液體粘性傳動技術發展現狀及研究趨勢

溫成卓+周水芳

【摘 要】本文介紹了液粘粘性傳動技術的傳動原理及特點，對液粘傳動技術的國內外發展現狀進行了闡述，針對國內液體粘性傳動技術存在的問題，提出了該技術的研究趨勢。

【關鍵詞】液體粘性傳動；液粘傳動；油膜剪切傳動；HVD

0 前言

液體粘性傳動技術作為一門新興的傳動技術，以其獨特傳動方式，優越的傳動性能以及節能降耗的功效，越來越受到人們的關注。利用該技術開發的液粘調速裝置，是其中最具代表性的產品，廣泛應用在風機、水泵、帶式輸送機等大功率的重型設備上，節能降耗效果明顯。但該技術在我國的起步比較晚，對該技術的研究還不夠全面，不夠深入。有待科研工作者的進一步鉆研和完善。

1 液體粘性傳動的定義及工作原理

液體粘性傳動（HVD）是一種以粘性液體為工作介質， 依靠主、從動摩擦副之間液體的油膜剪切力來傳遞動力、調節速度和轉矩的一種新型傳動方式。

液體粘性傳動基于牛頓粘性定律。根據牛頓的流體剪切理論，如圖1所示，在兩相距h的平行平板之間充滿粘性流體后，讓下平板固定不動而使上平板在其自身平面內以等速U向右運動，則粘附在上板的流體質點的速度為U，下板的流體質點速度為0，若作用于上平板使之產生等速度U的外力為F，則該力與速度U及平板面積A成正比，與間距h成反比，即

F=μUA/h 或τ=μU/h

其中，F是油膜的剪切平板力；

μ是流體的動力學粘度；

τ是平板間的剪切力；

h是平板間的距離。

從上式可以看出，在保持流體粘度μ一定的條件下，通過控制平板間的距離h，就可以調節調節兩平板間傳遞的剪切應力τ。只要結構和各參數設計合理，就可以設計出傳遞很大功率的液體粘性傳動裝置。

圖 1 流體的內摩擦模型

液體粘性傳動裝置的基本工作原理如圖2所示。

液粘傳動裝置可大致分為主機和輔機兩部分。主機由動力輸入系統和動力輸出系統組成。動力輸入系統包括主動軸7、主動摩擦片9，動力輸出系統包括被動摩擦片10、被動軸11。輔機包括控制系統、冷卻系統和測量系統等。

系統工作時，主、被動摩擦片9、10之間由潤滑油路提供油液，油液在油壓和離心力的疊加作用下，經過主、被動摩擦片9、10之間的間隙，不斷被甩出，使摩擦片之問始終存在動態剪切油膜，并不斷帶走由于摩擦片之間由油膜內摩擦而產生的熱量?？刂葡到y通過改變工作油路中的油壓，改變控制液壓缸控制活塞8的行程，推動摩擦片發生相對運動，使摩擦片之間的剪切潤滑油膜厚度發生改變，從而使被動軸11獲得所需要的轉速。當工作油壓增加到足以將控制液壓缸控制活塞8完全推出時，主、被動摩擦片9、10被完全壓緊，抱死在一起，摩擦片之間不再存在剪切潤滑油膜和油膜剪切力，主動摩擦片9通過靜摩擦力帶動被動摩擦片10一起轉動，此時，液粘傳動裝置進入同步運行狀態。

圖 2 液體粘性傳動裝置工作原理簡圖

1，15.粗濾器；2，14.供油泵；3.精濾器；4.HVD轉速調節閥；5，13.溢流閥；6.換向閥；7.主動軸；8.液壓缸控制活塞；9，10.主、被動摩擦片；11.被動軸；12.冷卻裝置；16.油箱

2 液體粘性傳動的特點

液粘調速離合器作為一種新型的液體傳動裝置，與其他傳動裝置相比，具有以下特點：

（1）在調速范圍內可以實現無級調速，不同轉向性能相同。

（2）可獲得無轉速差高效率的直接傳動，此時無功率損失。傳動效率為100%（理論值），較其他間接方案效率提高3%—5%。

（3）可在輕載或者無載下起動，減小起動電流對電網的沖擊。

（4）可手動控制，亦可遠距離自動控制轉速，調速精度高。

（5）結構緊湊，體積小，占地面積小，使用維護簡單。

（6）在起動慣性較大的負載時，可使之緩慢加速，防止傳動系統過載。

（7）可以自動限制傳遞的轉矩，因而對傳動系統起到保護作用。

（8）帶動風機、水泵，調速范圍越大，節能效果越顯著。

（9）全封閉結構、噪音低，適用于粉塵、濕度大及腐蝕場所。

3 液體粘性傳動技術的國內外研究現狀

國際上美國是最早開始研究液體粘性傳動的國家，自20世紀60年代初開始，經過近二十年的發展，液粘傳動技術開始工業化應用。目前，美國已經研制出能夠精確伺服控制的液粘傳動裝置，其功率等級達70，000馬力，可連續24小時工作，壽命在24，000小時以上。20世紀70年代末，日本新瀉控巴達公司從美國雙盤公司引進液體粘性傳動技術，進行了大規模的開發生產。并在美國專利技術的基礎上對液粘產品進行技術改進，所形成的新產品已申請日本、美國、英國和德國四國專利進行生產。目前，國外對液粘傳動技術的研究方向主要呈現出功率等級更高、運行性能更可靠、結構更緊湊、電液控制系統先進、控制形式多樣化等特點。

國內關于液體粘性傳動的研究從20世紀70年代末開始。上海交通大學的董勛教授是最早研究液粘傳動技術的學者之一，他對液粘傳動技術的基本理論進行了初步研究，在雷諾方程的基礎上得到了油膜壓力分布和徑向流量的數值分析計算方法—流度矩陣，為油膜形成機理的研究提供了理論依據。北京理工大學魏宸官教授于1986年成功研制出新型液體粘性傳動裝置，在風機、水泵上得到了大量推廣應用。生產液粘產品的企業主要有遼寧華孚石油高科技股份有限公司、兗州科欣機電設備制造有限公司等。這些企業能夠研發和生產中小功率等級的液粘傳動產品，但性能與國外同等級產品相比還有一定的差距。目前我國還沒有開發、生產大功率等級液粘傳動裝置的能力。

4 液體粘性傳動技術的研究趨勢

我國所研制、生產的HVD調速傳動裝置從功率等級到工作性能還遠遠達不到各工業用戶的要求和期望。目前，我國的液粘技術研究所面臨的主要研究課題及研究方向包括：

（1）油膜潤滑傳動機理的研究。國內各研究單位采用有限元素法或者級數法，運用無限寬或者有限寬平面階梯軸承理論對帶徑向油槽摩擦片間油膜的潤滑傳動機理進行研究，所得到的結果計算非常復雜、繁瑣。由于理論研究過程中邊界條件的引入與實際HVD系統不符，導致計算所得結果與試驗結果相比誤差很大，無法進行實際工程應用。因此，需要對HVD油膜潤滑傳動機理做進一步的研究。

（2）開環穩態轉速平穩性的研究。所謂開環穩態轉速平穩性，是衡量HVD裝置開環穩態輸出轉速在任意工作點上保持恒定、不產生漂移和擾動的能力的性能指標。如果對HVD采用閉環控制，不僅浪費資金和設備，而且在這些濕度大、有腐蝕性氣體的環境中容易造成電子元器件的損壞、失效，從而影響整個HVD裝置的安全使用。

（3）HVD裝置摩擦副變形失效的研究。

（4）液壓控制系統的研究。液壓控制系統的性能好壞直接影響到HVD調速傳動裝置的快速響應、運行穩定、調節精度等性能指標。

（5）HVD專用潤滑油的研究。

（6）結構的優化。使HVD調速傳動裝置結構及其零部件更加合理化、工業化、系列化、標準化。

（7）大功率等級HVD裝置的研制。

5 結論

本文給出了液體粘性傳動的定義及分類。介紹了液粘傳動的工作原理。闡述了國內外液體粘性傳動技術的發展和研究狀況，與國外液粘技術相比，我國在油膜形成機理、摩擦片材料及結構、傳動潤滑介質等方面需要進一步研究。實踐證明，液體粘性傳動技術具有很大的應用價值和發展前景。

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[責任編輯：楊玉潔]