液體粘性軟啟動傳動裝置的研究

1、第23卷第6期 1998年 12月煤炭學(xué)報(bào)JOURNAL OF CH INA COAL SOCIETY V ol. 23 No. 6Dec. 1998液體粘性軟啟動傳動裝置的研究*張以都 張啟先(北京航空航天大學(xué)摘要 介紹了液體粘性軟啟動傳動裝置的基本原理和結(jié)構(gòu); 在考慮摩擦材料多孔性的條件下, 利用Navier Stokes 方程, 建立了液體粘性制動器的壓力分布及流量模型. 因離心力的作用, 摩擦片間隙具有一定的自吸能力, 若供液不充分, 油膜將會破裂, 導(dǎo)致摩擦片直接接觸,使液體粘性制動器無法正常工作. 在進(jìn)、出油口壓力一定時, 摩擦片轉(zhuǎn)速增大, 油膜壓力將有所降低. 隨著多孔材料滲透性

2、的增加, 油液的需求量也有所增加.關(guān)鍵詞 軟啟動 液體粘性傳動 摩擦片 油膜中圖分類號 TH 1321 液體粘性軟啟動傳動裝置概述皮帶輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)的 軟啟動 是指輸送機(jī)在重載工況下可控制地逐步克服整個系統(tǒng)的慣性而平穩(wěn)地啟動. 皮帶輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)的軟啟動不僅能夠極為有效地減小啟動時傳動系統(tǒng)對輸送皮帶和牽引鏈的破壞性張力, 消除輸送機(jī)啟動時產(chǎn)生的振蕩, 也能大幅度減輕傳動系統(tǒng)本身所受到的啟動沖擊, 延長皮帶、牽引鏈、軸承、托輥等關(guān)鍵部件的使用壽命 , 同時還能大大縮短電動機(jī)啟動電流的沖擊時間, 減小對電動機(jī)的熱沖擊負(fù)荷及對電網(wǎng)的影響, 從而節(jié)約電能并延長電動機(jī)的工作壽命. 此外, 通過使

3、用 軟啟動 技術(shù), 在電動機(jī)的選型上將可以選用容量較小的電動機(jī), 因而也能夠減少不必要的設(shè)備投資. 因此,皮帶輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)的 軟啟動 技術(shù)已越來越受到管理人員和技術(shù)人員的重視.圖1所示為一個由差動的兩級2K -H 行星傳動機(jī)構(gòu)和粘性制動器組成的液體粘性軟啟動傳動裝置2. 其中的液體粘性制動器是這種傳動裝置的關(guān)鍵所在, 它能夠利用存在于制動摩擦片之間油膜的粘性剪切力來實(shí)現(xiàn)負(fù)載的軟啟動、無級變速、過載自動保護(hù)和多點(diǎn)驅(qū)動功率平衡.如圖所示, 輸入軸1的一端與電動機(jī)(未示出 相連,另一端與第一級行星機(jī)構(gòu)中的太陽輪8連接. 第一級行星機(jī)構(gòu)中的內(nèi)齒圈5是差動的. 靜摩擦片3和動摩擦片4通過花圖1 液

4、體粘性軟啟動傳動裝置Fig 1 Hydroviscous soft starting transmission 鍵分別與箱體和內(nèi)齒圈5相連. 油缸2用于控制靜、動摩擦片3和4的離合. 當(dāng)軟啟動傳動裝置開始工作時, 由于摩擦片3和4尚未接合, 摩擦片4將隨著內(nèi)齒圈5差動空轉(zhuǎn), 而與輸送機(jī)連接的輸出軸9則收稿日期:1998-05-05*博士后基金資助項(xiàng)目第6期 張以都等:液體粘性軟啟動傳動裝置的研究659保持靜止?fàn)顟B(tài). 因此, 電動機(jī)能夠在無負(fù)載的工況下順利地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速. 之后, 根據(jù)預(yù)先確定的輸出軸9的加速度, 通過油缸2的作用使摩擦片3和4逐漸接合. 由于摩擦片3和4之間充有潤滑油, 因而在

5、摩擦片之間會形成一層潤滑油膜. 油膜的粘性剪切力將使內(nèi)齒圈5逐漸減速并最終制動, 將來自電動機(jī)的動力逐漸施加到與輸出軸9相連的輸送機(jī)上, 從而實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的軟啟動. 在合理設(shè)計(jì)的前提下, 液體粘性制動器中的摩擦片往往可以免維護(hù).此外, 液體粘性制動器同時還能起到安全保護(hù)的作用. 當(dāng)輸出軸9上的負(fù)載大于規(guī)定值時, 通過液壓驅(qū)動裝置可使液體粘性制動器分離, 從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械傳動系統(tǒng)的過載保護(hù). 當(dāng)輸送機(jī)采用多點(diǎn)驅(qū)動時, 通過比較各個軟啟動傳動裝置上輸出力矩的大小, 并控制軟啟動傳動裝置中液體粘性制動器的離合, 可使多臺傳動裝置的輸出功率基本達(dá)到平衡, 從而能夠解決因電機(jī)特性或減速器傳動比不匹配所帶來的

6、一系列問題.從液體粘性制動器的工作原理可以看出, 與普通的兩態(tài)多盤摩擦制動器不同, 在工作中, 液體粘性制動器并不對與其相連的運(yùn)動構(gòu)件進(jìn)行快速制動, 而是主要依靠液體粘性剪切阻力使運(yùn)動構(gòu)件按照預(yù)定的要求逐漸減速和制動.2 液體粘性制動器的壓力分布及流量模型在液體粘性制動器中, 由于摩擦片上的粉末冶金摩擦材料或紙基摩擦材料都是多孔材料, 并且摩擦片的直徑通常較大, 所以在建立液體粘性制動模型時, 應(yīng)該同時考慮摩擦材料的滲透性以及離心力所產(chǎn)生的影響. 為了簡化問題, 在進(jìn)行分析時作如下假設(shè): 潤滑油在油膜區(qū)域中的流動是層流, 并且是軸對稱的; 流體在多孔材料層中的流動服從Darcy 定理; 流體不

7、可壓縮,且流體特性不變; 多孔層厚度均勻, 并具有滲透性; 只考慮離心力的影響; 不考慮摩擦片表面溝槽的影響.圖2是由一對靜止摩擦片和運(yùn)動摩擦片組成的液體粘性制動模型. 其中, 靜止摩擦片上附有多孔摩擦材料, 運(yùn)動摩擦片的轉(zhuǎn)動角速度為 .根據(jù)上述假設(shè), 摩擦片之間流體的連續(xù)方程和NavierStokes 方程3可簡化為(r u +r =0, (1v 22d p =-. d r z 2 r流體的切向速度為后基v =1-r . h (3 圖2 液體粘性制動模型F ig 2 Hydro viscous braking model (2將式(3 代入式(2 , 對z 積分兩次, 并代入z =0和z =

8、h 時的速度邊界條件, 可得到流體的徑向流速計(jì)算公式為23d p 2u =(z -h + r 2-z +3h -2 6h d r +u , h (4式中, u 為多孔材料區(qū)域與油膜區(qū)域的交界面處流體的徑向流速. , 660煤 炭 學(xué) 報(bào)u =- 1998年第23卷 . r與油膜區(qū)域中的流體連續(xù)方程式(1 相似, 多孔區(qū)域中的連續(xù)方程為(5(r u +=0. (6 r 由于多孔摩擦材料厚度方向的尺寸通常較小, 因此, 可以假設(shè)流體的軸向速度在z 方向的變化率=0. 將式(5 代入式(6 , 并對r 進(jìn)行積分, 可得到p =c 1ln r =c 2. (7 由摩擦片外徑和內(nèi)徑處的壓力邊界條件:(a

9、 =p out 和p (b =p i n , 從而能夠得到多孔材料區(qū)域中流體的壓力分布函數(shù)為p =ln (a (p in -p out ln r +p out , p i n 和p out 分別是流體的入口和出口壓力.(8 代入式(5 , 則可求出多孔材料區(qū)域中流體的徑向流動速度為u =所以, 23d p (2=(z -h + r 2-z +3h -2 6h d r, (8 p in -p out . r ln (a +p i n -p out . h ln (a r (9 (10Q =2 r將式(10 和式(9 分別代入式(11 并積分, 可得 u d z , h 0Q =2 r h h+H

10、 u d z . (1123 2p in -p out 3Q =-6 +ln (a . d r 20p in -p out Q =. ln (a 將式(12 對r 進(jìn)行積分, 同時考慮r =b 時的壓力邊界條件, 可得壓力分布函數(shù)為(12 (136 Q 222p in -p out r -b -ln +ln +p in . 320b b h ln (a h再將r =a 時的壓力邊界條件代入式(14 , 并經(jīng)過簡化整理, 則得到流量計(jì)算公式為p =2a 2-b 2. +20h(15從式(14 中可以看出, 油膜區(qū)域中壓力p 的分布和大小主要受兩個因素的影響, 它們分別是離心力的影響和流體1+靜壓

11、的影響. 如果不考慮流體的離心力( =0 , 并假設(shè)流體為自由流體(p i n =p out =0 , 則在摩擦片之間無法建立油膜壓力, 此時油膜的承載能力也將為零. 所以, 只有當(dāng)所提供的流體具有一定壓力或摩擦片之間的滑差不為零時, 在摩擦片之間才能建立起具有一定壓力的油膜.圖3 油膜壓力 (14 3Q =p in -p out 6 ln (a 為電 ! Fig 3 Oil film pressure第6期 張以都等:液體粘性軟啟動傳動裝置的研究661區(qū)域中流體的壓力分布曲線. 從圖中可以看出, 由于沒有提供具有一定壓力的油液, 在離心力的作用下, 油膜壓力將表現(xiàn)為負(fù)壓. 此時, 如果供液不

12、充分, 油膜將會破裂, 從而出現(xiàn)摩擦片直接接觸的現(xiàn)象. 而在充分供液的情況下, 摩擦片間隙將具有一定的自吸能力. 因此, 為了保證液體粘性制動器中的摩擦片之間能夠有效地形成油膜, 應(yīng)該在摩擦片的入口處(通常為摩擦片的內(nèi)徑處 提供具有一定壓力和流量的潤滑油.由式(14 可知, 當(dāng)其它條件不變時, 隨著摩擦片的彼此靠近(h 0 , 油膜壓力將漸漸增大. 當(dāng)供油壓力達(dá)到一定值以后, 油膜壓力分布如圖4所示.圖5中的曲線表示了運(yùn)動摩擦片轉(zhuǎn)速不同時的油膜壓力變化情況. 圖中的曲線表明, 在進(jìn)、出油口壓力一定時, 摩擦片轉(zhuǎn)速的大小對油膜壓力有一定的影響, 轉(zhuǎn)速越大, 離心力越大, 同時負(fù)壓也越大, 因此油

13、膜壓力將有所降低 .圖4 當(dāng)h 0時的油膜壓力分布Fig 4 Oil film pressur e distributio n w hen h 0圖5 轉(zhuǎn)速對油膜壓力的影響F ig 5 Influence of speed on oil film pressur e圖6表示了油膜區(qū)域中的流量在摩擦片接合過程中的變化關(guān)系, 以及多孔材料滲透性對流量的影響. 從圖中可以看出, 隨著制動時間的延長, 所需流量逐漸減小, 并且隨著多孔材料滲透性的增加, 所需要的流量也有所增長 .圖7是摩擦片多孔材料區(qū)域中流體的壓力分布曲線. 從圖中可以看出, 壓力曲線形狀與油膜區(qū)域中流體的壓力曲線相似. 其壓力的分布

14、和大小與進(jìn)、出油口的壓力差有很大關(guān)系, 壓力差越大, 曲線斜率圖6 滲透性對流量的影響 F ig 6 I nfluence of permeability on oil quantity 圖7 多孔區(qū)域油膜壓力F ig 7 Oil film pressure in porous ar ea662煤 炭 學(xué) 報(bào) 1998年第23卷也將越大.3 結(jié) 論(1 在離心力的作用下, 液體粘性摩擦片的間隙具有一定的自吸能力, 如果不對摩擦片提供具有一定壓力的油液, 油膜壓力將為負(fù)壓. 在供液不充分的條件下, 油膜將會破裂, 從而出現(xiàn)摩擦片直接接觸的現(xiàn)象. 因此, 為了保證在摩擦片之間能夠有效地形成油膜,

15、應(yīng)在摩擦片的入口處提供具有一定壓力和流量的潤滑油.(2 在進(jìn)、出油口壓力一定時, 摩擦片轉(zhuǎn)速的大小對油膜壓力有一定影響, 轉(zhuǎn)速越大, 離心力越大, 同時負(fù)壓也越大, 因此油膜壓力將有所降低.(3 隨著多孔材料滲透性的增加, 所需要的流量將有所增加.參考文獻(xiàn)1 張以都. 新型液體粘性軟啟動傳動裝置的研究:學(xué)位論文.北京:北京航空航天大學(xué), 19952 張以都. 一種用于運(yùn)輸機(jī)的傳動裝置. 中國發(fā)明專利, 94100657 3. 1996-01-073 Wu Hai. T he squeeze film betw een rotat ing porous annula disks. Wear, 1

16、971(18 :461470作者簡介張以都, 男, 博士, 副教授. 1993年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部, 獲博士學(xué)位. 1995年從北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)博士后流動站出站. 現(xiàn)從事機(jī)械傳動及機(jī)電一體化方面的教學(xué)和科研工作. 北京海淀區(qū)學(xué)院路北京航天航空大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動化系, 郵政編碼:100083.RESEARCH O F HYDRO VISC OUS SOFT STARTING TRANSMISSIO NZhang Yidu Zhang Qixian(Beijing University of A eronau tic s and AstronauticsAbstract The

17、structure of the new ly developed hydroviscous soft starting transm ission is introduced. T he pressure and flow quantity model of the hydrov iscous brake, which is made of porous materials, is built by the Nav ier Stokes equation. With the centrifugal effect, the gaps betw een friction disks have certain oil sucking ability. If the oil is not supplied sufficiently the oil film w ill be broke