Гидравлические тормоза весьма энергоемки, просты по конструкции и поэтому получили широкое распространение в практике стендовых испытаний двигателей.
Поглощаемая гидравлическим тормозом энергия расходуется на совершение гидродинамической работы и работы трения (вращающегося ротора о жидкость). Энергия торможения превращается здесь в тепловую энергию, затрачиваемую на нагрев жидкости (обычно воды).
По конструкции в основном различают штифтовые, дисковые и лопастные гидравлические тормоза.
В штифтовом гидравлическом тормозе (рис. 3) статор 4 подвижно установлен в шарикоподшипниках 3, а стойки 2 прикреплены к фундаментной плите 1. Во внутренней полости статора на валу 9 расположен ротор 7. На статоре и роторе закреплены штифты 5 и 6 квадратного сечения (на статоре в один ряд, на роторе - в два).
Внутренняя полость статора заполняется водой, уровень которой можно регулировать при помощи крана на подводящей трубе и золотников в сливной трубе. При вращении ротора вода отбрасывается в периферическую область, увлекается штифтами 6 ротора, ударяется о штифты 5 статора. Таким образом, создается торможение.
Статор, воспринимая крутящий момент двигателя, стремится повернуться в сторону движения вала, но его уравновешивают при помощи маятниковых весов.
Поглощаемая в гидравлическом тормозе мощность превращается в тепло, затрачиваемое в основном на нагревание воды, проходящей через тормоз.
Рис. 3 Штифтовой гидравлический тормоз:
1 -- фундаментная плита; 2 -- стойка; 3 -- шариковый подшипник статора; 4 -- статор (корпус) гидротормоза; 5 -- штифты статора; 6 -- штифты ротора; 7 -- ротор; 8 -- шариковый подшипник вала; 9 -- вал гидротормоза; 10 -- патрубок для отвода воды; 11 -- золотник регулирования количества вытекающей воды.
Нагретая вода из полости статора отводится по трубе 10 в канализацию. Количество отводимой из тормоза воды регулируют золотником 11 с таким расчетом, чтобы температура ее была в пределах 50--75°С.
Момент торможения и мощность, поглощаемая гидротормозом, зависят от количества воды в гидротормозе или от толщины внутреннего кольцевого слоя воды.
Чем меньше внутренний радиус этого слоя, тем большую мощность поглощает данный тормоз.
Дисковый гидравлический тормоз схематически изображен на рисунке 4. Внутри кожуха 5, установленного в шарикоподшипниках 9 стоек 8, расположен тормозной диск 2, укрепленный на валу 1. В полость кожуха из трубопровода 3 подается вода, количество которой регулируют вентилем 4.
При вращении диска 2 вода отбрасывается к внешней его части и, ударяясь о стенку кожуха, снова возвращается к его центру. Таким образом, в полости
кожуха устанавливается вихревое движение воды, которая принимает вид кольцевого слоя, увлекаемого диском во вращательное движение.
Между вращающимся диском и частицами воды, а также между частицами воды и стенками кожуха возникает сила трения, которую увеличивают отверстия диска и радиальные ребра на внутренней поверхности кожуха. Под действием силы трения вращающейся воды, кожух 5 стремится повернуться.
Когда энергия воды, полученная от диска, окажется равной энергии, отданной водой при возвращении к его центpy, момент силы трения воды о ребра кожуха будет равен крутящему моменту двигателя.
Тормозной момент зависит от толщины кольцевого слоя воды внутри кожуха, а она, в свою очередь, определяется положением входных патрубков 7, поворачиваемых червячной шестерней 6.
Рис. 4 Схема дискового гидравлического тормоза:
1 - вал; 2 - диск; 3 - трубопровод для подвода воды; 4 - вентиль; 5 - кожух; 6 - червячная шестерня; 7 - патрубки; 8 - стойка; 9 - шариковый подшипник кожуха.
Если вода в штифтовой или дисковый гидравлический тормоз поступает из водопроводной сети, то колебания давления в сети вызывают значительные колебания поглощаемой мощности (особенно в режиме малых нагрузок двигателя), что является одним из существенных недостатков гидравлических тормозов, регулируемых по заполнению. Чтобы устранить этот недостаток и обеспечить устойчивую работу, воду в штифтовые и дисковые тормоза подают не из водопровода, а из баков, напор воды в которых поддерживает поплавковое устройство.
Лопастной гидравлический тормоз (рис. 5) по конструкции напоминает обычную гидромуфту. На валу 3 тормоза установлен ротор 11. В роторе и в статоре тормоза сделаны карманы полуэллиптического сечения с радиальными (или другой формы) лопатками.
Во время работы тормоз заполнен водой. При вращении ротора вода под действием центробежных сил движется от центра к внешней части ротора и отбрасывается в полуэллиптические карманы 12 статора, отражаясь от которых возвращается к центру ротора. Циркулирующая в гидротормозе вода, получив энергию от ротора, отдает ее стенкам карманов статора, где большая часть кинетической энергии воды затрачивается на работу трения воды о стенки, а некоторая часть механической энергии расходуется на гидродинамические потери при циркуляции воды от ротора к статору и обратно. В результате этого вся механическая работа двигателя превращается в гидравлическом тормозе в тепло.
Вода в полость тормоза поступает через каналы 7, а отводится из тормоза по трубке в канализацию. Количество вытекающей воды регулируется вентилем 15.
Нагрузку, а, следовательно, и мощность, поглощаемую тормозом, регулируют изменением активной площади циркуляции воды при помощи заслонок, расположенных в зазоре между ротором и статором.
Заслонки соединены со штоками, хвостовики которых установлены в сальниках и выходят наружу из корпуса тормоза.
Резьбовые концы штоков расположены во втулках. Поворачивая втулки маховиком, можно регулировать сечение каналов ротора и тем самым изменять тормозную мощность.
В связи с тем, что лопастной тормоз всегда заполнен водой, он обладает большей тормозной мощностью, его работа более устойчива при любых нагрузках и колебания давления воды в сети почти не оказывают влияния на стабильность действия тормоза. Поэтому для питания таких тормозов пригодна водопроводная сеть с небольшим избыточным давлением 0,07--0,12 МПа, (0,7--1,2 кгс/см2).
Рис. 5 Лопастной гидравлический тормоз:
1 -- нижняя половина корпуса; 2 -- опорная стойка; 3 -- вал; 4 -- главный подшипник; 5 -- опорный подшипник статора; 6 --каналы в статоре для подвода воды; 7 -- отверстия для выхода воды; 8 -- тахометр; 9 -- указатель загрузки тормоза; 10 -- патрубок для подвода воды; 11 -- ротор; 12 -- полуэллиптические карманы статора; 13 -- сальниковое уплотнение; 14 -- сливная воронка; 15 -- вентиль регулирования вытекающей воды.
Гидравлические тормоза просты по устройству, сравнительно дешевы, удобны в эксплуатации. Вместе с этим им присущи и серьезные недостатки, основными из которых являются следующие:
1) невозможность использования (рекуперации) энергии, вырабатываемой двигателем (поглощаемая гидротормозом механическая энергия превращается в тепло, которое уносится проточной водой и частично передается окружающему воздуху);
2) значительный расход охлаждающей воды (15--20 л/л.с.-ч);
3) малый диапазон регулирования по скоростному и нагрузочному режимам;
4) невозможность проворачивания коленчатого вала двигателя от тормоза и большие трудности автоматизации регулирования тормозной мощности.
Электрические тормоза, обладающие рядом преимуществ по сравнению с механическими и гидравлическими, нашли широкое применение в испытательской практике.
Такой тормоз в силу обратимости электрических машин может работать как в генераторном, так и в двигательном режиме, выполнять операции пуска, холодной обкатки и вращать коленчатый вал двигателя, что необходимо для определения мощности, расходуемой на механические потери.
В электрическом тормозе механическая энергия превращается в электрическую, значительная часть которой (до 75%) может быть отдана в сеть. Рекуперация энергии имеет большое народно - хозяйственное значение при массовых испытаниях двигателей на испытательных станциях моторостроительных и ремонтных заводов. Тормоза этого типа обеспечивают плавно регулируемую и устойчивую нагрузку для испытуемого двигателя в достаточно широком диапазоне скоростных режимов.
Достоинством электрических (а также индукторных) тормозов является и то, что они могут быть применены на автоматизированных стендах с программным управлением.
Во время работы электрического тормоза создается электромагнитный тормозной момент, равный крутящему моменту испытуемого двигателя. При балансирной подвеске статора тормозной момент достаточно точно определяется по показаниям весового устройства. Когда электрический тормоз работает в режиме генератора, мощность испытуемого двигателя можно подсчитать по показаниям амперметра и вольтметра, включенных в электрическую цепь нагрузки генератора. Однако обычно в электрических тормозных машинах статор устанавливают на балансирной подвеске, соединяют его с весовым устройством и определяют тормозную мощность генератора по значениям реактивного крутящего момента статора и частоты вращения якоря.
Электрические тормоза подразделяют на тормоза постоянного и переменного тока.
Электрические тормоза постоянного тока характеризует, прежде всего, простота и плавность регулирования скоростного режима (за счет изменения тока возбуждения). Электротормоза постоянного тока создают устойчивую нагрузку, обладают высокой стабильностью работы, обеспечивают высокую точность измерений, позволяют сравнительно легко автоматизировать и программировать процесс испытаний двигателей.
Промышленность выпускает тормозные стенды с электрическими балансирными машинами постоянного тока четырех основных типоразмеров: МПБ 24,5/22 мощностью 25 кВт, МПБ 28/26 -- 50 кВт, МПБ 32,7/28 -- 100 кВт и МПБ 42,3/30 -- 200 кВт. Максимальная частота вращения 4500 об/мин. Буквы МПБ означают -- «машина постоянного тока балансирная», цифры показывают крутящий момент в режиме электродвигателя и тормозной момент в режиме генератора. В тормозную установку, кроме балансирной машины, входит агрегат питания и рекуперации или комплект нагрузочных реостатов.
На рисунке 6 показана принципиальная электрическая схема тормозной установки типа МПБ. Вал испытуемого двигателя ДВС соединен с валом электробалансирной машины БМ.
Рис. 6 Принципиальная электрическая схема тормозного стенда МПБ постоянного тока: В -- возбудитель; АД -- асинхронный двигатель; Г -- генератор; БМ -- балансирная машина; ДВС -- испытуемый двигатель внутреннего сгорания; ОБВ -- обмотка возбуждения возбудителя; ОБГ -- обмотка возбуждения генератора; ОББМ -- обмотка возбуждения балансирной машины.
Агрегат питания и рекуперации представляет собой электромашинный каскад, состоящий из асинхронного двигателя АД, возбудителя В и генератора Г постоянного тока.
Возбудитель В, предназначенный для питания обмоток возбуждения, и основной генератор Г установлены на общем валу асинхронного двигателя АД. Электрическая связь между балансирной машиной БМ и основным генератором Г осуществляется посредством силового кабеля.
При пуске ДВС или во время холодной его обкатки асинхронный двигатель АД приводит во вращение генератор постоянного тока Г, от которого получает питание балансирная машина БМ. В этом случае балансирная машина БМ работает в режиме двигателя и вращает вал испытуемого ДВС. Здесь справедливо соотношение ЕГ >Еб.м..
В режиме тормозных испытаний ДВС в цепь обмотки возбуждения ОВГ генератора Г вводится сопротивление Rr и э. д. с. генератора становится меньше э. д. с. балансирной машины: Ет<Еб.м. Балансирная машина переходит в генераторный режим, генератор Г становится двигателем, приводящим во вращение асинхронный двигатель АД, который переходит в генераторный режим, отдавая электрическую энергию в сеть.
Электрические тормоза переменного тока на базе асинхронных двигателей с фазным ротором просты по устройству, имеют сравнительно небольшие габариты, но не обеспечивают достаточно широкого диапазона регулирования частоты вращения.
Электрические тормозные стенды ГОСНИТИ с асинхронными электрическими машинами применяют для обкатки и испытаний тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей.
На рисунке 7 показано устройство стенда ГОСНИТИ с асинхронной машиной типа АК - Балансирная электрическая машина 1 цапфами боковых щитов опирается на шариковые самоустанавливающиеся подшипники стоек 2.
К плите 3 прикреплены стойки 2 и стойка маятникового весового механизма 4.
Карданный вал 6 соединяет между собой валы ротора машины и испытуемого двигателя. Частота вращения вала машины измеряется электрическим тахометром, датчик 5 которого приводится во вращение от вала машины через зубчатую передачу.
Рис. 7 Электрический стенд ГОСНИТИ с асинхронной машиной типа АК: 1 -- асинхронная машина; 2 -- стойка; 5 -- плита; 4 --весовой механизм; 5 -- датчик электрического тахометра; 6 -- карданный вал.