Характеристики совместной работы двигателя и гидромуфты

Характеристика привода, который представляет собой комплекс двигатель-гидромуфта, определяется их совместными параметрами. На большинстве транспортных и строительно-дорожных машин применяются двигатели внутреннего сгорания, а на подъемно-транспортных и горных машинах – электродвигатели. В связи с этим рассмотрим совместную работу гидромуфты с двигателями внутреннего сгорания и с электродвигателями.

Работа гидромуфты с двигателем внутреннего сгорания. Для построения характеристики совместной работы двигателя внутреннего сгорания и гидромуфты рассмотрим отдельно:

― характеристику двигателя внутреннего сгорания (рис. 5.21, а) – зависимость крутящего момента на валу двигателя от его частоты вращения М = f (n_дв), где кривая 1 соответствует полному открытию дроссельной заслонки, кривая 2частичному открытию.

― характеристику гидромуфты (рис. 5.21, б) – зависимость крутящего момента от частоты вращения М = f (n₂).

Для выявления нагружающих свойств гидромуфты строим ее входную характеристику (рис. 5.21, г) – зависимость момента от частоты вращения насоса при . Характеристики входа мы строим для ряда значений и т. д. до , перестраивая внешнюю характеристику муфты в координатах , считая, что (рис. 5.21, в).

Построение характеристик входа (или нагрузочных характеристик) гидромуфты выполняем следующим образом: задаемся значением передаточного отношения i; затем по графику находим соответствующее значение λ_м; вычисляем постоянную для данного i величину и по уравнению строим параболу . Аналогично строим параболы для других значений i (рис. 5.21, г).

Совместив на одном графике характеристику двигателя и нагрузочную характеристику муфты (рис. 5.21, д), получаем точки 1, 2, 3, 4, которые являются точками совместной работы двигателя и гидромуфты.

Строим выходную характеристику привода, т. е. кривую изменения крутящего момента на валу турбины в зависимости от частоты вращения турбины при полностью открытой дроссельной заслонке двигателя (рис. 5.21, е). Эту зависимость иногда называют деформированной характеристикой двигателя. Каждой точке пересечения кривой нагрузки гидромуфты и кривой крутящего момента двигателя (рис. 5.21, д) соответствуют определенный крутящий момент М и частота вращения , а частота вращения турбины составляет .

Рис. 21. Совместная работа гидромуфты с ДВС: а) характеристика двигателя; б) внешняя характеристика гидромуфты M = f (n₂); в) приведенная характеристика гидромуфты; г) характеристика входа гидромуфты; д) совместная характеристика двигателя и входа гидромуфты; е) выходная характеристика привода; ж) совмещение характеристики двигателя и выходной характеристики привода; з) условие устойчивой работы двигателя с гидромуфтой

С учетом изложенного построим кривую крутящих моментов на ведомом валу при совместной работе данного двигателя и гидромуфты. Построив совместную характеристику двигателя и входа гидромуфты и выходную характеристику привода в одинаковом масштабе увидим, что все значения моментов (точки 1, 2, 3, 4) сдвинутся влево по горизонтали, так как по оси абсцисс отложена частота вращения , где . Поэтому характеристику (рис. 5.21, е), называют деформированной характеристикой двигателя.

Особенностью деформированной характеристики является то, что она в отличие от обычной характеристики двигателя имеет начало на оси ординат, т. е. привод с гидромуфтой позволяет получить любую скорость вала трансмиссии, связанного с валом турбины, вплоть до нулевой.

Из совмещенной характеристики двигателя и выходной характеристики привода (рис. 5.21, ж) следует:

1) При наличии гидромуфты крутящий момент на валу двигателя при малой частоте вращения n₂ больше, чем без гидромуфты. Это объясняется тем, что при наличии гидромуфты двигатель развивает большую частоту вращения и работает на режиме большего крутящего момента. Таким образом, сдвиг влево кривой крутящих моментов вызван работой двигателя при различной частоте вращения.

2) Двигатель может работать при остановленной турбине и что момент при трогании с места (n₂ = 0) на ведомом валу привода мало отличается от максимального крутящего момента двигателя.

Для нормальной эксплуатации необходимо чтобы двигатель с гидромуфтой работал устойчиво при всех изменениях нагрузки, для определения устойчивости используют характеристику устойчивой работы двигателя внутреннего сгорания с гидромуфтой (рис.5.21, з). Если при работе двигателя с гидромуфтой при любом по какой-либо причине возрастет нагрузка на ведомом валу привода (вплоть до его остановки), двигатель не заглохнет, а будет устойчиво работать на режиме, определяемом точкой В характеристики при частоте вращения , соответствующей . Если при этом крутящий момент двигателя уменьшится до значения, соответствующего точке Б(например вследствие падения давления при всасывании), то частота вращения двигателя также уменьшится и уменьшится момент, нагружающий двигатель до значения, определяемого точкой С. Т.к. нагружающий момент уменьшается быстрее, чем момент двигателя (рис. 5.21, з), поэтому вал двигателя начнет увеличивать частоту вращения, пока не установится новый равновесный режим работы.

Таким образом, работа двигателя с гидромуфтой будет устойчивой при условии, что тангенс угла наклона нагрузочной кривой моментов в точке В будет больше тангенса угла наклона кривой момента двигателя, т.е.:

.

К гидромуфте, работающей совместно с двигателем внутреннего сгорания предъявляются следующие требования:

1) Для передачи номинальной мощности при максимальном КПД характеристика входа гидромуфты при должна проходить через точку А, в которой момент (рис. 5.21, а).

2) При минимально устойчивой частоте вращения вала двигателя муфта должна нагружать двигатель моментом, не превышающим М_дв при n_1min. Это требование необходимо для того, чтобы при остановке транспортной машины ее не «вело» при включенном сцеплении, т. е. момент сопротивления передвижению машины должен быть больше момента, развиваемого гидромуфтой.

3) Для использования максимального момента двигателя характеристика входа гидромуфты при должна проходить через точку В, в которой момент максимален.

Известно, что двигатели внутреннего сгорания запускают вспомогательным оборудованием (например, стартером), и они не могут работать при частоте вращения, меньшей определенной минимальной частоты вращения n_min. Гидромуфты позволяют осуществить разгон ведомого вала с места под нагрузкой, не перегружая двигатель, и обеспечить его устойчивую работу во всем диапазоне изменений скоростей ведомого вала. Одновременно с этим гидромуфта частично предохраняет ведомый вал привода от передачи ему крутильных колебаний вала двигателя и защищает двигатель от передачи толчков со стороны ведомой части. Гидромуфта допускает совместную работу нескольких двигателей в одной рабочей машине.

Работа гидромуфты с электродвигателем переменного тока.Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором являются наиболее надежными и дешевыми. К их недостаткам относится малый пусковой момент (требуется применение специальных устройств для пуска их под нагрузкой) и узкий диапазон изменения рабочей частоты вращения и крутящего момента.

Существенного улучшения характеристик привода с асинхронным короткозамкнутым двигателем можно достигнуть применением гидромуфт. При этом, например, решается проблема привода больших инерционных масс, для разгона которых без гидромуфты требуется глубокое и длительное по времени регулирование скольжения двигателя.

Рис. 5.22. Совместная работа гидромуфты с электродвигателем переменного тока: а) характеристика электродвигателя с короткозамкнутым ротором; б) внешняя характеристика гидромуфты

Для работы с данным двигателем гидромуфту подбирают таким образом, чтобы ее характеристика входа при (кривая а, рис. 5.22., а) пересекала характеристику двигателя в точке 1, соответствующей максимальному крутящему моменту, благодаря чему появляется возможность при пуске использовать этот момент, а не пусковой момент двигателя (точка 3), который значительно меньше. Соответствующая сила тока при пуске (точка 1΄) будет также значительно меньше пускового тока (точка 3΄). Характеристика входа гидромуфты для (кривая б) должна пересекать характеристики момента М_д и тока J_д двигателя в точках 2 и 2΄.

Частота вращения вала может быстро увеличиваться (рис. 5.22., а), так как электродвигатель заметно нагружается уже в области сравнительно высокой частоты вращения. Благодаря этому уменьшается время потребления большого пускового тока и уменьшается нагрев двигателя. Кроме того, для пуска рабочей машины используется максимальный крутящий момент двигателя, развиваемый при меньшем потреблении тока и интенсивном охлаждении из-за высокой частоты вращения. В связи с этим привод, состоящий из короткозамкнутого электродвигателя с гидромуфтой, по пусковым свойствам не только не уступает, но даже превосходит асинхронный электродвигатель с контактными кольцами и пусковым реостатом. Так как мощность электродвигателя для пуска под нагрузкой выбирают по пусковому моменту двигателя, то гидромуфты позволяют снизить установочную мощность и при самых сложных условиях пуска применять короткозамкнутые электродвигатели. Совместная характеристика привода, содержащего электродвигатель и гидромуфту, имеет вид аналогичный совместной характеристике двигателя внутреннего сгорания и выходной характеристики привода (рис. 5.21., ж).