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1、前言
    閥控充液型液力偶合器是采煤工作面大功率刮板輸送機最有效的軟啟動裝置之一，作為聯(lián)系工作機和原動機的“紐帶”，其采用純水為工作介質(zhì)，適應(yīng)頻繁帶載起動，并具備過載保護和調(diào)速等功能，成為800 kW（單驅(qū)動）以上大功率刮板輸送機軟啟動設(shè)備的主導機型。每年僅用于大功率刮板輸送機上的閥控偶合器就價值數(shù)億元，全部依賴于進口。閥控偶合器是復雜的機、電、液（液壓、液力）一體化系統(tǒng)，設(shè)計加工難度大，目前國內(nèi)還沒有此類產(chǎn)品，相關(guān)研究也很少，成為嚴重制約國內(nèi)刮板輸送機生產(chǎn)廠家技術(shù)和效益的瓶頸。
    綜放開采技術(shù)是一種適合于直接頂易冒落、中硬煤質(zhì)以下的厚及特厚煤層開采的投資低、產(chǎn)量高、效益好、安全有保障的采煤方法。大采高綜放工作面年生產(chǎn)能力均在1000萬t以上，該目標的實現(xiàn)首先依賴于工作面裝備，其中后部刮板輸送機的性能對于實現(xiàn)高產(chǎn)、高效具有重要意義。而軟啟動裝置是大功率刮板輸送機必備的部件，因此其研發(fā)即成為大功率后部刮板輸送機開發(fā)過程中面臨的首要問題。
    文章以解決大采高綜放工作面后部刮板輸送機(2 xl 000 kW)軟啟動問題為目標，圍繞閥控偶合器的關(guān)鍵技術(shù)，理論分析和試驗研究相結(jié)合，從工作腔流場分析和優(yōu)化、工作輪結(jié)構(gòu)力學特性分析、控制閥組開發(fā)、關(guān)鍵制造工藝等方面對閥控偶合器展開了研究。所開發(fā)的閥控偶合器指標為：a．額定傳遞功率：1000 kW．b．電機（泵輪）轉(zhuǎn)速：1 491 r/min；c．工作介質(zhì)：清水；d．供水壓力：0.4—1.5 MPa。
2、負載特性分析及性能需求
2.1負載特性分析
    閥控偶合器安裝在電動機與減速器之間，通過工作液體將泵輪和渦輪“柔性”聯(lián)接起來，實現(xiàn)扭矩的傳遞，對于長運距、大功率刮板輸送機的正常起動和平穩(wěn)運行起著至關(guān)重要的作用。因此，要求閥控偶合器必須能滿足后部刮板輸送機負載特性需求，各項參數(shù)要與原動機和工作機相匹配。
    后部刮板輸送機用于中厚煤層綜采放頂煤工作面后部運煤任務(wù)，與前部工作面輸送機、采煤機和放頂煤掩護支架以及順槽布置的轉(zhuǎn)載機、破碎機、膠帶輸送機配合，進行采煤、放煤、破碎和運輸?shù)染C合初械化作業(yè)，實現(xiàn)放頂煤工作面綜合機械化采煤。刮板輸送機運行過程中，除了工作面不平產(chǎn)生的傾斜甚至起伏，還有支架移動帶來的水平彎曲，受力十分復雜，需克服以下阻力：a．物料及刮板鏈在中部槽上的移動阻力；b．刮板鏈在無載側(cè)上的移動阻力；c．刮板鏈繞過機頭和機尾鏈輪時的彎曲阻力；d．輸送機在工作面內(nèi)彎曲時的附加阻力；e．傳動裝置陽力；f．對于傾斜運輸工況，還應(yīng)考慮物料及刮板鏈的重力分量。
    影響鏈條阻力的主要因素有兩個：運載量及當量摩擦系數(shù)。后部刮板輸送機受料為放頂煤支架的落煤，可控性差，較前部輸送機更易受到煤量變化影響，落煤量和頂煤的冒放性能及放出與控制工藝有關(guān)，在空載、滿載甚至超載間變化，且經(jīng)常有機頭、機尾附近載荷不一致的情況。
    當量摩擦系數(shù)在起動（尤其是滿載起動）過程中需克服大的慣性和較大靜摩擦力，其取值較大；正常運行過程中阻力相對較小。下鏈阻力系數(shù)主要是刮板鏈和底板間的摩擦，但在運行過程中底板和中板間會出現(xiàn)堆煤現(xiàn)象，使得輸送機下鏈當量阻力系數(shù)增大（當堆煤過多時中部槽側(cè)邊受到煤的擠壓，產(chǎn)生附加摩擦力）。
    對于長運距大功率刮板輸送機，考慮到鏈條的動態(tài)特性，載荷特性將更為復雜。所以，如何適應(yīng)后部刮板輸送機的惡劣工況，實現(xiàn)頻繁、平穩(wěn)起動和可靠運行是大功率后部刮板輸送機面臨的關(guān)鍵問題，也是研制閥控偶合器的意義所在。
2.2參數(shù)匹配
    所開發(fā)閥控偶合器擬應(yīng)用于SG21200/2 x1000型后部刮板輸送機，根據(jù)功率配置，機頭和機尾驅(qū)動功率均為1000 kW。偶合器需與電動機特性相匹配，充分利用電動機最大輸出功率的同時對其有效保護，減緩對鏈條的沖擊。選用的電機工作電壓為3 300 V，過載系數(shù)接近3.8，是專為刮板輸送機開發(fā)的礦用防爆電機。
2. 2.1額定工況點
    額定工況點是偶合器最長時間工作點，因此在兼顧各種因素條件下，應(yīng)使偶合器具有較高工作效率。泵輪力矩系數(shù)與渦輪和泵輪的轉(zhuǎn)速比i有關(guān)，轉(zhuǎn)速比小時效率低，泵輪力矩系數(shù)大；反之，轉(zhuǎn)速比大時效率高，泵輪力矩系數(shù)小。所以，選型時應(yīng)綜合考慮，在滿足力矩系數(shù)前提下，力求有較高效率。
    額定轉(zhuǎn)速比的選取，各國并無一致標準，從i=0. 94到=0.97不等，選擇原則是保證偶合器有較高效率，不會因滑差產(chǎn)生的熱量造成溫升過高，影響正常使用。大型偶合器若轉(zhuǎn)速比低，功率損失大，且會造成經(jīng)常性過熱停機現(xiàn)象，因此要有較高的額定工況點，然而要提高額定工況點，一般需增大有效直徑，造成偶合器體積增大和限矩難度的增大。閥控偶合器采用外部循環(huán)冷卻機制，正常工作狀態(tài)基本不受熱容量限制，因此，綜合考慮，閥控偶合器效率仍定在i=0. 94—0.97。
2. 2.2限矩性能
    大型刮板輸送機選用閥控偶合器，最主要仍是為解決起動困難和過載保護問題，因此首先要滿足限矩性能要求。 
    由刮板輸送機阻力特性分析可知，起動工況由于要克服慣量和大的摩擦，載荷較大，正常運行后載荷減�。▓D1中ML），所以偶合器滿足限矩性能的同時應(yīng)充分利用異步電動機的峰值扭矩啟動負載，并保證電動機的穩(wěn)定運行。須使偶合器/=0時泵輪輸入特性交于電機峰值力矩右側(cè)穩(wěn)定工況區(qū)間，如圖1中MB(i=0)，這樣即使工作機被卡，電機仍能穩(wěn)定運行，不至于像曲線l對應(yīng)的泵輪輸入特性造成電機的失速停車。
2.2.3運行品質(zhì)
    偶合器輸出特性曲線的波動比應(yīng)較�。划斬撦d變化較大時，仍希望能在高效區(qū)間運行且轉(zhuǎn)速波動不要過大，即在小滑差下有較硬的特性曲線；為充分利用電動機最大力矩，偶合器輸出特性曲線在低速段（大滑差）應(yīng)盡可能平直，在高速段（小滑差）應(yīng)陡峭。圖1中l(wèi)一3輸出特性曲線中，2為最符合以上品質(zhì)的曲線，這種特性曲線被稱為“長壁形”特性曲線。
2. 2.4啟動調(diào)速性能
    軟啟動調(diào)速性能主要通過控制進、排液閥的啟閉，調(diào)節(jié)偶合器腔體內(nèi)充液量實現(xiàn)。啟動和調(diào)速狀況均對控制閥組的流量和響應(yīng)特性有著較高要求。
3、閥控偶合器及其關(guān)鍵技術(shù)
3.1閥控偶合器結(jié)構(gòu)原理
    閥控偶合器主要由三部分構(gòu)成：液力單元、支撐單元和液控單元，如圖2所示。
    液力單元由泵輪、渦輪及連接附件等組成，作為動力轉(zhuǎn)換和傳遞裝置，實現(xiàn)泵輪機械能一液體動能一渦輪機械能的轉(zhuǎn)換，是閥控偶合器的核心；背靠背安裝的雙腔結(jié)構(gòu)，能夠成倍提高偶合器能容、減小工作輪直徑并平衡大部分軸向力。
    支撐單元是液力單元的承載部件，原動機的動力輸入、輸出，液力單元的支撐定位均由其決定，其穩(wěn)定性是整個系統(tǒng)運行的基本保障。
    閥控偶合器液控單元采用半開式工作回路，控制閥組需實現(xiàn)3個基本功能：充液、循環(huán)和排液。如圖3所示，工作液經(jīng)過充液閥達到偶合器人口，完成充液過程；從偶合器出口排出的高溫液體，經(jīng)冷卻器冷卻后，從循環(huán)閥返回偶合器中；從冷卻器流出的液體，若不經(jīng)過循環(huán)閥，則直接從排液閥排出系統(tǒng)。排液閥和循環(huán)閥工作于聯(lián)動模式，即一個打開時，另一個關(guān)閉�？刂崎y組中3個閥均為開關(guān)閥，閥間的不同工作狀態(tài)組合對應(yīng)著偶合器的不同工作模式。
    半開式回路在正常工作過程中，工作介質(zhì)經(jīng)冷卻器和循環(huán)閥實現(xiàn)冷卻和重復利用，可節(jié)省大量的水資源，避免工作面的大量積水；超溫則由排液閥直接泄液，同時由充液閥補充冷水，以降低對冷卻器的冷卻能力需求，實現(xiàn)經(jīng)濟合理匹配。大流量閥組作為工作介質(zhì)調(diào)節(jié)元件，外部強制循環(huán)冷卻，可平抑工作過程產(chǎn)生的大量的熱，故適應(yīng)功率更大，并可提供更好的調(diào)控性能。
    根據(jù)刮板輸送機特點，制定閥控偶合器的控制策略并開發(fā)相應(yīng)裝置，刮板輸送機用閥控偶合器可實現(xiàn)如下功能：
    1)電機可以在無負載狀態(tài)下啟動，利用其峰值扭矩啟動設(shè)備，減小電機型號；
    2)通過調(diào)整偶合器充液時間實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的順序啟動；
    3)載荷過大時實現(xiàn)限矩保護，防止電機在達到峰值扭矩時失速停車；
    4)鏈條可快速平穩(wěn)地從零建立扭矩（充液過程），實現(xiàn)軟啟動功能；
    5)可運行在鏈條張緊和慢速運行之類的特殊工作模式；
    6)采用環(huán)境友好型水介質(zhì)，可循環(huán)利用，防爆性能好。
3.2關(guān)鍵技術(shù)
    對應(yīng)結(jié)構(gòu)組成，閥控偶合器的技術(shù)關(guān)鍵包括以下幾個部分：
    1)泵輪和渦輪形成的工作腔。內(nèi)部流動決定了外部特性，因此腔型的設(shè)計從根本上決定了偶合器性能的優(yōu)劣；放頂煤支架下狹小空間更是對工作輪體積提出了限制；
    2)大流量電磁換向閥組。電磁閥組的通流能力及響應(yīng)特性直接影響閥控偶合器調(diào)控性能，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和水溫平抑起到重要作用；
  3)關(guān)鍵元件制造工藝技術(shù)。
4、腔型設(shè)計
4.1研究內(nèi)容和方法
    閥控偶合器由于結(jié)構(gòu)空間限制，本身不舍輔助腔，需要流道自身具有良好的限矩性能，“長壁形”原始特性曲線是腔型設(shè)計的目標，而滿充工況下流場特性是腔型設(shè)計和優(yōu)化的依據(jù)。
    傳統(tǒng)設(shè)計方法是建立在大量的試驗基礎(chǔ)之上，通過對不同腔型反復試驗，直至達到性能需求，成本高、周期長。目前，CFD技術(shù)在液力元件流場分析應(yīng)用方面也得到了快速發(fā)展，與單純的理論分析和試驗測試相比，CFD能夠再現(xiàn)流動情景，獲得更為完整的流場分布，具有明顯的時間和成本優(yōu)勢。
    液力偶合器的特性主要由葉輪工作腔（也稱流道或循環(huán)圓）決定，因此工作腔是偶合器設(shè)計的關(guān)鍵。設(shè)計偶合器時，通常先找到一個合適的原始腔型，然后按照相似原理放大或縮小，最后通過試驗來驗證。積累的諸多腔型及其特性原始資料“數(shù)據(jù)庫”，可作為新設(shè)計的參考，以提高設(shè)計效率，這些原始資料同樣是偶合器現(xiàn)代設(shè)計方法的重要參考，可作為CFD研究的初始腔型。
    圖4為幾種流道的扭矩系數(shù)r隨轉(zhuǎn)速比i的變化關(guān)系，可較明顯地表示出腔型幾何形狀對偶合器扭矩特性的影響，尤其是液流轉(zhuǎn)向損失對限矩性能的影響。
    閥控偶合器是在限矩型偶合器基礎(chǔ)上，增加了調(diào)速功能，因此兼有限矩型偶合器和調(diào)速型偶合器的雙重特點。在腔型選擇或設(shè)計上，需遵循的原則為：泵輪力矩系數(shù)值要高，限矩性能好，內(nèi)徑大（為連接軸提供足夠空間，保證其強度），原始特性曲線平緩。因此，文章選擇了桃形腔流道作為基型。
    構(gòu)成偶合器工作腔的基本要素除循環(huán)圓形狀外，還包括有效直徑、葉片數(shù)目（泵輪和渦輪）等，對于特殊要求的偶合器還需要輔助腔等附加結(jié)構(gòu)。確定有效直徑后，循環(huán)圓其他參數(shù)根據(jù)其與有效直徑間的關(guān)系明確，這里參照功率圖譜等，選擇562系列，泵輪葉片數(shù)48、渦輪葉片數(shù)45，確定基本腔型。根據(jù)周期對稱性，建立了流道的計算模型，如圖5所示，主要有周期性邊界條件、壁面邊界條件和交互面。葉片的兩個表面，直接受液體沖擊的面稱為壓力面（工作面），背面稱為吸力面（非工作面）。
    文章基于CFD仿真技術(shù)，以標準桃形腔為基型，研究流場分布和力矩傳遞規(guī)律。將標準桃形腔力矩系數(shù)與文獻中試驗結(jié)果進行比較，檢驗CFD模型正確性，進一步對不同腔型結(jié)構(gòu)（葉片形狀和厚度、擋圈等）進行仿真，尋求滿足限矩性能及整體特性要求的腔型。
4.2結(jié)果和討論
4. 2,1  標準桃形腔
    葉片的扭矩差值求和并乘以3倍系數(shù)，得到單工作腔體傳遞扭矩，進一步可計算出力矩系數(shù)。
    表1分別列出了仿真值及文獻‘51對標準桃形腔偶合器進行的試驗值。文獻中試驗偶合器采用透平油作為工作介質(zhì)，泵輪轉(zhuǎn)速1 200 r/min，有效直徑400 mm，和仿真參數(shù)略有不同。由于試驗偶合器和本研究的偶合器腔型均為標準桃形腔，根據(jù)相似理論，兩者原始特性應(yīng)基本一致。通過結(jié)果的比較可以看出，仿真值較試驗值偏大，最大誤差8.41%，發(fā)生在渦輪零速狀態(tài)；最小誤差2.43%，發(fā)生在i=0.8的中高速段；其余誤差在5%上下，基本反映出力矩特性隨轉(zhuǎn)速的變化。水的黏度遠小于液壓油，同時偶合器實際工作過程中不能達到完全的充滿狀態(tài)，故仿真值略高，力矩對比表明了所采用CFD仿真方法的正確性。
    渦輪零速工況為扭矩最大點，相對i=0. 97時的過載系數(shù)%．9分別為6.79（仿）和6.47（試），遠高于電動機過載系數(shù)，即使將效率降為i=0. 95，過載系數(shù)T仍達到4.47，大于電動機的最大輸出力矩和額定力矩之比3.8，起不到限矩作用，需要改進。
4.2.2改變?nèi)~片形狀
    將渦輪分別采用低葉片結(jié)構(gòu)和高低相間葉片結(jié)構(gòu)，重新進行流場分析和力矩預測，結(jié)果如表2所示。可以看出，采用低葉片可在一定程度上降低最大扭矩，不過低葉片結(jié)構(gòu)對高速段力矩削弱更多，大大降低了偶合器效率。高低葉片相間結(jié)構(gòu)使得高速段扭矩有所降低，而中速段力矩值有所上升，其原因在于改善了內(nèi)部流動，使得大滑差下?lián)p失減小，提高了低速段工作效率；在高速段運行比較平穩(wěn)，對流動改善不顯著，葉片高度的減小使有效作用面積減小，故力矩反而有所下降。
4.2.3帶擋圈結(jié)構(gòu)
    低葉片結(jié)構(gòu)或高低相間葉片結(jié)構(gòu)，仍無法滿足限矩性能要求。選擇高度5 mm和10 mm兩種擋圈，對力矩特性進行預測，不同葉片結(jié)構(gòu)與不同擋圈高度組合的力矩值如表3所示。
    表3中，擋圈高度為5 mm時，除制動狀態(tài)外，高低相間葉片在各I作點均具有比標準型高的力矩系數(shù)。制動狀態(tài)轉(zhuǎn)矩偏小，高速狀態(tài)偏高，更能保證較低的過載系數(shù)，故“高低相間葉片+擋圈”結(jié)構(gòu)為優(yōu)選腔型。
    由表3還可看出，擋圈是提高限矩性能的敏感參數(shù)，若電機功率降低或?qū)ο蘧匦杂懈�高要求時，可通過加大擋圈高度實現(xiàn)降低其最大輸出扭矩目的。因此，擋圈也可稱作限矩環(huán)。
    對于雙腔結(jié)構(gòu)，認為兩個工作腔特性完全相同，高低相間葉片結(jié)構(gòu)加5 mm高度擋圈，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩在/=0時為22 590 N．m；i=0.97時為3 924 N．m；i=0. 95時為5 958 N．m。最大轉(zhuǎn)矩略小于電動機最大輸出力矩24 000 N．m，可在過載情況下保護電動機的同時充分利用最大起動力矩，滿足限矩性能要求。
5、工作輪應(yīng)力分析
5.1結(jié)構(gòu)和載荷特點
    鑒于井下狹小空間，高能容成為刮板輸送機用偶合器發(fā)展方向之一，即在結(jié)構(gòu)體積一定條件下盡可能實現(xiàn)傳遞功率的最大化，該特點對工作輪的結(jié)構(gòu)力學特性提出了較高的要求。
    偶合器工作液和葉輪間存在著流體一結(jié)構(gòu)耦合作用，屬多場耦合的非線性動力學問題，迄今尚無有效手段來真實模擬流體和結(jié)構(gòu)間相互作用的內(nèi)在機理；流體和工作輪的耦合面為復雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，閥控偶合器的雙腔結(jié)構(gòu)更是給強度分析和動力學有限元分析帶來了難度。
閥控偶合器采用雙腔結(jié)構(gòu)，可在提高功率傳遞能力同時減小占用空間，并保證軸向力整體基本平衡。工作輪安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示，當擋圈高度為零時，偶合器傳遞扭矩能力最大。泵輪在工作時，轉(zhuǎn)速始終高于渦輪，而且渦輪內(nèi)外側(cè)所受工作液體對渦輪壁面壓力可基本抵消，所受載荷小于泵輪。泵輪2和輸入軸直接相連，除傳遞給對面渦輪力矩外，還要承受來自泵輪8的轉(zhuǎn)矩和軸向力，即承擔全部載荷，是受力狀況最惡劣的部件。因此，在材質(zhì)及結(jié)構(gòu)尺寸基本相同條件下，只對輸入端泵輪2進行強度分析。
    泵輪2所受主要載荷可以簡化為兩部分，液體作用力和相連泵輪的作用力（軸向力和扭矩）。
5.2 FSI方法
    對于液體的作用，可直接用FSI（液固耦合）分析方法。FSI分析屬于多物理場耦合問題研究之一，需考慮兩個不同物理場間的相互作用，具體講就是對于結(jié)構(gòu)或熱應(yīng)力分析，應(yīng)考慮相應(yīng)流體的作用（CFD分析結(jié)果）。結(jié)構(gòu)和流場間的耦合作用一般發(fā)生在模型邊界上，該邊界稱為流固交互面，其中一個分析結(jié)果將作為載荷傳遞到另一個模型上。根據(jù)載荷的傳遞路徑不同，F(xiàn)SI可分為單向流固耦合(one-way FSI)和雙向流固耦合（two-way FSI）。前者將交互面上CFD分析結(jié)果（力、溫度或?qū)α鳎┳鳛檩d荷應(yīng)用到FEA（有限元分析）模型中，F(xiàn)EA邊界位移不再反饋到CFD中，適用于變形后網(wǎng)格位移較小、變形結(jié)果對流場分析沒有太大影響的情況；后者除了將CFD分析結(jié)果作為載荷傳遞到FEA分析中，相應(yīng)的FEA結(jié)果也將作為邊界條件反饋到CFD模型。
    目前，F(xiàn)luent和ANSYS間還僅能實現(xiàn)單向FSI，無法實現(xiàn)雙向FSI。對于偶合器，由于設(shè)計中考慮強度等需要工作輪一般具有足夠的剛度，微小的變形對流場影響較小，單向FSI可基本滿足工程應(yīng)用需要，同時采用單向FSI可簡化分析流程，提高分析效率。
    圖6中輸出端泵輪8的載荷與泵輪2完全相同，相應(yīng)的扭矩和軸向力也根據(jù)仿真模型進行求取。因此，雙腔結(jié)構(gòu)的全部載荷均可通過CFD計算結(jié)果得到，實現(xiàn)載荷較為精確的施加，分析流程如圖7所示。
5.3分析結(jié)果
    為降低網(wǎng)格數(shù)量，根據(jù)結(jié)構(gòu)周期對稱性，取泵輪1/16模型進行分析（從載荷對稱性考慮應(yīng)取1/3模型，考慮計算規(guī)模過大而取近似狀況）。泵輪材料選擇錫青銅。如圖8所示，在制動工況下，閥控偶合器達到其極限傳遞能力時，局部點應(yīng)力超出材料的屈服強度為130 MPa，另外還存在以下問題：a．葉片根部平直段向圓弧段過渡處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；b．入口采用平直過渡，輪轂較厚。
    考慮上述因素，在葉輪根部過渡段附近加厚，并將直段改為傾斜，其中加厚部分為間隔分布。為了對結(jié)構(gòu)改進后的性能進行對比，并為有限元分析提供數(shù)據(jù)，將改進后模型進行了CFD分析，改進后由于具有傾斜過渡，減小了沖擊損失，力矩系數(shù)略有增大，改進后的力矩特性仍與原結(jié)構(gòu)基本一致，滿足特性匹配條件。
    為對改進前后的應(yīng)力分布詳細對比，選擇了葉片根部節(jié)點，對其應(yīng)力值進行比較，節(jié)點順序為沿著根部按順序自下而上。如圖9所示，改進后輸入端泵輪最大應(yīng)力降低到材料屈服點以下，并顯著降低了應(yīng)力集中區(qū)幅值，可保證力矩傳遞能力基本不變的同時，滿足偶合器極限載荷下的使用要求。
6、閥組研制
6.1性能需求
    電磁控制閥組是閥控偶合器的核心部件之一，控制著工作腔的充、排液過程，其通流能力、響應(yīng)特性對偶合器的調(diào)控性能有著直接影響。要求工作閥組具有低壓、大流量特性。
6.1.1循環(huán)流量
    循環(huán)流量對偶合器渦輪加速時間和散熱能力有直接影響。低溫介質(zhì)進入偶合器，在工作腔內(nèi)循環(huán)后溫度升高，高溫液體經(jīng)冷卻器后繼續(xù)循環(huán)或排出。偶合器的換熱能力為：
  水的比熱容C。為定值，供液介質(zhì)溫度一般亦為定值，若要提高偶合器換熱能力，適應(yīng)啟動和過載工況，應(yīng)從提高流量和減小人口水溫（冷卻器冷卻能力）著手。
    流量240L/min，溫差為30℃時，按公式計算其換熱能力約為500 kW（起動過程熱損值）。因此，對于1000 kW閥控偶合器，閥組的通流能力要大于240 L/min方可滿足正常啟動。
6.1.2壓力
    閥控偶合器介質(zhì)經(jīng)人口直接進入工作腔專門的通道中，背壓近似為零，因此主要考慮導管的排液能力。
    閥控偶合器的導管實質(zhì)是一種旋噴泵，固定著的導管等同于旋噴泵的集流管，截取排液腔中的高動能液體，并將液體的動能轉(zhuǎn)化成壓能輸出，按照旋噴泵計算公式，輸入轉(zhuǎn)速l 491 r/min時，提供的壓力為0.6—0. 88  MPa。
6.1.3響應(yīng)時間
    閥組的響應(yīng)性是另一項重要指標。當達到超溫狀態(tài)仍無法啟動設(shè)備時，僅靠冷卻器已無法滿足限溫目的，需迅速排出過熱介質(zhì)；為提高調(diào)控性能，也需要進、排液閥有較高的響應(yīng)速度。
6.1.4其他
    1)井下特殊環(huán)境，要求所采用的電磁先導閥必須能夠滿足防爆要求。
    2)純水作為工作介質(zhì)，閥組元件對水介質(zhì)應(yīng)具有良好適應(yīng)性。
    3)偶合器的滑差工作方式，產(chǎn)生的能量損失必然同時帶來介質(zhì)溫度的升高，造成水垢的產(chǎn)生，因此閥組應(yīng)具有強的耐堵塞能力。
6.2外控式電液閥組研制
    國外閥控偶合器控制閥采用壓差先導原理進行工作，節(jié)流孔和先導閥的液阻是設(shè)計低壓大流量電磁閥的敏感參數(shù)，要求節(jié)流孔能在滿足主閥芯正常開啟條件下具有較大孔徑，以提高抗阻塞性能。因此，壓差式控制閥組存在以下弊端：
    1)壓差式先導電磁閥組主閥和先導閥共用一路介質(zhì)，且存在細長節(jié)流孔道，對工作介質(zhì)要求較為苛刻；
    2)要求先導閥具有較大的通流能力，先導閥的選型較為困難；
    3)壓差先導式結(jié)構(gòu)，具有最小開啟壓力限制，供液液力小時主閥將無法打開。
    針對上述問題，設(shè)計了一種外控式閥組，如圖10所示。該閥的先導閥采用成熟的支架本安型電液閥，控制液引自工作面高壓乳化液，無細長節(jié)流孔，工作可靠。
    外控式電液控制閥組具有以下特點：
    1)適應(yīng)性強�？刂埔翰粎⑴c主循環(huán)，因此可僅對控制液過濾精度提出較高要求，對工作介質(zhì)包容能力強；
    2)密封效果好。常閉式將進液腔和彈簧腔溝通，由工作介質(zhì)壓力和彈簧力共同作用把密封面緊貼合，常開式則借助控制腔高壓液推動活塞壓緊密封面；
    3)彈簧只需克服閥芯摩擦力，所承受切應(yīng)力小，關(guān)閉過程對電磁閥沖擊��；
    4)通流能力大。采用平面密封，開啟過程達到滿行程，開度大；
    5)液控組件和主閥分離，高壓控低壓，控制液排量小，響應(yīng)速度快，表4給出了進液閥不同進液壓力下的響應(yīng)特性試驗結(jié)果。
7、生產(chǎn)制造工藝關(guān)鍵技術(shù)
7.1解決的工藝難點
    閥控偶合器屬大型旋轉(zhuǎn)類機械，傳遞大的扭矩受到工作液的復雜作用，因此無論從材料的選取，還是加工的工藝，均有較高的要求。生產(chǎn)制造中，針對整機裝配工藝、各零部件的加工和組裝等，都制定了嚴格的工藝方案。所解決的關(guān)鍵制造及工藝技術(shù)問題包括：a.不銹鋼箱體焊接、壓力試驗、時效處理、加工；b．渦輪組與傳動軸采用無鍵聯(lián)接，加工精度、裝配精度的保障工藝；c．錫青銅合金、鋁合金鑄件鑄造，鑄件及組件加工及旋轉(zhuǎn)平衡精度；d．各種主要不銹鋼零部件的加工；e，盤根密封的工藝試驗；f．偶合器的總體裝配。
7.2無鍵聯(lián)接主軸超高壓拆裝
    閥控充液型液力偶合器傳動軸由于葉輪結(jié)構(gòu)限制，軸徑小、強度要求高，因此采用無鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)。沒有可參照的實際經(jīng)驗，必須通過試驗來驗證設(shè)計的可靠與否。根據(jù)設(shè)計要求共加工三對傳動軸與軸套進行三坐標測量、分析計算、高壓裝配、臺架試驗、高壓拆卸、測量分析，調(diào)整尺寸參數(shù)，再試驗等過程，最終確定了傳動軸與套的過盈尺寸和加工工藝。攻克了無鍵聯(lián)接與高壓裝拆這一重大技術(shù)難關(guān)，為偶合器傳遞大功率的轉(zhuǎn)矩提供了可靠數(shù)據(jù)。通過多次中間試驗和研究，目前已創(chuàng)造國內(nèi)265 MPa超高壓拆裝紀錄。圖11是高壓拆裝裝置工作原理。
7.3盤根動密封技術(shù)
盤根靜密封應(yīng)用十分廣泛，但在動密封上國內(nèi)還少有應(yīng)用。閥控充液型液力偶合器盤根動密封的使用技術(shù)要求如下：
    密封處線速度    V>23 m/s；
    耐受溫度    -40—150℃；
    動態(tài)進水壓力  0.3一1.2  MPa；
    允許混入微量的酸、堿，鈣化合物氯化物含量( Cl) ≤50mg/L；
    導熱性好，自潤滑性好，耐磨性好；
    泄漏量    <5 mL/min。
    根據(jù)上述的使用技術(shù)要求條件，選用了碳素纖維編制填料根。盤根溝槽的尺寸沒有相應(yīng)標準，又要密封，還不能增加太大的摩擦阻力，故確定溝槽的最佳尺寸成為中間試驗的關(guān)鍵參數(shù)。為此，設(shè)計了盤根動密封試驗裝置，經(jīng)多次試驗，最終確定了密封槽的尺寸。經(jīng)臺架試驗表明密封性能良好，它的試驗成功也給線速度較高的動密封選型拓寬了道路。
7.4銅合金鑄造技術(shù)
    葉輪采用錫青銅合金，徑向尺寸大、葉片薄且形狀復雜，強度要求高，精度要求苛刻。采用腹膜砂芯鑄造工藝，經(jīng)過了多次試驗和改進，按期提供了泵輪鑄造試件，鑄件毛坯尺寸基本達到了設(shè)計要求。通過粗加工，其表面質(zhì)量和鑄件致密度基本達到要求，鑄銅試棒性能測試達到國家標準。
8、試驗研究
8.1試驗意義和方法
    對于偶合器臺架來講，盡管數(shù)值仿真在其設(shè)計中占據(jù)了越來越重要的地位，準確性也在不斷提高，但仍在不斷完善之中，尚無法完全取代試驗。一方面，偶合器腔型設(shè)計的合理與否，整機性能是否滿足外特性、振動、密封等各種性能需求，最終需要試驗來檢驗；另一方面，偶合器仿真理論模型本身需要試驗來驗證。故無論是作為產(chǎn)品開發(fā)的環(huán)節(jié)，還是作為新理論方法的檢驗手段，試驗研究都起著不可或缺的作用。偶合器的外部特性是檢驗相關(guān)參數(shù)性能是否能和原動機及負載相匹配的直接指標，且是腔體內(nèi)部流動特性的宏觀體現(xiàn)，可用來間接驗證仿真模型。
    閥控偶合器由于功率太大，且要研究其過載系數(shù)，—般試驗臺很難滿足其功率要求。對于1000 kW機型而言，根據(jù)仿真結(jié)果其峰值功率將達到3700 kW左右，一般試驗臺很難滿足要求。為此，整機的臺架試驗在2 000 kW交流傳動試驗臺上進行，其過載能力為1.5倍。該試驗臺主要根據(jù)《MT/T101  - 2000刮板輸送機用減速器檢驗規(guī)范》和《MT/T100-1995刮板輸送機用液力偶合器檢驗規(guī)范》進行減速器和偶合器傳動特性檢驗，同時能夠滿足《摩擦限矩器性能試驗標準》的要求，可用于減速器、偶合器、摩擦限矩器等機電傳動裝置的臺架試驗。
    閥控偶合器臺架試驗原理如圖12所示，試驗臺由驅(qū)動裝置、加載裝置、連接裝置、信號采集及處理裝置系統(tǒng)等組成。
8.2試驗內(nèi)容和結(jié)果
8. 2.1外特性試驗
    液力偶合器的外特性曲線是表示轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速比關(guān)系的曲線，通常是指最大充液量時的輸出特性曲線，即表明液力偶合器最大傳遞轉(zhuǎn)矩能力的曲線，一般通過試驗測試數(shù)據(jù)繪制而得。按照圖12中試驗原理得到了不同轉(zhuǎn)速比下的泵輪轉(zhuǎn)矩，將其進行處理后得到滿充情況下的原始特性曲線，和仿真數(shù)據(jù)一并繪出，如圖13所示。因進一步加載到零速工況可能會對試驗臺造成一定破壞，出于對試驗臺的保護，試驗過程力矩最大加載到18 850 N·m。
    由圖13曲線（單腔）對比可以看出，在高速段(i>0.8)，仿真值較試驗值偏小，而在中低速段(i<0.8)，仿真值高于試驗值。圖中誤差線為5%，可見在試驗區(qū)段內(nèi)誤差較小，仿真結(jié)果比較理想，對于閥控偶合器實際力矩傳遞特性預測具有較高的參考價值。根據(jù)試驗曲線的趨勢預測，最大力矩將小于仿真值，因此實際過載系數(shù)將小于仿真值，所研制偶合器將有更好的限矩性能。高速段由于環(huán)流運動劇烈，內(nèi)部混有氣泡等，實際充液量將會降低，故實際值小于仿真值。
    試驗所得原始特性基本符合了“長壁形”特性曲線的特征，所開發(fā)的閥控偶合器性能曲線滿足設(shè)計要求。
8. 2.2充液時間的測定
    這個速度就是通常所說的軟啟動時間，軟啟動時間過長，由于滑差使得腔內(nèi)液體溫度上升很快超過設(shè)定的溫度上限而排液，造成不能啟動；軟啟動時間過短，會造成啟動時沖擊較大，不能緩慢平穩(wěn)啟動，對傳動系統(tǒng)產(chǎn)生損壞。
    在泵輪轉(zhuǎn)速為l 491 r/min時開始充液，直至充到最大充液量，充液累計的時間為20—30 s，渦輪的轉(zhuǎn)速由零到額定轉(zhuǎn)速。
8. 2.3排液時間的測定
    合適的排液時間可保證設(shè)備在突發(fā)狀況下能夠快速停車，以免因長時間的過載而造成設(shè)備損壞。偶合器在最大液位時、泵輪轉(zhuǎn)速為1 491 r/min時開始排液，直至渦輪停止轉(zhuǎn)動，累計的時間為36 s。
8.2.4帶載啟動時間的測定
    分別給發(fā)電機端帶載100、300、600 kW和1 000 kW時，渦輪達到額定轉(zhuǎn)速的時間為25 ~26 8，在載荷內(nèi)，試驗證明載荷的大小對偶合器最終的輸出轉(zhuǎn)速影響不大。
9、結(jié)語
    1)結(jié)合后部刮板輸送機負載特性，以關(guān)鍵技術(shù)和工藝為突破，開發(fā)出了閥控偶合器產(chǎn)品，解決了大功率后部刮板輸送機軟啟動問題。
   2)運用現(xiàn)代設(shè)計工具和方法（CFD、FSI等）對偶合器流場和力學特性進行研究，尤其是力矩預測結(jié)果與試驗具有高度的相似性，為偶合器的現(xiàn)代設(shè)計方法奠定了較好的基礎(chǔ)。
    3)開發(fā)出高壓外控型電液控制閥組，其工作液和控制液相分離，從根本上解決了工作介質(zhì)污染導致閥組堵塞而造成工作面設(shè)備頻繁停機問題。
   4)研制過程中所攻克的高壓拆裝、銅合金鑄造、盤根動密封等技術(shù)，除為閥控偶合器的品種提供保障外，還一定程度促進煤機裝備技術(shù)水平的提升。