Гидротранформатор

Вопрос  №1

Принцип действия  гидромуфты и гидротрансформатора. Использование этих устройств в приводах строительных машин. Коэффициент трансформации. Изменение КПД трансформатора в функции угловой скорости турбинного колеса. Оптимальная точка на механической характеристике гидротрансформатора. Реакторное колесо на обгонной муфте.

Гидравлическая муфта  и гидравлический трансформатор  являются основными узлами гидравлической передачи. Технические характеристики этих гидравлических элементов определяют все показатели и свойства гидравлической передачи.

Гидравлической  муфтой (рис. 1.1) называется устройство, обеспечивающее гибкое соединение ведущего и ведомого валов и передачу вращающего момента без изменения его по величине. По конструкции она представляет собой двухлопастную гидравлическую машину, состоящую из двух основных частей: насосного колеса, жестко связанного посредством ведущего вала с валом двигателя, и турбинного колеса, соединяемого с помощью ведомого вала и механических звеньев с движущими осями. Одно из рабочих колес, чаще всего турбинное, обхватывается кожухом, предназначенным для компоновки приборов питания (трубопроводов, клапанов) и уплотнения. Отличительной конструктивной особенностью обоих рабочих колес является наличие плоских радиальных лопаток. Лопатки сложного профиля применяются редко и только в муфтах специального назначения.

Рис. 1.1. Гидравлическая муфта:

а — схема: 1 — турбинное  колесо; 2 — кожух; 3 — ведомый  вал, 4 — насосное колесо; 5 — ведущий  вал; б — внешняя характеристика: n_н, n_т — частота вращения насосного и турбинного колес; Мн, Мт — момент вращения насосного и турбинного колес; S — коэффициент проскальзывания турбинного колеса относительно насосного; η_м — КПД гидромуфты

Кромки лопаток рабочих  колес насоса и турбины располагаются  в непосредственной близости друг от друга с зазором, необходимым  для обеспечения их свободного вращения и теплового расширения. Лопатки  с примыкающими к ним частями  корпуса колес образуют в совокупности пространство, называемое кругом циркуляции. В рабочем режиме круг циркуляции заполняется рабочей жидкостью.

При вращении насосного колеса жидкость, находящаяся в круге  циркуляции, перемещается под действием  центробежной силы от центра колеса к  периферии, благодаря чему в потоке накапливается кинетическая энергия. Пройдя по каналам между лопатками, жидкость выбрасывается из насосного  колеса, перемещается в осевом направлении, попадает на лопатки турбинного колеса и давит на них, заставляя колесо вращаться в сторону вращения насосного колеса. По мере перемещения  по лопаткам турбины кинетическая энергия  потока жидкости убывает, превращаясь  в механическую энергию ведомого вала и частично в потери.

Круговое движение жидкости по лопаткам рабочих колес гидромуфты (циркуляция) становится возможным  из-за разности давлений. Действительно, давление жидкости на выходе из насосного  колеса больше, чем на входе в  турбинное колесо, так как скорость вращения турбинного колеса всегда меньше скорости вращения насосного колеса.

Скорость циркуляции, т.е. скорость относительного движения потока жидкости по лопаткам, зависит от соотношения  угловых скоростей вращения насосного  и турбинного колес. Разность чисел  оборотов насосного и турбинного колес называется скольжением.

Скольжение рабочих колес  находится в обратной зависимости  от их передаточного отношения, т.е. от отношения частоты вращения турбины  к частоте вращения насоса. При  отсутствии скольжения колес исчезнет перепад давлений и циркуляция жидкости прекратится, что прекратит передачу кинетической энергии с насосного колеса на турбинное, следовательно, вращающий момент будет равен нулю. Иная картина будет в случае, если турбинное колесо неподвижно, а насосное колесо вращается с нормальной скоростью (скольжение 100 %). Перепад давлений будет наибольший, также наибольшими будут скорость циркуляции жидкости и ее воздействие на лопатки турбинного колеса. Передаваемый вращающий момент будет иметь максимальное значение. При промежуточных значениях передаточного отношения гидромуфты скорость циркуляции жидкости и вращающий момент приобретают соответствующие промежуточные значения.

Из характеристик гидромуфты видно, что по своим энергетическим свойствам гидромуфта, отдельно взятая, не отвечает целям тяги. Это объясняется  перегружающим воздействием на дизель и низким КПД ее в диапазоне  невысоких частот вращения турбинного колеса. Гидромуфта рассчитывается на передачу нормального момента М_норм и работу при высоких передаточных отношениях с КПД 0,95... 0,98. В этот режим она включается в качестве ступени скорости гидравлической передачи.

Гидротрансформатором называется устройство, обеспечивающее гибкое соединение валов и передачу мощности с ведущего вала на ведомый с преобразованием вращающего момента и изменением частоты вращения ведомого вала по сравнению с частотой вращения ведущего вала (рис. 1.2).

Гидротрансформатор отличается от гидромуфты наличием третьего неподвижного лопастного колеса, называемого направляющим аппаратом. Насосное колесо, закрепленное на валу, приводится во вращение от дизеля. Частота вращения насосного колеса и вращающий момент на нем равны  или, в случае наличия входного редуктора  между дизелем и гидротрансформатором, пропорциональны частоте вращения коленчатого вала дизеля и вращающему моменту на нем. Турбинное колесо соединяется с движущими колесами машины посредством механических элементов — системы зубчатых колес и карданных валов. Следовательно, скорость движения и сила тяги машина пропорциональны частоте вращения турбинного колеса и вращающему моменту на нем. Все три рабочих колеса имеют профилированные лопатки, т.е. лопатки, сечение которых имеет сложную гидродинамическую форму.

Лопатки рабочих колес  размещаются так, что выходные кромки одних лопаток располагаются  в непосредственной близости от входных кромок других лопаток. Между кромками лопаток смежных колес предусматриваются зазоры, необходимые для обеспечения свободного вращения и теплового расширения.

Рис. 1.2. Гидротрансформатор:

а — схема: 1 — насосное колесо; 2 — турбинное колесо; 3 —  кожух, 4 — направляющий аппарат; 5 —  ведущий вал, 6 — внешняя характеристика: n_н, n_т — частота вращения насосного и турбинного колес; М_н, М_т — момент вращения насосного и турбинного колес; М_{н об} — момент вращения насосного колеса с обгонной муфтой, η_н — КПД насосного колеса, η_тр— КПД гидротрансформатора.

гидротрансформатор стал неотъемлемой частью трансмиссий с  АКПП.

Типовой гидротрансформатор состоит из трех основных элементов :

• насосного колеса;
• турбинного колеса;  
• реакторного колеса.

Реакторное колесо соединено  с картером не жёстко, а через  обгонную муфту и служит для поворота вектора скорости выходящего из турбинного колеса потока жидкости, таким образом, чтобы он совпадал с направлением вектора скорости вращения насосного  колеса. Наличие обгонной муфты позволяет  автоматически отключать реактор  от картера, что переводит гидротрансформатор в режим работы гидромуфты.

Так же как и в гидромуфте, в гидротрансформаторе для увеличения эффективности встроено направляющее кольцо. Оно предназначено для  сглаживания вихревых потоков, возникающих  в относительном потоке жидкости, что способствует увеличению КПД  гидропередачи.

Принцип действия гидротрансформатора  аналогичен принципу действия гидромуфты. Насосное колесо закручивает жидкость, создавая в ней запас кинетической энергии вращательного движения. Турбинное колесо, благодаря соответствующему профилю его лопаток, раскручивает жидкость. Запас кинетической энергии потока жидкости используется для преодоления внешних сил сопротивления, приложенных к ведомому валу, а значит и к движущим осям машины.

Наличие в круге циркуляции неподвижных лопаток направляющего  аппарата придает гидротрансформатору  свойство автоматически изменять вращающий  момент на турбинном колесе в зависимости  от частоты вращения последнего, т. е. от скорости движения машины. Преобразующее свойство гидротрансформатора оценивается коэффициентом трансформации момента К= М_т/М_н. Под термином «коэффициент трансформации» понимается отношение момента, развиваемого турбинным колесом, к моменту на насосном колесе.

По конструктивным особенностям гидротрансформаторы подразделяются:

• на одноступенчатые и многоступенчатые, если в круге циркуляции имеется соответственно один или несколько рядов (ступеней) лопаток турбинного колеса;

• одноциркуляционные и многоциркуляционные, если в их состав входит соответственно один или несколько кругов циркуляции;

• простые и комплексные, если они не обладают или, наоборот, обладают свойством гидромуфты.

Наряду с разделением  гидротрансформаторов по конструктивным особенностям существует разделение их по так называемому свойству прозрачности: непрозрачные и прозрачные. Под прозрачностью  гидротрансформатора понимается его  свойство оказывать влияние на режим  нагрузки дизеля.

В непрозрачном гидротрансформаторе  момент насосного колеса при постоянной частоте вращения не изменяется при  всех значениях момента турбинного колеса и его частоте вращения. Это свидетельствует о том, что  изменение внешней нагрузки не оказывает  влияния на нагрузку дизеля. Если же момент насосного колеса изменяется с изменением момента турбинного колеса, то характеристика гидротрансформатора  называется прозрачной.

Из характеристики гидротрансформатора  видно, что при трогании и разгоне турбинного колеса КПД гидротрансформатора низкий, этот недостаток окупается реализацией необходимых тяговых свойств. Такой режим составляет относительно небольшой период времени работы гидротрансформатора.

Режим высокой частоты  вращения турбинного колеса, характеризуемый  также низким КПД, неприемлем для  длительной работы, поэтому гидротрансформаторы  применяются в качестве ступеней скорости гидропередачи. Скоростной диапазон работы каждой ступени определяется по передаточным отношениям гидротрансформатора, при которых его КПД не ниже 80%.

Любой гидротрансформатор характеризуется  определенным КПД, передаточным отношением, которое показывает соотношение  угловых скоростей его колес, и коэффициентом трансформации, показывающим, во сколько раз увеличивается значение крутящего момента. Максимальный коэффициент трансформации зависит от конструкции гидротрансформатора и может составлять до 2,4 (при неподвижном турбинном колесе). При увеличении частоты вращения вала двигателя увеличивается угловая скорость насосного и турбинного колес, а увеличение крутящего момента в гидротрансформаторе плавно уменьшается. Когда угловая скорость турбинного колеса приближается к угловой скорости насосного, поток жидкости, поступающей на лопасти реактора, изменяет свое направление на противоположное. Для того чтобы реактор на этом режиме не создавал помех потоку жидкости, его устанавливают на муфте свободного хода, и он начинает свободно вращаться (гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты), что позволяет, в свою очередь, снизить потери. Такие гидротрансформаторы называют комплексными.

КПД гидротрансформатора  определяет экономичность его работы. Максимальное значение КПД гидротрансформатора  может быть от 0,85 до 0,97, но обычно находится  в диапазоне от 0,7 до 0,8. В комплексном  гидротрансформаторе на режиме гидромуфты можно получить максимальное значение КПД — 0,97.

Комплексные гидротрансформаторы. Стремление реализовать положительные свойства гидротрансформатора и гидромуфты в одном гидроаппарате привело к созданию комплексных гидротрансформаторов. Комплексный гидротрансформатор представляет собой устройство, обеспечивающее автоматический переход с режима гидротрансформатора на режим гидромуфты и наоборот в зависимости от условий работы.

Особенностью конструкции  комплексного гидротрансформатора (рис. 1.3) является то, что его направляющий аппарат, выполненный в виде одного или двух рядом стоящих лопастных колес, укрепляется на неподвижном валу с помощью муфт свободного хода, называемых автологами. Муфты свободного хода представляют собой различного рода храповой механизм. Неподвижная, жестко закрепленная внутренняя обойма охватывается наружной обоймой, которая жестко связана с направляющим аппаратом. Наружная обойма имеет пазы с наклонными плоскостями; между внутренней обоймой и наклонными плоскостями обоймы установлены ролики, которые поджимаются пружинами. В зависимости от изменения направления потока масла, прошедшего через турбинное колесо, и, следовательно, от того, с какой стороны лопатки направляющего аппарата давит поток масла, направляющий аппарат либо вращается, либо стоит на месте.

Полное заклинивание обеих  ступеней направляющего аппарата происходит при работе гидротрансформатора  с малыми передаточными отношениями, когда направление абсолютной скорости выхода жидкости из турбинного колеса таково, что обе ступени направляющего  аппарата отжимаются потоком в сторону, противоположную направлению вращения турбинного колеса. Колеса направляющего  аппарата заклиниваются роликами муфты  свободного хода, тем самым обеспечивая  режим работы гидротрансформатора.

Рис. 1.3. Комплексный гидротрансформатор:

а — схема гидротрансформатора: 1 — насосное колесо; 2, 3 — ступени  направляющего аппарата; 4 — неподвижный  вал; 5— автологи; 6 — турбинное колесо; б — схема автолога: 1 — внутренняя обойма; 2 — наружная обойма; 3 — лопатки направляющего аппарата; 4 — пружина; 5 — ролик.

По мере увеличения передаточного  отношения, что соответствует разгону  машины, изменяется направление абсолютной скорости выхода жидкости из турбинного колеса. При определенном передаточном отношении воздействие потока на лопатки направляющего аппарата совпадет с направлением его возможного вращения на муфтах свободного хода.