液体粘性软起动装置的仿真研究与实验分析-simulation and experimental analysis of liquid viscous soft starter.docx

摘要液体粘性软起动装置（以下简称“液粘软起动”）安装在电动机和减速机之间的高速 轴，利用两摩擦片之间流体的粘性传递力矩，适合大功率负载的起动和调速。与变频器、 CST 和液力耦合器相比，液粘软起动具有较高的性能价格比，因而近年来在风机、水泵、 带式输送机调速方面得到一定的推广应用。但由于理论研究和制造水平的限制，液粘软 起动的应用范围和数量要低于液力耦合器，甚至在某些场合应用并不成功。存在的问题 主要表现在机械结构、油压调节、散热和调速等几个方面。本文对液粘软起动装置存在的上述问题进行了深入研究，主要工作内容和研究成果 包括（1）将液粘软起动输入、输出轴的支撑形式由悬臂式改为简支撑式，采用防泄漏技 术重新设计了内部油路，输入轴和齿鼓分体设计，简化了润滑泵驱动，成功研制了新型 结构的液粘软起动装置。现场应用情况表明，新型液粘软起动装置更加可靠，轴承和密 封寿命延长，维护更加方便。（2）研究了润滑油等粘度和变粘度条件下，摩擦片间油膜温度的不同分布。求解了 边界润滑状态时摩擦片表面瞬态和稳态温度的分布。分析了摩擦材料的比热容和热传导 系数与摩擦片表面瞬态和稳态温度的关系。（3）根据摩擦片具有周期性的结构，简化并建立了摩擦片和油膜的 3D 液固耦合物 理模型，大大减少了仿真计算量。利用 CFD 软件—FLUENT 仿真并分析了摩擦片沟槽的 结构和尺寸与流场、稳态和瞬态温度场、传递力矩的关系，为研究具有复杂沟槽形状的 摩擦片的传动机理提供了一种新方法。（4）推导了润滑泵出口压力的公式，为确定润滑泵功率提供了理论依据。（5）深入分析了软起动装置控制泵变频调压的机理和调压特性。结果表明，节流阀 的开口度、油泵泄漏量、滤油器的阻力、单向阀阻力和液粘软起动内部的泄漏会同时影 响变频调压稳态特性曲线的增益和起始频率。（6）针对液粘软起动的不同运行工况，推导了换热器的性能参数与软起动出口油温 的关系式，为液粘软起动装置换热器的选型设计提供了理论指导。（7）建立了液粘软起动的动态数学模型，研究了液粘软起动开环调速稳定性和变频 调压对油膜和转速的影响。结果表明，在开环状态下，软起动装置是有条件稳定的。影响稳定的因素除与本身结构参数有关外，还与负载特性有关。采用变频方式调节控制油 压，可以忽略油压脉动对油膜厚度和输出转速影响。（8）采用专家 PID 控制器，设计了基于非参数模型的转速控制系统，而无需求取 液粘软起动准确的数学模型。（9）润滑泵采用变频驱动可以有效利用带排力矩，实现小负载的调速与可控起动， 这一点在实验台上通过了验证。上述研究工作进一步发展了粘性传动的理论，解决了现场应用中存在的问题，试制 了样机并试验成功。这对液粘软起动装置的产品性能提高和推广应用具有重要的理论意 义和实践指导意义。关键词：粘性传动，摩擦片，专家 PID，变频调压，带排力矩，计算流体动力学， 换热器ABSTRACTHydro viscous soft start device is installed on the high-speed shaft between motor and reductor. It transmits with viscous fluid between two friction discs, appropriate for starting and speed regulating of heavy load. Compared to inverter, CST and hydraulic coupler, hydro viscous soft start device has high cost performance ratio, and in recent years, it is widely used in speed regulating of fan, water pump and belt conveyor. But due to the restriction of theoretical research and manufacture level, the application domain and quantity of hydro viscous soft start device is less than that of hydraulic coupler. Even in some occasion, the application is unsuccessful. The existing problems lie in mechanical structure, pressure regulating, heat exchange and speed regulating.The problems ment