程分析 为了便子分柝带液力偶合器的驱动装置的起动过程，分燃绘出异步电动机l b ( 也即偶合器泵轮轴) 的机械特性曲线和偶合器腑输臻机械特性髂线，冕图2 - 7 1 2 8 】。 图2 7 a 的曲线o a 表示偶合器姻泵轮轴的静转矩特性，它弓偶合器本身的设 i r 参数和流道内的充油量有关，该曲线与电动机的机械特性曲线的交点必须在f 琵 动桃的稳定： 作区域内，西则f 乜动机将山于起动电浚过大两不能手常工作。裂轮 轴的机械特性曲线和电动机的机械特性曲线的交点a 应尽量靠近电动枫的最大 转瓣晾，以便充分利用电动枫的过载能力。曲线中的阴影部分为泵轮的加速转矩。 我们知道，驱动系统的起动过程主要决定于系统的机械惯量，惯量愈大，电动机 粕逶愈馒，起动时捌就愈长，转予豳路在起动过程中的能量损失就愈多。由于电 动机转予本身的转动惯量不大，偶合器泵轮的转动惯量也较小，所以电动枫能在 徽短的时潮内就加速到a 点，这样电动极转予的能量损失也就袒当小了。 ；母交通人学仰! f + 论殳2 0 f ) 2 阁2 7 b 是偶合器的输出特性曲线，也即泵轮轴与漏轮轴问的转速滑差率s m 与涡轮输出转矩的关系。 从曲线中可以看出，在楣当大的s 拍区问内，加速转矩是眈较大的，这个转 矩起动负载轰至稳定过载点g 。与此同时，电动机的工作点捆应的移至b 点。此 m 00 20 40 60 8l0 n o n o li - i i j l l l j j l ， oo 2o 4o - 6o 8 ll - 0n t n o il _ ll lll lllf - 1 00 。80 ，60 + 40 20s d1 0 0 80 , 60 , 4020s m a 、电动机轴( 偶合嚣泵轮轴) 的机械特性b 、偶合器的输出特性 圈2 7电动机与偶合器的匹配特性 时，电动机的输出转矩与偶合器的输出转矩相等，只是电动枫的转速比偶合器涡 轮轴的转速麓点，这就是说，电动机的瑜出功率有极少的一部分损失在偶合器 内。 通常情况f ，在起动过程中波力偶合器的充液率是通过伺服执行机构按照 预定的控制函数控制勺管的歼度，使其扶1 s 一0 0 匀速增加。在起动过程中， 如果电机蚋机槭特性曲线比较乎缓，则泵轮的转速可近视为不变，泵轮力矩系数 的值i 妇瞬时的充液率及转速比所决定。因此，骺有液力偶合器的输送机在起动阶 段，驱动滚筒的加速度变化比较乎缓，避免了直接起动绘输送机系统所带来的刚 性冲击，降低了超动时的动张力，达到了慢速可控起动鑫勺效果。 匿 海交通人学f ! ；! i 论义2 0 0 2 第三章可控调速型液力偶合器的流道设计 根据原始参数和使用工况的要求，进行调速型液力偶合器的流道设计和计 算，达到设计出新型的、性能符合要求，结构简单，易丁二制造，技术指标先进和 运转可靠的可控调速型液力偶合器之目的。 3 1 液力偶合器腔型的相似设计方法 液力偶合器的流道( 腔型) 对其特性有决定性作用，根据工作机性能要求， 设计合适的腔型，并要得到该腔型液力偶合器的原始特性曲线，作为设计的主要 依据。由于液力偶合器内部的流场复杂，难以用纯理论计算取得预期的结果，在 实际r 作中往往以流体力学的相似理论为依据，利用模型或已有的液力偶合器， 取得试验数据，进行修改、完善后，按相似理论缩小或放大，设计出无因次特性 与模型相同、满足使用要求的实物1 1 6 1 。 根据相似理论的要求，要两个液力偶合器的流体力学相似，必须满足如下三 个充分条件：几何相似、运动相似和动力相似。 ( 1 ) 几何相似 所谓几