液力耦合器教案

2.采用调速型液力耦合器

汽动给水泵由汽轮机驱动，在变工况时，可改变汽轮机转速满足不同工况的要求。电动给水泵由电动机驱动，在变工况时，只能依靠液力偶合器改变电动给水泵的转速，满足负荷变化的要求。

液力偶合器是一种利用液体传递扭矩，能够无级变速的联轴器。液力偶合器的主要用途是在原动机转速不变的情况下，改变输出转速，从而达到改变输出功率的目的。 1．技术参数

电动给水泵用的液力偶合器型号为R16K.1,其主要技术数据如下： 项 目 型号 输入转速 额定输出转速 额定输出功率 重量 调速范围 额定滑差 单 位 r/min r/min kW kg % % R16K.1 2985 4718（设计点工况） 2827.3（设计点工况） 1500 25%～100%（对应设计点工况） ≤3 顺 时针（从电动机 向 偶合器 看） 输出轴旋转方向 2．液力偶合器传动原理

图4-9是液力耦合器的结构示意图。它主要由两个带有径向叶片的碗状工作叶轮组成（参看图4-29）。一个为主动轴带动的工作转轮，称泵轮；另一个为与从动轴相连的工作叶轮称涡轮，两轮相对且保持一定的间隙。在泵轮与涡轮中的径向叶片之间又形成一对工作腔室，构成一个循环通道，即称循环圆。循环圆内充有工作液体，通常是矿物油，也可是透平油。为避免共振，涡轮的叶片数一般比泵轮的少l一4片。

若主动轴由原动机驱动以一定的转速nB旋转，则循环圆内的工作液体由于泵轮叶片的作用，从靠近轴心处流向泵轮的外圆处。在流动过程中工作油从泵轮获得了能量，因而工作油在泵轮的出口处具有较大的动量矩(质量与速度的乘积为动量，动量乘以它与轴心的距离，称为动量矩)。具有较大动量矩的工作油，沿着绝对速度的方向冲入涡轮。

冲入涡轮内的工作油，首先作用在涡轮外周处的叶片上，然后沿着涡轮的径向叶片组成的径向流道，流向涡轮靠近从动轴的轴心处。在工作液体从涡轮的进口流向出口的过程中，工作油的动量矩减少，涡轮便从工作液体中获得了力矩，于是也转动起来，转向与泵轮同，但转速nT低于泵轮转速nB。工作油从涡轮出口处流出，动量矩已经很小了，它得重新流入泵轮。在泵轮中它又获得了能量，在泵轮出口处工作油又具有较大的动量矩。这些工作油又冲入涡轮的叶片，将能量传给涡轮。如此周而复始不断循环，涡轮便始终能获得能量，并以转速nT旋转起来。

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图4—31表达了工作油在泵轮内运动的情况。泵轮旋转，工作油以相对速度w沿径向流出，泵轮带动工作液体一起做圆周运动。圆周速度u与圆周相切并和泵轮转向一致，绝对速度v则为相对速度w与牵连速度u的矢量和，绝对速度v表明了工作油离开泵轮的方向。

涡轮被泵轮驱动起来，但涡轮的转速始终低于泵轮的转速，即nT < nB。因为，若泵轮与涡轮的转速相等，则泵轮出口处的工作油的压力与涡轮进口处的油压相等，且它们的压力方向相反，相互顶住，工作液体无法在循环圆内流动。工作油不流动，涡轮就得不到力矩，当然就不能转动，nT亦就为零了。涡轮依靠工作油传递能量，而工作油的流动必须满足nT < nB。由以上分析可知，涡轮的转速永远只能低于泵轮的转速。只有当nB >nT时，泵轮出口处的工作油压力才大于涡轮进口处工作油的压力，工作油在压力差作用下产生循环运动，于是涡轮被冲动旋转起来。

根据流体力学原理，若不计液体在泵轮、涡轮中的流动阻力，则泵轮作用在工作轮上的力矩MB与工作液体给于涡轮的力矩MT，满足下列关系 MB = MT

设泵轮旋转角速度为ωB，涡轮的旋转角速为ωT。若不考虑轴承、密封等机械损失及容积损失，则工作液体从泵轮得到的功率为MBωB，涡轮从工作油得到的功率为MTωT，液力耦合器的效率为

η= MTωT / MBωB =ωT/ωB 设速比为i ，则

i = nT / nB =η

由上式可知，在忽略流体的流动阻力及轴承、密封等损失的情况下，液力偶合器的速比i等于耦合器的传动效率。另外，速比与滑差S有下列关系 i = nT／Nb = l一(nB—nT) = l—S

速比i越大，滑差S越小，反之亦然。液力耦合器在满载情况下的速比为97.8％，滑 差则为2.2％。

3．液力耦合器的特性

液力联轴器的特性，可以用外特性表示。液力联轴器的外特性是指泵轮转速nB和工作液体密封度ρ及液体运动粘度系数ν不变的条件下，泵轮力矩MB、涡轮力矩MT、效率η与速比i的函数关系。图4—32所示为液力联轴器的外特性，分析图形可得出以下结论。 (1)力矩MB(MT)随速比i的增加

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而减小，亦即随着涡轮转速的增加，传递力矩下降。当i = 1，即nB=nT时，力矩为零。此时循环圆内工作液体不流动，泵轮无法向工作液体传递能量，涡轮亦不能从工作液体中获得能量。当i=0，即nT=0时，力矩MB(MT)达到最大。此时，循环圆内的循环工作油流量最大，泵轮给工作液体的能量全消耗在各种能量损失上。

(2)液力偶合器的效率η随着i的增加而直线上升。当i=1时，偶合器的效率η=1，实际上偶合器的效率不可能等于1。当效率高达A点(i=0.985)后效率曲线急剧下降到C点(i=0．99)时，效率已降到零。这是因为当i趋向于1时，液力耦合器传递的力矩值最小，但工作轮转动时所受到的空气阻力力矩所占比例却越来越大，传动效率也就不再上升，而是很快就降到零。传动速比较小时，由于传动的力矩值较大，而涡轮的转速又较低，因此空气阻力可以略而不计。从A点到C点，对应的i=0.985~0.99。在使用液力耦合器时总希望提高它的效率，换言之，希望提高涡轮的转速nT。在设计时，一般取速比i=0.95~0.975。 (3)在设计工况时(i=0．95～0．975)，偶合器应具有尽可能大的力矩。由力矩公式可 知，力矩越大，液力偶合器的有效直径可以减小。对大型低速液力偶合器，可显著地减小偶合器的尺寸。(这就是为什么装增速齿轮)

(4)i=0时，力矩Mo应尽可能小。因为涡轮转速为零时，若传动力矩小，则意味着防护性能好，脱离性能也好，空转损失发热少。

循环圆内的工作油流量Q与速比i也密切相关。当速比i=0时，循环圆内工作液体的流量Q达到最大。随着速比i的增大，工作液体流量Q不断减小，直到i=1，工作油的流量Q为零。图 4-33所示为循环圆内工作油流量与速比i的关系曲线。

4．液力偶合器部件、结构与油系统

现以进口的R16K--550型液力偶合器为例来介绍，其结构如图4-34所示。原动机轴拖动液力联轴器主动轴1，主动轴上装有大齿轮4与5，大齿轮传动小齿轮29与30，使液力偶合器的泵轴增加转速。泵轮25通过工作液体使涡轮23旋转。18为旋转内套，在旋转内套与涡轮间的腔室中装有可移动的勺管14。在泵轮与涡轮的轴上均装有推力轴承。 主油泵与工作油泵同轴而装，它们由主动轴通过增速齿轮6驱动。工作油泵为离心式，主油泵为齿轮式。9辅助油泵为齿轮式，它由电动机拖动。35为双向双滤油器，在运行时可相互交替使用其中一组。当滤网上积垢过多时，差压计上的读数增大，就可更换另一组，使积垢过多的一组滤油器停役清洗。

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液力偶合器一般都配有增速齿轮，使涡轮的转速高于原动机的转速，然后在这个较高的转速值下往降低转速的范围内调速。液力偶合器的增速方法有一级增速与两级增速。所谓一级增速，即只有一组增速齿轮，液力偶合器可放在增速齿轮之前(低速端)，也可放在增速齿轮之后(高速端)。液力偶合器布置在高速端，则偶合器的尺寸可大为缩小，但高速对偶合器的材料质量要求较高。偶合器若布置在低速端，则偶合器的尺寸较大，但对偶合器的材料质量要求较低。R16K--550型偶合器为一级增速，且液力偶合器布置在高速端。 采用两级增速的液力偶合器，有两组增速齿轮，一组置于泵轮前，另一组置于涡轮后。它吸收了低速端布置与高速端布置的优点，但造价较贵。大容量给水泵液力偶合器有不少都是采用两级增速的。

[泵轮涡轮组成的循环流道对液力偶合器工作性能影响甚大。目前循环圆流道有标准型内环流道、长圆形流道、圆形流道、扁圆形流道、桃形流道和多角形流道等。桃形流道外

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侧采用较大的圆弧，内侧采用直线段，大圆弧与直线段之间采用小曲率的圆弧过渡，其泵轮的有效直径小，泵轮进口处直径大。这种流道过载系数(Mi=o／Mi=0.975)显著降低，而速比i=0.975时的力矩却大为提高。] 液力偶合器工作时，泵轮与涡轮所形成的腔室内，大部分是工作油，少部分是空气。液力偶合器运转时，由于流道中的功率损失最大，因此工作油温度升高，在速比i=2／3=0．666时，液力偶合器的功率损失最大，因此工作油温度升至最高。液力偶合器内油温升高，空气受热膨胀，会导致泵轮与涡轮的爆炸。为此在旋转内套上装有易熔塞，当液力偶合器内工作温度升高至100°C时，易熔塞熔化，循环圆内工作油经易熔塞孔排出，涡轮停止转动。同时，正常工作时，油泵不断向液力偶合器循环圆内供油，勺管不断排油至冷油器冷却，保证循环圆内工作油温度不致过高。

图4-35为R16K--550型液力偶合器的油系统。由图可知，该型偶合器的油系统工作油回路由一个开放的回路重合一个闭合回路组成，改变循环圆内的充油量。

在闭合回路里，工作油泵1将偶合器油箱内的油打人液力联轴器的循环圆内，途中经过循环控制阀30、节流阀27。循环圆内的工作油通入勺管34，由于工作油的压力，使工作油通入冷油器21冷却，然后经过循环控制阀30，重新与工作油泵供给的油一起进入液力偶合器的循环圆内。

开放回路由工作油泵1、节流口29与压力安全阀28组成。开放油路所起的作用是调节循环圆的供油量。当液力偶合器所需的供油量降低，则工作油泵过量的供油可以通过压力安全阀28重新回到油箱。当液力偶合器所需的供油量增加，则通过压力安全阀回油箱的过剩的工作油量减少，甚至没有回油。

在润滑与控制回路中，主油泵2从油箱吸油，然后输入管路、润滑油冷却器9与双向双滤油器16，然后通往各轴承、齿轮箱润滑冷却。同时，还通往压力开关，主油泵的供油还输入勺管调节机构作为控制油。

辅助油泵14为齿轮式，由电动机驱动，从油箱汲取润滑油并通过止回阀11，进入润滑油回路。辅助油泵在液力偶合器启动前工作，进行轴承润滑、冷却，待各轴承得到充分润滑后，才能启动液力偶合器。液力偶合器投入正常工作后，由于主油泵已能工作可停用辅助油泵。液力偶合器停车前也需要启动辅助油泵。

在偶合器的泵轮轴与涡轮轴上各有一道推力轴承，平衡偶合器在运转中所产生的轴向力。

液力偶合器的轴向推力主要由三部分组成：

首先是供油压力作用于不均衡面积所引起的。这部分的轴向力的方向是使泵轮与涡轮相互分开，轴向力的大小与供油压力的大小和不均衡的面积有关。另一部分轴向力是液体在工作腔中循环流动时，要产生动压力，动压力的大小与旋转速度有关。最后是液体旋转时离心力对轮壁静压力的轴向分量，工作腔内充油量的改变会引起推力的变化。

必须注意，在耦合器稳定运行时，两个工作轮受的推力大小相等、方向相反。工作过程中随负荷的变化，推力的大小和方向都可能发生变化，因此要设置双向推力轴承。

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5．液力偶合器调速原理

由流体力学动量矩公式可知，影响传递力矩的主要因素是液力偶合器循环圆内的工作油流量Q。所以调节循环圆内的充油量，就可以在原动机转速不变的情况下，改变泵的输入力矩，从而使泵的转速、流量、扬程及功率随之变更。 图4-36所示为工作油充油量不同时的液力偶合器特性，图中最外面的一条曲线为循环圆内全充油的特性。充油量减少，力矩曲线下降，图中充油量q1>q2>q3??。设负荷力矩曲线为ab，则ab与??等曲线的交点即为偶合器的工作点。循环圆内充油量减少，泵转速下降，负载力矩也减少，反之亦然。通过循环圆内充油量的调节，液力偶合器的调速范围可达i=0.2~0.975。

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在液力偶合器中，改变循环圆内充 油量的方法基本上有三种： (1)调节循环圆的进油量； (2)调节循环圆的出油量； (3)调节循环圆的进、出油量。 调节工作油的进油量是通过工作油泵及调节阀来实现的，调节工作油的出油量是通过旋转内套里的勺管的位移来实现的。但是，这两种调节方法的调节速度均较慢，如果汽轮发电机组要求迅速增加负荷，或迅速减负荷，它们均不能满足要求。只有采用第三种调节方法，在改变工作油的进油量的同时，移动勺管位置，又调节了工作油的出油量，才

能使涡轮的转速迅速变化。R16K--550型液力偶合器采用第三种调节方法。 勺管又称导流管，如图4-29所示，它装置在由泵轮带动的旋转内套的腔室(副油腔)中。循环圆内的工作油通过涡轮与旋转内套的径向间隙，进入副油腔内。副油腔壁上装有叶片或开有油孔、凹槽等，促使副油腔内工作油转速接近于循环圆内工作油转速。一般，循环圆内的工作油层比副油腔油内层稍薄。为简化问题，可忽略它们的差异，将它们的油层厚度视为相等来分析。当电信号通过执行机构使凸轮转动时，经过中间的机构使勺管向旋转内套壁(外径)方向移动，则循环圆内油层变薄，多余的工作油(勺管所处半径以内)由勺管导出，进入冷油器。循环圆内油层厚度变薄，偶合器传递的力矩降低，泵轴的转速随之下降，泵供给的流量与扬程也立即降低，达到调节的目的。反之，当勺管向离开旋转内套壁方向移动时，则循环圆、副油腔内油层增厚，液力偶合器传递的力矩增加，泵轴转速随之上升，供给的流量与扬程立即增加。

副油腔内旋转的工作油遇到不转动(只能移动)的勺管头，动能转变成压力能，此压头 为

在压头H的作用下，油环的工作油自勺管排出，因为它本身具有压力，所以能流向冷油器、循环控制阀而重新回到循环圆内。设计时，勺管的排油能力总是大于偶合器的进油量。

液力偶合器在某一稳定工况下运转，勺管的位置不动，工作油泵不断向循环圆内供油，勺管不断排出循环圆内的工作油。此时，泵转速不变，循环圆内工作油温不会升高。

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图4—37所示为液力偶合器的调速机构。当主控室发出电信号时，通过执行机构使凸轮给31与34转动。凸轮组的转动使压缩弹簧22作用于控制杆37与23而上、下移动。控制杆37通过弹簧片19与控制柱塞43相连接，而控制杆23与连接杆18相连，并且直接与控制阀活塞1连接，可控制循环控制阀的开度。控制柱塞43在控制套筒内，稳定运转时，回油孔I与Ⅱ全被堵塞。勺管49在某一位置稳定工作，但当控制杆23被凸轮往下压时，控制柱塞43也往下移动。结果进油孔与回油孔Ⅱ相通，压力油由油孔Ⅱ进入液压油缸勺管活塞的内侧，使勺管49向左移动，亦即向“满负荷”(100％)方向移动。此时，液力联轴器内油层厚度增加，泵轴转速升高，泵的流量、扬程、功率都相应增加。当凸轮34使控制杆往下移动时，凸轮31使控制杆23也往下移动，通过连接杆18把循环控制阀活塞1开大，增加工作油泵的油进入液力偶合器的循环圆内，缩短泵增速所需的时间。 当勺管49往左移动时，循环圆内油层增厚，泵轴转速升高的同时，由压缩弹簧41控制的控制套筒46，通过滚轮沿着勺管的倾斜表面向下运动。于是，原来被打开的油孔重新被堵塞，勺管被固定在新的位置上不再移动，而给水泵也在某一升高了的转速下稳定运转。 如果凸轮34的转动使控制杆37向上顶，则压力油的进口油孔与回油孔工相通，·压力油进入液压油缸活塞的外侧(也可以不接此油路，此时液压缸左侧的弹簧膨胀也可达到同样目的)，使勺管49向右移动，即向“无负荷”(0％)方向移动。此时，液力偶合器循环圆内油层厚度减薄，联轴器输出转速降低，给水泵的流量、扬程、功率均相应下降。同时，凸轮31亦使控制杆23往上移动，通过连接杆18使循环控制阀的活塞1关小，减少工作油泵的油进入液力联轴器的循环圆内，缩短了泵降速的时间。

在勺管49往右移动，循环圆内油层减薄的同时，由压缩弹簧41控制的控制套筒46往上移动，于是原来被打开的油孔重新被堵塞，勺管被固定在新的位置上不再移动，而给水泵也在某一降低了的转速下稳定运转。

综上所述，凸轮组上的两个凸轮任务各不相同。凸轮34是控制勺管的位置的，凸轮31是控制循环控制阀的。勺管的位置能从行程指示器65上读出，同时凸轮的表面形状随着转动角度的改变，应使勺管的位移与涡轮速度变化之间的函数关系成为线性关系。

连接控制杆37与控制柱塞43的弹簧片19，可以根据需要调节它的长度，从而改变勺管的调节特性，满足负荷的要求。 6．液力偶合器的特点

目前，液力偶合器被广泛地应用在火力发电厂给水泵组与离心送、引风机上。使用液力偶合器有以下特点：

(1)可实现无级变速。液力偶合器在移动勺管位置后，能改变涡轮的转速，使泵的流 量、扬程都得到改变，并使泵在高效率下运行。

液力偶合器在调速的过程中，它的效率随着速比的降低而直线下降。但是，由于泵的负载力矩即负载本身功率也随着转速降低而减少，所以功率损失的绝对值实际上并不大。负载力矩与转速的平方成正比时，最大损失功率为额定功率的0.148；负载力矩与转速成正比时，最大损失功率为额定功率的0.26。所以，液力偶合器进行无级变速还是比较经济的。

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(2)可以满足锅炉点火工况的要求。锅炉点火时要求给水流量很小，定速泵用节流降压满足，但这方法的节流损失太大。如125MW机组定速泵在启、停和低负荷时，给水阀压差可达12.75MPa左右。不但节流损失很大，而且阀门很易损坏。阀门损坏关不严，泄 漏量当然大。如果利用液力偶合器调速时，只需降低输出转速即可满足要求，既经济又安全。同时，用液力联轴器调速使给水操作台大大简化，可减少许多管路和阀门。

(3)可以空载启动，离合方便。利用液力偶合器的充、放油即可实现无油空载启动原动机，所以电动机可以不需要留较大的富裕量。由于电动机驱动给水泵的启动力矩较大，所以定速泵电动机配置容量要比泵的额定功率大30％～50％，很不经济。但是因为液力偶合器可使泵在较低的转速下启动，所以启动力矩可小得多，电动机的容量不需要留有过大的富裕量。同时，在运转时也可使电动机在较高的效率下工作。

(4)可以隔离振动。偶合器的泵轮与涡轮之间没有任何机械连接，扭矩是通过液体来传递的，它们的传动是柔性的。当主动轴的扭矩有周期性波动(例如扭振)时，不会通过偶合器传到从动轴上；反之，从动轴上的振动亦不会传至主动轴上。因而，液力偶合器具有良好的隔振性能。

液力偶合器主动轴与从动轴的对中也没有严格要求。

(5)对动力过载起防护作用。由于液力偶合器是柔性传动，所以，工作时有滑差。当从动轴上阻力扭矩突然增加时，滑差就增大，甚至制动。但此时原动机仍继续运转而不受损，只是速比i=0。因此，液力偶合器可保护传动系统免受动力过载的冲击。

(6)传动有一定功率损失，价格较贵。液力偶合器运转时有一定的功率损失。除本体 外，还要有一套辅助设备(增速齿轮箱伺服机等)，所以价格较贵。 7．液力偶合器的运行

液力偶合器在试车前，需做好下列工作：

(1)检查所有设备的同轴性。由于运转热膨胀与轴同心的破坏，如果需要进行校正，则需要记录中心的值。

(2)检查固定的基础。

(3)解开液力偶合器，检查驱动液力偶合器电动机的转动方向。

(4)检查油位。由于热膨胀和空气的缘故，运转时油位可能升高到最大刻度。如果油位超过最大刻度，必须排除一部分油。

(5)润滑油管路充满油。当压力差高至0．06MPa时，切换过滤器进行滤网清洗。检查外部单元润滑油，清洗管路，检查管道是否泄漏。 (6)检查润滑油与控制油压力。

(7)检查压力开关点的开关与它们的功能，检查温度开关点的监视。

(8)运转辅助油泵，读勺管位置的刻度指示。在100％勺管位置上，在调节机械上检查和调整最大控制或反馈信号。在运转之后，通过调节机械调整最小控制或反馈信号符合勺管的0％位置。

(9)设置勺管最小位置，切断辅助润滑油泵。

(10)在冷油器水侧，打开冷却水阀门，排出冷油器水侧的冷却水，并检查流量。 在以上工作全部具备后，可进行试车。试车的操作步骤如下；

(1)启动辅助润滑油泵。当润滑油压力达到规定值时，接通主油泵原动机或监视自动装

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置。

(2)在主油泵有了转速直到高速，并且存在润滑油压力之后，监视辅助油泵自动停车，或手操作停用辅助油泵。

(3)在最小速度运转的单元，监督运转平衡、温度、润滑油压力与过滤器处于正常状态。 (4)从低速升到高速。调整工作油与润滑油温度通过冷油器水侧的流量，必须保证最小水速0．8m／s。监察温度直至有稳定的值，再调整工作油流量，冷油器进口的工作油温度，不应该超过100°C。

(5)通过振动的测量记录、评价液力联轴器运转的平衡性。

(6)转动部件降低到最小速度。在主油泵原动机切断电流后，检查辅助油泵在润滑油压力下降时能自动接通电源。应在原动机与液力偶合器全部停顿下来之后，切断辅助润滑泵电源。

(7)在试车期间或之后，清洗润滑油过滤器，并且充入运转用的油。检查与调整油位。 调节机构的行程必须有极限。 启动时，工作油的粘度必须不超过250mm2／s。对于油的挑选，应符合制造厂的规定。 液力偶合器能够在勺管的任何位置启动与停车。勺管在最小位置时，给水泵能够在实际无负荷的情况下启动。

保持好的释放空气的性能，在连续运转期间油温度不能降低至45°C以下。

偶合器如果反转，从动轴允许达到最大速度的三分之一，但是辅助润滑油泵应该在运转状态下。如果反转产生在较高的速度时，或者尽管辅油泵停转，可以允许在以下条件(1～3min内)下进行：

(1)从动轴转动方向被监控。

(2)辅助润滑油泵一旦产生反转，立即停止运转。 (3)移动勺管至100％位置。 (4)关闭给水截断阀。

如果产生反转而没有指定的预防措施，则在再次启动前应检查轴承及易熔塞。 轴承温度一般不超过85°C，厂方推荐在90°C时发出轴承温度高的信号。

在工作机器的转速有波动的情况下，检查工作油里空气释放的特性，并检查工作油滤油器的永久通气孔。

在油位增加的情况下检查油中的含水量。

在润滑油过滤器中，检查油温度，润滑油与控制油压力和压力差。

如果工作油循环中断使联轴器内油温升高到160°C以上，易熔塞金属熔化，形成通孔，联轴器内的工作油将通过这些孔排出。

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