液体粘性软启动传动装置的研究

第23卷第6期煤炭学报V ol.23 No.61998年 12月JOURNAL OF CH INA COAL SOCIETY Dec. 1998液体粘性软启动传动装置的研究*张以都 张启先(北京航空航天大学)摘要 介绍了液体粘性软启动传动装置的基本原理和结构;在考虑摩擦材料多孔性的条件下,利用Navier Stokes 方程,建立了液体粘性制动器的压力分布及流量模型.因离心力的作用,摩擦片间隙具有一定的自吸能力,若供液不充分,油膜将会破裂,导致摩擦片直接接触,使液体粘性制动器无法正常工作.在进、出油口压力一定时,摩擦片转速增大,油膜压力将有所降低.随着多孔材料渗透性的增加,油液的需求量也有所增加.关键词 软启动 液体粘性传动 摩擦片 油膜中图分类号 TH 1321 液体粘性软启动传动装置概述皮带输送机和刮板输送机的 软启动 是指输送机在重载工况下可控制地逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动.皮带输送机和刮板输送机的软启动不仅能够极为有效地减小启动时传动系统对输送皮带和牵引链的破坏性张力,消除输送机启动时产生的振荡,也能大幅度减轻传动系统本身所受到的启动冲击,延长皮带、牵引链、轴承、托辊等关键部件的使用寿命,同时还能大大缩短电动机启动电流的冲击时间,减小对电动机的热冲击负荷及对电网的影响,从而节约电能并延长电动机的工作寿命.此外,通图1 液体粘性软启动传动装置Fig 1 Hydroviscous soft starting transmission 过使用 软启动 技术,在电动机的选型上将可以选用容量较小的电动机,因而也能够减少不必要的设备投资.因此,皮带输送机和刮板输送机的 软启动 技术已越来越受到管理人员和技术人员的重视.图1所示为一个由差动的两级2K -H 行星传动机构和粘性制动器组成的液体粘性软启动传动装置[2].其中的液体粘性制动器是这种传动装置的关键所在,它能够利用存在于制动摩擦片之间油膜的粘性剪切力来实现负载的软启动、无级变速、过载自动保护和多点驱动功率平衡.如图所示,输入轴1的一端与电动机(未示出)相连,另一端与第一级行星机构中的太阳轮8连接.第一级行星机构中的内齿圈5是差动的.静摩擦片3和动摩擦片4通过花键分别与箱体和内齿圈5相连.油缸2用于控制静、动摩擦片3和4的离合.当软启动传动装置开始工作时,由于摩擦片3和4尚未接合,摩擦片4将随着内齿圈5差动空转,而与输送机连接的输出轴9则收稿日期:1998-05-05*博士后基金资助项目保持静止状态.因此,电动机能够在无负载的工况下顺利地达到额定转速.之后,根据预先确定的输出轴9的加速度,通过油缸2的作用使摩擦片3和4逐渐接合.由于摩擦片3和4之间充有润滑油,因而在摩擦片之间会形成一层润滑油膜.油膜的粘性剪切力将使内齿圈5逐渐减速并最终制动,将来自电动机的动力逐渐施加到与输出轴9相连的输送机上,从而实现输送机的软启动.在合理设计的前提下,液体粘性制动器中的摩擦片往往可以免维护.此外,液体粘性制动器同时还能起到安全保护的作用.当输出轴9上的负载大于规定值时,通过液压驱动装置可使液体粘性制动器分离,从而实现对机械传动系统的过载保护.当输送机采用多点驱动时,通过比较各个软启动传动装置上输出力矩的大小,并控制软启动传动装置中液体粘性制动器的离合,可使多台传动装置的输出功率基本达到平衡,从而能够解决因电机特性或减速器传动比不匹配所带来的一系列问题.从液体粘性制动器的工作原理可以看出,与普通的两态多盘摩擦制动器不同,在工作中,液体粘性制动器并不对与其相连的运动构件进行快速制动,而是主要依靠液体粘性剪切阻力使运动构件按照预定的要求逐渐减速和制动.2 液体粘性制动器的压力分布及流量模型在液体粘性制动器中,由于摩擦片上的粉末冶金摩擦材料或纸基摩擦材料都是多孔材料,并且摩擦片的直径通常较大,所以在建立液体粘性制动模型时,应该同时考虑摩擦材料的渗透性以及离心力所产图2 液体粘性制动模型F ig 2 Hydro viscous braking model 生的影响.为了简化问题,在进行分析时作如下假设: 润滑油在油膜区域中的流动是层流,并且是轴对称的; 流体在多孔材料层中的流动服从Darcy 定理; 流体不可压缩,且流体特性不变; 多孔层厚度均匀,并具有渗透性; 只考虑离心力的影响; 不考虑摩擦片表面沟槽的影响.图2是由一对静止摩擦片和运动摩擦片组成的液体粘性制动模型.其中,静止摩擦片上附有多孔摩擦材料,运动摩擦片的转动角速度为 .根据上述假设,摩擦片之间流体的连续方程和NavierStokes 方程[3]可简化为1r r (r u)+ w z =0,(1)2u z 2=1 d p d r - v 2 r.(2)流体的切向速度为v =1-z h 后基r .(3) 将式(3)代入式(2),对z 积分两次,并代入z =0和z =h 时的速度边界条件,可得到流体的径向流速计算公式为u =z 2 (z -h)d p d r + r 2h 2-z +2z 23h -z 36h 2+u z h ,(4)式中,u 为多孔材料区域与油膜区域的交界面处流体的径向流速.由于多孔摩擦材料中的流体服从Darcy 定理,这部分流体的径向流速可表示为659第6期 张以都等:液体粘性软启动传动装置的研究u =- p r.(5)与油膜区域中的流体连续方程式(1)相似,多孔区域中的连续方程为1r r (r u)+ w z=0.(6) 由于多孔摩擦材料厚度方向的尺寸通常较小,因此,可以假设流体的轴向速度在z 方向的变化率 w z =0.将式(5)代入式(6),并对r 进行积分,可得到p =c 1ln r =c 2.(7) 由摩擦片外径和内径处的压力边界条件:p (a)=p out 和p (b)=p i n ,从而能够得到多孔材料区域中流体的压力分布函数为p =1ln (a b)(p in -p out )ln a r +p out ,(8)式中,p i n 和p out 分别是流体的入口和出口压力.将式(8)代入式(5),则可求出多孔材料区域中流体的径向流动速度为u =p in -p out r ln (a b).(9) 所以,油膜区域中流体的流动速度为u =z 2 (z -h)d p d r+ r 2h 2-z +2z 23h -z 36h 2 (+ p i n -p out h ln (a b)z r .(10)对于油膜区域和多孔区域来说,流体的流量计算式应分别为Q =2 rh 0u d z ,Q =2 r h+H h u d z .(11)将式(10)和式(9)分别代入式(11)并积分,可得Q =- h 3r 6 d p d r + 2h 320r 2+ h p in -p out ln (a b).(12)Q =2 H p in -p out ln (a b ).(13)图3 油膜压力Fig 3 Oil film pressure将式(12)对r 进行积分,同时考虑r =b 时的压力边界条件,可得压力分布函数为p =320 2r 2-b 2 -6 Q h3ln r b +6 h 2p in -p out ln (a b)ln r b +p in .(14) 再将r =a 时的压力边界条件代入式(14),并经过简化整理,则得到流量计算公式为Q = h 36 ln (a b )p in -p out 1+6 h!+320 2a 2-b 2为电止点.(15)从式(14)中可以看出,油膜区域中压力p 的分布和大小主要受两个因素的影响,它们分别是离心力的影响和流体静压的影响.如果不考虑流体的离心力( =0),并假设流体为自由流体(p i n =p out =0),则在摩擦片之间无法建立油膜压力,此时油膜的承载能力也将为零.所以,只有当所提供的流体具有一定压力或摩擦片之间的滑差不为零时,在摩擦片之间才能建立起具有一定压力的油膜.图3是当摩擦片入口和出口压力p in =p out =0时,油膜660煤 炭 学 报1998年第23卷区域中流体的压力分布曲线.从图中可以看出,由于没有提供具有一定压力的油液,在离心力的作用下,油膜压力将表现为负压.此时,如果供液不充分,油膜将会破裂,从而出现摩擦片直接接触的现象.而在充分供液的情况下,摩擦片间隙将具有一定的自吸能力.因此,为了保证液体粘性制动器中的摩擦片之间能够有效地形成油膜,应该在摩擦片的入口处(通常为摩擦片的内径处)提供具有一定压力和流量的润滑油.由式(14)可知,当其它条件不变时,随着摩擦片的彼此靠近(h 0),油膜压力将渐渐增大.当供油压力达到一定值以后,油膜压力分布如图4所示.图5中的曲线表示了运动摩擦片转速不同时的油膜压力变化情况.图中的曲线表明,在进、出油口压力一定时,摩擦片转速的大小对油膜压力有一定的影响,转速越大,离心力越大,同时负压也越大,因此油膜压力将有所降低.图4 当h 0时的油膜压力分布Fig 4 Oil film pressur e distributio n w hen h0图5 转速对油膜压力的影响F ig 5 Influence of speed on oil film pressur e图6表示了油膜区域中的流量在摩擦片接合过程中的变化关系,以及多孔材料渗透性对流量的影响.从图中可以看出,随着制动时间的延长,所需流量逐渐减小,并且随着多孔材料渗透性的增加,所需要的流量也有所增长.图6 渗透性对流量的影响F ig 6 I nfluence of permeability on oil quantity 图7 多孔区域油膜压力F ig 7 Oil film pressure in porous ar ea图7是摩擦片多孔材料区域中流体的压力分布曲线.从图中可以看出,压力曲线形状与油膜区域中流体的压力曲线相似.其压力的分布和大小与进、出油口的压力差有很大关系,压力差越大,曲线斜率661第6期 张以都等:液体粘性软启动传动装置的研究662煤 炭 学 报 1998年第23卷也将越大.3 结 论(1)在离心力的作用下,液体粘性摩擦片的间隙具有一定的自吸能力,如果不对摩擦片提供具有一定压力的油液,油膜压力将为负压.在供液不充分的条件下,油膜将会破裂,从而出现摩擦片直接接触的现象.因此,为了保证在摩擦片之间能够有效地形成油膜,应在摩擦片的入口处提供具有一定压力和流量的润滑油.(2)在进、出油口压力一定时,摩擦片转速的大小对油膜压力有一定影响,转速越大,离心力越大,同时负压也越大,因此油膜压力将有所降低.(3)随着多孔材料渗透性的增加,所需要的流量将有所增加.参考文献1 张以都.新型液体粘性软启动传动装置的研究:[学位论文].北京:北京航空航天大学,19952 张以都.一种用于运输机的传动装置.中国发明专利,94100657 3.1996-01-073 Wu Hai.T he squeeze film betw een rotat ing porous annula disks.Wear,1971(18):461~470作者简介张以都,男,博士,副教授.1993年毕业于中国矿业大学北京研究生部,获博士学位.1995年从北京航空航天大学机械学博士后流动站出站.现从事机械传动及机电一体化方面的教学和科研工作.北京海淀区学院路北京航天航空大学机械设计及自动化系,邮政编码:100083.RESEARCH O F HYDRO VISC OUS SOFT STARTING TRANSMISSIO NZhang Yidu Zhang Qixian(Beijing University of A eronau tic s and Astronautics)Abstract The structure of the new ly developed hydroviscous soft starting transm ission is introduced. T he pressure and flow quantity model of the hydrov iscous brake,which is made of porous materials,is built by the Nav ier Stokes equation.With the centrifugal effect,the gaps betw een friction disks have certain oil sucking ability.If the oil is not supplied sufficiently the oil film w ill be broken and the disks w ill contact di rectly.With the increase of the disk rotating speed,the o il film pressure w ill be reduced.T he higher the per meability of porous materials,the more the oil is needed.Keywords soft starting,hydroviscous brake,friction disk,oil film。