Гидравлика и гидропривод

имеет иа 3—5 лопаток больше). Для уменьшения потерь напора в гидромуфте обеспечивают минимальный осевой зазор между колесами (2—3 мм).

Рассмотрим процесс преобразования энергии в гидромуфте вдоль средней линии меридианального сечения рабочей полос­ ти (см. рис. 14.5).

механической энергии и силового взаимодействия с лопатками перемещается в насосном колесе от малого радиуса Ri к боль­ шому R2, при этом механическая энергия преобразуется в гид­ равлическую: создается напор, который достигнет максималь­ ного значения на радиусе R2. Из колеса насоса жидкость посту­ пает в колесо турбины и, по мере протекания в нем от радиуса Ri к R2, напор жидкости уменьшается, преобразуясь в механи­ ческую энергию ведомого вала за счет силового взаимодейст­ вия с лопатками турбины.

Так как в гидромуфте между насосным и турбинным коле­ сами нет каких-либо элементов, имеющих внешнюю опору, при установившемся режиме работы моменты на валах будут рав­

Момент Мт складывается из момента на валу н механических потерь, а момент Мн — из двух предыдущих слагаемых и вен­ тиляционных потерь.

Коэффициент трансформации момента [см. (10.17)]; Км** =M T/Af„ = l. Тогда КПД гидромуфты

ным Мном. Как следует из уравнения (14.27), КПД при этом

Лном:=0,97 -г0,95.

В. наиболее распространенных гидромуфтах с плоскими ра­ диальными лопатками (см. рис. 14.5) при постоянной скорости вращения ведущего вала напор, развиваемый насосным коле­

[2]). Поэтому, как видно из уравнений (14.5), (14.6) и (14.24), малому моменту сопротивления на ведомом валу соответствует малый расход в рабочей полости муфты, а этому режиму соот­ ветствует малая мощность потока N=pgHQ.

С ростом момента сопротивления на ведомом валу увеличи­ вается расход в рабочей полости, а следовательно, и мощность потока. При этом значение скольжения 5 между колесами так­ же возрастает. Расход в рабочей полости достигает максималь­

чае также максимальный. На этом основана работа гидравли­ ческих тормозов [2].

Кроме этого, при 5=1 максимальны потери напора в рабо­ чей полости, которые, в конечном итоге, преобразуются в теп­ ло, что обусловливает необходимость охлаждения гидромуфт.

заполняется жидкостью. Гидромуфта считается полностью за­ полненной, если объем жидкости составляет 90—95% объема рабочей полости. Свободное пространство необходимо для рас­ ширения жидкости при нагревании, а также выделения из нее паров и газов при работе гидромуфты. Наличие газов в рабо­ чей полости резко уменьшает кавитационный износ [2J.

14.3.2. Характеристики

Характеристики необходимы для оценки энергетических и эксплуатационных качеств гидромуфт. Различают внешние, универсальные и приведенные (безразмерные) характеристики.

Внешняя характеристика представляет собой зависимость момента, мощности и КПД от частоты вращения турбины или от передаточного отношения (или от скольжения) при постоян­ ных значениях частоты вращения насосного колеса и вязкости жидкости (рис. 14.6, а). Она строится, обычно, по результа­ там опытных испытаний гидромуфты. В некоторых случаях на характеристику наносят значения осевых сил. Часто ограничи­ ваются только моментной характеристикой, так как значения мощности и КПД можно получить расчетным путем.

Как указывалось выше, при s = 0 (i= l) М = 0. С ростом значения скольжения момент увеличивается и достигает своего

Рис. 14.6. Характеристики гидромуфт:

амаксимальная — в промежутке между пт=О и п т= п „ . Зависимость ri = i представляет собой прямую линию, прохо­

дящую через начало координат. Так как даже при холостом ходе момент на валу не равен нулю, то и КПД не может быть равным единице (т)тах=0,99-^0,995). С ростом нагрузки (мо­ мента) КПД интенсивно падает, что является недостатком гид­ ромуфт.

Универсальная характеристика в отличие от внешней пред­ ставляет собой зависимости момента, мощности и КПД от i, птили s при разных частотах вращения ведущего вала п„. Она строится на основании серии внешних характеристик, получен­ ных опытным путем при разных частотах вращения насосного колеса. Обычно, на эту характеристику наносят только значе­ ния моментов и линии равных КПД (рис. 14.6,6).

Приведенная характеристика представляет собой зависи­ мость коэффициентов мощности XN и момента Ям от передаточ­ ного отношения или КПД (рис. 14,6,в). Обычно',' она строится

внешних характеристик. Приведенные характеристики служат для сопоставления между собой эксплуатационных свойств гидромуфт различных конструкций и размеров, работающих при разных частотах вращения насосного колеса и на разных жидкостях, или для выбора размеров гидромуфт из ряда по­ добных данной конструкции.

Рис. 14.8. Распределение жидкости в рабочей полости (а—г) гидромуфты без

ностью заполненных жидкостью, изменяются не монотонно, а содержат перегибы и даже разрывы сплошности, особенно при малых заполнениях (см. рис. 14.7,6). Это объясняется тем, что при частичном заполнении рабочей полости форма потока жидкости определяется не только конфигурацией внутренней поверхности рабочих колес, но и силами, действующими на жидкость.

Согласно уравнению (14.5) при нагрузке М =0, 5=0 расход Q= 0, т. е. в рабочей полости отсутствует циркуляция жидкости между колесами, следовательно под действием центробежных

вует, кроме центробежной, гидродинамическая сила взаимодей­ ствия жидкости с лопатками колес. В насосном колесе обе эти силы направлены от оси вращения к периферии, а в турбинном гидродинамическая сила имеет обратное направление. Так как

при s> 0 я„>пт центробежная сила в турбинном колесе мень­ ше, в итоге равнодействующая сил, действующих на жидкость,

д).

При дальнейшем увеличении нагрузки до Мв>Мб, se>so и

действующая сил, действующих на жидкость в турбинном ко­

После этого в меридианальном сечении рабочей полости жид­

режим из точки е проследует через точки в, г', г. Но в точке г момент Мг>М 'м, поэтому начинается разгон системы, и режим проследует через точки г, в', в, а так как в точке в Мв<М 'м, вновь происходит замедление системы, и весь процесс повто­ ряется, причем он будет изменяться до тех пор, пока статичес-

кие характеристики M=f(i) и MH=f(i) не пересекутся правее точки в или левее точки г.

На практике неустойчивость режима выражается колебани­ ем значений моментов и скорости в приводе: чем меньше за­ полнение рабочей полости гидромуфты, тем больше амплитуда колебаний момента, и тем больше диапазон неустойчивых ре­ жимов (см. рис. 14,7,6).

14.4.3. Сглаживание характеристик

Существуют следующие способы сглаживания моментных ха­ рактеристик и предотвращения неустойчивых режимов: уста­ новка порога на выходе из турбинного колеса или на входе в насосное колесо; применение гидромуфт с внутренним тором; удаление рабочей полости от оси вращения.

кости в кольцевой поток при больших скольжениях, а следова­ тельно, не происходит резкого увеличения момента. Значение минимального входного радиуса Ri для насосного колеса в этом случае ограничивается высотой порога. Меридиональное сечение такой гидромуфты асимметричное. По различным реко­ мендациям [2, 11] отношение диаметра порога к активному диаметру должно находиться в пределах 0,4—0,5. Степень за­ полнения рабочей полости гидромуфты должна быть такой, чтобы при длительном эксплуатационном режиме (малое скольжение) вся рабочая жидкость циркулировала выше поро­ га. Однако, установка порога приводит к увеличению потерь напора в муфте и ее перегреву.

Гидромуфты с внутренним тором при определенной степе­ ни заполнения, как и муфты с порогом, также исключают пе­ реформирование потока в рабочей полости при изменении на­ грузки. Однако, тор в этих условиях (см. рис. 14.2,6 и 14.8, б, в) является дополнительным гидравлическим сопротивлени­ ем в рабочей полости.- Кроме того, он усложняет конструкцию. Поэтому гидромуфты такого типа почти не получили распрост­ ранения.

Удаление рабочей полости от оси вращения уменьшает раз­ ность-радиусов # 2 и Ri (см. рис. 14.8,г), а следовательно, и разность моментов при переформировании потока [см. уравне­ ние (14.5)]. При этом отсутствуют дополнительные гидравли­ ческие сопротивления в рабочей полости гидромуфты. Однако эффективность сглаживания характеристик из-за возможного переформирования потока в рабочей полости невелика, а ак­ тивный диаметр гидромуфты увеличивается. Чаще всего этот способ применяется в совокупности с установкой небольшого порога.

Все гидромуфты можно разделить на регулируемые и нерегу­ лируемые. Независимо от принадлежности к той или иной группе, гидромуфты могут быть постоянного или переменного

14.5.1. Регулируемые гидромуфты

Регулируемые гидромуфты постоянного заполнения с шибером (см. рис. 14.2,6) или с поворотными лопатками одного из ко­ лес не имеют внешнего отвода жидкости из рабочей полости (замкнутые гидромуфты), поэтому при работе таких гидромуфт выделяется большое количество тепла. Это обстоятельство при­

пользования в качестве рабочей жидкости. Такие гидромуфты применяются только при небольших значениях передаваемой мощности или при малом диапазоне регулирования.

Более совершенными являются незамкнутые гидромуфты, в которых в рабочей полости и дополнительных внутренних вра­ щающихся полостях жидкость во время работы заменяется пу­ тем внешнего отвода и подвода. Отбор жидкости из полостей

5 кожухов. Между кожухами расположена черпательная труб­ ка 7, закрепленная в неподвижной втулке 8, которая не связа­ на жестко ни с валом турбинного колеса, ни с кожухом 5.

При работе гидромуфты жидкость под давлением в рабочей полости через отверстие 2 поступает в пространство между ко­ жухами 4 и 5. Кожухи вращаются с угловой скоростью, равной угловой скорости насосного колеса, поэтому жидкость в полос­ ти между ними также вращается с этой скоростью.

Загнутый открытый конец черпательной трубки направлен навстречу вращению жидкости. Через него происходит отбор жидкости во внешнюю систему. Отобранная жидкость по слив­ ной гидролинии 9 попадает в бак 12, где охлаждается холо­

Степень заполнения рабочей полости гидромуфты опреде­ ляется разностью между подачей насоса и расходом, отбирае­ мым черпательной трубкой. Последний, в свою очередь, опре­ деляется местом расположения загнутого конца черпательной трубки: чем больше удаление указанного конца трубки от оси вращения колес, тем больше через нее расход и большее опоражнивание рабочей полости, и наоборот. Для полного опо­ ражнивания рабочей полости конец черпательной трубки дол­ жен находиться на радиусе большем радиуса колеса. Трубка в процессе регулирования гидромуфты совершает линейное пе­ ремещение вдоль своей оси.

Существуют и другие конструкции. В частности, с поворот­ ной и двойной (реверсивной) черпательными трубками [2]. В схемах некоторых гидромуфт насос 10 отсутствует (см. рис. 14.9). В этом случае рабочая жидкость во внешней сети дви­ жется под напором, отбираемым черпательной трубкой, а сама внешняя сеть представляет собой замкнутый контур с холо­ дильным аппаратом.

14.5.2. Нерегулируемые гидромуфты

Нерегулируемые гидромуфты постоянного заполнения имеют очень жесткую характеристику, поэтому применяются только для сглаживания нагрузок.

В шахтной практике широко используются предохранитель­ ные гидромуфты с внутренним самоопоражниванием рабочей полости в специальную камеру. Самоопоражнивание полости обусловлено требованиями, предъявляемыми к моментной ха­ рактеристике такой муфты: на рабочем участке характеристи­ ки двигателя скольжение между валами муфты должно быть минимальным; максимально передаваемый муфтой момент должен быть не больше соответствующего момента двигателя.

Выполнение первого требования обеспечивает при нор­ мальной нагрузке работу муфты с высоким КПД, второго — предохранение двигателя от перегрузок.

/7

Рис. 14.10. Моментные характеристики (а) и схема предохранительной гидро­

муфты (б)

нормальной нагрузке должна работать с полностью заполнен­ ной рабочей полостью, а при приближении нагрузки к макси­ мально допустимой — опоражниваться так интенсивно и в та­ кой степени, чтобы совокупность ее искусственных характерис­

составленный из искусственных характеристик при разной сте­ пени заполнения рабочей полости, изменяется во времени и может содержать провалы, обусловливающие различные нега­ тивные явления (колебание режима, его возможная неустойчи­ вость и др.).

Сглаживание характеристик осуществляют с помощью по­ рога (иногда в совокупности с удалением рабочей полости от оси вращения).

Предохранительная гидромуфта (рис. 14.10,6) состоит из насосного 3 и турбинного 6 колес и жестко связанного с насос­ ным колесом кожуха 7. За диском насосного колеса имеется дополнительная камера /, соединенная отверстиями 2 и 9 с рабочей полостью. Колеса асимметричны, так как лопатки на­ сосного колеса подрезаны на входе. В этом месте к насосному колесу крепится порог 8. Отверстие 5 с пробкой предназначено для заливки муфты жидкостью. Тепловая защита муфты обес­