毕业设计-一种新型液粘性软启动装置机械结构的设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上学号：XXXXXXXXXXXXX毕业设计题 目：一种新型液粘性软启动装置机械结构的设计作 者XXX届 别2010系 别机械与电子工程系专 业机械设计制造及自动化指导老师XXX职 称教授完成时间2010.05专心-专注-专业摘 要液体粘性传动技术是一门新兴的学科，它与目前使用的液力耦合器在基本概念和工作原理上有着本质的不同。本论文首先介绍了液粘性软启动装置的工作原理，分析了国内外的液粘性软启动装置的研究和发展状况，通过对其装置的分析，找出了国内外的技术差异，同时通过对国内已有的液粘性软启动装置的详细分析，找出了其缺陷所在，并且根据液体粘性传动理论，对其进行了改进。本论文

2、以液体粘性传动理论为依据以液体粘性传动理论为依据，针对国内己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，论述了新机械结构在两个方面作出的改进，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。在提出新机械结构后，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，提出液粘性软启动装置机械结构的设计计算方法。 关键词

3、：液体粘性传动；软启动装置；机械结构；设计计算AbstractThe liquid coherent transmission technology is an emerging discipline， it has the essential difference with the present use's fluid strength coupler in the basic concept and the principle of work. The present paper first introduced the fluid coherency soft starter&

4、#39;s principle of work， has analyzed the domestic and foreign fluid coherency soft starter research and the development condition， through to its installment's analysis， has discovered the domestic and foreign technological gap， simultaneously through the fluid coherency soft starter multianaly

5、sis which produces to the domestic mechanical company， discovered its flaw to be， and according to the liquid coherent transmission theory， has made the improvement to it. The present paper as rests on take the liquid coherent transmission theory take the liquid coherent transmission theory as the b

6、asis， has the engine serious oil leak which and the friction disk hyperpyrexia， the service life in view of sufficient ore group mainland machinery Limited company oneself in the fluid coherency soft starter use process exists short and so on two main flaws， has analyzed its mechanism carefully， had

7、 pointed out has these flaw primary cause， based on this proposed one kind of new fluid coherency soft starter's mechanism， elaborated the new mechanism the improvement which makes in two aspects； first， control system's functional element and the control oil duct's structure， solves the

8、 main engine oil leak problem； second， initiative friction disk andDriveshaft's connection mode and spring's arrangement way， has solved the friction disk radiation problem.After proposing new mechanism， analyzed the fluid coherency soft starter with to stick the velocity modulation coupling

9、 movement mechanism's same spot and the diversity with the fluid， stuck the velocity modulation coupling mature design calculation theory according to the fluid， the liquid extract coherency soft starter mechanism design calculation method. Keywords：Fliud viscosity drive；Soft start-up equipment；

10、Mechanial strcture；Designing computation目 录第一章 绪 论1.1软启动装置概况所谓“软”启动实际上就是对带式输送机进行控制，使其按预定的、最合理的启动加速度启动。通常，如果采用普通的限矩型液力耦合器或刚性联轴器，在一定的工况下，输送机的启动时间、启动加速度基本上是固定的、不可调的。而软启动则不同，它通过专门的装置，使启动时间和启动加速度根据用户的要求，完全可以任意调整1。近几年来，随着带式输送机的日趋大型化，启动、制动问题成为制约胶带机发展的关键，为此国内外各制造厂家相继投入大量的人力、物力，相继开发成功了多种形式的软启动装置：（1）液粘性软启动装置；

11、（2）液力型软启动装；（3）电气型软启动装置；（4）机械式软启动装置。在各种形式的软启动装置中，应用最为普及、可靠性最高的是液粘性软启动装置和调速型液力耦合器，而液粘性软启动装置的性能更好，用户正逐年增加，尤其是在长运距、大运量、高带速的大型带式输送机上选用者更多2。1.2液粘性软启动装置的工作原理液粘性软启动装置与目前使用的液力耦合器 在基本概念和工作原理上有着本质的不同，前者基于牛顿的摩擦定律，以液粘性或油膜剪切力来传递动力；后者则基于欧拉方程，以液体动量矩的变化来传递动力。液粘性软启动装置的性能要比调速型液力耦合器优越得多。要正确理解液粘性传动，心须树立以下两个观点，即： (1) 必须树

12、立两个相对运动的金属表面间加入工作油，不只是起到减小摩擦阻力的润滑作用，而更重要的是可以利用油膜的剪切作用来传递很大的动力。(2) 必须树立长期处于相对运动的摩擦面，不会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3。根据牛顿内摩擦定律4，如图1.1所示，在两块平行平板间充满粘性的牛顿流体，下板不动，上板以速度V平行与下板运动，贴近两板的液体必粘附在平板上。附着在上板的液体以与平板相同的速度V运动，粘附在下板的液体速度为零。显然两板间液体速度各不相同，从上而下按递减的速度向右运动。当两板距离较小时，速度近似于线性分布。运动速度为V+dV的较快的液体层会带动速度为V的

13、较慢液体层，而慢层液体又要阻止快层液体运动，各层之间互相制约，即产生了内摩擦阻力。由试验得知，内摩擦阻力F（N）与液体层接触面积A（m2）、相对运动速度dV (m/s)成正比，而与液体层距离（m）成反比，还与液体的性质有关，即式中： 为油膜的剪切力，为速度梯度，表示粘性液体运动的剪切率； 为流体的动力粘度或比例系数，A 为承受油膜剪切作用的面积。如以表示切应力（即单位面积上的内摩擦力），则上式称为内摩擦定律由上式可见，切应力与动力粘度和剪切速度V成正比，与油膜厚度成反比。因此只要采用合理的结构和各参数，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

14、，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，就可以改变液体粘性转矩和被动轴转速。这就是液体粘性传动的基本工作原理。图1.1 流体内摩擦1.3液粘性软启动装置的结构特点利用液体粘性软启动装置来传递动力，具有下优点5：（1）可实现对输出转速的无级调节。（2）易实现机电液一体化闭环控制，转速稳定，精度高。（3）易于实现转速调节的遥控和自动控制。（4）可使电机在轻载下启动，缩短启动电流对电网的冲击时间。（5）在启动惯性较大的负载时，可使之缓慢加速，防止传动系统过载。（6）可以自动限制传递的转矩，

15、因而对传动系统起到保护作用。（7）输送机启动时产生的热量被冷却油所吸收，容易控制其温度，不产生火花。（8）油膜同时起到润滑摩擦片的作用，降低磨损，使装置性能更加稳定。（9）通过增减主从动片的数目，达到传递的功率在较大范围内变化，通用性好，系列化程度高。（10）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100%。1.4 液粘性软启动装置的运行过程分析主动摩擦片在主动轴上可以轴向移动，从动摩擦片通过压盘、连接圈、连接盘等与输出轴相连接6。当输送机要启动时，控制系统发出启动信号，润滑系统电机通电，油泵供油，壳体内油液满足要求后，控制系统电机通电，根据设定的

16、启动加速度曲线控制电液比例阀的油压变化，使活塞克服弹簧力的作用，推动摩擦片轴向移动。通过控制油压的大小改变主动摩擦片与从动摩擦片之间的间隙，相应的启动力矩也发生变化，使输送机按预定加速度曲线启动。摩擦片的结合过程可分为流体粘性摩擦、混合摩擦、边界摩擦和静摩擦4种状态：（1）流体粘性摩擦时，摩擦片表面完全被连续的油膜所隔开，摩擦片间的间隙较大，属于较大滑差的工况，此时传递的扭矩受摩擦片的形状和材料影响较小；(2)混合摩擦时，摩擦片表面的一部分被油膜隔开，另一部分发生微凸体间的接触，摩擦片间的间隙很小，属于低滑差的工况，此时传递的扭矩受摩擦片的形状和材料影响不大；（3）边界摩擦时，摩擦片间的间隙较

17、小，可认为相互接触，摩擦片表面只有极薄的边界油膜，主要是微凸体接触，属于很小滑差的工况，此时摩擦片的摩擦系数比较稳定，摩擦片的寿命和传递扭矩的能力与摩擦片的形状和材料有密切的关系；（4）静摩擦时，摩擦片相互压得很紧，摩擦片间没有滑差，靠静摩擦力来传递扭矩，此时性能与摩擦片的形状和材料也有密切关系7。由以上分析可看出，影响液粘软启动装置的关键有以下几方面：（1）工作液体的影响。工作液体要有良好稳定的运动黏度、良好的润滑性能、良好的氧化安定性、高的比热和较好的热导率，还要具有良好的抗泡沫能力。（2）电液比例阀的影响。电液比例阀要有良好的稳定性和较高的动作精度。（3）摩擦片的影响。摩擦片要有较高的加

18、工精度和表面光洁度，以及较好的动平衡和摩擦片间较高的互换性8。1.5国内外研究现状和发展趋势1.5.1国外发展与研究状况国际上美国是较早开始研究液体粘性传动的国家之一9，20世纪60年代初，液体粘性调速离合器开始用于工业领域小功率场合，到了60年代中期已研制出了能够精确伺服控制的液粘调速装置，到了70年代功率可达7000kW，应用范围已扩展到了电厂、化工厂等重要工业场合。目前美国有两家公司从事液粘传动的研制：威斯康星州的双环公司(Twin Disc Corpo-ration)和宾夕法尼亚州的费城齿轮公司(Philadelphia Gear Cor-poration)。上世纪80年代，日本公司新

19、泻控巴达（Niigata Cov-eter Corporation）从美国双盘公司引进了HVD这项技术，进行了大规模的生产；并在消化美国专利技术的基础上加以改进，现在已申请日、美、英、德等四国专利进行生产10。国内外已有许多学者采用雷诺方程或平均雷诺方程对粘性离合器的啮合过程进行了分析，考虑了流体油膜的惯性、表面沟槽、表面粗糙度等因素的影响。RazzzaqueMM等人采用雷诺方程，考虑流体油膜惯性、表面沟槽对粘性调速离合器摩擦副中油膜进行了分析，提出了表面沟槽对摩擦副中冷却流量的影响。BergerEJ等人采用平均雷诺方程，考虑流体油膜惯性、表面沟槽对粘性离合器进行了啮合分析与计算。但这些学者的

20、研究均则重于粘性离合器的啮合过程11。我国是70年代末才引进液粘传动技术，对液粘传动装置的研究工作还停留在仅仅具有分离、调速、同步三种工况的普通型液粘调速离合器上。而传统的液粘调速离合器由于在结构和性能上存在不足，主要表现在应急能力差、泄漏严重、转速波动大、噪声大等方面，并且满足不了企业公司的特定需求，其应用范围较窄。因此很有必要将单一的液粘调速离合器发展成液粘传动系列产品，充分扩大其应用场合。如有些企业要求工作机长期处于全速运行状态，并且调速幅度大，调速频繁，这时可以考虑将普通型HVD装置改成同步型液粘调速装置。其工作特性是：当控制压力最大时，处于分离工况；当控制压力为零时，处于同步工况。正

21、好与普通型HVD特性相反；矿山机械需要柔性制动的工况，以限制转矩的方式达到制动调速运行的目的。并且往往要求离合器发生故障可平稳安全制动停车，制动过程有可靠的防爆功能。这时可考虑将普通型HVD装置改成由调速部分和制动部分两部分相互协调控制的制动型液粘调速装置。当控制压力P为零时，制动分离；P最大时零制动同步；处于两者之间时，半制动调速；风力发电场合则要求工作机在输入转速可能随机波动的情况下输出转速保持恒定，这时又可将普通型HVD装置改装成恒速型液粘调速装置；而有些工作机转速范围大于3000r/min或小于500r/min，普通型HVD装置将不再适用，这时可以加一齿轮变速器，做成组合型液粘调速装置

22、。总之很有必要针对企业公司的具体特定要求，对目前普通型液粘调速离合器进行结构及功能上的改进，把液体粘性传动技术的应用范围从单一的、初级的液粘调速离合器扩大到普通型、制动型、同步型、组合型、恒速型液体粘性调速离合器系列装置，使液体粘性传动技术的应用领域充分扩大12。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(ROCKWELL)和澳大利亚的林康(NIPPON)公司13，国内已经形成成熟产品的则只有充矿集团大陆机械有限公司(原煤炭部充州煤矿机械厂)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CST液粘性软启动装置安装在驱动

23、机械低速端(减速器的输出轴侧)，澳大利亚的林康公司和充矿集团国内已有的的则安装在驱动机械高速端(减速器的输入侧)。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充矿集团大陆机械有限公司，其产品也最具有代表性，图1.2是国内已有的的液粘性软启动装置的主机结构，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14。（1）主动部分主动部分包括主动摩擦片6、内齿圈7、连接盘17和主动轴13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相间安放。内齿圈用螺栓和连接盘相

24、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。 1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 10弹簧 11端盖 12控制油孔 13主动轴 14控制油孔巧缸套15.主动轴 16活塞 17连接盘 18漏油孔 19箱体 20轴承 21轴承 22上盖图1.2国内已有的的液粘性软启动

25、装置的主机结构（3）控制系统执行元件部分执行元件部分包括油缸9、活塞16、弹簧10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。国内已有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：控制油的油路设计不合理，软启动装置严重漏油；摩擦片温度过高，使用寿命太短；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有待改进，从而提出一

26、种新型的液粘性软启动装置结构。 第二章 新型液粘性软启动装置的机械结构设计国产液粘性软启动装置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，国产液粘性软启动装置机械结构部分存在一些问题15。2.1国产液粘性软启动装置存在的主要问题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1.2可以看出：目前国内生产的液粘性软启动装置的控制油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

27、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，主动轴与端盖之间的相对运动速度大，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间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

28、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

29、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16。2.

30、2液粘传动装置结构的优化从加工工艺性、可靠性、装配性等方面对整体结构加以改进，可使整体结构合理。（1）改进液粘传动装置的控制油路，在设计供油系统设计时，设有中心油道和中心油膜贯通，靠油泵压力和离心力同时向摩擦片供油，这种全新的供油方式建立的油膜十分均匀。（2）优化设计液粘调速装置的摩擦片，传统的摩擦片设计方法是按照普通湿式离合器的性能指标和计算方法来进行设计的，但是液粘调速装置与湿式离合器的工作原理和实际工况不同，导致摩擦副在液粘调速装置的实际使用中性能并不能使人满意。考虑建立摩擦副的热传导模型，分析其受力变形，并对其进行优化设计，保证其在传递最大扭矩的同时，变形最小；（3）液粘传动装置零部件

31、的改进优化，包括输入轴，密封圈，油缸等诸多零件在内的改进，使得改进后的装置重量减轻，体积减小，结构更为紧凑。更易加工制造，更易装配，生产成本更低，性价比更高。2.3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2.1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17。（1）主动部分主动部分主要包括主动轴1、连接盘5和主动摩擦片8。主动轴1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盘与主动轴以齿相

32、联接而同步旋转，且可在主动轴上轴向移动。1.主动轴 2.密封圈 3.外端盖 4.左端盖 5.连接盘 6.壳体 7.从动摩擦片 8.主动摩擦片9.压盘 10.推力轴承 11.活塞 12.右端盖 13.配油盘 14.从动轴 15.蝶簧图2.1 新型液粘性软启动装置结构图（2）从动部分从动部分主要包括从动轴14、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11、推力轴承10、压盘9、碟簧15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

33、，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13、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间隙密封，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18。2.4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2.21.吸油滤油器2.双联泵3.溢流阀4.电接点压力表

34、5.软启动器6.电机7.精滤8.电接点压力表9.冷却器10.比例阀11.电磁阀图2.2 液压系统原理图(l)润滑系统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

35、，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、从动摩擦片间的间隙大小，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Pm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19。2.5新型液粘性软启动装置机械结构的主要改进点

36、与国内已有的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：（1）控制系统的执行元件和高压油路的结构完全不同国内已有的液粘性软启动装置(见图1.2)的执行元件部分包括控制油缸9、活塞16(兼做压盘)、弹簧10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4的执行元件部分由固定油缸、活塞、推力轴承、压盘等组

37、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。国内已有的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

38、封，采用普通的密封圈，即可完全保证高压油不泄露。（2）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。首先，国内已有的液粘性软启动装置(图1.2)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2.1)的外(主动)摩擦片(图2.5)的结构有

39、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间隙后的润滑油，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。其次，正如图1.2所示，国内已有的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有的碟形弹簧，油缸是主动施

40、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20。图2.3国内已有的液粘性软启动装置外(主动)摩擦片结构图2.4国内已有的液粘性软启动装置内齿圈结构图2.5新型液粘性软启动装置外(主动)摩擦片结构图图2.6新型液粘性软启动装置连接盘结构图2.7新型液粘性软启动装置蝶簧结构2.6 本章小结本章对国内已有的的液粘性软启动装置进行了详细的分析，指出了存在的两个主要问题:(l)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

41、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。第三章 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21。液粘性软启动装置的工作过程是：输送机启

42、动时，先将液粘性软启动装置的主、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、被动摩擦片之间的间隙，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，在输送机正常工作阶段则是利用摩擦片之间的静摩擦力传递动力。目前，液粘性调速离合器的设计计算已经有成熟的理论和方法，但液粘性软启动装置则不然，现在还处于探索阶段，正如前所述，由于液粘性调速离合器和液粘性软启动装置既有共

43、同点，又有根本的不同，本文只将二者设计的不同之处，提出相应的计算方法。主要是：(l)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。至于液粘性软启动装置结构部分的设计计算，因为可以完全按现有的机械设计理论进行，因此本文不再赘述。3.1设计的原始数据为了便于叙述，以配套电机功率为100Kw的液粘性软启动装置为例进行设计计算。额定传递功率：N=100Kw额定转速：n=10O0r/min液粘性软启动装置所传递的额定转矩为： 3.2液粘性软启动装置传递转矩的的设计计算液粘性软起动装置利用圆盘油膜传递转矩时22，在圆盘油膜油膜(图3.1)半径r处取一圆

44、环面积dA=2rdr，其切应力： ，剪切力dF=dA，传递转矩dT=rdF则有： （3-1）图3.1圆盘油膜剪切传递转矩计算简图整个液粘性软启动装置所能传递的转矩为： 4 （3-2） （3-3） 式中 ：T 转矩(N.m)；n 摩擦副数(圆盘油膜数)； 油的动力粘度(pa.s)； 主动摩擦片的角速度(rad/s)： 被动摩擦片的角速度(rad/s)；r1 圆盘油膜内半径(m)；r2 圆盘油膜外半径(m)； 油膜厚度(主被动摩擦片之间的间隙)(m)。由上式可知：（1） 转矩与圆盘油膜数。成正比，因而可利用增加摩擦片数量的办法来增加传递转矩的能力。但摩擦片数目过多，会增加轴向尺寸。（2）由于转矩与

45、圆盘油膜的外、内半径的四次方之差成正比，外径的增大和内径的减小，都可能引起转矩较大的变化。（3） 油的动力粘度越大，传递的转矩越大。（4）转矩与角速度差= - 件成正比，液粘性软启动装置的为常量，为变量。（5） 转矩与油膜厚度成反比，调节可以改变转速和转矩。在不同的角速度差下，转矩与油膜厚度的关系曲线见图3.2。图3.2 转矩T与油膜厚度的关系曲线3.3摩擦幅数量的确定计算液粘性软启动装置摩擦幅的数量取决于三种极限情况23：A.工况一：在主、被动摩擦片的分离间隙最大，相对转速最高时，摩擦幅的数量应当能够满足传递额定转矩的要求。B.工况二：在主、被动摩擦片的分离间隙最小，相对转速最低时，摩擦幅的

46、数量应当能够满足传递额定转矩的要求。C.工况三：在主、被动摩擦片被完全压紧，相对转速为零时，摩擦幅的数量应当能够满足通过主、被摩擦片之间的摩擦力传递额定转矩的要求。3.3.1在工况一条件下计算摩擦幅的数量n1在主、被动摩擦片的分离间隙最大，相对转速最高时，根据实际经验，通常取主、被动摩擦片的分离间隙为C=0.30.5mm，设计时按最大分离间隙C=0.5mm时，电动机空载启动，当C=0.3mm时，应该达到额定转矩。对100kw液粘性软启动装置3.3.2在工况二条件下计算摩擦幅的数量n2此时，主动摩擦片的转速仍为=1000r/min =105rad/s；被动摩擦片的转速则已经接近额定转速，可取=0

47、.97 =102rad/s；主、被动摩擦片之间处于混合摩擦状态，摩擦表面的一部分被油膜隔开，另一部分发生微凸体间的接触，油膜厚度约等于两倍的表面粗糙度综合值24，即： 对100kw液粘性软起动装置则有：3.3.3在工况三条件下计算摩擦幅的数量n3此时，液粘性软起动装置的工作机理已不再是液粘性传动，而是机械摩擦传动，利用摩擦片之间的静摩擦传递动力。软起动装置传递的额定转矩由施加在摩擦面上的压紧力F0所产生，在环型摩擦面上(图3.3)半径r处取一微小圆环面积dA=2rdr，压力为p，摩擦系数为f，图3.3摩擦面转矩计算图则作用在微小圆环面积dA上的摩擦转矩为： (3-4)多个摩擦面上的摩擦转矩为：

48、 (3-5) (3-6)对100kw液粘性软起动装置，代入(3-6)式则有： f：通常取f=0.030.04，本计算中取f=0.035；p：通常取p=0.40.5MPa，本计算中取p=0.4Mpa-N/mm2。摩擦副的数量应同时满足上述三条的要求，因此最终摩擦副的数量应大于24。考虑到摩擦片磨损以及各种实际情况，实际设计时应留有充分的余地，因此确定摩擦副的数量为28个。3.4发热计算液粘性软启动装置的目的是解决带式输送机的平稳启动问题，在输送机启动完毕，正常运行后，液粘性软启动装置的主、被动摩擦片被完全压紧，此时，液粘性软启动装置的工作机理已不再是液粘性传动，而是机械摩擦传动，利用摩擦片之间的

49、静摩擦传递动力，相当于一个刚性联轴器。因此只是在输送机的启动阶段，液粘性软启动装置会产生大量的热量，而在输送机正常运行时，从理论上讲，液粘性软启动装置基本上不产生热量25。液粘性软启动装置的发热机理与液粘性调速离合器有很大的不同：通常情况下，液粘性调速离合器在其整个运行周期内，主动轴转速基本恒定，被动轴的转速则会随着负载的变化而变化，即所谓的主、被动轴始终存在滑差，但滑差值不大，一般都小于0.15，单位时间内的发热量小，但发热时间长。液粘性软启动装置的主、被动摩擦片则只在输送机的启动阶段存在滑差，但滑差值急剧变化，短时间内从l变为O，单位时间的发热量大，发热时间短。可以从不同的角度入手计算液粘

50、性软启动装置的发热量：3.4.1从输入功和输出功的差值入手计算液粘性软启动装置的发热量即认为液粘性软启动装置之所以会发热，主要是因为输入功和输出功的值不相等，二者的差值，全部转化为热能，计算方法如下：输入功值为： (3-7)Wr(t) 输入功随时间变化的函数；Nr(t) 输入功率随时间变化的函数；Tr(t)输入转矩随时间变化的函数；1(t)输入角速度。c(t)- 输出功随时间变化的函数；c(t)- 输出功率随时间变化的函数；c(t)- 输出转矩随时间变化的函数；2(t)- 输出角速度。发热量 (3-8)输入转矩和输入转速变化很小，可以认为是恒定值，输入转矩和输出转矩也相等，即： 另外，通常，要

51、求输送机的启动加速度保持恒定，因此有：被动摩擦片的角加速度。3.4.2从牛顿内摩擦定律入手计算液粘性软启动装置的发热量即在输送机的启动阶段为主、被动摩擦片的转速不同，摩擦片之间的流体也存在内剪切力，剪切力要产生功率损失，这部分功率损失全部转化为热量26，计算方法如下： 在环形摩擦面上（图3.4）半径r处取一微小圆环面dA=2rdr，主、被动摩擦片的角速度差为w(t)，间隙为h(t)，主、被动摩擦片之间各层液体的速度变化如图3.4所示，根据牛顿内摩擦定律，在微小圆环面内，各层之间产生的内摩擦力T为： 主、被动摩擦片之间流体速度变化为线性关系，即：代入则有：图3.4 摩擦片功率损耗计算间图各层之间

52、产生的功率损失为： 微小圆环面积在h(t)内产生的功率损失为：整个摩擦片在h(t)内产生的功率损失为：由于在整个起动阶段，液粘性软起动装置应保持起动加速度为恒定值，设起动时间为t1，则有：同样的道理，由于为保证起动加速度恒定，则起动力矩就要恒定，因此h(t)也是随时间线性变化的，设刚开始起动时(时间为0)，主、被动摩擦片之间的间隙为h，起动结束时(时间为tl)主、被动摩擦片之间的间隙为0，则有，在起动时间为t时，主、被动摩擦片之间的间隙为：于是有： 发热量： 根据前面推导的公式，摩擦片组传递的力矩为：在刚开始起动时，=0，=h；起动转矩为Tr；即：，因此： 这一结论和用从输入功和输出功的差值入

53、手计算的液粘性软启动装置的发量是完全相同的。由此可见，液粘性软启动装置的发热量不是时间的线性函数，也就是说，在单位时间内，其发热量是不均匀的，用图形表示如图3.5。对100kw液粘性软启动装置，设启动时间t为100s，启动加速度恒定，则有图3.5启动阶段功功率损失曲线代入(3-8)式得： 3.5液压润滑系统的设计计算3.5.1对液压润滑系统的要求A.液压润滑系统应能够及时的把液粘性软启动装置在启动阶段产生的热量带走。B.液压润滑系统润滑油的压力应该小于冷却器的许用压力。3.5.2润滑系统润滑油流量的计算润滑油的流量应满足散热要求，把液粘性软启动装置在启动阶段产生的热量随时带走。从图3.5可以看

54、出，液粘性软启动装置单位时间的发热量不是定值，而是随着启动时间的增加而减小，从理论上讲，设计时，应按单位时间内的最大发热量来确定润滑油的流量，但从下面的计算可以看出，如果这样设计，则润滑油的流量非常大，跟实际情况不符。A.按单位时间内的最大发热量计算所需的润滑油的流量根据前面的推导，在启动阶段，液粘性软启动装置发热量为：单位时间的发热量为： 当t=0时，单位时间的发热量最大，其值为：这一计算结果，可以这样理解，刚开始启动时，被动摩擦片的转速几乎为零，而主动摩擦片的转速却等于电动机的转速，因此，电动机的的输出功率，全部转化为热量，此时，液粘性软启动装置单位时间的发热量其实就是电动机的输出功率。润

55、滑油的流量为： (3-9)式中：Tr- 输入转矩(N.m)：- 输入转速(rad/s)：L- 流量(/s)；c- 润滑油的比热容，大致为(0.4-0.5)4157J/(kg·)；- 润滑油的密度，大致为870-890kg/m3；t- 润滑油通过摩擦片间隙后的温升，通常取1015。仍以配套电机功率为100Kw的液粘性软起动装置为例进行设计计算。传递功率：N=100Kw额定转速：n=1000r/min输入转矩为： Tr=T=955N.m输入转速为： =n=1000r/min=1000/60 2 =105rad/s取润滑油的密度： =880kg/m3，取润滑油的比热容：c=0.54187=2100J/(kg·)取润