溫成卓+周水芳

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

【關(guān)鍵詞】液體粘性傳動(dòng)；液粘傳動(dòng)；油膜剪切傳動(dòng)；HVD

0 前言

液體粘性傳動(dòng)技術(shù)作為一門新興的傳動(dòng)技術(shù)，以其獨(dú)特傳動(dòng)方式，優(yōu)越的傳動(dòng)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(guó)的起步比較晚，對(duì)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(dòng)的定義及工作原理

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

液體粘性傳動(dòng)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(dòng)而使上平板在其自身平面內(nèi)以等速U向右運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)裝置。

圖 1 流體的內(nèi)摩擦模型

液體粘性傳動(dòng)裝置的基本工作原理如圖2所示。

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

系統(tǒng)工作時(shí)，主、被動(dòng)摩擦片9、10之間由潤(rùn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)摩擦片發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使摩擦片之間的剪切潤(rùn)滑油膜厚度發(fā)生改變，從而使被動(dòng)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(shí)，主、被動(dòng)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(rùn)滑油膜和油膜剪切力，主動(dòng)摩擦片9通過靜摩擦力帶動(dòng)被動(dòng)摩擦片10一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，液粘傳動(dòng)裝置進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)。

圖 2 液體粘性傳動(dòng)裝置工作原理簡(jiǎn)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(dòng)軸；8.液壓缸控制活塞；9，10.主、被動(dòng)摩擦片；11.被動(dòng)軸；12.冷卻裝置；16.油箱

2 液體粘性傳動(dòng)的特點(diǎn)

液粘調(diào)速離合器作為一種新型的液體傳動(dòng)裝置，與其他傳動(dòng)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(jí)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(dòng)，此時(shí)無功率損失。傳動(dòng)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(dòng)，減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

（4）可手動(dòng)控制，亦可遠(yuǎn)距離自動(dòng)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(jiǎn)單。

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

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

（8）帶動(dòng)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(chǎng)所。

3 液體粘性傳動(dòng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上美國(guó)是最早開始研究液體粘性傳動(dòng)的國(guó)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(dòng)技術(shù)開始工業(yè)化應(yīng)用。目前，美國(guó)已經(jīng)研制出能夠精確伺服控制的液粘傳動(dòng)裝置，其功率等級(jí)達(dá)70，000馬力，可連續(xù)24小時(shí)工作，壽命在24，000小時(shí)以上。20世紀(jì)70年代末，日本新瀉控巴達(dá)公司從美國(guó)雙盤公司引進(jìn)液體粘性傳動(dòng)技術(shù)，進(jìn)行了大規(guī)模的開發(fā)生產(chǎn)。并在美國(guó)專利技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)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(qǐng)日本、美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)四國(guó)專利進(jìn)行生產(chǎn)。目前，國(guó)外對(duì)液粘傳動(dòng)技術(shù)的研究方向主要呈現(xiàn)出功率等級(jí)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(guó)內(nèi)關(guān)于液體粘性傳動(dòng)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(dòng)技術(shù)的學(xué)者之一，他對(duì)液粘傳動(dòng)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(dòng)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(jí)的液粘傳動(dòng)產(chǎn)品，但性能與國(guó)外同等級(jí)產(chǎn)品相比還有一定的差距。目前我國(guó)還沒有開發(fā)、生產(chǎn)大功率等級(jí)液粘傳動(dòng)裝置的能力。

4 液體粘性傳動(dòng)技術(shù)的研究趨勢(shì)

我國(guó)所研制、生產(chǎn)的HVD調(diào)速傳動(dòng)裝置從功率等級(jí)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(guó)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(rùn)滑傳動(dòng)機(jī)理的研究。國(guó)內(nèi)各研究單位采用有限元素法或者級(jí)數(shù)法，運(yùn)用無限寬或者有限寬平面階梯軸承理論對(duì)帶徑向油槽摩擦片間油膜的潤(rùn)滑傳動(dòng)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(duì)HVD油膜潤(rùn)滑傳動(dòng)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(dòng)的能力的性能指標(biāo)。如果對(duì)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(gè)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(dòng)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(rùn)滑油的研究。

（6）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。使HVD調(diào)速傳動(dòng)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(jí)HVD裝置的研制。

5 結(jié)論

本文給出了液體粘性傳動(dòng)的定義及分類。介紹了液粘傳動(dòng)的工作原理。闡述了國(guó)內(nèi)外液體粘性傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和研究狀況，與國(guó)外液粘技術(shù)相比，我國(guó)在油膜形成機(jī)理、摩擦片材料及結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)潤(rùn)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(dòng)技術(shù)具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵威.液體粘性傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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]