液体粘性软起动装置的仿真分析与实验研究

摘要

液体粘性软起动装置（以下简称“液粘软起动”）安装在电动机和减速机之间的高速轴，利用两摩擦片之间流体的粘性传递力矩，适合大功率负载的起动和调速。与变频器、CST和液力耦合器相比，液粘软起动具有较高的性能价格比，因而近年来在风机、水泵、带式输送机调速方面得到一定的推广应用。但由于理论研究和制造水平的限制，液粘软起动的应用范围和数量要低于液力耦合器，甚至在某些场合应用并不成功。存在的问题主要表现在机械结构、油压调节、散热和调速等几个方面。
　　本文对液粘软起动装置存在的上述问题进行了深入研究，主要工作内容和研究成果包括
　　（1）将液粘软起动输入、输出轴的支撑形式由悬臂式改为简支撑式，采用防泄漏技术重新设计了内部油路，输入轴和齿鼓分体设计，简化了润滑泵驱动，成功研制了新型结构的液粘软起动装置。现场应用情况表明，新型液粘软起动装置更加可靠，轴承和密封寿命延长，维护更加方便。
　　（2）研究了润滑油等粘度和变粘度条件下，摩擦片间油膜温度的不同分布。求解了边界润滑状态时摩擦片表面瞬态和稳态温度的分布。分析了摩擦材料的比热容和热传导系数与摩擦片表面瞬态和稳态温度的关系。
　　（3）根据摩擦片具有周期性的结构，简化并建立了摩擦片和油膜的3D液固耦合物理模型，大大减少了仿真计算量。利用CFD软件—FLUENT仿真并分析了摩擦片沟槽的结构和尺寸与流场、稳态和瞬态温度场、传递力矩的关系，为研究具有复杂沟槽形状的摩擦片的传动机理提供了一种新方法。
　　（4）推导了润滑泵出口压力的公式，为确定润滑泵功率提供了理论依据。
　　（5）深入分析了软起动装置控制泵变频调压的机理和调压特性。结果表明，节流阀的开口度、油泵泄漏量、滤油器的阻力、单向阀阻力和液粘软起动内部的泄漏会同时影响变频调压稳态特性曲线的增益和起始频率。
　　（6）针对液粘软起动的不同运行工况，推导了换热器的性能参数与软起动出口油温的关系式，为液粘软起动装置换热器的选型设计提供了理论指导。
　　（7）建立了液粘软起动的动态数学模型，研究了液粘软起动开环调速稳定性和变频调压对油膜和转速的影响。结果表明，在开环状态下，软起动装置是有条件稳定的。影响稳定的因素除与本身结构参数有关外，还与负载特性有关。采用变频方式调节控制油压，可以忽略油压脉动对油膜厚度和输出转速影响。
　　（8）采用专家 PID控制器，设计了基于非参数模型的转速控制系统，而无需求取液粘软起动准确的数学模型。
　　（9）润滑泵采用变频驱动可以有效利用带排力矩，实现小负载的调速与可控起动，这一点在实验台上通过了验证。
　　上述研究工作进一步发展了粘性传动的理论，解决了现场应用中存在的问题，试制了样机并试验成功。这对液粘软起动装置的产品性能提高和推广应用具有重要的理论意义和实践指导意义。

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1 绪 论

1.1 研究的背景

1.2 研究的目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 存在的问题

1.5 本文主要的研究工作

2 液粘软起动装置摩擦副温度场仿真与分析

2.1 新型液体粘性软起动装置的组成与结构

2.2 流体润滑状态油膜温度的仿真分析

2.3 边界润滑状态摩擦片的温度分析

2.4 本章小结

3 液粘软起动装置润滑油流场仿真与分析

3.1 采用光面摩擦片时润滑泵的压力分析

3.2 采用径向槽摩擦片时润滑泵的压力分析

3.3 径向环形槽摩擦片润滑油流场的仿真分析

3.4 本章小结

4 液粘软起动装置的控制油压调节

4.1 电液比例调压的缺点

4.2 变频调压的原理

4.3 变频调压的稳态特性分析

4.4 本章小结

5 软起动装置换热器的热力学分析与仿真

5.1 换热器的选型

5.2 软起动装置板翅式换热器的设计

5.3 板翅换热器的仿真与分析

5.4 本章小结

6 液粘软起动装置的动力学模型

6.1 摩擦片动力学模型

6.2 负载机械的动力学方程

6.3 变频调压部分的数学模型

6.4 软起动装置的动力学模型

6.5 软起动装置稳定性分析

6.6 变频调压对油膜和转速的影响

6.7 本章小结

7 液粘软起动装置的控制系统

7.1 摩擦片的传动机理

7.2 调速控制面临的问题及解决方法

7.3 液粘软起动装置的控制策略

7.4 专家PID控制器的整定

7.5 电气控制系统硬件组成

7.6 本章小结

8 液粘软起动装置的实验与数据分析

8.1 实验目的与任务

8.2 实验台组成

8.3 液粘软起动装置的实验与分析

8.4 本章小结

9 结论与展望

9.1 全文总结

9.2 主要创新点

9.3 研究内容展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间从事科学研究及发表论文情况