CPC1600阀控充液型液力偶合器研发及应用

摘   要： 阀控充液型液力偶合器是刮板输送机的软起动装置，能够有效防止刮板输送机运行时产生的冲击、刮卡等事件发生。研究并开发了CPC1600阀控充液型液力偶合器，对其主机、关键元部件、液压供水控制系统进行了设计。在主机设计中，兼顾结构与选材，与刮板输送机联结尺寸相配套，并保证强度与耐蚀性能;在元部件设计中，开展叶轮腔型逆向反求、材料选择、外特性仿真等工作，保证泵轮、涡轮具有足够的安全裕量，并对离心阀转速进行设计;在液压供水控制系统中，开发偶合器自动液位保持开式系统（ALM），减少电磁阀的动作次数。试验室试验和现场工业性试验表明，CPC1600阀控充液型液力偶合器运行可靠，额定功率可达到1 600 kW，额定滑差（速比）为95.39%，外特性满足标准要求，電磁阀使用寿命得以延长，可以在煤矿井下的刮板输送机上推广应用。

关键词： 阀控充液型液力偶合器;额定滑差;刮板输送机;工业性试验;叶轮腔型逆向反求

中图分类号：TD528.3    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 06-027-08

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.005

引言

刮板输送机是用来运输煤矿等物料的重要工具。实践中发现，当刮板输送机在综采工作面工作时，若上煤量过大，或出现片帮、刮板链卡滞等情况，则其在运行会产生冲击、刮卡现象，导致频繁过载和停机。

目前双速电动机驱动系统在刮板输送机中应用较多，其缓解了刮板输送机的上述问题，但其多机驱动模式也带来了负载分配不均衡问题[1-2]。随着刮板输送机装机功率的不断加大（目前最大单机功率达到1 600 kW），其起动及运行问题势必将更加突出[3-4]。

阀控充液型液力偶合器是一种源于国外的刮板输送机驱动装置，其系统功能完善、技术经济性合理，是重型刮板输送机理想的软起动装置[5]，在陕煤集团神南产业发展有限公司（以下简称“神南产业”）及所属各矿中得到了广泛应用，但其价格高、供货周期长、服务不及时，严重影响了煤矿连续生产。

针对上述问题，神南产业自行研究与开发了CPC1600阀控充液型液力偶合器，先后完成了产品设计、样机生产制造以及应用测试等工作，以实现国外阀控充液型液力偶合器的功能和指标，有效提高刮板输送机的运行可靠性及开机率，减少采购成本。本文首先阐述CPC1600阀控充液型液力偶合器的工作原理;然后论述各元部件、各控制系统的研发关键技术;最后介绍试验室试验和现场工业性试验情况。

1  工作原理

1.1  系统组成

原始的液力偶合器利用一个泵轮、一个涡轮及其中的液体实现无磨损传动。具有较高能量的液体以离心方式从泵轮流至涡轮（从动部分），并转换成机械能（力）。在能量从泵轮传递至涡轮的过程中，二者完全没有接触，故也不会发生磨损[6]，只有轴承和密封件会出现正常疲劳和磨损。

阀控充液型液力偶合器是由两个泵轮、两个涡轮组成的双腔液力偶合器，其采用控制阀控制液体的液位。阀控充液型液力偶合器由主机、电气控制系统和液压供水控制系统三个功能模块组成。其中主机实现电动机至工作机的动力传动;液压供水控制系统实现主机的充排液，控制主机传动的软起动;电气控制系统用于接收来自组合开关的信号，对主机的充排液进行控制。目前，阀控充液型液力偶合器有三种规格，分别是：1）CPC1000，工作腔直径为562 mm，对应功率为855 kW或1 000 kW;2）CPC1600，工作腔直径为575 mm，对应功率为1 600 kW;3）CPC1200，工作腔直径为575 mm，对应功率为1 200 kW。

本文选择第二种规格。

1.2  主机结构

主机主要由外壳组件、泵轮组件、涡轮组件和输出部件组成，由电动机轴支承泵轮组件并带动旋转，通过液体动力将能量传输给涡轮。涡轮组件由两个背靠背涡轮及涡轮轴组成，在涡轮轴的输出端配置了输出部件，将动力传输给减速器。外壳组件主要作用是形成液体的工作空间，使由工作腔泄漏的液体能重新返回左辅腔或排出壳体外。

1.3  液压供水控制系统

阀控充液型液力偶合器的液压供水控制系统有两种：一种是闭式供水系统，冷却水在液力偶合器壳体中循环运行;另一种是开式供水系统，冷却水经过液力偶合器工作腔后再排出，将热量带走。开式供水系统是在闭式供水系统的基础上发展起来的，减少了控制阀的数量，避免了结垢问题的产生，应用比较广泛。

供水系统的功能是根据电机的电流决定液力偶合器的充液脉冲次数。由泵站提供的有压液体被过滤去除杂质后，再通过调节减压阀，使进口压力保持在电液先导阀开启压力范围内;根据电机的电流、供液口的流量和压力实时计算电磁阀的开启参数和每次开启充液的时间，液体介质经电磁主阀组进入液力偶合器。

此外，在液力偶合器内部中间壳上设置离心阀，其在低速和静态时开启，确保排出腔内残留的液体。起动时，当转速在0～1 280 r/min范围内时，离心阀开启，排出腔内残留的液体;升速过程中，当转速≥1 280 r/min时，离心阀关闭，便于控制系统充液，并保证液位稳定。

2  研发关键技术

研发关键技术主要针对的是阀控充液型液力偶合器的关键元部件，尤其是高强度耐蚀叶轮，涉及叶轮腔型设计、材料选择、成形工艺、制造工艺等。此外，供水控制方式中也涉及关键技术。

2.1  主机结构研发

主机结构研发包括两项课题，一是结构设计，二是选材。主机外壳按照主流刮板输送机的产品配套要求设计，确保与电机、减速器联结尺寸正确，并与国外设备通用。外壳凡与水接触的部件均采用不锈钢材料，既要保证强度又要具有耐蚀性能。其他部分采用普通钢板，保证足够的强度。

2.2  叶轮研发与设计

2.2.1  叶轮腔型逆向反求

环流形状、工作轮转速、工作室充液量是决定液力偶合器传递力矩的主要因素。合理的腔型应达到如下要求：较高的泵轮力矩系数，合理的限矩性能，较大的内径尺寸，原始特性曲线低速比段平缓、高速比段陡峭。工作轮叶片应采用平面径向叶片，并为两工作轮选择不同的叶片数（互质）来避免流量脉动。

传统的叶轮腔型反求方法包括参考成熟的叶轮或通过模型试验等。近年来，多采用逆向工程的理论来对叶轮腔型进行反求，并采用流场分析验证液力偶合器的特性和进行强度校核。

叶轮腔型逆向反求步骤是：

（1）对液力偶合器叶轮进行现场三维扫描，获取部分表面三维数据;

（2）经过拼接、合成等数据处理，输出成为CAD软件能够处理的三维模型数据[7];

（3）根据三维模型数据，进一步用CAD软件进行造型处理，从而得到完整的叶轮的三维模型;

（4）对三维模型沿径向切开，即得到叶轮的腔型，并进行拟合处理，即得到扁圆型的CPC1600阀控充液型液力偶合器腔型。

叶轮腔型在逆向反求过程中的部分示意图如图1所示。

2.2.2  叶轮选材与制造

叶轮制造通常有以下几种方法：

（1）叶轮铸造成形，然后进行机械加工。大部分的铝合金叶轮都采用低压铸造成形工艺。

（2）机械加工成形。首先进行叶轮基体的旋转加工，然后叶片与叶轮基体组合焊接为一体，最后进行去应力处理。这种方法多用于钢制叶轮。

（3）数控加工成形。备好料后，采用数控机床一次加工而成。特点是加工精度高，表面质量高，但原材料用料多，生产成本高。

常见液力偶合器涡轮是采用铝合金材料砂型铸造成形的，存在强度低、抗拉强度不足（）等问题，不能适应大功率输送机的传动要求。

本项目在开发过程中，采用一种五元铜合金材料制造叶轮，首先进行合金化+浇铸过程成形，经同炉试样检测满足抗拉强度要求后，再进行后续加工[8]。浇铸完成后，首先进行基准加工，再进行叶片及腔型的数控加工，最终获得精确的、具有较高表面光洁度的叶轮腔型表面。材料的抗拉强度达到下列指标：，。

零件加工完成后，进行零件的单面平衡，工装静平衡精度达到G2.5以上，零件单面平衡精度达到G6.3以上;组件组装之后，再进行动平衡，工装动平衡精度达到G2.5以上，组件动平衡精度达到G6.3以上。

加工后的涡轮零件及涡轮组件如图2所示。

2.2.3  液力偶合器传递力矩特性流场仿真

为验证液力偶合器传递力矩特性，利用流场分析技术对其外特性进行分析。采用近年来兴起的全三维黏性流场數值求解技术[7]，通过求解液力偶合器周围流场获得其外特性，并依此优化关键尺寸。

图3所示为液力偶合器外特性仿真曲线。计算时，采用Ⅰ型涡轮结构，所有固体边界给定绝热壁面条件，泵轮给定转速，通过逐渐改变涡轮转速，获得充液量为100%，泵轮转速分别为600 r/min、1 000 r/min、1 480 r/min时的液力偶合器外特性，得到仿真的额定滑差（速比）为91.46%，零速工况力矩倍数为2.325。在实际测试中，额定滑差（速比）为95.39%，零速工况力矩倍数约为2.2，表明仿真结果与试验结果存在一定偏差，但趋势基本相同。

2.2.4  叶轮强度计算

（1）泵轮强度计算。计算工况的选择：当泵轮转速为1 500 r/min（157 rad/s）时，离心力、工作腔外缘离心压力最大，但传递力矩并非最大，因此在此转速时将涡轮制动，得到堵转工况。根据叶轮的对称性，取1/4叶轮进行分析，把两径向端面上的节点分别沿径向限制住，对1/4中心圆周面限制位移（图4a）。当泵轮转速达到1 500 r/min时，对其叶片表面加载液体压力，Von Mises应力的最大值是59.14 MPa，出现在泵轮进液口侧（图4b）。59.14 MPa这一数值较小，与材料的屈服强度相比，表明安全系数很高。

（2）涡轮强度计算。在额定工况下，离心力最大;而在堵转工况下，壁面压力最大。为保证设计安全，将两种工况进行组合测试，离心力按照1 500 r/min计算，壁面压力按照堵转工况进行计算。计算时边界处理与泵轮类似（图5a），在叶片表面加载液体压力情况下，应力最大值出现在大叶片靠近内圆弧的最底部（图5b）。计算表明，涡轮也有足够的安全裕量。

2.3  液压供水控制系统研发

开发了一种新的供水控制系统——偶合器自动液位保持开式系统（ALM），其结构设计图如图6所示。

主机内部左泵轮上布置4个离心阀（其中一个常通），当电机转速低于1 280 r/min时，离心阀打开;反之，离心阀关闭。ALM电气控制工作原理如图7所示。

ALM电气控制工作原理具体如下：

（1）系统包括机头控制箱、机尾控制箱、反馈控制箱;

（2）机头控制箱与机尾控制箱均有时间继电器，从127 V进线得电开始计时;

（3）反馈控制箱接头尾三台电磁阀的触点，起动完毕后，如果有一个电磁阀不得电，触动刮板输送机急停;

（4）127 V电源与第一个电机同时得电并开始计时，至最后一个电机起动完毕后，累积时间达到t3。t4时，机尾耦合器得电充液;t5时，机头偶合器得电充液;t6时，若有一个电磁阀未得电，反馈控制箱控制刮板输送机急停动作，刮板输送机停止运行。

新的控制方式减少了电磁阀的动作次数，有利于提高电磁阀的使用寿命。

2.4  离心阀设计

依据阀控充液型液力偶合器的结构特点，设计新型的离心阀。离心阀结构及受力分析如图8所示。

设计原则如下：当泵轮转速小于1 280 r/min时，弹簧的恢复力大于钢球的离心力，离心阀开启;反之，离心阀关闭。

转速由低到高时，若离心阀没有关闭，则钢球受两个力，即离心力和弹簧的反力。的表达式为

（1）

其中，—弹簧的压缩量，;m—钢球质量;—泵轮角速度;—钢球旋转半径。

的表达式为

（2）

其中，k—弹簧刚度。

当时，离心阀关闭，力平衡条件为，即

（3）

从而得到离心阀关闭转速为

（4）

即转速高于时，离心阀将关闭。

在电机停机过程中，若低于某个转速，离心阀也关闭。在离心阀关闭状态下，钢球受到的力有四个，除了和外，还受到液体的离心压力，以及阀座对钢球的支反力的作用。的表达式为

（5）

其中，—水的密度;—钢球半径。

正常情况下，这四个力保持平衡。当电机转速下降时，离心阀开启，支反力为零，且应有，即

（6）

从而得到离心阀开启转速为

（7）

显然，开启转速<关闭转速。根据式（4）和式（7）即可进行离心阀设计。

3  试验研究

在解决了阀控充液型液力偶合器各项研发关键技术后，进行了样机设计制造，CPC1600研发样机外观如图9所示。随后，进行了试验室试验、超载试验和现场工业性试验[9]。本章主要介绍试验室试验和现场工业性试验情况。

3.1  试验室试验

3.1.1  试验系统组成及布置

试验系统主要由拖动加载机械系统、数据采集系统和供水系统等组成。拖动加载机械系统由2.5 MW交流变频电机、输入和输出转矩转速传感器等组成，如图10所示。

供水系统：根据试验室条件配备变频供水系统（图11），工作压力及流量可以根据试验需求进行调整。试验设置供液压力为2 MPa（试验平台压力大于需测试参数），设定液力偶合器供液流量为240 L/min。

數据采集系统：主要采集输入转速、输入转矩、输出转速、输出转矩、液位压力、工作腔温度、充排液阀动作信号等参数。

3.1.2  降速试验方法

由于试验系统能力限制，不能全速试验。根据液力偶合器的相似特性，允许采用降速试验，但不应超过允许的雷诺数。降速试验公式为

（8）

其中，—被试液力偶合器额定功率，1 600 kW;—降速试验功率，656.9 kW;—被试液力偶合器额定转速，1 480 r/min;—降速试验转速，1 100 r/min。

3.1.3  试验内容及结果

（1）额定工况加载测试。试验步骤：空载起动拖动电机，保持拖动电机转速1 480 r/min，液力偶合器充满液体;对液力偶合器加载负荷，直至达到额定功率;保持额定工况[10]，运行8 h。试验表明，液力偶合器运行平稳，无异响。试验加载曲线如图12所示。

（2）外特性试验。考察外特性曲线的形状，结果表明，额定点的滑差为95.39%（1 600 kW），约为95.4%，最大力矩倍数为2.203 56，约为2.2，均满足标准要求。试验曲线如图13所示。

（3）阀块操作灵活性检验。按顺序完成充液、排液、循环等步骤，考察控制阀的可靠性和动作灵活性。经过重复试验，未出现误动作，研发的产品通过型式试验、出厂检验并获得煤矿安全标志。

3.2  井下工业性试验

井下工业性试验在神南产业某煤矿进行。为稳妥起见，机头采用国外产品，机尾采用自行研发的阀控充液型液力偶合器。

3.2.1  工作面地质条件及主要配套设备

工作面地质条件如表1所示，设备配套情况如表2所示。

3.2.2  试验情况

工作面输送机总长312 m，机头2个驱动部，机尾1个驱动部。三台液力偶合器均采用开式运行方式。生产过程中，自行研发的液力偶合器运行可靠，性能稳定，未出现故障。迄今为止，已完成3个月生产。

4  结论与讨论

（1）自行研发的CPC1600阀控充液型液力偶合器额定功率为1600kW，额定滑差为95.39%，外特性满足标准要求，生产能力满足刮板输送机工况要求;

（2）控制阀及液压供水控制系统（ALM）设计灵活，有效地提高了电磁阀的使用寿命;

（3）在煤矿现场开展的工业性试验表明，自行研发的CPC1600阀控充液型液力偶合器运行可靠、性能稳定，可以在煤矿井下推广应用。

基金项目

陕煤化集团 2018年厂矿级项目，项目编号：2018MHKJ-C-33

参考文献

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作者简介：

王明（1987—），通信作者，陕西米脂人，主要从事煤矿机电管理工作。

E-mail： 595579742@qq.com

（收稿日期：2020-09-19）