毕业设计（论文）-液力耦合器设计

液力耦合器设计 10液力耦合器综述 11液力耦合器的工作原理和特点 32叶轮工作腔相似设计 62.1确定原始设计参数 62.2选择工作腔模型 62.3工作腔液力设计与计算 63叶轮轮壁端面形状和厚度的合理设计 94液力耦合器轴向力估算和降低轴向力的措施 105液力耦合器密封装置选择与设计 126液力耦合器的配合安装 13液力耦合器设计0液力耦合器综述电动机与减速器的连接有弹性联轴器和液力耦合器两种。用液力耦合器有以下有点：使电动机轻载保护功能；减缓传动系统的冲击和震动；多电机驱动能使各电机的负荷较均匀；如果与电动机的特性匹配得当，能增大驱动装置的启动力矩。SGB630/160型刮板输送机属于重型机械，所以为其设计了YOXD型液力耦合器。其主要组成部分由：1泵轮、2外壳、3易熔塞、4涡轮、5工作液。泵轮1和外壳2把涡轮4封在其中，并用螺栓紧密连接构成密封的工作腔。泵轮的出轴与电动机连接，涡轮的出轴与减速器连接。泵轮与涡轮上都有许多径向直叶片，两轮上的叶片数目不等。在工作腔内灌注一定量的工作液体，电动机驱动泵轮旋转时，泵轮中的工作液体被叶片夹持着同泵轮一起旋转，产生流向外缘的离心力就必定大于涡轮使工作液体产生的离心力压力。因此，泵轮内的液体沿径向叶片之间的通道向外流动，并在泵轮外缘流入涡轮；同时，由于连续性的缘故，在靠近联轴器轴线的泵轮内缘，工作液体又从涡轮流回泵轮，形成环流。于是，工作液体除了绕联轴器轴线进行旋转运动（牵连运动）之外，还要绕泵轮和涡轮所组成的循环圆的中心进行环流运动（相对运动），因此，工作液体的绝对运动的螺管状的复合运动。进入螺管运动的液体质点在泵轮被加速增压，泵轮的机械能转换成液体的动能，液体进入涡轮后，推动涡轮旋转，液体被减速降压，液体的动能转换成涡轮的机械能而输出做功。图2-3液力耦合器Fig.2-3Hydrauliccoupler液力耦合器是依靠液体环流运动传递能量的，而产生环流的先决条件是泵轮转速大于涡轮转速，即二者之间存在转速差。当二者转速相等时，液体的环流运动消失，能量传递也停止了。根据液力转动的理论，液力耦合器所能传递的力矩M用下式计算：——工作液体的重度，；——泵轮的转速，r/min；D——泵轮的有效直径，m。这次设计的液力耦合器工作液采用液压油。它属于一种安全型液力耦合器，它的工作腔装有易溶塞。易溶塞上有通孔，用专门配置的易熔合金封死。当过载时间较长，油温超过限定的温度时易熔合金被融化，腔内有野喷出，泵轮与涡轮失掉液力连接从而保护了电机不会长时间过载，链子不被拉断，也不致因油温过高而造成事故。1液力耦合器的工作原理和特点液力传动与液压传动一样，都是以液体作为传递能量的介质，同属液体传动的范畴，二者的重要区别在于，液压传动是通过工作腔容积的变化，使液体压力能改变传递能量的；液力传动是利用旋转的叶轮工作，输入轴与输出轴为非刚性连接，通过液体动能的变化传递能量，传递的扭矩与其转数的平方成正比．目前，在刮板输送机的传动系统中，广泛使用液力偶合器，它安装在输送机的驱动电机与减速器之间，电动机带动泵轮转动，泵轮内的工作液体随之旋转，这时液体绕泵轮轴线一边作旋转运动，一边因液体受到离心力而沿径向叶片之间的通道向外流动，到外缘之后即进入涡轮中，泵轮的机械能转换成液体的动能，液体进去涡轮后，推动涡轮旋转，液体被减速降压，液体的动能转换成涡轮的机械能而输出作功．它是依靠液体环流运动传递能量的，而产生环流的先决条件是泵轮的转速大于涡流转速，即两者之间存在转速差．图6-1液力耦合器外形Fig.5-6Hydrauliccouplerappearance液力耦合器按其应用特性可分为3个基本类型：普通型，限矩型，调速型。

（1）普通型液力耦合器结构相对简单，但腔体有效容积大，传动效率高。其零速力矩可达额定力矩的6～7倍，有时甚至达20倍，因之过载系数大，过载保护性能很差。多用于不需要过载保护与调速的传动系统中，起隔离扭振和缓冲击作用。（2）限矩型液力耦合器采取了结构措施来限制低传动比时力矩的升高，解决了普通型液力耦合器过载系数过大的特点，可有效地保护动力机（及工作机）不过载，扩大了液力耦合器的应用领域。

（3）调速型液力耦合器是在输入转速不变的情况下，通过改变工作腔充满度（通常以导管调节）来改变输出转速及力矩，即所谓的容积式调节。与普通型、限矩型液力耦合器可自身冷却散热的特点不同，调速型液力耦合器因自身结构原因和其输出转速调节幅度大、传递功率大的特点，必须有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，以调节工作腔的充满度和散逸热量。调速型液力耦合器又分为进口调节式，出口调节式，复合调节式。进口调节式调速型液力耦合器结构紧凑，体积小，质量轻，辅助系统简单。但因外壳与泵轮一起旋转及调速过程中工作液体重心的不停变化，造成了平衡精度下降和振动加大，故不宜高速情况下使用，多用于转速不超过1500r/min的中小功率场合。此种液力耦合器又因安装调试困难，调速响应慢，故障率高等原因，故其生产与应用日见减少。出口调节式调速型液力耦合器工作腔进口由定量泵供油，流量不变，出口流量随导管开度的调节而变化，导致工作腔充满度和输出转速的变化。由于调速响应快（十几秒钟），故又称快速调节耦合器。一般认为双支梁结构较为先进，其特点：结构紧凑，质量轻，运动精度高，调速反应快，适用于高转速和要求快速调速的场合，广泛应用于风机等设备上。

复合调节式液力耦合器工作腔的进、出口流量可同时调节，虽然结构较为复杂，但可降低供油泵流量需求和更好地控制工作液体温度。

液力耦合器主要有以下应用特点。

(1)无级调速：对风机进行工况调速可以节能。加装液力耦合器后，可以方便地通过手动或电动遥控进行速度调节以满足工况的流量需求，从而可大量节约电能。

(2)空载启动：液力耦合器主、被动轴之间没有机械联结，将流道中的油排空，可以接近空载的形式迅速启动电机，然后逐步增加耦合器的充油量，使风机逐步启动进入工况运行，保证了大功率风机的安全启动，还可降低电机启动时的电能消耗。

(3)过载保护：耦合器主、被动轴之间属于有滑差的柔性连接，可以阻断负载扭矩突然增加或衰减负载的扭振对电机的冲击，防止闷车或传动部件损坏等事故发生。

(4)无谐波影响：在与不同等级的高、低电压，中、大容量电机配套使用时，可保证电机始终在额定转速下运行，电机效率高，功率因数高，无谐波污染电网。

(5)寿命周期长：除轴承外无磨损元件，耦合器能长期无检修安全运行，提高了投资使用效益。

(6)有转差损耗：液力耦合器是有附加转差的调速装置，不能使负载达到电机额定转速，调速的转差损耗以发热的形式升高油温，必须予以散发或反馈利用。

液力传动装置除煤矿机械使用外，还广泛用于各种军用车辆，建筑机械，工程机械，起重机械，载重汽车．小轿车和舰艇上，它所以获得如此广泛的应用，原因是它具有以下多种优点：(1)能提高设备的使用寿命(2)由于液力转动的介质是液体，输入轴与输出轴之间用非刚性连接，故能将外载荷突然骤增或骤减造成的冲击和振动消除或部分消除，转化为连续连续渐变载荷，从而延长机器的使用寿命．这对处于恶劣条件下工作的煤矿机械具有这样意义．(3)有良好的启动性能由于泵轮扭矩与其转速的平方成正比，故电动机启动时其负载很小，起动较快，冲击电流延续时间短，减少电机发热．(4)良好的限矩保护性能(5)使多电机驱动的设备各台电机负荷分配趋于均匀本次设计中为刮板输送机配套设计型号为动压泄液式限矩型耦合器，其代号为YOXD.输入转速为960r／min，效率达0.96，起动系数为1.3～1.7。利用它改善传动品质、简化驱动器结构，充分发挥隔离扭振、降低过载系数等作用。(1)结构特点是：不仅设置前辅助腔，而且在泵轮一侧设置后辅助腔。前后辅助腔间，后辅助腔与工作腔间有过流孔。(2)限矩原理：正常工作室，在离心力作用下，前后辅助腔中的液体进入工作腔参与环流运动产生动压力，迫使液流首先冲进前辅助腔，并继而冲进后辅助腔，是工作腔内充液率降低，限制力矩无法提高。启动时由于部分工作液体在前辅助腔和后辅助腔中，使工作机的启动时间。(3)优点：启动特性好，防瞬时过载能力强，通过过载能力强，通过调整过流孔面积或改变后辅助腔的容积，可以使过载系数降得很低。2叶轮工作腔相似设计2.1确定原始设计参数额定输入转速n=960r/min;额定传递功率p=160kw;额定转速比i=0.96;过载系数为1.5；2.2选择工作腔模型选用动压泄液式工作腔，其几何参数为:2.3工作腔液力设计与计算液力计算法式在选型资料不足，或者现有基型耦合器不适用的情况下，根据设计任务所提出的要求，利用流体力学与叶片式流体机械得基本原理进行液力计算，以期望得到性能与尺寸较为满意得耦合器。这种方法是对耦合器进行全新得设计，要确定循环圆得形状、尺寸、辅室、挡板及叶片数目和角度等有关几何参数，鉴于无内环耦合器内部无压流动得复杂性及工作腔部分充液状态等诸多不确定因素得影响，只靠计算难以达到性能要求，需要结合模型试验后修改设计才能完成产品得设计。由刮板输送机的设计参数进行计算：根据电动机的额定输入转速n=960r/min;额定传递功率p=160KW；额定滑差S≤0.04假定泵轮轴与电动机直联，不及摩擦鼓风损失及轴承损失，设计工况下，；960r/min取i=0.96,工作液体的密度为860kg/m(1)确定耦合器泵轮的比转速=60(2)确定泵轮建立的能头,得：84m(6-1)(3)确定循环流量Q，由公式得:Q=()(6-2)(4)参考数据选用动压泄液式工作腔对应得到循环圆内径D与外径（循环圆有效直径）D的比值con,即D/D=con=0.31,根据传递功率的要求，参考有性能接近设计要求的耦合器结构预先选取循环圆内径D=195mm(5)确定轴面速度V,由所选比转速查得а=0.075，由公式得：V===3.0447(m/s)(6-3)(6)确定工作轮进口和出口处的轴面过流断面面积F和F，由公式得：F=F=q/V=0.2257/3.0447=0.0741()(6-4)(7)确定泵轮进口半径RD==0.36389(m)(6-5)由公式得(m)(8)确定泵轮进口液体圆周速度，由公式得：(m/s)(6-6)(9)确定泵轮出口半径，由公式得：=0.2880(m)(6-7)(10)确定泵轮出口处流道宽度b,由公式得：b=(m)(6-8)(11)确定循环圆有效直径D，由公式得：D==(m)圆整后取D=360mm。循环圆有效直径得比：D/D=0.31,与所选腔型的D/D值比较接近。(12)确定工作叶片数根据计算结果D=650mm,查文献（3）的表5-19取：=58,=54.(13)循环圆其他几何尺寸，参见文献（3）的5-18表中的动压泄液式工作腔的其他尺寸参数：①0.32D=208,0.52D=338mm,挡板直径=0.80D=288mm;②b=0.22D=79mm;③腔体宽度B=0.37D=241mm④过渡圆弧半径=0.15D=97.5mm=0.10D=65mm,=0.07D=25.2mm;⑤间隙△=0.01D=6.5mm3叶轮轮壁端面形状和厚度的合理设计影响工作轮强度的主要因素:(1)液力耦合器工作叶轮轮壁断面形状和厚度是叶轮强度最主要的决定因素，为了既增加强度又节省材料，轮壁和叶片往往采用不等厚结构，即应力大的地方加厚。(2)耦合器规格：一般小规格耦合器传递功率低，所受扭矩小、圆周速度地，所以所受离心力和扭矩低，壁厚相对较小；反之，大规格耦合器壁厚应当大些。(3)传递功率：所传递的功率大、受力大，壁厚应当大；反之，所传递功率小、受力小、壁厚可以适当降低。(4)转速：耦合器转速高，所传递功率大，圆周速度大，所受离心力和扭矩就打，轮壁厚度应当大；反之，则可适当减小。(5)圆周速度：耦合器规格大、转速高、圆周速度就搞，所受离心力就大；反之，规格小、转速低、圆周速度小，所受离心力就低。(6)叶轮制造材料：叶轮制造材料对强度影响大，选择机械强度高、密度低、易于加工的材料，对于提高叶轮强度作用较大、高转速大功率耦合器，叶轮往往采用高强度合金钢制造。(7)叶轮制造方法：砂型铸造叶轮强度低，金属型铸造叶轮强度高，整体铣削叶轮和焊接你强度高。有资料表明，金属型铸造叶轮强度比砂型铸造提高了10%以上。(8)叶轮热处理方法：铝合金铸造叶轮经T6固熔进行人工时效，其强化比自由加工状态提高50%以上，所以采用先进的热处理手段可以大幅度提高叶轮强度。设计耦合器选用材料ZL104铝合金依据耦合器规格查数据表得到推荐值：采用金属型铸造叶轮，涡轮轮壁基本厚度为4mm,泵轮轮壁基本厚度为5mm，外壳轮壁基本厚度为6mm，叶片厚度为2.5～3mm.4液力耦合器轴向力估算和降低轴向力的措施(1)轴向力产生的原因液力耦合器工作时，工作液体对叶轮产生轴向力的作用，并由轴承承受。因而液力耦合器结构设计必需考虑轴向力对著称的影响，轴向力由以下三部分组成。①工作液体在流道内流动时，液体的静压力对外环内壁作用的轴向力A1;②工作液体进入和流出叶轮时，其周面分速度方向变化引起的惯性对工作轮产生轴向力A2③辅助腔内液体压力对涡轮背面和外壳作用的轴向力A3(2)轴向力计算方法轴向力理论十分复杂，并且计算结果与试验测定的实际数据出入较大。因此，工程上广泛采用有模型试验测出轴向力大小，然后用相似公式计算出实物耦合器的轴向力。轴向力相似公式为,式子中F—泵轮或涡轮上的轴向推力，N;--工作液体密度，kg/m;--泵轮转速，r/min;D—有效直径，m;k—轴向推力系数，k=从几种型式的液力耦合器轴向推力系数k的实验数据表中查的，限矩型动压泄液式液力耦合器的推力系数k=-(12～30).（3）计算过程：限矩型动压泄液式液力耦合器，循环圆有效直径650，输入转速960r/min计算其轴向力。根据推力特性曲线图，==4113N(6-9)方向是使两轮分开。一旦涡轮卡死时，耦合器可能产生最大推力（全充油i=0）,==19413N(4)降低轴向力的措施液力耦合器轴向力有时会达到很大的值，对耦合器的使用寿命，特别是对轴承的使用寿命影响很大。根据理论分析和实验研究，作用在液力耦合器叶轮上的轴向力，可以采用以下措施加以降低。①选择轴向力较低的腔型②在涡轮上钻卸荷平衡