液力偶合器

偶合器流道的几何参数包括：流道在轴面上的几何形状、叶片数目、厚度和角度，有无内环和挡板及它们的尺寸及辅油室的位置和容积等。不同偶合器流道、其原始特性各不相同。目前，国内外常用的几种流道和其由试验所得的原始特性见表1

(1)流道选型原则

① 在额定工况滑差S*(或i*)时，偶合器原始特性应具有尽可能大的扭矩系数λ*值

由公式可见，λ*(对应滑差S*)愈大，在其他相同条件下，D 可愈小，或 M 可愈大，或S*可愈小。因此，λ*大小是偶合器各种流道进行比较时的重要指标之一。对大多数流道，S*＝0.03时λ*值为(1.2~2.7)×10^-6min²/m。国标GB 5837—86中规定，对调速型偶合器，S*≤0.03时要求λ*≥1.7×10^-6；限矩或牵引型偶合器，S*≤0.04时要求λ*≥1.6×10^-6

② 对于限矩型偶合器，涡轮零速(S＝1)工况时的转矩系数 λ₀ 应尽可能小，或在规定的过载系数 T_g 之内，使偶合器有较好的过载防护性能。某些要求脱离的调速型偶合器也希望有较小的λ₀，以减小在脱离状态下流道内部的空转损失，避免长期空转时，偶合器流道内温升过高而产生故障

③ 对于限矩型偶合器，还希望特性曲线波动较小。这种波动常用凹陷系数e＝λ_Lmax/λ_Lmin来表示，式中λ_Lmax和λ_Lmin分别为dλ/di＞0区段上扭矩系数的局部最大值和最小值。e 值愈大，性能愈差，e＝1.0最佳，一般e≤1.4。当e＞T_g时，在启动过程中偶合器就有可能不能加速到额定工况点，因而无法维持正常工作

④ 对于绝大多数要求无级调速的工作机，一般调速偶合器无限矩要求，相反希望在 S 增加时 M 急剧增加，也即具有较“坚挺”的特性，以扩大偶合器的调速范围

⑤ 为便于叶轮与轴、勺管装置以及辅油室等的结构布置，希望流道有较大的d₀/D值。对于用机械加工方法形成流道的还要求流道轴面形状简单。尽可能用径向直叶片使偶合器正反方向运转时性能相同。还应注意所选用的流道在运转中有较小的轴向推力

上述几条原则仅供流道选型时分析比较之用，最佳的选择自然还视所设计偶合器的具体情况而定。例如将偶合器作为液力制动器(或减速器，水力测功器)时，就希望在设计工况S*＝1时具有很大的 λ₀ 以减小尺寸。这种特殊情况这里不加讨论

表1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　国内外常用的液力偶合器流道及其原始特性

序列

流道

名称

流道几何形状

原始特性

有效直径D/m

几何参数

特性参数

叶片数目

充油度

特点

模型情况

1

桃形

M_e——偶合器所传额定转矩，N·m；

N_e——偶合器所传的额定功率kW；

ρ——工作油密度，kg/m³；

g——重力加速度，g＝9.81m/s²；

λ*——额定工况转速比i*(或S*)时的转矩系数，min²/m；

本表中λ_0.97，λ_0.98和λ_0.96所对应的i*各为0.97，0.98和0.96；

n_De——原动机或泵轮额定转速，r/min

d₀＝0.525D

ρ₁＝0.16D

ρ₂＝0.104D

S＝0.05D

△＝0.01D

λ_0.97＝(1.6~2.1)×10^-6

λ_0.98＝(1.2~1.3)×10^-6

z_B＝8.65D^0.279(D用mm)

z_T＝z_B±2

全充油

普遍用于调速型，d₀/D较大

D＝0.4m

n_B＝1400r/min

2

扁圆形

d₀＝0.415D

ρ＝0.1465D

S＝0.0244D

d₁＝0.585D

△＝0.01D

λ_0.97＝(2.0~2.4)×10^-6

λ_0.98＝(1.4~1.6)×10^-6

普遍用于调速型，d₀/D较小，但λ_0.97较大

D＝0.36m

n_B＝1470r/min

3

牵引型(静压倾泄式)

d₀＝0.32D

d₂＝0.53D

d₁＝0.60D

ρ＝0.15D

b＝0.30D

△＝0.01D

λ_0.96≈1.6×10^-6

λ₀＝4.6×10^-6

T_g＝2.87

T_gmax＝3.88

定量部分充油

用于启动大惯量工作机

D＝0.368m

n_B＝1450r/min

4

限矩型(动压倾泄式)

d₀＝0.52D，

ρ＝0.12D

b₁＝0.10D，

b₂＝0.07D

b₃＝0.055D，

b₄＝0.158D

d₁＝0.516D

d₂＝0.376D

△＝0.01D

λ_0.96＝(1.35~1.6)×10^-6

T_g＝2.5~3.4

流道宽度较小

D＝0.368m

n_B＝1450r/min

5

限矩型(延充式)

d₀＝0.32D，

d₁＝0.52D

d₂＝0.55D，

d₃＝0.7D

ρ₁＝0.15D，

ρ₂＝0.1D

b₁＝0.15D，

B＝0.45D，

△＝0.01D

a＝4×f 0.008D

e＝4×f 0.0125D

c＝8×f 0.03D

r尽量小，视结构而定

λ_0.96＝1.4×10^-6

λ₀＝2.6×10^-6

T_g＝1.84~2.04

D＝0.65m

n_B＝980r/min

z_B＝82

z_T＝80

注：1.表中所列流道，其叶片均为径向直叶片，故正反转的特性相同。

2.对序列3、4、5定量部分充油流道λ_0.96，均是指最大充油度而言的。减小充油度，则λ_0.96和T_g也有降低。

3.序列5的延充式流道可加装延充阀。

4.用表中公式计算有效直径D 时，未考虑偶合器模型和实物之间因R e不同而引起的不大影响，实际上这一影响还是存在的。具体表现为λ*(加λ_0.97)有一变化范围，当设计的偶合器泵轮转速n_B愈高，D 愈大、流道加工有较高的精密度和较低的粗糙度、油温较高和油的粘度愈小时，则同—i下的λ*值偏大(以上任一因素均影响λ*偏大)，反之则偏小。这一点在计算D 时应按具体加以考虑。

5.为了通用和便于选购定型产品，由上表计算出来有效直径D ，必须向上圆整到国标GB/T 5837—1993所规定的系列尺寸，例如200mm，220mm，250mm，280mm，320mm，360mm，400mm，450mm，500mm，560mm，650mm，750mm，800mm，875mm，1000mm，1150mm等。由于向上圆整，故在传递额定功率时偶合器实际滑差 S 要比计算时所选的标准值S*(如S*＝0.03)略小。

⑥偶合器叶轮的叶片厚度δ见表2。

(2)实例

例1　试确定一台调速型偶合器流道的主要尺寸｡原动机为1600kW，2985r/min异步电动机，工作机为1200kW离心鼓风机，额定滑差S*≤0.03，采用20号机械油，油温70℃时的密度ρ＝870kg/m³｡

选用表1中的扁圆形流道，并取S*＝0.03，此时其λ*＝2.1×10^-6｡因偶合器能协助电动机实现无载启动，故以1200kW作为偶合器所传的额定功率N_e，按表中公式计算流道几何参数，有效直径为

按系列尺寸，向上圆整到D＝0.5m｡由于这一圆整，则在额定工况实际运转时，S*必将小于0.03｡

流道其余几何尺寸为

d₀＝0.415×0.5＝0.2075m

ρ＝0.1465×0.5＝0.07325m

S＝0.0224×0.5＝0.0112m

d₁＝0.585×0.5＝0.2925m

Δ＝0.01×0.5＝0.005m

叶片数目

z_B＝8.65×D^0.279＝8.65×500^0.279＝8.65×5.66＝48.98

取泵轮叶片数z_B＝50，涡轮叶片数z_T＝50-2＝48｡叶片沿叶轮圆周均匀分布｡

例2　按如下条件确定限矩型偶合器有效直径，并校验其过载防护性能｡7.5kW、1470r/min异步电动机经偶合器带动灰渣辗碎机，运转中要求动力过载保护，S*≈0.04，采用20号机械油，70℃时之ρ＝870kg/m³｡

选表1中的限矩型(动压倾泄式)流道，取S*＝0.04时之λ*＝λ_0.96＝1.45×10^-6，原始特性中最大转矩系数λ₀＝3.8×10^-6(在i＝0时)｡有效直径为

按系列尺寸，取D＝0.28m｡

该异步电动机之最大转矩和额定转矩的比值M_Dmax/M_De＝2.2，最大转矩所对应的转速约为1375r/min｡当工作机突然因阻力增大而减速时，偶合器所能出现的最大转矩(i≈0)为

异步电动机额定转矩为

异步电机所能产生的最大转矩　　　　　　　　　　　　　　　　　　　M_Dmax＝2.2·M_De＝2.2×48.75＝107.25N·m

由于M_Dmax＞M_max，故工作机被突然卡住不转时，电动机仍可在稍高于最大转矩对应的转速运转，不致停车｡几分钟后因油过热易熔塞熔化，将流道内油排空，偶合器不再传递功率，从而起过载防护作用｡