帶式輸送機(jī)液粘軟起動裝置動力傳遞機(jī)理研究*

李彬彬

(中國煤炭科工集團(tuán) 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(jī)傳遞運(yùn)輸物[1-3]。因輸送距離遠(yuǎn)，輸送量大，礦用的帶式輸送機(jī)是高效煤礦高產(chǎn)的關(guān)鍵裝備[4-5]。

對于礦用帶式運(yùn)輸裝備，大負(fù)載導(dǎo)致的大慣性增加了裝備軟起動難度。目前，有關(guān)軟起動技術(shù)的研究主要包括機(jī)械軟起動和電機(jī)軟起動兩大類。其中，機(jī)械軟起動有液力耦合器軟起動和液粘軟起動等；電機(jī)軟起動通過改變電機(jī)結(jié)構(gòu)或電源特性，例如變頻器調(diào)速和串級調(diào)速[6-7]。

液粘軟起動相比較于其他3種方式在適應(yīng)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(jié)構(gòu)及軟起動過程傳遞轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，利用MATLAB對軟起動過程中的油膜動態(tài)特性進(jìn)行分析，以期為以后的液粘軟起動裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 液粘軟起動裝置結(jié)構(gòu)

液粘軟起動裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 液粘軟起動裝置結(jié)構(gòu)1-推進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩減?。粷櫥鸵河衫鋮s油口進(jìn)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(jī)理

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，離合器內(nèi)部的一對摩擦副可以簡化為計(jì)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(zhuǎn)矩可表達(dá)為：

(1)

式中：M—傳遞轉(zhuǎn)矩，N·m；n—摩擦副組數(shù)，組；μ—動力粘度，Pa·s；h—油膜厚度，m；r1—摩擦副內(nèi)徑，m；r2—摩擦副外徑，m；ω1—主動軸轉(zhuǎn)速，rad/s；ω2—被動軸轉(zhuǎn)速，rad/s。

2 軟起動過程

帶式輸送機(jī)因輸送帶本身的特性，其理想的起動過程應(yīng)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(dá)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(qū)動設(shè)備平順的輸送載荷給輸送帶，保證輸送帶的平穩(wěn)運(yùn)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(dá)式分別為：

(1)Harrision起動曲線：

(2)

(2)Nordell起動曲線：

(3)

根據(jù)起動曲線的表達(dá)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(shù)值為0；當(dāng)時間到Ts/2時，加速度達(dá)到最大值，然后逐漸減??；當(dāng)速度達(dá)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(dǎo)數(shù)求得。

Nordell起動曲線：起動時的加速度也為0；當(dāng)時間到Ts/2時，加速度達(dá)到峰值，然后逐漸減少；當(dāng)速度達(dá)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(shí)際中都有應(yīng)用，但由于Harrision起動曲線無加速度突變，在實(shí)際應(yīng)用中被更多地采用。本文即將采用該起動速度曲線對調(diào)速起動過程進(jìn)行機(jī)理分析。

2.2 液粘軟起動分析

本文選用帶式輸送機(jī)理想起動曲線計(jì)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(jù)式(1)可知，液粘傳動調(diào)速起動裝置傳遞轉(zhuǎn)矩M是輸出轉(zhuǎn)速ω2和油膜厚度h的函數(shù)，傳遞的轉(zhuǎn)矩與油膜厚度一一對應(yīng)。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(shù)值分析

3.1 模型建立

本文以迪卡爾坐標(biāo)系研究油膜的狀態(tài)，為簡化計(jì)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(shù)值計(jì)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(jù)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(zhuǎn)速在x和y方向的分量，rad/s(其中Δω=ω1-ω2)。

根據(jù)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(xiàng)：第一項(xiàng)為壓力差流量；第二項(xiàng)為剪切流量；第三項(xiàng)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(jìn)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(guān)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(yīng)產(chǎn)生的作用；當(dāng)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(chǎn)生油膜承載力。

3.2 數(shù)值參數(shù)

本文選取功率為75 kW的液粘軟起動裝置進(jìn)行分析，其摩擦片溝槽數(shù)為16，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.3 仿真分析

筆者根據(jù)公式(13)，求解h關(guān)于t的關(guān)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(nèi)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(jìn)而可得到油膜承載力及油膜傳遞轉(zhuǎn)矩。

由計(jì)算可得其油膜的剪應(yīng)力為：

(14)

(15)

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

轉(zhuǎn)矩M計(jì)算公式為：

(16)

油膜的承載力W為：

(17)

根據(jù)式(16～17)，利用MATLAB軟件仿真可得起動過程中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)扭矩峰值和承載力峰值，而后逐漸減小。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了液粘軟起動裝置的結(jié)構(gòu)以及傳遞機(jī)理，分析了礦用帶式輸送機(jī)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(diào)速過程進(jìn)行了分析，利用數(shù)值分析的方法得到了油膜的動態(tài)特性，主要結(jié)論如下：

(1)液粘軟起動工作在調(diào)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(dá)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(dá)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(chǎn)生的油膜承載力與扭矩將會發(fā)生相應(yīng)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(dāng)起動時間16 s時分別達(dá)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(shè)計(jì)與研究提供理論基礎(chǔ)。