浅谈液力变矩器在港口机械的应用

陈梓硕

摘要：本文主要围绕液力变矩器的自动适应外载荷变化的变距性能，研究了液力变矩器的内部传动系统特点、液力变矩器的主要构成部件与传动过程、液力变矩器的工作原理、液力变矩器的外特性曲线以及液力传动的应用。文章主要涉及各零件之间如何协作辅助器械运作、受力平衡、力矩分析、具体应用等。为进一步了解和改进液力变矩器提供参考意见。

关键词：液力变矩器、液力传动、变距性能

1. 引言

液力变矩器是一种借助于液体的高速运动来传递功率的元件。它的工作特点是输入端的参数基本恒定，或虽有变化但变化不大。而输出端的参数可以大于、等于或小于输入端，并且可以自动地连续调节变化。由于液力变矩器的许多特点，它被广泛用作各种动力机与工作机之间的传动装置，还应用在工程机械和大型船舶中，所以液力变矩器在现代工业中具有很大实用价值。与电传动和机械传动内燃机车相比，有许多优势和不可替代性。

本文从本质出发，剖析变矩器的本身属性和特点，最大程度的发掘其优点，也同时注意其中的问题进行规避，使液力变矩器的采用更加专业和充分，是港口机械的操作更加简便高效。

2. 液力变矩器内部传动系统

液力变矩器属于一种液力传动装置，就是以液体作为工作介质的通过叶片进行传动的机械。区别于液压传动，液力传动具有许多显著特点：

2.1工作介质特殊不存在摩擦损耗，但装置的效率受外界环境状况影响较大。

液力传动的工作介质是液体，即通通过液体流动时的动能传递动力,各零件之间没有接触，不产生摩擦,不存在损耗。

液力传动的特殊性就在于和其他传动方式相比，例如链传动、齿轮传动等,液力传动的效率受工作状况的影响最大，其中液力变矩器效率大约为85%~92%。

2.2限制力矩变化具有一定保护作用，同时智能化可以其保证对于外界变化进行自动调整。

各轮都有一定的力矩变化范围。即使外载荷负载超过涡轮力矩，各轮也只能在固定值之内随着工作状况不断发生变化。

液力变矩器可以自动进行变矩和变速。当外载荷增加，涡轮力矩就会增加，转速同时降低。反之，外载荷减小时，涡轮力矩减小，转速同时增大无限趋向于理想传动装置的状态。

2.3事物都有两面性，我们也必须看到液力传动装置的一些问题。

首先，液力传动装置的使用效率低，动力转换率低，液体的动能损耗多；其次，装置内部结构十分复杂，维护和维修的成本都很高。综合以上两点，我们可以发现，此类装置的经济性会大幅降低。

3. 液力变矩器主要构成部件与传动过程

3.1液力变矩器的主要构成部件

如图一，其中A涡轮，B导轮，C泵轮是最主要的三个工作轮，还有包括①锁止离合器②变矩器壳体在内的其他零件共同组成。其中，导轮与壳体是固定不动的，泵轮与涡轮是通过轴承安装在壳体上的。这三个主要的工作轮全部都密闭在由壳体构成的空间中，同时这个空间中充满了油液。每个工作轮中都装有叶片，这些叶片会弯曲成一定形状使油液更便于流动。此外，各工作轮的中心部分使是圆环形，被称为循环圆内环。

我们通常把包含旋转轴线的剖面称为轴面，轴面里内环与外环之间形成的面积成为循环圆。而循环圆所形成的回转体的空间是变矩器里油液进行循环流动的空间。

3.2液力变矩器的大致传动过程

如图二中A  B  C依然分别是涡轮、导轮和泵轮，这是一个三元件液力变矩器结构简图。其运行过程可以简述为，当发动机带动泵轮C旋转时，油液从①端进入泵轮的叶片间的通道，随后从②端流出，冲向涡轮A的叶片让涡轮受力后进行转动。之后再从涡轮的③端流出，经过导轮B再次进入泵轮的①端，像这样反复循环，就完成了动力的传递。油液的能量变化实现了力矩的传递 ，包括油液在传递工程中产生的全部动能和势能。

4. 工作原理

4.1液力传动的工作原理

主要受到了离心泵和涡轮机的工作原理的影响，经过一些结合和微调考量创造而来。其中离心泵的作用是把动力机的机械能转变为液体的能量,水涡轮的作用是把水的能量转变为机械能，再把离心泵和水涡轮连接起来,就可以现实动力的传递。后来在不断发展中只保留了离心泵和水涡轮的核心部分，也就是我们所说的三个工作轮，结构的简化使得效率大大的提高。

液力传动装置中的核心工作轮：泵轮、涡轮和导轮，其中泵轮相当于离心泵，与输入轴相连,把输入的机械能变为液体的能量，使液体的动量矩增加。涡轮相当于水涡轮，与输出轴相连,把液体的能量转变为输出的机械能,使液体的动量矩减小。导轮起导向作用，一般不转动，液体会按照一定方向由导轮流出。

4.2液力变矩器的工作原理

首先我们要注意，变矩器在结构上存在导轮，其作用决定了变矩器不仅可以传递转矩，而且在泵轮转矩不变时，可以随外界阻力的变化而输出不同的力矩。根据前面所讲的液力变矩器的工作过程我们可以发现3个工作轮的力矩都作用于壳体中的液体。这里我们设泵轮、涡轮和导轮对液体的作用力矩分别是M1、M2、M3，液体对泵轮、涡轮和导轮的作用力矩分别为M1'、M2'、M

3'。

当涡轮转速为常数时，根据物理学原理液体受力平衡可以得知M1+M2+M3=0，又有作用与反作用原理，我们可以推断，M2=-M2'，M2'=M1+M3。我们可以发现，液体施加给涡轮的力矩等于泵轮和导轮加给液体的力矩之和。那么当导轮力矩与泵轮力矩为相同方向时，涡轮力矩大于泵轮力矩，即变矩器的输出力矩大于变矩器的输入力矩，实现了它的变矩功能。而机械运作过程中，涡轮的速度会不断增加，根据极限的思想，当增大到某一个值的时候，从涡轮流出的液体会恰好沿着导轮出口方向冲向导轮，此时液体流经导轮之后的方向不变，M3=0，故M1=M2。若涡轮转速继续增大，此时液体对导轮的作用转换方向，此时导轮的力矩方向与泵轮的力矩方向相反，那么就有M2=M1-M3，此时，变矩器的输出力矩反而比变矩器的输入力矩小。当涡轮转速增大到与泵轮转速相等时，循环圆中的液体停止流动，无法传递动力。

综合以上所述，我们可以总结出，当机械装置受到的外阻力增加时，涡轮的转速就会降低，此时，涡轮的力矩就会自动增加，用来克服外阻力，这就是变矩器自动适应外载荷变化的变距性能。

5. 液力变矩器的外特性曲线

变矩器的外特性曲线就是当泵轮转速一定时，泵轮力矩M1、涡轮力矩M2、传动效率η和涡轮转速n之间的一组关系曲线。如右图，是一个最简单的单级单相变矩器的外特性曲线。（变矩器的级指的是存在于其他两个工作轮，即泵轮与导轮或者导轮与导轮之间的涡轮数量。变矩器的相指的是变矩器的工作状态数目。）

从图中可以看出，随着涡轮转速n的提高，涡轮力矩M2不断减小；反之，当外阻力增大、涡轮转速n减小时，涡轮力矩M2增大。当n=0时，涡轮力矩M2最大，这也刚好符合车辆启动的需要。涡轮转速发生变化时，泵轮力矩的变化不大。

此外，这种变矩器的效率只有一个最大值，此时耗能最少，称为最佳工况。当n=0和n最大时，效率均为零，这时没有功率输出。

6. 液力传动装置的应用

6.1作为主要传动装置使用于各种机械

在一些交通运输车辆中使用广泛，比如重型卡车、建筑工程机械等中会经常使用液力变矩器。

6.2用于改善发动机的起动性能

一些重型机械设备，质量大惯性就大，起动要克服较大阻力十分困难。假设采用电力起动装置，起动所需电流大，通电时间长，对电力机械设备的要求高而且极容易发生故障。而液力传动的特点可以很大程度的改善发动机的起动性能。

6.3改变工作机械设备的力的方向

当工作设备需要进行正面反面的方向转换时，液力变矩器能很好地达到效果。它可以通过增大涡轮的转速改变内部液体的运动的方向，进而改变其他工作轮力矩的输出方向。也有专门的正反转液力变矩器，或者正转变矩器和反转变矩器。

6.4可协调多发动机共同驱动

许多机械设备例如船舶、钻机等，他们需要多个发动机共同驱动一个工作设备，我们采用液力传动，能够很好的进行平衡和协调，且能够最大程度的发挥发动机的动力作用，减少损耗。

6.5对传动装置进行保护

一些工程机械在工作时外载荷的变化大且速度快，经常会出现过载的情况，而由于液力传动的自动适应性质,可以对传动装置进行保护，延长使用寿命。

7. 结语

根据以上分析我们可以看可能液力变矩器有他本身的适应外界变化的性能，以保证装置的正常运转。由于这些性能，液力变矩器表现出很多使用时的优点，例如以油为介质传递动力，连接具有柔性，可以减少了冲击；能充分利用发动机的最大功率；简化了操纵机构，减轻驾驶员的劳动强度，同时减少维修工作；最重要的就是液力变矩器能自动变矩适应外载荷变化，能保持装载机发动机的负荷变化很小。但是同时，在使用时也有一些问题和安全隐患，例如变矩器温度过高，有时液力变矩器后盖与泵轮结合面处会出现明显漏油迹象等等。通过本文对于液力变矩器深入的细致的分析，可以辅助更精准快速的寻找到器械故障的原因，同时能够根据特点在不同的装置中选择合适的变矩器，使变矩器与发动机匹配度更高。

参考文献

[1]王志慧.浅析液力变矩器在工程机械的运用[J].建材与装饰,2020(07):240-241.

[2]陈祥,陈洁.基于极限学习机法的液力变矩器性能预测[J].现代制造技术与装备,2020(06):30-34.DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2020.0543.

[3]马惠臣,刘城,李娟等.液力变矩器通用特性及其匹配方法的研究[J].北京理工大学学报,2021,41(09):927-934.DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2020.156.

[4]程丽群,左付山,文爱民.液力传动汽车动力系统共同工作特性建模分析[J].机械设计与制造,2023(08):185-189+194.DOI:10.19356/j.cnki.1001-3997.20230310.031.

[5]主推进动力装置/李斌等主编.一大连:大连海事大学出版社;北京:人民交通出版社2012.8