Типы приводов и их характеристики

а, в — угловая скорость ω; б, г — крутящий момент М

Кривая 1 на рис. 10, а характеризует процесс пуска электродвигателя с механической трансмиссией с жесткой характеристикой. Время разгона tк небольшое, при этом возникают значительные инерционные моменты Ми1 (рис. 10, б), что требует резкого увеличения крутящего момента двигателя и ведет к повышению силы пускового тока в 4—5 раз и более. Для пуска трансмиссий под нагрузкой от электродвигателей переменного тока большой мощности применяют фрикционные муфты или муфты скольжения.

Кривая 2 на рис. 10, а характеризует пуск трансмиссии ют вращающегося электродвигателя с постоянной частотой вращения (асинхронного или синхронного) через фрикционную муфту. В этом случае время разгона tc (рис. IV. 10, а, точка А2) увеличивается, а требуемый при пуске крутящий момент двигателя меньше, чем в первом случае, так как Ми1>Ми2; возникающие инерционные моменты в трансмиссии могут частично или полностью преодолеваться за счет инерционных моментов вращающегося ротора двигателя. Однако при жесткой характеристике двигателя и больших вращающихся массах повышаются инерционные нагрузки на муфту, за счет чего в ней увеличивается работа трения при скольжении во время включения.

Для снижения влияния инерционных нагрузок на крутящий момент двигателя при его жестком соединении с трансмиссией применяют асинхронные двигатели с ротором, имеющим фазовую обмотку. В этом случае пуск происходит постепенно (кривая 3 на рис. 10, а) благодаря включению в обмотку ротора сопротивлений. При этом инерционные моменты ротора двигателя и трансмиссии, а также статический момент преодолеваются крутящим моментом самого двигателя. Время разгона tф - больше, чем в первых двух случаях. Недостаток системы электродвигателя с фазным ротором заключается в том, что двигатели требуют довольно сложной пусковой аппаратуры, причем улучшаются характеристики только процесса пуска. При рабочем режиме характеристика остается жесткой.

На рис. 10, в и г приведены кривые пуска трансмиссии от вращающегося двигателя с гибкой характеристикой, например ДВС с включением трансмиссии фрикционной муфтой. В этом случае при включении муфты угловая скорость двигателя ωд может снижаться (кривая 1), а угловая скорость трансмиссии ωт плавно увеличиваться (кривая 2) от 0 до точки Б (рис. 10, в). В этот период происходит проскальзывание муфты сцепления. Разгон осуществляется частично за счет крутящего момента двигателя и сил инерции его вращающихся частей :

Мд = Мст + Мит - Мид = Мст + Мит -Iдe 

(Iд — момент инерции вращающихся частей двигателей; e — угловое ускорение валов).

В точке Б (рис. 10, в) скольжение муфты прекращается (ωд=ωт = ωдт); дальнейший разгон между точками Б и В (кривая 3) происходит плавно за счет увеличения энергии, подводимой к двигателю по команде оператора, и трансмиссия не подвергается большим динамическим нагрузкам (рис.10, г, точки Б' и В').

В силовых приводах с регулируемой механической трансмиссией частоту вращения и крутящий момент на каждой из ступеней можно регулировать только за счет диапазона регулирования и коэффициента приспособляемости самого двигателя.

На рис. 11 приведен график совместной работы ДВС с нерегулируемой механической трансмиссией привода бурового насоса. Кривая abc — внешняя характеристика двигателя определяет изменение крутящего момента на валу двигателя Мд в зависимости от частоты его вращения nд при неизменной полной подаче топлива. Прямые I—IV — регулировочные характеристики, определяющие изменение параметров двигателя при автоматически меняющейся от минимальной до полной подачи топлива.

При совместной работе ДВС с нерегулируемой трансмиссией важными являются точки с, d, е, определяющие зону устойчивой работы двигателя. Точка е характеризует минимально устойчивую частоту вращения при холостом ходе. Нагружение двигателя при частоте вращения nдmin, соответствующей точке е, приводит к его остановке. Точка d соответствует увеличенной подаче топлива и определяет минимально возможную нагрузку при минимальной частоте вращения двигателя, при которой обеспечивается его устойчивая работа. Точка с определяет минимально устойчивую частоту вращения при работе под нагрузкой.

Зона устойчивой работы двигателя расположена справа от точки d. Если при номинальных крутящем моменте Мдн и частоте вращения nдн подачу приводимого им насоса регулировать изменением его числа двойных ходов от nнmin до nнmах (по ломаной линии а—1—6), то его давление изменяется; от рнmах до рнmin. Так как отрезки а—1—2—3 и другие являются частью характеристик циркуляционной системы, то при точном постепенном снижении частоты вращения двигателя можно обеспечить работу насоса при давлении pmax=const.

Рис. 11. График совместной работы ДВС с нерегулируемой трансмиссией привода насоса

Диапазон изменения частот вращения двигателя зависит от конструкции топливной аппаратуры и ее настройки. Минимально устойчивая частота вращения может быть на 40—60 % меньше его номинальной частоты пт. При пуске трансмиссии двигатель должен работать с частотой вращения, обеспечивающей его устойчивую работу. Поэтому режим работы двигателя в начале пуска определяется частотой вращения nдп, при которой момент достигает значения МДИ (отрезок 5—6) регулировочной характеристики IV. Облегчение пуска такой трансмиссии достигается плавным включением фрикционной муфты сцепления, в этом случае исключаются перегрузки и остановки двигателя.

На рис. 12 приведен график совместной работы трансмиссии с трехступенчатой коробкой передач, ДВС и асинхронного электродвигателя, обладающего практически постоянной номинальной частотой вращения. На рисунке также приведены крутящие моменты Мэд и Мдвс. Точки I, II и III характеризуют номинальный момент на различных ступенях коробки передач. Заштрихованные площади S1, S2 и S3 соответствуют диапазонам изменения нагрузок и частот вращения ДВС, а площади F1, F2 и F3 — асинхронного электродвигателя. Кривая Мn = const — идеальная кривая при полном использовании мощности.

Как видно из этого графика, ДВС обеспечивает гибкость силового привода, в то время как асинхронные электродвигатели практически такими свойствами не обладают и мощность их не может полностью использоваться, например в приводе лебедок, где подъем бурильных колонн происходит с последовательным снижением нагрузки на крюке по мере извлечения колонны из скважины за счет уменьшения числа поднимаемых свечей.

 

Рис. 12. График совместной работы механической трансмиссии с коробкой передач и двигателями различных типов

Силовой привод с полуавтоматической трансмиссией применяется в буровых установках с целью улучшения пусковых и рабочих характеристик. Для этого между двигателями и трансмиссией устанавливают средство искусственной приспособляемости. Двигатель со средством искусственной приспособляемости представляет собой приводной агрегат, характеристика которого отличается от характеристик двигателя и средства искусственной приспособляемости. При удачном подборе двигателя, имеющего регулируемую или строго постоянную частоту вращения и средства искусственной приспособляемости, характеристика агрегата будет полнее удовлетворять требования исполнительной машины.

Для правильного и наиболее полного использования возможностей нового агрегата необходимо знать основы взаимодействия двигателя со средством искусственной приспособляемости, правила построения внешней характеристики агрегата, методы ее изменения и подбора наилучшего сочетания характеристик.

При использовании ДВС и электродвигателей переменного тока в качестве средств искусственной приспособляемости к ним применяют гидродинамические турбомуфты и электродинамические муфты и турботрансформаторы. При использовании электродвигателей постоянного тока никаких средств искусственной приспособляемости не применяют, так как этот двигатель обладает характеристикой с широким диапазоном регулирования.

В полуавтоматических трансмиссиях применяют турбо- или электродинамическую муфту. При пуске двигателя с небольшой частотой вращения эти муфты передают незначительный крутящий момент и при этом обеспечивают плавное включение и разгон трансмиссии. Такие муфты также защищают двигатель от перегрузок и внезапных остановок, так как при резком возрастании момента сопротивления на трансмиссии муфта не передает крутящего момента, превышающего расчетный. Если на исполнительном механизме перегрузка действует длительно и муфта работает с большим скольжением, то двигатели должны быть отключены при помощи фрикционных муфт. В противном случае происходит перегрев муфты, так как вся энергия двигателей превращается в теплоту, а к. п. д. муфты обратно пропорционален скольжению.

В трансмиссиях этого рода особенно важно различать периоды совместной работы при пусках и длительных рабочих режимах. В зависимости от характеристик двигателя, конструкции муфты и рода исполнительного механизма пуск трансмиссии и режим использования привода могут осуществляться различно.

Полуавтоматические трансмиссии с гидродинамическими турбомуфтами применяются в буровых установках как с двигателями с регулируемой частотой вращения (ДВС), так и с электродвигателями переменного тока, имеющими практически постоянную частоту вращения. Турбомуфта состоит из центробежного насоса, колесо которого соединено с валом двигателя, и турбины, соединенной с вторичным (выходным) валом (рис. 13).

Мощность (в кВт) на ведущем валу турбомуфты

где l — постоянный коэффициент, характеризующий турбомуфту, м-1; ρ — плотность жидкости, кг/м3; nд — частота вращения первичного вала, об/мин; Da — активный диаметр круга циркуляции, м.

Характеристика совместной работы двигателя с турбомуфтой зависит от характеристик двигателя и муфты. В такой трансмиссии турбомуфта должна обеспечить: 1) при пуске — плавное увеличение частоты вращения трансмиссии от нуля до максимальной; 2) высокий к. п. д. во всем диапазоне регулирования в пределах внешней характеристики двигателя.

 

 

Рис. 13. Турбомуфта переменного наполнения ТМ-935:

1 — ведущий вал; 2 — ведущий диск; 3 — насосное колесо; 4 — воздушные каналы; 5 — кожух; 6 —расходные ниппеля; 7 — вращающийся резервуар; 8 —турбинное колесо; 9 — ведомый вал; 10 — опорный кронштейн; 11 — радиальные лопатки; 12 — черпачная трубка; 13 — распределитель масла

Турбомуфты бывают с постоянным и регулируемым наполнением. Турбомуфты с регулируемым наполнением отвечают перечисленным выше требованиям и применяются в буровых установках. Характеристика такой муфты при постоянной частоте вращения двигателя приведена на рис. 14. На графике также показано изменение к. п. д. (линия η) от передаточного отношения.

Кривые А и Б характеризуют нагрев рабочей жидкости муфты. Кривая Б ограничивает длительный режим работы при установленной допустимой температуре рабочей жидкости (например, для масла «индустриальное 20» допустимая температура составляет 110°С, а кривая А ограничивает допустимый температурный режим (например, 130 °С) при кратковременных перегрузках. Как видно из этого графика, турбомуфта обладает способностью длительно работать с к. п. д. = 0,78 и кратковременно с к. п. д. = 0,55, передавая при этом полный крутящий момент при различных наполнениях (кривые 1—5).

При уменьшении наполнения (кривые 6—9) турбомуфта передает меньший крутящий момент.

Длительность работы турбомуфты в том или ином режиме скольжения определяется мощностью ее охлаждающей системы.

Рис. 14. Характеристика турбомуфты с регулируемым наполнением при                           постоянной частоте вращения насоса:

наполнение муфты (в %): 1 — 100; 2 — 80; 3 — 70; 4 — 60; 5 — 55; 6 — 50; 7 — 48; 8— 45; 9— 40; М1 и М2 — крутящие моменты на первичном и вторичном валах; n1 и n2 — частоты вращения первичного и вторичного валов

Без системы принудительного охлаждения турбомуфта допускает длительную работу при к. п. д. = 0,95-0,97. При постоянной частоте вращения двигателя работа трансмиссии возможна с высоким к. п. д., равным 0,90^-0,98 при большом наполнении. Плавный пуск трансмиссии с нулевой скорости при относительно небольших моментах возможен с небольшим наполнением муфты.

На рис. 15 приведены характеристики совместной работы ДВС и турбомуфты с регулируемым наполнением. На графике (рис. 15, а) показаны зависимость момента М1, развиваемого двигателем, от частоты его вращения nд и скольжение S выходного вала муфты.

При полном наполнении муфта обладает большой жесткостью и при номинальной частоте вращения ДВС nдн передает номинальный момент Мдн (точка а) при η=0,98. При увеличении момента сопротивления на приводимой трансмиссии крутящий момент на выходном валу муфты может увеличиваться до  Мдс (точка с, соответствующая предельно устойчивой частоте вращения двигателя nдс). Линия cde является границей устойчивой работы ДВС при nд min. К. п. д. муфты при увеличении нагрузки снижается от η= 0,98 до η= 0,90, а скольжение увеличивается (η=1—S).

Рис. 15. Характеристики совместной работы турбомуфты с регулируемым        наполнением и двигателя с переменной частотой вращения:

а — полное наполнение муфты; б — минимальное наполнение муфты; nдн, nдс и nдmin номинальная, допустимо устойчивая b минимальная частоты вращения двигателя соответственно; Мдн и Мдс— крутящие моменты ДВС номинальный и максимальный; М— крутящий момент вала муфты; S — скольжение

Режим работы муфты при минимальном ее наполнении (рис. 15, б) характерен низкими передаточными отношениями u и низким к. п. д. Крутящий момент на выходном валу при u=η= 0 (выходной вал остановлен) соответствует крутящему моменту М1 (точка b) при частоте вращения двигателя, равной 0,6 nдн, которая больше предела устойчивой частоты его вращения nдс. Номинальный момент Мдн (точка а) муфта развивает при η= 0,22 и номинальной частоту вращения ДВС nдн.

Ниже точки а муфта развивает моменты менее Мдн при η= 0,22-0,6.

Поскольку крутящий момент, передаваемый муфтой, пропорционален квадрату частоты вращения ее насосного колеса, то, регулируя частоту вращения двигателя, можно изменять величину передаваемого момента. На рис.. IV. 16 показана зависимость крутящего момента на вторичном валу муфты от частоты вращения вала двигателя при 100 %-ном наполнении.