03-06-2014_19-50-32 / Гидравлика Учебное пособие

отсутствии нагрузки (F=0), а при нагрузке, соответствующей давлению, развиваемому насосом (p1=F/Sn), скорость поршня равна нулю (рис. 2.28.а.).

При подключении дросселя параллельно гидродвигателю (см. рис. 2.26. в.) поток жидкости, поступающий от насоса, разделяется на два: один проходит через дроссель, другой поступает к гидродвигателю:

Qн=Qдв+Qдр.

Рис.2.28.Нагрузочные характеристики гидропривода с дроссельным регулированием: а – при последовательном; б – при параллельном включении дросселя

Из курса гидравлики известно, что в параллельных трубопроводах потери напора одинаковы, следовательно,

рн=рдв=рдр=F/Sn.

Скорость движения поршня

Расход через дроссель:

Qдр = µдр Sдр 2 рдр ρ = µдр Sдр 2F(ρSn ),

тогда

При таком способе включения дросселя скорость движения можно регулировать только в том случае, если направление действия нагрузки не совпадает с направлением движения выходного звена. При параллельном включении дросселя нагрев жидкости будет наименьшим.

Нагрузочная характеристика гидропривода с параллельным включением дросселя

приведена на рис. 2.28.б..

Объемное регулирование осуществляется изменением рабочего объема насоса, гидродвигателя или насоса и гидродвигателя.

Простейшие схемы объемного регулирования приведены на рис. 2.29.

Рис.2.29.Схемы гидроприводов вращательного движения с объемным регулированием и их характеристики: а – с регулируемым насосом и нерегулируемым гидромотором; б – с регулируемым гидромотором и нерегулируемым насосом: в – с регулируемым насосом и гидромотором

Для всех схем при отсутствии утечек расход гидромотора равен подаче насоса:

где Vн, Vм – рабочие объемы насоса и гидромотора; nн, nм - частоты вращения вала насоса и гидромотора.

Из формулы (2.79.) следует

трубопроводах.

Таким образом, для гидропривода с регулируемым насосом, когда nн=const, Vм=const, +pм=const, можно записать

т.е. момент на валу гидромотора постоянен, а мощность прямо пропорциональна расходу и перепаду давления на гидромоторе (см. рис. 2.29.а.). Для схемы с регулируемым гидромотором (см. рис. 2.29.б.) справедливы зависимости

Момент на валу гидромотора изменяется примерно обратно пропорционально (по гиперболическому закону) частоте вращения вала, мощность гидромотора при этом постоянна.

Регулирование изменением рабочих объемов насоса и гидромотора (рис. 2.29.в) осуществляется с целью расширения диапазона регулирования, что дает возможность использовать такой гидропривод в транспортных средствах, где необходимо осуществлять трогание машины с моментом Мmax при очень малой скорости nм≈0. По мере разгона момент должен снижаться, а частота вращения увеличиваться. Это достигается уменьшением рабочего объема гидромотора. Одно из преимуществ гидроприводов с объемным

регулированием - уменьшение гидравлических потерь.

Сравнение способов регулирования гидроприводов, рассмотренных выше,

целесообразно провести по трем показателям: по нагрузочным характеристикам, КПД и стоимости применяемых гидромашин и аппаратуры.

Нагрузочная характеристика гидропривода показывает степень стабильности скорости выходного звена (штока, вала) при изменяющейся нагрузке. Наибольшей стабильностью и КПД обладает гидропривод с объемным регулированием (кривая 1) (см. рис. 2.30. и 2.31.)

Регулируемые гидромашины более дорогостоящие, чем нерегулируемые. Поэтому объемное регулирование обычно применяют для гидроприводов большой мощности и с длительными режимами их работы.

2.4.Гидродинамические передачи

2.4.1.Основные сведения

Гидродинамической передачей называют совокупность механизмов и систем, передающих механическую энергию от двигателя к потребителю посредством потока жидкости.

По принципу действия гидродинамические передачи делятся на гидромуфты и гидротрансформаторы.

Они состоят из рабочих колес соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга и заключенных в общий кожух. Мощность от двигателя к исполнительным механизмам гидромуфты передают без изменения момента, а гидротрансформаторы - с изменением не только по величине, а иногда и по знаку.

Гидромуфты (рис. 2.32.) и гидротрансформаторы (рис. 2.33.) состоят 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 установлено соединенное с неподвижным корпусом колесо 12 реактора. Лопасти 6 и 9 рабочих колес прикреплены к торообразным направляющим поверхностям 7 и 8. Поверхности образуют рабочую полость гидропередачи, в которой движется поток жидкости, обтекающий лопасти колес. Внешний вид рабочих органов гидромуфты показан на рисунке 2.34. Гидропередачи (см. рис. 2.32. и 2.33.) имеют один или несколько внутренних подшипников 4 для взаимной центровки колес и восприятия осевых сил, а также уплотнение 10, замыкающее корпус.

2.4.2.Рабочий процесс и характеристика гидромуфты

Насосное колесо 2, вращаясь от двигателя, подобно центробежному насосу, забирает жидкость из турбинного 3, которая под действием центробежной силы отбрасывается к периферии, перемещаясь вдоль лопаток и вращаясь одновременно с колесом. Вследствие этого рабочая жидкость приобретает некоторый запас кинетической энергии и энергии давления. С насосного колеса 2 жидкость попадает на лопатки турбинного колеса 3, преобразуя этот запас энергии в механическую работу вращения ведомого вала. Потеряв некоторое количество энергии на преодоление сопротивления вращению турбинного колеса 3, жидкость по его лопаткам направляется к центру гидромуфты, где она вновь переходит на насосное колесо 2, и цикл ее движения повторяется.

Рис.2.32. Схема гидромуфты и потока в ее лопастной системе

Таким образом жидкость в гидромуфте циркулирует от насосного колеса 2 к турбинному 3 (относительное движение) вращается вместе с колесом (переносное движение), образуя вихревое кольцо (абсолютное движение), называемое кругом циркуляции. При вращении гидромуфты, когда нет внешней нагрузки, насосное и турбинное колеса имеют одинаковую частоты вращения. При этом в рабочей полости гидромуфты относительного движения жидкости не будет. При наличии внешней нагрузки на ведомом валу турбинное колесо отстает от насосного и тем больше, чем больше эта нагрузка. При отставании турбинного колеса жидкость находящаяся в рабочей полости, начнет циркулировать и тем интенсивнее, чем больше нагрузка.

Рис.2.33.Схема гидротрансформатора (а) и движения потока (б) в его лопастной системе:

1-корпус; 2 и 3 – насосное и турбинное колеса; 4 – подшипник; 5 и 11 – ведущий и ведомый валы; 6, 9 – лопасти рабочих колес; 7, 8 – шарообразные поверхности; 10 – уплотнение; 12 – реактор; МСХ – муфта свободного хода

Рис.2.34.Рабочие органы гидромуфты:

1 – насосное колесо; 2 – турбинное колесо; 3 – вращающийся корпус

Разность между частотами вращения насосного и турбинного колес, отнесенная к частоте вращения насосного колеса, называется скольжением:

где nН и nТ – частота вращения соответственно насосного и турбинного колес. Если передаточное отношение

При установившемся режиме работы сумма моментов, приложенных извне к гидромуфте (см. рис. 2.32.) равна нулю, т.е.

Момент Мп равен изменению момента количества движения потока, вызванному воздействием лопаток. В гидромуфтах устанавливают плоские радиальные лопасти. Согласно схемам кинематики потока на границах лопастных систем (см. рис. 2.32.) момент, требуемый от двигателя для увеличения момента количества движения потока в насосном колесе,

Уравнение 2.90. показывает, что момент Мп пропорционален расходу Q и увеличению момента скорости потока (увеличению его закрутки) UuR. В промежутках 2Н – 1 Т и 2Т – 1 Н между лопастными системами момент количества движения потока неизменен, поэтому его уменьшение в турбинном колесе всегда равно приращению в насосном. Это подтверждает равенство (2.89.).

Для оценки энергетических и эксплуатационных качеств гидромуфт служат их механические характеристики.

Характеристика гидромуфты (рис. 2.35.) представляет зависимость момента М и КПД η от частоты вращения выходного вала nT при nH=const или от передаточного отношения i. Правое поле ОК (внешняя характеристика) соответствует режимам, при которых i положительно и колеса вращаются в одном направлении. Это область передачи мощности от насосного колеса к турбинному. В ней зависимость М=f(nT) имеет вид падающей кривой. Согласно выражению (2.89.) момент передается гидромуфтой практически без изменения и КПД равно передаточному отношению:

В основной зоне эксплуатационных режимов (0<i<ip) зависимость η = f (i) линейная. При i → 1 линейность нарушается. Момент, передаваемый гидромуфтой, в этой зоне быстро убывает. Его значение становится соизмеримым с моментом Мв трения корпуса об окружающую среду. Тогда согласно формуле (2.88.) момент М2, убывает с ростом i быстрее чем М1 и КПД, следуя зависимости снижается, отклоняясь от луча η = i.

η=[M2/M1]i=[(M1–M в)/M1]I

На внешней характеристике можно отметить три характерные точки: 1 – холостой ход, когда Мн=Мт=0, S=0, i=1, η=0, nT=nH; 2 – работа на номинальном расчетном режиме, когда

3 – стоповый режим, когда nT=0, i=0, η=0, S=100%, M=Mmax. Работа гидромуфты в этом режиме хотя и возможна, но нежелательна из-за перегрева рабочей жидкости.

Рис.2.35.Характеристики гидромуфты

Отношение момента Мmax при S=100% к моменту Мр при работе в номинальном режиме со скольжением S=95…97% называется коэффициентом перегрузок

Всовременных гидромуфтах коэффициент δ достигает значений 12…13. Коэффициент перегрузок при работе с асинхронными электродвигателями должен быть не более 1,8…2,5,

ас двигателями внутреннего сгорания 4…5.

Вряде случаев (подъемно-транспортные машины, автомобили и другие машины) необходимо иметь полную внешнюю характеристику гидромуфты. Гидромуфты могут работать в тяговом и тормозном режимах. Влево от О и вправо от точки К (в четвертом квадранте) проявляются тормозные режимы.

Различают следующие виды тормозных режимов:

обгонный, противовращения и гидродинамического торможения. Область OL гидромуфты относится к режимам противовращения. В этой области турбинное колесо вращается в сторону противоположную вращению насосного колеса. Гидромуфта в этом режиме выполняет функции тормоза, например, на подъемном кране при спуске груза, когда реверс не включен. При этом получают так называемые монтажные «ползучие скорости».

За тяговым режимом в гидромуфтах наступает обгонный режим, который изображается в четвертом квадранте. Он характерен тем, что при большом моменте, поступающем от потребителя, взаимоотношение колес меняется: турбинное колесо двигается, насосное тормозит. Направление вращения обоих колес одинаковое.

Вобгонном режиме гидромуфта работает, например, на подъемных кранах при спуске груза с включенным реверсом, а также при движении автомобиля под уклон.

Режим гидродинамического торможения гидромуфты наступает при остановленном насосном колесе (nH=0). При этом гидромуфта работает в качестве тормоза, например, на спуске грузов в подъемных машинах.

Гидротрансформаторы в отличие от гидромуфт передают механическую энергию с ведущего вала на ведомый с изменением вращающего момента. В гидротрансформаторе прямого хода ведущий и ведомый валы вращаются в одну сторону, а обратного хода – в противоположные. В первом гидротрансформаторе момент преобразуется только по величине, а во втором как по величине, так и по направлению.

Гидротрансформаторы делятся на одно, - двух, - трехступенчатые, а также на одно, - двух – и многоциркуляционные (имеют несколько полостей). В гидротрансформаторах могут быть одно, два, три турбинных колеса.

Одноступенчатые гидротрансформаторы состоят из одного насосного, турбинного колес и одного или двух реакторов.

Рассмотрим принцип действия одноступенчатого гидротрансформатора с одним реактором при расположении колес в порядке насос – турбина – реактор. Расположение лопастей рабочих колес и реактора показано на рисунке 2.33.

Для упрощения примем, что насосное колесо вращается с постоянной частотой, расход Q через колеса постоянен из-за малости утечек, момент количества движения потока в пространстве между лопастными системами не изменяется.

В соответствии с уравнением Эйлера вращающие моменты на рабочих колесах гидротрансформатора:

При установившемся режиме работы гидротрансформатора сумма моментов без учета момента трения ввиду его малости равна нулю:

отсюда

- Мт=Мн+Мр.

Знак минус у момента на турбине, показывает, что его направление противоположно направлению моментов на насосе и реакторе.

Из уравнения (2.96) видно, что гидротрансформатор на ведомом валу развивает момент больший, чем момент, которым он нагружает двигатель.

Момент на насосе определяется уравнением (2.93.), из которого видно, что его величина прямо пропорциональна разности радиусов выхода жидкости из рабочего колеса и входа в него. Лопасти рабочих колес гидротрансформаторов имеют криволинейные профили, соответствующие желаемой кинематике потока. Это необходимо для получения как нужных преобразующих свойств, так и достаточно высокого КПД в широком диапазоне изменения передаточного отношения i=nT/nH.

В реакторе происходит преобразование потенциальной энергии жидкости в кинетическую. При выходе из реактора жидкость имеетскорость U2p и направление, определяемое углом β2р. При увеличении угла β2р скорость U2p=U1н увеличивается, а момент на насосе уменьшается так как

M н = ρQ(R2нυu 2н − R2 рυu 2 p ) .

Момент на турбинном колесе определяется нагрузкой на ведомом валу.

При значительной нагрузке ведомый вал может остановиться и абсолютная скорость U2т при выходе из остановленного турбинного колеса будет совпадать с ω2т. Направление

выходной кромки лопастей на выходе выбирается таким, чтобы угол β2т был острым. Тогда угол α2т будет тупым, а в уравнении (2.94.) оба числа будут иметь одинаковый знак:

М Т = −ρQ(R2Т υ2Т cosα2Т + R1Т υ1Т cosα1Т )

и момент будет наибольшим.

При снижении нагрузки на ведомом валу угловая скорость вращения турбинного колеса увеличивается, направление абсолютной скорости U2т на выходе из турбинного колеса отходит от направления относительной скорости ω2т, момент, развиваемый турбиной, уменьшается.

При малых нагрузках частота вращения турбинного колеса приближается к частоте вращения насосного и углы α2т и α1р становятся острыми. Поток, сходящий с лопастей турбинного колеса, будет воздействовать на тыльные стороны лопастей реактора, увлекая его в сторону вращения турбины. Лопасти реактора в этом случае оказывают значительное сопротивление потоку и КПД гидротрансформатора уменьшается.

Для увеличения КПД гидротрансформатора реактор устанавливают на муфте свободного хода (МСХ), что позволяет ему при воздействии потока на тыльные стороны лопастей вращаться в одном направлении с насосным и турбинным колесами. В этом случае реактор не воздействует на поток, а вращающие моменты на насосном и турбинном колесах будут равны. Гидротрансформатор переходит на режим работы гидромуфты.

При увеличении нагрузки изменяется направление потока, поступающего на лопасти реактора. Он будет стремиться вращаться в сторону, противоположную вращению колеса турбины.

Вследствие этого муфта свободного хода заклинится и гидротрансформатор автоматически перейдет на режим преобразования вращающего момента. Такие гидротрансформаторы называются комплексными.

Для гидротрансформаторов, помимо известных величин для гидромуфт, вводится коэффициент трансформации момента

характеристика представляет графическую зависимость моментов на насосном Мн и турбинном Мт колесах и КПД от частоты вращения nT ведомого вала при nн = const. (рис.

2.36.а.).

Часто ее представляют в виде графической зависимости λн, λт и η от передаточного

отношения i. (рис.2.36.б.).

Такие характеристики называются приведенными внешними. Если на приведенной характеристике указывается зависимость

kM = f(i), то кривая λT = f(i) не строится (рис. 2.36. в.). В этом случае коэффициент моментов определяют по формуле:

Рис.2.36.Характеристики гидротрансформатора:

а– внешняя; б – приведенная; в – приведенная с указанием коэффициента трансформации

Вряде случаев используют полную внешнюю характеристику, аналогичную такой же характеристике гидромуфт.

К характерным точкам характеристик гидротрансформатора относятся (рис. 2.37): 1 – стоповый режим, при этом i = 0; η = 0; MT=Mmax;

KM =Kmax; 2 – режим максимального КПД (η*) при передаточном отношении i*. Этот

режим – номинальный, расчетный; 3 – при работе на этом режиме Мн = Мт и к = 1, i = iм. В этой точке меняется знак момента на реакторе, и при установке его на муфте свободного хода он начнет вращаться в сторону вращения турбины, а гидротрансформатор перейдет на режим работы гидромуфты; 4 – работа гидротрансформатора на режиме холостого хода. При этом передаточное отношение iх.х. может быть больше единицы; 5 – работа при минимально допустимом КПД. Передаточное отношение соответствующее ηmin, обозначается как iр, а коэффициент трансформации Кр; 6 – режим синхронного вращения, при котором насосное и турбинное колеса имеют одинаковую частоту вращения

nн=nт и i=1. В этом случае двигатель работает напрямую – на потребителя, чем достигается повышенный КПД гидропередачи.

Рис.2.37.Характерные точки на характеристиках гидротрансформатора:

вразмерных (а) и безразмерных (б) параметрах

Взависимости от влияния изменения нагрузки на работу двигателя гидротрансформаторы подразделяются на прозрачные с прямой и обратной прозрачностью, а так же непрозрачные.

Прозрачностью гидродинамической передачи называется свойство изменять вращающий момент на входном звене при его изменении на выходном (ГОСТ 19587-74). Прозрачность характеризуется коэффициентом прозрачности П, представляющем отношение максимального вращающего момента на входном звене на тяговом режиме к вращающему моменту входного звена при коэффициенте трансформации, равном 1, и постоянной частоте вращения входного звена

В прозрачных гидротрансформаторах при изменении нагрузки на ведомом валу меняется нагрузка на ведущем. Характеристики гидротрансформаторов с прямой и обратной прозрачностью приведены на рисунке 2.38.а и в.