液力耦合器多滚筒传动带式输送机的功率平衡
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第31卷第4期
2011年07月西安科技大学学报
JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol．31No.4
Jul.2011
文章编号：1672－9315（2011）04－0463－05
液力耦合器多滚筒传动带式输送机的功率平衡*
石宁1，邓永胜1，2，毛金峰1
（1．新疆工业高等专科学校，新疆乌鲁木齐830091；2．东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110004）
摘要：通过对液力耦合器工作原理和电动机串液力耦合器的联合工作特性的分析，得出了液力
耦合器调节电动机功率平衡的原理，总结了多滚筒驱动带式输送机驱动系统应用液力耦合器的
优点；以头部双滚筒驱动系统为例，分析了电动机串液力耦合器前后的电动机功率不平衡度，结
果表明液力耦合器对多滚筒传动带式输送机功率平衡的改善效果明显。
关键词：液力耦合器；带式输送机；功率平衡
中图分类号：TD63+4．1文献标志码：A
图1液力耦合器的结构
Fig.1Structureofhydrauliccoupler
1后辅助室2泵轮3外壳4涡轮5注油塞6弹性联轴器7易熔合金塞0引言
多滚筒驱动带式输送机的驱动力是由所配置的电动机功率决
定的［1，2］．在理想情况下，电动机功率分配比与驱动力分配比相同，
但在实际运行时，由于各种因素的影响，使各传动滚筒上每个电动
机的转矩在总转矩保持不变的条件下重新进行分配，导致各电动机
实际功率分配发生较大偏差，严重时会使其中某电动机超载运行而
导致烧毁。这主要表现在2个方面：一是各驱动滚筒之间的实际转
矩分配跟理论值的偏离，这主要取决于各驱动滚筒电动机特性的差
异、胶带弹性伸长和各驱动滚筒实际直径的差异；二是同一驱动滚
筒双轴传动时2个电动机负载分配跟理论值的偏离，这完全取决于
电动机特性的不一致程度。对于多滚筒驱动应尽量使各电机的负
载趋于均衡。这不仅可使各电机得到充分利用，而且还可保证预定
的驱动力分配及其相应的拉紧装置调整不产生较大变动。这是胶
带输送机合理运行的重要条件。
综合考虑影响电动机功率分配不平衡的因素，理论上可以获得较好的工况。但是，在实际上各影响
因素数值均很小，难以预定，微小的变化就能引起电动机功率不平衡度的较大波动。因此，要想获得相对
稳定的运行工况，驱动装置最好采取适当的调节措施。目前在现场应用的软启动装置主要有2种，机械
软启动和电软启动。电软启动是通过电气方法实现软启动的，包括可控硅软启动、变频调速系统等。虽
然采用这种方式，技术更先进，性能更加稳定，但前期投入非常巨大，普通用户承受不起。纵观当前国内
的技术水平、资金状况，多数用户会采用比较实用、经济的机械式软启动，如鼠笼型异步电动机串限矩型
液力偶合器的驱动方式。
1液力耦合器的工作原理
液力耦合器结构如图1所示。它主要由泵轮、外壳和涡轮3部分组成。泵轮和涡轮上都具有不同数*收稿日期：2011－05－01通讯作者：石宁（1962－），男，满族，黑龙江哈尔滨人，副教授，主要从事流体机械和矿山机械的研究工作．量的径向叶片。液体通过注油塞注入。
图2带式输送机驱动系统
Fig.2Drivemechanismofbeltconveyor液力耦合器在输送机的驱动装置中安装在电动机和减速器之间
（图2）。泵轮与电动机轴相连，起主动轴作用。涡轮与带式输送机
减速器相连，起从动轴作用。可见，主从动轴之间没有刚性的机械连
接机构。液力耦合器的工作原理是：当电动机带动泵轮转动时，注入
其中的工作液体被叶片夹持着同泵轮一起旋转，产生流向外缘的离
心压力；同样，涡轮旋转时，其中的工作液体也产生流向外缘的离心
压力；作螺旋运动的液体质点在泵轮中被加速和增压后进入涡轮，冲击推动涡轮的叶片，使涡轮旋转，带
动带式输送机工作，液体质点本身被减速和降压，从泵轮内缘流回泵轮，重新被加速、增压；这样反复循环
便可实现从原动机到带式输送机的能量传递。液力耦合器传递能量的过程是：电能→液体动能→机械
能。
2液力耦合器与电动机的联合工作特性
鼠笼型电动机的机械特性可以表示为电动机的输出转矩与其转速比的关系
Md=f（id），（1）
id=ndn0．
式中id为电动机的转速比；nd为电动机的转速亦即液力耦合器的输入转速，r/min；n0为电动机的同步转
速，r/min．
液力耦合器的外特性也可以表示为液力耦合器的输出转矩与其转速比的关系
My=f（iy），
iy=nTnd．
式中iy为液力耦合器的转速比；nT为液力耦合器涡轮转速。
因而，电动机串液力耦合器联合工作的特性［3］为
M=f（i）．（2）
式中i为电动机串液力耦合器联合工作的速比。
联合工作的速比i与总的转差率S的关系为
i=nTn0=ndn0nTnd=idiy．
i=1－S=idiy=（1－Sd）（1－Sy）=1－Sd－Sy+SdSy．
由于电动机的转差率Sd和液力耦合器的滑差Sy都较小，可忽略二阶微小量的影响，所以总的转差率
为S≈Sd+Sy．（3）
由式（1）（2）和（3）可知，由于限矩型液力耦合器通过调节注油量改变转差率，使电动机串液力耦合
器联合工作的转差率变大，从而使其特性变软，以达到降低多滚筒传动的电机功率不平衡度的目的。
3带式输送机驱动装置中采用液力耦合器的优点
液力耦合器是依靠液体环流运动来传递能量的。环流的形成是由于泵轮转速大于涡轮转速。因此
液力耦合器实现能量（力矩）传递的条件是泵轮和涡轮之间存在转差。转速差的大小决定了传递力矩的
大小。在多滚筒传动的驱动装置中，采用液力耦合器的优点［4］如下。
1）可以改善机器的起动性能。液力耦合器可以缩短电动机的起动时间，使电动机很快达到额定转
速，然后负载才逐渐加速。这样，既减少了起动过程中的电能损失，起到节能的作用，又使起动平稳。另外，对于普通鼠笼型异步电动机，如果液力耦合器注油量合适，还可以利用接近于电动机的颠覆力矩来起
动负载，使机器的起动力矩大大增加。464西安科技大学学报2011年第4期石宁等：液力耦合器多滚筒传动带式输送机的功率平衡
2）具有过载保护作用。当选用安全型液力耦合器时，可以对电动机和工作机构实现过载保护。特别
是采用带有前辅室的安全型液力耦合器，能使传动装置具有较好的起动特性。
3）提高电动机和工作机构的寿命。能消除工作机构的冲击和振动，减少输送带的动应力，降低疲劳
程度，从而大大延长电动机和工作机构的寿命。
4）平衡各电动机的功率输出。在多电动机传动系统中，能使各台电动机的负荷分配趋于均衡。
4液力耦合器对多滚筒传动电动机功率平衡的调节效果分析
以额定功率分配比iPe=2的头部双滚筒驱动系统为例，说明多滚筒传动带式输送机的驱动装置采用
电动机串液力耦合器驱动后，液力耦合器对电动机功率平衡的改善效果。双滚筒传动电动机的功率不平
衡度［5，6］为
λ1=C－（1－γ）（1－Δε）iPeC+（1－γ）（1－Δε），λ2=－iPeλ1．（4）
其中C=（1+iPe）Se2－（Δε+γ）
（1+iPe）Se1－iPe（Δε+γ），Se121Se11+1S
e12．
式中λ1为第1滚筒电动机的功率不平衡度；λ2为第2滚筒电动机的功率不平衡度；γ为2个滚筒直径
的不同度；Δε为输送带的弹性伸长率；Se1为第1滚筒2电动机共同运行点的额定转差率；Se2为第2滚筒
电动机的额定转差率；Se11为第1滚筒电动机1的额定转差率；Se12为第1滚筒电动机2的额定转差率；iPe为电动机功率的额定分配比。
驱动装置采取调节措施前后的条件相同，假设条件如下：液力耦合器额定工况时的滑差Sy=0．035，
第1传动滚筒为双轴传动，第2传动滚筒为单轴传动，3台异步电动机额定转差率数值分别为0．01，
0．012，0．0153（同步转速均为1500r/min），Δε=0．002，|γ|=0．004．驱动装置采取调节措施后总转差率
应由式（3）求出。根据式（4），分别求出调节前和调节后的电动机功率不平衡度。对应6种匹配情况下的
计算结果见表1和表2．
表1调节前电动机的功率不平衡度
Tab．1Powerunbalancednessofmotorbeforeadjustment
匹配情况电动机编号ΔεγSeλ/%
第1滚筒电动机10．0020．0040．010．0109－3．651电动机20．012第2滚筒电动机0．01537．30
第1滚筒电动机10．0020．0040．01530．0135－28．132电动机20．012第2滚筒电动机0．010056．26
第1滚筒电动机10．0020．0040．01530．0121－16．6753电动机20．010第2滚筒电动机0．012133．35
第1滚筒电动机10．002－0．0040．01000．010915．374电动机20．0120第2滚筒电动机0．0153－30．74
第1滚筒电动机10．002－0．0040．01530．0135－4．555电动机20．012第2滚筒电动机0．019．10
第1滚筒电动机10．002－0．0040．01530．01215．206电动机20．01第2滚筒电动机0．012－10．40从2表中的数据可以看出，由于电动机串液力耦合器传动，液力耦合器使其联合工作的输出特性变564软，从而使多滚筒驱动外特性各不相同的电动机，在所有匹配情况时的转矩分配都得到较大程度的改善。
即使是匹配最不合理的情况（匹配2），电动机功率不平衡度也由采取调节措施前的56．26%降到13．42%
（小于20%，符合电动机工作要求），降低幅度接近80%．可见，采取调节措施后的调节效果明显。在γ+
Δε＞0的情况下，将外特性较硬的2电动机与第1滚筒匹配；而在γ+Δε＜0的情况下，将外特性较软的
电动机与第1滚筒匹配，都得到了相对更小的功率不平衡度。
表2调节后电动机的功率不平衡度
Tab．2Powerunbalancednessofmotorafteradjustment
匹配情况电动机编号ΔεγSeλ/%
第1滚筒电动机10．0020．0040．0450．04598－0．941电动机20．047
第2滚筒电动机0．01531．88
第1滚筒电动机10．0020．0040．05030．04859－6．712电动机20．047
第2滚筒电动机0．04513．42
第1滚筒电动机10．0020．0040．05030．0475－4．393电动机20．045
第2滚筒电动机0．0478．78
第1滚筒电动机10．0020．0040．0450．045984．25
4电动机20．047
第2滚筒电动机0．0503－8．5
第1滚筒电动机10．002－0．0040．05030．04859－1．25电动机20．047
第2滚筒电动机0．0153－30．74
第1滚筒电动机10．002－0．0040．05030．04750．9956电动机20．045
第2滚筒电动机0．047－1．99
5结论
在多滚筒传动的驱动系统中，为了使电动机功率分配相对均衡，获得比较合理的运行工况，既要综合
考虑各因素的影响规律，又要采取适当的调节措施。液力耦合器是利用液力来传递功率（力矩）的装置。
采用液力耦合器传动可使驱动装置的机械特性变软，从而改善机器的启动性能，使多滚筒传动电动机功
率分配趋于平衡。液力耦合器对带式输送机功率平衡的改善效果明显。
参考文献References
［1］孙可文．带式输送机的传动理论与设计计算［M］．北京：煤炭工业出版社，1991．
