液体粘性传动技术研究

图 2 HVD 扭矩计算简图 液粘传动装置扭矩传递是通过主被动摩擦盘传递的，简化模型如图 2 所示。在式 1 的基 础上进行积分可以得到液粘离合器扭矩传递能力如下： 2 式中： --流体的动力粘度，Pa·s； h--油膜厚度，m； M--转矩，N·m； n--圆盘油膜数；
1--主动片角速度，rad/s；
图 4 液压控制系统简图 在电液比例转速调节阀出现故障的情况下，为了保证系统仍能正常工作，配置了手动转 速调节阀。手动转速调节阀和电液比例转速调节阀之间通过换向阀进行切换。 2.4 液粘传动摩擦特性分析 液体粘性调速离合器工作时，随着摩擦副之间间隙的变化摩擦副之间的相对运动经历了 不同的物理阶段。根据有膜厚度 与摩擦片表面粗糙度值 比值的不同，该过程的摩擦状态 可分为液体粘性摩擦、混合摩擦和静摩擦三个阶段，即存在所谓的斯特里贝克曲线，如图 5 所示：
图 1 牛顿内摩擦定律
试验测定得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力与液层间的Baidu Nhomakorabea触面积、液层间的速度 梯度 du/dy 成正比，即 (1) 式中 F—相邻液层内摩擦力 —比例常数，称为粘性系数
A— 液层间接触面积 以 表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则 (2) 式（2）为牛顿液体内摩擦定律。由此可见，当液体粘性系数一定时，相邻液体层间内 摩擦力 F 与液层间的接触面积 A、液层间的速度梯度 du/dy 成正比。
图 5 斯特里贝克曲线
(1)液体摩擦当油膜厚度 δ 大于摩擦片粗糙度 ε 时， 摩擦片表面完全被连续的油膜所隔开， 摩擦片间的间隙较大， 这时的液体粘性传动装置工作在液体粘性摩擦区， 扭矩的传递主要靠 油膜剪切力来提供。此时，摩擦片的油槽结构和材料对传递扭矩的影响较小。
(2)混合摩擦当油膜厚度 δ 小于摩擦片粗糙度 ε 时，摩擦片间的间隙很小，摩擦片表面的 微凸体开始接触， 摩擦片表面的油膜被摩擦片表面的微凸体所隔开， 这时的液体粘性传动装 置工作在混合摩擦区， 扭矩的传递一部分靠油膜剪切力来提供， 一部分靠摩擦片表面微凸体 粘着部分的剪切力来提供， 随着油膜厚度的减小传递的扭矩主要由摩擦片表面微凸体粘着部 分的剪切力来提供。此时，摩擦片的油槽结构和材料对传递扭矩的大小有着密切关系。 (3)静摩擦主、被动摩擦片挤压在一起，它们之间没有滑差，相对运动速度为零，靠静摩 擦力来传递扭矩。此时，摩擦片的接触面积和材料对传递扭矩也有关系。
料。我国液粘传动的发展始于上世纪 80 年代末。北京理工大学魏宸官教授是国内最早研究 液体粘性传动技术的， 他领导的科研小组对液体粘性传动闭环反馈控制做了一定的研究， 并 研制出适用于液体粘性传动装置转速控制的电子控制系统。 上海交通大学动力工程系董勋教 授带领的科研小组对液体粘性传动技术的基本理论进行了研究， 在雷诺方程的基础上得到了 液体粘性传动油膜压力分布和径向流量的数值分析计算方法。 山东科技大学也是国内较早的 研制液体粘性传动装置的单位， 建立了应用于带式输送机的液体粘性传动理论体系， 提出了 多种不同特性的摩擦元件的组合方式，提出了根据发热量来确定摩擦片的数量的设计方法。 经过近 20 年的研究和试制，目前我国在液粘调速离合器的机械结构设计、液压控制系统及 摩擦副设计等方面取得了一定的成果， 但由于缺乏对其传动机理的深入研究， 造成我国液粘 调速离合器生产制造水平和控制精度依然非常有限。 目前， 国内生产的液粘调速装置一般在 4000kW 以下，远落后于国外同类产品的技术水平。
2
(3)
--被动片角速度，rad/s；
2
--圆盘油膜外半径，m；
1
--圆盘油膜内半径，m。
由式 3 得出，转矩 M 与摩擦片内外径的 4 次方之差成正比；与摩擦副数 n 成正比，因 而可利用增加摩擦副数量来增加传递转矩的能力， 但是 n 过大， 液体粘性传动装置的轴向尺 寸会增大，同时液体粘性传动装置的最小输出转矩 M 和最小输出转速也会增大；此外， 越大，传递的转矩 M 会越大， 越大的工作油会使润滑油路和控制油路的阻力增大，增加油 泵的功耗和工作油的发热，所以应该选用工作油粘度适宜的液力传动油。
2.2 液粘离合器主机结构及工作原理 液体粘性调速离合器主机由主动部件、被动部件、液压缸、润滑密封部件和支承部件组 成，如图 3 所示。当系统工作时时，动力由主动轴经过花键传至主动摩擦片，通过油膜剪切 作用将动力传至被动摩擦片，然后经花键传至被动轴及连接的负载。
图 3 液粘调速离合 控制油通过主动轴上的进油孔进人主机左腔。当负载需增速时，提高控制油的压力，推 动活塞向右运动，压紧主动摩擦片和被动摩擦片，减小油膜的厚度，从而提高输出转速。当 负载需减速时，降低控制油的压力，在回复弹簧的作用下，活塞向左运动，使主、被动摩擦 片间油膜厚度增大，进而实现输出转速的降低。当负载需要脱离驱动时，切断控制油供给， 使油压降为零， 在回复弹簧的作用下， 主、 被动摩擦片完全脱开， 油膜破裂， 丧失驱动能力。 此外，油液不仅形成油膜传递扭矩，同时还从泄油孔回到油箱，带走系统产生的热量，起到 冷却作用。 2.3 液粘离合器液压控制系统 典型的液粘传动的控制系统由液压泵、溢流阀、换向阀、手动转速调节阀和电液比例转 速调节阀等组成，如图 4 所示。正常工作时，液压控制系统是通过液压固定阻尼与电液比例 转速调节阀的可变阻尼组成 C 型液压半桥，来控制液压缸的左腔压力。根据工作机不同转 速的要求，为液压缸提供所需压力，传递不同的转矩和转速，从而实现工作机的无级调速的 目的。
表 1 常用摩擦副材料特性
所以，在工程应用中对于重载又要求结构相对紧凑的大功率液体粘性传动装置宜采用铜 基摩擦材料，而对于小功率液体粘性传动装置宜采用纸基摩擦材料。此外，液体粘性软起动 装置中由于摩擦片的齿与齿鼓之间摩擦阻力的影响， 造成离活塞距离不等的摩擦片的压紧力 不等， 摩擦转矩差别很大， 如图 7 所示。 因此， 为了提高液体粘性传动装置的可靠性和寿命， 在实际设计中同一台液体粘性传动装置中采用不同摩擦副材料的多种组合形式， 离活塞距离 近的摩擦片使用摩擦系数小的摩擦片，离活塞距离远的摩擦片使用摩擦系数大的摩擦片。
液体粘性传动技术研究
王宝锋 3120120198
0 前言
流体传动主要包括气体传动和液体传动， 液体传动是指以液体作为工作介质来传递动力， 主要的液体传动形式有液压传动、 液力传动及液粘传动。 其中液压传动主要基于帕斯卡定律， 利用液体的压力能来传递动力（如液压缸、液压泵、液压马达） ；液力传动的理论依据是欧 拉方程，主要利用液体动量矩的变化来传递动力（如液力变矩器、液力耦合器） ；而液粘传 动主要基于牛顿内摩擦定律， 以液体的粘性来传递动力。 液体粘性是指液体在外力作用下运 动（或有运动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦力。液体粘 性传动(Hydro-viscous Drive，HVD)也被称为油膜剪切传动，是一种新型流体传动技术，它 利用存在于主被动摩擦片之间的油膜剪切作用来传递动力， 能够长期在打滑情况下工作、 进 行无级调速，并且可以实现主动轴和被动轴之间的同步传动。在实际工程应用中，传统的液 粘传动装置主要包括：发动机冷却系的硅油风扇离合器、电\磁流变液传动和传统的液粘传 动离合器。 其中硅油风扇离合器主要通过改变硅油充油量调节离合器传动的开关和速比； 电 \磁流变液传动主要通过人为地在流体中加入一定量的某种物质（高介电常数的固体微粒或 高磁导率低磁滞性的磁性颗粒） ，形成电流变液或磁流变液，通过改变电场或磁场强度即改 变流体粘度， 进而实现输出转速的无级调速； 而传统的液粘传动装置主要通过改变主被动摩 擦盘之间的缝隙来改变传动的速比。 本文首先对液粘传动技术的国内外研究现状进行了论述，然后分析了液粘传动的机理， 并对目前液粘传动的关键技术进行论述和分析，最后对液粘传动的发展方向进行了总结。
2 液粘传动的机理
2.1 牛顿内摩擦定律及液粘传递扭矩计算 液体在外力作用下运动（或有运动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产 生一种内摩擦力，这种现象称为液体的粘性。粘性使流动液体内部各处的速度不相等，如图 由于液体的粘性， 1 所示， 两平行板间充满液体， 下平板不动， 而上平板以速度 u0 向右平动。 紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和 u0，而中间各层的速度则视它距下平板的距 离按线性规律变化。
图 6 液粘离合器外特性曲线 根据上述液体粘性传动装置的摩擦片结合过程及各摩擦区的模型的分析，得到液粘传动 离合器的外特性曲线如图 6 所示。 可以看出在油压一定的情况下， 传递的扭矩先是随着输出 轴转速的增加成线性减小，然后传递的扭矩随着输出轴转速的增加急剧增加。
3 液粘传动的关键技术
3.1 液粘传动工作油 工作油在液体粘性传动装置中起着传递扭矩、冷却散热和润滑的作用。虽然润滑系统和 控制系统对工作油有不同的要求， 但为了简化液压系统可以选用一种工作油不仅能适合控制 系统，而且能适合润滑系统，因此选用的工作油应具有以下功能： （1）合适的粘度和较高的粘温特性。粘度过大会增加系统的损耗，发热严重，使系统 响应缓慢； 粘度过小在摩擦片之间不易形成油膜， 油膜的承载能力和传递扭矩的能力也会下 降。 工作油的动力粘度在理想的情况是其不随外部条件的变化而变化， 但在实际使用中动力 粘度值由本身的物理和化学性质决定， 并随环境温度和压力等因素的变化而变化。 影响工作 油动力粘度最大的因素是温度，即所谓的粘温特性，粘温特性用粘度指数来衡量：粘度指数
1 国内外研究现状
最早研究液体粘性传动的国家是美国， 美国从二十世纪六十年代末开始研究液体粘性传 动， 经过几十年的发展， 现在已经进入工业化应用而且研制成功了能够精确伺服控制的液体 粘性传动装置。随着科学技术发展，液粘调速装置也有较大发展，目前其功率等级最大可达 20000 马力(约合 14920 kW)，在化工、冶金、电力及石油等多个领域中有着广泛应用。 Philadelphia Gear Corporation 和 Twin Disc 公司是美国最早开始生产液粘调速设备的两家公 司。 日本 Niigata Coveter Corporation 从美国 Twin Disc 公司引进了液粘调速装置的生产技术， 进行了生产、开发和研究。出于商业技术保密原因，国外很少公开发表液粘传动技的相关资
高说明工作油的粘温特性好，则动力粘度值随温度变化小。 （2）良好的润滑性。工作油可以降低摩擦和减小磨损，缩小转速的不稳定区。良好的 润滑油对液体粘性传动装置的性能和摩擦片的寿命都具有重要的意义。 （3）良好的抗氧化。工作油在使用中，尤其是在高温的情况下很容易被氧化变质，这 些氧化物会使工作油的颜色变暗， 对金属产生腐蚀作用并影响传递扭矩的能力， 并生成大量 的沉淀，严重影响液体粘性传动装置的正常使用。 （4）较高的比热容和热导率。比热容大，热导率高，吸收的热量多且快，则冷却的效 果就好。 此外，工作油还应具有良好的防锈能力、抗泡沫能力、闪点应高、凝固点要低、无毒不 污染环境、不易挥发等。目前，工作油一般是由矿物油、动植物油或者采用化学方法制备的 合成油，再在其中加入一定比例的化学添加剂构成。 3.2 液粘传动摩擦副材料 摩擦片分为带有衬面的摩擦片和光摩擦片， 衬面由粘结或烧结在金属芯片上的摩擦材料 制成，它可以提高摩擦片的摩擦系数和耐磨性。结合液粘传统的工作原理和条件，摩擦材料 应具备以下的基本要求： （1）油膜的成型能力高； （2）具有较好的耐热性和导热性以提高摩擦片的抗变形和散 热能力； （3）具有较高的摩擦系数，可以提供较大的传递扭矩，使摩擦副的体积减小； （ 4） 动、 静摩擦系数接近， 在摩擦片结合过程中可以提供平稳、 较小的冲击力， 而且噪音比较低； （5）具有良好的机械强度，以承受高的比压、线速度和扭矩； （6）耐磨损性较好，以提高 摩擦副的寿命； （7）制造工艺性简单，且对环境没有污染，具有较高的性价比。 目前液体粘性传动装置上用的摩擦材料主要有纸基摩擦材料、石墨基摩擦材料、烧结铜 基摩擦材料，其中，纸基摩擦材料是指用造纸的方法生产摩擦擦材料。其主要材料成分包括 树脂、纤维素纤维、多种无机填料和有机摩擦粉等。不同材料的摩擦副其特性对比如表 1 所示。