新型叶片式静液压耦合器.pdf

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Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s / No . 1 1 .2 0 1 5 d o i l O . 3 9 6 9 / j 。 i s s n . 1 0 0 8 0 8 1 3 . 2 0 1 5 . 1 1 . 0 2 1 新型叶片式静液压耦合器 程旭华, 贾跃虎, 安高成, 丁小宁, 刘 薇 太原科技大学 机械工程学院, 山西 太原 0 3 0 0 2 4 摘 要 现有液力耦合器是通过油液动量矩的循环变化来实现动力传递 , 其功率的传递必须依赖于转差率 , 这种以功率损失为前提的 传动元件有着一定的改良空间。针对这点问题 , 借鉴液压传动的优点 , 基于叶片泵的结构提出了一种新型叶片式静液压耦合器 , 并对 该耦合器的结构组成、 工作原理 、 特点进行了分析 , 理论上证明了叶片式静液压耦合器具有尺寸小、 重量轻、 结构紧凑的特点, 可实现 空载启动、 过载保护和吸收冲击等功能 , 是一种创新的传动方式, 具有很高的工程应用价值和广阔的应用前景。 关键词 液力传动; 液压传动; 耦合器 ; 叶片泵 中图分类号 T H1 3 7 . 3 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 l 1 0 0 6 5 0 3 Ne w Bl a d e T y p e Hy d r o d y n a mi c Co u p l e r CHENGXu h u a, J I A Y u e - h u。 AN Ga o c h e n DI NGXi n o - n i n g , L I Uwe i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 , C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c o u p l i n g i s t h r o u g h t he o i l l i q u i d mo me n t u m c y c l e c h a n g e s t o r e a l i z e p o we r t r a n s mi s s i o n . Th e p o we r t r a n s f e r mu s t b e d e p e n d e n t o n t h e r e v o l u t i o n a l s l i p ,the t r a n s mi s s i o n e l e me n t b a s e d o n t h e p o we r l o s s h a s c e r t a i n s p a c e f o r i mp r o v e me n t .I n v i e w o f thi s p r o b l e m , l e a r n f r o m t h e a d v an t a g e s o f h y dra u l i c t r ans mi s s i o n ,a n e w t y p e o f v ane t y p e h y dro s t a t i c c o u p l e r i s i n v e n t e d . Th e s t r u c t u r e c o mp o s i t i o n , o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n d t h e f e a t u r e s o f t h e c o u p l e r a r e a n a l y z e d . F i n a l l y p r o v e d i t i s s ma l l i n s i z e , l i g h t we i g ht , c o mp a c t s t r u c - t u r e . I t C an r e a l i z e n o . 1 o a d s t a r t i n g , o v e r l o a d p r o t e c t i o n , and t o a b s o r b s h o c k ,and o the r f u n c t i o n s . I t i s an i n n o v a t i v e wa y o f t r an s mi s s i o n , h a s the v e r y h i gh a p p l i c a t i o n v a l u e a n d b r o a d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s . Ke y wo r d s h y dro d y n a mi c p o we r tr a n s mi s s i o n ; h y dra u l i c t r ans mi s s i o n ; c o u p l e r ; v a n e p u mp O 引言 液力耦合器作为现代工业传动的一种元件 , 利用 液体的动量矩来传递动力, 能够实现空载启动、 过载保 护和吸收冲击的功能, 具有广泛的用途。但其功率的 传递必须依赖于转差率而产生的一些问题也限制了其 应用空间。 本文是在液力耦合器所具备的工作特性基础上, 基于静液压传动 , 创新地提出了基于双作用子母叶片 泵泵芯结构上的新型叶片式静液压耦合器, 在理论上 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 - 0 6 作者简介 程旭华 1 9 8 8 一 , 男, 山西运城人, 硕士, 研究方向 高性能液 压元件 。 对其工作原理进行了分析, 并与普通型液力耦合器做 了相关的性能对比, 理论上证明了新型液压耦合器在 满足传统液力耦合器功能的基础上 , 还具有其他一系 列的优点。 1 叶片式静液压耦合器的结构组成、 原 理及其特点 1 . 1叶片式静液压耦合器结构组成 见图1 、 2 及其剖 面 图 见图3 如图1 所示, 叶片式静液压耦合器主要由前盖、 输人 轴、 泵芯、 后盖、 输出轴、 固定在耦合器四周的溢流阀块、 补油阀块、 缓冲阀块、 补油阀块及附属零件组成, 其中 控制技术, 使系统达到较高的控制精度并实现冲程和 冲次无级调节。通过主要参数分析计算 , 验证了该系 统显著的节能效果 。 参考文献 [ 1 ] 薄涛. 中国液压抽油机的发展概况与技术水平[ J ] . 钻采工 艺 , 2 0 0 2 , 2 5 2 6 0 6 2 . [ 2 】 苟昊. 国外液压抽油机的发展概况与技术水平[ J 】 I 新疆石油 科技 , 2 0 0 1 , 1 1 1 6 2 6 3 . 【 3 】 王宣银 , 李尚义, 刘庆和. 单阀双非对称缸反向驱动同步控 . -4 - - 制【 J ] . 机床与液压, 1 9 9 4 , 2 7 3 - 7 6 . [ 4 】 张忠远, 王峰. 液压节能技术【 M] . 北京 清华大学出版社, 2 0 1 2 . [ 5 】 黎兽柏. 电液比例控制与数字控制系统【 MJ . 北京 机械工业 出版社 , 1 9 9 7 . 【 6 ] 路甬祥 , 俞浙青, 吴根茂. 功率回收型液压抽油机的设计原 理[ J 】 . 石油机械, 1 9 9 5 , 2 3 2 4 2 4 5 , 5 4 . [ 7 】 林洋. 节能型液压采油系统的研究[ D 】 , 沈阳 东北大学, 2 0 1 2 . [ 8 】 沈兴全. 液压传动与控制【 M ] . 北京 国防工业出版社, 2 0 1 3 . [ 9 】 周恩涛, 徐学新. 液压系统设计元器件选型手册[ M】 . 北京 机械工业出版社 , 2 0 0 7 . 6 5 液 压 气 动 与 密 封 /2 01 5.年 第 1 1 期 缓 冲阔块 前盖 补油阀块 缓冲阀块 溢流阀块 厩盖 输出轴 泵芯 流量 阀块 图1叶片式静液压耦合器爆炸示意图 图2泵芯结构示意图 前腔 孔道二 限速切断阀 后腔孔道二 后腔 输入轴 油封 前支撑轴承 前盖 前腔 孔道一 补油阀 前配流盘 后腔孔道一 后配流盘 后支撑轴承 输出轴 图 3 叶片式静液压耦器 剖面 图 1 泵芯部分如图2 所示、 采用 V Q系列双作用子 母叶片泵的泵芯结构, 主要由前后盖、 前后配流盘、 定 子、 转子 、 叶片、 螺栓、 销钉组成 ; 2 输入轴与转子连接在一起, 耦合器其余部件通 过螺栓、 销钉连接成一体; 3 这种叶片式静液压旋转耦合器工作时, 转子的 输人轴端与原动机连接 , 后端盖上的输出轴端与负载 连接, 工作前耦合器内部充满液体, 溢流阀根据负载情 况调定 。 1 . 2 工作原理 图4 原动机连接输入轴带动转子旋转 , 转子上的各叶 片顶部紧贴定子内型腔 , 叶片大侧面与转子矩形槽形 成间隙密封 , 叶片小侧面与两面的前后配流盘端面也 形成间隙密封 , 这样转子上每两个相邻叶片、 转子外 圆、 定子型腔、 两个配流盘之间构成一个封闭区域。 每个封闭区域通过定子型腔过渡段曲面, 由大直 径圆弧段向小直径圆弧段方向转动时, 该封闭区域的 容积有随着旋转方向减小的趋势 , 则在该封闭区域内 的液体形成压力 , 该压力对定子产生力矩 , 驱动定子跟 随转子旋转, 从而使与定子固定在一体的后端盖的输 出轴端旋转 , 将运动由原动机耦合到负载。 为了便于理解 , 下 面将其原理放大后进行解释 , 如 图5 所示。 过渡区 低压区 定子型腔大圆弧 过渡圆弧 高压工作1 区 小 圆弧 叶片 转子 定子 高压工作2 区 图 4液压耦合器内脏结构 图 5 叶片式液压耦合器原理 详解 质量块2 对应着叶片式液压耦合器的叶片 在外 力 电机 的驱动下, 压缩液压油 , 由负载决定的高压油 液推动负载 对应着叶片式液压耦合器的定子质量块 1 以此传递扭矩 , 其产生的扭矩依赖于液压力在x轴 方向上的分量 , 因该耦合器采用的是双作用子母叶片 泵 , 所以, Y轴方 向的液压分量是对称平衡 的。 这就是这种叶片式静液压 可能存在的滑差是因 为泄漏造成的损失而不是传递功率的前提, 因此可降到 极低 旋转耦合器的基本工作原理, 旋转力矩是通过静 止的压力液体进行传递的, 所以称之为“ 静液压耦合” 。 1 . 3 叶片式静液压耦合器的特点 从结构上来看, 叶片式静液压耦合器在前后腔, 也 就是高低压腔之间并联溢流阀、 缓冲阀、 补油阀、 流量 阀, 正常工作时, 高低压被溢流阀和流量阀断开。以下 参考传统液力耦合器的特点将其归纳如下 1 其可实现空载启动 。 通过插装在流量阀块上的限速切断阀实现, 当刚 开始启动时, 耦合器内流量较小, 油液通过限速切断阀 在耦合器内形成内循环 , 当流量逐渐增大到正常转速 时 , 限速切断阀切断 , 从而实现空载启动。 2 可吸收冲击。 叶片式液压耦合器的输入部分与输出部分是通过 液体作用, 没有机械连接。当外部载荷出现波动时, 这 些振动可以被缓冲阀或液体所具有的压缩能力吸收。 3 过载保护 陛能好 , 安全性更高 。 传统的液力耦合器 , 它虽然具有缓和冲击振动的 优点, 但是在较低传动比的工况下没有限矩作用 , 力矩 负 一 传统液力耦合器的适用范围。在要求发热小、 防火要 求 比较严格 的煤矿井下或化工厂 、 原动机额定转速较 低 和转 速 范 围较 宽 的场合 、 对 噪声控 制要 求较 高场 合。总之, 新型静液压耦合器, 在满足传统液力耦合器 功能的前提下, 因其具备静压传动的一些优异特性, 可 大大拓宽耦合器传动的领域 , 下图6 为该耦合器样机 试验部分正在准备中, 具体情况另文叙述 。 值相当大, 其零速力矩可达额定力矩的6 7 倍, 甚至高 达 2 0 倍 , 当过载严重或者是过载不严重但是时间较长 时液体温升达到密封盒油液老化所不允许 的程度时 , 液力耦合器 的过 热保 护装置一 易熔塞 中低熔点合金融 化 , 使液力耦合器向外喷油而中断运行 , 这样如果不按 规定维护使用易熔塞时, 易发生喷油着火事故。 叶片式静液压耦合器, 有起缓冲负载冲击的缓冲 阀和起过载保护的溢流阀, 可以起到较好的缓冲和过 载保护作用, 使用也更加安全方便。 4 原动机转速范围宽。 在原动机转速较低的情况, 就液力耦合器来说, 因 其泵轮带动的油液无法产生推动涡轮旋转的动量而无 法使用。实际情况也是如此 , 液力耦合器主要运行较 高转速的场合。而对于静液压耦合器来说 , 在正常传 动时, 扭矩靠静压传递, 内部几乎没有液体流动 , 其定 子和转子间相对运动速度很小 , 只存在容积损失导致 的低速相对滑动 , 因此原动机可以在较宽的转速范围 内实现扭矩传递的作用。 5 传动比稳定 , 效率更高 普通的液力耦合器, 要传动动力, 两轮之间必须要 有滑差, 同时内部油液持续存在高低速的转换, 在传递 扭矩越大时效率越低。 而对于静液压耦合器来说, 其靠液体压力传递动 力, 其效率损失主要是内部油液的泄漏, 该泄漏量在扭 矩不变的情况下, 在整个转速范围内为定值 , 因此在转 速范围较宽的场合 , 其整体传动比更稳定 , 效率也要更 高一些 。 6 结构比较简单, 紧凑 由上述提到的发热问题, 对于大功率的液力耦合 器, 除本体外还要有一套诸如供油泵、 冷却器、 油箱等辅 助设备与管路系统, 使设备复杂化 , 价格较贵。且对于 液力耦合器来说, 当需要更大转矩时, 一般通过增大液 力耦合器的径向尺寸来实现, 这就使传动部件显得很笨 重。静液压传动的叶片式静液压耦合器则充分利用了 液压传动功率密度大的特点, 使得体积较小、 结构紧凑。 7 与原动机更容易匹配 液力耦合器存在一个较小的高效率范围, 为使得 整机达到较高的传动效率, 需要实现原动机与耦合器较 好的匹配, 因此需要调整原动机或者耦合器的参数才能 实现。静液压耦合器可以方便的通过调整溢流阀压力、 内部流量 阀等参数 , 很容易实现与原动机的匹配。 综上理论分析 , 可得液力耦合器与叶片式静液压 耦合器的性能对比如表 1 所示。 叶片式液压耦合器的这些特质都决定了其将拓宽 表1 液力耦合器、 液压耦合器的性能比对 一 图 6 叶片式液压耦合器样机 2 结束语 我国液力传动行业于2 0 世纪8 O 年代先后引进液 力耦合器和液力变矩器等多项国外先进技术, 并逐渐 形成了完整的技术体系, 出现了众多的液力元件生产 企业 , 基本上满足了国内各类机械产品的配套需求。 但整体配套能力差, 仍处于追踪国外先进技术的阶段, 创新性不足。新型叶片式静液压耦合器的提出, 从原 理和结构上给出了一个完整的方案 , 即将投入工业试 验, 相信该创新型静液压传动元件的出现必将带领液 压传动技术进入一个新的发展领域。 参考文献 【 1 】 杨乃乔. 国外液力传 动发展新动 向[ J ] . 液压气动与密封 , 2 0 1 1 , 1 0 1 3 . [ 2 】 徐灏. 机械设计手册[ M】 . 北京 机械工业出版社, 1 9 9 2 . 【 3 】 李壮云. 中国机械设计大典[ M 】 . 北京 江西科学技术出版社, 20 02 . [ 4 ] 李壮云.液压元件与系统【 M】 .北京 机械工业出版社 , 2 0 1 1 . [ 5 】 刘应诚. 液力耦合器选型匹配5 0 0 问[ M】 . 北京 化学工业出版 社, 2 0 1 0 . [ 6 】 刘应诚. 液力耦合器实用-T - M ] . 北京 冶金I l l, 出版社, 2 0 0 8 . [ 7 】 何存兴. 液压元件[ M】 . 北京 机械工业出版社, 2 0 0 8 . ’ 6 7
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