大功率刮板輸送機(jī)閥控充液型液力偶合器研發(fā)

李國(guó)平，趙 美，趙繼云，張德生

(1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北張家口 075025;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

1 前言

閥控充液型液力偶合器是采煤工作面大功率刮板輸送機(jī)最有效的軟啟動(dòng)裝置之一，作為聯(lián)系工作機(jī)和原動(dòng)機(jī)的“紐帶”，其采用純水為工作介質(zhì)，適應(yīng)頻繁帶載起動(dòng)，并具備過(guò)載保護(hù)和調(diào)速等功能，成為800 kW(單驅(qū)動(dòng))以上大功率刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)備的主導(dǎo)機(jī)型[1]。每年僅用于大功率刮板輸送機(jī)上的閥控偶合器就價(jià)值數(shù)億元，全部依賴于進(jìn)口。閥控偶合器是復(fù)雜的機(jī)、電、液(液壓、液力)一體化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)加工難度大，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有此類產(chǎn)品，相關(guān)研究也很少，成為嚴(yán)重制約國(guó)內(nèi)刮板輸送機(jī)生產(chǎn)廠家技術(shù)和效益的瓶頸。

綜放開(kāi)采技術(shù)是一種適合于直接頂易冒落、中硬煤質(zhì)以下的厚及特厚煤層開(kāi)采的投資低、產(chǎn)量高、效益好、安全有保障的采煤方法。大采高綜放工作面年生產(chǎn)能力均在1 000萬(wàn)t以上，該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)首先依賴于工作面裝備，其中后部刮板輸送機(jī)的性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效具有重要意義。而軟啟動(dòng)裝置是大功率刮板輸送機(jī)必備的部件，因此其研發(fā)即成為大功率后部刮板輸送機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的首要問(wèn)題。

文章以解決大采高綜放工作面后部刮板輸送機(jī)(2×1 000 kW)軟啟動(dòng)問(wèn)題為目標(biāo)，圍繞閥控偶合器的關(guān)鍵技術(shù)，理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合，從工作腔流場(chǎng)分析和優(yōu)化、工作輪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析、控制閥組開(kāi)發(fā)、關(guān)鍵制造工藝等方面對(duì)閥控偶合器展開(kāi)了研究。所開(kāi)發(fā)的閥控偶合器指標(biāo)為:a.額定傳遞功率:1 000 kW;b.電機(jī)(泵輪)轉(zhuǎn)速:1 491 r/min;c.工作介質(zhì):清水;d.供水壓力:0.4 ～1.5 MPa。

2 負(fù)載特性分析及性能需求

2.1 負(fù)載特性分析

閥控偶合器安裝在電動(dòng)機(jī)與減速器之間，通過(guò)工作液體將泵輪和渦輪“柔性”聯(lián)接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞，對(duì)于長(zhǎng)運(yùn)距、大功率刮板輸送機(jī)的正常起動(dòng)和平穩(wěn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。因此，要求閥控偶合器必須能滿足后部刮板輸送機(jī)負(fù)載特性需求，各項(xiàng)參數(shù)要與原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)相匹配。

后部刮板輸送機(jī)用于中厚煤層綜采放頂煤工作面后部運(yùn)煤任務(wù)，與前部工作面輸送機(jī)、采煤機(jī)和放頂煤掩護(hù)支架以及順槽布置的轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、膠帶輸送機(jī)配合，進(jìn)行采煤、放煤、破碎和運(yùn)輸?shù)染C合機(jī)械化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)放頂煤工作面綜合機(jī)械化采煤。刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，除了工作面不平產(chǎn)生的傾斜甚至起伏，還有支架移動(dòng)帶來(lái)的水平彎曲，受力十分復(fù)雜，需克服以下阻力:a.物料及刮板鏈在中部槽上的移動(dòng)阻力;b.刮板鏈在無(wú)載側(cè)上的移動(dòng)阻力;c.刮板鏈繞過(guò)機(jī)頭和機(jī)尾鏈輪時(shí)的彎曲阻力;d.輸送機(jī)在工作面內(nèi)彎曲時(shí)的附加阻力;e.傳動(dòng)裝置阻力;f.對(duì)于傾斜運(yùn)輸工況，還應(yīng)考慮物料及刮板鏈的重力分量。

影響鏈條阻力的主要因素有兩個(gè):運(yùn)載量及當(dāng)量摩擦系數(shù)。后部刮板輸送機(jī)受料為放頂煤支架的落煤，可控性差，較前部輸送機(jī)更易受到煤量變化影響，落煤量和頂煤的冒放性能及放出與控制工藝有關(guān)，在空載、滿載甚至超載間變化，且經(jīng)常有機(jī)頭、機(jī)尾附近載荷不一致的情況。

當(dāng)量摩擦系數(shù)在起動(dòng)(尤其是滿載起動(dòng))過(guò)程中需克服大的慣性和較大靜摩擦力，其取值較大;正常運(yùn)行過(guò)程中阻力相對(duì)較小。下鏈阻力系數(shù)主要是刮板鏈和底板間的摩擦，但在運(yùn)行過(guò)程中底板和中板間會(huì)出現(xiàn)堆煤現(xiàn)象，使得輸送機(jī)下鏈當(dāng)量阻力系數(shù)增大(當(dāng)堆煤過(guò)多時(shí)中部槽側(cè)邊受到煤的擠壓，產(chǎn)生附加摩擦力)。

對(duì)于長(zhǎng)運(yùn)距大功率刮板輸送機(jī)，考慮到鏈條的動(dòng)態(tài)特性，載荷特性將更為復(fù)雜。所以，如何適應(yīng)后部刮板輸送機(jī)的惡劣工況，實(shí)現(xiàn)頻繁、平穩(wěn)起動(dòng)和可靠運(yùn)行是大功率后部刮板輸送機(jī)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，也是研制閥控偶合器的意義所在。

2.2 參數(shù)匹配

所開(kāi)發(fā)閥控偶合器擬應(yīng)用于SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機(jī)，根據(jù)功率配置，機(jī)頭和機(jī)尾驅(qū)動(dòng)功率均為1 000 kW。偶合器需與電動(dòng)機(jī)特性相匹配，充分利用電動(dòng)機(jī)最大輸出功率的同時(shí)對(duì)其有效保護(hù)，減緩對(duì)鏈條的沖擊。選用的電機(jī)工作電壓為3 300 V，過(guò)載系數(shù)接近3.8，是專為刮板輸送機(jī)開(kāi)發(fā)的礦用防爆電機(jī)。

2.2.1 額定工況點(diǎn)

額定工況點(diǎn)是偶合器最長(zhǎng)時(shí)間工作點(diǎn)，因此在兼顧各種因素條件下，應(yīng)使偶合器具有較高工作效率。泵輪力矩系數(shù)與渦輪和泵輪的轉(zhuǎn)速比i有關(guān)，轉(zhuǎn)速比小時(shí)效率低，泵輪力矩系數(shù)大;反之，轉(zhuǎn)速比大時(shí)效率高，泵輪力矩系數(shù)小。所以，選型時(shí)應(yīng)綜合考慮，在滿足力矩系數(shù)前提下，力求有較高效率。

額定轉(zhuǎn)速比的選取，各國(guó)并無(wú)一致標(biāo)準(zhǔn)，從i=0.94 到i=0.97 不等[2]，選擇原則是保證偶合器有較高效率，不會(huì)因滑差產(chǎn)生的熱量造成溫升過(guò)高，影響正常使用。大型偶合器若轉(zhuǎn)速比低，功率損失大，且會(huì)造成經(jīng)常性過(guò)熱停機(jī)現(xiàn)象，因此要有較高的額定工況點(diǎn)，然而要提高額定工況點(diǎn)，一般需增大有效直徑，造成偶合器體積增大和限矩難度的增大。閥控偶合器采用外部循環(huán)冷卻機(jī)制，正常工作狀態(tài)基本不受熱容量限制，因此，綜合考慮，閥控偶合器效率仍定在i=0.94 ～0.97。

2.2.2 限矩性能

大型刮板輸送機(jī)選用閥控偶合器，最主要仍是為解決起動(dòng)困難和過(guò)載保護(hù)問(wèn)題，因此首先要滿足限矩性能要求。

由刮板輸送機(jī)阻力特性分析可知，起動(dòng)工況由于要克服慣量和大的摩擦，載荷較大，正常運(yùn)行后載荷減小(圖1中ML)，所以偶合器滿足限矩性能的同時(shí)應(yīng)充分利用異步電動(dòng)機(jī)的峰值扭矩啟動(dòng)負(fù)載，并保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。須使偶合器i=0時(shí)泵輪輸入特性交于電機(jī)峰值力矩右側(cè)穩(wěn)定工況區(qū)間，如圖1中MB(i=0)，這樣即使工作機(jī)被卡，電機(jī)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，不至于像曲線1對(duì)應(yīng)的泵輪輸入特性造成電機(jī)的失速停車。

圖1 偶合器與電動(dòng)機(jī)特性匹配Fig.1 Characteristic curves matching between coupling and motor

2.2.3 運(yùn)行品質(zhì)

偶合器輸出特性曲線的波動(dòng)比應(yīng)較小;當(dāng)負(fù)載變化較大時(shí)，仍希望能在高效區(qū)間運(yùn)行且轉(zhuǎn)速波動(dòng)不要過(guò)大，即在小滑差下有較硬的特性曲線;為充分利用電動(dòng)機(jī)最大力矩，偶合器輸出特性曲線在低速段(大滑差)應(yīng)盡可能平直，在高速段(小滑差)應(yīng)陡峭。圖1中1～3輸出特性曲線中，2為最符合以上品質(zhì)的曲線，這種特性曲線被稱為“長(zhǎng)壁形”特性曲線。

2.2.4 啟動(dòng)調(diào)速性能

軟啟動(dòng)調(diào)速性能主要通過(guò)控制進(jìn)、排液閥的啟閉，調(diào)節(jié)偶合器腔體內(nèi)充液量實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)和調(diào)速狀況均對(duì)控制閥組的流量和響應(yīng)特性有著較高要求。

3 閥控偶合器及其關(guān)鍵技術(shù)

3.1 閥控偶合器結(jié)構(gòu)原理

閥控偶合器主要由三部分構(gòu)成[3]:液力單元、支撐單元和液控單元，如圖2所示。

圖2 閥控偶合器結(jié)構(gòu)分解圖Fig.2 Structure decomposition chart of valve-control hydrodynamic coupling

液力單元由泵輪、渦輪及連接附件等組成，作為動(dòng)力轉(zhuǎn)換和傳遞裝置，實(shí)現(xiàn)泵輪機(jī)械能—液體動(dòng)能—渦輪機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，是閥控偶合器的核心;背靠背安裝的雙腔結(jié)構(gòu)，能夠成倍提高偶合器能容、減小工作輪直徑并平衡大部分軸向力。

支撐單元是液力單元的承載部件，原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸入、輸出，液力單元的支撐定位均由其決定，其穩(wěn)定性是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基本保障。

閥控偶合器液控單元采用半開(kāi)式工作回路，控制閥組需實(shí)現(xiàn)3個(gè)基本功能:充液、循環(huán)和排液。如圖3所示，工作液經(jīng)過(guò)充液閥達(dá)到偶合器入口，完成充液過(guò)程;從偶合器出口排出的高溫液體，經(jīng)冷卻器冷卻后，從循環(huán)閥返回偶合器中;從冷卻器流出的液體，若不經(jīng)過(guò)循環(huán)閥，則直接從排液閥排出系統(tǒng)。排液閥和循環(huán)閥工作于聯(lián)動(dòng)模式，即一個(gè)打開(kāi)時(shí)，另一個(gè)關(guān)閉?？刂崎y組中3個(gè)閥均為開(kāi)關(guān)閥，閥間的不同工作狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)著偶合器的不同工作模式。

半開(kāi)式回路在正常工作過(guò)程中，工作介質(zhì)經(jīng)冷卻器和循環(huán)閥實(shí)現(xiàn)冷卻和重復(fù)利用，可節(jié)省大量的水資源，避免工作面的大量積水;超溫則由排液閥直接泄液，同時(shí)由充液閥補(bǔ)充冷水，以降低對(duì)冷卻器的冷卻能力需求，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理匹配。大流量閥組作為工作介質(zhì)調(diào)節(jié)元件，外部強(qiáng)制循環(huán)冷卻，可平抑工作過(guò)程產(chǎn)生的大量的熱，故適應(yīng)功率更大，并可提供更好的調(diào)控性能。

圖3 工作介質(zhì)循環(huán)模式Fig.3 Cycle model of working medium

根據(jù)刮板輸送機(jī)特點(diǎn)，制定閥控偶合器的控制策略并開(kāi)發(fā)相應(yīng)裝置，刮板輸送機(jī)用閥控偶合器可實(shí)現(xiàn)如下功能:

1)電機(jī)可以在無(wú)負(fù)載狀態(tài)下啟動(dòng)，利用其峰值扭矩啟動(dòng)設(shè)備，減小電機(jī)型號(hào);

2)通過(guò)調(diào)整偶合器充液時(shí)間實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的順序啟動(dòng);

3)載荷過(guò)大時(shí)實(shí)現(xiàn)限矩保護(hù)，防止電機(jī)在達(dá)到峰值扭矩時(shí)失速停車;

4)鏈條可快速平穩(wěn)地從零建立扭矩(充液過(guò)程)，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能;

5)可運(yùn)行在鏈條張緊和慢速運(yùn)行之類的特殊工作模式;

6)采用環(huán)境友好型水介質(zhì)，可循環(huán)利用，防爆性能好。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)組成，閥控偶合器的技術(shù)關(guān)鍵包括以下幾個(gè)部分:

1)泵輪和渦輪形成的工作腔。內(nèi)部流動(dòng)決定了外部特性，因此腔型的設(shè)計(jì)從根本上決定了偶合器性能的優(yōu)劣;放頂煤支架下狹小空間更是對(duì)工作輪體積提出了限制;

2)大流量電磁換向閥組。電磁閥組的通流能力及響應(yīng)特性直接影響閥控偶合器調(diào)控性能，對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和水溫平抑起到重要作用;

3)關(guān)鍵元件制造工藝技術(shù)。

4 腔型設(shè)計(jì)

4.1 研究?jī)?nèi)容和方法

閥控偶合器由于結(jié)構(gòu)空間限制，本身不含輔助腔，需要流道自身具有良好的限矩性能，“長(zhǎng)壁形”原始特性曲線是腔型設(shè)計(jì)的目標(biāo)，而滿充工況下流場(chǎng)特性是腔型設(shè)計(jì)和優(yōu)化的依據(jù)。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是建立在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)不同腔型反復(fù)試驗(yàn)，直至達(dá)到性能需求，成本高、周期長(zhǎng)。目前，CFD技術(shù)在液力元件流場(chǎng)分析應(yīng)用方面也得到了快速發(fā)展，與單純的理論分析和試驗(yàn)測(cè)試相比，CFD能夠再現(xiàn)流動(dòng)情景，獲得更為完整的流場(chǎng)分布，具有明顯的時(shí)間和成本優(yōu)勢(shì)。

液力偶合器的特性主要由葉輪工作腔(也稱流道或循環(huán)圓)決定，因此工作腔是偶合器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)偶合器時(shí)，通常先找到一個(gè)合適的原始腔型，然后按照相似原理放大或縮小，最后通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。積累的諸多腔型及其特性原始資料“數(shù)據(jù)庫(kù)”，可作為新設(shè)計(jì)的參考，以提高設(shè)計(jì)效率，這些原始資料同樣是偶合器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要參考，可作為CFD研究的初始腔型。

圖4為幾種流道的扭矩系數(shù)λ隨轉(zhuǎn)速比i的變化關(guān)系[4]，可較明顯地表示出腔型幾何形狀對(duì)偶合器扭矩特性的影響，尤其是液流轉(zhuǎn)向損失對(duì)限矩性能的影響。

圖4 不同流道原始特性曲線Fig.4 Primary characteristic curves of different flow channels

閥控偶合器是在限矩型偶合器基礎(chǔ)上，增加了調(diào)速功能，因此兼有限矩型偶合器和調(diào)速型偶合器的雙重特點(diǎn)。在腔型選擇或設(shè)計(jì)上，需遵循的原則為:泵輪力矩系數(shù)值要高，限矩性能好，內(nèi)徑大(為連接軸提供足夠空間，保證其強(qiáng)度)，原始特性曲線平緩。因此，文章選擇了桃形腔流道作為基型。

構(gòu)成偶合器工作腔的基本要素除循環(huán)圓形狀外，還包括有效直徑、葉片數(shù)目(泵輪和渦輪)等，對(duì)于特殊要求的偶合器還需要輔助腔等附加結(jié)構(gòu)。確定有效直徑后，循環(huán)圓其他參數(shù)根據(jù)其與有效直徑間的關(guān)系明確，這里參照功率圖譜等，選擇562系列，泵輪葉片數(shù)48、渦輪葉片數(shù)45，確定基本腔型。根據(jù)周期對(duì)稱性，建立了流道的計(jì)算模型，如圖5所示，主要有周期性邊界條件、壁面邊界條件和交互面。葉片的兩個(gè)表面，直接受液體沖擊的面稱為壓力面(工作面)，背面稱為吸力面(非工作面)。

圖5 流道計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of the flow channel

文章基于CFD仿真技術(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)桃形腔為基型，研究流場(chǎng)分布和力矩傳遞規(guī)律。將標(biāo)準(zhǔn)桃形腔力矩系數(shù)與文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)CFD模型正確性，進(jìn)一步對(duì)不同腔型結(jié)構(gòu)(葉片形狀和厚度、擋圈等)進(jìn)行仿真，尋求滿足限矩性能及整體特性要求的腔型。

4.2 結(jié)果和討論

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)桃形腔

葉片的扭矩差值求和并乘以3倍系數(shù)，得到單工作腔體傳遞扭矩，進(jìn)一步可計(jì)算出力矩系數(shù)。

表1分別列出了仿真值及文獻(xiàn)[5]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)桃形腔偶合器進(jìn)行的試驗(yàn)值。文獻(xiàn)中試驗(yàn)偶合器采用透平油作為工作介質(zhì)，泵輪轉(zhuǎn)速1 200 r/min，有效直徑400 mm，和仿真參數(shù)略有不同。由于試驗(yàn)偶合器和本研究的偶合器腔型均為標(biāo)準(zhǔn)桃形腔，根據(jù)相似理論，兩者原始特性應(yīng)基本一致。通過(guò)結(jié)果的比較可以看出，仿真值較試驗(yàn)值偏大，最大誤差8.41%，發(fā)生在渦輪零速狀態(tài);最小誤差2.43%，發(fā)生在i=0.8的中高速段;其余誤差在5%上下，基本反映出力矩特性隨轉(zhuǎn)速的變化。水的黏度遠(yuǎn)小于液壓油，同時(shí)偶合器實(shí)際工作過(guò)程中不能達(dá)到完全的充滿狀態(tài)，故仿真值略高，力矩對(duì)比表明了所采用CFD仿真方法的正確性。

表1 力矩系數(shù)對(duì)比Table 1 Comparisons of torque coefficients

渦輪零速工況為扭矩最大點(diǎn)，相對(duì)i=0.97時(shí)的過(guò)載系數(shù)Tg0.97分別為 6.79(仿)和 6.47(試)，遠(yuǎn)高于電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，即使將效率降為i=0.95，過(guò)載系數(shù)Tg0.95仍達(dá)到4.47，大于電動(dòng)機(jī)的最大輸出力矩和額定力矩之比3.8，起不到限矩作用，需要改進(jìn)。

4.2.2 改變?nèi)~片形狀

將渦輪分別采用低葉片結(jié)構(gòu)和高低相間葉片結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行流場(chǎng)分析和力矩預(yù)測(cè)，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯捎玫腿~片可在一定程度上降低最大扭矩，不過(guò)低葉片結(jié)構(gòu)對(duì)高速段力矩削弱更多，大大降低了偶合器效率。高低葉片相間結(jié)構(gòu)使得高速段扭矩有所降低，而中速段力矩值有所上升，其原因在于改善了內(nèi)部流動(dòng)，使得大滑差下?lián)p失減小，提高了低速段工作效率;在高速段運(yùn)行比較平穩(wěn)，對(duì)流動(dòng)改善不顯著，葉片高度的減小使有效作用面積減小，故力矩反而有所下降。

表2 力矩系數(shù)對(duì)比(不同葉片結(jié)構(gòu))Table 2 Comparison of torque coefficients(different blade structures)

4.2.3 帶擋圈結(jié)構(gòu)

低葉片結(jié)構(gòu)或高低相間葉片結(jié)構(gòu)，仍無(wú)法滿足限矩性能要求。選擇高度5 mm和10 mm兩種擋圈，對(duì)力矩特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，不同葉片結(jié)構(gòu)與不同擋圈高度組合的力矩值如表3所示。

表3 不同擋圈對(duì)力矩系數(shù)的影響Table 3 Comparison of torque coefficients(different retainers)

表3中，擋圈高度為5 mm時(shí)，除制動(dòng)狀態(tài)外，高低相間葉片在各工作點(diǎn)均具有比標(biāo)準(zhǔn)型高的力矩系數(shù)。制動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)矩偏小，高速狀態(tài)偏高，更能保證較低的過(guò)載系數(shù)，故“高低相間葉片+擋圈”結(jié)構(gòu)為優(yōu)選腔型。

由表3還可看出，擋圈是提高限矩性能的敏感參數(shù)，若電機(jī)功率降低或?qū)ο蘧匦杂懈咭髸r(shí)，可通過(guò)加大擋圈高度實(shí)現(xiàn)降低其最大輸出扭矩目的。因此，擋圈也可稱作限矩環(huán)。

對(duì)于雙腔結(jié)構(gòu)，認(rèn)為兩個(gè)工作腔特性完全相同，高低相間葉片結(jié)構(gòu)加5 mm高度擋圈，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩在i=0時(shí)為 22 590 N·m;i=0.97時(shí)為3 924 N·m;i=0.95時(shí)為5 958 N·m。最大轉(zhuǎn)矩略小于電動(dòng)機(jī)最大輸出力矩24 000 N·m，可在過(guò)載情況下保護(hù)電動(dòng)機(jī)的同時(shí)充分利用最大起動(dòng)力矩，滿足限矩性能要求。

5 工作輪應(yīng)力分析

5.1 結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn)

鑒于井下狹小空間，高能容成為刮板輸送機(jī)用偶合器發(fā)展方向之一，即在結(jié)構(gòu)體積一定條件下盡可能實(shí)現(xiàn)傳遞功率的最大化，該特點(diǎn)對(duì)工作輪的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性提出了較高的要求。

偶合器工作液和葉輪間存在著流體—結(jié)構(gòu)耦合作用，屬多場(chǎng)耦合的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，迄今尚無(wú)有效手段來(lái)真實(shí)模擬流體和結(jié)構(gòu)間相互作用的內(nèi)在機(jī)理;流體和工作輪的耦合面為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，閥控偶合器的雙腔結(jié)構(gòu)更是給強(qiáng)度分析和動(dòng)力學(xué)有限元分析帶來(lái)了難度。

閥控偶合器采用雙腔結(jié)構(gòu)，可在提高功率傳遞能力同時(shí)減小占用空間，并保證軸向力整體基本平衡。工作輪安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)擋圈高度為零時(shí)，偶合器傳遞扭矩能力最大。泵輪在工作時(shí)，轉(zhuǎn)速始終高于渦輪，而且渦輪內(nèi)外側(cè)所受工作液體對(duì)渦輪壁面壓力可基本抵消，所受載荷小于泵輪。泵輪2和輸入軸直接相連，除傳遞給對(duì)面渦輪力矩外，還要承受來(lái)自泵輪8的轉(zhuǎn)矩和軸向力，即承擔(dān)全部載荷，是受力狀況最惡劣的部件。因此，在材質(zhì)及結(jié)構(gòu)尺寸基本相同條件下，只對(duì)輸入端泵輪2進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖6 雙腔結(jié)構(gòu)工作輪組件Fig.6 Structure of a dual-chamber hydrodynamic coupling

泵輪2所受主要載荷可以簡(jiǎn)化為兩部分，液體作用力和相連泵輪的作用力(軸向力和扭矩)。

5.2 FSI方法

對(duì)于液體的作用，可直接用FSI(液固耦合)分析方法。FSI分析屬于多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題研究之一，需考慮兩個(gè)不同物理場(chǎng)間的相互作用，具體講就是對(duì)于結(jié)構(gòu)或熱應(yīng)力分析，應(yīng)考慮相應(yīng)流體的作用(CFD分析結(jié)果)。結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)間的耦合作用一般發(fā)生在模型邊界上，該邊界稱為流固交互面，其中一個(gè)分析結(jié)果將作為載荷傳遞到另一個(gè)模型上。根據(jù)載荷的傳遞路徑不同，F(xiàn)SI可分為單向流固耦合(one-way FSI)和雙向流固耦合(two-way FSI)[6]。前者將交互面上CFD分析結(jié)果(力、溫度或?qū)α?作為載荷應(yīng)用到FEA(有限元分析)模型中，F(xiàn)EA邊界位移不再反饋到CFD中，適用于變形后網(wǎng)格位移較小、變形結(jié)果對(duì)流場(chǎng)分析沒(méi)有太大影響的情況;后者除了將CFD分析結(jié)果作為載荷傳遞到FEA分析中，相應(yīng)的FEA結(jié)果也將作為邊界條件反饋到CFD模型。

目前，F(xiàn)luent和ANSYS間還僅能實(shí)現(xiàn)單向FSI，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向FSI。對(duì)于偶合器，由于設(shè)計(jì)中考慮強(qiáng)度等需要工作輪一般具有足夠的剛度，微小的變形對(duì)流場(chǎng)影響較小，單向FSI可基本滿足工程應(yīng)用需要，同時(shí)采用單向FSI可簡(jiǎn)化分析流程，提高分析效率。

圖6中輸出端泵輪8的載荷與泵輪2完全相同，相應(yīng)的扭矩和軸向力也根據(jù)仿真模型進(jìn)行求取。因此，雙腔結(jié)構(gòu)的全部載荷均可通過(guò)CFD計(jì)算結(jié)果得到，實(shí)現(xiàn)載荷較為精確的施加，分析流程如圖7所示。

圖7 單向FSI計(jì)算流程圖Fig.7 Flow charts of solution for one-way FSI

5.3 分析結(jié)果

為降低網(wǎng)格數(shù)量，根據(jù)結(jié)構(gòu)周期對(duì)稱性，取泵輪1/16模型進(jìn)行分析(從載荷對(duì)稱性考慮應(yīng)取1/3模型，考慮計(jì)算規(guī)模過(guò)大而取近似狀況)。泵輪材料選擇錫青銅。如圖8所示，在制動(dòng)工況下，閥控偶合器達(dá)到其極限傳遞能力時(shí)，局部點(diǎn)應(yīng)力超出材料的屈服強(qiáng)度為130 MPa，另外還存在以下問(wèn)題:a.葉片根部平直段向圓弧段過(guò)渡處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;b.入口采用平直過(guò)渡，輪轂較厚。

考慮上述因素，在葉輪根部過(guò)渡段附近加厚，并將直段改為傾斜，其中加厚部分為間隔分布。為了對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的性能進(jìn)行對(duì)比，并為有限元分析提供數(shù)據(jù)，將改進(jìn)后模型進(jìn)行了CFD分析，改進(jìn)后由于具有傾斜過(guò)渡，減小了沖擊損失，力矩系數(shù)略有增大，改進(jìn)后的力矩特性仍與原結(jié)構(gòu)基本一致，滿足特性匹配條件。

為對(duì)改進(jìn)前后的應(yīng)力分布詳細(xì)對(duì)比，選擇了葉片根部節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖8(b))，對(duì)其應(yīng)力值進(jìn)行比較，節(jié)點(diǎn)順序?yàn)檠刂堪错樞蜃韵露?。如圖9所示，改進(jìn)后輸入端泵輪最大應(yīng)力降低到材料屈服點(diǎn)以下，并顯著降低了應(yīng)力集中區(qū)幅值，可保證力矩傳遞能力基本不變的同時(shí)，滿足偶合器極限載荷下的使用要求。

圖8 結(jié)果云圖Fig.8 Contours of results

圖9 優(yōu)化前后葉片根部應(yīng)力對(duì)比Fig.9 Comparison of Von Mises stress between original wheel and the optimized one

6 閥組研制

6.1 性能需求

電磁控制閥組是閥控偶合器的核心部件之一，控制著工作腔的充、排液過(guò)程，其通流能力、響應(yīng)特性對(duì)偶合器的調(diào)控性能有著直接影響。要求工作閥組具有低壓、大流量特性。

6.1.1 循環(huán)流量

循環(huán)流量對(duì)偶合器渦輪加速時(shí)間和散熱能力有直接影響。低溫介質(zhì)進(jìn)入偶合器，在工作腔內(nèi)循環(huán)后溫度升高，高溫液體經(jīng)冷卻器后繼續(xù)循環(huán)或排出。偶合器的換熱能力為:

式中，˙m為質(zhì)量流量，kg/s;Ct為水的比熱容，約為4.2 ×103J/kg·℃;T、T0分別為進(jìn)、出偶合器介質(zhì)溫度，℃。

水的比熱容Ct為定值，供液介質(zhì)溫度一般亦為定值，若要提高偶合器換熱能力，適應(yīng)啟動(dòng)和過(guò)載工況，應(yīng)從提高流量和減小入口水溫(冷卻器冷卻能力)著手。

流量240 L/min，溫差為30℃時(shí)，按公式計(jì)算其換熱能力約為500 kW(起動(dòng)過(guò)程熱損值)。因此，對(duì)于1 000 kW閥控偶合器，閥組的通流能力要大于240 L/min方可滿足正常啟動(dòng)。

6.1.2 壓力

閥控偶合器介質(zhì)經(jīng)入口直接進(jìn)入工作腔專門的通道中，背壓近似為零，因此主要考慮導(dǎo)管的排液能力。

閥控偶合器的導(dǎo)管實(shí)質(zhì)是一種旋噴泵，固定著的導(dǎo)管等同于旋噴泵的集流管，截取排液腔中的高動(dòng)能液體，并將液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓能輸出，按照旋噴泵計(jì)算公式，輸入轉(zhuǎn)速1 491 r/min時(shí)，提供的壓力為0.6 ～0.88 MPa。

6.1.3 響應(yīng)時(shí)間

閥組的響應(yīng)性是另一項(xiàng)重要指標(biāo)。當(dāng)達(dá)到超溫狀態(tài)仍無(wú)法啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，僅靠冷卻器已無(wú)法滿足限溫目的，需迅速排出過(guò)熱介質(zhì);為提高調(diào)控性能，也需要進(jìn)、排液閥有較高的響應(yīng)速度。

6.1.4 其他

1)井下特殊環(huán)境，要求所采用的電磁先導(dǎo)閥必須能夠滿足防爆要求。

2)純水作為工作介質(zhì)，閥組元件對(duì)水介質(zhì)應(yīng)具有良好適應(yīng)性。

3)偶合器的滑差工作方式，產(chǎn)生的能量損失必然同時(shí)帶來(lái)介質(zhì)溫度的升高，造成水垢的產(chǎn)生，因此閥組應(yīng)具有強(qiáng)的耐堵塞能力。

6.2 外控式電液閥組研制

國(guó)外閥控偶合器控制閥采用壓差先導(dǎo)原理進(jìn)行工作，節(jié)流孔和先導(dǎo)閥的液阻是設(shè)計(jì)低壓大流量電磁閥的敏感參數(shù)，要求節(jié)流孔能在滿足主閥芯正常開(kāi)啟條件下具有較大孔徑，以提高抗阻塞性能。因此，壓差式控制閥組存在以下弊端:

1)壓差式先導(dǎo)電磁閥組主閥和先導(dǎo)閥共用一路介質(zhì)，且存在細(xì)長(zhǎng)節(jié)流孔道，對(duì)工作介質(zhì)要求較為苛刻;

2)要求先導(dǎo)閥具有較大的通流能力，先導(dǎo)閥的選型較為困難;

3)壓差先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，具有最小開(kāi)啟壓力限制，供液液力小時(shí)主閥將無(wú)法打開(kāi)。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種外控式閥組，如圖10所示。該閥的先導(dǎo)閥采用成熟的支架本安型電液閥，控制液引自工作面高壓乳化液，無(wú)細(xì)長(zhǎng)節(jié)流孔，工作可靠。

圖10 外控式電液控制閥組Fig.10 External pilot controlled electro-hydraulic valve

外控式電液控制閥組具有以下特點(diǎn):

1)適應(yīng)性強(qiáng)?？刂埔翰粎⑴c主循環(huán)，因此可僅對(duì)控制液過(guò)濾精度提出較高要求，對(duì)工作介質(zhì)包容能力強(qiáng);

2)密封效果好。常閉式將進(jìn)液腔和彈簧腔溝通，由工作介質(zhì)壓力和彈簧力共同作用把密封面緊貼合，常開(kāi)式則借助控制腔高壓液推動(dòng)活塞壓緊密封面;

3)彈簧只需克服閥芯摩擦力，所承受切應(yīng)力小，關(guān)閉過(guò)程對(duì)電磁閥沖擊小;

4)通流能力大。采用平面密封，開(kāi)啟過(guò)程達(dá)到滿行程，開(kāi)度大;

5)液控組件和主閥分離，高壓控低壓，控制液排量小，響應(yīng)速度快，表4給出了進(jìn)液閥不同進(jìn)液壓力下的響應(yīng)特性試驗(yàn)結(jié)果。

表4 進(jìn)液閥壓力響應(yīng)Table 4 Pressure response of the inlet valve

7 生產(chǎn)制造工藝關(guān)鍵技術(shù)

7.1 解決的工藝難點(diǎn)

閥控偶合器屬大型旋轉(zhuǎn)類機(jī)械，傳遞大的扭矩受到工作液的復(fù)雜作用，因此無(wú)論從材料的選取，還是加工的工藝，均有較高的要求。生產(chǎn)制造中，針對(duì)整機(jī)裝配工藝、各零部件的加工和組裝等，都制定了嚴(yán)格的工藝方案。所解決的關(guān)鍵制造及工藝技術(shù)問(wèn)題包括:a.不銹鋼箱體焊接、壓力試驗(yàn)、時(shí)效處理、加工;b.渦輪組與傳動(dòng)軸采用無(wú)鍵聯(lián)接，加工精度、裝配精度的保障工藝;c.錫青銅合金、鋁合金鑄件鑄造，鑄件及組件加工及旋轉(zhuǎn)平衡精度;d.各種主要不銹鋼零部件的加工;e.盤根密封的工藝試驗(yàn);f.偶合器的總體裝配。

7.2 無(wú)鍵聯(lián)接主軸超高壓拆裝

閥控充液型液力偶合器傳動(dòng)軸由于葉輪結(jié)構(gòu)限制，軸徑小、強(qiáng)度要求高，因此采用無(wú)鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)。沒(méi)有可參照的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠與否。根據(jù)設(shè)計(jì)要求共加工三對(duì)傳動(dòng)軸與軸套進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量、分析計(jì)算、高壓裝配、臺(tái)架試驗(yàn)、高壓拆卸、測(cè)量分析，調(diào)整尺寸參數(shù)，再試驗(yàn)等過(guò)程，最終確定了傳動(dòng)軸與套的過(guò)盈尺寸和加工工藝。攻克了無(wú)鍵聯(lián)接與高壓裝拆這一重大技術(shù)難關(guān)，為偶合器傳遞大功率的轉(zhuǎn)矩提供了可靠數(shù)據(jù)。通過(guò)多次中間試驗(yàn)和研究，目前已創(chuàng)造國(guó)內(nèi)265 MPa超高壓拆裝紀(jì)錄。圖11是高壓拆裝裝置工作原理。

7.3 盤根動(dòng)密封技術(shù)

盤根靜密封應(yīng)用十分廣泛，但在動(dòng)密封上國(guó)內(nèi)還少有應(yīng)用。閥控充液型液力偶合器盤根動(dòng)密封的使用技術(shù)要求如下:

圖11 超高壓裝配Fig.11 Extra high-pressure assembly

密封處線速度V＞23 m/s;

耐受溫度 -40～150℃;

動(dòng)態(tài)進(jìn)水壓力 0.3 ～1.2 MPa;

允許混入微量的酸、堿，鈣化合物氯化物含量(Cl)≤50 mg/L;

導(dǎo)熱性好，自潤(rùn)滑性好，耐磨性好;

泄漏量 ＜5 mL/min。

根據(jù)上述的使用技術(shù)要求條件，選用了碳素纖維編制填料根。盤根溝槽的尺寸沒(méi)有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，又要密封，還不能增加太大的摩擦阻力，故確定溝槽的最佳尺寸成為中間試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)。為此，設(shè)計(jì)了盤根動(dòng)密封試驗(yàn)裝置，經(jīng)多次試驗(yàn)，最終確定了密封槽的尺寸。經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)表明密封性能良好，它的試驗(yàn)成功也給線速度較高的動(dòng)密封選型拓寬了道路。

7.4 銅合金鑄造技術(shù)

葉輪采用錫青銅合金，徑向尺寸大、葉片薄且形狀復(fù)雜，強(qiáng)度要求高，精度要求苛刻。采用腹膜砂芯鑄造工藝，經(jīng)過(guò)了多次試驗(yàn)和改進(jìn)，按期提供了泵輪鑄造試件，鑄件毛坯尺寸基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過(guò)粗加工，其表面質(zhì)量和鑄件致密度基本達(dá)到要求，鑄銅試棒性能測(cè)試達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

8 試驗(yàn)研究

8.1 試驗(yàn)意義和方法

對(duì)于偶合器臺(tái)架來(lái)講，盡管數(shù)值仿真在其設(shè)計(jì)中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，準(zhǔn)確性也在不斷提高，但仍在不斷完善之中，尚無(wú)法完全取代試驗(yàn)。一方面，偶合器腔型設(shè)計(jì)的合理與否，整機(jī)性能是否滿足外特性、振動(dòng)、密封等各種性能需求，最終需要試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn);另一方面，偶合器仿真理論模型本身需要試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。故無(wú)論是作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的環(huán)節(jié)，還是作為新理論方法的檢驗(yàn)手段，試驗(yàn)研究都起著不可或缺的作用。偶合器的外部特性是檢驗(yàn)相關(guān)參數(shù)性能是否能和原動(dòng)機(jī)及負(fù)載相匹配的直接指標(biāo)，且是腔體內(nèi)部流動(dòng)特性的宏觀體現(xiàn)，可用來(lái)間接驗(yàn)證仿真模型。

閥控偶合器由于功率太大，且要研究其過(guò)載系數(shù)，一般試驗(yàn)臺(tái)很難滿足其功率要求。對(duì)于1 000 kW機(jī)型而言，根據(jù)仿真結(jié)果其峰值功率將達(dá)到3 700 kW左右，一般試驗(yàn)臺(tái)很難滿足要求。為此，整機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)在2 000 kW交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其過(guò)載能力為1.5倍。該試驗(yàn)臺(tái)主要根據(jù)《MT/T101-2000刮板輸送機(jī)用減速器檢驗(yàn)規(guī)范》和《MT/T100-1995刮板輸送機(jī)用液力偶合器檢驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行減速器和偶合器傳動(dòng)特性檢驗(yàn)，同時(shí)能夠滿足《摩擦限矩器性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，可用于減速器、偶合器、摩擦限矩器等機(jī)電傳動(dòng)裝置的臺(tái)架試驗(yàn)。

閥控偶合器臺(tái)架試驗(yàn)原理如圖12所示，試驗(yàn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置、連接裝置、信號(hào)采集及處理裝置系統(tǒng)等組成。

圖12 閥控偶合器臺(tái)架試驗(yàn)原理Fig.12 Experimental principle of the stand test for valve-control coupling

8.2 試驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果

8.2.1 外特性試驗(yàn)

液力偶合器的外特性曲線是表示轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速比關(guān)系的曲線，通常是指最大充液量時(shí)的輸出特性曲線，即表明液力偶合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩能力的曲線，一般通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制而得。按照?qǐng)D12中試驗(yàn)原理得到了不同轉(zhuǎn)速比下的泵輪轉(zhuǎn)矩，將其進(jìn)行處理后得到滿充情況下的原始特性曲線，和仿真數(shù)據(jù)一并繪出，如圖13所示。因進(jìn)一步加載到零速工況可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)造成一定破壞，出于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的保護(hù)，試驗(yàn)過(guò)程力矩最大加載到18 850 N·m。

由圖13曲線(單腔)對(duì)比可以看出，在高速段(i＞0.8)，仿真值較試驗(yàn)值偏小，而在中低速段(i＜0.8)，仿真值高于試驗(yàn)值。圖中誤差線為5%，可見(jiàn)在試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)誤差較小，仿真結(jié)果比較理想，對(duì)于閥控偶合器實(shí)際力矩傳遞特性預(yù)測(cè)具有較高的參考價(jià)值。根據(jù)試驗(yàn)曲線的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，最大力矩將小于仿真值，因此實(shí)際過(guò)載系數(shù)將小于仿真值，所研制偶合器將有更好的限矩性能。高速段由于環(huán)流運(yùn)動(dòng)劇烈，內(nèi)部混有氣泡等，實(shí)際充液量將會(huì)降低，故實(shí)際值小于仿真值。

圖13 試驗(yàn)結(jié)果與仿真值對(duì)比Fig.13 Comparison of test result and the simulation one

試驗(yàn)所得原始特性基本符合了“長(zhǎng)壁形”特性曲線的特征，所開(kāi)發(fā)的閥控偶合器性能曲線滿足設(shè)計(jì)要求。

8.2.2 充液時(shí)間的測(cè)定

這個(gè)速度就是通常所說(shuō)的軟啟動(dòng)時(shí)間，軟啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于滑差使得腔內(nèi)液體溫度上升很快超過(guò)設(shè)定的溫度上限而排液，造成不能啟動(dòng);軟啟動(dòng)時(shí)間過(guò)短，會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)沖擊較大，不能緩慢平穩(wěn)啟動(dòng)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生損壞。

在泵輪轉(zhuǎn)速為1 491 r/min時(shí)開(kāi)始充液，直至充到最大充液量，充液累計(jì)的時(shí)間為20～30 s，渦輪的轉(zhuǎn)速由零到額定轉(zhuǎn)速。

8.2.3 排液時(shí)間的測(cè)定

合適的排液時(shí)間可保證設(shè)備在突發(fā)狀況下能夠快速停車，以免因長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載而造成設(shè)備損壞。偶合器在最大液位時(shí)、泵輪轉(zhuǎn)速為1 491 r/min時(shí)開(kāi)始排液，直至渦輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，累計(jì)的時(shí)間為36 s。

8.2.4 帶載啟動(dòng)時(shí)間的測(cè)定

分別給發(fā)電機(jī)端帶載 100、300、600 kW 和1 000 kW時(shí)，渦輪達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間為25～26 s，在載荷內(nèi)，試驗(yàn)證明載荷的大小對(duì)偶合器最終的輸出轉(zhuǎn)速影響不大。

9 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)合后部刮板輸送機(jī)負(fù)載特性，以關(guān)鍵技術(shù)和工藝為突破，開(kāi)發(fā)出了閥控偶合器產(chǎn)品，解決了大功率后部刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)問(wèn)題。

2)運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具和方法(CFD、FSI等)對(duì)偶合器流場(chǎng)和力學(xué)特性進(jìn)行研究，尤其是力矩預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)具有高度的相似性，為偶合器的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法奠定了較好的基礎(chǔ)。

3)開(kāi)發(fā)出高壓外控型電液控制閥組，其工作液和控制液相分離，從根本上解決了工作介質(zhì)污染導(dǎo)致閥組堵塞而造成工作面設(shè)備頻繁停機(jī)問(wèn)題。

4)研制過(guò)程中所攻克的高壓拆裝、銅合金鑄造、盤根動(dòng)密封等技術(shù)，除為閥控偶合器的品種提供保障外，還一定程度促進(jìn)煤機(jī)裝備技術(shù)水平的提升。

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