主要内容

一、概述；

二、液力耦合器；

三、液力变矩器；

四、柴油机＋液力驱动－机械传动钻机

     柴油机与液力传动元件（变矩器或偶合器）相结合，便构成柴油机+变矩器或柴油机+偶合器驱动，可称为柴油机+液力装置驱动。

一 、概 述

1. 液力传动基本原理

       柴油机输出轴带动离心泵叶轮旋转，离心泵从液箱吸液，沿排液口高速排出，高速流动的液体冲击涡轮叶片，使其旋转，将能量经涡轮轴输出。

最大的特点：柴油机输出轴与涡轮轴没有机械连接，而是通过液体将它们联系起来，实现了动力的传递。这种依靠液体的动能实现动力传递的方式称作液力传动。

2. 液力传动的优点

  1）传动性能柔和。当负荷变化时，可以自动无级地调节速度，某些液力传动装置还能改变输出扭矩，从而能充分利用动力机所配备的功率。

  2) 能吸振、隔振。它可以消防来自柴油机的扭转振动和来自工作机的动载影响，大大提高了从动力机到工作机有关设备的使用寿命。

  3) 可以防止过载，对柴油机和工作机起保护作用，不会使柴油机憋灭火。   

  4）能在运转和负载条件下挂档，操纵方便，易于实现自动化。    

3. 液力传动的缺点

  1）传动时的功率损失较大，效率较低。

  2）需要一些附加设备，如冷却散热系统，压力补偿系统等，因而比机械传动复杂，制成本较高。

  3) 用于低速传动时，其结构尺寸过大，故一般只适用于高速传动。

  总之，液力传动是一种优良的传动装置，在内燃机车、汽车、各种军用车辆、工程机械和石油钻采机械等以内燃机为动力机的设备中，都得到广泛的应用。

4. 液力传动的类型  

1. 液力偶合器

   液力偶合器内部只有两个工作轮：泵轮和涡轮。在工作过程中，它只能等值地传递力矩，不能变矩。因此也称“液力联轴器”、 “液力联轴节”。

2. 液力变矩器

   液力变矩器内部除了有泵轮和涡轮外，还有固定不动的导轮。工作时，在输入力矩变化极小的情况下，它能够根据负载的变化改变输出力矩。根据工况的不同，输出力矩可以大于、等于、小于输入力矩。

3. 综合式液力变矩器

  综合式液力变矩器与液力变矩器类似，其有泵轮、涡轮和导轮。但是，它的导轮可以固定，也可以自由转动。当固定时，其是液力变矩器；当自由转动时，就是液力偶合器。

二、液力偶合器

  1、基本组成和工作原理

  基本组成：

 1-输入轴（功率输入）

 2-泵轮（将机械能转化为液压能）

 3-涡轮（将液压能转化为机械能）

 4-输出轴、（功率输出）

 5.泵轮壳、(提供密闭空间)

工作原理：

      在泵轮、壳体围成的密闭空间内充满液体（前提）。泵轮在动力机带动下高速旋转（功率输入），泵轮内的液体在离心力的作用下沿半径向外抛出，在泵轮叶片构成的流道的引导下，沿泵轮出口流出（机－液），冲击涡轮叶片，推动涡轮旋转（液－机）。然后在涡轮叶片构成的流道的引导下，进入泵轮入口。依此不断循环，实现动力传递。从空间看，液体在循环圆内做空间螺旋管运动。

可以用假想的钢球运动来理解液力耦合器内部流体的运动和功率传递。

  内部液体运动是圆周运动与旋涡运动的合成。

    涡轮旋转后，由于涡轮内的离心力对液体环流的阻碍作用，使油液的绝对运动方向有改变，此时，螺旋线拉长，如图所示。涡轮与泵轮的转速差越大，液体的螺旋形路线拉得越长。

    当涡轮和泵轮转速相同时，两轮离心力相等，油液沿循环圆流动停止，油液随工作轮绕轴线作圆周运动,这时，偶合器不再传递动力

2、液力偶合器的基本特性参数

    1）泵的输入轮扭矩MB

      泵轮扭矩MB的计算式为：          

式中，  λB——泵轮扭矩系数，一般由试验求得；

        ρ——偶合器中液体的密度；

        D——偶合器循环圆直径；

        g——重力加速度；

        nB——泵轮转速。

   2）涡轮的输出扭矩MT

     以偶合器内液体为研究对象。当偶合器稳定运转时，液体在循环圆内做稳定的空间螺旋管运动，其所受的合外力矩为0。

   设：泵轮对液体的作用扭矩为MB，涡轮对液体的作用扭矩为MT’，

   则：                   MB  +  MT’＝ 0

   若设：液体对涡轮的作用扭矩（即涡轮的输出扭矩）为MT，

   根据作用与反作用定理，可知，

                          MT＝—MT’

    则：              MT＝MB

      该式表明：偶合器的输入扭矩等于输出扭矩，即：只能等力矩地传递动力，不能变矩。因此，偶合器也称“液力联轴器”。

   （设问：如何设计出可改变输出扭矩的液力耦合器，即液力变矩器）      

3）偶合器的传动效率η及传动比 ί

设：偶合器的输入转速（泵轮）为nB，输出转速（涡轮）为nT

   则传动比为：

   传动效率为：

a、液力耦合器的传动效率等于涡轮转速与泵轮转速之比；

 （一般液力耦合器正常工况的转速比在0.95以上时可获得较高的效率）

b、涡轮的转速总是小于泵轮的转速。（所有的机械效率均小于1）

c、两轴的转速差随载荷的增大而增加，即效率随载荷的增加而减小

d 、过载保护性能和起动性能好﹐载荷过大而停转时输入轴仍可转动﹐不致造成动力机的损坏﹔当载荷减小时﹐输出轴转速增加直到接近於输入轴的转速﹐使传递扭矩趋于零.

3、偶合器的特性曲线

   1）偶合器的输入特性曲线

   输入特性曲线：泵轮扭矩MB与泵轮转速nB之间的关系曲线。

      由前面泵轮扭矩计算式知：

      从式可以看出，MB与nB的平方成正比。当其他因素不变时，为一条经过原点、开口向上的抛物线。    

值得注意的是：泵轮扭矩系数λB与偶合器的工况有关，与传动比ί有关。当传动比不同时，抛物线的斜率会变化。因此，偶合器的输入特性曲线是与传动比ί有关的一族抛物线。    

当传动比为最佳时（ί= ί*）的输入特性曲线是偶合器与发动机合理匹配的重要依据。

 2）偶合器与发动机的合理匹配

   偶合器必须与发动机合理匹配，才能充分发挥发动机和偶合器的最佳效果。    

合理匹配的重要依据是：

   *偶合器最佳传动比时（ ί= ί*）的输入特性曲线；

   *最大喷油量时发动机的输出特性曲线。

     见右图。用相同的比例绘制MB— nB曲线和MD —nD曲线。将两曲线重叠在一起。在MD —nD曲线上的2点，是发动机最大功率点；若偶合器最佳传动比时的输入特性曲线MB—nB中经过2点，则该发动机和该偶合器为最佳匹配。

 3）偶合器的外特性曲线

   在泵轮转速不变的前提下，偶合器的力矩、功率、效率与输出转速之间的关系曲线。

    1）效率曲线为一条经过原点的倾斜向上的直线。当涡轮转速接近泵轮转速时，效率曲线迅速下降。

    2）涡轮力矩为一条倾斜向下的弧线，负载减小，速度增大；当负载趋进于0时，涡轮转速接近泵轮转速；

   3）功率曲线为一条开口向下的抛物线。当转速为空载转速的1/2时，功率最大。

4）偶合器特性的调节

     偶合器输出外特性的调节方式有：

   1）改变泵轮转速

  泵轮转速下降，外特性曲线向原点靠拢；注：必须在额定输入转速以下调节。

   2）改变偶合器内的充液量

    充液量减少，特性变软（曲线变得更平坦）；注：对于液面可调型适用（如福伊特液力耦合器）

3）改变循环圆过流断面积    过流断面减少，特性变软（曲线变得更平坦）；

注：对于过流断面可调型适用

5）偶合器在钻机中的应用

三、液力变矩器

 1、液力变矩器的基本组成和工作原理

1）基本组成：

变矩器主要元件有：

1－输入轴（转矩输入）；2－泵轮（机－液）；3－涡轮（液－机）；4－输出轴（转矩输出）；5－导轮（输出转矩调节）；6－壳体（提供密闭空间） 其中，导轮与壳体相连。

由于多了导轮，使得变矩器的性能与偶合器大不相同。

2）工作原理：

    如图，在壳体、导轮围成的密闭空间内，充满油。泵轮在动力机带动下高速旋转，泵轮内的油在离心力的作用下沿半径向外抛出，直接进入涡轮流道进口，冲击涡轮叶片，推动涡轮旋转。由涡轮流出的油进入导轮入口，然后在导轮叶片构成的流道的引导下，进入泵轮入口。依此不断循环，实现动力传递。(如图)  从空间看，液体在循环圆内做空间螺旋管运动。

       那么，液力变矩器是怎样实现扭矩的调节的？

3）液力变矩器的变矩原理

    以变矩器内液体为研究对象。当变矩器稳定运转时，液体在循环圆内做稳定的空间螺旋管运动，其所受的合外力矩为0。

    设：泵轮对液体的作用扭矩为MB，涡轮对液体的作用扭矩为MT’，导轮对液体的作用扭矩为MD

    则：                   MB +  MT’+ MD＝ 0

    若设：液体对涡轮的作用扭矩（即涡轮的输出扭矩）为MT，根据作用与反作用定理，可知，MT＝— MT’

    则：           MT＝  MB  +MD     

    即：输出扭矩等于输入扭矩与导轮扭矩的代数和。

      当 MD > 0时,       MT > MB;   (正常工作时的工况)

      当MD =0时,       MT = MB ;   (处于偶合器工况)

      当MD <0时,       MT < MB ;   (空载或负载荷时的工况)

2、液力变矩器的基本类型

   1）按照涡轮的级数分

        单级：循环圆内只有一列涡轮叶片（如：国产WB型）。

        多级：循环圆内有2〜3列涡轮叶片（如：罗马尼亚的CHC型）。

   2）按照涡轮内液体的流动方向分：

      离心式；向心式；轴流式：

  3）按照叶片的形状

    柱面叶片；

    空间曲面叶片。

3、柴油机-变矩器驱动

 1）液力变矩器的输入特性(与液力耦合器同）

 2）变矩器的外特性曲线

   在泵轮转速nB不变的前提下，涡轮力矩MT、泵轮力矩MB、效率η与涡轮转速nT之间的关系曲线    

理论外特性曲线：（经理论计算得到）

    1）MT —nT曲线为一条倾斜向下的直线。当nT为0时（刚启动时），MT最大；当MT为0时，nT最大；    

    2） MB —nT曲线为一条水平线。

    无论负载如何变化，泵轮力矩始终不变。说明动力机的载荷不受外载荷的影响。

    3） η—nT曲线为一条开口向下的抛物线。在最佳工况时效率最高。

对于具体的变矩器，实测外特性曲线有差别，但总趋势相似。

    如图，是泵轮转速为1230r/min时侧得的。

2）柴油机-变矩器驱动的特性

     柴油机加上变矩器组成柴油机—变矩器机组后，其驱动特性是柴油机—变矩器联合工作的外特性，较柴油机直接驱动时的特性有根本性改变。

     (1)驱动特性 

    如果变矩器选型合适，柴油机、变矩器匹配得当，可得到输入特性和联合工作外特性曲线，如图所示。图中nf为柴油机转速；“*”表示设计计算工况。

(2)特性指标        

①经济性能指标  变矩器最高效率，ηmax≌90％(设计计算时取ηmax )；高效区内最低一般取ηmax≥80％，这是人为规定的，可取低些；高效区调速范围R＝nT2/nT1＞2(或R=i2/i1 ＞2)

②变矩性能指标  启动变矩比K0＝3～4(nT＝0时的变矩系数，即Ko＝MT0／MBo)；高效区内最大变矩比K＝2～2．2(即K1＝MT1／MBl)。

③加载性能指标 表征外界负荷变化时透过变矩器对柴油机工况的影响，可用透穿度T来表示，令T12=MB1／MB2，称变矩器的透穿度。其中MB1为nT=nTl时的泵轮扭矩，MB2为Nt=nT2时的泵轮扭矩， nT1、 nT2可根据需要任意截取，但应保持nT2﹥nTl。

上述特性曲线中，当nT在范围0～nTl内：T01＝1，为不可透变矩器；nT在范围nTl～nT2内：T12=1，为不可透变矩器；nT在范围nT2～nTmax内：T2max≥1，为较大正可透变矩器。可见，当涡轮轴因外载变化而在o～nT2范围内变化时，泵轮吸收的扭矩不变，即对柴油机工况无影响，柴油机可始终在匹配工况点工作。    

当涡轮转速升至nT2～nTmax范围内时，变矩器处在轻载、接近空载工况，MT大幅度下降，而泵轮吸收的扭矩MB也相应地急剧减少，柴油机也是处于轻载工况，这是很有利的。

3)柴油机—变矩器驱动的优越性

①随外载变化能自动无级地变速变矩，驱动绞车时，可明显提高钻机起升工效。

②使柴油机始终维持在经济合理的工况运行，即使外载增大，导致涡轮轴处于制动状态时，柴油机也不会被蹩灭火。

③K值大，使机组适应外载变化能力大大增强，例如，在高效区范围内K1≥2(柴油机本身K≤1．5)；在重载时，K值可高达3．5～4．0，解除事故、负载启动能力强，操作平稳。

④调速范围R展宽，在高效工作区内，R＝nT2／nTl≥2，在重载、轻载都可以工作，只不过效率较低些。为了提高效率，设3—4个机械变速挡即可，这就简化了传动，又方便了操作，挡间还是无级调速，可充分利用设备功率。

⑤传动平稳柔和，吸收冲击振动，延长机械设备寿命。

 ⑥减少并车损失，柴油机—变矩器并车比柴油机用胶带直接并车要减少功率损失约3％，这是很可观的。

   液力变矩器主要不足之处是效率偏低，最高效率一般为85％～90％，且效率随涡轮轴转速在很大范围内变化；纯钻进驱动泵时工效明显低于机械传动。此外，结构比较复杂，还需要一套补偿和散热冷却系统。

   理论分析和实践均表明:柴油机—变矩器驱动是可取的。它在内燃机、船舶、石油机械和工程机械中获得广泛应用。

4、柴油机—变矩器驱动钻机的提升曲线

  根据柴油机—变矩器联合工作的外特性及钻机所配备的机械变速挡数，便可绘出钻机提升载荷与提升速度之间的关系曲线，称提升特性曲线或钻机牵引特性曲线。

  一般钻机说明书中都给出该特性曲线。

  右图为ZJ45钻机的提升曲线：采用PZ12V190B-1柴油机、YB700-Ⅱ变矩器、6档机械变速箱

6 液力变矩器的典型结构（以国产WB-700型变矩器为例）

主动部分：

1、4、11用3、9连接，2和右球轴承支承。

从动部分：

7、16用螺钉连接，14和左球轴承支承。

固定部分：

8用花键与5相连，5用15与12相连，

6、12用10连接，

两道密封：齿轮泵供油：空间扭曲叶片：

7、液力变矩器的辅助装置

 为保证变矩器可靠工作，必须有一套辅助装置：

  1）冷却系统

  作用：降低循环圆内油的温度。

  原理：将循环圆内的热油引出，利用散热器冷却后，在注入循环圆内。

  种类：

 （1）风冷却——利用气体流动带走热量。

     （a）变矩器自己带有独立的风冷却器。（见图）

     （b）变矩器与柴油机共用一个风冷却器。（见图）

   风冷特点：利用空气散热，不受条件限制，便于安装、维护；体积大。

（2）水冷却——利用水流动带走热量。

    （a）变矩器自己带有独立的水冷却器。（见图）

    （b）利用柴油机的循环水来冷却。（见图）

  风冷却特点：体积小，效果好；但受条件限制，如水源以及水的净化。

2）补偿系统

  作用：

   （1）油量补充——循环圆内的油不可避免的漏到外部，使油量减少，影响变矩器性能。故必须向内补充油量。   

（2）压力补偿——液体在循环圆内流动，泵轮入口处的压力最低。若压力低于油在工作温度下的汽化压力时，会汽化，造成汽蚀现象。故必须用泵向泵轮入口补充压力。

   原理： （以CHC型变矩器为例）

3、密封装置

  由于循环圆内存在补偿压力，使得工作腔中油压大于外界大气压，于是在变矩器的旋转部分与固定部分之间的间隙中就会产生漏油现象。

   作用：防止循环圆内的工作油外漏。

   密封部位：

   1）泵轮与壳体之间；  

   2）各工作轮交接处。

密封类型：

   1）曲宫密封（属非接触式密封） 主要用于各工作轮交接处。

2）动—静环式机械密封（属接触式密封）

用于泵轮与壳体之间（如 CHC型变矩器）。

四、柴油机＋液力驱动－机械传动

小   结

1、了解液力传动的基本原理、类型以及它们的优缺点；

2、了解液力耦合器的工作原理、机构；

3、了解液力变矩器的工作原理、典型结构、变矩原理以及辅助系统；

4、掌握柴油机＋液力驱动－机械传动钻机的传动特性。

思考题

1、液力驱动有哪些特点？

2、柴油机加液力变矩器驱动钻机和柴油机直接驱动钻机相比其驱动特性有了哪些改变，为钻机的工作机组带来哪些好处？对照ZJ45J与ZJ45L的传动系统图和起升曲线图，两者绞车都有6个机械档，为什么两者的起升曲线不一样，说明其原因。

3、液力变矩器为什么能实现变矩，变矩对钻机驱动有什么好处？

4、液力变矩器需要哪些辅助装置？