液力偶合器與電機及工作機聯合工作分析

液力偶合器與電機及工作機聯合工作分析*

祁建,李宣,霍光,車永順

(北方重工集團有限公司設計研究院，遼寧沈陽110141)

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

關鍵詞:液力偶合器電機特性曲線聯合工作時間歷程

中圖分類號：TH137.331文獻標識碼：A

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

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

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生產中普遍使用的傳動元件，連接在電機與工作機之間，但與聯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、節能等特性。通過對液力偶合器常用特性及電機特性的了解，得出液力偶合器與電機、偶合器與工作機的匹配原則，分析了三者聯合工作的起動過程、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、工作機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，泵輪轉速nb為定值的情況下，渦輪輸出力矩Mt、效率η與輸出轉速nt的關系曲線。不同規格、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與轉速比的關系曲線，即λb=f(i)，見圖2。其中：

(1)

Mb—泵輪的輸入力矩；nb—泵輪轉速；C—與偶合器結構有關的常數：

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，不論規格大小原始特性曲線大體相同。

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

(3)

(4)

圖3　偶合器輸入特性曲線

當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速時，液力偶合器傳遞力矩的情況，繪制與動力機聯合工作的特性曲線，考察與動力機的匹配是否合理。其中ie=0.97為偶合器的額定工況，在此工況下運行，可獲得最佳技術經濟指標[2]。

2電機特性曲線

圖4　電機特性曲線

電機根據自身特點可以分為很多種，交流異步電機是礦山電力拖動中應用最廣泛的一種。其特性曲線如圖4所示。圖中Is為電機起動電流，Ie為電機額定電流，Mde為電機額定力矩，Mdmax為電機最大力矩，Mdq為電機起動力矩，n0為電機臨界轉速，ne為電機額定轉速，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，如用電機直接起動負載，因起動電流很大，當起動時間過長時或負載慣性很大時，會燒壞電機；

3)Mdmax的右側，力矩Md隨著轉速n的增加而減小，此部分曲線為電機的穩定工作區；

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

5)Mdmax右側有一最佳工況點，即電機額定力矩所對應的工況點，電機在此工況下運行效率最高。

3液力偶合器與電機的匹配

圖5　偶合器與電機共同工作曲線

1)應使液力偶合器的額定工況點與電機的額定工況點重合，兩工況點重合能使偶合器和電機在較高效率下工作。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備布置產生影響。

2)應使i=0曲線與電動機特性曲線相交于峰值點右側附近，這樣可以利用電機的最大力矩Mdmax。

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

4)根據載荷性質選擇液力偶合器。對于帶載荷起動的工作機，最好選擇λ0=λmax的液力偶合器，以利用電機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，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的匹配

1)按工作機軸功率選擇液力偶合器而不依電機功率來選擇液力偶合器，經驗表明應使工作機、液力偶合器和電機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為工作機功率；Py為液力偶合器功率；Pd為電機功率。

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

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

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

5)多電機驅動同一工作機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的影響，降低變壓器負荷。

6)功率平衡及調節。多電機驅動同一工作機時，轉動快的出力大，超負荷，轉動慢的負荷不足，驅動系統總耗損加大。為此可調節偶合器沖液量，使之達到功率平衡。

5液力偶合器與電機及工作機聯合工作啟動過程分析

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

(a)　　　　　　　　　　　　　(b) 圖6　液力偶合器與電機及工作機聯合啟動特性

如圖6(a)中所示，當泵輪沿著曲線oem上升到e點之前，此時渦輪力矩小于最大負載力矩，所以泵輪雖然逐漸加速，但渦輪并未帶動工作機起動。當泵輪力矩Mb上升到與最大負載力矩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也相應地沿曲線f′s′到達s′，接著電機帶泵輪一起沿電機特性曲線scb加速到b點，而渦輪帶工作機相應地沿曲線s′c′b′加速到b′點，此為起動的第二階段(t2)，至此整機起動結束。

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構和載荷狀況。加裝調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，調速型液力偶合器可長達2 min。

6結語

本文從理論上闡述了液力偶合器與電機及工作機的匹配原則，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。在實際應用中可根據不同的使用工況，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、電機及工作機，以達到預期的使用效果。

參考文獻

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[2]姚良知. 異步電動機、液力偶合器、工作機的合理匹配[J].山東礦業學院學報，1986，3：50-55

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[6]萬力，楊勝利. 裝有液力偶合器的起重機運行機構的設計計算[J].起重運輸機械，1992，2：7-12