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1、第四章 液力偶合器,主 讲：李增亮 联系电话：18678417566 电子邮箱: ,第四章 液力偶合器,第四章,第一节 概述,第二节 液力偶合器的基本工作理论,第三节 液力偶合器特性,第四节 液力偶合器与动力机共同工作,第一节 概述,一般的机器设备都由三部分组成：动力机、传动装置和工作机。 其中传动装置是连接动力机和工作机的中间媒介，它起到变速、换向、制动及改变动力性能等作用，以满足工作机特性的要求，是现代机器设备中不可缺少的重要组成部分。,一 传动装置的分类,传动装置按传递能量方式不同可分为三大类：,传动装置,二 液力传动的基本元件,液力传动的基本原件是液力偶合器和液力变矩器。 任何传动系统
2、中，机械传动件总是不可缺少的。但为了便于区别和比较，将具有一个或一个以上液力传动元件的传动系统都称作液力传动系统。,三 液力传动工作原理,液力传动系统实际上是离心泵、涡轮机、管道以及其他部件的组合体，其原始型式如图4-1所示。,液力偶合器结构形式,现代液力变矩器,发动机,车轮,四 液力传动的主要优点,液力元件内部靠液体传递能量，无机械连接，因而传动性能柔和，具有很好的防振和隔振作用，有利于提高由动力机到工作机全部设备的使用寿命。 液力变矩器能在一定范围内自动变矩和变速。工作机负荷大时，变矩器输出力矩自动增大，转速自动降低;负荷减小时，转速随之增加，从而使工作机保持正常的运转状态。液力偶合器无自
3、动变矩的能力，但可以进行无级调速。,四 液力传动的主要优点,对动力机和工作机起过载保护作用防止因载荷突然增大而使动力机熄火或停转，并且改善了动力机的启动性能。 工作机起步平稳，加速均匀、迅速。 易于实现操作的简化和自动化。,五 液力传动的主要缺点,传动损失较大，效率低 需要配备供油和冷却系统等辅助设备，结构比较复杂，制造成本比较高,六 液力传动的使用范围,液力传动已经广泛应用于各种车辆、内燃机车、起重机械及其它工程机械中。应用于石油机械的历史还并不很长，但已经显示出良好的效果，因而在石油钻机、修井机、压裂车及其它石油机械的传动中，也越来越多地采用液力传动。,第二节 液力偶合器的基本工作理论,一
4、 偶合器的基本组成及工作过程,（一）基本组成（如图4-2所示）,1.泵轮,2.涡轮,（二）基本概念,循环工作腔：两个工作轮的全部流道空间称作偶合器的循环工作腔。 循环圆：通过工作轮轴线作工作腔的截面即轴面)，则内外环型线所形成的轴面投影，称作循环圆。偶合器的循环圆以轴线为中心，分为上下两个完全对称的部分，故通常只以中心线上半部分的形状表示循环圆，它可能是圆形、椭圆形或其他形状， 其中以椭圆居多。,图4-3 工作轮叶片间的流道,循环工作腔流道：偶合器的外环内曲表面、内环外曲表面及相邻两叶片的表面组成了工作轮的循环工作流道（图4-3所示）,循环圆的有效直径D： 循环圆或工作腔的最大直径，称作有效直
5、径，是液力传动元件的表征尺寸。循环圆或工作腔其他部位的尺寸都用有效直径的百分数表示。 循环流量：单位时间内由泵轮泵入涡轮的液体体积，称作循环流量，以Q表示。,（二）基本概念,(三) 工作过程,偶合器的泵轮轴与动力机相连，工作时，动力机带动泵轮旋转，由于工作腔内充满工作液体，在离心力作用下， 液体向泵轮外缘(泵轮出口)流动。如果涡轮处于静止状态，或转速低于泵轮，涡轮外缘(涡轮进口)处液体所受的离心力为零或较小。由于两个工作轮直径相同，在轴线方向上成镜面对称布置，端面间隙很小，又密封在同一外壳内，故泵轮外缘处的液体就自动地流向涡轮，冲击涡轮叶片，推动或加速涡轮同向旋转。液体进入涡轮后，沿着流道向涡
6、轮中心(涡轮出口)流动，并返回泵轮中心泵轮进口)再被泵出，从而在工作腔内产生液体的循环流动。,(三) 工作过程,液体在偶合器循环园内的流动情况,(三) 工作过程,在液力传动元件中，正是靠着这种循环流动、才可能实现各工作轮间的能量传递和转换。偶合器的涡轮轴与工作机相连，涡轮旋转带动工作机作功从而完成了从动力机到工作机的能量传递过程。就全过程来讲，偶合器泵轮的作用是把动力机输入的机械能转换为液体能，使液体的流动速度和动量矩增加。而涡轮的作用则是把液体能转换为机械能，由涡轮轴输送到工作机。液体经过涡轮后，动量矩减小。,二 液体在偶合器循环流道中的运动,（一）循环圆的中间旋转曲面及其展开,液力偶合器循
7、环流道中的流动实际上是一种复杂的空间三元流动，只是为了简化起见，目前仍然广泛应用单元流动(束流)理论分析液体的流动状况。 即将空间的三元流动通过一些可行的假设来转化为平面上的单元流动来分析讨论。为此，就必须用到中间旋转曲面及其展开。,（一）循环圆的中间旋转曲面及其展开,1、单元流动理论建立的四点假设,工作轮循环流道中的液流是由无限多个单元液流组合而成的，每个流束都严格地受流道约束，任何液体质点都不会在相邻的流束之间窜动。 工作轮的叶片无限多、无限薄，液体相对于叶片的运动轨迹必定与叶片骨线的切线方向一致（相对速度的方向为骨线的切线方向）。 工作液体的流动是轴对称的，即旋转轴对称点处的液体流动状态
8、相同；同时，同一过流断面上液体质点的轴面分速度相同。,（一）循环圆的中间旋转曲面及其展开,每一个工作轮进口处的液体流动状态，完全取决于前一工作轮出口处的液流状态；而工作轮进口处流动状态的变化，对该轮出口处的液流状态并无影响。,1、 单元流动理论建立的四点假设,根据以上四点假设，就可以初步分析液体在循环圆流道中的运动情况，液体在循环圆流道中的绝对运动是一种复合运动。这种空间的复合运动是由液体随工轮一起旋转的牵连运动和液体相对工作轮循环流道的相对运动合成而来的。即：,2、中间旋转曲面的产生,（一）循环圆的中间旋转曲面及其展开,问题一：由于循环圆流道可以看成是由无数旋转曲面构成，液体在无数旋转曲面上
9、互不干扰地运动着，那么我们以什么位置或者以哪一个旋转曲面上的液体运动来分析呢？,答案：中间旋转曲面，因为它代表了偶合器循环圆流道内液体运动的 平均物理现象。这样就将无数旋转曲面上的液体运动简化为单个旋转 曲面上的运动,问题二：中间旋转曲面是如何作出的呢？,方法： 绘制循环圆的中间流线：在循环圆流道中内循环圆流线和外循环圆流线间作无数内切圆，各内切圆的圆心连线即认为是中间流线,或称为中间循环圆如图4-4(a)。 设想将中间流线绕轴线旋转一周，就可以得到如图4-4(b)所示的中间旋转曲面。,4-4（a）循环圆部分及中间流线,图4-4（b）中间旋转曲面,2、中间旋转曲面的产生,（一）循环圆的中间旋转
10、曲面及其展开,3、中间旋转曲面的平面展开,中间旋转曲面与工作轮每个叶片的两个表面相交，可以设想，这些交线都印在中间旋转曲面上。 假定前半部分为B轮的，后半部分为T轮的。则展开方法是先将其径向切断；然后伸直形似一个圆柱；最后沿底下的母线剪开前面向上打开。即展开图如图4-5所示。,图4-5 偶合器的平面展开图及 进、出口速度,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,进、出口处的速度三角形如图4-5所示，进、出口有关参数符号规定如下,R中间曲面上某点到轴线的半径； b叶片某处的宽度； F某处流道的过流面积； n工作轮的转速；,u、w、c中间曲面上液体质点的圆周速度、相 对速度和绝对速度； cu中间
11、曲面上液体质点的绝对速度在圆周切线 方向的速度分量，称作圆周分速度； cr中间曲面上液体质点的绝对速度在轴面上的 速度分量，称作轴面分速度。,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,1、泵轮出口速度三角形,（1）泵轮出口处液体的圆周速度uB2在平面图上沿母线方向，其值为,（2）泵轮出口处液体相对于叶片的运动速度wB2沿叶片出口的切线方向。其值为,（3）泵轮出口处的绝对速度,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,当偶合器的结构尺寸一定时，FB2、RB2、bB2以及考虑叶片厚度影响的断面缩小系数B2都是定值；当工况一定(即nT一定时，nB和Q也是定值。因此， uB2和wB2的方向和大小均为已
12、知值，可以作出泵轮出口处液流的速度三角形，其绝对速度为,2、T轮进口速度三角形,由于泵轮出口与涡轮入口几乎衔接在一起，并且RB2=RT1，因此泵轮出口处的绝对速度就是T轮进口处的绝对速度。,（1）T轮进口处的绝对速度cT1,（2） T轮进口处的圆周速度uT1方向为母线方向，其值为：,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,第8周结束10-31,（3）T轮进口处的相对速度wT1,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,当nT一定时，uT1的大小确定。于是可作涡轮进出口处液体的速度角形，其相对速度为,wT1是液体刚进入涡轮时相对于叶片的运动速度，一旦进入涡轮，就被迫按叶片方向以wT1作相对于叶
13、片的运动，产生冲击速度损失wT1并且其值为,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,3、T轮出口处速度三角形,（1）涡轮出口处液体的圆周速度uT2在平面图上沿母线方向，其值为,（2）涡轮出口处液体相对于叶片的运动速度wT2沿叶片出口的切线方向，其值为,（3）T轮出口处的绝对速度,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,当结构和工况一定时， uT2及wT2一定，故可作涡轮出口处液体的速度三角形，其绝对速度为,4、B轮进口处速度三角形,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,（1）B轮进口的绝对速度cB1,由于B轮入口与T轮出口衔接，且RB1=RT2，故B轮进口的绝对速度cB1，就是T轮出口
14、的绝对速度cT2。即,（2）B轮进口的圆周速度uB1,圆周速度的方向为母线方向，其值为,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,（3） B轮进口的相对速度wB1,wB1是液体刚进入B轮时相对于叶片的运动速度，一旦进入B轮，就被迫按叶片方向以wB1作相对于叶片的运动，产生冲击速度损失wB1并且其值为,图4-6给出了偶合器泵轮和涡轮进出口处速度间的关系，以及它们与循环圆尺寸间的关系。,（二） 偶合器工作轮的进、出口速度三角形,图4-6 偶合器内液流速度三角形与半径的关系,三 偶合器的循环流量,（一）推导方法概述, 由能量平衡方程可知，偶合器循环流道中的液体从泵轮获得的功率，液体转化给涡轮的功率与
15、循环流道中损失的功率之间的关系为,上式中，不包括机械损失。因为机械损失的功率不转化为液体能。此外，还略去了泵轮与涡轮间隙之间的漏失损失，即认为流过泵轮和涡轮的液体流量相等，都是Q。,（一）推导方法概述,上式说明，泵轮提供给单位重量液体的能量，一部分用来转化为涡轮上的机械能（包括涡轮轴上输出的有效机械动能和涡轮轴克服机械摩擦损失的机械能），另一部分用来克服循环流道中的所有水力损失。,(二) 泵轮提供的液体压头HB,根据第三章离心泵的基本方程，泵轮提供给液体的压头为,由图5-10所示的偶合器泵轮的进、出口速度三角形可知，,而,令,称作泵轮进、出口半径比,i称作偶合器的转速比,则有,(二) 泵轮提供
16、的液体压头HB,将以上关系代入能量方程，得,或者,（三）涡轮消耗的液体压头HT,同样，由第四章涡轮钻具的基本方程(4-10)可知，涡轮中转化为机械能所消耗的液体压头(或转化压头)为,由偶合器进、出口速度三角形和半径，以及泵轮与涡轮转速之间的关系可知：,，,（三）涡轮消耗的液体压头HT,所以,或者,（四） 循环流道中液体的能量损失,偶合器工作时，循环流道内液体的能量损失包括：液体在泵轮及涡轮进口处的冲击损失hBim和hTim；液体在循环流道中流动时，由于液体的内摩擦，液体与工作轮内壁的摩擦，以及流道内扩散、收缩、拐弯等造成的总阻力损失hf。因此偶合器内总的能量损失可以表示为,偶合器传递力矩时，泵轮与涡轮之间总会有一定的转速差，因而，在泵轮及涡轮的进口处，液流的冲击损失是难以避免的。根据流体力学的基本知识和液流速度三角形，上述几种损失的计算式可以表示为,（四） 循环流道中液体的能量损失,式中 B泵轮进口液流的冲击损失系数，一般都
