第1章　液力传动设计基础

1.1　液力传动的定义、特点及应用

1.2　液力传动的术语、符号

1.2.1　液力传动术语

1.2.2　液力元件图形符号

1.3　液力传动理论基础

1.3.1　基本控制方程

1.3.2　基本概念和定义

1.3.3　液体在叶轮中的运动

液力偶合器叶轮的叶片是对旋转中心呈放射性布置的径向平面直叶片，而液力变矩器的叶片是周向分布同向排列的弯曲叶片。虽然形状有所不同，但它们对液体的流动作用具有相同的属性。液体在叶轮中的运动是一种复杂的空间三维流动，直接进行分析很困难。在分析液体和叶轮的相互作用与液体在叶轮中的运动时作如下假设。

①叶轮中的总液流由许多流束组成，流动轴对称。

②叶轮的叶片数无穷多，叶片无限薄，出口液流方向决定于叶片出口角，与进口角无关。即认为工作液体在各个工作流面上的运动是轴对称的，它们的相对运动轨迹与各个流面上叶片骨线相一致。

③同一过流断面上各点轴面速度相等。故所有计算可按平均流线进行。

依据以上假设，液体在流道内的三维空间流动被简化为一维束流流动。所以在研究液体在叶轮中的运动时，只要对一个轴面进行讨论即可，不必对流动空间每一个流体质点的运动情况进行分析。

1.3.3.1　速度三角形及速度的分解

在叶轮中任一液体质点相对于固定坐标系的运动速度称为绝对速度，以v表示。

液体质点在泵轮和涡轮中的运动是一种复合运动，液体既在旋转的叶轮流道中做相对运动，又随叶轮一起做圆周运动，即牵连运动。故绝对速度v为圆周速度u和相对速度w的矢量和。

　　（19-1-7）

为简便起见，通常将表示速度的平行四边形简化为速度三角形，见图19-1-1，其中β为叶片角。

为便于研究和计算，绝对速度v分解为两个相互垂直的分速度v_u和v_m，如图19-1-1所示。

　　（19-1-8）

式中　v_u——圆周分速度（绝对速度在圆周速度方向上的投影，与轴面速度垂直）；

v_m——轴面分速度（绝对速度在轴面上的投影，与轴面流线相切）。

通常情况下，圆周速度、轴面速度和叶片角均为已知，用几何作图法即可作出速度三角形。

圆周速度u为

　　（19-1-9）

式中　R——流体质点所在位置半径，m；

ω——叶轮角速度，rad/s；

n——叶轮转速，r/min。

根据假设，同一轴面液流过流断面上各点的轴面速度相等。因此轴面速度为

　　（19-1-10）

式中　Q——循环流量（工作液体在工作腔内循环流动时，单位时间内流过叶轮流道任何过流断面的工作液体的体积称为循环流量），m³/s；

A_m——垂直于轴面分速度的过流断面的面积，m²；

ψ——因叶片厚度使过流断面面积减少的排挤系数，ψ<1，，其中z为叶片数，δ为叶片法向厚度。

依据速度三角形，按下列各式可求得相对速度w、圆周分速度v_u和绝对速度v的值。

　　（19-1-11）

在分析液力元件特性时，用得比较多的是工作液体的轴面分速度和圆周分速度。

1.3.3.2　速度环量

在运动的流体内，任意作一封闭曲线，曲线上某点的速度矢量在曲线切线上的投影沿着该封闭曲线的线积分，称为速度矢量沿着封闭曲线的速度环量，以Γ表示。

对于叶轮，其平均流线上某一点的速度环量为该点的圆周分速度与其所在位置的圆周长度的乘积。

　　（19-1-12）

式中　R——平均流线上某点所在位置的圆周半径。

速度环量的大小，与流动特性及封闭曲线形状有关，标志着该处液流旋转运动的强弱程度。

1.3.3.3　液体在无叶栅区的流动

为方便讨论，对叶轮进出口位置的标注作如下规定：

a——叶轮进口处液流即将进入叶片流道的位置；

b——叶轮进口处液流刚刚进入叶片流道的位置；

c——叶轮出口处液流即将流出叶片流道的位置；

d——叶轮出口处液流刚刚流出叶片流道的位置。

显然，在b和c的位置时，工作液体在叶片流道中运动，受到叶片的约束。在a和d的位置时，工作液体处于无叶栅区，不受叶片的约束，见图19-1-2。

液流在无叶片区流动时，因无外力矩的作用，如果不考虑无叶片区的液流损失，单位时间内液流流过任一断面的动量矩不发生变化，即

上式即为无叶片区环量保持定理。

在叶轮叶片进口前的a处到刚刚进入叶片流道的b处，这段距离虽然很短，但工作液流进入b处后，因受到叶片的约束作用，迫使工作液体沿着叶片的骨线方向流动，使圆周分速度有很大改变。一般情况下v_ub≠v_ua。圆周分速度的突变使工作液流在叶片进口处产生冲击。仅当v_ub=v_ua时，叶片进口处才无冲击。此时，液流在进口处的流动方向与叶片骨线相一致。

在设计液力元件时，常选无冲击工况为设计工况，并以上角标^*来表示这一工况。显然，在无冲击工况时

对叶轮排列顺序为泵轮—涡轮—导轮的液力元件，其叶片进口无冲击的条件为

泵轮：R_B1v_uB1=R_D2v_uD2　或　Γ_B1=Γ_D2

涡轮：R_T1v_uT1=R_B2v_uB2　或　Γ_T1=Γ_B2

导轮：R_D1v_uD1=R_T2v_uT2　或　Γ_D1=Γ_T2

无冲击工况时，叶轮进口的叶片角β₁等于进口的液流角β_1y。在以后分析问题时，认为叶轮出口的叶片角等于出口的液流角，即β₂=β_2y。实际上因为叶轮的叶片数目是有限的，而且叶片具有一定的厚度，液体质点的相对运动方向与大小将受液体惯性力和轴向漩涡的影响，从而产生某种变化，特别是当液体离开工作叶轮时，液流的相对速度方向将与叶片骨线的切线方向有着明显的偏离现象。因此，β_2y≠β₂。在实际计算时，引入有限叶片修正系数ξ来对出口的液流偏离进行修正。

1.3.4　欧拉方程

1.3.4.1　动量矩方程

叶轮作用在液体上的转矩与液体作用在叶轮上的转矩大小相等方向相反，可依据动量矩方程求得

　　（19-1-13）

式中　ρ——工作液体密度，kg/m³。

以速度环量表示为

　　（19-1-14）

由此可见，液体质点流过叶轮叶片流道的过程，也就是液体速度环量发生变化的过程，由Γ₁变到Γ₂。对于给液流能量的叶轮（泵轮），Γ₂>Γ₁；对于从液流中吸收能量的叶轮（涡轮），Γ₂<Γ₁。由此可知，液力传动主要是靠液体速度环量的变化来传递能量的。

1.3.4.2　理论能头

在叶轮中，假设叶片无限多和无限薄的情况下，不考虑液流在叶轮中的液力损失，叶轮的理论能头增量以H_t∞表示，它与流速具有如下关系

　　（19-1-15）

式（19-1-15）称为欧拉方程，对于叶片式机械而言，它是一个最基本的方程式。如果用环量来表示，式（19-1-15）也可写成

对于泵轮而言，如果输入的机械能无损失地全部转化为液体动能，则其理论能头为

对于涡轮，如液体动能完全转化为机械能，则其理论能头为

对于导轮，因为其固定在壳体上不转动，即角速度ω=0，液流流经导轮时，不存在机械能和液体动能的相互转换，因此H_Dt∞=0。实际上，液体流经叶轮时必然产生能量损失，故泵轮的实际能头较H_Bt∞为小，涡轮的实际能头较H_Tt∞为大。

1.4　液力传动的工作液体

液力元件普遍采用矿物油作为工作液体。为满足防燃防爆要求，煤矿井下应用限矩型液力偶合器须按规定采用清水（pH≤7）或采用水基难燃液为工作液体。

1.4.1　液力传动油的基本要求

液力传动油除作为工作介质外，还起润滑和冷却的作用，有时还一同作为液力机械传动装置及其液压操纵系统的工作介质，对机械传动部分进行润滑、冷却和操纵。因此，应根据具体结构和使用条件来选择油的种类。对液力传动油的基本要求见表19-1-6。

1.4.2　常用液力传动油

国内外液力传动用油的种类较多。国外液力传动油的分类是按照ASTM（美国材料试验学会）和API（美国石油学会）的分类方案，将液力传动油分为PTF-1、PTF-2、PTF-3等3类。目前我国将液力传动油归类到液压油分类标准（GB/T 7631.2—2003）中，产品代号为HA（自动传动系统用油）和HN（液力变矩器和液力偶合器用油），但是在其备注中指出HA和HN的组成和特性的划分原则待定。

国内一般采用22号汽轮机油或者液力传动专用油。

8号液力传动油是以低黏度精制馏分油为基础油，然后加入增黏、降凝、抗磨、抗氧化、防锈、抗泡沫等添加剂制成，具有良好的黏温性、抗磨性和较低的摩擦因数，它接近于PTF-1级油，适用于轿车、轻型载货汽车的自动变速器。6号液力传动油是以22号汽轮机油为基础油，再加入增黏、降凝、清净分散、抗氧化、抗腐、防锈、抗泡沫等添加剂制成。与8号液力传动油相比具有更好的抗磨性，但黏温性稍差，它接近于PTF-2级油，适用于内燃机车和重型货车的多级变矩器和液力偶合器。

对于液力元件与自动换挡控制系统共用同一种油的传动装置，一般可采用8号液力传动油。对于工程机械、风机、水泵等用的液力元件，可采用6号液力传动油。

内燃机车液力传动的专用油有Ⅰ和Ⅱ两种。

这些油的性能参数见表19-1-7。

1.4.3　水基难燃液

限矩型液力偶合器在煤矿井下刮板输送机上得到广泛的应用。由于井下工况恶劣，屡有因液力偶合器高温喷油引起火灾的事故发生。目前，已有几种国产的水基难燃液用于井下的限矩型液力偶合器，其理化性能见表19-1-8。