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        帶式輸送機液粘軟起動裝置動力傳遞機理研究*

        2020-06-28 11:50:30李彬彬
        機電工程 2020年6期
        關鍵詞:承載力

        李彬彬

        (中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司,山西 太原 030032)

        0 引 言

        目前,在煤礦井下會布置多條采煤工作平面,且多個工作平面大多采用帶式輸送機傳遞運輸物[1-3]。因輸送距離遠,輸送量大,礦用的帶式輸送機是高效煤礦高產的關鍵裝備[4-5]。

        對于礦用帶式運輸裝備,大負載導致的大慣性增加了裝備軟起動難度。目前,有關軟起動技術的研究主要包括機械軟起動和電機軟起動兩大類。其中,機械軟起動有液力耦合器軟起動和液粘軟起動等;電機軟起動通過改變電機結構或電源特性,例如變頻器調速和串級調速[6-7]。

        液粘軟起動相比較于其他3種方式在適應性以及節(jié)能方面都具有一定的優(yōu)勢。本文分析液粘軟起動裝置的結構及軟起動過程傳遞轉矩的規(guī)律,利用MATLAB對軟起動過程中的油膜動態(tài)特性進行分析,以期為以后的液粘軟起動裝置的設計與應用提供指導。

        1 結構及工作原理

        1.1 液粘軟起動裝置結構

        液粘軟起動裝置結構如圖1所示[1]。

        圖1 液粘軟起動裝置結構1-推進油缸;2-從動軸;3-控制油口;4-彈簧;5-從動軸透蓋;6-主動片;7-對偶片;8-冷卻油口;9-主動軸透蓋;10-主動軸;11-支撐盤

        液粘軟起動裝置工作時,控制油口通入控制油;推進油缸壓力提高時,活塞推動主動摩擦片向被動摩擦片方向靠近,油膜厚度減小,粘性剪切力增大,輸出轉矩增大;控制系統(tǒng)壓力降低時,活塞推力減小,彈簧將主被動片分隔開,油膜厚度增大,粘性剪切作用減小,輸出轉矩減小;潤滑油液由冷卻油口進入到摩擦片和對偶片之間,在摩擦副之間形成動態(tài)剪切油膜,起到冷卻、潤滑和傳遞動力的作用。

        1.2 液粘軟起動裝置的傳動機理

        根據牛頓內摩擦定律,離合器內部的一對摩擦副可以簡化為計算模型[9-10],如圖2所示。

        圖2 液粘傳動工作原理示意圖

        其傳遞轉矩可表達為:

        (1)

        式中:M—傳遞轉矩,N·m;n—摩擦副組數,組;μ—動力粘度,Pa·s;h—油膜厚度,m;r1—摩擦副內徑,m;r2—摩擦副外徑,m;ω1—主動軸轉速,rad/s;ω2—被動軸轉速,rad/s。

        2 軟起動過程

        帶式輸送機因輸送帶本身的特性,其理想的起動過程應該符合以下條件[11]:

        (1)起動時間足夠的長,使得在起動過程中的速度達到規(guī)定速度;

        (2)起動時的最大加速度較??;

        (3)加速度的突變小。

        因此,軟起動可以使得驅動設備平順的輸送載荷給輸送帶,保證輸送帶的平穩(wěn)運行。

        2.1 理想起動曲線

        目前,軟起動過程有兩種常見的方式[12-13],分別為Harrision和Nordell起動,其起動曲線表達式分別為:

        (1)Harrision起動曲線:

        (2)

        (2)Nordell起動曲線:

        (3)

        根據起動曲線的表達式,通過求解可得到起動曲線,如圖3所示。

        圖3 Harrision和Nordell起動曲線

        Harrision起動曲線:起動時的加速度數值為0;當時間到Ts/2時,加速度達到最大值,然后逐漸減小;當速度達到額定值時,加速度減為0;其加速度可由速度曲線的一階導數求得。

        Nordell起動曲線:起動時的加速度也為0;當時間到Ts/2時,加速度達到峰值,然后逐漸減少;當速度達到額定值時加速度減為0。

        Harrision起動曲線又稱最小加速度起動曲線,Nordell起動曲線又稱最小沖擊起動曲線[14]。兩種曲線在實際中都有應用,但由于Harrision起動曲線無加速度突變,在實際應用中被更多地采用。本文即將采用該起動速度曲線對調速起動過程進行機理分析。

        2.2 液粘軟起動分析

        本文選用帶式輸送機理想起動曲線計算,軟起動采用液粘軟起動,液粘軟起動過程中,其緩沖過程主要靠液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制來完成[15-16]。

        根據式(1)可知,液粘傳動調速起動裝置傳遞轉矩M是輸出轉速ω2和油膜厚度h的函數,傳遞的轉矩與油膜厚度一一對應。因此,研究油膜變化的動態(tài)特性對研究液粘裝置的軟起動具有重要的參考價值。

        3 油膜動態(tài)數值分析

        3.1 模型建立

        本文以迪卡爾坐標系研究油膜的狀態(tài),為簡化計算,選取油膜的1/15作為研究對象。

        所建立的模型如圖4所示。

        圖4 油膜數值計算模型

        圖4中的入口代表油液流入的入口,出口代表油液流出的出口。

        根據建立的模型,可將Navier-Stocks方程[17-18]簡化為:

        (4)

        (5)

        式中:Vx,Vy—油膜x和y方向的速度,m/s;P—油液壓力,Pa;ρ—油液密度,kg/m3。

        對式(4~5)分別積分兩次,可得:

        (6)

        (7)

        式中:Uix,Uiy(i=1,2)—摩擦片與對偶片轉速在x和y方向的分量,rad/s(其中Δω=ω1-ω2)。

        根據模型積分條件,可表示為:

        z=0,Vx=U1x,Vy=U1y
        z=h,Vx=U2x,Vy=U2y

        (8)

        公式(6~7)對h分別積分,可得流量沿x和y方向的流量方程:

        (9)

        (10)

        其中,流量方程中包括3項:第一項為壓力差流量;第二項為剪切流量;第三項為離心流量[19-20]。

        油膜的連續(xù)性方程為:

        (11)

        由連續(xù)性方程(11)可得:

        (12)

        將Vx,Vy代入式(12),并且對z進行積分可得:

        (13)

        該方程描述了摩擦片間油膜壓力和膜厚之間的關系。由上式可得:等號右邊的第3部分和第4部分反映的是離心力對油膜狀態(tài)的影響,而dh/dt反映的是油膜的擠壓效應產生的作用;當擠壓速度與施加的外載荷方向相同時,油膜的厚度變小(dh/dt<0),此時產生油膜承載力。

        3.2 數值參數

        本文選取功率為75 kW的液粘軟起動裝置進行分析,其摩擦片溝槽數為16,相關參數如表1所示。

        表1 計算參數

        3.3 仿真分析

        筆者根據公式(13),求解h關于t的關系。

        利用MATLAB軟件仿真分析可得起動過程中油膜厚度h變化,如圖5所示。

        圖5 起動過程中油膜厚度變化

        由圖5可知:起動過程中,油膜厚度隨著時間的增加而逐漸減小,前10 s內油膜厚度變化很快,此時為流體潤滑階段;到40 s時油膜厚度幾乎為0,此時為混合摩擦階段,依靠油液和摩擦副之間的接觸傳遞動力。

        式(13)為液粘軟起動裝置起動過程中的瞬態(tài)雷諾方程,通過求解該方程可得油膜的壓力特性,進而可得到油膜承載力及油膜傳遞轉矩。

        由計算可得其油膜的剪應力為:

        (14)

        (15)

        式中:τx,τy—油膜在x和y方向上的剪切力,Pa(計算中應注意τx和τy的方向性)。

        轉矩M計算公式為:

        (16)

        油膜的承載力W為:

        (17)

        根據式(16~17),利用MATLAB軟件仿真可得起動過程中轉矩及油膜的承載力的分布情況,如圖6所示。

        圖6 起動過程中轉矩和油膜承載力的變化情況

        從圖6中可以看出:起動過程中,油膜傳遞的轉矩和動壓承載力變化規(guī)律基本一致,隨著時間的推移,扭矩和承載力逐漸增加,在起動16 s左右出現扭矩峰值和承載力峰值,而后逐漸減小。

        4 結束語

        本文主要介紹了液粘軟起動裝置的結構以及傳遞機理,分析了礦用帶式輸送機軟起動過程中的速度曲線;采用液粘軟起動的方式,對液粘軟起動過程中的調速過程進行了分析,利用數值分析的方法得到了油膜的動態(tài)特性,主要結論如下:

        (1)液粘軟起動工作在調速過程中時,其油膜厚度隨時間為動態(tài)變化,隨起動時間的增加,油膜厚度逐漸降低,起動時間到達40 s時,油膜厚度為0,液粘軟起動裝置中的摩擦片與對偶片完全貼合,達到了同步傳動;

        (2)在起動過程中,由于油膜的動態(tài)變化,油膜產生的油膜承載力與扭矩將會發(fā)生相應的變化,其中扭矩和承載力隨著起動時間的增加先增加后減小,當起動時間16 s時分別達到最大值,滿足理想曲線的起動要求。

        該研究可以為液粘軟起動裝置的設計與研究提供理論基礎。

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