帶式輸送機液粘軟起動裝置動力傳遞機理研究*

李彬彬

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

目前，在煤礦井下會布置多條采煤工作平面，且多個工作平面大多采用帶式輸送機傳遞運輸物[1-3]。因輸送距離遠，輸送量大，礦用的帶式輸送機是高效煤礦高產的關鍵裝備[4-5]。

對于礦用帶式運輸裝備，大負載導致的大慣性增加了裝備軟起動難度。目前，有關軟起動技術的研究主要包括機械軟起動和電機軟起動兩大類。其中，機械軟起動有液力耦合器軟起動和液粘軟起動等；電機軟起動通過改變電機結構或電源特性，例如變頻器調速和串級調速[6-7]。

液粘軟起動相比較于其他3種方式在適應性以及節能方面都具有一定的優勢。本文分析液粘軟起動裝置的結構及軟起動過程傳遞轉矩的規律，利用MATLAB對軟起動過程中的油膜動態特性進行分析，以期為以后的液粘軟起動裝置的設計與應用提供指導。

1 結構及工作原理

1.1 液粘軟起動裝置結構

液粘軟起動裝置結構如圖1所示[1]。

圖1 液粘軟起動裝置結構1-推進油缸；2-從動軸；3-控制油口；4-彈簧；5-從動軸透蓋；6-主動片；7-對偶片；8-冷卻油口；9-主動軸透蓋；10-主動軸；11-支撐盤

液粘軟起動裝置工作時，控制油口通入控制油；推進油缸壓力提高時，活塞推動主動摩擦片向被動摩擦片方向靠近，油膜厚度減小，粘性剪切力增大，輸出轉矩增大；控制系統壓力降低時，活塞推力減小，彈簧將主被動片分隔開，油膜厚度增大，粘性剪切作用減小，輸出轉矩減小；潤滑油液由冷卻油口進入到摩擦片和對偶片之間，在摩擦副之間形成動態剪切油膜，起到冷卻、潤滑和傳遞動力的作用。

1.2 液粘軟起動裝置的傳動機理

根據牛頓內摩擦定律，離合器內部的一對摩擦副可以簡化為計算模型[9-10]，如圖2所示。

圖2 液粘傳動工作原理示意圖

其傳遞轉矩可表達為：

(1)

式中：M—傳遞轉矩，N·m；n—摩擦副組數，組；μ—動力粘度，Pa·s；h—油膜厚度，m；r1—摩擦副內徑，m；r2—摩擦副外徑，m；ω1—主動軸轉速，rad/s；ω2—被動軸轉速，rad/s。

2 軟起動過程

帶式輸送機因輸送帶本身的特性，其理想的起動過程應該符合以下條件[11]：

(1)起動時間足夠的長，使得在起動過程中的速度達到規定速度；

(2)起動時的最大加速度較??；

(3)加速度的突變小。

因此，軟起動可以使得驅動設備平順的輸送載荷給輸送帶，保證輸送帶的平穩運行。

2.1 理想起動曲線

目前，軟起動過程有兩種常見的方式[12-13]，分別為Harrision和Nordell起動，其起動曲線表達式分別為：

(1)Harrision起動曲線：

(2)

(2)Nordell起動曲線：

(3)

根據起動曲線的表達式，通過求解可得到起動曲線，如圖3所示。

圖3 Harrision和Nordell起動曲線

Harrision起動曲線：起動時的加速度數值為0；當時間到Ts/2時，加速度達到最大值，然后逐漸減小；當速度達到額定值時，加速度減為0；其加速度可由速度曲線的一階導數求得。

Nordell起動曲線：起動時的加速度也為0；當時間到Ts/2時，加速度達到峰值，然后逐漸減少；當速度達到額定值時加速度減為0。

Harrision起動曲線又稱最小加速度起動曲線，Nordell起動曲線又稱最小沖擊起動曲線[14]。兩種曲線在實際中都有應用，但由于Harrision起動曲線無加速度突變，在實際應用中被更多地采用。本文即將采用該起動速度曲線對調速起動過程進行機理分析。

2.2 液粘軟起動分析

本文選用帶式輸送機理想起動曲線計算，軟起動采用液粘軟起動，液粘軟起動過程中，其緩沖過程主要靠液壓系統的閉環控制來完成[15-16]。

根據式(1)可知，液粘傳動調速起動裝置傳遞轉矩M是輸出轉速ω2和油膜厚度h的函數，傳遞的轉矩與油膜厚度一一對應。因此，研究油膜變化的動態特性對研究液粘裝置的軟起動具有重要的參考價值。

3 油膜動態數值分析

3.1 模型建立

本文以迪卡爾坐標系研究油膜的狀態，為簡化計算，選取油膜的1/15作為研究對象。

所建立的模型如圖4所示。

圖4 油膜數值計算模型

圖4中的入口代表油液流入的入口，出口代表油液流出的出口。

根據建立的模型，可將Navier-Stocks方程[17-18]簡化為：

(4)

(5)

式中：Vx，Vy—油膜x和y方向的速度，m/s；P—油液壓力，Pa；ρ—油液密度，kg/m3。

對式(4～5)分別積分兩次，可得：

(6)

(7)

式中：Uix,Uiy(i=1,2)—摩擦片與對偶片轉速在x和y方向的分量，rad/s(其中Δω=ω1-ω2)。

根據模型積分條件，可表示為：

z=0,Vx=U1x,Vy=U1y
z=h,Vx=U2x,Vy=U2y

(8)

公式(6～7)對h分別積分，可得流量沿x和y方向的流量方程：

(9)

(10)

其中，流量方程中包括3項：第一項為壓力差流量；第二項為剪切流量；第三項為離心流量[19-20]。

油膜的連續性方程為：

(11)

由連續性方程(11)可得：

(12)

將Vx，Vy代入式(12)，并且對z進行積分可得：

(13)

該方程描述了摩擦片間油膜壓力和膜厚之間的關系。由上式可得：等號右邊的第3部分和第4部分反映的是離心力對油膜狀態的影響，而dh/dt反映的是油膜的擠壓效應產生的作用；當擠壓速度與施加的外載荷方向相同時，油膜的厚度變小(dh/dt<0)，此時產生油膜承載力。

3.2 數值參數

本文選取功率為75 kW的液粘軟起動裝置進行分析，其摩擦片溝槽數為16，相關參數如表1所示。

表1 計算參數

3.3 仿真分析

筆者根據公式(13)，求解h關于t的關系。

利用MATLAB軟件仿真分析可得起動過程中油膜厚度h變化，如圖5所示。

圖5 起動過程中油膜厚度變化

由圖5可知：起動過程中，油膜厚度隨著時間的增加而逐漸減小，前10 s內油膜厚度變化很快，此時為流體潤滑階段；到40 s時油膜厚度幾乎為0，此時為混合摩擦階段，依靠油液和摩擦副之間的接觸傳遞動力。

式(13)為液粘軟起動裝置起動過程中的瞬態雷諾方程，通過求解該方程可得油膜的壓力特性，進而可得到油膜承載力及油膜傳遞轉矩。

由計算可得其油膜的剪應力為：

(14)

(15)

式中：τx，τy—油膜在x和y方向上的剪切力，Pa(計算中應注意τx和τy的方向性)。

轉矩M計算公式為：

(16)

油膜的承載力W為：

(17)

根據式(16～17)，利用MATLAB軟件仿真可得起動過程中轉矩及油膜的承載力的分布情況，如圖6所示。

圖6 起動過程中轉矩和油膜承載力的變化情況

從圖6中可以看出：起動過程中，油膜傳遞的轉矩和動壓承載力變化規律基本一致，隨著時間的推移，扭矩和承載力逐漸增加，在起動16 s左右出現扭矩峰值和承載力峰值，而后逐漸減小。

4 結束語

本文主要介紹了液粘軟起動裝置的結構以及傳遞機理，分析了礦用帶式輸送機軟起動過程中的速度曲線；采用液粘軟起動的方式，對液粘軟起動過程中的調速過程進行了分析，利用數值分析的方法得到了油膜的動態特性，主要結論如下：

(1)液粘軟起動工作在調速過程中時，其油膜厚度隨時間為動態變化，隨起動時間的增加，油膜厚度逐漸降低，起動時間到達40 s時，油膜厚度為0，液粘軟起動裝置中的摩擦片與對偶片完全貼合，達到了同步傳動；

(2)在起動過程中，由于油膜的動態變化，油膜產生的油膜承載力與扭矩將會發生相應的變化，其中扭矩和承載力隨著起動時間的增加先增加后減小，當起動時間16 s時分別達到最大值，滿足理想曲線的起動要求。

該研究可以為液粘軟起動裝置的設計與研究提供理論基礎。