液力偶合器装置技术分析及启动设计

叶丹　高梅　郭瑞

摘要：本文主要探讨了液力偶合器传动的基本结构及其特性，并对其可控启动装置的设计进行了阐述。

关键词：带式输送机，软启动，液力偶合器

1.液力偶合器传动的基本结构

液力偶合器的作用是进行动力传递，其作为传动元件可满足多种类型的输送机软启动需求。

液力偶合器是由对称的泵轮、涡轮、主轴、导管、外壳等部件组成，如图1所示，利用紧固螺栓将外壳和泵轮密封连接，这样做的好处是可以使工作腔密封性较好，可有效防止工作液外泄溢出。动力源（电动机输出扭矩）可通过输入轴输入，经过内部能量的转换减速再由输出轴输出最终形成的符合控制要求的扭矩力再通过输出轴传递给工作机（工作机可通过联轴器与输出轴相连接）。泵轮和涡轮采用径向直叶片的叶轮结构，叶片的凹腔部分形成的圆环状空腔是工作腔，主要是供工作液体在里面循环流动，传递动力。

2.液力偶合器特性分析

1、在假设输入扭矩力不变的理想状态下，可通过改变工作腔内注入喷射液流的充盈程度来改变液力大小，大小不同的液力输出可使输出涡轮的转速得到调整，这样通过调节输出力矩就能达到调速的目的。通过液流的外循环和冷却系统相互配合，使液流在工作腔中不断的循环，通过循环液流来达到水冷却的目的，同时也可以调节工作腔液量的充盈程度。如果工作腔的液體的充盈程度为q，将△q设为液量的变化量，并将Q1和Q2分别作为工作腔的进、出口流量，并使Q1和Q2值的大小是不同的，即可得到液量变化公式：△q =△t（ Q1-Q2 ）。

2、液力偶合器的特性参数

a、力矩

在忽略轴承摩擦损失和传递损耗等情况下，涡轮的输出力矩与泵轮输出力矩应该是相同的。

b、转速比

转速比是将两个传动件的转动速度作为比率因素，用来分析构件的传动效率，在此处主要用来表示偶合器在运行时的状态。用来表示液力偶合器运转状态。如果i = 0时，此为零速运行状态，可定义为零速工况；如果在此之前液力偶合器处于运行状态，则这个状态可定义为制动工况；若在此之前液力偶合器处于静止状态，未发生任运行何动作，则可将其定义为起动工况。

c、转差率

S=（1-i） 100 %该公式表示转差率，除了表示相对转速的大小之外，同时也表示功率损耗的大小。

d、泵轮力矩系数

泵轮力矩系数是衡量液力偶合器的性能的技术标准之一，该标准可作为液力元件容量大小的参数评比参考，值越高则其的容值也就越高，其性能也就越好，其腔型相对来说也会越好。通过大量的测定运行中的力矩参数，并将其记录整理，再并利用专业的公式反复计算并最终得到最合理的系数参数。

e、效率

在忽略轴承传递等功率损耗的情况下，液力偶合器效率与转速比是相同的，这是液力偶合器的重要特点之一。在一般情况下，在运行中要想获得更高的效率，就需要提高运行时的转速比。

3.可控起动装置的设计

通常，液力调速偶合器用作带式输送机的可控起动装置，其启动过程如下：在启动时间0-t内，摇臂与水平轴的夹角匀速增加，以此来带动勺管水平运动，使充液率逐渐增加，其最终的结果肯定可以起到慢速起动、降低动张力的作用，但因为瞬时负载、转速比的不确定性，使我们不及对启动过程中的加速度的大小作出判断，以使其控制在许可的范围内；同时，也不能够根据所需要的加速度曲线来节制输送机的启动，实现可控制启动。图2为控制系统原理。

所设计的控制系统中包含的仪器有：单片机、运放器、数模转换器（D / A）、模数转换器（A/D）、传感器及电液比例阀等。

3.1 控制系统的组成

（1）单片机

所谓单片机是指在一块硅片上集成了中央处理器（CPU）、随机存储器（ RAM）、程序存储器（ROM或 EPROM）、定时器以及各种输入输出（I/ 0）接口，也就是集成在一块芯片上的计算机。有以下优点：由于其是高度集成产品，故其体积较小、重量比较轻盈，方便流转运输、只需单一的电源即可、耗能比较低，经济环保、功能强大，适应范围广、价格低廉，使用成本较低、实体布线较短，可节约成、抗干扰能力较强，能适应复杂的工业环境应用、工作时具有高稳定高可靠的特性。通常，采取汇编语言作为单片机的程序设计，这种语言较为直观，而且容易记忆和检查。单片机因为1/0线多，位指令多，逻辑操作能力强，特别实用于实时的控制。本系统的单片机拟采用 MCS-51系列的8031 ，不但存储容量、接口数量与种类多，而且具有多机通信的控制功能。

（2）模/数（A/D）

在控制系统中，必须对起动过程中的参数（电机的输出速率、勺管的位移、驱动滚筒的速度、加速度）进行检测和控制。被控对象的参数通常是持续改变的物理量。连续量即是指数值变化连续和时间数值连续变化连续。连续量也是模拟量。而模拟量只有转换成二进制数码转换的数字量才能到计算机中去计算和逻辑运算。有逐次逼近方式和积分方式两种方法，积分方式的（A/D）转换精度高，抗滋扰能力强，但速率慢，主要用于数字式仪表中；逐次逼近方式转换由于精度高、转换速率快，是计算机中运用最多的（A/D）转换方法。

3.2 控制原理

当输出负电压，可以通过调动放大器，得到电流1k驱动电液比例阀阀芯移动，使进入油缸的液体的流量和方向均发生变化，从而使液压缸产生运动，其最后结果使勺管的开度得以变化，最终的目的就是改变液力偶合器工作腔的液流充盈度；在此过程中，液压缸的位移通过位移传感器不停地传达到单片机中，当其位移与所需要的值相同时，单片机的输出电压为零，慢慢完成带式输送机的起动。

课题信息：安徽文达信息工程学院科研基金资助及项目编号XZR2013A03