電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合工作特性

邢小聰，程秀芳

(河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山 063009)

對(duì)于大功率、長(zhǎng)運(yùn)距的帶式輸送機(jī)，如果采用電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，則使輸送機(jī)啟動(dòng)加速度過(guò)快，使膠帶松邊拉緊裝置反應(yīng)速度滯后，膠帶下垂度加大，儲(chǔ)帶倉(cāng)內(nèi)多層膠帶層間相互碰撞、摩擦，導(dǎo)致膠帶磨損快、壽命短、傳動(dòng)不平衡［1］。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)作為改善其啟動(dòng)條件的主要手段，以確保帶式輸送機(jī)安全可靠地平穩(wěn)運(yùn)行。本文重點(diǎn)分析了電機(jī)和液力耦合器聯(lián)合工作輸出特性的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線圖、驅(qū)動(dòng)力—速度曲線圖，為在實(shí)際生產(chǎn)中很好地控制輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性具有指導(dǎo)意義。

1 交流電機(jī)的機(jī)械特性

交流電機(jī)的機(jī)械特性可表示為［2］:

式中:M，Mm—電機(jī)在任意轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩;電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩;

，S—與電機(jī)定子轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)的常數(shù);電機(jī)任意轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)差率。

將式(2)，(3)代入式(1)可得出電機(jī)直接啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型為:

其中:

式中:Me，Sm，Se—電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩;電機(jī)的最大滑差;電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率;

n0，nd，ne—電機(jī)同步轉(zhuǎn)速;電機(jī)任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)速;電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;

λ，pe—過(guò)載系數(shù);電機(jī)額定輸出功率。

也可將電機(jī)的輸出特性用驅(qū)動(dòng)力和速度表示。對(duì)于帶式輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)力和速度之間的關(guān)系為:

由上面式(9)，(10)聯(lián)立可得電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力與速度之間的關(guān)系式:

式中:Fd1，i，η—驅(qū)動(dòng)力;減速比;傳動(dòng)系統(tǒng)的效率;輸送帶的速度。

2 液力耦合器的特性

液力耦合器的輸出扭矩計(jì)算方程［3］

式中:λ，ρ，D—泵輪扭矩系數(shù);工作介質(zhì)的密度;液力耦合器的渦輪外徑;

nB—液力耦合器的泵輪轉(zhuǎn)速，與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速相等。

當(dāng)泵輪和渦輪轉(zhuǎn)差率恒定時(shí)，可得:

將式(12)和式(13)聯(lián)立得到電機(jī)和液力耦合器的聯(lián)合工作特性曲線方程:

式中:Ci—為相應(yīng)泵輪與渦輪不同轉(zhuǎn)差率的C值。

其對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩可由式(12)得到，電機(jī)和液力耦合器聯(lián)合輸出的機(jī)械特性可以用n段直線擬合為下列函數(shù)關(guān)系:

其中:(Mi，ni)和(Mi+1，ni+1)是曲線相鄰兩點(diǎn)的坐標(biāo)值。

也可以將輸出特性用輸出力和速度表示。對(duì)于帶式輸送機(jī)，渦輪轉(zhuǎn)速n和滾筒周邊的線速度v的關(guān)系為:

式中:i，D—減速比;滾筒直徑。

輸出的力矩M可以變換為滾筒周邊的驅(qū)動(dòng)力F為:

應(yīng)用上面的式(16)和式(17)，可將M－n曲線變換為F－v曲線。其函數(shù)關(guān)系式為

式中:Fvi，F(xiàn)di—與驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械特性有關(guān)的常數(shù)。

3 實(shí)例分析

以Y450—46—6電機(jī)，TVA866型限距型液力耦合器為例進(jìn)行研究［4］。

電機(jī)參數(shù)為:電機(jī)額定功率pe=400 kW，過(guò)載系數(shù)λ=2.57，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0=1000 r/min，電機(jī)額定轉(zhuǎn)ne=988 r/min。計(jì)算出電機(jī)參數(shù)Sm=0.129 760 7，q=2.864723。

圖1 電機(jī)直接啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線

圖2 電機(jī)和液力耦合器聯(lián)合輸出的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線

由圖1可以得出，電機(jī)直接啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩在達(dá)到峰值之前隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。圖2中電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩在達(dá)到峰值之前隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出增大—減小—增大的趨勢(shì)。而這一階段正是電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)所具有的減振環(huán)節(jié)，延緩了輸送機(jī)的加速過(guò)程。這是電機(jī)直接啟動(dòng)和電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)的主要區(qū)別。通過(guò)圖1、圖2可以看出兩種驅(qū)動(dòng)方式在轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值之后，均是隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。

圖3 電機(jī)直接啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力—速度曲線

圖4 電機(jī)和液力耦合器聯(lián)合工作輸出特性的驅(qū)動(dòng)力—速度曲

通過(guò)上面兩個(gè)圖形比較得出，圖3中電機(jī)直接啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力F隨著帶速的增加而增大。當(dāng)帶速v為3.2m/min時(shí)，驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大值28 000 0 N，圖4中電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力F隨著帶速的增加呈現(xiàn)出增大—減小—增大的趨勢(shì)。當(dāng)帶速v為3.4 m/min左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)力F達(dá)到最大值22 000 0 N。通過(guò)比較圖3、圖4可知，電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力峰值比電機(jī)直接啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的峰值要小，并且圖4中的驅(qū)動(dòng)力F隨著帶速的增加呈現(xiàn)出增大—減小—增大的趨勢(shì)。這種情況就可以避免直接起動(dòng)時(shí)給輸送機(jī)所帶來(lái)的剛性沖擊，降低了起動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力，達(dá)到了慢速可控起動(dòng)的效果。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用軟件MATLAB對(duì)電機(jī)直接啟動(dòng)和電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)的M－n和F－v的曲線圖進(jìn)行仿真，且比較得出電機(jī)與液力耦合器聯(lián)合啟動(dòng)具有減振環(huán)節(jié)，其延緩了輸送機(jī)的加速過(guò)程，避免了直接起動(dòng)時(shí)給輸送機(jī)所帶來(lái)的剛性沖擊，降低了起動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力，達(dá)到了慢速可控起動(dòng)的效果。因此，在輸送機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行中，使用液力耦合器的驅(qū)動(dòng)方式，能實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的慢速滿載起動(dòng)、多臺(tái)電機(jī)的負(fù)載平衡，可以提高輸送機(jī)的使用效率和可靠性，是膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的較好選擇。

［1］劉肖健.膠帶輸送機(jī)的動(dòng)態(tài)特性研究［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，1997.

［2］楊乃喬.液力偶合器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1980，10.

［3］朱立平.帶調(diào)速液力偶合器的膠帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，1997(2)，10-15.

［4］宋偉剛.彭兆行.用計(jì)算機(jī)繪制交流電機(jī)與液力偶合器聯(lián)合工作特性曲線的方法［J］.物料搬運(yùn)與分離技術(shù).1996(l):2-4.