液體粘性傳動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢

溫成卓+周水芳

【摘 要】本文介紹了液粘粘性傳動技術(shù)的傳動原理及特點(diǎn)，對液粘傳動技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，針對國內(nèi)液體粘性傳動技術(shù)存在的問題，提出了該技術(shù)的研究趨勢。

【關(guān)鍵詞】液體粘性傳動；液粘傳動；油膜剪切傳動；HVD

0 前言

液體粘性傳動技術(shù)作為一門新興的傳動技術(shù)，以其獨(dú)特傳動方式，優(yōu)越的傳動性能以及節(jié)能降耗的功效，越來越受到人們的關(guān)注。利用該技術(shù)開發(fā)的液粘調(diào)速裝置，是其中最具代表性的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在風(fēng)機(jī)、水泵、帶式輸送機(jī)等大功率的重型設(shè)備上，節(jié)能降耗效果明顯。但該技術(shù)在我國的起步比較晚，對該技術(shù)的研究還不夠全面，不夠深入。有待科研工作者的進(jìn)一步鉆研和完善。

1 液體粘性傳動的定義及工作原理

液體粘性傳動（HVD）是一種以粘性液體為工作介質(zhì)， 依靠主、從動摩擦副之間液體的油膜剪切力來傳遞動力、調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)矩的一種新型傳動方式。

液體粘性傳動基于牛頓粘性定律。根據(jù)牛頓的流體剪切理論，如圖1所示，在兩相距h的平行平板之間充滿粘性流體后，讓下平板固定不動而使上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動，則粘附在上板的流體質(zhì)點(diǎn)的速度為U，下板的流體質(zhì)點(diǎn)速度為0，若作用于上平板使之產(chǎn)生等速度U的外力為F，則該力與速度U及平板面積A成正比，與間距h成反比，即

F=μUA/h 或τ=μU/h

其中，F(xiàn)是油膜的剪切平板力；

μ是流體的動力學(xué)粘度；

τ是平板間的剪切力；

h是平板間的距離。

從上式可以看出，在保持流體粘度μ一定的條件下，通過控制平板間的距離h，就可以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)兩平板間傳遞的剪切應(yīng)力τ。只要結(jié)構(gòu)和各參數(shù)設(shè)計(jì)合理，就可以設(shè)計(jì)出傳遞很大功率的液體粘性傳動裝置。

圖 1 流體的內(nèi)摩擦模型

液體粘性傳動裝置的基本工作原理如圖2所示。

液粘傳動裝置可大致分為主機(jī)和輔機(jī)兩部分。主機(jī)由動力輸入系統(tǒng)和動力輸出系統(tǒng)組成。動力輸入系統(tǒng)包括主動軸7、主動摩擦片9，動力輸出系統(tǒng)包括被動摩擦片10、被動軸11。輔機(jī)包括控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等。

系統(tǒng)工作時，主、被動摩擦片9、10之間由潤滑油路提供油液，油液在油壓和離心力的疊加作用下，經(jīng)過主、被動摩擦片9、10之間的間隙，不斷被甩出，使摩擦片之問始終存在動態(tài)剪切油膜，并不斷帶走由于摩擦片之間由油膜內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的熱量?？刂葡到y(tǒng)通過改變工作油路中的油壓，改變控制液壓缸控制活塞8的行程，推動摩擦片發(fā)生相對運(yùn)動，使摩擦片之間的剪切潤滑油膜厚度發(fā)生改變，從而使被動軸11獲得所需要的轉(zhuǎn)速。當(dāng)工作油壓增加到足以將控制液壓缸控制活塞8完全推出時，主、被動摩擦片9、10被完全壓緊，抱死在一起，摩擦片之間不再存在剪切潤滑油膜和油膜剪切力，主動摩擦片9通過靜摩擦力帶動被動摩擦片10一起轉(zhuǎn)動，此時，液粘傳動裝置進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。

圖 2 液體粘性傳動裝置工作原理簡圖

1，15.粗濾器；2，14.供油泵；3.精濾器；4.HVD轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥；5，13.溢流閥；6.換向閥；7.主動軸；8.液壓缸控制活塞；9，10.主、被動摩擦片；11.被動軸；12.冷卻裝置；16.油箱

2 液體粘性傳動的特點(diǎn)

液粘調(diào)速離合器作為一種新型的液體傳動裝置，與其他傳動裝置相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）在調(diào)速范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，不同轉(zhuǎn)向性能相同。

（2）可獲得無轉(zhuǎn)速差高效率的直接傳動，此時無功率損失。傳動效率為100%（理論值），較其他間接方案效率提高3%—5%。

（3）可在輕載或者無載下起動，減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊。

（4）可手動控制，亦可遠(yuǎn)距離自動控制轉(zhuǎn)速，調(diào)速精度高。

（5）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，占地面積小，使用維護(hù)簡單。

（6）在起動慣性較大的負(fù)載時，可使之緩慢加速，防止傳動系統(tǒng)過載。

（7）可以自動限制傳遞的轉(zhuǎn)矩，因而對傳動系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

（8）帶動風(fēng)機(jī)、水泵，調(diào)速范圍越大，節(jié)能效果越顯著。

（9）全封閉結(jié)構(gòu)、噪音低，適用于粉塵、濕度大及腐蝕場所。

3 液體粘性傳動技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國際上美國是最早開始研究液體粘性傳動的國家，自20世紀(jì)60年代初開始，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，液粘傳動技術(shù)開始工業(yè)化應(yīng)用。目前，美國已經(jīng)研制出能夠精確伺服控制的液粘傳動裝置，其功率等級達(dá)70，000馬力，可連續(xù)24小時工作，壽命在24，000小時以上。20世紀(jì)70年代末，日本新瀉控巴達(dá)公司從美國雙盤公司引進(jìn)液體粘性傳動技術(shù)，進(jìn)行了大規(guī)模的開發(fā)生產(chǎn)。并在美國專利技術(shù)的基礎(chǔ)上對液粘產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，所形成的新產(chǎn)品已申請日本、美國、英國和德國四國專利進(jìn)行生產(chǎn)。目前，國外對液粘傳動技術(shù)的研究方向主要呈現(xiàn)出功率等級更高、運(yùn)行性能更可靠、結(jié)構(gòu)更緊湊、電液控制系統(tǒng)先進(jìn)、控制形式多樣化等特點(diǎn)。

國內(nèi)關(guān)于液體粘性傳動的研究從20世紀(jì)70年代末開始。上海交通大學(xué)的董勛教授是最早研究液粘傳動技術(shù)的學(xué)者之一，他對液粘傳動技術(shù)的基本理論進(jìn)行了初步研究，在雷諾方程的基礎(chǔ)上得到了油膜壓力分布和徑向流量的數(shù)值分析計(jì)算方法—流度矩陣，為油膜形成機(jī)理的研究提供了理論依據(jù)。北京理工大學(xué)魏宸官教授于1986年成功研制出新型液體粘性傳動裝置，在風(fēng)機(jī)、水泵上得到了大量推廣應(yīng)用。生產(chǎn)液粘產(chǎn)品的企業(yè)主要有遼寧華孚石油高科技股份有限公司、兗州科欣機(jī)電設(shè)備制造有限公司等。這些企業(yè)能夠研發(fā)和生產(chǎn)中小功率等級的液粘傳動產(chǎn)品，但性能與國外同等級產(chǎn)品相比還有一定的差距。目前我國還沒有開發(fā)、生產(chǎn)大功率等級液粘傳動裝置的能力。

4 液體粘性傳動技術(shù)的研究趨勢

我國所研制、生產(chǎn)的HVD調(diào)速傳動裝置從功率等級到工作性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到各工業(yè)用戶的要求和期望。目前，我國的液粘技術(shù)研究所面臨的主要研究課題及研究方向包括：

（1）油膜潤滑傳動機(jī)理的研究。國內(nèi)各研究單位采用有限元素法或者級數(shù)法，運(yùn)用無限寬或者有限寬平面階梯軸承理論對帶徑向油槽摩擦片間油膜的潤滑傳動機(jī)理進(jìn)行研究，所得到的結(jié)果計(jì)算非常復(fù)雜、繁瑣。由于理論研究過程中邊界條件的引入與實(shí)際HVD系統(tǒng)不符，導(dǎo)致計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差很大，無法進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用。因此，需要對HVD油膜潤滑傳動機(jī)理做進(jìn)一步的研究。

（2）開環(huán)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性的研究。所謂開環(huán)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性，是衡量HVD裝置開環(huán)穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)速在任意工作點(diǎn)上保持恒定、不產(chǎn)生漂移和擾動的能力的性能指標(biāo)。如果對HVD采用閉環(huán)控制，不僅浪費(fèi)資金和設(shè)備，而且在這些濕度大、有腐蝕性氣體的環(huán)境中容易造成電子元器件的損壞、失效，從而影響整個HVD裝置的安全使用。

（3）HVD裝置摩擦副變形失效的研究。

（4）液壓控制系統(tǒng)的研究。液壓控制系統(tǒng)的性能好壞直接影響到HVD調(diào)速傳動裝置的快速響應(yīng)、運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)節(jié)精度等性能指標(biāo)。

（5）HVD專用潤滑油的研究。

（6）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。使HVD調(diào)速傳動裝置結(jié)構(gòu)及其零部件更加合理化、工業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

（7）大功率等級HVD裝置的研制。

5 結(jié)論

本文給出了液體粘性傳動的定義及分類。介紹了液粘傳動的工作原理。闡述了國內(nèi)外液體粘性傳動技術(shù)的發(fā)展和研究狀況，與國外液粘技術(shù)相比，我國在油膜形成機(jī)理、摩擦片材料及結(jié)構(gòu)、傳動潤滑介質(zhì)等方面需要進(jìn)一步研究。實(shí)踐證明，液體粘性傳動技術(shù)具有很大的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵威.液體粘性傳動摩擦副的研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2005.

[2]王春奇.一種新型液粘性軟啟動裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2007.

[3]范同勛，沈力民.液體粘性傳動裝置的控制與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2004，12：104-106.

[4]張以都.液體粘性軟啟動過渡過程的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（2）：185-187.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]