摘? ?要： 閥控充液型液力偶合器是刮板輸送機的軟起動裝置，能夠有效防止刮板輸送機運行時產(chǎn)生的沖擊、刮卡等事件發(fā)生。研究并開發(fā)了CPC1600閥控充液型液力偶合器，對其主機、關(guān)鍵元部件、液壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。在主機設(shè)計中，兼顧結(jié)構(gòu)與選材，與刮板輸送機聯(lián)結(jié)尺寸相配套，并保證強度與耐蝕性能;在元部件設(shè)計中，開展葉輪腔型逆向反求、材料選擇、外特性仿真等工作，保證泵輪、渦輪具有足夠的安全裕量，并對離心閥轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計;在液壓供水控制系統(tǒng)中，開發(fā)偶合器自動液位保持開式系統(tǒng)（ALM），減少電磁閥的動作次數(shù)。試驗室試驗和現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，CPC1600閥控充液型液力偶合器運行可靠，額定功率可達(dá)到1 600 kW，額定滑差（速比）為95.39%，外特性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，電磁閥使用壽命得以延長，可以在煤礦井下的刮板輸送機上推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 閥控充液型液力偶合器;額定滑差;刮板輸送機;工業(yè)性試驗;葉輪腔型逆向反求

中圖分類號：TD528.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-027-08

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.005

引言

刮板輸送機是用來運輸煤礦等物料的重要工具。實踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刮板輸送機在綜采工作面工作時，若上煤量過大，或出現(xiàn)片幫、刮板鏈卡滯等情況，則其在運行會產(chǎn)生沖擊、刮卡現(xiàn)象，導(dǎo)致頻繁過載和停機。

目前雙速電動機驅(qū)動系統(tǒng)在刮板輸送機中應(yīng)用較多，其緩解了刮板輸送機的上述問題，但其多機驅(qū)動模式也帶來了負(fù)載分配不均衡問題[1-2]。隨著刮板輸送機裝機功率的不斷加大（目前最大單機功率達(dá)到1 600 kW），其起動及運行問題勢必將更加突出[3-4]。

閥控充液型液力偶合器是一種源于國外的刮板輸送機驅(qū)動裝置，其系統(tǒng)功能完善、技術(shù)經(jīng)濟性合理，是重型刮板輸送機理想的軟起動裝置[5]，在陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司（以下簡稱“神南產(chǎn)業(yè)”）及所屬各礦中得到了廣泛應(yīng)用，但其價格高、供貨周期長、服務(wù)不及時，嚴(yán)重影響了煤礦連續(xù)生產(chǎn)。

針對上述問題，神南產(chǎn)業(yè)自行研究與開發(fā)了CPC1600閥控充液型液力偶合器，先后完成了產(chǎn)品設(shè)計、樣機生產(chǎn)制造以及應(yīng)用測試等工作，以實現(xiàn)國外閥控充液型液力偶合器的功能和指標(biāo)，有效提高刮板輸送機的運行可靠性及開機率，減少采購成本。本文首先闡述CPC1600閥控充液型液力偶合器的工作原理;然后論述各元部件、各控制系統(tǒng)的研發(fā)關(guān)鍵技術(shù);最后介紹試驗室試驗和現(xiàn)場工業(yè)性試驗情況。

1? 工作原理

1.1? 系統(tǒng)組成

原始的液力偶合器利用一個泵輪、一個渦輪及其中的液體實現(xiàn)無磨損傳動。具有較高能量的液體以離心方式從泵輪流至渦輪（從動部分），并轉(zhuǎn)換成機械能（力）。在能量從泵輪傳遞至渦輪的過程中，二者完全沒有接觸，故也不會發(fā)生磨損[6]，只有軸承和密封件會出現(xiàn)正常疲勞和磨損。

閥控充液型液力偶合器是由兩個泵輪、兩個渦輪組成的雙腔液力偶合器，其采用控制閥控制液體的液位。閥控充液型液力偶合器由主機、電氣控制系統(tǒng)和液壓供水控制系統(tǒng)三個功能模塊組成。其中主機實現(xiàn)電動機至工作機的動力傳動;液壓供水控制系統(tǒng)實現(xiàn)主機的充排液，控制主機傳動的軟起動;電氣控制系統(tǒng)用于接收來自組合開關(guān)的信號，對主機的充排液進(jìn)行控制。目前，閥控充液型液力偶合器有三種規(guī)格，分別是：1）CPC1000，工作腔直徑為562 mm，對應(yīng)功率為855 kW或1 000 kW;2）CPC1600，工作腔直徑為575 mm，對應(yīng)功率為1 600 kW;3）CPC1200，工作腔直徑為575 mm，對應(yīng)功率為1 200 kW。

本文選擇第二種規(guī)格。

1.2? 主機結(jié)構(gòu)

主機主要由外殼組件、泵輪組件、渦輪組件和輸出部件組成，由電動機軸支承泵輪組件并帶動旋轉(zhuǎn)，通過液體動力將能量傳輸給渦輪。渦輪組件由兩個背靠背渦輪及渦輪軸組成，在渦輪軸的輸出端配置了輸出部件，將動力傳輸給減速器。外殼組件主要作用是形成液體的工作空間，使由工作腔泄漏的液體能重新返回左輔腔或排出殼體外。

1.3? 液壓供水控制系統(tǒng)

閥控充液型液力偶合器的液壓供水控制系統(tǒng)有兩種：一種是閉式供水系統(tǒng)，冷卻水在液力偶合器殼體中循環(huán)運行;另一種是開式供水系統(tǒng)，冷卻水經(jīng)過液力偶合器工作腔后再排出，將熱量帶走。開式供水系統(tǒng)是在閉式供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，減少了控制閥的數(shù)量，避免了結(jié)垢問題的產(chǎn)生，應(yīng)用比較廣泛。

供水系統(tǒng)的功能是根據(jù)電機的電流決定液力偶合器的充液脈沖次數(shù)。由泵站提供的有壓液體被過濾去除雜質(zhì)后，再通過調(diào)節(jié)減壓閥，使進(jìn)口壓力保持在電液先導(dǎo)閥開啟壓力范圍內(nèi);根據(jù)電機的電流、供液口的流量和壓力實時計算電磁閥的開啟參數(shù)和每次開啟充液的時間，液體介質(zhì)經(jīng)電磁主閥組進(jìn)入液力偶合器。

此外，在液力偶合器內(nèi)部中間殼上設(shè)置離心閥，其在低速和靜態(tài)時開啟，確保排出腔內(nèi)殘留的液體。起動時，當(dāng)轉(zhuǎn)速在0～1 280 r/min范圍內(nèi)時，離心閥開啟，排出腔內(nèi)殘留的液體;升速過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速≥1 280 r/min時，離心閥關(guān)閉，便于控制系統(tǒng)充液，并保證液位穩(wěn)定。

2? 研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)主要針對的是閥控充液型液力偶合器的關(guān)鍵元部件，尤其是高強度耐蝕葉輪，涉及葉輪腔型設(shè)計、材料選擇、成形工藝、制造工藝等。此外，供水控制方式中也涉及關(guān)鍵技術(shù)。

2.1? 主機結(jié)構(gòu)研發(fā)

主機結(jié)構(gòu)研發(fā)包括兩項課題，一是結(jié)構(gòu)設(shè)計，二是選材。主機外殼按照主流刮板輸送機的產(chǎn)品配套要求設(shè)計，確保與電機、減速器聯(lián)結(jié)尺寸正確，并與國外設(shè)備通用。外殼凡與水接觸的部件均采用不銹鋼材料，既要保證強度又要具有耐蝕性能。其他部分采用普通鋼板，保證足夠的強度。

2.2? 葉輪研發(fā)與設(shè)計

2.2.1? 葉輪腔型逆向反求

環(huán)流形狀、工作輪轉(zhuǎn)速、工作室充液量是決定液力偶合器傳遞力矩的主要因素。合理的腔型應(yīng)達(dá)到如下要求：較高的泵輪力矩系數(shù)，合理的限矩性能，較大的內(nèi)徑尺寸，原始特性曲線低速比段平緩、高速比段陡峭。工作輪葉片應(yīng)采用平面徑向葉片，并為兩工作輪選擇不同的葉片數(shù)（互質(zhì)）來避免流量脈動。

傳統(tǒng)的葉輪腔型反求方法包括參考成熟的葉輪或通過模型試驗等。近年來，多采用逆向工程的理論來對葉輪腔型進(jìn)行反求，并采用流場分析驗證液力偶合器的特性和進(jìn)行強度校核。

葉輪腔型逆向反求步驟是：

（1）對液力偶合器葉輪進(jìn)行現(xiàn)場三維掃描，獲取部分表面三維數(shù)據(jù);

（2）經(jīng)過拼接、合成等數(shù)據(jù)處理，輸出成為CAD軟件能夠處理的三維模型數(shù)據(jù)[7];

（3）根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，進(jìn)一步用CAD軟件進(jìn)行造型處理，從而得到完整的葉輪的三維模型;

（4）對三維模型沿徑向切開，即得到葉輪的腔型，并進(jìn)行擬合處理，即得到扁圓型的CPC1600閥控充液型液力偶合器腔型。

葉輪腔型在逆向反求過程中的部分示意圖如圖1所示。

2.2.2? 葉輪選材與制造

葉輪制造通常有以下幾種方法：

（1）葉輪鑄造成形，然后進(jìn)行機械加工。大部分的鋁合金葉輪都采用低壓鑄造成形工藝。

（2）機械加工成形。首先進(jìn)行葉輪基體的旋轉(zhuǎn)加工，然后葉片與葉輪基體組合焊接為一體，最后進(jìn)行去應(yīng)力處理。這種方法多用于鋼制葉輪。

（3）數(shù)控加工成形。備好料后，采用數(shù)控機床一次加工而成。特點是加工精度高，表面質(zhì)量高，但原材料用料多，生產(chǎn)成本高。

常見液力偶合器渦輪是采用鋁合金材料砂型鑄造成形的，存在強度低、抗拉強度不足（）等問題，不能適應(yīng)大功率輸送機的傳動要求。

本項目在開發(fā)過程中，采用一種五元銅合金材料制造葉輪，首先進(jìn)行合金化+澆鑄過程成形，經(jīng)同爐試樣檢測滿足抗拉強度要求后，再進(jìn)行后續(xù)加工[8]。澆鑄完成后，首先進(jìn)行基準(zhǔn)加工，再進(jìn)行葉片及腔型的數(shù)控加工，最終獲得精確的、具有較高表面光潔度的葉輪腔型表面。材料的抗拉強度達(dá)到下列指標(biāo)：，。

零件加工完成后，進(jìn)行零件的單面平衡，工裝靜平衡精度達(dá)到G2.5以上，零件單面平衡精度達(dá)到G6.3以上;組件組裝之后，再進(jìn)行動平衡，工裝動平衡精度達(dá)到G2.5以上，組件動平衡精度達(dá)到G6.3以上。

加工后的渦輪零件及渦輪組件如圖2所示。

2.2.3? 液力偶合器傳遞力矩特性流場仿真

為驗證液力偶合器傳遞力矩特性，利用流場分析技術(shù)對其外特性進(jìn)行分析。采用近年來興起的全三維黏性流場數(shù)值求解技術(shù)[7]，通過求解液力偶合器周圍流場獲得其外特性，并依此優(yōu)化關(guān)鍵尺寸。

圖3所示為液力偶合器外特性仿真曲線。計算時，采用Ⅰ型渦輪結(jié)構(gòu)，所有固體邊界給定絕熱壁面條件，泵輪給定轉(zhuǎn)速，通過逐漸改變渦輪轉(zhuǎn)速，獲得充液量為100%，泵輪轉(zhuǎn)速分別為600 r/min、1 000 r/min、1 480 r/min時的液力偶合器外特性，得到仿真的額定滑差（速比）為91.46%，零速工況力矩倍數(shù)為2.325。在實際測試中，額定滑差（速比）為95.39%，零速工況力矩倍數(shù)約為2.2，表明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定偏差，但趨勢基本相同。

2.2.4? 葉輪強度計算

（1）泵輪強度計算。計算工況的選擇：當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min（157 rad/s）時，離心力、工作腔外緣離心壓力最大，但傳遞力矩并非最大，因此在此轉(zhuǎn)速時將渦輪制動，得到堵轉(zhuǎn)工況。根據(jù)葉輪的對稱性，取1/4葉輪進(jìn)行分析，把兩徑向端面上的節(jié)點分別沿徑向限制住，對1/4中心圓周面限制位移（圖4a）。當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min時，對其葉片表面加載液體壓力，Von Mises應(yīng)力的最大值是59.14 MPa，出現(xiàn)在泵輪進(jìn)液口側(cè)（圖4b）。59.14 MPa這一數(shù)值較小，與材料的屈服強度相比，表明安全系數(shù)很高。

（2）渦輪強度計算。在額定工況下，離心力最大;而在堵轉(zhuǎn)工況下，壁面壓力最大。為保證設(shè)計安全，將兩種工況進(jìn)行組合測試，離心力按照1 500 r/min計算，壁面壓力按照堵轉(zhuǎn)工況進(jìn)行計算。計算時邊界處理與泵輪類似（圖5a），在葉片表面加載液體壓力情況下，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在大葉片靠近內(nèi)圓弧的最底部（圖5b）。計算表明，渦輪也有足夠的安全裕量。

2.3? 液壓供水控制系統(tǒng)研發(fā)

開發(fā)了一種新的供水控制系統(tǒng)——偶合器自動液位保持開式系統(tǒng)（ALM），其結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖6所示。

主機內(nèi)部左泵輪上布置4個離心閥（其中一個常通），當(dāng)電機轉(zhuǎn)速低于1 280 r/min時，離心閥打開;反之，離心閥關(guān)閉。ALM電氣控制工作原理如圖7所示。

ALM電氣控制工作原理具體如下：

（1）系統(tǒng)包括機頭控制箱、機尾控制箱、反饋控制箱;

（2）機頭控制箱與機尾控制箱均有時間繼電器，從127 V進(jìn)線得電開始計時;

（3）反饋控制箱接頭尾三臺電磁閥的觸點，起動完畢后，如果有一個電磁閥不得電，觸動刮板輸送機急停;

（4）127 V電源與第一個電機同時得電并開始計時，至最后一個電機起動完畢后，累積時間達(dá)到t3。t4時，機尾耦合器得電充液;t5時，機頭偶合器得電充液;t6時，若有一個電磁閥未得電，反饋控制箱控制刮板輸送機急停動作，刮板輸送機停止運行。

新的控制方式減少了電磁閥的動作次數(shù)，有利于提高電磁閥的使用壽命。

2.4? 離心閥設(shè)計

依據(jù)閥控充液型液力偶合器的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計新型的離心閥。離心閥結(jié)構(gòu)及受力分析如圖8所示。

設(shè)計原則如下：當(dāng)泵輪轉(zhuǎn)速小于1 280 r/min時，彈簧的恢復(fù)力大于鋼球的離心力，離心閥開啟;反之，離心閥關(guān)閉。

轉(zhuǎn)速由低到高時，若離心閥沒有關(guān)閉，則鋼球受兩個力，即離心力和彈簧的反力。的表達(dá)式為

（1）

其中，—彈簧的壓縮量，;m—鋼球質(zhì)量;—泵輪角速度;—鋼球旋轉(zhuǎn)半徑。

的表達(dá)式為

（2）

其中，k—彈簧剛度。

當(dāng)時，離心閥關(guān)閉，力平衡條件為，即

（3）

從而得到離心閥關(guān)閉轉(zhuǎn)速為

（4）

即轉(zhuǎn)速高于時，離心閥將關(guān)閉。

在電機停機過程中，若低于某個轉(zhuǎn)速，離心閥也關(guān)閉。在離心閥關(guān)閉狀態(tài)下，鋼球受到的力有四個，除了和外，還受到液體的離心壓力，以及閥座對鋼球的支反力的作用。的表達(dá)式為

（5）

其中，—水的密度;—鋼球半徑。

正常情況下，這四個力保持平衡。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速下降時，離心閥開啟，支反力為零，且應(yīng)有，即

（6）

從而得到離心閥開啟轉(zhuǎn)速為

（7）

顯然，開啟轉(zhuǎn)速<關(guān)閉轉(zhuǎn)速。根據(jù)式（4）和式（7）即可進(jìn)行離心閥設(shè)計。

3? 試驗研究

在解決了閥控充液型液力偶合器各項研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)后，進(jìn)行了樣機設(shè)計制造，CPC1600研發(fā)樣機外觀如圖9所示。隨后，進(jìn)行了試驗室試驗、超載試驗和現(xiàn)場工業(yè)性試驗[9]。本章主要介紹試驗室試驗和現(xiàn)場工業(yè)性試驗情況。

3.1? 試驗室試驗

3.1.1? 試驗系統(tǒng)組成及布置

試驗系統(tǒng)主要由拖動加載機械系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和供水系統(tǒng)等組成。拖動加載機械系統(tǒng)由2.5 MW交流變頻電機、輸入和輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等組成，如圖10所示。

供水系統(tǒng)：根據(jù)試驗室條件配備變頻供水系統(tǒng)（圖11），工作壓力及流量可以根據(jù)試驗需求進(jìn)行調(diào)整。試驗設(shè)置供液壓力為2 MPa（試驗平臺壓力大于需測試參數(shù)），設(shè)定液力偶合器供液流量為240 L/min。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：主要采集輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、液位壓力、工作腔溫度、充排液閥動作信號等參數(shù)。

3.1.2? 降速試驗方法

由于試驗系統(tǒng)能力限制，不能全速試驗。根據(jù)液力偶合器的相似特性，允許采用降速試驗，但不應(yīng)超過允許的雷諾數(shù)。降速試驗公式為

（8）

其中，—被試液力偶合器額定功率，1 600 kW;—降速試驗功率，656.9 kW;—被試液力偶合器額定轉(zhuǎn)速，1 480 r/min;—降速試驗轉(zhuǎn)速，1 100 r/min。

3.1.3? 試驗內(nèi)容及結(jié)果

（1）額定工況加載測試。試驗步驟：空載起動拖動電機，保持拖動電機轉(zhuǎn)速1 480 r/min，液力偶合器充滿液體;對液力偶合器加載負(fù)荷，直至達(dá)到額定功率;保持額定工況[10]，運行8 h。試驗表明，液力偶合器運行平穩(wěn)，無異響。試驗加載曲線如圖12所示。

（2）外特性試驗。考察外特性曲線的形狀，結(jié)果表明，額定點的滑差為95.39%（1 600 kW），約為95.4%，最大力矩倍數(shù)為2.203 56，約為2.2，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗曲線如圖13所示。

（3）閥塊操作靈活性檢驗。按順序完成充液、排液、循環(huán)等步驟，考察控制閥的可靠性和動作靈活性。經(jīng)過重復(fù)試驗，未出現(xiàn)誤動作，研發(fā)的產(chǎn)品通過型式試驗、出廠檢驗并獲得煤礦安全標(biāo)志。

3.2? 井下工業(yè)性試驗

井下工業(yè)性試驗在神南產(chǎn)業(yè)某煤礦進(jìn)行。為穩(wěn)妥起見，機頭采用國外產(chǎn)品，機尾采用自行研發(fā)的閥控充液型液力偶合器。

3.2.1? 工作面地質(zhì)條件及主要配套設(shè)備

工作面地質(zhì)條件如表1所示，設(shè)備配套情況如表2所示。

3.2.2? 試驗情況

工作面輸送機總長312 m，機頭2個驅(qū)動部，機尾1個驅(qū)動部。三臺液力偶合器均采用開式運行方式。生產(chǎn)過程中，自行研發(fā)的液力偶合器運行可靠，性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障。迄今為止，已完成3個月生產(chǎn)。

4? 結(jié)論與討論

（1）自行研發(fā)的CPC1600閥控充液型液力偶合器額定功率為1600kW，額定滑差為95.39%，外特性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)能力滿足刮板輸送機工況要求;

（2）控制閥及液壓供水控制系統(tǒng)（ALM）設(shè)計靈活，有效地提高了電磁閥的使用壽命;

（3）在煤礦現(xiàn)場開展的工業(yè)性試驗表明，自行研發(fā)的CPC1600閥控充液型液力偶合器運行可靠、性能穩(wěn)定，可以在煤礦井下推廣應(yīng)用。

基金項目

陜煤化集團(tuán) 2018年廠礦級項目，項目編號：2018MHKJ-C-33

參考文獻(xiàn)

[1] 王國法. 煤炭綜合機械化開采技術(shù)與裝備發(fā)展[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2013（9）： 44-48， 90.

[2] 王騰. 雙機驅(qū)動刮板輸送機的電機功率不均機理研究[OL]. （2007-10-30）. 中國科技論文在線. http：//www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2007/10/541.

[3] 張忠國. 改善雙速雙驅(qū)動刮板輸送機驅(qū)動性能的設(shè)想[J]. 煤， 1998， 7（5）： 60-62.

[4] 王騰， 夏護(hù)國. 重型刮板輸送機驅(qū)動方式比較分析[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2013， 41（9）： 154-158， 162.

[5] 王騰. 閥控充液型液力偶合器外特性建模及其線性化[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2012， 40（1）： 99-103.

[6] 劉應(yīng)誠. 液力偶合器實用手冊[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2008.

[7] 張士杰， 袁新， 葉大均. 全三維粘性流場計算的快速收斂方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2000， 40（10）： 96-99.

[8] 耿浩然， 王守仁， 王艷， 等. 鑄造鋅、銅合金[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2006.

[9] 宋鴻堯. 液壓閥設(shè)計與計算[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1982.

[10] 王虹， 申國建， 王騰. 刮板輸送機用閥控型液力偶合器技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2019， 47（1）： 11-17.

作者簡介：

王明（1987—），通信作者，陜西米脂人，主要從事煤礦機電管理工作。

E-mail： 595579742@qq.com

（收稿日期：2020-09-19）