（機械制造及其自動化專業(yè)論文）水介質(zhì)限矩型液力耦合器葉輪的分析與研究.pdf

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 水介質(zhì)限矩型液力耦合器葉輪的分析與研究 摘要 隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，液力耦合器作為國家大力推廣的節(jié)能產(chǎn)品， 其在刮板輸送機上得到了廣泛的應(yīng)用。由于煤礦井下環(huán)境特殊，用水作為 介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物油，必將在煤機領(lǐng)域有很廣的市場前景。 水介質(zhì)限矩型液力耦合器主要依靠泵輪和渦輪在旋轉(zhuǎn)時帶動水旋轉(zhuǎn)， 進而傳遞動力。因此它能夠安全可靠的運行主要依賴于泵輪和渦輪結(jié)構(gòu)的 合理性，而其結(jié)構(gòu)的合理性主要表現(xiàn)為其抵抗振動和強度的能力。作為液 力耦合器傳遞動力的關(guān)鍵元件，渦輪和泵輪擔(dān)任著液體動能與機械能轉(zhuǎn)換 的重要角色。對渦輪和泵輪的應(yīng)力狀態(tài)分析是設(shè)計葉輪過程中必不可少的 環(huán)節(jié)，因此葉片的應(yīng)力計算準確與否對葉輪的應(yīng)力分析有十分重要的影響。 液力耦合器的泵輪和渦輪在旋轉(zhuǎn)過程中，承受水的離心力、水流壓力、空 氣壓力等作用，應(yīng)力情形較為復(fù)雜。此外耦合器的葉片受到水流的沖擊時， 會產(chǎn)生振動，當(dāng)葉片的固有頻率和水流沖擊產(chǎn)的頻率相接近時，會發(fā)生共 振。渦輪和泵輪在長期的共振情況下，會發(fā)生疲勞破壞。本文對水介質(zhì)限 矩型液力耦合器渦輪和泵輪的強度、振動進行研究，將對耦合器的優(yōu)化設(shè) 計、刮板輸送機的穩(wěn)定運行、防止事故發(fā)生等都有重要的理論與實際意義。 根據(jù)y 0 如6 5 0 型液力耦合器葉輪的特點和工作特性，首先推導(dǎo)耦合器 葉輪靜力有限元方程，和葉輪的有限元數(shù)學(xué)計算模型。然后利用三維建模 軟件p r o e 建立葉輪的三維實體模型，在有限元分析軟件a n s y s 中對葉輪 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 及單個葉片強度進行了分析計算，通過分析可得出應(yīng)力的最大值和葉片應(yīng) 力集中的部位，同時驗證其強度的可靠性，可以適當(dāng)增加葉片數(shù)量與葉輪 殼體內(nèi)壁相接處的圓角過渡來減小應(yīng)力集中。由于泵輪和渦輪在運行狀態(tài) 下受力情況比較復(fù)雜，可能會產(chǎn)生共振。通過有限元分析軟件對渦輪、泵 輪、及葉片進行模態(tài)分析，得出當(dāng)泵輪的動振動頻率達到與第6 階頻率相 近時，可產(chǎn)生共振。 關(guān)鍵詞：液力耦合器，a n s y s ，葉輪強度，模態(tài)分析 r h ea n a l y s i sa 1 1 dr e s e a r c ho ft l l ew 饑e rm e d i u m 1 i m i t e do ft h e i m p e l l e r r y p eh y d r o d y n 鋤i cc o u p l i i l g a b s 仃a c t w i 廿1m e 艦d i t i o n 甜e n e 唱ye ) 【1 1 a u s t i i 】喀，h y d r a u l i cc o u p l e r 弱aw i d e l y p 叩u l a r i z e de n e r j 斟。c o n s e r v i n gp r o d u c th a sb e e n 嘣e n s i v eu s e d0 n 也e s c r a p e r c o n v e y o r d u et 0 廿l es p e c i a le n v 衲n m e n to fc o a l1 1 1 i n e u i l d e r j g r c 吡n d ，m e t e 池o l o g yt 0u s ew a t e r 嬲am e d i ai np l a c eo f 伽i t i o n 2 l lm i n e r a lo i l 試l lh a v ea w i d em 破e t p r 0 s p e c t 洫t 量l ec o a lm 缸i i l g 丘e l d s w - a t e rm e d i u ml i l i l i t e dm o m e n tt ) ，p eh y d _ r a u l i cc o u p l e rm a i n l yd 印e n d so n p u r n pi m p e l l e ra n d 劬i l l e w h e nr o 慨h y d r a u l i cc o u p l e rr e l y i n g 強越y(tǒng)o n 也e 恥l i l l pi n l p e l l e r 趾dt u r b m em a ：k e s 也ew a t e rr o t a t et 0 扛a n s m i tp o w e r s oi t w o t k ss t e a d i l yb e c a u s eo ft 1 1 er a t i o n a l i 鑼o f p u m pi m p e l l e ra n dt u r b 洫ea n dt h j s k i l l do fr a t i o n a l i 夠i sp r e s e n t e do ni t s a b n i 鑼t or e s i s tv i b r a t i o n a sm ek e y c o i n p o n e n t st 0p a s s 也ep o w e ro fh y d r a u l i cc 叫p l e r ，p u r n pi m p e l l e r 鋤dt u r b i n e p l a yi m p o r t a n tp a r t si 1 1t l l ec o n v e r t 逾go fl i 叫dk i i l e t i ce n e r | 搿肌dm e c h a n i c a l e n e r j g ) ，i ti sn e c e s s a 巧t om a k ea 1 1 踞a l y s i s0 ns 1 s sc o n d i t i o n 協(xié)1 ep m c e s so f d e s i g l l 缸gi m p e l l e r w h e t l l e r 也ed e s i 印婦gi sa c c u r a t eo rn o th a s 趾i m p o r t a n t e f f e c to nt l l ea 1 1 a l y s i s 1 1 1 也ep r o c e s so f r o 訌i i l go fp l u 】叩i n l p e l l e ra n d 缸b m eo n h y 血l u l i cc o u p l e r ，m e yb e a r 廿l ee f f e c t so fl i 和dc e n t r i 血g a l f o r c e l i q u i d p r e s s u r ea i l d a i rp r e s s u r e i ti sac o m p l i c a t e dp r o c e s s i na d 拙i o n ，w h e n 戧1 e i i i 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 b l a d eo f h y d r a u l i cc o u p l e r i sa 仕a c k e d ，t h ev i b r a t i o nw i l lb eg e n e r a t e d w h e n 也e 蠡。e q u e n c yo fm eb l a d ei sc l o s et 0t l l a tp r o d u c e db y 也ew a t e r ，t 1 1 es y 玎叩蒯慨i c v i b r a t i o nw i l lb eg e n e r a t e d a sar e s u l to fm es y m p 劬e t i cv i b 豫：t i o n ，p 砒n p i n l p e l l e ra i l dn l e 仙r b i l l ew i l lb ed e s t r o y e d i n 恤sp 印e r ，t l l ew r i t e rm 呔e sa r e s e a r c ho n 恤es 仃e n g 吐la n dv i b 僦o no fp u i i l pi m p e l l e ra 1 1 d 劬m e i tw i l lb eo f 鏟e a ts i 驢i 丘c a i l c e o nt h e0 p t i m i z a t i o nd e s i 盟o fh y d r a u l i cc o u p l e r ，廿1 es t 乏出l e o p e r a t i o no f t 1 1 es c 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i 單位 r | 血 ，m i i l m m 堙聊3 m s 2 聊 聊 m 冊 - 坍 乞 伽 鏟 礦 州 m m 柑s b ，穆 坼 色g 。 弓 絲 心 e v n 品 品 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 v i i i 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 1 前言 第一章緒論 當(dāng)前，隨著傳統(tǒng)能源供應(yīng)的日趨緊張，各個國家在開發(fā)新能源的同時，尤為重視提 高能源的利用率，以此來節(jié)約能源。隨著我國政府提倡低碳、環(huán)保、節(jié)能的生活方式， 液力耦合器以其優(yōu)良的傳動性能和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，將得到機械行業(yè)的廣泛應(yīng)用口3 。 限矩型液力耦合器主要依靠泵輪和渦輪在旋轉(zhuǎn)時帶動腔內(nèi)的水旋轉(zhuǎn)，進而傳遞動 力。其主要優(yōu)良特點有： ( 1 ) 能夠隔離振動，由于液力耦合器渦輪與泵輪之間充斥著液體，因此屬于柔性連 接，當(dāng)電動機啟動時，由于輸出轉(zhuǎn)矩會引起工作組件的振動，但是不會直接通過耦合器 傳遞至刮板輸送機上。因此它能夠很好的緩解振動n 1 ； ( 2 ) 能夠過載保護，當(dāng)刮板輸送機突然啟動或停止時，利用液力耦合器可以阻斷機 組的扭矩對電機的沖擊，防止刮板輸送機啟動悶死或傳動部件損壞等事故發(fā)生n 3 ； ( 3 ) 壽命長，液力耦合器各零部件除軸承之外沒有其它因為摩擦而損壞的元件，因 此耦合器能長時間工作不需要檢修，這樣便提高了其使用壽命n 瑚。因此，限矩型液力 耦合器除了在刮板輸送機中使用外，在電力、化工、冶金、礦山等行業(yè)的刮板輸送機、 刨煤機、球磨機，破碎機、離心機、洗滌機、攪拌機、拉絲機，煉膠機、注塑機、擠擊 機、鍋爐碎渣機、水泵、風(fēng)機等機械中廣泛應(yīng)用n 1 ，并且已經(jīng)成為了國家重點推廣的節(jié) 能產(chǎn)品。 在煤礦開采運輸設(shè)備中，刮板輸送機占整個煤礦機械設(shè)備的3 0 左右。液力耦合器 作為刮板輸送機的主要傳動部件，其能夠持續(xù)穩(wěn)定的運行，主要依賴于渦輪和泵輪結(jié)構(gòu) 的合理性，而其結(jié)構(gòu)的合理性主要是指它的強度和抵抗振動的能力。泵輪和渦輪作為液 力耦合器傳遞動力的關(guān)鍵元件，它的強度和振動特性直接關(guān)系到耦合器和整個機組的可 靠性。液力耦合器的渦輪和泵輪在工作過程中，承受離心力和流體壓力等，受力狀況非 常復(fù)雜。同時液力耦合器葉片在變化的離心力和液體激振力共同的激振作用下，葉輪將 會產(chǎn)生振動。長時間振動會引起葉輪的疲勞破壞，從而導(dǎo)致機組事故的發(fā)生。因此，刮 板輸送機對液力耦合器葉輪的強度、振動、可靠性等方面的要求也越來越高。由此可見， 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 研究液力耦合器葉輪強度與振動特性有著非常重要的意義。 1 2 國內(nèi)液力耦合器的發(fā)展動態(tài) 改革開放之后，液力耦合器作為國家首批引進的技術(shù)，在煤機、水泵、風(fēng)機等機 器上得到了廣泛的應(yīng)用。天津工程機械研究所和北京起重機運輸機械研究所作為原機械 部液力耦合器行業(yè)技術(shù)對口單位，為我國液力事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻。此外大連液 力機械廠、蚌埠液力機械廠和成都工程機械廠等在改革開放以后也相繼從英國、西德、 美國和日本引進了液力耦合器專有技術(shù)n 】。從此，我國的液力傳動事業(yè)進入了快速發(fā)展 階段。沈陽水泵廠、大連液力機械廠、上海交通大學(xué)、上海7 1 l 研究所等許多單位也為 液力事業(yè)做了大量工作。據(jù)我國液壓氣動工業(yè)協(xié)會液力專業(yè)分會不完全統(tǒng)計，目前 國內(nèi)從事液力元件生產(chǎn)的廠家近8 0 家，年生產(chǎn)液力變矩器約5 5 萬臺、限矩型液力耦合 器約5 5 萬臺、調(diào)速型液力偶合器約4 6 0 0 臺n 1 。 作為煤礦機械中的三機一架之一的刮板輸送機，由于采用限矩型液力耦合器，使得 其實現(xiàn)了慢速啟動、多機功率平衡，從而在煤礦運輸系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。當(dāng) 前，我國液力耦合器主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)載機、刮板輸送機、起重機、破碎機、帶式輸送機等 設(shè)備上h 1 。我國對液力耦合器的應(yīng)用還不是很普遍，但液力耦合器所具有較強的生命力， 并且與傳統(tǒng)的聯(lián)軸器相比，有改善傳動性能和節(jié)約能源等優(yōu)勢。國內(nèi)目前有多家單位從 事限矩型液力耦合器的理論研究、設(shè)計制造等工作。如中煤張家口煤機研發(fā)的刮板輸送 機專用的水介質(zhì)液力耦合器：北方交通大學(xué)開發(fā)、研制的主要用于鐵路機車傳動的液力 耦合器等。 限矩型液力耦合器在研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)制造過程中，葉輪的參數(shù)設(shè)計是主要考慮的 對象。葉輪是耦合器的核心部件，因此它必須具有較高的傳動效率、較好的工作穩(wěn)定性 和可靠性。但是葉輪的損壞始終是旋轉(zhuǎn)機械中普遍存在的一種問題。在水泵、風(fēng)機、發(fā) 電、礦上機械等方面，國內(nèi)許多專家和研究人員利用有限元方法、機械優(yōu)化設(shè)計理論等 進行了葉輪強度分析工作。2 0 0 1 年，大連交通大學(xué)的李婭娜、邵萬珍、兆文忠等結(jié)合流 體力學(xué)和動力學(xué)理論，利用i d e a s 軟件建立調(diào)速型耦合器y o t c h p 4 6 6 泵輪的三維模型， 并對其強度進行有限元分析，通過分析得到了離心力是引起應(yīng)力變化的主要原因，同時 最大應(yīng)力發(fā)生在葉片上n 1 。2 0 0 4 年，中國船舶重工集團公司第七一一研究所的宋光輝利 用有限元法建立的調(diào)速型液力耦合器葉輪的三維實體模型，通過對葉輪強度的分析計 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 算，驗證了葉輪的強度達到了可靠性要求m 。1 9 9 0 年，能源部西安熱工研究所的于新穎、 王銘忠對給水泵用液力耦合器葉輪進行受力分析，建立其數(shù)學(xué)模型，并采用二維軸對稱 有限元方法對耦合器葉輪進行強度計算，通過分析過程得出影響葉輪強度的諸多因素， 如旋轉(zhuǎn)外殼的厚度及旋轉(zhuǎn)外殼錐面斜度等m 。 1 3 國外液力耦合器的發(fā)展動態(tài) 當(dāng)今世界，在比較發(fā)達的國家均有較為完整的液力傳動工業(yè)。目前，德國福伊特公 司是世界上液力元件產(chǎn)量最多的公司，其在產(chǎn)品性能以及質(zhì)量方面均享有很高的美譽。 該公司生產(chǎn)的液力器件非常齊全，總共有2 1 個品種、1 5 3 個規(guī)格，傳遞功率跨度為o 5 k w 2 7 0 0 0 k w ，最高輸出轉(zhuǎn)速可達1 2 0 0 0 r m i n ，年總產(chǎn)量可達3 萬臺，累計出口已達1 0 0 多萬臺n 1 。英國液力驅(qū)動公司的液力耦合器產(chǎn)量僅次于福伊特公司，該公司生產(chǎn)的液力 器件，共有1 5 個品種、1 1 5 個規(guī)格，年產(chǎn)量約為8 0 0 0 臺左右。傳遞功率跨度為o 1 1 1 2 0 0 k w ，最高輸出轉(zhuǎn)速可達1 0 0 0 0 r m i n 。日本日立公司、三菱重工的液力元件制造體 系也較為完善。與歐洲國家相比，俄羅斯比較重視理論研究，并且出版了大量的書籍和 刊物，為科研人員對液力傳動工業(yè)的研究提供了不可多得的材料n 兒鍆。 為滿足煤礦井下的防爆要求，英國液力工程公司率先研制了以清水為介質(zhì)的限矩型 液力耦合器，井下使用安全可靠，而且由于水的重度高于傳動油，因而使液力耦合器傳 遞動力能力提高2 0 9 6 以上。福伊特( v o i t h ) 公司用于煤礦井下的限矩型液力耦合器， 用名為“埃拉歐 ( e l a o l ) 液體作為工作介質(zhì)，其重度為1 3 4 4 l ( n m ( 1 3 7 0 k g f m ) ，閃 點2 4 0 。這種液體用于液力耦合器不僅能防爆，而且還可以提高傳遞功率能力1 6 倍 1 】【6 】 o 由于液力耦合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高、加工難度大、技術(shù)相對密集，同時利 潤也普遍較高，因而各大液力耦合器制造商不惜動用大量的資金來投資研發(fā)新產(chǎn)品，競 爭異常激烈。由于液流在耦合器工作腔中運動的復(fù)雜性，迄今尚不能用數(shù)學(xué)模型表達。 各大廠商都十分重視實驗研究，均以試驗為依據(jù)，以便對液力耦合器內(nèi)部腔型進行改進 或者構(gòu)造新的腔型。以開發(fā)新產(chǎn)品，提高其在國際市場上的競爭能力n 1 。 1 4 國內(nèi)夕卜的差足巨 改革開放以來，雖然在國家的大力推廣下，我國的液力行業(yè)發(fā)展迅猛，液力耦合器 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 也在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，而且取得了非常顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。但與國外相比， 仍存在教大的差距，主要表現(xiàn)在： ( 1 ) 產(chǎn)品種類較少，技術(shù)更新緩慢。缺乏對液力耦合器研發(fā)的持續(xù)性。這是由我 國的國情決定的，由于我國重工業(yè)起步較慢，又經(jīng)歷了文革的破壞，改革開放以后才有 所發(fā)展，對液力行業(yè)積累的科研成果也較少n 】； ( 2 ) 整個液力行業(yè)結(jié)構(gòu)松散，規(guī)模普遍較小而且效益較差。而國外的液力傳動工 業(yè)集中度比較高，加之規(guī)模，所以效益高。例如我國液力元件年總產(chǎn)量只有1 0 萬多臺， 分散在8 0 家不同規(guī)模的企業(yè)。而德國福伊特公司，年產(chǎn)量已達3 萬多臺，產(chǎn)值超過7 億 歐元；由于國內(nèi)相關(guān)企業(yè)規(guī)模普遍較小、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對較為單一，因此經(jīng)濟效益普遍較 差，去國外相比缺乏競爭優(yōu)勢，所以發(fā)展后勁不足n 兒釘； ( 3 ) 制造工藝水平較低。例如精密鑄造、沖壓焊接等工藝在生產(chǎn)耦合器的時候很 少使用n 1 ； ( 4 ) 產(chǎn)品配套件質(zhì)量差、可靠性差。據(jù)統(tǒng)計，福伊特公司所生產(chǎn)的限矩型液力耦 合器平均無故障工作時間超過5 8 6 3 2h ，而我國的限矩型液力耦合器平均無故障工作時 間遠未達到9 0 0 0 h 。這是由我國整個機械制造行業(yè)基礎(chǔ)水平較低決定的。國內(nèi)大部分企 業(yè)所用的機床普遍性能和精度不高，加工工藝也非常落后，所以可靠性差是我國液力元 件的最大的不足n m 鍆； ( 5 ) 應(yīng)用領(lǐng)域相對狹窄。在國外，車企是使用液力元件的最大客戶，而在我國，很 少有汽車采用液力調(diào)速。國外的大慣量機械幾乎都用液力傳動，而在國內(nèi)還未普及1 。 1 5 本課題研究的主要內(nèi)容 本文應(yīng)用a n s y s 軟件對水介質(zhì)限矩型液力耦合器葉輪強度和振動特性進行研究。 研究內(nèi)容包括以下幾個方面： ( 1 ) 運用三維建模軟件階o e 建立y o x d 6 5 0 型液力耦合器葉輪、葉片、及主要部件 的三維模型，并對其進行裝配； ( 2 ) 根據(jù)水介質(zhì)限矩型液力耦合器的運行特征，針對葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心 力和水流壓力、空氣壓力等對葉輪的影響，建立了葉輪的數(shù)學(xué)模型和有限元計算模型； ( 3 ) 將葉輪及其葉片的三維模型提取出來并導(dǎo)入有限元分析軟件中，設(shè)置材料屬性 參數(shù)，進行網(wǎng)格劃分； 4 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 ( 4 ) 考慮旋轉(zhuǎn)離心力和水流壓力的影響，在不同充液量的情況下，對耦合器的正常 運行工況下分別對渦輪葉片和泵輪葉片進行應(yīng)力分析，并在有限元分析系統(tǒng)中對葉輪強 度進行分析計算； ( 5 ) 分別對耦合器渦輪、泵輪及其葉片進行模態(tài)分析，分析其在水流激振的作用下， 產(chǎn)生共振的可能性。 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 6 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第二章液力耦合器的類型及簡介 2 1 普通型液力耦合器 2 1 1 普通型液力耦合器的結(jié)構(gòu)性能 普通型液力耦合器沒有任何限矩、調(diào)速及其他安全保護措施，結(jié)構(gòu)最為簡單，只有 泵輪、渦輪、輸出軸、輸入軸、易熔塞等基本零部件如圖2 1 所示。泵輪力矩系數(shù)較高， 性能曲線陡直，過載系數(shù)高，啟動性能強3 。 ，礦 圖2 1 液力耦合器的主要構(gòu)件 卜泵輪2 一渦輪3 一外殼4 一主軸 f i g u 旺2 一lm a i l lc o m p o n e n t so f h y d r a u l i cc o u p l i n g 2 1 2 普通型液力耦合器的特點和用途 普通型液力耦合器結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸短、價格低廉，無過載保護作用，啟動力矩 較大，常常是全沖液工作。用于只需要解決啟動困難、隔離沖擊扭振，而不需要過載保 護的工作機上。目前普通型液力耦合器在國內(nèi)已無廠家生產(chǎn)，但在進口設(shè)備上仍有配備 此種耦合器的。 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 2 2 限矩型液力耦合器 2 1 1 限矩型液力耦合器結(jié)構(gòu)性能 采用某種措施在低轉(zhuǎn)速比時限制力矩的升高，除了具有泵輪、渦輪、輸出軸、輸入 軸、易熔塞等零件外，還增加了為了限制力矩而設(shè)置的前輔腔、后輔腔、側(cè)輔腔擋板等 構(gòu)件，其性能參數(shù)見表2 1 叫 表2 1 限矩型液力耦合器陛能參數(shù) ，i _ 曲l e 2 - 1l i i n i t c dm o m e n t 塒i 鈀b 瑚dp e 響n i l 趾c ep 娥衄e t e r s 型式循環(huán)圓有效直徑衄 g c = 8 0 時泵輪力矩 額定轉(zhuǎn)差率s 系數(shù)乃，n 血2 聊- 1 限矩型液力耦合 量3 2 0 耋1 3 0 1 0 - 6 4 器 3 6 0 5 6 0 童1 4 5 1 0 - 6 童6 5 0 耋1 5 5 1 0 - 6 2 1 2 限矩原理特點用途 特性曲線比較平緩，過載系數(shù)低，啟動性能和過載保護性能良好。軸向尺寸比普通 型液力耦合器長，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。用于一切需要解決啟動困難、過載保護、減緩沖擊及 扭振和協(xié)調(diào)多動力機均衡驅(qū)動及柔性制動的工作機上，其限矩原理如表2 2 表2 2 限矩型液力耦合器的限矩原理 r a b l c 2 2l i m i t e dm 眥e n to f 吐圮鯽i t eb 捌葩l i i l l i t c dm o m e n t 砸眥i p l e 形式結(jié)構(gòu)特點 限矩原理優(yōu)缺點 擋板式 在渦輪出口處或泵輪 正常運轉(zhuǎn)時，工作液體作小環(huán)能降低波動比，有一定限矩作 出口處安裝阻流板流運動，不觸及阻流板：過載用，但不能單靠阻流板限矩， 時，渦輪轉(zhuǎn)速降低，環(huán)流改道阻流極尺寸過大影響力矩系 作大環(huán)流運動，受到阻流扳的數(shù)常與其他限矩措施何用 阻礙并產(chǎn)生渦流，造成能量損 失，從而阻止輸出力矩升高 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 靜壓泄液式在渦輪一側(cè)設(shè)置容積正常工作時，側(cè)輔腔與工作腔 限矩系數(shù)較好，但突然超載 較大的側(cè)輔腔 內(nèi)的壓力平衡，在離心力作用時，因卸液較慢，故動態(tài)過載 下，工作液體大部分進入工作系數(shù)較高，防順時過載能力 腔；超載時，渦輪轉(zhuǎn)速降低，差，由于結(jié)構(gòu)簡單，小型耦合 側(cè)輔腔液環(huán)降低，壓力降低，器常用此型式 工作腔體作大環(huán)流運動，壓力 上升在壓差作用下，液體由 工作腔向側(cè)輔腔流動，工作腔 充液率降低，力矩不再升高 動壓泄液式不僅設(shè)置前輔腔，而 正常工作時，在離心力作用 啟動性能好，防順時過載能力 且在泵輪一側(cè)設(shè)置后下，前、后輔腔中的液體進入強，通過調(diào)整過流孔面積或改 輔腔前、后輔腔間， 工作腔參與環(huán)流運動；超載變后輔腔的容積，可以使過載 后輔腔與工作腔問均時，液體作大環(huán)流運動，產(chǎn)生 系數(shù)降的很低，延時啟動時間 有過流孔動壓力，使液流首先沖進前輔加長，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軸向尺 腔，并繼而沖入后輔腔，使工寸較長 作腔內(nèi)充液率降低，限制力矩 無法提高：啟動時，由于部分 工作液體在前輔腔和后輔腔 中，使工作腔充液率較低，故 可延緩工作機的啟動時間 復(fù)合泄液式內(nèi)輪驅(qū)動，腔內(nèi)葉輪正常工作時，液體在離心力作結(jié)構(gòu)類似靜壓泄液式，但功能 作泵輪，在泵輪一側(cè) 用下，進入工作腔超載時，卻類似動壓泄液式結(jié)構(gòu)簡 設(shè)置有較大容積的側(cè)液體在大環(huán)流運動產(chǎn)生的動單，軸向尺寸短，耦合器質(zhì)量 輔腔，泵輪與側(cè)輔腔壓力作用下，沖進側(cè)輔腔，同由點擊軸承擔(dān)，可避澆減速器 間有過流孔時還有部分工作液體在靜壓 斷軸 力作用下，流向側(cè)輔腔，從而 使工作腔充液率降低，力矩?zé)o 法提高過載消除后，液體在 靜壓力作用下又回到工作腔 閥控泄液式結(jié)構(gòu)與動壓泄液式樣啟動時，延充閥打開，在大環(huán)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，啟動過載系 ( 2 ) 相似，在前后輔流動壓下，液體通過延充閥進數(shù)可以降的較低，能使工作機 腔闖安裝了延充閥，入后輔腔，使工作充液率降低延時啟動，對閥的作用速度要 有的在后輔腔與工作求嚴格，閥有時會出現(xiàn)故障 腔間安裝節(jié)流閥 9 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 多角型腔 工作腔的循環(huán)圓是多正常工作時，液流在外緣曲線力矩系數(shù)較高、過載系數(shù)較 角型的，外緣仍是圓段工作，不觸及到折線段，所低、結(jié)構(gòu)最簡單、軸向尺寸短， 滑曲線，而內(nèi)緣則是 以對傳遞力矩?zé)o影響。因在限矩時產(chǎn)生渦流損失，故 折角曲線易引起發(fā)熱，大型液力耦合器 較少用此腔型 2 3 調(diào)速型液力耦合器 調(diào)速型液力耦合器按照調(diào)速方式可以分三類，如下表 表2 3 調(diào)速型液力耦合器的分類1 1 - i a b l e 心- 3s p e e do f 也e 姆i t eb r 趾dc l a s s i f i c a t i o n 調(diào)速方式原理簡介優(yōu)缺點 改變輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)當(dāng)負載力矩不變時，通過改變 應(yīng)用范圍窄，只適合與能調(diào)速的動力機，如 液力耦合器的輸入轉(zhuǎn)速使額柴油機、汽油機、繞線式電機等匹配優(yōu)點 定工況點力矩降低，迫使耦合是不需要特殊耦合器 器加大轉(zhuǎn)速，降低輸出轉(zhuǎn)速 機械調(diào)節(jié)利用機械傳動機會擋住耦合 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)速范圍窄，液力損失大，優(yōu)點 器工作腔的一部分或全部，通是不存在不穩(wěn)定區(qū) 過改變循環(huán)流量，從而改變輸 出力矩和輸出轉(zhuǎn)速 容積調(diào)節(jié)通過改變工作腔的充液量來 調(diào)速方便，調(diào)節(jié)方式多樣，調(diào)速精度較高， 改變耦合器的輸出力矩和速 適用范圍很廣。缺點是存在不穩(wěn)定區(qū)和轉(zhuǎn)差 出轉(zhuǎn)速功率損失 2 4 液力耦合器的基本特征及其參數(shù) ( 1 ) 不能改變力矩 = 一坼，如果考慮忽略軸承、密封、空氣摩擦、液體等損失，那么泵輪的輸入力 矩塢與渦輪的輸入力矩塢是相等的。即液力耦合器只能將輸入軸傳來的力矩?zé)o改變 的傳遞給輸出軸，而不具備改變力矩特性。 ( 2 ) 同向傳送 1 0 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 在正常牽引工況下，泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)向總是相同的。 ( 3 ) 始終存在轉(zhuǎn)差率 泵輪轉(zhuǎn)速恒大與渦輪轉(zhuǎn)速，耦合器中轉(zhuǎn)差率s 來表示泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速相差的程度，其定 義為： j = ( 一唧) = 1 一f ( 2 1 ) 式中 s 一轉(zhuǎn)差率；泵輪轉(zhuǎn)速，侮一渦輪轉(zhuǎn)速；f 一轉(zhuǎn)速比 ( 4 ) 效率恒等于轉(zhuǎn)速比 耦合器效率表達為： ，7 = 一坼仰( ) = 吻= f ( 2 2 ) 其中，叩一效率，塢一渦輪力矩，坼泵輪力矩，吻一渦輪轉(zhuǎn)速，嘞泵輪轉(zhuǎn)速，f 一轉(zhuǎn)速比 ( 5 ) 泵輪力矩系數(shù) 泵輪力矩系數(shù)作為耦合器容量大小的參數(shù)之一，表示為以，按相似原理，同一系列 幾何相似的液力耦合器在相似的工況下所傳遞的力矩值與液體密度的1 次方、泵輪轉(zhuǎn)速 的2 次方和工作腔有效直徑的5 次方成正比，即： 如= p ，( p 玩d 5 ) v吣2 m ) ( 2 3 ) 式中a 靠泵輪力矩，p 一工作液體密度，一泵輪轉(zhuǎn)速，g 一重力加速度， d 一工作腔的有效直徑 ( 6 ) 過載系數(shù) 液力耦合器最大力矩與額定力矩之比： 墨= m ( 2 4 ) 式中過載系數(shù)，坂戤一最大力矩，絲一額定力矩 ( 7 ) 啟動過載系數(shù)： = 塢塢 ( 2 。5 ) 乙q 制動過載系數(shù)，鮒0 一制動力矩，心一額定力矩 ( 8 ) 制動過載系數(shù) 液力耦合器制動力矩與額定力矩之比： t z2 坂鳩 ( 2 6 ) 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 乙一制動過載系數(shù)，鴆制動力矩，鳩一額定力矩 2 5 本章小結(jié) 本章對液力耦合器的幾中類型做了簡要的介紹，并對三種耦合器的結(jié)構(gòu)特點、和用 途做了簡單的對比，以及對三種耦合器的性能參數(shù)做了簡要的描述。以此了解了限矩型 液力耦合器的限矩原理，以及延伸的各種腔型。 1 2 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第三章水介質(zhì)限矩型液力耦合器簡介 3 1 水介質(zhì)限矩型液力耦合器的工作原理 液力耦合器由泵輪、渦輪、殼體、輸入軸、輸出軸、套、輸油管、易熔塞、防爆塞、 注液塞等組成。泵輪和渦輪對稱布置，中間保持一定間隙，泵輪和渦輪內(nèi)各有幾十片徑 向分布的葉片。 當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時，耦合器輸入軸帶動泵輪旋轉(zhuǎn)，填充在泵輪工作腔中的水在泵輪旋轉(zhuǎn)時 產(chǎn)生的離心力的作用下，由泵輪入口被加速加壓拋向泵輪出口，同時水的動量矩產(chǎn)生增 量，即泵輪將吸收的機構(gòu)能轉(zhuǎn)化成了水的動能和勢能。當(dāng)攜帶動能的水由泵輪出口沖向 對面的渦輪時，水便沿渦輪葉片所形成的流道作向心流動，同時將水動能轉(zhuǎn)化成機械能， 驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動工作機運行做功。這樣水在工作腔中周而復(fù)始作螺旋環(huán)流運動，輸 入和輸出便在無任何機械聯(lián)接的情況下，僅靠水的動能便柔性地聯(lián)接在一起了。 3 2 水介質(zhì)限矩型液力耦合器的優(yōu)點 與油介質(zhì)限矩型液力耦合器比較，以水為介質(zhì)的耦合器的優(yōu)點如下： ( 1 ) 可以降低爆炸事故的發(fā)生的可能性 由于采用水來代替礦物油，所以降低了發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性。由于煤礦井下自 然水中含有礦物質(zhì)，必須做相應(yīng)的處理。采用某種添加劑，不需要做任何的軟化處理， 即可使用。這樣以礦井地下水為介質(zhì)，并采取易熔與易爆雙重安全措施，杜絕了耦臺器 在用油作工作介質(zhì)時因過載噴油所引起的火災(zāi)、爆炸事故和污染n 陽。 ( 2 ) 可以節(jié)約能源 以水為工作介質(zhì)，節(jié)省了用油作介質(zhì)時的運行費用，同時也節(jié)約了能源。由于煤礦 井下，自然水資源豐富，便于隨時獲得，還能解決因使用礦物油造成的易燃易爆等問題， 可謂一舉兩得。以煤礦井下使用最多的y o x d 型水介質(zhì)液力耦合器為例，其應(yīng)用于刮 板輸送機上，每年每臺耦合器就可節(jié)約1 0 8 蠔油，現(xiàn)在用于煤礦刮板輸送機的液力耦合 器已達到3 萬臺，由此可見其可以節(jié)約大量的資源訂1 。 ( 3 ) 可以提高傳遞功率 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 由于清水的密度高于礦物用油，所以跟油介質(zhì)液力耦合器相比，其傳遞動力的能力 比較大。根據(jù)泵輪力矩系數(shù)公式5 一1 5 可以看出，由于工作介質(zhì)密度不同，同一型 號液力耦合器的泵輪的力矩m 。也不盡相同，傳遞的功率大小也必然不同。油介質(zhì) p = o 8 5 堙聊3 ，而水介質(zhì)p = l 堙聊3 ，因此使用水介質(zhì)的液力耦合器比使用油介質(zhì)的傳 遞功率可提高很多跚。 總之，水介質(zhì)限矩型液力耦合器優(yōu)點是多方面的j 據(jù)多年實踐表明，使用液力耦合器節(jié) 電效果約為5 1 5 。同時水介質(zhì)限矩型液力耦合器可以改善傳動品質(zhì)，保護電機組件 不受損壞，從而降低設(shè)備故障率，延長機器使用壽命。從這可以看出其綜合技術(shù)經(jīng)濟效 益相當(dāng)突出小刀。 3 3 水介質(zhì)限矩型液力耦合器在煤礦井下刮板輸送機上的應(yīng)用 當(dāng)刮板輸送機滿載啟動時，啟動轉(zhuǎn)矩很大。但是當(dāng)它平穩(wěn)運行時，消耗的功率又很 小。采用水介質(zhì)限矩型液力耦合器，恰好能滿足其需要。通常工況下，刮板輸送機的啟 動力矩與正常力矩之比為2 2 2 5 ，電動機啟動力矩為額定力矩的1 4 1 8 。由此可以看 出按照刮板輸送機的額定轉(zhuǎn)矩來選擇電機是無法啟動的，要想讓刮板輸送機直接啟動， 必須選擇大功率的電機。但是在電機啟動之后，刮板輸送機會平穩(wěn)運行，電機會偏離額 定工況點，這樣經(jīng)常會處予欠載運行狀態(tài)。從而導(dǎo)致電機功率因數(shù)下降。電機損耗較大， 效率低，且啟動功率損耗大。應(yīng)用水介質(zhì)限矩型液力耦合之后，這些狀況就可以得到很 好地改善口3 。 3 4y 1 ) ) 型液力耦合器的主要技術(shù)參數(shù) 此類耦合器以水為傳動介質(zhì)，除了具有以油為介質(zhì)的耦合器特點外，它適用于防燃、 防爆、防油污染的工作環(huán)境，為煤礦井下刮板輸送機專用，以下為張家口煤礦機械廠生 產(chǎn)的液力耦合器( 刮板輸送機專用) 其技術(shù)參數(shù)如表3 1 1 4 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 表3 1 嘞型主要技術(shù)參數(shù)： t a b l e 3 - 1y o x dt y p es 訇m c t m e 孤di t sm a i nt e c l m i c a lp a 豫m e t e r s ： 型號 最高 傳遞效重量沖水 外形尺寸( m m ) d m s i o n s ( m m ) 聊e n o 轉(zhuǎn)速功率率 ( k g量皿) dldh lbdhb ) y o x d 3 61 4 8 01 7 - 4 09 76 04 5 74 1 53 8 06 0 7 0 1 6 漸開線4 2 2 5 1 6 o ( a ) 2 5 0 5 5 痧4 5 9 6 y o x d 4 01 4 8 03 0 - 5 59 76 8 15 6 7 4 6 5 3 9 45 51 1 01 6 0 s6 y o x d 4 51 4 8 01 l o 9 7 1 0 4 41 1 7 5 2 0 5 0 88 01 7 02 28 01 6 02 2 0 s y o x d 4 51 4 8 09 09 71 0 2 41 1 75 2 d4 7 87 51 4 02 08 01 6 02 2 o s ( a ) y o x d 4 51 4 7 57 5 99 71 4 5 29 6 - 15 3 54 8 87 51 4 02 08 01 6 02 2 0 s 1 y o x d 4 51 4 7 57 59 79 0 89 65 2 04 5 l7 51 4 02 0 漸開線6 0 3 5 1 6 0 s ) 定心孔6 5 1 2 0 y o x d 4 51 4 8 07 59 78 9 29 65 2 0 4 4 06 01 4 01 8 0 s ( c ) y o x d 5 01 4 8 01 3 29 71 0 5 61 6 65 7 0 4 7 88 01 7 02 2 o y o x d 5 01 4 8 01 3 29 71 2 31 6 65 5 8 4 3 28 01 7 02 21 1 51 7 01 8 0 a 1 4 8 01 6 09 71 0 31 7 55 5 8 4 3 29 01 7 02 21 1 51 7 01 8 1 4 8 01 3 29 71 0 31 6 65 5 84 7 48 01 7 02 27 51 7 02 0 y o x d 5 61 4 7 32 0 09 7 1 5 8 72 0 56 3 4 4 3 29 01 7 02 59 01 7 02 5 o7 1 4 7 32 5 09 7 1 6 5 62 2 7 56 3 4 5 1 49 02 1 02 89 01 8 02 8 9 1 4 7 52 0 09 7 1 5 8 71 5 7 56 3 44 7 59 01 7 02 59 01 8 02 5 7 1 4 8 01 3 29 7 1 5 8 71 5 7 56 3 44 7 48 01 7 02 27 51 5 32 0 5 y o x d l 6 51 4 8 03 7 59 72 8 7 43 87 2 0 5 2 61 1 02 3 02 8 漸開線2 1 z 5 m 3 0 p 0 定心孔1 l5 5 0 ( 7 5 ) 1 4 8 03 7 5 9 7 2 9 33 87 2 07 1 91 1 02 1 02 8 1 5 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 5 本章小結(jié) 本章對刮板輸送機用的水介質(zhì)限矩型液力耦合器韻工作原理做了簡要介紹，和油介 質(zhì)的液力耦合器做個簡單對比，介紹了其優(yōu)缺點， 技術(shù)參數(shù)。 1 6 并介紹了y o ) 型液力耦合器主要 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第四章液力耦合器的幾何建模 4 1p 啪軟件的特點和優(yōu)勢 p m e n g i l l e e r 是美國p t c 公司于1 9 8 8 年推出的3 dc a d c a m 產(chǎn)品，它廣泛應(yīng)用于 機械、電子、汽車、航天、家電等行業(yè)。經(jīng)過2 0 多年不斷的創(chuàng)新和完善，得到了很多 用戶的喜愛，它具有如下特點和優(yōu)勢： ( 1 ) 參數(shù)化設(shè)計和特征功能：運用p r o e 可對實體模型進行參數(shù)化建模，設(shè)計人 員可以通過改變參數(shù)來改變模型的特征。如殼、倒角、筋等特征，從而使得產(chǎn)品的設(shè)計顯 得非常的簡單、靈活嘲。 ( 2 ) 數(shù)據(jù)管理：加快了市場的投放進程，企業(yè)往往需要在很短的時間內(nèi)開發(fā)新的產(chǎn)品， 來保證其有足夠的競爭力。為了提高效率，p 啪允許在同一時間內(nèi)多個學(xué)科相同的產(chǎn) 品開發(fā)工程師并行的工作。 ( 3 ) 單一數(shù)據(jù)庫：p r 咖有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，而不是像其他一些建模軟件基于多個數(shù) 據(jù)庫。所謂的單一的數(shù)據(jù)庫，指的是在實際應(yīng)用中，使每一個用戶產(chǎn)品造型和工作和所有 的信息聯(lián)系在一起，無論他是哪一個部門。換而言之，在設(shè)計過程中發(fā)生的每一個細節(jié)地 方的變化，也會在其相關(guān)的連接做出反應(yīng)。 ( 4 ) 全相關(guān)性：p r o e 將所有模塊相互關(guān)聯(lián)起來。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中一 個特定的變化，可以擴散到整個設(shè)計，同時自動更新所有的工程文件，包括裝配體，設(shè)計圖 紙、生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在進行周期性的相關(guān)開發(fā)時，卻沒有任何損失，這就是所謂的并行工程，這 樣可以使一些后發(fā)功能發(fā)揮其最大的作用嘲。 ( 5 ) 裝配管理：運用p r o e 的基本結(jié)構(gòu)可以使工作人員利用直覺的命令，例如“接觸”、 “插入”、“結(jié)盟”等使得零件相互之間有某種關(guān)系，同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持大 型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配體和管理，組裝廠的組件的數(shù)量是不受限制嘲。 ( 6 ) 基于特征的參數(shù)化造型：p r o i 厄把用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品的幾何模型的元素， 這些特征是一些最常見的機械物體，并能根據(jù)預(yù)設(shè)很容易修改。例如：設(shè)計特點弧，圓形， 倒角等工作，工程人員對他們非常熟悉，因此容易使用。設(shè)計、裝配、加工、制造、和其 他學(xué)科都使用這些地區(qū)獨特的特征。通過對特征參數(shù)設(shè)定( 不僅包括幾何尺寸，包括幾何 1 7 太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 屬性) ，然后修改參數(shù)易于進行多次迭代設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品的開發(fā)。 ( 7 ) 容易使用：p r o e 菜單簡單直觀，并且提供合理的選項，還提供了菜單簡要介紹和 完整的在線幫助，這種形式使得學(xué)習(xí)和使用更為輕松陽3 。