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液力变矩偶合器是一种新型液力传动元件,目前在国内外市场还未出现该类产品。与液力变矩器和液力偶合器传动元件的性能相比较,它兼具有传动效率高且过载时能变矩的功能特点,因此特别适用于刮板输送机、石油钻井机、轻型车辆等设备的传动匹配领域。其总体结构方案相当于在限矩型液力偶合器结构的基础上布置无内环的导轮,利用工作腔内的气液两相流体循环流态随转差率变化的原理,自动实现牵引(偶合)工况和过载(变矩)工况的切换。传动效率和变矩比是评价液力变矩偶合器性能的关键指标,而目前针对液力变矩偶合器性能的预测手段及流道结构方案的设计方法尚未成熟。本文以某型号刮板输送机为应用对象,设计了与其相匹配的液力变矩偶合器,采用数值计算的方法预测其性能,研究关键流道参数对其性能的影响规律,通过试验测试其内部流场与外部特性,验证了计算方法的有效性。主要研究内容如下。(1)根据某型号刮板输送机的匹配需求设计液力变矩偶合器。基于匹配参数要求确定了液力变矩偶合器的循环圆有效直径,参考同规格液力偶合器结构选取其工作腔形状并设计泵轮、涡轮的流道参数,采用等倾角摄影法设计了导轮叶片。通过CFD数值计算的方法对液力变矩偶合器进行特性预测,拟合出液力变矩偶合器的原始特性曲线。(2)研究导轮布置形式对液力变矩偶合器性能的影响规律。在叶片角及叶片数相同的条件下,设计五组导轮布置方案。分析了五种导轮布置形式对气-液两相环流规律的影响,通过CFD数值模拟的方法分别对五组方案对应的液力变矩偶合器进行仿真计算。获得了一定充液率下五组方案对应的原始特性并比较分析。(3)研究导轮关键参数(叶片高、叶片数、出口角)对液力变矩偶合器性能的影响规律。通过VOF数值计算的方法分析不同充液率工况下的气液两相流体大/小环流状态,在此基础上确定导轮高度区间范围;分别制定了五组导轮叶片数、出口角方案,通过数值计算的方式分别比较五组叶片数、出口角方案对其性能的影响规律。结果表明导轮叶片出口角度取17°,导轮叶片数取20时,液力变矩偶合器可获得较好的综合性能。(4)完成液力变矩偶合器的内外特性试验并与仿真结果进行对比分析。加工制造透明样机。搭建内/外特性测试系统并设计相应试验方案,对液力变矩偶合器内部的气-液两相环流特性进行测试并与仿真结果进行对比分析;对液力变矩偶合器样机的外部特性进行测试并与仿真结果进行比较;验证了内/外特性数值计算方法的有效性,证明了本文各影响因素仿真计算的正确性。