液黏調速變矩器液壓回路分析及試驗研究

駱意， 常震羅， 譚敬偉， 高俊峰

（中國船舶重工集團公司 第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

對于大型船舶來說，動力機的工作轉速通常固定不變。負載、工作轉速頻繁變化會對動力機及傳動系統中的其它中間設備造成影響，導致設備壽命大幅降低，甚至出現設備損壞、報廢等嚴重問題。變矩器可以很好地解決這個問題。它不僅可以通過改變泵輪軸轉速改變渦輪軸的輸出力矩，還可以隨著負載的變化改變輸出扭矩，自適應輸出端負載的變化。由于采用了液力傳動，它可以減少甚至隔離負載端復雜工況對動力機的影響，保護工作機，提高傳動系統的可靠性，因而在工程中其應用十分廣泛。

然而單純的液力變矩器高效工作的區間小，為了最大程度發揮液力變矩器的性能，通常在其泵能端增加調速機構。

1 液黏調速變矩器優點

一般汽車、裝載機等使用多擋變速箱組合變矩器使用。當負載增大時，可以提高變矩器輸入轉速提高輸入功率，反之亦然，保證設備的正常工作。但是，輸入轉速由變速箱擋位數量決定，擋位數量越多，操作就會更加復雜，制造成本及維護成本也大幅增加。而且由于經常需要多個擋位之間來回切換，其故障率較液黏調速離合器要高。

液黏調速變矩器主要是由液黏調速離合器及變矩器組成，它利用液黏調速離合器無級調節動力機輸出轉速，調節后的轉速作為變矩器的輸入轉速。它主要利用油膜剪切傳遞扭矩，因此摩擦片磨損很少，制造及維護成本相對要少很多。七一一所從20世紀80年代開始液黏調速變矩器的研制與開發，積累了大量的液黏調速變矩器設計、維修經驗。

2 液黏調速變矩器結構及工作原理

抓斗式挖泥船是液黏調速變矩器非常典型的一個應用，其工作流程如圖1所示。

當抓斗在旋轉過程中或者懸停位置時，液黏調速變矩器的輸出扭矩等于抓斗及泥沙的重量。當輸出扭矩大于抓斗及泥沙的總重時，抓斗就會上升或減緩下降；當輸出扭矩小于抓斗及泥沙的總重時，抓斗就會下降或減緩上升。

液黏調速變矩器的結構如圖2所示。左端是輸入端，輸入端帶動摩擦片旋轉。初始情況下摩擦片與鋼片之間間隙較大，摩擦片不能帶動鋼片旋轉。當液壓缸內充油壓緊摩擦片后，摩擦片與鋼片間隙變小，摩擦片旋轉剪切油膜帶動鋼片轉動。當油壓增大到一定值后，摩擦片與鋼片處于完全壓緊狀態，通過摩擦片與鋼片之間的靜摩擦力帶動鋼片旋轉。

圖1 液粘調速變矩器挖泥作業流程

圖2 液粘調速變矩器結構

液黏的輸出端作為變矩器的輸入端帶動泵輪B旋轉，泵輪旋轉后將動能傳給工作油，工作油在循環流動過程中將動能傳給渦輪輸出，完成動力傳遞，輸出扭矩。油液通過渦輪T后在箱體內部旋轉，進入導輪D，固定的導輪D不僅增加工作液體的速度還可以改變其流向，使油液重新進入泵輪B，從而形成了液力變矩器循環圓內的液流的封裝循環，不斷進行能量的轉換和傳遞。

3 液黏調速變矩器液壓控制系統

3.1 液壓系統簡介

液壓控制系統是液黏調速變矩器的核心，其結構如圖3所示。液黏調速變矩器液壓系統主要是由控制油回路和工作油回路2個回路組成。控制油回路控制離合器油缸油壓；工作油回路控制變矩器進油、液黏離合器冷卻進油及各軸承部件的潤滑。

圖3 液黏調速變矩器液壓系統

3.2 液壓系統分析

液黏調速變矩器液壓系統采用軸帶泵結構，控制油回路為1個單泵，工作油回路流量大，安裝了1個雙聯泵。當原動機帶動輸入端轉動后，輸入軸帶動軸帶泵齒輪工作，2個泵同時開始泵油。控制油油路的油壓PM（1.9～2.2 MPa）由多路閥設定，為了充分利用壓力油，泄油進入變矩器，作為工作油的補充進油。

經過多路閥調整的油液分5路：1路作為供給閥的進油，1路作為偏動閥的進油，1路作為倒轉畢托閥的進油，一路油進入甩油盤，還有1路作為Omega控制閥的進油。

Omega控制閥是1個電液比例閥，通過調節控制電流大小可以控制閥口開度，實現出口油壓PB（0～1.6 MPa）的調節。經過調節的油壓作為供給閥、偏動閥及變矩器出口壓力控制閥的1路控制油壓。

通過PB的控制油壓及供給閥自身調節螺柱的作用，供給閥的出口油壓PS可以實現0～2.2MPa范圍內的調節。

偏動閥的出口油壓P4為畢托閥的進口油壓，在重載工況下油壓值范圍為0.9～1.2 MPa；輕載工況下油壓范圍為 0.4～0.7 MPa。

畢托閥的出口油壓PC由于畢托管的作用會在P4的基礎上波動。當Omega控制閥發生故障不能正常工作的情況下可以通過應急閥代替。它將Omega閥的進口油壓直接作為供給閥、偏動閥及變矩器出口壓力控制閥的控制油壓，保證液黏調速變矩器的正常工作。

進入甩油盤的油隨著輸出端轉速的變化會產生相應的離心油壓，若輸出端正轉則畢托管的離心油壓PP1作為畢托閥的控制油壓，若輸出端反轉則畢托管的離心油壓PP2作為反轉畢托閥的控制油壓。

控制油回路中有一部分油作為軸承的潤滑油及液黏調速離合器的冷卻油，滑油壓力范圍為0～0.5 MPa。

工作油回路比較簡單，主要是PB及反轉畢托閥的出口油壓P3共同控制液力變矩器的出口油壓。在雙聯泵的出口端有1個溢流閥，該溢流閥泄油作為離合器的冷卻油。

圖4 液黏調速變矩器工作流程

一般情況下，其輸出軸正轉工作流程如圖4所示。

輸出軸反轉工作流程與上述過程類似。通過上述分析結合工程維修經驗發現：

1）液黏調速變矩器的控制核心O為PS與PC的調節，PS實現摩擦片壓緊，提高其帶負載能力。PC的作用主要是控制轉速的平穩變化。液壓控制系統通過液壓回路控制變矩器工作的基礎上實現了液壓反饋控制，使整個系統工作穩定。

2）多路閥主要調節控制油路的油壓，當設備使用一段時間后，往往通過調節該閥上調控制油路油壓。

3）供給閥是一個帶控制口的減壓閥，主要用于控制油缸油壓，即摩擦片壓緊油壓。其自身也可以通過調節螺母對油壓進行一定范圍的微調。

4）畢托閥主要控制Omega閥上端油壓，通過畢托管的反饋油壓控制油缸的泄油孔開度，做出適應輸出端負載變化的調節，保證液壓反饋系統的正常工作。

5）偏動閥提供畢托閥進口油壓，電磁閥是否通電決定其出口壓力大小，通電狀態下出口壓力小，不通電狀態下出口壓力大。

6）Omega控制閥是控制油路的核心閥件，主要通過電磁閥電流大小而改變輸出油壓，實現對其它閥件的控制。

7）畢托管主要提供畢托閥與倒轉畢托閥的控制油壓。其油壓變化隨輸出轉速值變化而變化。

4 試驗研究

為了驗證對液黏調速變矩器液壓控制系統的分析，使用我所雙電機試驗平臺如圖5所示。右端是輸入電機，左端是負載電機，中間是我所的YTB型液黏調速變矩器。電機與液黏調速變矩器之間均安裝轉速/扭矩傳感器及膜片聯軸器。右端輸入電機模擬動力機，左端負載電機模擬負載工況。試驗過程中，輸入電機通過調節轉速實現控制，負載電機通過調節扭矩實現控制。試驗現場裝配圖如圖6所示。

試驗前檢查各轉動件可以靈活盤動，檢查潤滑油已加入至油標尺刻度范圍內（約320 L）。跑合機器直到油箱溫度達到50℃。

圖5 負載試驗平臺

圖6 負載試驗平臺

4.1 變矩器性能測試

在挖泥作業中，控制電流是最直接的控制變量，為了驗證控制電流對液黏調速變矩器最大輸出扭矩的影響進行如下的試驗。

首先調節控制閥電流I=0 mA，使離合器處于脫開狀態。起動電機，輸入轉速升至n1=900 r/min（額定轉速為1 600 r/min，由于實驗條件限制選擇900 r/min轉速），保持此輸入轉速不變。調節Omega控制閥電流，緩慢增大。同時，增加負載電機負載（M2最大約為6 000 N·m）使輸出轉速n2=0 r/min。由此觀察液黏調速變矩器的最大輸出負載。采集試驗過程試驗數據，將試驗得到的數據進行處理，導入MATLAB，得到圖7所示曲線。

觀察圖7（b）可以發現，試驗過程中輸入電機轉速保持在900 r/min，輸出電機轉速在前27 min都是保持在零速，聯系觀察圖 7（a）、（c）可以發現，隨著電流值的增加，輸出端最大負載能力增加，當輸入轉速為900 r/min時，最大負載為4.5 kN·m。當負載一定的時候，若控制電流增加，液黏調速變矩器的輸出轉矩增加。在圖7（a）中，當負載電機轉矩值下調至1 000 N·m時，輸出轉矩大于負載，輸出端開始正轉。

觀察圖 7（d）可以發現，隨著電流的增大，PB、PS、PC的值都在增大，其變化趨勢與電流變化趨勢相符。當輸出端有轉速時，PP1開始有油壓，為了防止輸出端轉速快速上升，此時PC油壓開始出現下降，如圖7（d）所示。

在前17 min，電流的變化對最大負載能力的影響較小。接下來的5 min，電流變化很小，但是最大負載能力顯著提升，說明此時摩擦片與鋼片之間已開始接觸。在22～27 s這個過程中，隨著電流的增加，最大負載己不發生變化，說明這個過程中，摩擦片與鋼片已完全壓緊。

圖7 試驗數據處理

4.2 變矩器自適應能力模擬

由于挖泥船通常使用大型抓斗，體積較大。在抓斗起斗一瞬間和出水一瞬間，由于浮力作用影響會造成輸出端負載的突然變化。而變矩器可以自身適應這種變化，最大程度減小負載變化對原動機的影響。為了模擬該工況，調節控制閥電流I=760 mA，使離合器處于完全壓緊狀態。起動電機，輸入轉速升至n1=1 000 r/min，保持此輸入轉速不變，此時液黏調速變矩器相當于一個變矩器。

由圖8可以發現，初始狀態由于沒有負載，輸出轉速超過了輸入轉速，達到了1 167 r/min，發生了超速。

圖8 試驗數據處理

隨著負載的緩慢增大，輸入扭矩變化很小，但是輸出轉速變化很大，當負載電機扭矩增大時，輸出轉速下降，當負載電機扭矩減小時，輸出轉速上升。

5.3 反轉工況模擬

反轉工況即抓斗下放過程，在這個過程中離合器脫開，靠抓斗重量下放或鋼絲繩帶動加速下放。根據此種情況，調節控制閥電流I=0 mA，使離合器處于脫開狀態。起動電機，輸入轉速升至n1=1 600 r/min，保持此輸入轉速不變。調節負載扭矩，模擬加速下放過程。由圖9可以發現，隨著負載扭矩的增大，反轉速度增加，畢托管PP2油壓增加。反之，負載轉矩減小，反轉速度減小，畢托管PP2油壓減小。

6 結語

液黏調速變矩器利用液黏調速離合器調節原動機轉速、通過變矩器放大輸入轉矩及適應工況，通過液壓系統控制使其始終工作在最佳狀態。

通過對液黏調速離合器的液壓控制回路中各個閥件結構及其功能進行分析，證實了PS和PC是其核心控制油壓，而畢托管將輸出轉速轉化為控制油壓，作用到控制閥上，實現了液壓反饋控制，使液黏調速變矩器轉速變化穩定，保護了傳動系統中的其它設備。

圖9 試驗數據處理

利用雙電機試驗平臺完成了液黏調速變矩器調速性能試驗，通過試驗驗證了對液壓回路的分析，模擬了電流對液黏調速變矩器負載能力的影響、變矩器對外界負載變化的適應能力及反轉工況下反饋油壓的變化。試驗結果表明本文對液黏調速變矩器的相關研究是正確的，可為今后液黏調速變矩器的維護、維修提供參考與指導。

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