轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫?duì)液力減速器性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

趙宇琪1，董 亮1，2，劉厚林1，肖佳偉1，明加意1

(1.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江 212013； 2.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自貢 643000)

[摘要] 為研究轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫?duì)液力減速器性能的影響，調(diào)節(jié)變頻器使減速器恒定在800～1 200r/min范圍內(nèi)的5種轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，而在每一恒定轉(zhuǎn)速下控制球閥開度使初始?jí)毫S持在0.01～0.1MPa范圍內(nèi)的7種壓力時(shí)，測(cè)得不同轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫ο轮苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，并觀察空化演進(jìn)過程。研究發(fā)現(xiàn)，泵輪背面靠近外緣位置最先出現(xiàn)空泡；保持腔內(nèi)初始?jí)毫愣〞r(shí)，轉(zhuǎn)速越高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大；保持轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，未發(fā)生空化情況下，壓力的變化對(duì)于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響較小，而一旦發(fā)生空化，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨初始?jí)毫p小而急劇降低。結(jié)合制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和空化特性，提出了液力減速器空化程度的判定準(zhǔn)側(cè):以轉(zhuǎn)矩變化率2.0%為界，將轉(zhuǎn)矩變化率小于2.0%判定為未空化階段；轉(zhuǎn)矩變化率大于等于2.0%為空化(發(fā)展)階段。

關(guān)鍵詞：液力減速器；轉(zhuǎn)速；初始?jí)毫?；制?dòng)轉(zhuǎn)矩；空化

前言

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代車輛正朝著高負(fù)載、高速化的方向發(fā)展，大慣量固定設(shè)備也追求高功率、大容量[1]，這就對(duì)大型軍用車輛、重型貨車和大慣量機(jī)械的減速系統(tǒng)提出了越來越高的要求，汽車行駛安全和固定設(shè)備運(yùn)行可靠性等問題變得日益嚴(yán)峻[2]。液力減速器是一種特殊的液力偶合器，它可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工作液的內(nèi)能以實(shí)現(xiàn)減速、制動(dòng)。液力制動(dòng)相比于僅依靠輪轂?zāi)Σ疗膫鹘y(tǒng)制動(dòng)方式，具有持續(xù)制動(dòng)能力強(qiáng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、制動(dòng)件磨損小和散熱性好等優(yōu)點(diǎn)[3]，因此在各類車輛和大慣量機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)液力減速器的研究主要集中于液力傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)力學(xué)特性[4]、內(nèi)部流動(dòng)測(cè)試[5－6]和控制理論[7－8]等。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中通過改變液力變矩器初始?jí)毫Λ@取到不同壓力下液力變矩器的噪聲變化特性；文獻(xiàn)[11]中通過使用無線微波遙測(cè)技術(shù)測(cè)量了渦輪進(jìn)口處的壓力，分析了渦輪進(jìn)口的分離流動(dòng)區(qū)域特性；文獻(xiàn)[12]中以一套有機(jī)玻璃材料的液力變矩器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)渦輪軸上的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)加速度幅值隨著腔內(nèi)壓力的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]中采用CFD軟件對(duì)液力偶合器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，揭示了流場(chǎng)的流動(dòng)規(guī)律和特性。

我國(guó)學(xué)者針對(duì)螺旋槳[15]、水泵[16－18]、水輪機(jī)[19]和液體火箭泵等開展了比較深入的研究。但國(guó)內(nèi)在液力傳動(dòng)領(lǐng)域的工作鮮有報(bào)道，對(duì)液力減速器的研究整體來說與國(guó)外仍存在較大差距。因此通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫Φ韧饨鐥l件，研究它們對(duì)液力減速器性能影響具有十分重要的意義。

本文中搭建多信號(hào)同步采集實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在液力減速器全充液狀態(tài)下通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(800～1 200r/min)和腔內(nèi)初始?jí)毫?0.01～0.1MPa)，對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)和外特性進(jìn)行同步采集，研究了轉(zhuǎn)速和腔內(nèi)初始?jí)毫?duì)液力減速器性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括以清水為介質(zhì)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)。冷卻循環(huán)系統(tǒng)由增壓泵從水池取水提供循環(huán)流量，水從進(jìn)口進(jìn)入帶走大量熱量升溫后從出口流出，通過改變進(jìn)出口球閥開度，控制減速器腔體內(nèi)壓力。信號(hào)采集系統(tǒng)包括對(duì)壓力、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的采集，并采用高速相機(jī)進(jìn)行空化流態(tài)的捕捉。本實(shí)驗(yàn)采用清水代替油液作為工作介質(zhì)，便于控制減速器腔體內(nèi)壓力來調(diào)節(jié)空化程度并進(jìn)行圖像拍攝。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為液力減速器，它主要包括泵輪、渦輪、殼體、后蓋板、機(jī)械密封、傳動(dòng)軸、軸承箱、軸承和底腳等，如圖2所示。制動(dòng)減速時(shí)，傳動(dòng)軸輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楸幂喴后w的動(dòng)能，然后液流以較高的速度沖擊固定的渦輪葉片，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)將液體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，最后通過散熱系統(tǒng)將熱量帶走。

圖2 液力減速器結(jié)構(gòu)圖

為便于內(nèi)部流態(tài)圖像拍攝，轉(zhuǎn)動(dòng)的泵輪噴黑色漆，靜止的渦輪以透明有機(jī)玻璃制成，且均采用徑向直葉片形式。泵輪與渦輪的具體幾何參數(shù)如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

液力減速器性能通常以泵輪的輸入轉(zhuǎn)速與渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系表示。本試驗(yàn)中，液力減速器的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)由ZJ型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采集，額定轉(zhuǎn)矩10N·m，轉(zhuǎn)速范圍0～6 000r/min，齒數(shù)120，精度0.2級(jí)。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在電機(jī)軸和液力減速器驅(qū)動(dòng)軸中間，采集信號(hào)由泵產(chǎn)品參數(shù)測(cè)量?jī)x(轉(zhuǎn)矩型)顯示，測(cè)量之前需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)零。高速攝影系統(tǒng)由高速相機(jī)、多功能相機(jī)臺(tái)架、兩個(gè)LED燈和MSTUDIO軟件等構(gòu)成。高速相機(jī)采用YSLM型高速攝影相機(jī)，最高拍攝速率為256 000幀/s，能夠充分保證對(duì)空泡動(dòng)態(tài)特性的捕捉。由于泵輪是金屬葉輪，單個(gè)LED燈會(huì)使拍攝區(qū)域產(chǎn)生局部陰影，為確保拍攝區(qū)域充分打光，在減速器斜前方45°布置兩個(gè)LED燈。

此外，將PT100溫度傳感器(配備LED顯示屏)安裝在液力減速器正上方出口管路上，對(duì)出口液流溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止溫度升高造成腔內(nèi)壓力變化。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 500r/min，最高轉(zhuǎn)速2 000r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.02kg·m2。變頻器采用F700變頻器。

表1 泵輪、渦輪幾何參數(shù)

參數(shù)泵輪渦輪葉片傾角/(°) 0 0循環(huán)圓內(nèi)徑/mm 50 50循環(huán)圓外徑/mm 150 150葉片高度/mm 20 20葉片數(shù)11 12

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中，保持液力減速器內(nèi)全充液，調(diào)節(jié)變頻器使液力減速器泵輪使之分別恒定運(yùn)轉(zhuǎn)在800，900，1 000，1 100和1 200r/min 5種轉(zhuǎn)速。在特定轉(zhuǎn)速下，調(diào)節(jié)進(jìn)出口球閥開度以控制液力減速器腔體初始?jí)毫Γ箟毫σ来尉S持在0.10，0.08，0.06，0.04，0.03，0.02和0.01MPa 7種壓力。

對(duì)以上35種工況進(jìn)行高速攝影，獲得不同轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫ο乱毫p速器內(nèi)流分布，判斷出的空化情況如表2所示。

表2 空化狀況

注:“×”表示未空化；“○”表示空泡開始形成；“√”表示有空化發(fā)生。

轉(zhuǎn)速/ (r·min－1)空化狀況初始?jí)毫?MPa 0.01 0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.10 800 × × × × × × × 900√○× × × × × 1 000√√○× × × × 1 100√√√○× × × 1 200√√√√○× ×

2.1 對(duì)內(nèi)部流態(tài)分布的影響

2.1.1 轉(zhuǎn)速的影響

圖3為初始?jí)毫＝0.01MPa時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的內(nèi)部流態(tài)分布。由圖可見:轉(zhuǎn)速較低時(shí)(n＝800r/min)，高速攝影未捕捉到空泡；隨著轉(zhuǎn)速由800升高到900r/min，泵輪背面靠近外緣位置開始出現(xiàn)空泡；隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高(n＝900～1200r/min)，空泡范圍繼續(xù)擴(kuò)大，且向下游流道擴(kuò)散直至充滿整個(gè)流道。由于泵輪轉(zhuǎn)速的升高，流道內(nèi)局部壓力小于此溫度下對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓，此時(shí)液體會(huì)發(fā)生汽化形成氣泡。氣泡流動(dòng)到下游高壓區(qū)，附近高壓液體使氣泡體積減小甚至破裂，周圍液體迅速填充空泡原來的體積，相互撞擊并在局部產(chǎn)生高壓射流，引起附近液流的壓力擾動(dòng)。

圖3 初始?jí)毫＝0.01MPa不同轉(zhuǎn)速內(nèi)流分布

2.1.2 初始?jí)毫Φ挠绊?/p>

圖4為轉(zhuǎn)速n＝1200r/min下7種不同初始?jí)毫?nèi)部流態(tài)分布。由圖可見:當(dāng)初始?jí)毫＝0.10MPa時(shí)，高速攝影未捕捉到空泡，此時(shí)未發(fā)生空化；隨著壓力的降低(p＝0.06MPa)，流道內(nèi)逐漸有空泡生成，且流道內(nèi)空泡范圍擴(kuò)大；當(dāng)壓力降至0.01MPa時(shí)，空泡充滿整個(gè)流道。

2.2 對(duì)外特性的影響

圖4 n＝1200r/min不同初始?jí)毫?nèi)流分布

大部分流體機(jī)械發(fā)生空化時(shí)，外特性會(huì)表現(xiàn)出明顯變化，如水泵、水輪機(jī)等表現(xiàn)為揚(yáng)程和效率的降低，而液力減速器偏離正常工況運(yùn)行時(shí)則表現(xiàn)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的下降。

表3給出了不同轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫ο乱毫p速器的外特性。由表可見:當(dāng)初始?jí)毫愣〞r(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，與是否發(fā)生空化無關(guān)。

由表2可以看出，當(dāng)初始?jí)毫＝0.1MPa時(shí)，泵輪在800～1 200r/min運(yùn)行都沒有發(fā)生空化。因此，以初始?jí)毫＝0.1MPa時(shí)的轉(zhuǎn)矩為參考轉(zhuǎn)矩，對(duì)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理求得轉(zhuǎn)矩差(即某初始?jí)毫ο碌闹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩與相同轉(zhuǎn)速下初始?jí)毫?.1MPa的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的差值)。定義轉(zhuǎn)矩變化率為轉(zhuǎn)矩差與初始?jí)毫?.1MPa在相同轉(zhuǎn)速下的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的比值。

圖5示出不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩差隨初始?jí)毫Χ兓年P(guān)系由表2和圖5可見:未發(fā)生空化時(shí)初始?jí)毫?duì)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響較??；隨著壓力進(jìn)一步降低，一旦流道內(nèi)局部壓力低于此溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓時(shí)，即出現(xiàn)空化，此時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)隨壓力減小而迅速降低。

圖5 轉(zhuǎn)矩差隨初始?jí)毫ψ兓年P(guān)系曲線

2.3 空化階段的判定

綜合不同轉(zhuǎn)速和初始?jí)毫l件下的內(nèi)部流態(tài)分布和外特性實(shí)驗(yàn)，以轉(zhuǎn)矩變化率2%為界，將液力減速器的空化分為兩個(gè)階段:未發(fā)生空化階段和空化發(fā)展階段。兩個(gè)階段的判定條件如表4所示。

表4 空化階段的判定

空化階段未空化空化發(fā)展轉(zhuǎn)矩變化率/% <>

(1)未空化階段 未空化階段是液力減速器正常工作時(shí)所處的階段，轉(zhuǎn)矩變化率小于2.0%，較低的轉(zhuǎn)速和較高的壓力使空化得以抑制，高速攝影相機(jī)沒有捕捉到明顯的空泡。

(2)空化發(fā)展階段 隨著轉(zhuǎn)速的升高和液力減速器腔內(nèi)壓力的降低，當(dāng)轉(zhuǎn)矩變化率為2.0%，流場(chǎng)的局部區(qū)域壓力減小到此溫度下的飽和蒸氣壓以下，空泡開始生成，進(jìn)入空化發(fā)展階段。通過高速攝影可以看出，空泡先產(chǎn)生于泵輪和渦輪葉片的外緣處，并隨著液流向葉片根部流動(dòng)隨著轉(zhuǎn)矩變化率由2.0%繼續(xù)增大，減速器腔內(nèi)壓力進(jìn)一步降低，空泡迅速占據(jù)流道的大部分區(qū)域，外緣處產(chǎn)生的空泡隨著液流一直擴(kuò)散到葉片根部，空化充分發(fā)展。

根據(jù)上述判定條件，可得到各工況下的空化程度表，如表5所示。

表5 不同工況下的空化階段

注:“×”表示未空化階段；“√”表示空化發(fā)展階段。

轉(zhuǎn)速/ (r·min－1)空化階段初始?jí)毫?MPa 0.01 0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.10 800 × × × × × × × 900√√× × × × × 1 000√√√× × × × 1 100√√√√× × × 1 200√√√√√× ×

3 結(jié)論

(1)在液力減速器全充液工況下，保持初始?jí)毫Σ蛔?，轉(zhuǎn)速升高導(dǎo)致制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，超過臨界空化轉(zhuǎn)速后發(fā)生空化，轉(zhuǎn)速的升高會(huì)加劇空化的發(fā)生。

(2)在液力減速器全充液工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定，未空化時(shí)，壓力的變化對(duì)于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩影響較??；發(fā)生空化時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨壓力減小而降低。隨著初始?jí)毫Φ臏p小，空化逐漸產(chǎn)生并發(fā)展，轉(zhuǎn)矩差值逐漸降低。

(3)結(jié)合高速攝影和外特性實(shí)驗(yàn)首次對(duì)液力減速器空化過程進(jìn)行了判定。以轉(zhuǎn)矩變化率2%為界，將液力變矩器的空化分為未空化階段(轉(zhuǎn)矩變化率小于2.0%，高速攝影未捕捉到明顯的空泡)和空化發(fā)展階段(轉(zhuǎn)矩變化率大于等于2.0%，空泡開始生成并迅速發(fā)展而占據(jù)流道的大部分區(qū)域，外緣處產(chǎn)生的空泡隨著液流一直擴(kuò)散到葉片根部，空化充分發(fā)展)。

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An Experimental Study on the Effects of Rotating Speed and Initial Pressure on the Performance of Hydraulic Retarder

Zhao Yuqi1，Dong Liang1，2，Liu Houlin1，Xiao Jiawei1＆Ming Jiayi1
1.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013；2.Sichuan Provincial Key Lab of Process Equipment and Control，Zigong 643000

[Abstract] In order to study the effects of rotating speed and initial pressure on performance of hydraulic retarder，by adjusting frequency converter to make retarder stably runs at one of five rotating speeds within the range of 800r/min to 1 200r/min，and at each rotating speed，by controlling the opening of ball valve to fix the initial pressure at one of seven pressures within the range of 0.01MPa to 0.1MPa.In so doing，the braking torques under different speeds and initial pressures are measured，with the evolution process of cavitation observed.The results show that cavitation bubbles firstly emerge at the outer edge of impeller's back side.With initial pressure kept constant，braking torque increases with the rise of rotating speed，and when rotating speed remains constant，the change of initial pressure has little effect on braking torque under non－cavitation condition.Once cavitation occurs，braking torque dramatically falls with the reduction of initial pressure.Combined with braking torque and cavitation characteristics，a criterion for judging the cavitation extent in hydraulic retarder is put forward:when the change rate of braking torque is less than 2.0%，no cavitation happens，with retarder remains at the stage of non－cavitation；and when the change rate of braking torque is equal or more than 2.0%，cavitation bubbles start to appear and then rapidly increase with the change rate of braking torque further rises，indicating that retarder enters cavitation(development)stage.

Keywords：hydraulic retarder；rotating speed；initial pressure；braking torque；cavitation

doi：10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.014

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309119和51509111)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M581734)、江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)、江蘇大學(xué)高級(jí)人才科研啟動(dòng)基金(12JDG082和15JDG052)、西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(szjj2015－017)、過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(GK201403)和浙江省重大科技專項(xiàng)重大工業(yè)項(xiàng)目(2014C01004－1)資助。

原稿收到日期為2016年5月23日，修改稿收到日期為2016年7月11日。

通信作者：董亮，博士，副研究員，E-mail:dongliang＠ujs.edu.cn。