高效液力变速行星齿轮复合传动装置及其应用

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液力传动的应用与发展已有百年的历史 ，诸多的优良传动品质与特点，如能容大、功率质量 比大、高可靠性、自动适应性，隔离衰减扭振、良好地过载保护与大惯性负载的启动性能等，已为广大用户所· 127·形状 ，高效范围有限，要在增速、减速、恒速传动中获得高效，需要液力变矩器和行星齿轮结构参数之间的合理匹配。

1.1 增速调速传动图4所示为福伊特公司的 RWE型液力行星齿轮传动装置，其基本组成为导叶可调式液力变矩器和行星变速箱，在60% ～100%的调速范围内，可以保持较高的传动效率。

液力变速行星齿轮的运行基于功率分流原理，即大部分的功率直接通过主轴和行星齿轮以机械传动方式传递，只有-小部分功率通过液力变矩器叠加在旋转的行星齿轮上。由于大部分功率都是以机械形式传递，整个装置的最高效率可以超过95%。

D C图4 RWE型液力行星齿轮传动装置A-导叶可调式液力变矩器 ；B-固定的行星齿轮；C-旋转的行星齿轮 ；D-工作油循环转速，%1P3PlI"2图5 液力变速行星齿轮传动装置的特性和功率分流图5给出分流各功率随相对输出转速的变化曲线。差动轮系太阳轮的输出功率 (P，)相当于传输给工作机械的功率，这个功率包含齿圈传递的功率(P )和行星架传递的功率(P )。旋转行星齿轮的齿圈通过主输入轴直接与驱动电机相连，以恒定转速运转；接近 75%的主电机功率通过差动齿轮系高效地传递给工作机械；旋转行星齿轮行星架的功率(P )则通过液力变矩器传递。在高转速工作区域，只有大约 25%的传递功率从液力变矩器分流到行星架，也只有这部分功率受液力变矩器工作效率的影响，计算工况变矩器的效率可以达到 89%，也就是说，在液力变矩器中的损失功率 占变矩器分流功率的 11%左右，相对于整个传递功率，比例则更小- 些。图5中P 负功率表明的是在较低的装置输出转速情况下，液力变矩器工作于反转制动工况，液力变矩器的涡轮吸收外部功率。

图6给出的是液力变速行星齿轮与齿轮式调速型偶合器传动效率的对比，齿轮式调速型偶合器只有在额定工况附近才具有较高的传动效率，而液力行星齿轮在较宽的负荷变化范围内可以保持较高的传动效率需啦--- ， Vore con 毫置/ ， ./ / / /齿 台式 回速1 禺合： 丽负载率，%图6 液力装置传动效率对比m图7给出的是福伊特公司液力变速行星齿轮的另-种型号，与 RWE型相 比，除了液力变矩器以外，包含调速型液力偶合器，以及内置的摩擦离合器和充液量可调的液力制动器，集成了液力传动中的三大主要元件，这种设计使装置的转速控制范围扩大到了 l0%至 100% 。

液力变速行星齿轮弥补了调速型液力偶合器低速比或者低负荷工况效率偏低的不足之处，在机组60% ～100%的负载率变化范围内具有与变频传动可比拟的总体传动效率，这-点，齿轮式调速型液力偶合器是做不到的。在负荷变化并不是十分大的场合，液力行星齿轮的总体优势还是非常明显的，是能够与高压变频器抗衡的大功率调速装置。国内此类产品目前处于空白，认知程度也不是很高，具有-定的应用及发展空间。这类传动装置重点应用在海上· 129 · 图 1 1 风电液力恒速控制系统传动关系式中 。(凡 )--太阳轮的转速，也是液力变矩器的泵轮和发电机的输入转：k/r·min～；n --液力变矩器涡轮输出转速/r·min-；nR--风轮转速/r·min～；，- - 差动轮系传动比；OL --行星轮系传动比；- - 增速箱传动比。

风轮通过增速装置驱动行星架旋转，太阳轮驱动液力变矩器的泵轮和发电机，通过液力变矩器涡轮输出转速的调节，使齿圈转速按某-规律响应风轮转速的变化，即可达到使发电机转速恒定输入的目的。

对于图11中的差动轮系传动机构，三个构件与它们相联的三个轴上的转矩存在如下关系。

转矩比例关系 ： ： i1： 1：(1OL1)太阳轮转矩M。MBMc外齿圈转矩Mq-MT·OL2行星架转矩MiM /式中 --液力变矩器泵轮输入转矩；。- - 发电机输入轴转矩；(2)- - - 液力变矩器涡轮输出转矩；M --风轮转矩。

根据式(2)中的转矩比例关系，可以得到液力变矩器涡轮的输出转矩。

[/7，B-(1 1)·nR· 3]· 2r/，T - - l(4)变矩器涡轮输出转矩与风轮转矩是标准的比例关系，而涡轮转速与风轮转速的关系则是-条负斜率直线的关系，即随着风轮转速的增大，风轮转矩增大，而液力变矩器涡轮输出转速则是降低的，涡轮输出转矩也是增大的。液力变矩器适应风轮工作的这种特征正是液力变矩器本身自动适应性的体现。

作为流体机械，液力变矩器的输出特性与风轮转子转矩-转速特性相吻合，因此，将两者配合起来毒暴脚伏伊特WinDfive作特性 BARD Model 03.0011.OO4WinDrive输入转速，r·rain图 12 WinDrive装置工作特性 ]使用是非常理想的。同时也不难理解，在图 12所示的WinDrive工作特性曲线中，在常见的装置输入转速(对应变化 的风轮输入转速)变化范 围(/7， ～n )内，可调式液力变矩器工作在某-固定导叶开度附近即可满足系统工作要求，并保持较高的传动效率。

WinDrive装置已经进入商业化运行阶段，兰州电机公司(LEC)也于 2011年引进采用 WinDrive技术的风力发电机组[14]。WinDrive装置在新能源开发中的应用，为传统的液力传动技术拓宽应用领域开辟了新的方向。

2 结论(1)调速型液力偶合器和单独的液力变矩器都难以满足用户在更宽的负荷变化范围内保持节能高效的运行要求。

(2)液力变速行星齿轮可以满足工业生产大多数应用诚高效传动的要求，同时也适应多种负载(包括恒转矩)类型的调速与驱动。拈化的各个组成部分都采用了实践证明的成熟可靠技术，对于经济性和控制方面有更高要求的诚是-个很好的选择。

(3)液力行星齿轮应用于大型风力发电系统，仍然是基于功率分流的原理，从而获得较高的传动效率。兆瓦级的风机，几百千瓦以上的分流功率，对于液力传动尚属于低功率的等级，液力传动的明显优势依旧得以发挥。