гидравлика / ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ(лекция)

Гидродинамические передачи

(лекция)

Лекция XI

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ.

Введение. Общее положение.

Гидродинамические передачи (в дальнейшем гидропередачи) состоят из расположенных соосно и предельно сближенных в общем корпусе рабочих органов лопастного насоса и гидравлической турбины. Они передают мощность от двигателя приводимой машине посредством потока жидкости. Жесткое соединение входного и выходного валов при этом отсутствует.

Гидропередачи представлены гидродинамическими муфтами, которые передают мощность, не изменяя момента, и гидродинамическими трансформаторами, способными изменять передаваемый момент.

Гидромуфты (рис. ХI-2) и гидротрансформаторы (рис. XI-3) состоя из расположенных в общем корпусе 1 лопастных колес – насосного 2, соединенного с валом 5 двигателя, и турбинного 3, соединенного с выходным валом 11.

В гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливают соединенное с неподвижным корпусом 13, через МСХ, реактивное колесо 12. лопасти 6 и 9 рабочих колес прикреплены к торообразным направляющим поверхностям (например, 7 и 8). Поверхности образуют рабочую полость гидропередачи, в которой движется поток жидкости (чаще всего маловязкого минерального масла), обтекающий лопасти колес.

Гидропередачи (см. рис. XI-2 и XI-3) имеют один или несколько внутренних подшипников 4 для взаимной центровки колес и восприятия осевых сил, а также уплотнение 10, замыкающее корпус.

Насосное колесо получает энергию от двигателя и посредством своих лопастей сообщает ее потоку жидкости. Поток обтекает лопасти турбинного колеса, приводит его во вращение и сообщает при этом энергию, используемую на выходном валу для преодоления сопротивления приводимой машины (потребителя).

Преимущества гидропередач.

Гидропередачи способны ограничивать момент сопротивления, нагружающего двигателя, и сглаживать пульсации этого момента при пульсирующем изменении сопротивления потребителя. Гидропередачи устраняют также перегрузку двигателей во время пуска, при разгоне приводимых объектов, обладающих большой инерцией, благодаря чему отпадает необходимость завышения установленной мощности двигателей для обеспечения разгона.

Гидротрансформаторы, кроме того, обеспечивают бесступенчатое изменение передаваемого момента в зависимости от изменения частоты вращения выходного вала. При возрастании сопротивления потребителя и, следовательно, при снижении частоты вращения выходного вала передаваемый момент увеличивается. При этом улучшается использование мощности двигателей, повышается производительность машин, устраняется необходимость в коробках зубчатых передач, требующих переключения. Все указанные функции гидропередачи выполняют автоматически без вмешательства человека или какого-либо управляющего устройства. На оптимальных режимах работы КПД гидропередач достигает высоких значений 85-98 %, что незначительно меньше КПД механически передач. Несмотря на это и на некоторое усложнение трансмиссий, перечисленные качества обусловили широкое распространение гидропередач в дорожных строительных и транспортных машинах, работающих в особенно тяжелых условиях.

Рабочий процесс и характеристика гидромуфты.

Уравнение равновесия гидромуфты.

При установившемся режиме работы сумма моментов, приложенных из вне к гидромуфте, равна нулю. Внешними моментами являются крутящий момент М₁, приложенный со стороны двигателя к входному валу 5; момент сопротивления М₂ потребителя, приложенный к выходному валу 11; момент трения М_В вращающегося корпуса 1 об окружающую среду. Следовательно,

М₁-М₂-М_В=0 (XI-1)

Момент М_В обычно мал, и приближенно принимают, что М₁ передается потребителю без изменения, т. е.

М₁≈ М₂=М. (XI-2)

Гидродинамический (поточный) момент муфты.

Главная часть М, которую обозначим т_П, передается турбинному колесу потоком жидкости, обтекающим лопастные системы. Момент т_П равен изменению момента количества движения потока, вызванному воздействием лопастей:

т_П=ρQ(υ_u2HR₂-υ_u2TR₁) (XI-3)

Уравнение (XI-3) показывает, что момент т_П пропорционален расходу Q и увеличению момента скорости потока (увеличению его загрузки) υ_uR. В промежутках 2Н-1Т и 2Т-1Н между лопастными системами момент количества движения потока не изменен, поэтому его уменьшение в турбинном колесе всегда равно приращению в насосном колесе. Небольшая часть момента т_ф передается трением: жидкость в зазоре между корпусом 1 и поверхностью 7 турбинного колеса увлекается во вращение трением о корпус 1 и тормозит при трении о поверхность 7, сообщая некоторый момент выходному валу. Таким образом:

М= т_П+ т_ф≈ т_П (XI-4)

Момент от двигателя передается только при обгоне турбинного колеса насосным, когда n₁ > n₂. Отношение частот вращения колес i= n₂/ n₁ называется передаточным отношением. Относительная разность частот s=( n₁- n₂)/ n₁=1-i называется скольжением. Без скольжения расход Q и, согласно формуле (XI-3), момент т_П равны нулю. Отсутствует и передача момента трением. При малых n₂ и, следовательно, слабом поле центробежных сил в межлопастных каналах турбинное колесо оказывает малое противодействие протеканию потока жидкости. При этом Q→Q_max и передоваемый момент т_П также максимален.

Характеристика гидромуфты.

(рис. XI-4 )

Правое поле ОК характеристики соответствует основному режиму, при котором i положительно и колеса вращаются в одном направлении. В ней зависимость M=f(n₂) имеет вид падающей кривой. Характеристика включает также зависимость КПД η от n₂ или i. Согласно выражению (XI-2) момент передается гидромуфтой практически без изменения и КПД равно передаточному отношению:

η=N₂/N₁=M₂ n₂/M₁ n₁=n₂/ n₁=i. (XI-5)

В основной зоне эксплуатационных режимов (0<i<i_p) зависимость η= f(i) линейная. При i→1 линейность нарушается. Момент М, передаваемый гидромуфтой, в этой зоне быстро убывает. Его значение становится соизмеримым с моментом М_В трения корпуса об окружающую среду.

Область OL характеристики представляет совокупность режимов противовращения колес. В ней i<0, и гидромуфта выполняет функцию тормоза. Здесь η=0. Режимы противовращения часто используются в подъемно-транспортных машинах при опускании грузов.

Рабочий процесс и характеристика гидротрансформатора.

Гидротрансформаторы ( см. рис. XI-3), обладая всеми свойствами гидромуфт, способны, кроме того, в зависимости от передаточного отношения i преобразовывать момент M₁, приложенный к входному валу 5 двигателем. Если момент сопротивления M₂, приложенный к выходному валу 11, превосходит момент двигателя, то n₂ автоматически снижается; если момент M₂ уменьшается, то n₂ возрастает. Это позволяет автоматически, без переключений наиболее полно использовать возможности двигателей, приспосабливая их к меняющимся условиям нагрузки. Характеристика гидротрансформатора ( рисXI-5 ) иллюстрирует эти положения.

При анализе характеристики гидротрансформатора отмечаем:

Область А: |M₂|>|M₁|; k>1; М₃>0. Границей области А является точка Г, отвечающая режиму его работы в «режиме гидромуфты» (М₃=0, k=1, η=i).

Область Б: |M₂|<|M₁|; k<1; M₃<0. Реактор в этой области не закручивает, а раскручивает поток.

Область В: |M₂|→0; i>1. Гидротрансформатор выполняет роль ускоряющей передачи.

Область Д: Режим противовращения. Гидротрансформатор становится тормозом (η=0).

Уравнение равновесия гидротрансформатора.

М₁+М₃=М₂ (XI-6)

Уравнение (XI-6) – механическая интерпретация равновесия моментов, приложенных к рабочим органам гидротрансформатора. Наша задача- дать ему ГИД интерпретацию, т. е. составить аналог этого уравнения, используя понятия о гидродинамических (поточных) моментах, возникающих в лопастных системах.

Укрощаем задачу, вводя следующие допущения:

1. Расход рабочей жидкости Q, протекающий через все лопастные системы (НК, ТК, РК), в данный момент времени одинаковый (Q=const);

2. В промежутках между лопастными системами момент количества движения потока не изменяется, т. е. справедливы соотношения:

υ_u2HR_2Н=υ_u1TR_1Т

υ_u2РR_2Р=υ_u1НR_1Н (XI-7)

υ_u2ТR_2Т=υ_u1РR_1Р

Составим выражения для поточных моментов:

насосного колеса: т₁= ρQ(υ_u2HR_2Н-υ_u1НR_1Н) ;

реактивного колеса: т₃= ρQ(υ_u2РR_2Р-υ_u1РR_1Р) ; (XI-8)

турбинного колеса: т₂= ρQ(υ_u1ТR_1Т-υ_u2TR_2Т) ;

Используя полученные выражения для составления уравнения т₁+т₃=т₂, с учетом соотношений (XI-8) получаем тождество, подтверждающее правильность постановки задачи с гидродинамической интерпретацией механических процессов в рассматриваемой гидропередаче.