液力偶合器与电机及工作机联合工作分析

液力偶合器与电机及工作机联合工作分析*

祁建,李宣,霍光,车永顺

(北方重工集团有限公司设计研究院，辽宁沈阳110141)

摘要：液力偶合器是一种应用十分广泛的通用传动元件。具有改善起动性能、过载保护等特性。将液力偶合器的几种常用特性曲线与电机的特性联系起来，分别介绍了液力偶合器与电机及液力偶合器与工作机共同工作的匹配原则，并在此基础上着重分析了液力偶合器与电机及工作机联合工作的起动过程、联合工作起动时间的计算及联合工作时偶合器输出力矩随时间变化的时间历程曲线。分析结果对液力偶合器的选型及与电机及工作机的合理匹配具有借鉴意义。

关键词:液力偶合器电机特性曲线联合工作时间历程

中图分类号：TH137.331文献标识码：A

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA062002)。

作者简介：祁建(1982-)，男，工学硕士，工程师，主要从事大型露天矿用设备研究。

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

液力偶合器是一种在工业生产中普遍使用的传动元件，连接在电机与工作机之间，但与联轴器的刚性连接明显不同，它属于一种柔性连接，它具有改善起动性能、过载保护、节能等特性。通过对液力偶合器常用特性及电机特性的了解，得出液力偶合器与电机、偶合器与工作机的匹配原则，分析了三者联合工作的起动过程、起动时间及偶合器输出力矩时间历程曲线，对液力偶合器的选型及与电机、工作机的合理匹配具有借鉴作用。

1液力偶合器的特性

液力偶合器的特性可用其外特性曲线、原始特性曲线及输入特性曲线表示[1]。

图1　偶合器外特性曲线

液力偶合器外特性曲线表示液力偶合器在牵引工况下，泵轮转速nb为定值的情况下，涡轮输出力矩Mt、效率η与输出转速nt的关系曲线。不同规格、不同充液率的液力偶合器其外特性曲线不相同。见图1。

原始特性曲线表示液力偶合器泵轮力矩系数与转速比的关系曲线，即λb=f(i)，见图2。其中：

(1)

Mb—泵轮的输入力矩；nb—泵轮转速；C—与偶合器结构有关的常数：

C=λbρD5

(2)

图2　偶合器原始特性曲线

确定速比i即确定C，式中ρ为液体密度，D为液力偶合器工作轮有效直径。几何形状相似的同一系列液力偶合器在相似工况下，不论规格大小原始特性曲线大体相同。

输入特性曲线表示转速比i不变时，泵轮输入力矩Mb与泵轮转速nb的关系Mb=f(nb),即：

(3)

(4)

图3　偶合器输入特性曲线

当i取不同值时(其上限为i=0，下限为i=1),可以得到一束曲线，见图3。输入特性曲线可以用来考察在不同转速时，液力偶合器传递力矩的情况，绘制与动力机联合工作的特性曲线，考察与动力机的匹配是否合理。其中ie=0.97为偶合器的额定工况，在此工况下运行，可获得最佳技术经济指标[2]。

2电机特性曲线

图4　电机特性曲线

电机根据自身特点可以分为很多种，交流异步电机是矿山电力拖动中应用最广泛的一种。其特性曲线如图4所示。图中Is为电机起动电流，Ie为电机额定电流，Mde为电机额定力矩，Mdmax为电机最大力矩，Mdq为电机起动力矩，n0为电机临界转速，ne为电机额定转速，其特点是[3]：

1)起动力矩Mq与最大力矩Mdmax相差较大，约为Mdmax的一半；

2)起动电流很大，通常Is/Ie=4~7，如用电机直接起动负载，因起动电流很大，当起动时间过长时或负载惯性很大时，会烧坏电机；

3)Mdmax的右侧，力矩Md随着转速n的增加而减小，此部分曲线为电机的稳定工作区；

4)Mdmax的左侧，Md随着n的增加而增加，随着n的减小而减小。此部分曲线为电机的非稳定工作区；

5)Mdmax右侧有一最佳工况点，即电机额定力矩所对应的工况点，电机在此工况下运行效率最高。

3液力偶合器与电机的匹配

图5　偶合器与电机共同工作曲线

1)应使液力偶合器的额定工况点与电机的额定工况点重合，两工况点重合能使偶合器和电机在较高效率下工作。但是不能盲目的追求高效率，因从偶合器原始特性看，效率越高则泵轮力矩系数λb越小，这样将使偶合器有效直径D增大，这将对空间受限场合的设备布置产生影响。

2)应使i=0曲线与电动机特性曲线相交于峰值点右侧附近，这样可以利用电机的最大力矩Mdmax。

3)偶合器为保证其限距性能，应使偶合器的最大过载系数emax稍小于电动机的过载系数k，一般应使emax=(0.9~0.95)k[4]。

4)根据载荷性质选择液力偶合器。对于带载荷起动的工作机，最好选择λ0=λmax的液力偶合器，以利用电机的最大力矩起动载荷；对于阻力载荷小，惯性载荷占主要成分的工作机，可选λ0稍大于λn的液力偶合器；对于只起离合作用的，可选普通型液力偶合器，λ0≤(4~5)λn[4]。

4液力偶合器与工作机的匹配

1)按工作机轴功率选择液力偶合器而不依电机功率来选择液力偶合器，经验表明应使工作机、液力偶合器和电机的额定功率一次递增5%左右，即[5]：

Pg∶Py∶Pd=1.0∶1.05∶1.10

(5)

Pg为工作机功率；Py为液力偶合器功率；Pd为电机功率。

2)按工作机载荷特性选择液力偶合器。如带式输送机要求起动时间长、载荷曲线平滑、过载系数低，应选用带后附腔的限距型液力偶合器。

3)根据工况选择偶合器。煤矿井下必须用防爆型水介质偶合器；露天使用须选用户外型偶合器。

4)根据连接方式选择偶合器。如平行传动应选用带轮式偶合器；立式传动应选用立式偶合器。

5)多电机驱动同一工作机时实行顺序延时起动可大幅度降低起动电流。如此可降低起动电流对电网的影响，降低变压器负荷。

6)功率平衡及调节。多电机驱动同一工作机时，转动快的出力大，超负荷，转动慢的负荷不足，驱动系统总耗损加大。为此可调节偶合器冲液量，使之达到功率平衡。

5液力偶合器与电机及工作机联合工作启动过程分析

图6(a)为电机带偶合器泵轮起动状态，泵轮与电机转子同步升速，电机输出力矩沿曲线qm上升，若负载阻力足够大，则泵轮沿oem(i=0)上升与电机特性曲线交与m点,此时涡轮力矩为om′，即Mt=Mdmax(Mb=Mt)，电机以其最大力矩起动负载，此为理想工况。而实际情况下如前所述选择的电机功率要大于负载功率，同时又要考虑可能出现的特殊工况，因此最大负载都低于电机最大力矩。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b) 图6　液力偶合器与电机及工作机联合启动特性

如图6(a)中所示，当泵轮沿着曲线oem上升到e点之前，此时涡轮力矩小于最大负载力矩，所以泵轮虽然逐渐加速，但涡轮并未带动工作机起动。当泵轮力矩Mb上升到与最大负载力矩Mzmax相等时，涡轮具备起动条件，至此为起动的第一阶段(时间t1)。

图7　偶合器输出力矩时间 历程曲线

当涡轮起动之后，泵轮力矩不再沿oem上升，而是逐渐提高速比i，沿另一段曲线es一直到s点，偶合器输出力矩Mt也相应地沿曲线f′s′到达s′，接着电机带泵轮一起沿电机特性曲线scb加速到b点，而涡轮带工作机相应地沿曲线s′c′b′加速到b′点，此为起动的第二阶段(t2)，至此整机起动结束。

液力偶合器输出力矩时间历程曲线如图7所示，整个起动时间t=t1+t2。t1为电机起动时间，t2为载荷起动时间。t1、t2可按下式计算[6]：

(6)

(7)

若加装的是限矩形液力偶合器，则起动过程为不可控的软启动，起动时间长短取决于液力偶合器的型腔结构和载荷状况。加装调速型液力偶合器则为可控的软启动。如无特殊要求，一般的大惯量设备选用限距型液力偶合器已可满足要求，加装限距型液力偶合器后起动时间通常在10 s左右，调速型液力偶合器可长达2 min。

6结语

本文从理论上阐述了液力偶合器与电机及工作机的匹配原则，以及影响其共同工作的主要因素。着重分析了三者联合工作的起动过程、起动时间的计算及液力偶合器输出力矩时间历程曲线。在实际应用中可根据不同的使用工况，通过液力偶合器输出力矩时间历程曲线合理匹配液力偶合器、电机及工作机，以达到预期的使用效果。

参考文献

[1]刘肖健, 陈俊. 液力偶合器运行特性的计算机仿真[J].起重运输机械，1999，8：8-10

[2]姚良知. 异步电动机、液力偶合器、工作机的合理匹配[J].山东矿业学院学报，1986，3：50-55

[3]黄德中, 梁江平. 电动机、液力偶合器与泵或风机的匹配[J].水利电力施工机械，1998，20(2)：28-31

[4]庄严，邓开陆，王峰. 液力偶合器与电机联合运行的特性及影响因素分析[J].煤矿机械，2009，30(1)：89-92

[5]严进，董芳，姜连军，李杰. 限距型液力偶合器匹配选型常见问题探讨[J].流体传动与控制，2006，3：34-36

[6]万力，杨胜利. 装有液力偶合器的起重机运行机构的设计计算[J].起重运输机械，1992，2：7-12