【摘要】：閥控充液型液力偶合器是采煤工作面大功率刮板輸送機(jī)最有效軟啟動(dòng)裝置之一,作為聯(lián)系工作機(jī)和原動(dòng)機(jī)之間的“紐帶”,其采用純水作為工作介質(zhì),適應(yīng)頻繁帶載起動(dòng)并具備過(guò)載保護(hù)和調(diào)速等功能,成為800kW(單驅(qū)動(dòng))以上大功率刮板輸送機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)備的主導(dǎo)機(jī)型。閥控偶合器是復(fù)雜的機(jī)、電、液(液壓、液力)一體化系統(tǒng),設(shè)計(jì)加工難度大,目前國(guó)內(nèi)還沒有此類產(chǎn)品,相關(guān)研究也很少,已成為制約我國(guó)大型刮板輸送機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。 泵輪和渦輪形成的工作腔是偶合器的技術(shù)核心,功率的增大使得偶合器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱問題突出,因此工作腔結(jié)構(gòu)及控制閥組是閥控偶合器的技術(shù)關(guān)鍵。本文以解決大采高綜放工作面后部刮板輸送機(jī)(2×1000kW)軟啟動(dòng)問題為目標(biāo),圍繞閥控偶合器的關(guān)鍵技術(shù),理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,從工作腔流場(chǎng)分析和優(yōu)化、液相分布規(guī)律、工作輪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析以及控制閥組開發(fā)等方面對(duì)閥控偶合器展開了研究。相關(guān)研究工作主要包括以下幾個(gè)方面: 根據(jù)刮板輸送機(jī)阻力計(jì)算模型和后部刮板輸送工作特點(diǎn),指出后部刮板輸送機(jī)受落煤量大幅變化等因素影響,具有負(fù)載波動(dòng)大和起動(dòng)困難等特點(diǎn);進(jìn)一步分析了閥控偶合器的基本特性,確定了閥控偶合器與電動(dòng)機(jī)和刮板輸送機(jī)間參數(shù)匹配關(guān)系。以“長(zhǎng)壁形”特性曲線為目標(biāo),在對(duì)現(xiàn)有偶合器循環(huán)圓特性比較的基礎(chǔ)上,選擇桃形腔為閥控偶合器的原始腔型,作為進(jìn)一步研究分析的基礎(chǔ)。 在對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)基本模型分析比較的基礎(chǔ)上,確定了偶合器多流動(dòng)區(qū)域耦合的三維流場(chǎng)計(jì)算方法。采用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型模擬了標(biāo)準(zhǔn)桃形腔滿充情況下穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),網(wǎng)格劃分采用多邊形網(wǎng)格,并將力矩預(yù)測(cè)結(jié)果與相似模型的試驗(yàn)值比較,驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。CFD預(yù)測(cè)表明標(biāo)準(zhǔn)桃形腔過(guò)載系數(shù)太大,無(wú)法滿足刮板輸送機(jī)需求,進(jìn)一步分析了葉片厚度、葉片形狀和擋圈等因素對(duì)桃形腔流場(chǎng)和力矩特性的影響,力矩預(yù)測(cè)表明“高低相間葉片+擋圈”的結(jié)構(gòu)組合具有相對(duì)較高的效率,滿足限矩性能要求。 運(yùn)用VOF兩相流模型,基于“準(zhǔn)瞬態(tài)”流場(chǎng)分析,對(duì)工作腔部分充液時(shí)氣-液兩相流動(dòng)進(jìn)行了研究,仿真得到的液相分布與相關(guān)文獻(xiàn)中GAMMA射線和平面陣列傳感器檢測(cè)結(jié)果基本一致,顯示出VOF在液相運(yùn)動(dòng)界面追蹤方面較強(qiáng)適用性。對(duì)不同轉(zhuǎn)差和充液量下的液相分布及流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了仿真,并進(jìn)一步比較了不同充液量下的力矩特性,為變充液量調(diào)速提供了理論依據(jù)。 引入單向流體-結(jié)構(gòu)耦合(FSI)方法,將CFD流場(chǎng)仿真結(jié)果和有限元分析(FEA)相結(jié)合,對(duì)雙腔結(jié)構(gòu)中載荷最惡劣部件輸入端泵輪不同工況下受力情況進(jìn)行分析,并基于分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。FSI分析提高了計(jì)算準(zhǔn)確度,得到了常規(guī)有限元計(jì)算中未有的規(guī)律:偶合器葉片所受載荷為交變載荷,易致疲勞破壞。對(duì)泵輪模態(tài)進(jìn)行了分析,研究結(jié)構(gòu)的靜頻和不同載荷作用下的動(dòng)頻,較全面掌握了泵輪的動(dòng)態(tài)特性。 按照半開式回路設(shè)計(jì)了電磁控制閥組,指出低壓大流量是閥控偶合器控制閥組的基本特性,且要求具有一定耐阻塞能力。建立了先導(dǎo)式電磁閥串聯(lián)液阻理論模型,基于該模型得到主閥芯開啟必須滿足的壓力和結(jié)構(gòu)條件。液阻是先導(dǎo)式電磁閥的敏感參數(shù),為此搭建了純水液壓試驗(yàn)臺(tái)模擬節(jié)流孔和先導(dǎo)閥間壓力分配關(guān)系,對(duì)不同直徑和長(zhǎng)度節(jié)流孔壓力-流量特性的試驗(yàn)研究表明:對(duì)于水介質(zhì)而言,小孔對(duì)長(zhǎng)度和工作液粘度不敏感,因此可選擇粗短孔、并盡可能選擇大通徑先導(dǎo)閥以提高抗阻塞能力。主閥口采用平面和錐閥兩級(jí)節(jié)流,通過(guò)AMESim仿真軟件對(duì)彈簧、節(jié)流孔等參數(shù)對(duì)閥的動(dòng)、靜態(tài)特性的影響進(jìn)行了分析,確定了電磁閥組的優(yōu)化參數(shù)組合。 研制出電磁閥組和閥控偶合器樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。搭建了簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)電磁閥組的開啟壓力、穩(wěn)定工作壓降、響應(yīng)性以及循環(huán)口的壓力波動(dòng)等進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)表明所研制的電磁閥組滿足低壓大流量特性,且具有較快的響應(yīng)速度;對(duì)閥控偶合器進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn),獲得了滿充下力矩特性,與仿真值較為一致,所研制閥控偶合器的原始特性曲線基本符合“長(zhǎng)壁形”曲線特征。試驗(yàn)結(jié)果與和仿真值間的高度吻合,為閥控偶合器的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提供了重要理論支撐。 本為最后總結(jié)了閥控偶合器的分析設(shè)計(jì)過(guò)程,以腔型、結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、控制閥組等關(guān)鍵技術(shù)為主線,CFD,FSI,AMESim系統(tǒng)仿真等現(xiàn)代分析工具為輔助手段,開發(fā)出了閥控偶合器產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)大功率刮板輸送機(jī)的軟啟動(dòng)功能并保障其可靠運(yùn)行;初步建立了閥控偶合器的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論,為提升閥控偶合器品質(zhì)、縮短其開發(fā)周期和降低研制成本提供了有效參考。 該論文有圖122幅,表16個(gè),參考文獻(xiàn)160篇。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TH137.331
【圖文】：

1-采煤機(jī)；2-前部刮板輸送機(jī)；3-放頂煤液壓支架；4-后部刮板輸送機(jī)圖 1-1 放頂煤工作面Figure 1-1 Top coal caving mining face刮板輸送機(jī)發(fā)展方向?yàn)槌筮\(yùn)量、超長(zhǎng)運(yùn)距、超大功率、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命與高可靠性。國(guó)際上刮板輸送機(jī)產(chǎn)品以美國(guó) JOY 公司和德國(guó) DBT 公司為代表，DBT 公司刮板輸送機(jī)應(yīng)用的最長(zhǎng)工作面達(dá) 500m[7]；JOY 公司開發(fā)的刮板輸送機(jī)功率最大已達(dá)2×1600kW[ 8 ]；我國(guó)刮板輸送機(jī)研發(fā)制造水平和國(guó)外尚有一定差距。課題（2008BAB36B04）開發(fā)的后部輸送機(jī)裝機(jī)功率 2×1000kW，輸送能力 3000t/h，工作面長(zhǎng)度 300m，過(guò)煤量 2000 萬(wàn) t。如此大的功率配置及運(yùn)載量，要求電動(dòng)機(jī)與刮機(jī)之間的傳動(dòng)裝置必須能適應(yīng)后部刮板輸送機(jī)的工作特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)和刮板輸送機(jī)的起動(dòng)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免電機(jī)燒毀、鏈條斷裂等事故發(fā)生，保障刮板輸送機(jī)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，提高整機(jī)壽命。刮板輸送機(jī)的軟啟動(dòng)[9,10]，是相對(duì)于電動(dòng)機(jī)和減速器間無(wú)特殊連接裝置的剛性起動(dòng)而言，使電動(dòng)機(jī)可在刮板機(jī)滿載條件下空載起動(dòng)，并在一定時(shí)間內(nèi)，控制各電機(jī)的啟動(dòng)順序或起動(dòng)力矩，確保刮板輸送機(jī)按要求平穩(wěn)啟動(dòng)，達(dá)到額定的運(yùn)行速度，避免對(duì)鏈條的強(qiáng)烈沖擊和電機(jī)過(guò)大電流，并能夠提供有效的過(guò)載保護(hù)。

博士學(xué)位論文。泵輪（B）和渦輪（T）是偶合器的最基本組件性連接，二者留有一定的軸向間隙。泵輪和渦輪環(huán)流動(dòng)，柔性的將泵輪和渦輪連接起來(lái)。與泵 nB轉(zhuǎn)動(dòng)，位于泵輪內(nèi)的工作液體在離心力作轉(zhuǎn)化成液體的動(dòng)能和壓力能；由泵輪排出的液做向心流動(dòng)，液體的能量轉(zhuǎn)換成與渦輪連接的動(dòng)，在渦輪的底部速度改向流入泵輪進(jìn)行下一轉(zhuǎn)速要始終高于渦輪轉(zhuǎn)速，即泵輪和渦輪之間出口入口入口2011年 第08期 工程科技Ⅱ輯

【引證文獻(xiàn)】

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2 盧秀泉;調(diào)速型液力偶合器流固耦合與振動(dòng)特性研究[D];吉林大學(xué);2012年

3 范麗丹;調(diào)速型液力偶合器熱流耦合與換熱系統(tǒng)研究[D];吉林大學(xué);2013年

4 王振;大功率齒輪調(diào)速裝置關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D];機(jī)械科學(xué)研究總院;2013年

本文編號(hào)：2722063