液力偶合器與電機(jī)及工作機(jī)聯(lián)合工作分析*

祁建,李宣,霍光,車永順

(北方重工集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院，遼寧沈陽110141)

摘要：液力偶合器是一種應(yīng)用十分廣泛的通用傳動元件。具有改善起動性能、過載保護(hù)等特性。將液力偶合器的幾種常用特性曲線與電機(jī)的特性聯(lián)系起來，分別介紹了液力偶合器與電機(jī)及液力偶合器與工作機(jī)共同工作的匹配原則，并在此基礎(chǔ)上著重分析了液力偶合器與電機(jī)及工作機(jī)聯(lián)合工作的起動過程、聯(lián)合工作起動時間的計算及聯(lián)合工作時偶合器輸出力矩隨時間變化的時間歷程曲線。分析結(jié)果對液力偶合器的選型及與電機(jī)及工作機(jī)的合理匹配具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞:液力偶合器電機(jī)特性曲線聯(lián)合工作時間歷程

中圖分類號：TH137.331文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA062002)。

作者簡介：祁建(1982-)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事大型露天礦用設(shè)備研究。

收稿日期：2015-04-16

Analysis of the hydrodynamic coupling working together with electrical machinery and working machine

QI Jian，LI Xuan，HUO Guang，CHE Yongshun

Abstract:Hydrodynamic coupling is a widely employed transmission component. It has the characteristics of improving starting performance and overload protection. Based on the relationship of several kinds of performance curve of hydrodynamic coupling and the characteristics of electrical machinery, this paper introduces the matching principle of hydrodynamic coupling working together with electrical machinery and working machine separately, and analyzes emphatically the starting course of the hydrodynamic coupling working together with the electrical machinery and working machine, calculates the starting time and the hydrodynamic coupling time history curve of output torque. The result provides reference for the type-selecting of hydrodynamic coupling and rational matching of hydrodynamic fluid coupling working together with electrical machinery and working machine.

Keywords:hydrodynamic coupling; electrical machinery; characteristic curve; combined working ; time history

0引言

液力偶合器是一種在工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的傳動元件，連接在電機(jī)與工作機(jī)之間，但與聯(lián)軸器的剛性連接明顯不同，它屬于一種柔性連接，它具有改善起動性能、過載保護(hù)、節(jié)能等特性。通過對液力偶合器常用特性及電機(jī)特性的了解，得出液力偶合器與電機(jī)、偶合器與工作機(jī)的匹配原則，分析了三者聯(lián)合工作的起動過程、起動時間及偶合器輸出力矩時間歷程曲線，對液力偶合器的選型及與電機(jī)、工作機(jī)的合理匹配具有借鑒作用。

1液力偶合器的特性

液力偶合器的特性可用其外特性曲線、原始特性曲線及輸入特性曲線表示[1]。

圖1　偶合器外特性曲線

液力偶合器外特性曲線表示液力偶合器在牽引工況下，泵輪轉(zhuǎn)速nb為定值的情況下，渦輪輸出力矩Mt、效率η與輸出轉(zhuǎn)速nt的關(guān)系曲線。不同規(guī)格、不同充液率的液力偶合器其外特性曲線不相同。見圖1。

原始特性曲線表示液力偶合器泵輪力矩系數(shù)與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系曲線，即λb=f(i)，見圖2。其中：

(1)

Mb—泵輪的輸入力矩；nb—泵輪轉(zhuǎn)速；C—與偶合器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)：

C=λbρD5

(2)

圖2　偶合器原始特性曲線

確定速比i即確定C，式中ρ為液體密度，D為液力偶合器工作輪有效直徑。幾何形狀相似的同一系列液力偶合器在相似工況下，不論規(guī)格大小原始特性曲線大體相同。

輸入特性曲線表示轉(zhuǎn)速比i不變時，泵輪輸入力矩Mb與泵輪轉(zhuǎn)速nb的關(guān)系Mb=f(nb),即：

(3)

(4)

圖3　偶合器輸入特性曲線

當(dāng)i取不同值時(其上限為i=0，下限為i=1),可以得到一束曲線，見圖3。輸入特性曲線可以用來考察在不同轉(zhuǎn)速時，液力偶合器傳遞力矩的情況，繪制與動力機(jī)聯(lián)合工作的特性曲線，考察與動力機(jī)的匹配是否合理。其中ie=0.97為偶合器的額定工況，在此工況下運行，可獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[2]。

2電機(jī)特性曲線

圖4　電機(jī)特性曲線

電機(jī)根據(jù)自身特點可以分為很多種，交流異步電機(jī)是礦山電力拖動中應(yīng)用最廣泛的一種。其特性曲線如圖4所示。圖中Is為電機(jī)起動電流，Ie為電機(jī)額定電流，Mde為電機(jī)額定力矩，Mdmax為電機(jī)最大力矩，Mdq為電機(jī)起動力矩，n0為電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速，ne為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，其特點是[3]：

1)起動力矩Mq與最大力矩Mdmax相差較大，約為Mdmax的一半；

2)起動電流很大，通常Is/Ie=4~7，如用電機(jī)直接起動負(fù)載，因起動電流很大，當(dāng)起動時間過長時或負(fù)載慣性很大時，會燒壞電機(jī)；

3)Mdmax的右側(cè)，力矩Md隨著轉(zhuǎn)速n的增加而減小，此部分曲線為電機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)；

4)Mdmax的左側(cè)，Md隨著n的增加而增加，隨著n的減小而減小。此部分曲線為電機(jī)的非穩(wěn)定工作區(qū)；

5)Mdmax右側(cè)有一最佳工況點，即電機(jī)額定力矩所對應(yīng)的工況點，電機(jī)在此工況下運行效率最高。

3液力偶合器與電機(jī)的匹配

圖5　偶合器與電機(jī)共同工作曲線

1)應(yīng)使液力偶合器的額定工況點與電機(jī)的額定工況點重合，兩工況點重合能使偶合器和電機(jī)在較高效率下工作。但是不能盲目的追求高效率，因從偶合器原始特性看，效率越高則泵輪力矩系數(shù)λb越小，這樣將使偶合器有效直徑D增大，這將對空間受限場合的設(shè)備布置產(chǎn)生影響。

2)應(yīng)使i=0曲線與電動機(jī)特性曲線相交于峰值點右側(cè)附近，這樣可以利用電機(jī)的最大力矩Mdmax。

3)偶合器為保證其限距性能，應(yīng)使偶合器的最大過載系數(shù)emax稍小于電動機(jī)的過載系數(shù)k，一般應(yīng)使emax=(0.9~0.95)k[4]。

4)根據(jù)載荷性質(zhì)選擇液力偶合器。對于帶載荷起動的工作機(jī)，最好選擇λ0=λmax的液力偶合器，以利用電機(jī)的最大力矩起動載荷；對于阻力載荷小，慣性載荷占主要成分的工作機(jī)，可選λ0稍大于λn的液力偶合器；對于只起離合作用的，可選普通型液力偶合器，λ0≤(4~5)λn[4]。

4液力偶合器與工作機(jī)的匹配

1)按工作機(jī)軸功率選擇液力偶合器而不依電機(jī)功率來選擇液力偶合器，經(jīng)驗表明應(yīng)使工作機(jī)、液力偶合器和電機(jī)的額定功率一次遞增5%左右，即[5]：

Pg∶Py∶Pd=1.0∶1.05∶1.10

(5)

Pg為工作機(jī)功率；Py為液力偶合器功率；Pd為電機(jī)功率。

2)按工作機(jī)載荷特性選擇液力偶合器。如帶式輸送機(jī)要求起動時間長、載荷曲線平滑、過載系數(shù)低，應(yīng)選用帶后附腔的限距型液力偶合器。

3)根據(jù)工況選擇偶合器。煤礦井下必須用防爆型水介質(zhì)偶合器；露天使用須選用戶外型偶合器。

4)根據(jù)連接方式選擇偶合器。如平行傳動應(yīng)選用帶輪式偶合器；立式傳動應(yīng)選用立式偶合器。

5)多電機(jī)驅(qū)動同一工作機(jī)時實行順序延時起動可大幅度降低起動電流。如此可降低起動電流對電網(wǎng)的影響，降低變壓器負(fù)荷。

6)功率平衡及調(diào)節(jié)。多電機(jī)驅(qū)動同一工作機(jī)時，轉(zhuǎn)動快的出力大，超負(fù)荷，轉(zhuǎn)動慢的負(fù)荷不足，驅(qū)動系統(tǒng)總耗損加大。為此可調(diào)節(jié)偶合器沖液量，使之達(dá)到功率平衡。

5液力偶合器與電機(jī)及工作機(jī)聯(lián)合工作啟動過程分析

圖6(a)為電機(jī)帶偶合器泵輪起動狀態(tài)，泵輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步升速，電機(jī)輸出力矩沿曲線qm上升，若負(fù)載阻力足夠大，則泵輪沿oem(i=0)上升與電機(jī)特性曲線交與m點,此時渦輪力矩為om′，即Mt=Mdmax(Mb=Mt)，電機(jī)以其最大力矩起動負(fù)載，此為理想工況。而實際情況下如前所述選擇的電機(jī)功率要大于負(fù)載功率，同時又要考慮可能出現(xiàn)的特殊工況，因此最大負(fù)載都低于電機(jī)最大力矩。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b) 圖6　液力偶合器與電機(jī)及工作機(jī)聯(lián)合啟動特性

如圖6(a)中所示，當(dāng)泵輪沿著曲線oem上升到e點之前，此時渦輪力矩小于最大負(fù)載力矩，所以泵輪雖然逐漸加速，但渦輪并未帶動工作機(jī)起動。當(dāng)泵輪力矩Mb上升到與最大負(fù)載力矩Mzmax相等時，渦輪具備起動條件，至此為起動的第一階段(時間t1)。

圖7　偶合器輸出力矩時間 歷程曲線

當(dāng)渦輪起動之后，泵輪力矩不再沿oem上升，而是逐漸提高速比i，沿另一段曲線es一直到s點，偶合器輸出力矩Mt也相應(yīng)地沿曲線f′s′到達(dá)s′，接著電機(jī)帶泵輪一起沿電機(jī)特性曲線scb加速到b點，而渦輪帶工作機(jī)相應(yīng)地沿曲線s′c′b′加速到b′點，此為起動的第二階段(t2)，至此整機(jī)起動結(jié)束。

液力偶合器輸出力矩時間歷程曲線如圖7所示，整個起動時間t=t1+t2。t1為電機(jī)起動時間，t2為載荷起動時間。t1、t2可按下式計算[6]：

(6)

(7)

若加裝的是限矩形液力偶合器，則起動過程為不可控的軟啟動，起動時間長短取決于液力偶合器的型腔結(jié)構(gòu)和載荷狀況。加裝調(diào)速型液力偶合器則為可控的軟啟動。如無特殊要求，一般的大慣量設(shè)備選用限距型液力偶合器已可滿足要求，加裝限距型液力偶合器后起動時間通常在10 s左右，調(diào)速型液力偶合器可長達(dá)2 min。

6結(jié)語

本文從理論上闡述了液力偶合器與電機(jī)及工作機(jī)的匹配原則，以及影響其共同工作的主要因素。著重分析了三者聯(lián)合工作的起動過程、起動時間的計算及液力偶合器輸出力矩時間歷程曲線。在實際應(yīng)用中可根據(jù)不同的使用工況，通過液力偶合器輸出力矩時間歷程曲線合理匹配液力偶合器、電機(jī)及工作機(jī)，以達(dá)到預(yù)期的使用效果。

參考文獻(xiàn)

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