液力变矩器在大功率设备无极调速上的创新应用

液力变矩器在大功率设备无极调速上的创新应用

邵世宽张国强郑庆宇王彦彦崔建卫尹士海

（北方工程设计研究院有限公司石家庄050011）

摘要：液力变矩器通常安装在发动机与变速器之间，用来平稳的传递转矩，避免机械设备间的冲击和振动，广泛的应用在车辆的起步、换挡等情况，但是在大功率设备如泵或者风机调速方面的应用却基本是空白。本文从液力变矩器的工作原理出发，着重根据功率分配理论探讨液力变矩器在大功率调速方面的可能性应用，建立相关调速单元的数学模型，并给出实现其功能结构的初步设计方案。

关键词：液力变矩器，行星轮系，无极调速，大功率

1引言

大功率设备特别是泵类或者风机等依靠电机驱动其相关部件旋转来工作时，往往根据特定情况不需要按照额定转速旋转，这时候如果不做出速度的调整将会极大的浪费资源，与当今工业节能减排的宗旨严重背离，所以如何可靠经济的对此种设备进行优化改造成了当今电厂设备的发展方向。

传统的机械无级调速装置多是由液力装置与机械部件组合，如液粘调速离合器与差动行星轮系组合或者直接用液力耦合器来进行输出转速的调整。这就涉及到很多不可避免的问题，如液粘调速随负载变化输出速度变化并不稳定，运行中携带污染使得液粘调速器堵塞无法正常工作，传统油冷装置寿命短。其它调速方式也或多或少的存在调速死点，无法实现1：1的调速范围，效率不高等。

液力变矩器的特点是：能消除冲击和振动；过载保护性能和起动性能好；输出轴的转速可大于或小于输入轴的转速；两轴的转速差随传递扭矩的大小而不同；有良好的自动变速性能；载荷增大时输出转速自动下降，反之自动上升，保证动力机有稳定的工作区，载荷的瞬态变化基本不会反映到动力机上[1]。

液力变矩器综合差动行星轮系的无级调速方式是一种新型的机械无级调速形式，液力变矩器技术稳定，应用广泛，但是在调速功能下多用于车辆的有级或者无级变速，启动和换挡等辅助功能上，应用在泵或风机等大功率设备上还是一个空白。液力变矩器最重要的优点在于能保持转速变化和扭矩变化中的平稳性，在于对震荡的阻尼以及扭矩峰值的降低。实际应用中，与机械装置如差动行星轮系连接能很好的发挥其优点[1]。并能部分改善上述其它调速方式的缺点。综合液力变矩器调速，传动力矩大，传动效率高，传动比范围大，结构简单，调整快，变速快。该调速方式应用于大功率设备，具有很高的实用价值，将会是一种新兴的研究热点。

2工作原理

NGW型差动轮系，包括太阳轮，齿圈，行星架为，行星轮。此差动调速单元由三个构件组成（行星架固连在行星轮上，二者算一个构件），且都为自由构件，根据差动行星轮系的动作原理[2～3]，当控制其中两个构件的运动形式后，第三个构件就会按一定规律动作，因此该调速单元具有功率汇流特性，即符合分功率原理[4]。可以实现速度的调节合成。

系统工作的原理图，将动力源提供的功率分为两部分，其中一部分功率主要用来传递动力，动力通过恒速轴稳定的传递到差动调速单元的齿圈上，提供稳定的转速；另一部分功率流经液力变矩器，通过调速轴输出到行星架上，主要是进行速度调节，最终两部分功率汇流于差动轮系的太阳轮共同输出，实现调速功能。当液力变矩器不工作时（安装制动器对其进行控制），输出转速恒定且为最小值；当液力变矩器工作时，由于此时输出转速轴是恒速、调速轴单独工作时输出转速的叠加，因而通过连续改变液力变矩器的输出转速，可以使输出转速在一定范围内连续调节，达到无级调速的要求。

以上是调速单元的重要数学模型基础，了解和掌握了相关理论对调速单元的设计和系统整体的设计都起到依据和指导的作用。

4装置结构设计

因为行星轮系调速单元有三个自由构件，当限制其中任意两个构件的运动后，第三个构件就有了固定的运动状态，这样系统就有三种输入输出形式。通过理论研究发现三者之间并无实质性差别，我们仅以其中一例作为研究对象给出系统整体的装配方案。

电机提供恒定的转速到行星调速单元的齿圈，外齿圈由特制的齿轮与其外齿啮合带动内齿圈恒速转动。液力调速部分选用调速型液力变矩器，调速型液力变矩器一般需增加一个自动控制系统来控制其内部油液流向和体积，目前应用较少，可参考液粘调速离合器控制原理进行设计。液力变矩器的输入转速可直接由主电机提供，也可由额外的辅电机提供，可根据客户要求选择，一般默认为由主电机通过带传动传递给调速型液力变矩器以提高经济性。液力变矩器与调速单元的行星架连接处设置制动器，根据实际情况可控制制动器的开/关。两路转速输入到调速单元中，由太阳轮作为输出提供给负载进行变速转动。

通过增加调速单元可将结构设计为同轴以减少空间占用，这里不再一一列举。

5结论

根据对差动行星调速单元动作的理论研究和功率分配原理的探讨，综合液力变矩器的工作方式，得到以下结论：

（1）行星轮系调速单元作为常用的机械变速结构与液力调速装置如液力变矩器或者液粘调速离合器配合无极调速经过论证是可行的，能够作为大功率设备的无极调速应用。

（2）液力变矩器用作大功率设备如泵或者风机的调速具有特别的优势，其稳定性和大幅调速范围是其他方式无法比拟的。

（3）行星轮系调速单元与液力变矩器的组合调速仍遵循差动行星轮系的动作原理，具体设计可参考相关机械设计手册的相关内容。

参考文献

[1]商高高，何仁，发动机与液力变矩器共同工作特性的分析．江苏理工大学学报，2000,21(6):71-82

[2]杨实如，段钦华.NGW型差动变速机构的特点与设计[J].机械设计与研究，2003,(6):29～30

[3]王知行，邓宗全.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2005

[4]GeorgWahl,50MWpowertransmissionforvariablespeedwithvariableplanetarygear，manualforvariablespeeddrivesVoithTurboGmbH&Co.KG,D-74555Crailsheim,Germany