调速型液力偶合器的应用及调整范围

调速型液力偶合器，由于具有空载及慢速起动、无级调速等功能，因而在国民经济的各行业得到广泛应用。

1.工作原理

（1）液力偶合器基本构成

图8-2-2是调速型液力偶合器基本构成原理图。它主要是由泵轮、涡轮和旋转外套组成。由泵轮与涡轮、涡轮与旋转外套之间分别形成两个腔室。泵轮与涡轮之间形成的是环形空腔，两轮内分别装有20～40片径向叶片，涡轮内叶片比泵轮叶片少1～4片，以免共振。泵轮安装在主动轴端部，主动轴与电动机轴连接；而涡轮与从动轴连接，从动轴连接泵的转轴。

当泵轮在主动轴驱动下旋转时，循环圆内的工作油在离心力作用下沿径向流道外甩而升压，在出口以径向相对速度与圆周速度的合速度冲入涡轮进口径向流道，工作油在涡轮的径向流道内动量矩降低了，进而对涡轮产生了转动力矩，使涡轮旋转。工作油消耗了能量之后从涡轮出口流出，又流入泵轮入口径向流道，以重新获得能量。就这样，工作油在循环圆内周而复始地自然循环，传递能量。

图8-2-2 液力偶合器基本构成原理图

1—背壳 2—涡轮 3—泵轮 4—外壳 5—电动执行器 6—勺管 7—油泵 8—压力表 9—温度表 10—铂热电阻 11—压力变送器 12—油冷却器 13—综合参数测试仪（现场用） 14—综合参数测试仪（控制室用） 15—转速传感器 16—转速仪 17—伺服放大器 18—电动操作器 19—液位传感器 20—液位报警器 21—电加热器 22—电加热自动控制器

另一空腔是由涡轮与旋转外套构成，腔内有从泵轮与涡轮的间隙流出的工作油，随着旋转外套和涡轮旋转。在离心力作用下，工作油在此腔室内沿外圆形成油环。泵轮的转速是固定的，而涡轮的转速则是根据工作油量的多少而改变，工作油越多，泵轮传给涡轮的力矩越大，则涡轮转速越高，反之涡轮转速越低。因而，只要改变工作油量就可以改变涡轮转速。而循环圆内工作油量的控制有三种方法：一是移动旋转内套空腔中勺管端口的位置改变工作油量；二是改变由工作油泵经控制阀进入循环圆内的进油量；三是这两种方法的联合使用。在电站多采用第一种方法，即通过改变勺管的位置从而改变工作油量来控制转速。勺管是一头弯成90°的短管，弯头部分置于勺管室（排油室），管口迎着油的旋转方向，利用油旋转产生的速度头，工作油进入勺管口内并排出。勺管位置不同，泵轮与涡轮间的充油量不同，泵轮传给涡轮的转矩不同，因而涡轮的转速也不同。这样就实现了涡轮轴的无级变速。

工作油在泵轮与涡轮之间流动，不可避免地有涡流、流体内部摩擦等能量损失。因此，涡轮的角速度ω₂小于泵轮的角速度ω₁，即泵轮与涡轮间必然有一转差率s：

式中 i——传动比。

转差率和传动比的大小表示液力联轴器的调整范围。

（2）液力偶合器油路系统

调速型液力偶合器安装于笼型电动机和减速器（或风机水泵）之间。输入轴与泵轮、旋转外壳、副油腔相连接并一起转动，涡轮和输出轴相连接。工作时工作油在流道中形成环流驱动涡轮及输出轴。在副油腔内设有可移动的勺管，用于改变流道的充油量，从而改变输出轴的力矩及转速。油路循环：由油泵至冷却器使热油冷却，然后分两路，一路至偶合器工作腔，一路经过过滤器再到各轴承起润滑作用（见图8-2-3）。

泵轮和涡轮对称布置，几何尺寸相同，在轮内设有许多径向辐射叶片，工作时，在偶合器的流道内充以工作油。当主动轴带动泵轮旋转时，工作油在叶片的带动下，因离心力的作用由泵轮内侧（进口）流向外缘（出口），形成高压高速液流，冲击涡轮叶片，使涡轮跟着泵轮同向旋转。工作油在涡轮中由外缘（进口）流向内侧（出口）的流动过程中减压减速，然后再流入泵轮进口，如此循环不止。在这种循环流动过程中，泵轮把输入的机械功转换为工作油的动能和升高压力的势能，而涡轮则把工作油的动能和势能转换成输出的机械功，从而实现功率的传递。

图8-2-3 油路系统布置图

由于液流在液力元件工作腔中运动的复杂性，至今尚不能用数学模型表达。通常用可视化技术进行偶合器内特性试验研究，把偶合器的壳体用透明的丙烯酸类树脂材料制造，通常用线束法、油膜法、显迹追踪法、激光测速法以便观察流道内部的液体流态变化规律。

工程上通常以大量的试验为依据，以寻求最佳的腔型。对液体在偶合器流道内流动进行理论分析时，不得不做一些简化和假定。将三元流动简化为二元或一元流动。假定叶轮的片数为无穷多，叶片厚度为无穷薄，以平均流速来代表整个叶轮流道内液体运动的平均物理现象。假定在无叶片区内液流无能量变化，仍保持液流在进入该区前的原状态不变。液体在叶轮流道内总的流动，任何质点的运动不会超出自身所在的旋转曲线的范围之外。用液流速度三角形、速度环量、相对伯努利方程以及动量矩等理论分析液流规律，用相似理论设计产品系列。

2.调速型液力偶合器传动机构

从气动（或电动）执行机构到勺管的传动机构如图8-2-4所示。当机组减负荷时，气动（或电动）执行机构顺时针方向运动带动扇形凸轮6顺时针转动，从而使齿条导杆4在弹簧13力的作用下作垂直下降运动，带动圆柱齿轮3也作顺时针转动，再经扇形齿轮轴5带动扇形齿轮2使勺管1向上垂直移动，从而使旋转外壳内的工作油泄油量增加，达到减负荷的目的。当机组负荷增加时执行机构各部件的运动方向相反。

3.液力偶合器的工作液体

液力偶合器上是靠工作液体来传递扭矩的，液力偶合器工作液体的种类适应我国标准的一般有N32号液压油、HJ-20号机械油、6号液力传动油（在特殊场合也可以用水作为工作液体）等。不同性质的工作液体对液力偶合器的性能有明显的影响，理想的工作液体要具有低的黏度、高的闪点、比重大、腐蚀性小和耐老化等特点。

4.液力偶合器调速的特点

1）可实现宽范围无级调速。如果改变偶合器流道中的充油量，偶合器传递的扭矩也发生变化，在同一转差下，充油量减小，偶合器输出转矩也会减小。充油量的大小由电动执行机构改变勺管的开度来实现，在电动机转速不变的情况下，可以实现负载的无级调速，调速范围可宽至25%～100%。用于风机和水泵调速，可以节省大量能源。

图8-2-4 液力偶合器调速机构

1—勺管 2—扇形齿轮 3—圆柱齿轮 4—齿条导杆 5—扇形齿轮轴 6—扇形凸轮 7—抱合凸轮 8—进油控制阀 9—曲柄 10—连杆 11—气动（或电动）执行机构 12—顶丝 13—弹簧

2）离合方便。用普通联轴器连接水泵与电动机时，起动时要带负荷起动，因此电动机要克服很大的起动转矩。但在使用液力联轴器时，由于可以操纵勺管在充油量为零的状态下起动，即将泵轮与涡轮解除连接，无负荷起动。所以，起动功率大为减小，能有效地避免原动机过载。

3）可以隔离振动。偶合器泵轮和涡轮之间没有机械联系，转矩是通过工作介质来传递的（液力传递），属于柔性传动，是一种“弹性”连接。当电动机输出转矩有周期性波动时，不会通过偶合器传至工作机上，因而偶合器具有良好的隔振效果。因此，它能吸收电动机或从动机的振动，有良好的隔振效果；对冲击负荷也有显著缓冲作用。

4）可实现过载保护。当负载转矩突然增大时（如输送机上的运煤量突然增加）偶合器的转差会自行增大，甚至使从动轴制动，此时电动机仍可连续运转而不致停车，因此偶合器可保护整个动力系统免受冲击，实现过载保护，这也是偶合器广泛运用于输送机的原因。

5）功率平衡。多机驱动的带式输送机，由于种种原因，而使各驱动单元的功率不平衡，其后果是导致主电机的电流过大而烧毁，而用调速型液力偶合器以改变充油量的办法改变传递的转矩，使各驱动单元的功率趋于平衡。

6）可空载起动电动机，慢速起动大惯量的负载。电动机只和偶合器的泵轮轴相联结，负载只和涡轮轴相联结，起动前将流道内的工作油排空，电动机起动时只带上偶合器泵轮不大的惯量而轻载起动，电动机达到额定转速后，再对偶合器流道逐步充油，就能逐步起动大惯量的负载。在大功率带式输送机的起动过程中，为了减小起动引起的胶带动张力过大，通常将胶带机起动加速度限定在0.1～0.3m/s以内，而使用调速型偶合器及速度反馈系统将可以实现慢速起动功能。对于用异步电动机带动大惯量的矿井主风机、水泵具有重要意义。

7）除轴承外没有磨损件，吸热量大。偶合器的泵轮和涡轮不直接接触，运转中因转差产生的热量，也能均匀地为循环液体所吸收，不会引起局部过热，功率大的偶合器通常设有冷却供油系统，运转中不断地向偶合器流道中供应冷油和排出热油，因而偶合器具有很大的吸热能力，所以偶合器工作特别可靠，使用寿命长。

8）软起动，可以缓和地起动、加速、减速和停止。

9）便于控制，液力偶合器的无级调速便于实现自动控制，适用于各种伺服系统控制。

10）离合方便，偶合器在流道充油时结合、排空时脱离。利用流道的充排油就可以实现离合，在要求频繁起动的场合，更显示其优越性。

11）能用于大容量风机的变速调节，不受电动机电压高低的限制。

12）降低噪声，当风机运行在低速时，整个给风系统的噪声明显降低。

13）液力联轴器的缺点是系统较复杂，控制本身存在功率损耗，造价较高。

5.液力联轴器的特性及影响特性的因素

（1）特性参数

1）力矩 忽略轴承、密封的摩擦损失、叶轮的鼓风损失，可得输入力矩等于输出力矩，即M₁=M₂，根据速度环量理论或动量矩理论均可证明上式。

2）转速比 涡轮转速与泵轮转速之比：

用以表示液力偶合器运行工况。i=0时分两种工况，在偶合器从静止到运动称起动工况；在偶合器从运动到静止称为制动工况。设计工况通常为i=0.97。

3）转差率 泵轮与涡轮的转速差与泵轮转速之比的百分数，通常表示为

转差率表示转速差的大小，同时也表示功率损失的大小。

4）泵轮力矩系数 按相似理论，对几何相似的偶合器，如果转速比i相等（运动相似），雷诺数Re的值也相等（动力相似），那么偶合器的转矩系数λ必然相等。泵轮力矩系数λ_B以下式表示：

泵轮力矩系数λ_B是衡量液力偶合器的主要技术指标，其值由测得的泵轮力矩计算得出。λ_B值越高偶合器的能容就越高。

5）效率 在忽略轴承等功率损失后，偶合器的效率η等于其转速比，可以写成

这是偶合器的重要特点之一。在与恒转矩负载匹配时，通常使之在高转速比下运转以求得高效率。

6）过载系数 当偶合器受到所带的负载的突然冲击，或被卡住不能转动，如刮板输送机等负载。为不致引起整个动力传动系统的机械破坏或烧毁电动机，要求偶合器具有过载保护性能，即较小的过载系数。过载系数是偶合器在i=0时的转矩M₀，与i=0.97时的转矩M_0.97之比，即

过载系数通常用于限矩型偶合器。

（2）特性曲线

1）全特性曲线 偶合器的特性曲线分为牵引工况、反传工况和反转工况在内的外特性曲线，分别在第一象限、第四象限、第二象限，如图8-2-5所示。

牵引工况0≤i≤1的特点是泵轮驱动涡轮转动，涡轮转速小于（或等于）泵轮转速。在0≤i≤1牵引工况内有三个特殊工况点：设计工况点i=0.96～0.985，该工况点效率高，通常都按此工况的泵轮力矩系数λ_B来评价液力偶合器能容大小，按λ_B来计算偶合器的有关参数。零速工况点i=0或n_T=0，零速工况可能是起动或制动工况。在零速工况电动机向偶合器输入功率，而偶合器对工作机不输出功率，输入功率全部转化热量。零矩工况点i=1，M_T=0，M_B=0，N_T=N_B=0，循环流量Q=0，液体不能流动。零矩工况是牵引工况向反传工况的过渡状态。(www.xing528.com)

图8-2-5 液力偶合器的全特性曲线

反传工况（i>1）的特点是：在外载荷的驱动下，涡轮转速大于泵轮转速。此时动力反传，动力不是由泵轮传给涡轮，而是由涡轮传给泵轮。工作腔里液流反向循环，涡轮以“泵轮工况”运转，泵轮以“涡轮工况”运转。涡轮输入功率，泵轮向动力机输出功率。所有这些都和牵引工况相反，但泵轮和涡轮的转向未变。此时电动机处于“发电状态”。例如，煤矿井下使用调速液力偶合器传动的大倾角带式输送机，由于受到巷道地质条件的限制，输送机既有倾斜上运段，也有倾斜下运段，如上运段满载，下运段无煤，则偶合器在牵引工况，即第一象限。如上运段无煤，而下运段满载，则输送机在反传工况，在第四象限，即负载带动偶合器，电动机处于发电工况，此时如果电动机容量小而不能提供足够的发电载荷力矩，将会造成飞车事故。

反转工况（i<1）的特性曲线在直角坐标系的第二象限内，此时载荷驱动涡轮反转；电动机驱动泵轮正转，载荷和电动机同时向偶合器输入功率，并转化为热量，使偶合器油温急剧上升。随着涡轮反转转速的升高，液流的循环流速减弱，使传递力矩下降。当涡轮里的液流反转趋势与泵轮里的正转趋势均等时，传递力矩最低（图8-2-5中第二象限中的曲线的最低点）。工作腔中的循环液流由一个变为两个，一个正转循环，一个反转循环。当涡轮反转转速高于泵轮正转转速时，两个不同的循环液流又合为一个反转的循环液流，特性曲线随转速差的增加而上升。在煤矿主斜井由电动机通过调速液力偶合器驱动的大倾角上运带式输送机，在严重超载又没有及时抱闸制动，而逆止器又失灵的情况下，输送机反转下行，调速型液力偶合器即处于反转工况。

2）外特性曲线 外特性曲线按试验数据绘制而成。表示调速型液力偶合器在牵引工况下的力矩、效率与输出转速的关系曲线，如图8-2-6所示。试验中保持n_B为一定值，测出M_T=f（n_T），然后按式η=i算出η=f（n_T），最后绘制成曲线，通常外特性曲线是指在液力偶合器最大充液量下的输出特性曲线，即液力偶合器最大传递力矩能力的曲线。

3）原始特性曲线 表示泵轮力矩系数（及效率）与转速比关系λ_B=f（i）的曲线，如图8-2-7所示。同一系列的液力偶合器，具有相同的原始特性曲线。原始特性曲线用于不同系列的不同规格液力偶合器的相互比较。

图8-2-6 液力偶合器的外特性曲线

图8-2-7 原始特性曲线

（3）影响特性的主要因素

1）液体温度对特性的影响 在动力传递工程中，液体黏度越低损耗功率越少。由于液体黏度随温度升高而降低，因此高温时液力偶合器传动效率高，通常许用温度为70℃。

2）液体重度、输入转速、有效直径对特性的影响 从偶合器力矩方程

中可见，重度大的工作液体能传递大力矩，而提高输入转速，增大有效直径，对提高传递力矩有极为明显的作用。

3）充液率对特性的影响 充液率与泵轮力矩系数有接近正比的关系，在相同的转差率下，充液率高，则泵轮力矩系数亦高。若载荷一定，充液率高时，转差率小，发热低。

4）转差率对特性的影响 同一台液力偶合器转差率越大，其泵轮力矩系数越高，因为转差率增大时，工作腔中液体循环流速提高、循环量加大，工作液体从泵轮吸收更多的能量所致。除此之外，腔形、叶片的倾斜、辅助腔、挡板、叶轮间的轴向间隙等对特性也有一定的影响。

6.调速型液力偶合器的匹配

在调速型液力偶合器已广泛应用的今天，如何选型及合理匹配，是设计使用单位遇到的首要问题。匹配得合理，工作机运行良好，电动机功率得以充分发挥。不同的工作机具有不同的载荷特性。载荷特性指的是载荷力矩M_Z与转速n_Z的关系。通常载荷力矩M_Z包括与转速无关和转速有函数关系的两部分。以下式表示：

M_Z=M_Z0+f（n_Z） （8-2-8）

式中 M_Z0——与载荷基本无关的载荷。

对于透平式风机、水泵，其轴承和密封的摩擦阻力可以认为与转速无关，其载荷力矩则与转速平方成正比。带式输送机在稳定运行时，则属于恒力矩负载。在驱动系统的设计中，按照动力机、工作机和传动元件的特性进行选择，使其相互适应组成技术经济指标好的整套设备。调速型液力偶合器主要与异步电动机匹配使用，在很多地方取代了费用昂贵的交直流机组调速和绕线转子异步电动机调速，而成为经济适用的主要调速方式之一。调速型液力偶合器的适用范围很广，归纳起来可以适用以下五种实际应用载荷，如图8-2-8所示。调速型液力偶合器应用于不同载荷，会有不同的工作区域和调速范围。图中纵坐标M_K=M/M_H为相对力矩，式中M为载荷力矩，M_H为最大额定转差率下液力偶合器的输出力矩。图中各条细实线为在不同导管开度时液力偶合器的特性曲线。图面以虚线分为四个区域：Ⅰ、Ⅳ为起动区域；Ⅱ为液力偶合器与各类载荷联合工作调速区域；Ⅲ为超载区域。

图8-2-8 调速型液力偶合器与各种载荷的匹配及调速范围

5条粗实线为各类典型载荷的特性曲线，特征如下：

1）递增力矩曲线（力矩随转差率上升而增加），例如输送高黏度、高重度液体的输送泵的载荷特性；

2）恒力矩曲线，例如带式输送机、斗式提升机、恒压定量容积式泵的载荷特性；

3）递减力矩曲线，例如调压运行的锅炉、给水泵载荷特性；

4）抛物线力矩曲线，例如无背压运行的透平式风机水泵的载荷特性；

5）陡降力矩曲线，例如恒压运行的锅炉给水泵载荷特性。

系统稳定运行的必要条件是液力偶合器的某一导管开度的特性曲线与载荷特性曲线相交。两曲线交角越大，运行越稳定；接近平行则不稳定。交点的纵横坐标值即为该工况点的相对力矩和转速比。

液力偶合器与某种工作机联合工作的调速范围，为在区域Ⅱ中该种工作机载荷曲线的横坐标的区间长度。图8-2-8中抛物线力矩载荷（曲线4）的调速范围，一般为i=0.25～0.97。恒力矩载荷（曲线2）调速范围i=0.45～0.97。对图8-2-8可归纳为：

1）载荷特性，液力偶合器本身因素影响很小。同一台偶合器对于不同特性的载荷，则有不同的调速范围。

2）同时调速范围又决定于匹配状况。例如曲线2，若向上或向下平移（即改变工作机规格和改变匹配状况）会引起调速范围的改变。其他载荷曲线上、下平移时其效果相同。

3）曲线3、4、5所代表的载荷，在减小充液量，降低转速时驱动功率大幅度下降，与管路节流调节流量相比有明显的节能效果；而曲线1、2类型载荷在调低转速时不能降低能源消耗。

4）调速型液力偶合器的额定转差率决定于匹配状况。通常调速型液力偶合器的额定转差率范围s_H=1.5%～3%，其中s_H=1.5%对应传递功率范围的下限值，s_H=3%对应于上限值。为减少偶合器额定工况发热，应选用较大规格的偶合器，则转差率s_H接近1.5%；若为了传递较大功率，应使M_K高些，转差率大些。图8-2-8中的匹配使M_K=75%，表明载荷力矩M仅为偶合器额定力矩M_H的3/4，偶合器的转差率将小于3%，调速型液力偶合器在匹配中若选得稍大一些，则有较小的额定转差率、较宽的调速范围。

7.液力偶合器调速的功率损耗

液力偶合器的效率就是它的输出与输入的转速比即_η=i。由于液力偶合器输入转速为电动机的额定转速，很多人据此认为，当其输出转速降低时，效率也随着呈线性下降。这种说法具有一定的局限性，因为调速型液力偶合器的损失功率是由负载的特性决定的。例如离心负载的轴功率与其转速的三次方成正比，这样当一离心负载的转速由额定转速n_e下降到某一转速n₁时，其功率也随之降到

N_1f=（n₁/n_e）3N_ef （8-2-9）

式中N_ef——负载的额定轴功率。

当负载处于额定转速n_e时，因为此时液力偶合器的转差很小，我们可以近似地认为该转速就是电动机的额定转速，电动机的输出功率为N_ed=N_ef，s为液力偶合器的转差。当负载的转速降到n₁时，液力偶合器的效率即为_η=i=n₁/n_e。此时，液力偶合器的输入功率，即电动机的输出功率N_1d为

N_1d=N_1f/η=（n₁/n_e）2N_ef （8-2-10）

由上式可见，电动机的输出功率并非电动机的额定功率。则液力偶合器的损失功率N_s为

N_s=电动机的输出功率-负载的轴功率=（n₁/n_e）2N_ef-（n₁/n_e）3 N_ef（8-2-11）

如果对上式求导，则可以求出N_s的最大值：当i=2/3时，N_smax=0.148N_ed。

图8-2-9 液力偶合器的功率损失图

η—液力偶合器的效率 N_s—液力偶合器的损失功率 i—液力偶合器的输出与输入转速之比 N_d—电动机功率 N_f—负载功率

图8-2-9为电动机与液力偶合器拖动离心负载时，电动机功率、负载功率、机组效率及损失功率与液力偶合器数比之间的关系。

因此，液力偶合器在驱动风机水泵等离心负载时，其损失功率并不是很大，把它定为低效节能产品是不公正的。

8.调速系统液力偶合器的选择

1）根据电动机的转速（即液力偶合器及传动装置的输入转速）和所传递的功率在相关厂家提供的液力偶合器功率特性图或技术参数表中选定液力偶合器的型号和规格。

2）将工作机的最高转速n_T乘以1/（1-s）得泵轮转速n_B，将工作机功率P_T乘以1/（1-s）得泵轮功率P_B（此处s为液力偶合器的转差率），再根据n_B和P_B在相关厂家提供的功率特性图中查出其规格。

9.液力偶合器的安装、调试及拆卸

液力偶合器安装时必须把各装配表面清洗干净，涂上润滑油。在电动机与负载之间留足够安装偶合器的空间。一般先将减速机的位置固定好，再通过调整电动机的位置校正好两轴的同轴度和垂直度（一般两轴的同轴度误差<0.25mm，角度差<40′）。其中带弹性圈柱销连接的偶合器应先将电动机和减速机的位置校正并固定好，就可以装上液力偶合器。

10.调速型液力偶合器特点小结

1）调速型液力偶合器的技术在国外已很成熟，在国内虽然起步较晚但发展很快，在电站锅炉给水泵控制、给煤机和给粉机转速控制、煤矿带式输送机的软起动、风机水泵的调速节能等方面有着广泛的应用。

2）比起其他调速方式，调速型液力偶合器的结构工作原理相对简单、可靠且初投资成本低。

3）偶合器工作腔形内液流状态复杂，难以用数学模型描述，工程应用中仍以相似理论为依据，从模型试验获得数据来解决实际问题。

4）调速型液力偶合器的特性取决于工作腔型的设计，实际应用中介质的温度、重度、充液率以及转差率对特性有一定的影响。

5）调速型液力偶合器的调速范围取决于负载特性，又取决于匹配状况，合理的匹配既能使电动机功率得以充分发挥，又能使工作机处于最佳运行状态。