Совместная работа гидромуфты с приводящим двигателем

Пусть насосное колесо гидромуфты непосредственно связано с валом элек­тродвигателя, т. е. М_э = М_н, n_э = n_н, а турбинное – с приво­димой машиной, т. е. М_т = М_м, n_т = n_м. Для определения рабочего режима гидромуфты и двигателя необходимо привести моментную характеристику двига­теля к ведомому валу гидромуфты.

Для приведения заданной характеристики М_э = f (n) к валу турбинного колеса необходимо знать закон изменения передавае­мого гидромуфтой момента с изменением частоты вращения веду­щего вала. Как известно, этот закон описывается уравнением (4.20)

M = λ_мρn²_нD⁵.

Задаваясь конкретными значениями передаточного отношения, по графику на рис. 4.7, в, который является единым для подобных гидромуфт, находим соответствующее значение величины λ_м и вычисляем для принятого i постоянную величину b = _λмρD⁵. Тогда

M = bn²_н. (4.25)

Таким образом, передаваемый гидромуфтой момент зависит только от частоты вращения ведущего вала и передаточного отношения. По этому закону передаваемый момент будет изме­няться при переходных процессах в приводе. При установившемся режиме М_э = М_н = М_т = М_м, а сам режим будет определяться точкой пересечения характеристик М_э = f (n) и ( 4.20 ) при i = const.

Для приведения М_э = f (n) к валу турбинного колеса доста­точно воспользоваться координатами точек пересечения указан­ных характеристик и уравнениями (4.20) и (4.22), т. е. М_н = М_т и i = n_т/n_н.

На рис. 4.10 показаны кривые М_э = f (n) и М = f (n) при разных i.Точки 1, 2, 3, 4 пересечения этих кривых определяют величины передаваемых моментов гидромуфтой в установившемся режиме при соответствующих значениях i. Точки 1', 2', 3', 4' получены пересчетом по уравнениям (4.20) и (4.22).

Рисунок 4.10 – Кривые для определения рабочих режимов гидромуфты и асинхронного двигателя

Приведенная характеристика двигателя М_т =f(n) построена по этим точкам.

Как видно, приведенная характеристика стала менее жесткой, чем на рабочем участке у электродвигателя, так как с увеличением момента сопротивления на ведомом валу частота вращения n_т заметно падает при незначительном уменьшении частоты n_э. В пределе частота вращения ведомого вала гидромуфты будет равна нулю (точка 1'), а двигатель будет работать при этом еще со значительной частотой n_э > n_{э. кр}, развивая момент, близкий к максимальному M_{э max}.

Последнее обстоятельство благоприятно сказывается на пуске двигателя с гидромуфтой, так как разгон системы, жестко связан­ной с турбинным колесом, будет осуществляться при моменте, близком к М_{э. max} > M_{э. п}, а нагрузка на электродвигатель будет возрастать по кривой М = f (n) при i — 0.

По этой причине нельзя выбирать гидромуфту с передаваемым моментом при i = 0, проходящим через точку максимума кривой М_э = f (n) или левее ее, так как возможен случай, когда момент сопротивления при пуске М_{м. п} будет больше передаваемого гидро­муфтой при i = 0 (точка 5) и двигатель не сможет развернуть турбинное колесо. При этом он будет потреблять значительный пусковой ток, что может вывести его из строя. Подобный случай может произойти и в процессе работы при М_м >M_{э max}.

Рабочий режим гидромуфты будет определяться точкой пере­сечения характеристик М_т = f (n) и М_м = f (n), а электродви­гателя - пересчетом по уравнениям (4.20) и (4.22 ). На рис. 4.10 режимы указаны соответствующими точками а и b.

Как видно из рис. 4.10, рабочий режим гидромуфты характеризуется большим скольжением (велика разность n_н - n_т). Для приближения его к номинальному (s = 3…5%) необходимо осуществлять пуск муфты при частично опорожненной рабочей полости с последующим ее заполнением после разгона системы.

Например, на рис. 4.10 после разгона системы необходимо довести характеристику М_т = f (n) до положения кривой, обозна­ченной пунктиром. Рабочий режим гидромуфты при этом будет определяться точкой «с», а двигателя — точкой «d». Однако если гидромуфта не самоопоражнивающаяся, то после заполнения ра­бочей полости она теряет свои защитные свойства.

Рассмотренная совместная работа двигателя с гидромуфтой является упрощенной, так как при не полностью заполненной рабочей полости зависимость λ_м = f (i) может быть немонотонной или даже содержать разрывы, что на практике приведет к соот­ветствующему изменению и приведенной характеристики М_т = f (n), а при пересчете затруднит определение величины передаваемого момента.

У гидромуфт с внутренним самоопоражниванием заполнение рабочей полости в процессе пуска не остается постоянным. Поэтому нарастание передаваемого момента происходит не по квадратич­ной параболе (4.25) с b = idem, а вследствие изменения заполне­ния рабочей полости будет переходить с одной параболы на дру­гую, которая соответствует большему заполнению (значение b увеличивается).

Выбор гидромуфт

Расчет конструктивных размеров гидромуфты представляет значительные трудности [7]. Поэтому к проектированию гидро­муфт прибегают лишь в тех случаях, когда нужен совершенно новый образец, принципиально отличающийся от уже известных. В остальных случаях при расчетах пользуются методом подобия. При этом необходимо знать геометрические размеры и приведенную характеристику гидромуфты, принятой за модель (см. рис. 4.7, в).

Перед выбором гидромуфты необходимо установить номиналь­ную мощность приводящего двигателя, его частоту вращения, требуемое значение к. п. д. или скольжение гидромуфты, ее назначение (предохранительная, пуско-предохранительная и т. п.) и условия работы (сочленение с валами двигателя и машины, пожароопасность окружающей среды и т. п.).

Основываясь на техническом задании, выбирают рабочую жидкость определенной плотности и вязкости, типовую конструк­цию гидромуфты и приведенную характеристику для выбранной серии. Далее по приведенной характеристике для заданного значения скольжения (s =2…5%) находят коэффициент мощ­ности λ_N или момента λ_M и по уравнениям (4.19) или (4.20) определяют активный диаметр гидромуфты:

или

Остальные размеры проточной части определяют из условий геометрического подобия относительно активного диаметра [19, 24].

При этом следует помнить, что существует ГОСТ 17172 – 71 на размеры активных диаметров всех гидромуфт, а для регулируемых, кроме того, ГОСТ 14151 – 69 – 14160 – 69 на все остальные основные размеры.

В некоторых источниках [1, 17] имеются специальные номограммы для выбора размера активного диаметра.

Для регулируемых и пуско-предохранительных гидромуфт после выбора их основных размеров рекомендуется определить максимально допустимую степень заполнения рабочей полости, исходя из условий нормального пуска двигателя М_т._п < (0,9…0,95) М_{э max}, где М_т. _п - максимально допустимый передавае­мый момент гидромуфтой при заторможенном турбинном колесе (см. рис. 4.10). Затем по M_{т. п} и уравнению (4.20) определяют максимально допустимый коэффициент момента:

Пользуясь приведенной характеристикой и допуская, что коэффициент λ_м при i = 0 прямо пропорционален объему заполнения рабочей полости, можно определить максимально допу­стимую степень заполнения муфты в момент пуска.

В некоторых случаях необходим расчет гидромуфты по нагреву, который сводится к следующему:

Потери мощности в гидромуфте (ΔN) и ее температура (t)

ΔN = N(1 – η). (4.26)

Температура гидромуфты при работе

(4.27)

где t₀ – температура окружающего воздуха; k – коэффициент теплоотдачи (для гидромуфт, имеющих окружную скорость около 30 м/с, принимается равным 58 Вт/(м² • град) [1]; F – площадь поверхности охлаждения, м².

При нормальной нагрузке t<80…90°С. При t > 90° С не­обходимо применять специальные средства охлаждения. В част­ности, для регулируемых гидромуфт с переменным заполнением следует определить расход рабочей жидкости, циркулирующей через охладитель, и степень ее охлаждения [17, 24].

Иногда возникает необходимость в построении внешних ха­рактеристик выбранной гидромуфты. При наличии зависимости λ_М = f (i) характеристика М = f (i) строится по уравнению ( 4.20 ), остальные – как показано в 4.4.

В табл. 4.1 приведены основные параметры некоторых гидромуфт [17], а в работе [18] – подробные сведения по конструкциям гидромуфт типа ГМ-590-2, ГПВ-400, ГПВ-360, ГДМ ГПЭ-400, НПО «ВНИИМЕТМАШ», а также гидротрансформаторов ЛГ-340, ГДТ ЗИЛ, ГТР-4802, У358011.

П р и м е р. Выбрать предохранительную гидромуфту для шахтного скреб-кового конвейера. Номинальная мощность приводящего двигателя 50 кВт, частота вращения 1480 об/мин. Двигатель соединен непосредственно с валом на­сосного колеса.

По условиям пожарной безопасности рекомендуется выбирать водомасляную эмульсию с присадкой ВНИИНП-117 [7] с плотностью р = 10³ кг/м³. Согласно ГОСТ 17172—71 номинальное скольжение для предохранительных гидромуфт s=5%. Для серийных гидромуфт этому s соответствует коэффициент мощности λ_N = 0,37.

По формуле (4.19) находим диаметр колеса гидромуфты

Расчетному диаметру ближе всего соответствует активный диаметр 395 мм серийно выпускаемой гидромуфты ТЛ32/395 с номинальной передаваемой мощностью 55 кВт при КПД 96% [23].

Температура гидромуфты при длительной работе в окружающей среде с t₀ = 25° С (ориентировочная поверхность охлаждения 0,66 м²) согласно уравнению (4.27) будет

Расчетная температура меньше допустимой t = 90ºС, поэтому нет необ­ходимости в дополнительных средствах охлаждения.

Гидродинамические передачи, как и объёмные, обладают рядом достоинств: возможность преобразования моментной характеристики приводящего двигателя соответствии с требованиями нагрузки; простота и надежность предохранения приводящего двигателя от перегрузки; сравнительно высокая компактность при значительной передаваемой мощности; возможность бесступенчатого регулирования скорости выходного звена.

Кроме того, у гидродинамических передач менее жесткая связь между валами, чем у объёмных. Это способствует сглаживанию пиковых нагрузок и крутильных колебаний. Гидродинамические передачи конструктивно проще объёмных и поэтому надежнее в эксплуатации; они менее требовательны к чистоте рабочей жидкости и ее смазочным свойствам смазочным свойствам; давление жидкости в них меньше, чем в объёмных передачах.

К недостаткам гидродинамических передач следует отнести нагрев рабочей жидкости в процессе эксплуатации; утечки жидкости, особенно в аварийных случаях; интенсивное КПД при перегрузка; пожароопасность в случае применения горючей жидкости.

Гидродинамические передачи широко применяется в различных отраслях промышленности. Гидромуфтами снабжены приводы почти всех штатных скребковых и некоторых ленточных конвейеров, струговые установки [23] гидротрансформаторы используется на мощных автомобилях, тепловозах и кораблях.[19, 23]

Таблица 4.1 – Основные параметры регулируемых гидромуфт [17]