Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

т.е. момент на турбинном колесе М2 может быть больше или меньше момента на насосном колесе М1 на величину реактивного момента М3.

Зависимость (3.4) нанесена на график (рис. 3.4,а) при постоянной угловой скорости насосного колеса ω1, постоянном крутящем моменте М1 и переменной величине передаточного отношения i = ω2 /ω1. Отметим, что при малых i в любой произвольно выбранной точке А1 величина М2 определяется суммой моментов М1 и М3. При i = i величина М3 на реакторе принимает нулевое значение и М1 = М2. Такой режим работы гидротрансформатора (без изменения крутящего момента) был отмечен ранее при рассмотрении его рабочего процесса. Этот частный режим гидротрансформатора принято называть режимом гидромуфты. При i > i в любой произвольно выбранной точке А2 величина М2 определится разностью моментов М1 и М3 (рис. 3.4,а).

91

Формулу для оценки КПД получим из отношения мощностей на турбинном N2 и насосном N1 колесах с учетом (3.2) и (3.5):

т.е. КПД гидротрансформатора равен произведению его коэффициента трансформации k на передаточное отношение i.

Зависимость η = f (i) нанесена на рис. 3.4,б. Как видно, она представляет собой кривую с максимумом в точке В и нулевыми значениями в точках 0 и D. В точке 0 величина КПД принимает нулевое значение, т.к. в этой точке i = 0. Тогда, в соответствии с (3.6), η = 0. В точке D КПД величина принимает нулевое значение, т.к. в этой точке k = 0 и, следовательно, η = 0.

График, приведенный на рис. 3.4,б, принято называть характеристи-

кой гидротрансформатора.

Применение гидротрансформаторов ограничивается недостаточно высокими КПД. Так, их максимальные значения составляют η = 0,8…0,93 (точка В на рис. 3.4,б), но существенно падают при отклонении от этого режима. Особенно неприемлемо это падение в области высоких значений передаточного отношения, т.е. при i → 1 (окрестности точки D, рис. 3.4,б).

До режима гидромуфты (при i < i*) момент на реакторе М3 имел положительное значение (рис. 3.4,а), а после него (при i > i*) момент М3 становится отрицательным. Следовательно, при i = i* момент на реакторе меняет знак, т.е. направление действия. Это обстоятельство используется для повышения КПД гидротрансформатора при i → 1. В конструкцию гидротрансформатора включают муфту свободного хода М (см. рис. 3.3,а). При положительном значении момента на реактивном колесе она обеспечивает неподвижность реактивного колеса (“стопорит”). При изменении направления момента на реакторе обгонная муфта освобождает реактор, который начинает свободно вращаться вместе с потоком жидкости. При этом гидротрансформатор начинает работать в режиме гидромуфты, так как в этом случае у него отсутствует неподвижное реактивное колесо. Такой гидротрансформатор, в котором совмещаются свойства гидротрансформатора и гидромуфты, называется комплексным гидротрансформатором.

Характеристика комплексного гидротрансформатора при 0 < i < i* совпадает с характеристикой обычного гидротрансформатора, т.е. зависимостью КПД является линия 0ВС (см. рис. 3.4,б). А при i > i* характеристика комплексного трансформатора совпадает с характеристикой гидромуфты, т.е. зависимостью КПД является линия CEF. Таким образом, КПД комплексного гидротрансформатора изменяется по линии 0BCEF (см. рис. 3.4,б) и имеет существенно более высокие значения в области больших передаточных отношений по сравнению с обычным гидротрансформатором.

Коэффициент трансформации комплексного трансформатора с переходом его на режим гидромуфты принимает значение k = 1.

92

3.4. Использование методов подобия при проектировании гидропередач механизмов и машин

Характеристики гидродинамических передач, рассмотренные ранее, не могут быть получены теоретическим путем с достаточной точностью. Поэтому при проектировании механизмов и машин с такими передачами широко используются методы, основой которых являются положения теории подобия лопастных гидромашин. Они позволяют подбирать или определять характеристики и основные геометрические размеры гидродинамических передач, удовлетворяющих заданным условиям эксплуатации. При этом исходным материалом служат экспериментальные данные, полученные для данной или подобной гидропередачи на подобном режиме работы.

Известно, что при использовании методов подобия наиболее важным является выбор критерия подобия. В качестве такого критерия в главе 2 для лопастных гидромашин выбран коэффициент быстроходности, который получен из условия подобия скоростей на границах геометрически подобных лопастных колес (на входе и на выходе).

При рассмотрении гидродинамических передач мы имеем дело с системами лопастных колес (в гидромуфте их два, в гидротрансформаторе – не менее трех). Следовательно, это условие должно выражаться в подобии скоростей на стыках колес (точки 1,2,3 на рис. 3.1 и 3.3). Внешним проявлением этого подобия является передаточное отношение i, так как оно определяется соотношением наиболее важных скоростей. Поэтому для геометрически подобных гидродинамических передач критерием подобия режимов работы является передаточное отношение, т.е. величина i должна однозначно определять все остальные эксплуатационные параметры.

При использовании методов подобия удобно разделить качественную и количественную сторону выбора гидропередачи для проектируемой машины или механизма. Тогда в процессе качественного анализа безразмерных характеристик гидропередач можно выбрать наиболее оптимальную характеристику из множества вариантов, приведенных в справочной литературе. Количественные расчеты позволяют определить конструктивные и геометрические параметры этой гидропередачи.

Расчетные формулы гидродинамических передач могут быть получены на основе уравнения (2.14), которое, как было показано в подразделах 3.2 и 3.3, применимо для лопастных колес гидромуфт и гидротрансформаторов.

При получении расчетных зависимостей учтем, что для геометрически подобных лопастных колес гидропередачи любой геометрический размер, в том числе радиусы колес (r1 и r2), пропорционален его основному геометрическому размеру, за который принимают наибольший диаметр рабочей полости D. Кроме того, будем считать, что каждая j-я скорость колеса пропорциональна его окружной скорости, т.е. Vj U = ω U (при кинематическом подобии это справедливо). Тогда из (2.14) имеем

93

где λ – безразмерный коэффициент момента. Он не является постоянной величиной и может изменяться при изменении режима работы гидропередачи.

Формула (3.9) связывает момент на валу лопастного колеса М гидропередачи с его угловой скоростью ω и наиболее важным геометрическим размером D. Поэтому она является основной формулой при расчетах гидромуфт и гидротрансформаторов.

Из (3.9) может быть получена также формула для вычисления мощно-

Для качественной оценки целесообразности использования гидропередачи в проектируемой машине или механизме используют их безразмерные графические характеристики. Такие характеристики были рассмотрены в разделах 3.2 и 3.3 (см. рис. 3.2 и 3.4). Однако некоторые из приведенных там зависимостей не являются безразмерными, а именно зависимости моментов от передаточных отношении. Наиболее неудобным является наличие размерной зависимости момента М1 на насосном колесе от передаточного отношения i.

Зависимость М1 = f(i) целесообразно привести к безразмерному виду. Это упрощается тем, что характеристики гидропередач строятся при постоянной частоте вращения насосного колеса (ω1 = const). Тогда в соответствии с (3.11) момент на валу данного насосного колеса пропорционален коэффициенту момента, т.е. М1 λ1. Следовательно, график зависимости λ1 = f(i) является безразмерной характеристикой, определяющей изменение момента на насосном колесе (на ведущем валу гидропередачи).

В большинстве случаев индекс “1” у коэффициента λ опускают, т.е. используют зависимость λ = f(i). Для гидромуфты это не имеет значения, так как М1 = М2 = М и, следовательно, λ1 = λ2 = λ. В случае гидротрансформатора λ = f(i) является зависимостью, определяющей момент на ведущем валу М1. А для характеристики момента на ведомом валу М2 дополнительно наносят зависимость для коэффициента трансформации k = f(i) (см. (3.5)).

94

На рис. 3.5 в качестве примера приведены безразмерные характеристики двух гидромуфт. Причем зависимость η = f(i) у них одинаковая, а зависимости λ = f(i) – разные (λI и λII). Первая из приведенных зависимостей λI = f(i) (рис. 3.5) имеет существенно переменный коэффициент момента во всем диапазоне передаточных отношений i. Максимальное значение коэффициента момента λmax (следовательно, и Мmax) у этой муфты имеет место при нулевом значении i. Такие гидромуфты используются при работе с двигателями внутреннего сгорания. Вторая муфта имеет существенно меньшее значение коэффициента момента в широком диапазоне изменения передаточного отношения i (λII = f(i) на рис. 3.5). При i → 1 его величина резко падает. Максимальное значение коэффициента момента λmax (следовательно, и Мmax) у этой гидромуфты носит характер экстремума и располагается при i≠ 0. Такие гидромуфты в большинстве случаев используются при работе с асинхронными электродвигателями.

Одним из параметров муфт, который имеет важное значение при проектировании машин и механизмов, является коэффициент перегрузки δ. Он определяется отношением максимально-

го момента Мmax (или коэффициента момента

λmax) к аналогичной величине на расчетном ре-

жиме (МР или λР). В качестве расчетного режи-

ма принимается режим максимального КПД, т.е.

при i = iР (рис. 3.5). Следовательно, коэффици-

ент перегрузки

показывает, во сколько раз больше тот момент, который может передать гидромуфта от нагруженного вала на приводной двигатель, по сравнению с расчетной величиной МР. Таким образом, δ определяет защитные свойства, которые обеспечивает гидромуфта двигателю. Большинство современных гидромуфт имеют коэффициент перегрузки δ = 2…6.

На рис. 3.6 приведены безразмерные характеристики двух гидротрасформаторов. Причем зависимости η = f(i) и k = f(i) у них одинаковы, а зависимости λ = f(i) – разные (λI и λII). Оба являются комплексными, т.е. при

95

i = i* переходят на режим гидромуфты (сплошные линии). Однако такие гидротрансформаторы могут быть и не комплексными. Тогда их характеристики на рис. 3.6 при i > i* будут изменяться не по сплошным, а по штриховым линиям. Важным отличием этих гидротрансформаторов друг от друга является характер изменения коэффициента момента λ при изменении передаточного отношения i.

шения i характеризует прозрачность гидротрансформатора.

Гидротрансформаторы, у которых величина момента М1 на насосном колесе (следовательно, и величина λ) не зависит от момента М2 и частоты ω2 вращения турбинного колеса (или зависит незначительно), называются непрозрачными. Характеристика непрозрачного гидротрансформатора приведена на рис. 3.4,а. Такой гидротрансформатор не передает нагрузку с ведомого вала на двигатель. Например, если непрозрачный гидротрансформатор используется на автомобиле, то на двигатель не будет передаваться нагрузка от дороги, и последний работает на установившемся режиме независимо от дорожных условий. Двигатель с таким гидротрансформатором не “чувствует дороги”.

Гидротрансформаторы с падающей зависимостью коэффициента момента (λI = f(i) на рис. 3.6) называются прозрачными. У таких гидротрансформаторов нагрузка с ведомого вала передается на двигатель. Например, у автомобиля с прозрачным гидротрансформатором при повышении сопротивления движению снижается величина i, тогда коэффициент момента λI растет (см. рис. 3.6), т.е. увеличивается момент на валу двига-

96

теля. Двигатель переходит на режим с большей нагрузкой, т.е. “чувствует дорогу”. Чем значительнее изменение λ = f(i), тем в большей степени передается нагрузка на двигатель.

Прозрачность гидротрансформатора характеризуется коэффициентом прозрачности П, который равен отношению коэффициента момента λ0 при i = 0 к его величине на режиме гидромуфты λ*, т.е. П = λ0 /λ* (см. рис. 3.6).

Гидротрансформаторы бывают также с обратной прозрачность, когда повышение нагрузки на его ведомом валу приводит к снижению нагрузки на двигатель. Характеристика такого гидротрансформатора λII = f(i) также приведена на рис. 3.6. На этой характеристике видно, что при i < 0,4 происходит уменьшение коэффициента момента λII, а следовательно, и момента на валу двигателя.

При проектировании машин с гидротрансформаторами важным является выбор расчетной точки на его характеристике, так как этот выбор должен обеспечивать высокий КПД на наиболее употребляемых режимах работы. Из анализа характеристик η = f(i) на рис 3.6 следует, что область высоких КПД лежит между точками В и Е. Поэтому любая из точек на этом участке может быть использована в качестве расчетной. Наиболее часто в качестве расчетного принимается режим гидромуфты (точка C на рис. 3.6). В этом случае зона высокого КПД используется наиболее эффективно.

После рассмотрения основ подобия гидродинамических передач может быть рекомендована следующая методика проектирования машин с их использованием. На первом этапе, на основании анализа приведенных в справочной литературе безразмерных характеристик, подбирается наиболее подходящий для рассматриваемого случая вариант гидропередачи. Из условий эксплуатации проектируемой машины выбирается расчетный режим. На выбранном расчетном режиме с использованием формулы (3.9) или (3.10) определяется основной геометрических параметр гидропередачи

– диаметр рабочих колес D. Затем (при известном D и безразмерной характеристике) подбирается существующая гидропередача или, с использованием формул подобия лопастных гидромашин (см. подраздел 2.9), вычисляются параметры проектируемой гидропередачи. На заключительном этапе получают характеристики проектируемой машины при совместной работе двигателя и гидропередачи, анализируют полученные результаты и, в случае необходимости, вносят коррективы в ранее проведенные расчеты.

97

3.5.Основные разновидности гидромуфт

Всовременном машиностроении используются много разновидностей гидравлических муфт. Их принято подразделять на нерегулируемые и регулируемые. Принципиальное отличие регулируемых муфт от нерегулируемых заключается в том, что они при помощи дополнительных устройств позволяют изменять передаваемый крутящий момент. Но в отличие от гидротрасформаторов, у муфт моменты на ведомом и ведущем валах в любое время остаются одинаковыми. Рассмотрение разновидностей гидромуфт целесообразно начать с нерегулируемых.

При использовании нерегулируемой гидромуфты важным является

выбор жесткости её характеристики, т.е. изменения зависимости λ = f(i), которая определяет величину коэффициента перегрузки δ (3.11). Этот коэффициент показывает, во сколько раз момент на двигателе может превысить его расчетную величину. Следует отметить, что гидромуфты с небольшими коэффициентами δ используются в качестве предохранительных для защиты двигателей от перегрузок.

Одной из наиболее простых по конструкции и распространенных гидромуфт является муфта с плоскими радиально расположенными лопатками. Её конструктивная схема приведена на рис. 3.7,а. На схеме видно, что гидромуфта состоит из насосного Н и турбинного Т колес, ведущего и ведомого валов, подшипников и т. д. Причем насосное колесо жестко связано с вращающимся корпусом. Такие конструктивные решения достаточно часто используются на современных гидромуфтах. Гидромуфты с радиальными лопатками имеют существенно падающий коэффициент момента (линия а на рис. 3.7,г) и, следовательно, значительные коэффициенты перегрузки δ = 4…6.

Рис. 3.7. Разновидности нерегулируемых гидромуфт: а) с плоскими лопатками; б) с порогом;

в) с самоопоражниванием; г) их характеристики

98

Гидромуфты с плоскими наклонными лопатками позволяют получать другие зависимости λ = f(i) и другие коэффициенты перегрузки δ. При наклоне лопаток вперед (точка 2 на рис. 3.1,б смещается вправо и вниз) характеристика гидромуфты становится более жесткой, и значения δ увеличиваются (линии а′ на рис. 3.7,г). При наклоне лопаток гидромуфты назад переменность зависимости λ = f(i) становится менее значительной, и коэффициенты перегрузки δ уменьшаются (линии а′′ на рис. 3.7,г).

Для снижения коэффициентов перегрузки в гидромуфтах с плоскими радиально расположенными лопатками используют турбинные колеса с порогом. Конструктивная схема такой гидромуфты приведена на рис. 3.7,б. У этих муфт при низких передаточных отношениях i, из-за порога на выходе турбинного колеса Т, образуется второй дополнительный контур циркуляции жидкости (2 на рис.3.7,б). При этом в передаче крутящего момента участвует только контур 1 (не вся рабочая жидкости), поэтому его величина снижается и уменьшается коэффициент момента λ (линия б на рис. 3.7,г). При больших i (после перестройки двух контуров циркуляции в один) порог перестает оказывать существенное воздействие на циркулирующий поток и крутизна характеристики λ = f(i) увеличивается (линия б на рис. 3.7,г приближается к линии а).

Существенно большее снижение коэффициента перегрузки может быть получено у гидромуфты постоянного наполнения с самоопоражниванием. Основное отличие таких гидромуфт заключается в том, что у них предусмотрена дополнительная камера, куда отводится часть рабочей жидкости при низких значениях передаточных отношений i. Эта жидкость не участвует в передаче крутящего момента, поэтому при малых i его величина уменьшается и уменьшается коэффициент λ. При больших i в передаче момента участвует вся жидкость. Конструктивная схема такой гидромуфты приведена на рис. 3.7,в. При малых i часть жидкости отводится через отверстие в дополнительную полость, расположенную за насосным колесом, и циркулирует в ней (по контуру 2). При больших передаточных отношениях она через другое отверстие поступает в проточную часть гидромуфты и участвует в общем круге циркуляции 1. Характеристика такой гидромуфты имеет незначительные изменения коэффициентов момента λ в широком диапазоне изменения i и малые значения коэффициентов перегрузки δ = 1,5…2,5 (линия в на рис. 3.7,г).

Кроме рассмотренных нерегулируемых гидромуфт, могут быть использованы и их комбинированные варианты.

Регулируемые гидромуфты обеспечивают управляемое изменение передаваемого крутящего момента (при этом момент на валу колеса всегда равен моменту на турбинном колесе). Регулирование гидромуфты можно обеспечить двумя способами: за счет изменения количества жидкости (муфты переменного наполнения) и за счет изменения формы проточной части (например, с помощью поворотных лопаток).

99

Принцип регулирования в гидромуфтах переменного наполнения основан на изменении величины расхода циркулирующей жидкости Q. А так как передаваемый крутящий момент в соответствии с (3.7) пропорционален Q, то при изменении количества жидкости, циркулирующей в межлопаточном пространстве гидромуфты, меняется величина этого момента и коэффициент λ. Характеристика гидромуфты переменного наполнения представляет собой множество линий λ = f(i), каждая из которых соответствует определенной степени заполнения муфты. На рис. 3.8,в приведены зависимости такой гидромуфты при заполнении на 25, 50, 75 и 100%.

Рис. 3.8. Циркуляцияжидкостиихарактеристикарегулируемойгидромуфты: а) циркуляция жидкости при значительном заполнении муфты;

б) циркуляция жидкости при малом заполнении муфты; в) характеристики

При использовании таких гидромуфт необходимо учитывать, что у них возможны два круга циркуляции жидкости. Так, если заполнение значительно (близко к 100%), то жидкость циркулирует по контуру, изображенному на рис. 3.8,а. При малом заполнении гидромуфты циркуляция осуществляется по схеме на рис. 3.8,б. Поэтому на характеристике гидромуфты существует зона перестройки контура циркуляции жидкости (на рис. 3.8,в выделена штриховкой). Использование этой зоны может привести к неустойчивости работы машины.

Существуют различные способы реализации принципа переменного заполнения гидромуфты, но наибольшее распространение получили гидромуфты с черпательной (черпаковой) трубкой. Известны конструкции с дополнительным (подпиточным) насосами и без них. Такие гидромуфты применяются для самых тяжелых условий работы с частыми перегрузками.

Вторым способом регулирования гидромуфт является изменение формы проточной части в процессе работы. Так как при изменении проточной части зависимость λ = f(i) изменяется, то такие гидромуфты также имеют характеристику, представляющую множество линий λ = f(i). Существуют различные конструкции, позволяющие изменять форму проточной

100