調速型液力偶合器是一種廣泛應用于工業(yè)設備（如風機、水泵、壓縮機、輸送機等）中的柔性傳動與調速裝置。其核心功能在于通過調節(jié)工作腔內的油液充液量，無級地改變輸出轉速與扭矩，從而實現(xiàn)原動機（如電機）與工作機（負載）之間的動力傳遞與優(yōu)化匹配。以下對其工作原理進行詳細闡述。
一、基本結構與核心部件
調速型液力偶合器主要由以下幾個關鍵部分組成：
- 泵輪：與輸入軸（主動軸）相連，由原動機驅動旋轉。其作用是吸收原動機的機械能，并將其轉化為工作油液的動能和壓能。
- 渦輪：與輸出軸（從動軸）相連，驅動負載設備。其作用是接受來自泵輪的液流動能，并將其轉化回機械能輸出。
- 工作腔：由泵輪和渦輪的葉輪共同構成的環(huán)形空腔，是能量傳遞的場所。
- 導管（勺管）調速機構：這是實現(xiàn)“調速”功能的核心部件。通過外部操作機構改變導管伸入工作腔旋轉油環(huán)的深度，從而調節(jié)工作腔內工作油液的充液量。
- 供油與循環(huán)系統(tǒng)：包括油箱、油泵、冷卻器、閥門等，負責向工作腔提供、排出并冷卻工作油液。
二、工作原理：基于“弗丁格爾原理”的能量傳遞
其工作原理遵循流體動力學中的“弗丁格爾原理”，可以概括為 “泵輪提速、渦輪跟隨、油液傳力、充液調速” 。
1. 動力傳遞過程：
- 加速與轉化：原動機驅動泵輪高速旋轉。充入工作腔的工作油液在泵輪葉片的作用下，從內側流向外緣，同時獲得巨大的速度（動能）和壓力（壓能）。此過程完成了“機械能 → 液能”的第一次轉化。
- 沖擊與驅動：高速高壓的油液從泵輪外緣射出，直接沖擊對面渦輪的葉片，對渦輪葉片產生驅動力矩。
- 減速與輸出：油液在推動渦輪旋轉的其自身的速度和壓力降低，從渦輪的外緣流向內緣，最后返回泵輪入口，形成循環(huán)流動。此過程完成了“液能 → 機械能”的第二次轉化，渦輪將獲得的扭矩通過輸出軸傳遞給負載。
2. 無級調速過程：
這是調速型液力偶合器區(qū)別于普通液力偶合器的關鍵。其調速不依賴于改變輸入轉速，而是通過改變工作介質（油液）的“數(shù)量”來實現(xiàn)。
- 高充液率（導管退出）：當外部控制的導管完全退出旋轉油環(huán)時，工作腔內充滿油液。此時泵輪傳遞給油液的能量最多，油液對渦輪的驅動力最大，輸出轉速最高，接近輸入轉速（存在約3%-5%的滑差）。
- 低充液率（導管伸入）：當導管向旋轉油環(huán)內伸入時，部分油液在離心力作用下被導管“舀出”，并導回油箱。工作腔內的充液量減少。由于傳遞能量的介質變少，在相同輸入轉速下，渦輪獲得的驅動扭矩減小，輸出轉速隨之降低。
- 無級調節(jié)：通過精確控制導管的位置，可以連續(xù)、平穩(wěn)地改變工作腔內的充液量，從而實現(xiàn)輸出軸轉速在最大與最小值之間的無級調節(jié)。
三、核心優(yōu)勢與在工業(yè)設備中的應用價值
- 空載軟啟動：啟動前工作腔無油或少量油，電機在近似空載狀態(tài)下啟動，電流小，對電網沖擊小，保護電機和設備。
- 過載保護：當負載突然急劇增大或卡死時，渦輪轉速下降甚至停止，而泵輪仍可旋轉，僅使油液溫度升高，動力傳遞被自動切斷，保護原動機不受損壞。
- 協(xié)調多機驅動：在多電機驅動同一負載（如帶式輸送機）時，能自動平衡各電機間的負荷分配，防止“搶載”現(xiàn)象。
- 平滑無級調速：通過調節(jié)油量實現(xiàn)寬廣范圍內的平穩(wěn)調速，滿足工藝過程對流量、壓力、速度的調節(jié)需求，節(jié)能效果顯著（尤其對于風機、水泵類平方轉矩負載）。
- 隔離振動：非剛性連接，能有效衰減來自原動機或負載的沖擊與扭轉振動，提高設備壽命。
- 維修簡便：無需對電機和負載進行機械改造，安裝維護相對簡單。
四、關注要點
- 滑差損失：輸出轉速始終低于輸入轉速，存在滑差，這部分能量損耗轉化為油液的熱量，因此必須配備有效的冷卻系統(tǒng)。
- 調速精度與響應：相較于變頻調速，其調速精度和動態(tài)響應速度稍遜，但在中大功率、高可靠性要求的工業(yè)場合具有獨特優(yōu)勢。
調速型液力偶合器通過泵輪與渦輪間的油液動能傳遞動力，并利用導管機構精密控制工作油液的充液量來實現(xiàn)無級調速。它以一種流體柔性的方式，在渦輪等眾多工業(yè)設備的驅動系統(tǒng)中，實現(xiàn)了啟動保護、調速節(jié)能與負載協(xié)調的優(yōu)化目標，是工業(yè)傳動領域一項經典而高效的技術解決方案。
