Материал: Учеб.пособие. Выбор передачи

Вращения вала

Таблица 5.1

Параметры зубчатых передач с постоянной частотой вращения выходного вала

6. Определение параметров элементов гидропередач

Энергетические показатели гидромуфт и гидротрансформаторов рассмотрены в п. 3.3. На рис. 6.1 дополнительно приведены зависимость КПД гидромуфт от степени их заполнения рабочей жидкостью.

На рис. 6.2 представлена зависимость удельной (отнесенной к моменту) массы гидромуфты от передаваемого момента М и частоты вращения n. Габаритные размеры гидромуфт в основном определяются наибольшим, или активным, диаметров круга циркуляции D_a, м, т.е. наибольшего (внешнего) диаметра циркуляционной зоны насосного и турбинного колес:

где N_н – мощность насосного колеса, кВт (если гидромуфта установлена сразу после двигателя, то N_н = N_e); k_н – коэффициент мощности (для гидромуфт с лопастями, загнутыми назад, можно принимать k_н ≈ 1,1S, где S – скольжение, %, для муфт с радиальными лопатками k_н ≈ 0,6S); ρ – плотность жидкости, кг/м³; n_н – частота вращения ведущего вала, об/мин.

Рис. 6.1. Зависимость гидравлического Рис. 6.2. Зависимость удельной

КПД гидромуфт от степени (отнесенной к моменту)массы

7. Выбор соединительных муфт

7.1. Общие сведения и классификация муфт

Объединение ГД и редукторов в единый агрегат осуществляется с помощью соединительных муфт. Конструктивно исполнение этого узла может быть реализовано установкой между двигателем и редуктором следующих элементов: только соединительной упругой муфты; упругой и соединительно-разобщительной муфт; одной муфты, выполняющей одновременно обе функции; только эластичной муфты с расположением разобщительной муфты в редукторе.

Эластичные муфты, устанавливаемые между двигателем и редуктором, обеспечивают:

• уменьшение динамических нагрузок в зацеплении благодаря демпфированию крутильных колебаний и сглаживанию неравномерного вращения дизеля;

• снижение нагрузок на подшипники и валы редуктора и дизеля, возникающих из-за деформаций корпуса судна;

• облегчение центровки при монтаже благодаря тому, что конструкция муфт допускает более широкие пределы аксиальных и радиальных смещений осей валов. В соединительных эластичных муфтах широко используются упругие металлические и неметаллические (преимущественно резиновые) элементы самых разнообразных конструктивных исполнений.

Из муфт с металлическими упругими элементами наиболее распространена демпфирующая муфта типа Гейслингер, также находят применение упругие муфты с металлическими демпфирующими элементами типа Металластик.

Широкое распространение в судовых ДРА получили муфты типов Вулкан и Спирофлекс. Упругим звеном муфты Вулкан служат две резинокордные шины, которыми соединяются ведущая и ведомая полумуфты. Крепление шин к полумуфтам осуществляется посредством болтов и прижимных фланцев. Муфта каждого типоразмера может собираться с резинокордными элементами, различающимися крутильной жесткостью.

Типоразмерный ряд упругих муфт Вулкан охватывает диапазон допустимых длительных крутящих моментов от 90 до 106 Н∙м. Упругое звено муфты Спирофлекс представляет собой два одинаковых резинометаллических диска. Каждый диск состоит из двух концентрических резиновых колец и трех стальных колец, соединенных в единое целое путем вулканизации. Резиновые элементы муфт изготавливаются с твердостью 50, 55 и 60 единиц по Шору, что позволяет варьировать крутильную жесткость. Муфты выпускаются для диапазоне крутящих моментов от 1,37 до 215 тыс. Н∙м и могут иметь различные соединительные элементы (фланцы, втулки и т.д.). Применяют также соединительные муфты более простых конструкций с упругими звеньями, изготовленными из резины.

В мировой практике находят применение разнообразные типы соединительных муфт. Соединительно-разобщительные муфты, используемые в ДРА, по конструктивному исполнению также достаточно разнообразны. Из соединительно-разобщительных муфт, устанавливаемых вне редуктора, наиболее распространены шинно-пневматические муфты (ШПМ) радиального и осевого действия. Технические характеристики этих муфт различаются весьма существенно.

Судовая ШПМ радиального действия состоит из двух барабанов – внутреннего и наружного. На внутренней поверхности наружного барабана закреплены резинокордные баллоны с фрикционными колодками. Колодки дополнительно фиксируются в прорезях боковых пластин барабана стальными стержнями. Разобщение муфты при отключении сжатого воздуха осуществляется под действием центробежных сил, перемещающих фрикционные накладки в радиальном направлении.

Выпускаемые радиальные ШПМ обеспечивают передачу мощности практически любого современного СОД. В ШПМ радиального действия, обладающих определенными упругими свойствами, допускают заметные смещения осей соединяемых валов: радиальное до 2...3 мм, осевое до 10...15 мм и излом до 2 мм на 1 м длины. В связи с этим ШПМ широко используются также в составе прямых и редукторных передач при установке ГД на амортизаторах.

В отличие от радиальных, осевые ШПМ практически не компенсируют смещения и изломы соединяемых валов. Муфты осевого действия обычно состоят из двух-трех ведущих и трех-четырех ведомых дисков, которые при включении сжимаются кольцевым баллоном, расширяющимся в осевом направлении. Включение муфт происходит под действием сжатого воздуха, а отключение - с помощью пружин после стравливания воздуха.

заполнения ε гидромуфты от момента М

и частоты вращения n

Длина гидромуфты L_гм, м, приближенно:

Масса заполненной гидромуфты, т, ориентировочно:

Массу масла G_м, т, массу опорожненной гидромуфты G_огм, т, можно приближенно определить по формулам

;

Активный диаметр D_a круга циркуляции гидротрансформаторов ориентировочно может быть определен по приведенной выше зависимости при k_н = 2…5 для трансформаторов ПХ и k_н = 5…8 для трансформаторов ЗХ.

При выборе гидротрансформатора ЗХ необходимо учитывать следующее обстоятельство. Поскольку для эффективного реверсирования нужно создать на гребном вале большие крутящие моменты, k_н момент турбины гидротрансформатора ЗХ М_т в диапазоне от расчетного передаточного числа i_расч, соответствующего установившемуся режиму заднего хода, до режима полного торможения должен непрерывно возрастать, достигая значения 2,2М_т. Для получения приемлемых маневренных устройств на более низкой частоте вращения вала двигателя нужно, чтобы коэффициент мощности k_н увеличивался, достигая на режиме n_т = 0 значения k_н≈ k_{н расч}.

Для обеспечения лучших маневренных качеств дизельной установки важно также выбирать гидротрансформаторы ЗХ с более высоким КПД. Поэтому предпочтительна схема трансформатора с двумя направляющими аппаратами, установленными перед входом в насос и турбину.

В судовых установках наиболее распространены ШПМ осевого действия типа Вихита.

Применяется также соединение дизеля с редуктором в многомашинных агрегатах с помощью комбинированных муфт, сочетающие фрикционные разобщительные элементы и упругое звено. Из муфт этой группы наиболее распространены конструкции двух типов - Пневмофлекс и Вулкан. Соединительно-разобщительным элементом в муфтах обоих типов являются двухконусные фрикционные барабаны. Наружный, ведущий, барабан соединен с фланцем двигателя. Внутренние, ведомые, конусы соединены с ведомым валом посредством упругих резинокордных шин (у муфт Вулкан) и резиновых конических колец (у муфт Пневмофлекс). Внутренние конусы перемещаются в осевом направлении, обеспечивая включение или разобщение муфт. Сцепление муфт происходит при подаче сжатого воздуха в полость пневмоцилиндра, которая у муфты Вулкан образована цилиндрическими соосными поверхностями, выполненными на дисках ведомых конусов. У муфт Пневмофлекс детали кольцевого пневмоцилиндра изготовлены отдельно и закреплены на внутренних конусах. Конструкция обеих муфт позволяет устанавливать на них автоматические устройства, предохраняющие от перегрузок.

Разобщительные фрикционные элементы обеспечивают передачу номинального крутящего момента с запасом до 2...2,5 по отношению к моменту проскальзывания. Необходимость такого запаса обусловлена ограниченной способностью муфт к отводу теплоты и относительно низкой допускаемой температурой поверхности трения применяемых материалов (250...300 °С). Между двигателем и редуктором устанавливают также упругую соединительную муфту, а в редукторе - фрикционную сцепную муфту.

Разобщительные муфты в подавляющем большинстве случаев выполняются многодисковыми фрикционными, сухого трения или со смазкой. Муфты сухого трения, у которых неметаллический материал работает по стали (коэффициент трения 0,25...0,3), всегда размещают вне внутренней полости редуктора, чтобы избежать попадания абразивных продуктов износа в масляную систему.

В муфтах со смазкой, где сталь с высокой поверхностной твердостью работает по стали или по твердой бронзе, микрочастицы металла, образующиеся в результате трения, не оказывают существенного влияния на качество масла и работоспособность передачи. Дисковые масляные муфты встраиваются в редукторы только с внешним зубчатым зацеплением. Они устанавливаются на конце торсионного вала, проходящего через полый вал ведущей шестерни, или непосредственно в ступице шестерни.

Самостоятельную группу составляют муфты скольжения - электромагнитные (ЭМС) и гидравлические (ГМ). По принятой классификации они относятся к комбинированным. ЭМС устанавливают всегда вне корпуса редукторной передачи. ГМ также в большинстве случаев размещают вне передачи, однако возможна и совместная компоновка.

Применение муфт скольжения придает ДУ ряд важных достоинств:

• главная передача практически полностью изолируется от крутильных колебаний, возбуждаемых двигателем;

• двигатель оказывается защищенным от динамических перегрузок вплоть до полной остановки винта;

• обеспечивается быстрое (за 10...15 с) и плавное подключение двигателей к передаче на любой частоте вращения;

• достигается снижение частоты вращения ведомых полумуфт без изменения частоты вращения дизеля.

Муфты скольжения имеют и ряд существенных недостатков. Это большие габариты и масса; сложность изготовления; наличие дополнительных потерь (2...5 %) из-за скольжения.

Определяющими показателями при выборе муфты скольжения служат: достаточно высокий КПД; обеспечение передачи номинального крутящего момента с определенным запасом (до 2,0...2,5) по моменту проскальзывания; быстродействие; надежное включение и выключение при вращении ведущих и ведомых частей; простота конструкции и удобство обслуживания; амортизирующий эффект и допустимое взаимное перемещение соединяемых элементов в условиях эксплуатации при увеличении расцентровки; соответствие способа управления муфтой системе ДАУ, принятой для данной установки; масса, габариты и стоимость.

Фрикционные муфты (дисковые, цилиндрические и конусные), в отличие от гидродинамических и электромагнитных, почти не имеют потерь на проскальзывание. Они отличаются лучшими массогабаритными характеристиками, меньшей стоимостью изготовления, более удобны с точки зрения размещения. Недостаток фрикционных муфт - ограниченная способность рассеивания теплоты, выделяемой при их включении.

Из фрикционных муфт различных типов многодисковые обеспечивают более плавное включение и выключение. Они допускают также более широкое конструктивное варьирование за счет изменения диаметра и числа дисков, имеют меньшие габариты, чем муфты конусного типа.

В многомашинных установках соединительно-разобщительная муфта становится необходимым элементом передачи. Поскольку режим использования таких установок предусматривает парциальную работу двигателей, а также отключение механизмов отбора мощности, возникает необходимость в соединительно-разобщительных муфтах. Типоразмер муфты выбирается по значению передаваемого крутящего момента либо по отношению Nе /n.

В ряде случаев, особенно если по условиям работы предусмотрено частое включение и выключение муфты, а также при использовании установки на режимах больших тяговых усилий, исходными параметрами служат: максимально допустимая температура нагрева муфты; частота вращения ведущей и ведомой частей в момент ее включения; продолжительность включения, вращающий момент на ведущей и ведомой сторонах муфты; маховой момент приводимых масс; маховой момент ускоряющихся масс при включении.

Из всех типов соединительно-разобщительных муфт наиболее предпочтительны фрикционные муфты конусного типа и многодисковые. Усовершенствование конструкций, повышение их надежности позволили добиться существенного снижения массы и габаритов этих муфт.