Основные типы и характеристики замкнутых гидромуфт

Замкнутые гидромуфты постоянного наполнения условно могут быть подразделены на предохранительные и пускопредохранительные.

Предохранительные гидромуфты ограничивают крутящий момент значением, меньшим на 15-20% максимального (опрокидного) момента приводного электродвигателя (двигатель). Значение пускового(стопового) момента в отдельных моделях таких гидромуфт может иметь значение 1,3-1,4 от величины номинального момента. В этом случае предохранительная гидромуфта выполняет функцию муфты предельного момента. Пускопредохранительная гидромуфта предназначена для поддержания вращающего момента привода в течение всего периода разгона машины в пределах 1,3-1,5 от номинального момента.

Характерным примером применения предохранительной гидромуфты как муфты предельного момента является роторный экскаватор, а пускопредохранительной гидромуфты - ленточный конвейер большой длинны.

На рис.2 показана предохранительная гидромуфта ГП 740,имеющая симметричные насос 1 и турбина 2,межлопастные каналы которых образуют рабочую полость 3. Насос 1 соединен посредством фланцев с вращающимся корпусом 4. Турбина 2 установлена на полом валу 5, имеющем посадочное отверстие для монтажа гидромуфты на входной вал редуктора. Насос 1 посредством пальцев 6 и упругих втулок 7 связан с полумуфтой 8 вала электродвигателя. В центральной части полости гидромуфты имеется камера 9.

При работе гидромуфты на установившемся режиме вся РЖ находится в рабочей полости 3 и, как было указано выше, циркулирует по каналам насоса и турбины.

В указанном режиме в камере 9 РЖ отсутствует, т.к. оба колеса (насос 1 и турбина 2) вращаются с большой частотой вращения при минимальном их скольжении. В случае возрастания нагрузочного момента скорость турбины 2 начинает уменьшаться.

При определенной величине внешней нагрузки РЖ опускается по лопаткам турбины 2 к центру гидромуфты и достигает границ камеры 9. С дальнейшим ростом нагрузки и скольжения вс? большее количество РЖ устремляется в камеру 9, в то время как количество ее в рабочей полости 3 уменьшается. Так как расход РЖ по каналам насоса и турбины в этом переходном режиме падает, то крутящий момент, передаваемой гидромуфтой, не возрастает и ограничивается вполне определeнной величиной. Остановка турбины 1 (скольжение 100%) соответствует практически полному заполнению камеры 9 РЖ, находящейся в ней в состоянии динамического равновесия. Последнее обусловлено тем, что насос 1 постоянно всасывает ту порцию жидкости, которая в данный момент поступает из турбины 2 в указанную камеру. При снятии внешней нагрузки первоначальная картина восстанавливается, поскольку вся РЖ перетекает вновь из камеры 9 в рабочую полость 3. Пуск гидромуфты сопровождается аналогичным гидравлическим процессом, но с той лишь разницей, что он протекает в обратном порядке по сравнению с режимом торможения ведомого вала.

Вал 5 турбины 2 имеет два подшипника качения 10 и 11, позволяющие этому колесу свободно вращаться по отношению к насосу 1. Полость гидромуфты во избежание вытекания РЖ уплотнена на валу 5 манжетами 12 и 13.

На рис. 3 представлены графики внешних моментных характеристик асинхронного короткозамкнутого двигателя (а) и предохранительной гидромуфты (б). В качестве допущения принято, что при изменении момента частота вращения насоса (мин^-1) n₁ =const.

Момент гидромуфты Мг подчиняется зависимости Мг = λ i ?ρ?(n₁/ 60)²? D_a ⁵,где:
λi -безразмерный коэффициент момента, являющийся параметром гидромуфты данного типа при заданном значении i,
ρ - плотность РЖ,
Da - активный диаметр, равный наибольшему диаметру рабочей полости гидромуфты.

Из приведенной зависимости следует, что изменение М г с изменением n₁ следует закону квадратичной параболы.

График 1 на рис.3 относится к "чисто" предохранительной гидромуфте, а график 2- к предохранительной гидромуфте, выполняющей функции муфты предельного момента с пониженным пусковым (стоповым) моментом при i=0. Из сопоставления характеристик видно, что момент гидромуфты при любом передаточном отношении i не превышает максимальный момент (М макс.) двигателя, работающего в установившихся режимах на устойчивом участке своей моментной характеристики независимо от величины нагрузки.

Работе привода с номинальной нагрузкой М н соответствует точка А (i= 0,965- 0,975). При возрастании внешнего нагрузочного момента от значения М н до М кр (Мкр - критический момент гидромуфты) на участке А-В скорость турбины уменьшается до значения iкр? n_1. Далее момент гидромуфты либо уменьшается в соответствии с графиком 1, либо не меняется и остаются примерно равным М кр (график 2). Во обоих случаях процесс снижения скорости турбины вплоть до полной ее остановки (i =0) протекает быстро и соответствует участкам В-С₁, В-С ₂неустойчивой работы гидромуфты. В точках С₁ и С₂ гидромуфта работает устойчиво со скольжением 100%. В этом режиме вся подводимая энергия преобразуется в тепло, повышающее температуру РЖ, что может при срабатывании тепловой защиты приводить к выбросу РЖ и устранению тем самым силовой связи гидромуфты с двигателем.

В случае отсутствия гидромуфты включение двигателя в электросеть вызывает ударное приложение усилий к элементам передачи, эквивалентное среднему значению М пуск. Использование же гидромуфты совместно с двигателем коренным образом и в лучшую сторону изменяет характер пускового процесса.

Внешняя нагрузка на двигатель в период пуска определяется только параметрами моментной характеристики гидромуфты. Если пуск двигателя осуществляется,например, при полностью блокированном ведомом валу привода, то внешний крутящий момент (М г) плавно нарастает от нуля по параболам 0 -с₁ и 0- с₂ соответственно при характеристиках 1 и 2. В точках с₁ и с₂ работа двигателя с частотой вращения, близкой к рабочей, устойчива, поскольку момент гидромуфты 0 -С₁ и 0 -С₂ при ее скольжении, равном 100%, меньше М макс.

Пуск привода при номинальной нагрузке М н и характеристике гидромуфты, например, 2 (Рис.3) можно условно разделить на три фазы. В первой фазе при неподвижной турбине двигатель быстро разгоняется по параболе 0 -с₂ до точки к пересечения этой кривой с линией М н=const. При частоте вращения двигателя n _1к турбина совместно с ведомой частью привода страгивается с места и ускоряется, что соответствует второй фазе пуского процесса. В течение этой фазы двигатель разгоняется, преодолевая момент сопротивления гидромуфты, изменяющийся так же по параболе 0-с₂. Завершению этой фазы соответствует точка с₂ пересечения кривой 0-с₂ с рабочим участком характеристики двигателя и точка В на графике 2 характеристики гидромуфты. Третья завершающая фаза определяется участком a-c₂ характеристики двигателя и соответственно участком A-B характеристики гидромуфты. В этой фазе момент гидромуфты изменяется от М кр до М н.

На рис.4 приведена конструкция пускопредохранительной гидромуфты ГПП530 с тормозным шкивом, которая устанавливается на входной вал коническо-цилиндрического редуктора приводного блока ленточного конвейера.

Отличительной особенностью этой гидромуфты гидромуфты в сравнении с предохранительной является то, что помимо насоса 1, турбины 2, корпуса 3 и вала 4 турбины в центральной части полости муфты предусмотрена пусковая камера (камера) 5, образованная внутренней нерабочей поверхностью насоса 1 и прикрепленной к нему крышкой 6. Заполнение камеры 5 РЖ при неподвижной гидромуфте и при ее вращении происходит через кольцевой вход 7, имеющийся в крышке 6.

Выход РЖ из камеры 5 в рабочую полость 8 при работе гидромуфты осуществляется через ряд отверстий 9 небольшого сечения, выполненных в цилиндрической стенке указанной камеры. При неподвижном состоянии гидромуфты РЖ свободно заполняет большую часть объема камеры 5. В процессе быстрого пуска двигателя камера 5 под напором насоса полностью заполняется РЖ и остается максимально заполненной практически до полного разгона машины.

Расход РЖ, перетекающей постоянно в рабочую полость 8 из камеры 5, сполна компенсируется большим расходом РЖ, поступающей в нее из каналов турбины 2.

Объем РЖ в камере 5 начинает уменьшаться лишь после разгона ведомого вала привода до скорости, близкой к номинальной. При этой скорости центробежные силы, воздействующие на РЖ в каналах турбины, будут препятствовать ее проникновению к кольцевому входу 7. В связи с этим рабочая полость будет постепенно пополняться через отверстия 9 РЖ, поступающей из камеры 5. Последняя полностью опорожнится лишь после окончания разгона машины.

Способность пускопредохранительной гидромуфты удерживать в пусковом процессе значительную часть РЖ в полости пусковой камеры обеспечивает снижение пускового момента привода до значения (1,3-1,6) М н и тем самым растянутый во времени плавный разгон машины.

Ограничение пускового момента в указанных пределах необходимо для большинства ленточных конвейеров, поскольку при этом устраняются опасные динамические колебания натяжения ленты и ее пробуксовка по барабанам.

Экспериментально полученные графики изменения частот вращения насоса и турбины, а также крутящего момента гидромуфты ГПП530 в процессах пуска механической системы, имитирующей разгон ленточного конвейера, приведены на рис.5.

Рассмотрение графических зависимостей n _1, n ₂ и М г от времени процесса t указывает на то, что двигатель легко разгоняется за 1,8-2,0 с, в то время как ведомый вал, нагруженный моментом сопротивления, равным М н, и инерционной нагрузкой (момент инерции 28 кгм²), ускоряется до номинальной частоты вращения за 34с.

При пускопредохранительной гидромуфте привод приобретает в известном смысле признаки адаптивной системы, т.к. при сниженном моменте сопротивления движению уменьшается и вращающий момент М г, в связи с чем плавность пуска сохраняется.

Как предохранительные, так и пускопредохранительные гидромуфты могут иметь конструктивное исполнение "гидромуфта-шкив". В таких гидромуфтах шкив (например шкив клиноременной передачи) прикрепляется к корпусу или к соединенной с ним турбине. Внутреннее лопастное колесо выполняет при таком исполнении функцию насоса.

На рис.6 показана предохранительная гидромуфта ГМШ500 исполнения "гидромуфта-шкив", в которой болтами к турбине 1 присоединен шкив 2. Насос 3 установлен на валу 4, с помощью которого гидромуфта может быть консольно смонтирована на валу двигателя.