液黏調(diào)速變矩器液壓回路分析及試驗(yàn)研究

駱意， 常震羅， 譚敬偉， 高俊峰

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

對(duì)于大型船舶來(lái)說(shuō)，動(dòng)力機(jī)的工作轉(zhuǎn)速通常固定不變。負(fù)載、工作轉(zhuǎn)速頻繁變化會(huì)對(duì)動(dòng)力機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)中的其它中間設(shè)備造成影響，導(dǎo)致設(shè)備壽命大幅降低，甚至出現(xiàn)設(shè)備損壞、報(bào)廢等嚴(yán)重問(wèn)題。變矩器可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。它不僅可以通過(guò)改變泵輪軸轉(zhuǎn)速改變渦輪軸的輸出力矩，還可以隨著負(fù)載的變化改變輸出扭矩，自適應(yīng)輸出端負(fù)載的變化。由于采用了液力傳動(dòng)，它可以減少甚至隔離負(fù)載端復(fù)雜工況對(duì)動(dòng)力機(jī)的影響，保護(hù)工作機(jī)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，因而在工程中其應(yīng)用十分廣泛。

然而單純的液力變矩器高效工作的區(qū)間小，為了最大程度發(fā)揮液力變矩器的性能，通常在其泵能端增加調(diào)速機(jī)構(gòu)。

1 液黏調(diào)速變矩器優(yōu)點(diǎn)

一般汽車(chē)、裝載機(jī)等使用多擋變速箱組合變矩器使用。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，可以提高變矩器輸入轉(zhuǎn)速提高輸入功率，反之亦然，保證設(shè)備的正常工作。但是，輸入轉(zhuǎn)速由變速箱擋位數(shù)量決定，擋位數(shù)量越多，操作就會(huì)更加復(fù)雜，制造成本及維護(hù)成本也大幅增加。而且由于經(jīng)常需要多個(gè)擋位之間來(lái)回切換，其故障率較液黏調(diào)速離合器要高。

液黏調(diào)速變矩器主要是由液黏調(diào)速離合器及變矩器組成，它利用液黏調(diào)速離合器無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)動(dòng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速作為變矩器的輸入轉(zhuǎn)速。它主要利用油膜剪切傳遞扭矩，因此摩擦片磨損很少，制造及維護(hù)成本相對(duì)要少很多。七一一所從20世紀(jì)80年代開(kāi)始液黏調(diào)速變矩器的研制與開(kāi)發(fā)，積累了大量的液黏調(diào)速變矩器設(shè)計(jì)、維修經(jīng)驗(yàn)。

2 液黏調(diào)速變矩器結(jié)構(gòu)及工作原理

抓斗式挖泥船是液黏調(diào)速變矩器非常典型的一個(gè)應(yīng)用，其工作流程如圖1所示。

當(dāng)抓斗在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中或者懸停位置時(shí)，液黏調(diào)速變矩器的輸出扭矩等于抓斗及泥沙的重量。當(dāng)輸出扭矩大于抓斗及泥沙的總重時(shí)，抓斗就會(huì)上升或減緩下降；當(dāng)輸出扭矩小于抓斗及泥沙的總重時(shí)，抓斗就會(huì)下降或減緩上升。

液黏調(diào)速變矩器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。左端是輸入端，輸入端帶動(dòng)摩擦片旋轉(zhuǎn)。初始情況下摩擦片與鋼片之間間隙較大，摩擦片不能帶動(dòng)鋼片旋轉(zhuǎn)。當(dāng)液壓缸內(nèi)充油壓緊摩擦片后，摩擦片與鋼片間隙變小，摩擦片旋轉(zhuǎn)剪切油膜帶動(dòng)鋼片轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)油壓增大到一定值后，摩擦片與鋼片處于完全壓緊狀態(tài)，通過(guò)摩擦片與鋼片之間的靜摩擦力帶動(dòng)鋼片旋轉(zhuǎn)。

圖1 液粘調(diào)速變矩器挖泥作業(yè)流程

圖2 液粘調(diào)速變矩器結(jié)構(gòu)

液黏的輸出端作為變矩器的輸入端帶動(dòng)泵輪B旋轉(zhuǎn)，泵輪旋轉(zhuǎn)后將動(dòng)能傳給工作油，工作油在循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中將動(dòng)能傳給渦輪輸出，完成動(dòng)力傳遞，輸出扭矩。油液通過(guò)渦輪T后在箱體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入導(dǎo)輪D，固定的導(dǎo)輪D不僅增加工作液體的速度還可以改變其流向，使油液重新進(jìn)入泵輪B，從而形成了液力變矩器循環(huán)圓內(nèi)的液流的封裝循環(huán)，不斷進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。

3 液黏調(diào)速變矩器液壓控制系統(tǒng)

3.1 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液壓控制系統(tǒng)是液黏調(diào)速變矩器的核心，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。液黏調(diào)速變矩器液壓系統(tǒng)主要是由控制油回路和工作油回路2個(gè)回路組成?？刂朴突芈房刂齐x合器油缸油壓；工作油回路控制變矩器進(jìn)油、液黏離合器冷卻進(jìn)油及各軸承部件的潤(rùn)滑。

圖3 液黏調(diào)速變矩器液壓系統(tǒng)

3.2 液壓系統(tǒng)分析

液黏調(diào)速變矩器液壓系統(tǒng)采用軸帶泵結(jié)構(gòu)，控制油回路為1個(gè)單泵，工作油回路流量大，安裝了1個(gè)雙聯(lián)泵。當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)后，輸入軸帶動(dòng)軸帶泵齒輪工作，2個(gè)泵同時(shí)開(kāi)始泵油。控制油油路的油壓PM（1.9～2.2 MPa）由多路閥設(shè)定，為了充分利用壓力油，泄油進(jìn)入變矩器，作為工作油的補(bǔ)充進(jìn)油。

經(jīng)過(guò)多路閥調(diào)整的油液分5路：1路作為供給閥的進(jìn)油，1路作為偏動(dòng)閥的進(jìn)油，1路作為倒轉(zhuǎn)畢托閥的進(jìn)油，一路油進(jìn)入甩油盤(pán)，還有1路作為Omega控制閥的進(jìn)油。

Omega控制閥是1個(gè)電液比例閥，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電流大小可以控制閥口開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)出口油壓PB（0～1.6 MPa）的調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的油壓作為供給閥、偏動(dòng)閥及變矩器出口壓力控制閥的1路控制油壓。

通過(guò)PB的控制油壓及供給閥自身調(diào)節(jié)螺柱的作用，供給閥的出口油壓PS可以實(shí)現(xiàn)0～2.2MPa范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。

偏動(dòng)閥的出口油壓P4為畢托閥的進(jìn)口油壓，在重載工況下油壓值范圍為0.9～1.2 MPa；輕載工況下油壓范圍為 0.4～0.7 MPa。

畢托閥的出口油壓PC由于畢托管的作用會(huì)在P4的基礎(chǔ)上波動(dòng)。當(dāng)Omega控制閥發(fā)生故障不能正常工作的情況下可以通過(guò)應(yīng)急閥代替。它將Omega閥的進(jìn)口油壓直接作為供給閥、偏動(dòng)閥及變矩器出口壓力控制閥的控制油壓，保證液黏調(diào)速變矩器的正常工作。

進(jìn)入甩油盤(pán)的油隨著輸出端轉(zhuǎn)速的變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的離心油壓，若輸出端正轉(zhuǎn)則畢托管的離心油壓PP1作為畢托閥的控制油壓，若輸出端反轉(zhuǎn)則畢托管的離心油壓PP2作為反轉(zhuǎn)畢托閥的控制油壓。

控制油回路中有一部分油作為軸承的潤(rùn)滑油及液黏調(diào)速離合器的冷卻油，滑油壓力范圍為0～0.5 MPa。

工作油回路比較簡(jiǎn)單，主要是PB及反轉(zhuǎn)畢托閥的出口油壓P3共同控制液力變矩器的出口油壓。在雙聯(lián)泵的出口端有1個(gè)溢流閥，該溢流閥泄油作為離合器的冷卻油。

圖4 液黏調(diào)速變矩器工作流程

一般情況下，其輸出軸正轉(zhuǎn)工作流程如圖4所示。

輸出軸反轉(zhuǎn)工作流程與上述過(guò)程類(lèi)似。通過(guò)上述分析結(jié)合工程維修經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

1）液黏調(diào)速變矩器的控制核心O為PS與PC的調(diào)節(jié)，PS實(shí)現(xiàn)摩擦片壓緊，提高其帶負(fù)載能力。PC的作用主要是控制轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)變化。液壓控制系統(tǒng)通過(guò)液壓回路控制變矩器工作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了液壓反饋控制，使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2）多路閥主要調(diào)節(jié)控制油路的油壓，當(dāng)設(shè)備使用一段時(shí)間后，往往通過(guò)調(diào)節(jié)該閥上調(diào)控制油路油壓。

3）供給閥是一個(gè)帶控制口的減壓閥，主要用于控制油缸油壓，即摩擦片壓緊油壓。其自身也可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺母對(duì)油壓進(jìn)行一定范圍的微調(diào)。

4）畢托閥主要控制Omega閥上端油壓，通過(guò)畢托管的反饋油壓控制油缸的泄油孔開(kāi)度，做出適應(yīng)輸出端負(fù)載變化的調(diào)節(jié)，保證液壓反饋系統(tǒng)的正常工作。

5）偏動(dòng)閥提供畢托閥進(jìn)口油壓，電磁閥是否通電決定其出口壓力大小，通電狀態(tài)下出口壓力小，不通電狀態(tài)下出口壓力大。

6）Omega控制閥是控制油路的核心閥件，主要通過(guò)電磁閥電流大小而改變輸出油壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它閥件的控制。

7）畢托管主要提供畢托閥與倒轉(zhuǎn)畢托閥的控制油壓。其油壓變化隨輸出轉(zhuǎn)速值變化而變化。

4 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證對(duì)液黏調(diào)速變矩器液壓控制系統(tǒng)的分析，使用我所雙電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。右端是輸入電機(jī)，左端是負(fù)載電機(jī)，中間是我所的YTB型液黏調(diào)速變矩器。電機(jī)與液黏調(diào)速變矩器之間均安裝轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器及膜片聯(lián)軸器。右端輸入電機(jī)模擬動(dòng)力機(jī)，左端負(fù)載電機(jī)模擬負(fù)載工況。試驗(yàn)過(guò)程中，輸入電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)控制，負(fù)載電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)扭矩實(shí)現(xiàn)控制。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝配圖如圖6所示。

試驗(yàn)前檢查各轉(zhuǎn)動(dòng)件可以靈活盤(pán)動(dòng)，檢查潤(rùn)滑油已加入至油標(biāo)尺刻度范圍內(nèi)（約320 L）。跑合機(jī)器直到油箱溫度達(dá)到50℃。

圖5 負(fù)載試驗(yàn)平臺(tái)

圖6 負(fù)載試驗(yàn)平臺(tái)

4.1 變矩器性能測(cè)試

在挖泥作業(yè)中，控制電流是最直接的控制變量，為了驗(yàn)證控制電流對(duì)液黏調(diào)速變矩器最大輸出扭矩的影響進(jìn)行如下的試驗(yàn)。

首先調(diào)節(jié)控制閥電流I=0 mA，使離合器處于脫開(kāi)狀態(tài)。起動(dòng)電機(jī)，輸入轉(zhuǎn)速升至n1=900 r/min（額定轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，由于實(shí)驗(yàn)條件限制選擇900 r/min轉(zhuǎn)速），保持此輸入轉(zhuǎn)速不變。調(diào)節(jié)Omega控制閥電流，緩慢增大。同時(shí)，增加負(fù)載電機(jī)負(fù)載（M2最大約為6 000 N·m）使輸出轉(zhuǎn)速n2=0 r/min。由此觀察液黏調(diào)速變矩器的最大輸出負(fù)載。采集試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)入MATLAB，得到圖7所示曲線。

觀察圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在900 r/min，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速在前27 min都是保持在零速，聯(lián)系觀察圖 7（a）、（c）可以發(fā)現(xiàn)，隨著電流值的增加，輸出端最大負(fù)載能力增加，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，最大負(fù)載為4.5 kN·m。當(dāng)負(fù)載一定的時(shí)候，若控制電流增加，液黏調(diào)速變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩增加。在圖7（a）中，當(dāng)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)矩值下調(diào)至1 000 N·m時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載，輸出端開(kāi)始正轉(zhuǎn)。

觀察圖 7（d）可以發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增大，PB、PS、PC的值都在增大，其變化趨勢(shì)與電流變化趨勢(shì)相符。當(dāng)輸出端有轉(zhuǎn)速時(shí)，PP1開(kāi)始有油壓，為了防止輸出端轉(zhuǎn)速快速上升，此時(shí)PC油壓開(kāi)始出現(xiàn)下降，如圖7（d）所示。

在前17 min，電流的變化對(duì)最大負(fù)載能力的影響較小。接下來(lái)的5 min，電流變化很小，但是最大負(fù)載能力顯著提升，說(shuō)明此時(shí)摩擦片與鋼片之間已開(kāi)始接觸。在22～27 s這個(gè)過(guò)程中，隨著電流的增加，最大負(fù)載己不發(fā)生變化，說(shuō)明這個(gè)過(guò)程中，摩擦片與鋼片已完全壓緊。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4.2 變矩器自適應(yīng)能力模擬

由于挖泥船通常使用大型抓斗，體積較大。在抓斗起斗一瞬間和出水一瞬間，由于浮力作用影響會(huì)造成輸出端負(fù)載的突然變化。而變矩器可以自身適應(yīng)這種變化，最大程度減小負(fù)載變化對(duì)原動(dòng)機(jī)的影響。為了模擬該工況，調(diào)節(jié)控制閥電流I=760 mA，使離合器處于完全壓緊狀態(tài)。起動(dòng)電機(jī)，輸入轉(zhuǎn)速升至n1=1 000 r/min，保持此輸入轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)液黏調(diào)速變矩器相當(dāng)于一個(gè)變矩器。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，初始狀態(tài)由于沒(méi)有負(fù)載，輸出轉(zhuǎn)速超過(guò)了輸入轉(zhuǎn)速，達(dá)到了1 167 r/min，發(fā)生了超速。

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

隨著負(fù)載的緩慢增大，輸入扭矩變化很小，但是輸出轉(zhuǎn)速變化很大，當(dāng)負(fù)載電機(jī)扭矩增大時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)負(fù)載電機(jī)扭矩減小時(shí)，輸出轉(zhuǎn)速上升。

5.3 反轉(zhuǎn)工況模擬

反轉(zhuǎn)工況即抓斗下放過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中離合器脫開(kāi)，靠抓斗重量下放或鋼絲繩帶動(dòng)加速下放。根據(jù)此種情況，調(diào)節(jié)控制閥電流I=0 mA，使離合器處于脫開(kāi)狀態(tài)。起動(dòng)電機(jī)，輸入轉(zhuǎn)速升至n1=1 600 r/min，保持此輸入轉(zhuǎn)速不變。調(diào)節(jié)負(fù)載扭矩，模擬加速下放過(guò)程。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)載扭矩的增大，反轉(zhuǎn)速度增加，畢托管PP2油壓增加。反之，負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，反轉(zhuǎn)速度減小，畢托管PP2油壓減小。

6 結(jié)語(yǔ)

液黏調(diào)速變矩器利用液黏調(diào)速離合器調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、通過(guò)變矩器放大輸入轉(zhuǎn)矩及適應(yīng)工況，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制使其始終工作在最佳狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)液黏調(diào)速離合器的液壓控制回路中各個(gè)閥件結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行分析，證實(shí)了PS和PC是其核心控制油壓，而畢托管將輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為控制油壓，作用到控制閥上，實(shí)現(xiàn)了液壓反饋控制，使液黏調(diào)速變矩器轉(zhuǎn)速變化穩(wěn)定，保護(hù)了傳動(dòng)系統(tǒng)中的其它設(shè)備。

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用雙電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)完成了液黏調(diào)速變矩器調(diào)速性能試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)液壓回路的分析，模擬了電流對(duì)液黏調(diào)速變矩器負(fù)載能力的影響、變矩器對(duì)外界負(fù)載變化的適應(yīng)能力及反轉(zhuǎn)工況下反饋油壓的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明本文對(duì)液黏調(diào)速變矩器的相關(guān)研究是正確的，可為今后液黏調(diào)速變矩器的維護(hù)、維修提供參考與指導(dǎo)。

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