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* * 第9章 液力传动基础 * * 第9章 液力传动基础 9.

1 液力传动概述9.2 液力传动的基本理论 * * * * 9.1 液力传动概述 9.1.1 液力传动概述液力传动是液体传动的另一分支,它是由几个叶轮组成的一种非刚性连接的传动装置.这种装置把机械能转换为液体的动能,再将液体的动能转换成机械能,起着能量传递的作用.首台液力传动装置是十九世纪初由德国费丁格尔(Fottinger)教授研制出来并应用于大吨位船舶上.图9-1是液力传动原理图. * * * * 9.1 液力传动概述 图9-1 液力传动装置1―发动机;

2―离心泵叶轮;

3―导管;

4―水槽;

5―泵的螺壳;

6―吸水管;

7―涡轮螺壳;

8―导轮;

9―涡轮叶轮;

10―排水管;

11―螺旋桨;

12―液力变矩器模型. * * 9.1 液力传动概述 目前,液力传动元件主要有液力元件和液力机械两大类.液力元件有液力耦合器和液力变矩器;

液力机械元件是液力元件与机械传动元件组合而成的. 1.液力耦合器 由图9-2(a)可知,它是由泵轮B和涡轮T组成的.泵轮与主动轴相连,涡轮与从动轴相接.如果不计机械损失,则液力耦合器的输入力矩与输出力矩相等,而输入与输出轴转速不相等.因工作介质是液体,所以B、T之间属非刚性连接. * * 9.1 液力传动概述 2.液力变矩器 图9-2(b)是液力变矩器结构简图.它是由泵轮B、涡轮T及导轮D主要件构成.B、T分别与主动轴、从动轴连接,导轮则与壳体固定在一起不能转动.当传动比小时,输出力矩大,输出转速低;

反之,输出力矩小而转速高.它可以随着负载的变化自动增大或减小输出力矩与转速.因此说,液力变矩器是一个无极力矩变换器. * * 9.1 液力传动概述 图9-2 (a) 液力偶合器;

(b) 液力变矩器. 1―主动轴;

2―从动轴;

T―涡轮;

B―泵轮;

D―导轮 * * 9.1 液力传动概述 9.1.2 液力传动有关术语1.轴面 液力元件过旋转轴线的剖切面,也叫轴截面或子午面,如图9-3.2.循环圆 液力元件中液体循环流动工作腔的轴面叫做循环圆,如图9-3所示.它有一定的几何形状,能表示出各工作轮排列顺序、位置及液体循环流动的方向.3.有效直径 循环圆(工作腔)的最大直径称为液力元件的有效直径,用D表示. * * 9.1 液力传动概述 4.平均流线 指在工作轮中的一条假想流线,该流线上液流的动力学效果与整个叶轮中的所有液流产生的动力学效果一样,该假想流线就是平均流线. 5.工作轮进、出口半径 工作轮叶片进出口边与平均流线的交点到轴线的长度.6.外环和内环 限定循环圆流道的工作轮外侧壁面及内侧壁面分别为外环及内环. * * 9.1 液力传动概述 图9-3 液力元件循环圆 * * 9.1 液力传动概述 9.1.3 液力传动的工作液体 液力传动用的工作液体应满足如下要求:(1)适宜的粘度 为减少摩擦损失,希望液体的粘度小,但润滑性能、密封性能会降低.(2)粘温性好 即要求液体粘度受温度的影响要小.(3)不易产生泡沫、老化和沉淀.(4)酸值要低、抗氧化性高. * * 9.1 液力传动概述 (5)具有较高的闪点和较低的凝固点.液力元件工作时,油温常在80~100℃,甚至可达160℃,因此要求闪点不低于180℃;

凝固点要低于-20℃,以利于在低温环境时液力元件的起动.(6)要有较大的重度 重度大,液力元件传动的力矩也大.(7)润滑性能好. * * 9.1 液力传动概述 9.1.4 液力传动的特点(1)自动适应性(2)防振、隔振性能(3)透穿性能另外,它还具有过载保护、自动协调、分配负载的功能.但是,液力传动效率较低,高效范围较窄,需要增设冷却补偿系统,使结构复杂、成本高. * * 9.2液力传动的基本理论 9.2.1 相对运动的伯努利方程当连续的、不可压缩的液体沿着任何形状的静止管道做稳定流动时,只要液体在管道中没有流量、能量的输入或输出,若不计各种能量的损失,则在管道的任意两个缓变流动的端面上(如

1、2端面),均遵守下列等式关系: (9-1) * * 9.2液力传动的基本理论 式中:在

1、2处单位重量液体的位能;

在

1、2处单位重量液体的压能 在

1、2处单位重量液体的动能;

液体在断面形心上的压力;

―液体在断面形心上的平均流速;

分别为液体的密度和重力加速度. * * 9.2液力传动的基本理论 从几何意义上来讲是断面

1、2的形心到基准平面的位置高度.式(9-1)就是实际液体在静止流道中流动时的能量守恒定律的数学表达式,也称作绝对运动的伯努利方程. 上述方程只适应于液体在静止不动的流道中流动时的情况,但对于液力传动中流动在工作轮里的液体就不适用了.因为液体在这些工作轮中的运动,除了有沿着工作轮流道做相对运动外,同时还做与工作轮一起旋转的牵连运动. * * 9.2液力传动的基本理论 假定把所研究的正在旋转的工作轮(如泵轮)置于和工作轮同轴线、同转速但转向相反的旋转平台上(如图9-4), 此时工作轮中液体的相对速度就可看作绝对速度(因牵连速度为零).这样,就可以利用绝对运动的伯努利方程,但应考虑因 平台旋转而使工作轮中液体失去的能量 . * * 9.2液力传动的基本理论 图9-4工作轮中液体的相对运动 * * 9.2液力传动的基本理论 相对运动的伯努利方程如下: (9-2) 式中:分别为液体在工作轮进出口处牵连运动的速度;

―分别为液体在工作轮进出口处相对运动的速度;

分别为工作轮进出口处单位重量液体作牵连运动 的动能 * * 9.2液力传动的基本理论 上式还可以改写成为: (9-3) 式中(就是相对运动液流在工作轮进口处单位重量液体的总机械能;

是在出口处单位重量液体的总机械能.对于泵轮 ,说明泵轮出口处总机械能要比入口处的总机械能大 ,大出的这部分能量正是 * * 9.2液力传动的基本理论 由于动力机使液体产生了牵连运动,有了离心力而使液体动能增加的.如果是涡轮,则与泵轮相反.因涡轮的 ,所以它的出口处要比入口处 总机械能少 ,而这部分能量被涡轮吸收 后对外输出机械能. * * 9.2液力传动的基本理论 9.2.2 液流在工作轮中的流动和速度三角形液体在工作轮中的流动是一种复合空间运动.液体既要随工作轮一起作旋转运动,又要在旋转的工作轮叶片流道内流动.所以,液体在工作轮中的合成运动是呈螺管形态的运动(图9-5). * * 9.2液力传动的基本理论 图9-5 液体的螺管运动 * * 9.2液力传动的基本理论 为了便于研究分析,将复杂的空间运动进行简化,然后再用实验的方法加以修正.假定如下:(1)工作轮叶片无限多、无限薄.(2)工作轮出口处的流动情况与进口处流动的情况无关;

(3)以平均流线代表整个工作轮叶片流道内液体运动的物理现象;

(4)液体不可压缩、稳定流动、无能量损失. * * 9.2液力传动的基本理论 在工作轮中的平均流线上,任意点A处流体流动的速度可用速度三角形表示,如图(9-6) 图9-6 工作轮的液流速度三角形 * * 9.2液力传动的基本理论 式中:u ―液流随工作轮一起转动的速度,即牵连速度;

w ―液流沿着叶片方向运动的速度,即相对速度;

v ―液流的绝对速度.由u、w、v 组成的三角形叫做速度三角形.需指出的是此三角形并不位于纸面上所绘的速度三角形平面内,而是在过A点与平均流线相切的平面上. (9-4) * * 9.2液力传动的基本理论 另外, 又可把绝对速度分解为两个互相垂直的速度分量 、 , 是绝对速度的圆周分速度, 是计算速度环量的参数;

是绝对速度的轴面分速度,它关系到循环流量的大小. * * 9.2液力传动的基本理论 9.2.3 工作轮的力矩方程在液力传动中,需要计算工作轮的力矩,而求工作轮的力矩则要用到动量矩定理.质量为的质点与其运动的绝对速度的乘积就是该质点的动量,动量是个向量.动量矩则是动量与该质点到旋转轴O的垂直距离的乘积,以L表示,如图9-7,那么 式中 r―质点到O轴的半径. * * 9.2液力传动的基本理论 图9-7 工作轮中的液体在叶片进出口处的动量矩 * * 9.2液力传动的基本理论 根据动量矩定理,工作轮作用于质点的力矩等于单位时间内液体质点动量矩的变化量,即(9-5) 若单位时间内流经工作轮的液体流量为Q,则 所以 (9-6) * * 9.2液力传动的基本理论 式中:M ―工作轮对液体的作用力矩(N・m),液体 对工作轮的力矩则与大小相等,方向相反;

Q ―工作轮流量,即循环圆流量(工作液体的密度(工作轮叶片进出口处的半径(m);

、 ―工作轮进p出口处液流绝对速度v的圆周分速度( ). * * 9.2液力传动的基本理论 式中 ―工作轮进口处液流的速度环量,工作轮出口处液流的速度环量,速度环量 ,即速度环量等于半径r的圆周长与在半径上液流绝对速度的圆周分速度 的乘积.它表明了液体旋转的程度,工作轮的力矩取决于速度环量在出口和进口的差值. 式(9-6)可改写成如下形式: (9-7) * * 9.2液力传动的基本理论 式(9-6)、(9-7)就是工作轮的力矩方程.如果工作轮是泵轮,则(9-8) 若是涡轮,则(9-9) 若是导轮,则(9-10) * * 9.2液力传动的基本理论 式中参数加角标B、T、D分别表示泵轮、涡轮、 导轮的相关参数,而各参数的含义与式(9-6)、 式(9-7)的参数意义相同.在式(9-9)中,因 ,所以 是个负值,它表示涡轮吸收了液体给与的能量而对外输出力矩.参见图9-8,当液体流进两个工作轮之间时,如B与T之间,T与D之间和D与B之间,因液体不受叶片作用,故有 * * 9.2液力传动的基本理论 将式(9-11)代入式(9-8)、式(9-9)、式(9-10)中,得(9-11) (9-12) * * 9.2液力传动的基本理论 式(9-12)就是单级三工作轮液力变矩器的力矩方程.可知,液力变矩器各工作轮的力矩主要取决于相衔接的两个工作轮出口速度环量之差. 图9-8 工作轮的衔接次序 * * 9.2液力传动的基本理论 9.2.4 液力变矩器的欧拉方程根据式(9-6),工作轮作用于液体的功率应为 (9-13) 式中 ―工作轮旋转角速度;

―液体质点的圆周速度(牵连速度). 根据能量不灭定律,当不计液力损失时,工作轮作用于液体的能量应等于能量的增量,因此 (9-14) * * 9.2液力传动的基本理论 将式(9-13)代入(9-14),得(9-15) 或为 (9-16) 式中, 是在工作轮叶片无限多且无限薄的情况下,不计液力损失时单位重量液体所获得的能量(即能头). 式(9-15)或(9-16)就叫液体流经叶片式工作轮时的欧拉方程. * * 9.2液力传动的基本理论 根据工作轮进出口的速度三角形之间的关系,欧拉方程可改写成如下表达式: (9-17) 由式(9-17)可看出,液体在工作轮叶片流道中时,因叶片与液体的相互作用而产生的能量变化是由于绝对速度、牵连速度、相对速度的变化而引起的.如果是泵轮,其欧拉方程为 或(9-18) (9-19) * * 9.2液力传动的基本理论 同理,对于涡轮也可列出它的欧拉方程.液体流经泵轮时吸收了能量,而液体流经涡轮时,又将能量释放给涡轮,故 ;

在导轮内无能量的传递,只有能量形式的变换,一般是把压能转变成动能.由于实际的工作轮叶片不可能无限多、无限薄,液体受惯性、粘性的影响,所以实际的能头 要比理论能头 小,即,是小于1的能量(能头)修正系数. * * 9.2液力传动的基本理论 9.2.5 液力变矩器的相似原理在液力传动中,由于液体在工作轮流道里流动极为复杂,至今还不能采用纯理论方法确切地把液力变矩器的特性计算出来.因此进行液力传动装置系列化设计,或者根据样机进行放大、缩小的仿型设计时,都采用相似原理的设计方法,而无需对每个液力传动元件进行逐一试验,既能减少设计工作量,又能保证液力传动的良好性能.因此,相似原理是液力传动装置系列化设计或仿型设计的理论基础. * * 9.2液力传动的基本理论

一、液力变矩器的相似条件对不可压缩、稳定流动的液体,能满足如下条件,则该系列液力变矩器相似.(1)几何相似 如果各个液力变矩器工作轮流道形状相同,对应的线性成比例,对应角度相等,则这些液力变矩器为几何相似. * * 9.2液力传动的基本理论 (2)运动相似 如果各个液力变矩器中液体流态相似,即对应点液流的运动速度方向相同,大小成比例,或者说对应点上的速度三角形相似,这称为运动相似.运动相似时的工况称为相似工况,此时液力变矩器的传动比相等.(3)动力相似 各个液力变矩器对应点的液体质点所受力的性质相同,即力的方向相同,大小成比例,这称为动力相似. * * 9.2液力传动的基本理论 实际上,要使两个液力变矩器完全符合动力相似是不可能的.通常只考虑影响液体流动规律的主要作用力使其符合条件,而忽略次要的力,这种相似称为部分力学相似.对于液力变矩器,主要的力是粘性力、惯性力,而不考虑重力、表面力、压力等,因此两液流的雷诺数应相等.

二、相似定律在相似条件下,并利用流量及欧拉方程等可推导出相似定律.把两个相似的液力变矩器中的一个作为模型,其参数的下角标用M表示,把另一个放大或缩小的实物液力变矩器参数的下角标用S表示,相似定理表述如下. * * 9.2液力传动的基本理论 第一相似定律:两个相似的液力变矩器,其流量Q之比等于有效直径D之比的三次方与泵轮转速比值的乘积,即(9-20) 第二相似定律:两个相似的液力变矩器,其能头H的比值等于有效直径D比值的二次方与泵轮转速 比值的二次方的乘积,即(9-21) * * 9.2液力传动的基本理论 第三相似定律:两个相似的液力变矩器,其功率之比等于有效直径D比值的五次方与泵轮转速 比值的三次方及工作液体重度 之比的一次方的乘积,即:第四相似定律:两个相似的液力变矩器,其力矩M之比等于有效直径D比值的五次方与泵轮转速 比值的二次方及液体重度 之比的一........