Корзина
42 отзыва
ООО "Гидро-Максимум"
+380503713700Инженер гидравлик Алина
+380675522377Инженер гидравлик Даниил
+380675710037Инженер гидравлик Алина
Добавить отзыв
Корзина

Гидростатическая и гидродинамическая передача. Гидромуфта. Гидротрансформатор. Роликовая и сухариковая гидромуфты.

Гидростатическая и гидродинамическая передача. Гидромуфта. Гидротрансформатор. Роликовая и сухариковая гидромуфты.

Гидравлические передачи мощности.

Содержание

  1. Гидростатическая передача
  2. Гидродинамическая передача.
  3. Гидромуфта.
  4. Гидротрансформатор.
  5. Роликовая гидромуфта
  6. Сухариковая гидромуфта

Общие сведения.

Гидропередача представляет собой пару гидравлических машин, из которых одна (гидронасос) соединена с валом теплового двигателя, а другая (гидродвигатель) работает за счет энергии жидкости, нагнетаемой насосом. Выходной вал гидродвигателя посредством какого-либо механизма соединяется с ведущими колесами транспортной машины.

Если крутящий момент от входного вала к выходному передается главным образом за счет использования давления рабочей жидкости при незначительной скорости ее движения (2-3 м/с), то передача называется гидростатической. В гидростатических передачах применяют объемные насосы и двигатели.

Работа гидростатических передач основана на вытеснении или замещении небольших объемов жидкости при больших рабочих давлениях, доходящих до 350 кг/см2. Так как скорость движения жидкости в этих передачах небольшая, то величина статического напора значительно больше, чем величина динамического напора. По конструкции гидростатические передачи делятся на ротационные и поршневые. Принципиальная схема гидростатической передачи мощности с роторными аксиально-поршневыми насосом и двигателем приведена на рисунке.


Данная передача состоит из аксиально-поршневого насоса и аксиально-поршневого двигателя. Вал насоса приводится во вращения от вала дизеля. Насос подает жидкость под давлением в гидродвигатель, вал которого через осевой редуктор связан с колесной парой.

Изменение силы тяги и скорости движения тепловоза с гидростатической передачей достигается регулированием скорости движения жидкости в передаче путем изменения подачи насоса или двигателя. При этом можно получить большие значения кратности изменения силы тяги и скорости движения тепловоза при высоких значениях к.п.д. передачи. Можно отметить следующие достоинства гидростатической передачи мощности:

  1. Бесступенчатое регулирование скоростей вращения.

  2. Возможность получения больших тяговых усилий.

  3. Автоматическое предохранение от перегрузок.

  4. Малый вес и удобство компоновки при дистанционном размещении ведущих и ведомых звеньев;

  5. Отсутствие шума и вибрации.

Однако, следует отметить и ряд недостатков, присущих данном типу передач мощности:

  1. Конструктивные и технологические трудности в обеспечении больших давлений в длительной эксплуатации.

  2. Трудность в изготовлении и эксплуатации надежных гибких соединений рассчитанных на большое давление.

Отмеченные недостатки обуславливают существенную ограниченность применения данного типа привода. Гидростатические тяговые передачи применялись в 1920-1926 гг. на тепловозах малой мощности 40-300 кВт. Тепловозы мощностью 40-55 кВт работали удовлетворительно, а тепловозы большей мощности оказались ненадежными и неэкономичными.

>Гидростатическая передача поршневого типа нашла применение преимущественно в качестве привода вспомогательных машин, в частности, для вентиляторов холодильника тепловозов ТЭП60, ТЭП70 и ТЭП75.

Принцип работы гидродинамических передач основан на использовании в них кинетической энергии жидкости, т.е. передача энергии осуществляется за счет динамического напора рабочей жидкости. Принципиальная схема гидродинамической передачи приведена на рисунке.

Вал центробежного насоса соединен с валом дизеля. При работе дизеля насос засасывает жидкость из бака и подает ее по трубопроводу к турбине, вал которой через осевой редуктор связан с колесной парой. Жидкость из турбины сливается обратно в бак.

 


Гидродинамическая передача, как правило, выполняется таким образом, что насосное колесо центробежного типа и гидравлическая турбины располагаются одном корпусе и предельно сближенных друг с другом. Такой гидравлический аппарат получил название гидромуфта. В ряде случаев кроме насосного и турбинных колес имеется неподвижный направляющий аппарат (реактивный лопаточный венец) - гидротрансформатор. Такое сближение позволяет потоку жидкости, сходящему с лопастей насоса, поступать непосредственно на лопасти турбины и далее через реактор снова возвращаться на лопасти насоса. В результате передача получается компактной, легкой, с минимальными гидравлическими потерями.

 

Гидромуфта.

Гидромуфта (гидродинамическая муфта) состоит из центробежного на-соса и гидравлической турбины с предельно сближенными и размещенными в одном круге лопастными системами. На ведущем валу 7 гидромуфты укреплено колесо центробежного насоса (насосное колесо) 1, а на ведомом 5 колесо турбины 3 (турбинное колесо). С насосным колесом скреплен кожух 4, охватывающий колесо турбины. Входные и выходные кромки лопастей насосного колеса располагаются в непосредственной близости к выходным и входным кромкам лопастей турбинного колеса с зазором, необходимым для обеспечения свободного вращения и теплового расширения колес.

На рисунке показаны колеса гидромуфты, выполненные без тора с плоскими радиальными лопатками.

 

Рабочая жидкость, поступившая из насосного колеса в турбинное и прошедшая вдоль лопастей, возвращается на лопасти насосного колеса образуя круг циркуляции.

 

Для вращающих моментов на насосном и турбинном колесах гидромуфты справедливо соотношение:


.

Это выражение отражает основное свойство и назначение гидромуфты – передачу вращающего момента с ведущего вала на ведомый вал без изменения величины момента. Передача энергии в гидромуфте сопровождается потерями за счет проскальзывания колес, т.е. некоторого отставания турбинного колеса от насосного. Для коэффициента полезного действия гидромуфты справедливо следующее выражение:


 

где и – частоты вращения насосного и турбинного колес соответственно;

– передаточное отношение гидромуфты.
Очевидно, что с увеличением частоты вращения турбинного колеса к.п.д. гидромуфты и приближением ее к частоте вращения насосного колеса возрастает и достигает 0,95 – 0,97. С уменьшением частоты вращения турбинного колеса к.п.д. гидромуфты уменьшается и при становится равен нулю.

Передаточное отношение гидромуфты, характеризующее экономичность ее работы, определяет также значение – скольжение насосного колеса относительно турбинного, которое определяется из выражения:


Наивысшему значению к.п.д. ( ) соответствует скольжение , а наименьшему значению к.п.д. ( ) – значение (работа гидромуфты при остановленном турбинном колесе – стоповый режим).

Момент передаваемый гидромуфтой при наивысшем значении ее к.п.д., называется номинальным .

График изменения к.п.д. и передаваемого момента, выраженного отношением, в зависимости от соотношения частот вращения турбинного и насосного колес или скольжения представляет собой характеристику гидромуфты. Из характеристики видно, что за счет увеличения скольжения и понижения к.п.д. гидромуфты можно значительно увеличить передаваемый момент по сравнению с номинальным.


Для достижения высокого к.п.д. передачи и снижения удельного веса требуются гидромуфты с минимальным скольжением.Уменьшение скольжения может быть достигнуто увеличением массы циркулирующей жидкости. Так как скольжение колес при передаче номинального момента мало, нет необходимости в специальном профилировании лопастей насосного и турбинного колес и поэтому они изготавливаются обычно плоскими и радиальными.

Особенности конструкции гидромуфт зависят от способа управления ими. Управление существующими гидромуфтами может производится одним из трех способов: изменением числа оборотов ведущего вала, степенью заполнения гидромуфты и формой проточной части.

В тепловозных гидропередачах, как правило, применяются гидромуфты, управляемые изменением числа оборотов ведущего вала. Характеристика такой гидромуфты представлена на рисунке. Характеристика построена при переменной частоте вращения насосного колеса и условии, что передаваемый момент равен номинальному, т.е. при 

 

Гидротрансформатор.

Гидротрансформатор представляет собой конструкцию, состоящую из насосного колеса 2, турбинного колеса 4 и направляющего аппарата 6. Взаимное расположение насосного, турбинного колес и направляющего аппарата может быть различным. Направляющий аппарат размещают либо за турбинным колесом - гидротрасформатор первого класса; либо за насосным - гидротрансформатор второго класса.

1 – кожух гидротрансформатора; 2 – насосное колесо; 3 – выходной (ведомый) вал; 4 – турбинное колесо; 5 – отверстие для отвода жидкости в холодильник; 6 – направляющий аппарат; 7 – отверстие для подачи жидкости в гидротрансформатор; 8 – входной (ведущий) вал.

1 – кожух гидротрансформатора; 2 – насосное колесо; 3 – выходной (ведомый) вал; 4 – турбинное колесо; 5 – отверстие для отвода жидкости в холодильник; 6 – направляющий аппарат; 7 – отверстие для подачи жидкости в гидротрансформатор; 8 – входной (ведущий) вал.

Колеса и кожух гидротрансформатора первого класса приведены на рисунке.

Принцип работы гидротрансформатора заключается в следующем. Насосное колесо 2 приводится во вращение от ведущего вала 8, который соединен с валом двигателя. Если в корпусе отсутствует рабочая жидкость, то ведомый вал 3 турбинного колеса 4 разобщен с ведущим валом 8. Чтобы при вращении насосного колеса привести в действие турбинное колесо и передать крутящий момент от вала к потребителям, гидротрансформатор необходимо заполнить рабочей жидкостью. Для этой цели служит небольшой вспомогательный насос (на рисунках не показан), который подает масло в гидротрансформатор через отверстие 7. Насосное колесо 2, вращаясь, нагнетает масло под давлением в турбинное колесо 4, вал 3 которого на тепловозе через систему зубчатых колес соединяется с колесными парами тепловоза. Из турбинного колеса масло поступает в направляющий аппарат 3 и, получив изменение момента количества движения, возвращается к насосному колесу, создавая замкнутое движение по колесам гидротрансформатора. Пространство в гидротрансформаторе, в котором рабочая жидкость совершает замкнутое движение называется кругом циркуляции.

Часть работы дизеля, затрачиваемая в гидротрансформаторе на преодо-ление гидравлического сопротивления, преобразуется в тепло, нагревающее масло. При трогании тепловоза с места энергия, превращаемая в тепло, со-ставляет от 10 до 25% энергии вырабатываемой дизелем, и в данном режиме работы масло могло бы нагреться до температуры вспышки. Для нормальной работы передачи температура вспышки не должна превышать заданной тех-ническими условиями (как правило, 70 – 90 град С). Во время работы гидро-трансформатора часть нагретого масла через отверстие 5 в кожухе 1 отводится в холодильник. Пополнение масла осуществляется через отверстие 7.

Гидротрансформаторы с тремя колесами (насосным, турбинным и колесом направяющего аппарата) называют одноступенчатыми. На рисунке показаны наиболее часто применяемые схемы расположения колес в круге циркуляции одноступенчатых гидротрансформаторов.


Гидротрансформаторы, в которых насосное или турбинное колеса разделены на ступени называются многоступенчатыми. Некоторые возможные схемы двух и трехступенчатых гидротрансформаторов приведены на рисунке.

Гидротрансформаторы могут быть выполнены с центробежным, центростремительным и осевым турбинным колесом. В первом случае (схема - а); жидкость движется от оси вращения к периферии, во втором - от периферии к оси вращения (схема - г) и в третьем случае (схема - б) - в направлении оси вращения.

Технико-экономические показатели гидротрансформатора определяются его характеристиками, т.е. закономерностями изменения основных параметров в зависимости от соотношения угловых скоростей вращения турбинного и насосного колес.
Мощность, передаваемая насосным колесом , может быть определена по следующей зависимости:

, кВт,

где - момент насосного колеса, Н.м;

- частота вращения насосного колеса, об/мин;
9550 – переводной коэффициент.

Аналогично мощность, передаваемая турбинным колесом, определяется по зависимости:

, кВт

где - момент турбинного колеса, Н.м;

- частота вращения турбинного колеса, об/мин.
Коэффициент трансформации момента  определяется соотношением:

.

Гидравлический к.п.д. гидротрансформатора:

.

где – передаточное отношение гидротрансформатора.
На рисунке представлена типичная характеристика гидротрансформатора, которая показывает, зависимость моментов  и , коэффициента трансформации  и к.п.д. гидротрансформатора от изменения соотношения частот вращения турбинного и насосного колес.

Условия статического равновесия моментов, приложенных к колесам гидротрансформатора, приводят к следующему равенству:

,

где – момент, приложенный к лопастям направляющего аппарата (реактора). 
Равенство показывает, что преобразование момента в гидротрансформаторе всецело обусловлено реактивным моментом направляющего аппарата . Так с увеличением момента  при определенном значении момента насосного колеса  момент турбинного колеса и коэффициент трансформации момента увеличиваются. С уменьшением момента момент и коэффициент трансформации момента уменьшаются. Знак минус в формуле (8) относится к отрицательным значениям .

Таким образом, увеличение нагрузки турбинное колесо, приводящее к его остановке, даже если остановка происходит внезапно, не вызывает внезапного изменения режима работы двигателя. Гидротрансформатор в подобных случаях надежно защищает двигатель от перегрузок и остановок.

Комплексный гидротрансформатор.

Рассмотрим зависимость к.п.д.гидромуфты и гидротрансформатора от их передаточного отношения, приведенные на рисунках.


Как мы видим высокие значения к.п.д. (более 80%) при работе на одном гидравлическом аппарате могут быть достигнуты лишь в незначительном диапазоне передаточных отношений (скоростей). Но если совместить характеристики гидротрансформатора и гидромуфты, то их общий интервал выгодных передаточных отношений значительно расширяется. Наглядно это показано на рисунке.

Аналогичный результат можно получить путем совмещения характеристик нескольких гидротрансформаторов и их совмещением с характеристикой гидромуфты (наглядно это продемонстрировано на рисунках).


Для подобного совмещения характеристик при использовании одной гидравлической машины применяются комплексные гидротрансформаторы.

Комплексным гидротрансформатором называют гидротрансформатор, который может работать на режиме гидромуфты. Можно дать еще одно определение комплексного гидротрансформатора. Комплексным называется гидротрансформатор, в котором направляющий аппарат (или несколько направляющих аппаратов) установлен на муфте свободного хода и в зависимости от передаточного отношения гидроаппарата либо блокируется жестко с неподвижным корпусом, либо вращается вместе с гидромуфтой. Схема простейшего комплексного гидротрансформатора показана на рисунке.

Рассмотрим работу комплексного гидротрансформатора с одним реактором.

Механизм свободного хода допускает холостое вращение колеса направляющего аппарата только в направлении вращения насоса и турбины и препятствует вращению в противоположную сторону.

При небольших значениях передаточных отношений направляющий аппарат не вращается и гидромашина работает в режиме гидротрансформатора. При росте передаточного отношения выше определенного значения колесо направляющего аппарата начинает вращаться и гидромашина переходит в режим гидромуфты. Колесо направляющего аппарата начинает вращаться и останавливаться благодаря устройству муфт свободного хода.

Наиболее распространенными вариантами муфт свободного хода являются роликовая и сухариковая муфты свободного хода могут применяться и другие механизмы.

Схема роликовой муфты свободного хода приведена на рисунке.

В роликовой муфте свободного хода наружное кольцо 4 направляющего аппарата неподвижно соединено с корпусом; вал 1 направляющего аппарата соединен со втулкой 3, имеющей наклонные поверхности. Между кольцом 4 и втулкой 3 помещены ролики2, находящиеся в обойме 5. Если момент действует на вал 1 по часовой стрелке, то вал 1 с направляющим аппаратом будет вращаться свободно. Если момент действует против часовой стрелки, то ролики будут зажаты между неподвижным кольцом 4 и наклонными поверхностями втулки 3, и направляющий аппарат будет остановлен.

 

Схема сухариковой гидромуфты приведена на следующем рисунке.

В сухариковой муфте свободного хода наклонные поверхности выполнены на сухариках 2, а втулка 1 сделана цилиндрической. Сухарики не препятствуют вращению втулки 1 по часовой стрелке и не дают вращаться против.

 

В комплексном гидротрансформаторе с двумя направляющими аппаратами каждый реактор имеет свой механизм свободного хода. Отличие в работе такого гидротрансформатора от уже рассмотренного заключается в том, что в нем установлены два направляющих аппарата имеющих разный профиль рабочих лопаток. Тем самым обеспечивается различное время выключения этих направляющих аппаратов.

Схема комплексного гидротрансформатора с двумя направляющими аппаратами фирмы Аллисон показана на рисунке.

В этом гидротрансформаторе насосное колесо 4 соединено с валом дизеля, турбинное колесо 1 - с ведомым валом 8, первый направляющий аппарат связан с механизмом свободного хода 5, а второй направляющий аппарат 3 - с механизмом свободного хода 6. Механизмы свободного хода насажены на неподвижный полый вал. После напонения гидротрансформатора маслом и при вращении насосного колеса 4 масло подается в турбинное колесо 1, из которого поступает в направляющие аппараты.

Внешняя характеристика данного гидротрансформатора приведена на рисунке.

В тепловозных гидропередачах комплексные гидротрансформаторы почти не применяют. Это объясняется главным образом тем, что при постоянных числах оборотов насосного колеса режим гидромуфты осуществляется в очень узком диапазоне скоростей. Если передачу энергии производить при изменении числа оборотов насосного колеса, то мощность дизеля используется не полностью. Кроме того, при вращении гидротрансформатора без масла к механизму свободного хода требуется принудительно подводить смазку.