Материал: А27516 Сабуров АГ Гуляева ЮН Основы гидравлики гидравлич-х машин и гидропривода Конспект лекций

5.4. Гидродинамический привод (гидродинамические передачи)

Гидродинамический привод, в отличие от объемного гидропривода, не исключает механическую трансмиссию, а лишь заменяет муфту сцепления. Наличие больших зазоров (до 15 мм) между звеньями гидродинамических передач обеспечивает легкость их изготовления и большую долговечность. В разд. 5.1 было указано, что гидродинамические передачи подразделяются на гидромуфты и гидротрансформаторы.

Г

Рис. 5.12

n₁, M₁

n₂, M₂

1

2

3

идромуфты. Схема гидромуфты изображена на рис. 5.12. Она состоит из насосного колеса 1, турбинного колеса 2, корпуса 3. Насосное колесо закреплено на ведущем валу, а турбинное – на ведомом. Рабочая полость гидромуфты заполняется жидкостью. При вращении насосное колесо сообщает энергию потоку жидкости, и она поступает в турбинное колесо. Отдав энергию турбине, жидкость возвращается в насосное колесо; таким образом, в гидромуфте осуществляется замкнутое движение жидкости между насосным и турбинными колесами. В результате поток жидкости вовлекает в движение турбинное колесо, и оно вращается в ту же сторону, что и насосное. Отсюда следует, что передача крутящего момента с ведущего вала на ведомый осуществляется за счет циркуляции жидкости между лопатками насосного и турбинного колес. Работа гидромуфты характеризуется равенством моментов на ведущем и ведомом валах: =. Кроме того, из-за отсутствия непосредственной связи между валами частота вращения ведомого вала всегда меньше частоты вращения ведущего вала . Величина называется скольжением гидромуфты.

Если обозначить передаточное отношение , то получается . Определим КПД гидромуфты через отношение мощностей на ведомом и ведущем валах:

,

т. е. . Скольжение S регулируют за счет изменения заполнения полости гидромуфты рабочей жидкостью. Для предельно заполненной гидромуфты S = 3–5 %. При полном заполнении объем рабочей жидкости равен примерно 90 % геометрического объема полости гидромуфты. Это наполнение является максимально допустимым, так как необходимо иметь свободный объем для паров и воздуха, выделяющихся из рабочей жидкости при эксплуатации гидромуфты. Любое другое наполнение менее 90 % геометрического объема гидромуфты называется частичным.

Графические зависимости крутящего момента и КПД гидромуфты от частоты вращения турбинного колеса при постоянной частоте вращения насосного колеса называются внешней характеристикой гидромуфты (рис. 5.13).

М,

η

η

М

n₂

Рис. 5.13

Внешние характеристики гидромуфт строят по результатам их испытаний как при полном, так и при частичном заполнении рабочей жидкостью. Кроме внешних характеристик, существуют также приведенные, относительные и универсальные характеристики гидромуфт. Они получаются на основании внешних характеристик путем их пересчета и предназначены для сопоставления рабочих качеств подобных и различных по конструкции гидромуфт. Гидромуфты делятся на нерегулируемые и регулируемые. К нерегулируемым относятся такие гидромуфты, у которых при постоянной частоте вращения ведущего вала частота вращения ведомого вала зависит от нагрузочного момента на ведомом валу. В регулируемых гидромуфтах частота вращения ведомого вала зависит также и от положения управляемого извне регулирующего устройства.

Как нерегулируемые, так и регулируемые гидромуфты могут быть постоянного или переменного заполнения. В регулируемых гидромуфтах предусматриваются регулирующие устройства для управления потоком жидкости внутри гидромуфты воздействием извне. Поэтому регулируемые гидромуфты при постоянном нагрузочном моменте на ведомом валу могут работать с различным скольжением, величина которого устанавливается внешним воздействием.

Гидромуфты используют для демпфирования резких колебаний нагрузки на двигатель, тем самым предохраняя трансмиссию от перегрузок (нерегулируемые гидромуфты), а также для регулирования частоты вращения валов различных машин (регулируемые гидромуфты). Применение регулируемых гидромуфт особенно полезно для изменения частоты вращения рабочих органов машин, приводимых в движение нерегулируемыми электродвигателями переменного тока (мощные вентиляторы, насосы и т. п.).

Гидротрансформаторы. В отличие от гидромуфт гидротрансформаторы передают механическую энергию между соосными валами с изменением крутящего момента. Как правило, гидротрансформаторы служат для увеличения крутящего момента на ведомом валу и по своему назначению соответствуют вариаторам с автоматическим бесступенчатым изменением частоты вращения ведомого вала.

На рис. 5.14 показано устройство простейшего гидротрансформатора, состоящего из насосного колеса 1, турбинного колеса 2 и лопаточного реактора 3. При работе гидротрансформатора насосное колесо, находящееся на ведущем валу, направляет жидкость в турбинное колесо. Отдав ему свою энергию, жидкость через неподвижный лопаточный реактор возвращается в насосное колесо. Неподвижные лопатки реактора изменяют момент количества движения жидкости между насосным и турбинным колесами, вызывая соответствующее изменение угловой скорости и вращающего момента турбинного колеса.

Е

Рис. 5.14

1

сли колеса гидромуфт изготавливают с прямыми (неизогнутыми) лопатками и поэтому насосное (ведущее), колесо может быть турбинным, и наоборот, то колеса гидротрансформаторов конструируют с изогнутыми лопатками для достижения определенного соотношения моментов и скоростей ведущего и ведомого колес. Уравнение моментов для гидротрансформатора имеет вид: М₂ = М₁ – М₃, где М₁, М₂, М₃ – моменты соответственно насосного колеса, турбинного колеса и реактора. Отсюда следует, что при заторможенном турбинном колесе его момент превосходит момент насосного колеса на величину момента на реакторе, а при раскручивании турбинного колеса его момент плавно уменьшается и при определенной скорости становится меньше момента насосного колеса на величину момента на реакторе. Рассуждая от обратного, получаем, что при больших моментах сопротивления на турбинном колесе скорость его вращения мала, а при уменьшении этих моментов скорость автоматически увеличивается.

В отличие от гидромуфт гидротрансформаторы работают только при полном заполнении рабочей жидкостью. Более того, жидкость подается в гидротрансформатор под избыточным давлением, так как устойчивая работа гидротрансформатора возможна только при полном отсутствии кавитации. Большие скорости движения и высокие температуры рабочих жидкостей увеличивают вероятность возникновения кавитации вследствие того, что особенно у входных кромок лопаток насосного колеса давление может понизиться до давления насыщенных паров рабочей жидкости. С целью компенсации влияния больших скоростей и высоких температур жидкость подается в проточную полость гидротрансформатора под избыточным давлением.

Работу гидротрансформаторов, как и гидромуфт, характеризуют внешняя, приведенная, относительная и универсальная характеристики. На рис. 5.15 представлена внешняя характеристика (остальные характеристики гидротрансформаторов получаются путем пересчета внешних характеристик). Характеристики гидротрансформаторов более пологие, чем у гидромуфт, и отличаются плавным изменением крутящего момента на ведомом валу при изменении его частоты вращения. В ряде случаев к гидротрансформаторам предъявляется требование, чтобы крутящий момент на ведущем валу оставался постоянным при изменении момента на ведомом валу. Характеристику гидротрансформатора, для которого данное требование выполняется, называют "непрозрачной"; если же при изменении момента М₂ изменяется момент М₁, такую характеристику считают "прозрачной". КПД гидротрансформаторов достигает 90 %, в то время как у гидромуфт он достигает 96 %. Данное отличие обусловлено изогнутой формой лопаток насосного и турбинного колес гидротрансформатора, что приводит к появлению дополнительных гидравлических потерь внутри рабочей камеры.

М,

η

η

М₂

М₁

Рис. 5.15

n₂

Гидротрансформатор, изображенный на рис. 5.14, называется трехколесным. Кроме таких гидротрансформаторов, имеются конструкции четырехколесные и многоколесные с одноступенчатым насосом и одно-, двух- и трехступенчатой турбиной с одним или несколькими реакторами. Существуют также гидротрансформаторы с освобождающимися реакторами, которые для достижения определенного передаточного отношения и допустимого снижения КПД начинают автоматически свободно вращаться в потоке жидкости, переводя работу гидротрансформатора на режим работы гидромуфты. На основе идеи освобождающихся реакторов создан ряд комплексных гидропередач, которые могут работать как гидротрансформатор и как гидромуфта с автоматическим переходом с одного режима на другой.

Гидротрансформаторы позволяют бесступенчато изменять частоту вращения ведомого вала в зависимости от нагрузки на нем. Их применяют в приводах машин в сочетании с электродвигателями, газовыми турбинами, двигателями внутреннего сгорания.

Список литературы

1. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод / Т.В. Артемьева, Т.М. Лысенко, А.Н. Румянцева и др. – М.: ИЦ "Академия", 2007. – 336 с.

2. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов, О.В. Байбаков, Ю.Л. Кирилловский. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с.

3. Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. Ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. – М.: МГИУ, 2007. – 352 с.

4. Малюшенко В.В., Михайлов А.К. Энергетические насосы. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 200 с.

5. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Под ред. Б.Б. Некрасова. – Минск, Высш. шк. 1985. – 382 с.

6. Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод. Ч.1. Основы механики жидкости и газа. – М.: МГИУ, 2006. – 226 с.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….. Глава 1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В НИХ ………….. 1.1. Основные физические свойства жидкостей ……….. 1.2. Силы, действующие в жидкости Понятие об идеальной жидкости ……………………. Глава 2. ГИДРОСТАТИКА ………………………………………. 2.1. Гидростатическое давление ………………………….. 2.2. Свойства гидростатического давления ……………… 2.3. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера ... 2.4. Основное уравнение гидростатики ………………….. 2.5. Приборы для измерения давления и вакуума ………. 2.6. Сила гидростатического давления на плоскую фигуру ……………………………………. 2.7. Эпюры гидростатического давления ………………… 2.8. Гидростатический парадокс ………………………….. 2.9. Поверхность уровня и ее свойства …………………... 2.10. Относительное равновесие жидкости во вращающемся сосуде …………………………….. 2.11. Сила давления жидкости на криволинейные поверхности ……………………. 2.12. Закон Архимеда ……………………………………… Глава 3. ГИДРОДИНАМИКА ……………………………………. 3.1. Основные характеристики движения жидкостей …… 3.2. Уравнение сплошности (неразрывности) потока …… 3.3. Уравнения движения идеальной жидкости (уравнения Эйлера) …………………………………… 3.4. Уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса) ……………………………. 3.5. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости ……... 3.6. Уравнение Бернулли для реальной (вязкой) жидкости 3.7. Некоторые практические приложения уравнения Бернулли …………………………………... 3.7.1. Классификация отверстий и насадков и основные характеристики истечений ……… 3.7.2. Истечение при постоянном напоре …………… 3.7.3. Истечение при переменном напоре …………… 3.7.4. Принципы измерения скорости и расхода жидкостей …………………………… 3.8. Режимы движения жидкостей ………………………... 3.9. Основное уравнение равномерного движения ……… 3.10. Виды гидравлических сопротивлений ……………... 3.11. Профиль скорости в живом сечении и потери напора по длине круглого трубопровода при ламинарном режиме движения жидкости …………. 3.12. Некоторые характеристики турбулентного потока ... 3.13. Профиль скорости в живом сечении потока при турбулентном режиме движения ………………. 3.14. Потери напора по длине трубопровода при переходном и турбулентном режимах движения жидкости ……............................................................... 3.15. Местные потери напора .……………………………. 3.16. Коэффициент гидравлического сопротивления системы ………………………………………………. 3.17. Гидравлический расчет трубопроводов ……………. 3.18. Гидравлический удар в трубах ……………………... 3.19. Гидродинамическая теория смазки ………………… Глава 4. НАСОСЫ ………………………………………………... 4.1. Определение и классификация насосов …………….. 4.2. Основные параметры работы насосов ………………. 4.3. Напор насоса и высота всасывания …………………. 4.3.1. Напор насоса …………………………………… 4.3.2. Высота всасывания ……………………………. 4.4. Центробежные насосы ……………………………….. 4.4.1. Основное уравнение центробежного насоса Эйлера ………………………………….. 4.4.2. Основы теории подобия центробежных насосов ………………………... 4.4.3. Характеристики центробежных насосов …….. 4.4.4. Работа центробежных насосов на сеть ………. 4.4.5. Регулирование работы центробежных насосов 4.4.6. Расширение области применения центробежных насосов ....................................... 4.4.7. Основные вопросы эксплуатации центробежных насосов ………………………... 4.5. Осевые (пропеллерные) насосы ……………………... 4.6. Струйные насосы ……………………………………... 4.7. Эрлифты (воздушные подъемники) ………………… 4.8. Поршневые насосы …………………………………… 4.8.1.Средняя производительность поршневых насосов ………………………………………….. 4.8.2. Характеристика поршневых насосов ………… 4.8.3. Неравномерность подачи поршневых насосов . 4.8.4. Индикаторная диаграмма ……………………... 4.8.5. Регулирование работы поршневых насосов …. 4.8.6. Основные вопросы эксплуатации поршневых насосов …………………………… 4.9. Пневматические насосы (монтежю) ………………… 4.10. Роторно-пластинчатые (шиберные) насосы ……….. 4.11. Шестеренчатые насосы ……………………………... 4.12. Винтовые насосы ……………………………………. 4.13. Краткие сведения о насосах предприятий пищевых производств ………………………………. Глава 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД ………………………... 5.1. Назначение и классификация гидравлических приводов ……………………………………………….. 5.2. Рабочие жидкости гидроприводов …………………… 5.3. Объёмный гидропривод ………………………………. 5.3.1. Гидравлический расчёт некоторых элементов гидропривода ………………………. 5.3.2. Вспомогательные устройства …………………. 5.3.3. Схемы устройства и регулирования гидроприводов ………………………………….. 5.4. Гидродинамический привод (гидродинамические передачи) …………….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………..

3 4 4 7 8 8 8 10 12 14 18 22 22 23 25 27 29 31 31 33 36 38 41 45 47 47 49 55 56 59 61 63 64 67 69 72 80 84 85 96 101 105 105 106 107 107 110 112 113 118 119 121 122 124 128 129 130 131 133 135 135 136 141 142 144 144 146 148 150 151 153 153 154 155 156 158 163 170 176