Гидромуфты. Немного теории

А.В.Крутик (Машиностроитель, 6/2001)

Гидромуфты (Гидронамические муфты) своё применение нашли в качестве составной части привода машин различных видов. Сложно найти какую-то отрасль техники и промышленности, в которых бы не использовались бы гидромуфты. Это относится в первую очередь к химической, горнорудной, нефтедобывающей, лесотехнической и металлургической промышленности. Гидронамические муфты также используются в приводах широкого класса машин транспортной, строительной и строительно-дорожной техники.

Гидромуфты- это неотъемлемая часть таких машин как цепные, ленточные, пластинчатые и скребковые элеваторы, конвейеры, осевые дымососы и вентиляторы, газовые турбины и питательные насосы, мельницы и дробилки самых различных типов, дорожные катки, роторные экскаваторы, бетоносмесители,центрифуги и барабанные сушилки. Стоит упомянуть и трактора, автомобили и железнодорожные локомотивы, в которых гидромуфты также несомненно входят в состав гидромеханических коробок.

В 1910 г. немецкий профессор Феттингер предложил изъять направляющий аппарат из им же созданного гидротрансформатора. В итоге, был сделан шаг от более сложной гидродинамической передачи к более простой. Это и явилось началом создания гидромуфт. Несмотря на многообразие конструкций гидромуфт,которые появились позднее принципиально их рабочая часть сохранилась в том виде, в каком предложил ее профессор.

На рис.1 схематично в меридиональном сечении показана гидромуфта, имеющая ведущее лопастное насосное колесо центробежного типа 1(насос) и ведомое лопастное колесо, выполняющее функцию реактивной турбины 2(турбина). Оба колеса имеют, как правило, плоские радиальные лопатки 3 и 4. К насосу 1 присоединен вращающийся при работе корпус 5. Диски 6 и 7 насоса и турбины выполнены в виде чаш с криволинейными образующими. В сововокупности с межлопастными каналами торообразная часть полости гидромуфты, заключенная между чашами насоса и турбины, является рабочей полостью. Между торцами колес имеется небольшой осевой зазор, благодаря чему возможно вращение одного колеса относительно другого. Замкнутая полость гидромуфты заполняется рабочей жидкостью (РЖ), в качестве которой используются чаще всего минеральные маловязкие масла. В пожароопасных условиях применяются вода и водные эмульсии, а также трудновоспламеняемые синтетические масла.

В приводном блоке насос соединяется валом 8 с двигателем, а турбина валом 9 с механической передачей. При включении двигателя насос своей лопастной системой увлекает во вращение РЖ и, отбрасывая к периферии рабочей полости, направляет ее на лопатки турбины. В турбине кинетическая энергия РЖ, запасенная в насосе, преобразуется в механическую энергию вращения, необходимую для преодоления сил сопротивления движению и инерции маховых масс машины. РЖ, протекая в направлении оси вращения вдоль лопаток, воздействует на них и, отдав энергию, всасывается насосом на егонаименьшем радиусе. И вновь РЖ "заряжается" в насосе новой порцией энергии. Процесс передачи и преобразования энергии от насоса к турбине происходит при работе гидромуфты непрерывно, и замкнутая циркуляция РЖ постоянно обеспечивает при этом силовую связь между колесами.

В гидромуфте (гидропередача без внешней опоры) момент на турбине всегда равен моменту на насосе, но передача энергии в ней происходит с определенными потерями, характеризуемыми в рабочем режиме значением К.П.Д. Поскольку моменты колес раны, то К.П.Д. численно равен отношению частоты вращения турбины n2 к частоте вращения насоса n1, т.е. передаточному отношению i (i= n2/n1). Крутящий момент гидромуфты передается всегда при некотором отставании скорости турбины от скорости насоса. Это значит, что гидромуфта работает со скольжением Sг = (n1-n2)/ n1= 1-i. Скольжение отображает долю потерь мощности, идущих на нагрев РЖ и деталей гидромуфты.

Основные функциональные особенности гидромуфт.

При использовании гидромуфт привод машин приобретает целый ряд положительных свойств, из которых наиболее важными являются:

- страгивание с места с нулевыми значениями начального момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости,

- предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске,

- возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надежные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины,

- суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при равномерном распределении нагрузки на эти двигатели, и возможность их поочередного запуска,

- стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстанавливаемость рабочего режима при устранении перегрузки,

- возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также ее торможения противовращением при реверсировании двигателя,

- демпфирование и гашение крутильных колебаний крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин.

К этому целесообразно добавить также такие особенности как высокий К.П.Д. гидромуфты (0,96-0,98), простота конструкции и настройки, отсутствие силовых пар трения, передающих крутящий момент. Изменение наполнения РЖ и введение в полость гидромуфты простого дросселирующего диска позволяют расширить диапазон передаваемой мощности.

Гидромуфты подразделяются на регулируемые и замкнутые.

Регулируемые гидромуфты предназначены, как правило, для относительно неглубокого (до 30-40%) регулирования частоты вращения ведомого вала привода. Наиболее экономичным такое регулирование является лишь для машин, у которых мощность нагрузки в процессе работы изменяется пропорционально кубу частоты вращения турбины, т.е. N2=(i3) Nн (Nн- номинальная мощность при полной скорости и n1=const.). К таким машинам относятся мощные (до15тыс.квт) центробежные насосы, турбогенераторы, вентиляторы. Менее экономичным регулирование с помощью гидромуфт является в случае, когда мощность изменяется пропорционально квадрату частоты вращения,т.е. N2=(i2) Nн. Максимальные потери мощности Nпот. в первом случае составляют Nпот.= 0,148 Nн при i=0,666, а во втором случае 0,25 Nн- при i=0,5. Для многих лопастных машин регулирование гидромуфтой имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами регулирования скорости.

Наибольшее распространение в мировой практике получили более простые по конструкции и обслуживанию нерегулируемые замкнутые гидромуфты. Более подробно устройство, характеристики и принцип действия замкнутых гидромуфт рассмотрен ниже.