ПУСКО-ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ ГИДРОМУФТА Российский патент 2004 года по МПК F16D33/08 F16D33/20 F16H41/26 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к гидродинамическим пуско-предохранительным муфтам (гидромуфтам), и может быть применено для плавного пуска машин и защиты от перегрузок элементов их привода.

Известна предохранительная гидромуфта (авт. св. СССР 1480468, F 16 D 33/08), содержащая насосное и турбинное рабочие колеса с лопатками. Лопатки по меньшей мере одного из колес имеют осевые кромки, обращенные к центральной камере.

Указанная гидромуфта обладает недостаточно высоким качеством пусковых и предохранительных характеристик, а также имеет пониженный КПД.

Задача изобретения - улучшение пусковых и предохранительных характеристик, а также повышение КПД гидромуфты.

Для этого в гидромуфте, содержащей рабочие колеса с лопатками, причем лопатки по меньшей мере одного из колес имеют осевые кромки, обращенные к центральной камере, ограниченной нерабочими поверхностями стенок колес, согласно изобретению диаметр Dо осевых кромок связан с активным диаметром колес Da соотношением l,7 <Da/Do <l,85, а длина L осевой кромки лопатки связана с наибольшей шириной Нмакс лопатки соотношением 0,2 ≤ L/Нмакс ≤ 0,75.

Из экспериментально полученных данных следует, что в интервале 1,7 < Da/Do < 1,85 влияние отношения Da/Do активного диаметра колес Da к диаметру осевых кромок Do на пусковую и предохранительную характеристики Мп/Мн и Мо/Мн очень мало. Это подтверждается пологим характером соответствующих участков графиков функциональной зависимости пусковой и предохранительной характеристик от отношения Da/Do. Пусковая характеристика Мп/Мн выражается отношением пускового момента гидромуфты Мп к ее номинальному моменту Мн и соответствует скольжению колес, равному 100%. Предохранительной характеристикой Мо/Мн является отношение наибольшей величины ограничивающего момента Мо к номинальному моменту Мн во всем диапазоне скольжения.

В интервале 1,7 < Da/Do < 1,85 отношение Мп/Мн изменяется от 2,32 до 2,47, а отношение Мо/Мн от 2,38 до 2,52. Данные значения пусковой и предохранительной характеристик в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к характеристикам пуско-предохранительных гидромуфт, работающих совместно с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями современного технического уровня, у которых максимальный (опрокидной) момент лежит в пределах (2,4÷2,6) Мн.

В указанном интервале отношения Da/Do КПД повышается от 96,7% до 97,7%. За пределами интервала l,7 < Da/Do < 1,85 значения отношения Мп/Мн и Мо/Мн резко изменяются в неблагоприятную сторону. При величине отношения Da/Do менее 1,7 пусковая и предохранительная характеристики ухудшаются. Значения Мп/Мн и Мо/Мн уменьшаются соответственно от 2,32 до 1,65 и от 2,38 до 1,8 при Da/Do=1,6, что отрицательно сказывается на тяговых возможностях гидромуфты во всем диапазоне скольжения при страгивании и разгоне машины под нагрузкой, а в отдельных случаях делает этот процесс невозможным.

В случае увеличения отношения Da/Do более чем 1,85 значения характеристик Мп/Мн и Мо/Мн резко возрастают, в связи с чем гидромуфта перестает защищать двигатель и привод от перегрузок в режимах страгивания, разгона и торможения машины при некотором уменьшении номинального КПД. При значениях отношения Da/Do, меньших 1,7 КПД снижается существенно.

В гидромуфтах, имеющих Da/Do менее 1,7, нарушается необходимый баланс между объемом центральной камеры и объемом межлопастных каналов, что в переходных режимах работы ведет к снижению расхода в этих каналах и, как следствие, к уменьшению пускового момента, КПД и ухудшению характеристик в целом.

При значениях отношения Da/Do более 1,85 объем центральной камеры значительно уменьшается, а объем межлопастных каналов возрастает. Это приводит к недопустимому росту величины момента Мо, вследствие чего гидромуфта перестает быть предохранительной.

В пуско-предохранительной гидромуфте с отношением Da/Do, находящемся в интервале 1,7 < Da/Do < 1,85, достигаются оптимальные характеристики Мп/Мн, Мо/Мн в сочетании с высоким номинальным КПД.

Соотношение длины осевой кромки L и наибольшей ширины лопатки Нмакс влияет на быстродействие гидромуфты в режимах стопорения вала турбинного колеса за десятые доли секунды. При этом частота вращения указанного вала падает от номинальной до нуля. В таких режимах быстродействие характеризуется коэффициентом динамичности Кд, который равен отношению наибольшего момента Мд гидромуфты в процессе стопорения к ограничивающему моменту Мо, т.е. Кд= Мд/Мо. Чем меньше величина Кд, тем меньше значение динамического момента при резких перегрузках и тем выше быстродействие гидромуфты.

При значениях L/Нмакс, находящихся в интервале 0,2 L/Нмакс ≤ 0,75, коэффициент динамичности изменяется мало и имеет небольшую величину в пределах 1,1÷1,15 при нормированном времени стопорения турбинного колеса за 0,3с, что свидетельствует об оптимальности указанного интервала значений L/Нмакс в пуско-предохранительных гидромуфтах.

При уменьшении значения соотношения L/Нмакс ниже 0,2 Кд начинает расти до опасных значений за счет уменьшения проходного сечения межлопастных каналов при входе потока в центральную камеру. Следствием такого влияния является рост Мд до значений, опасных для привода и машины в целом. При увеличении длины осевой кромки лопатки Lo свыше 0,75 Нмакс Кд существенно увеличивается в связи с возрастанием момента Мд. Повышение Кд в этом случае объясняется тем, что удлинение осевой кромки лопатки L сверх допустимых значений приводит к возрастанию динамической составляющей скорости циркуляции жидкости, а вследствие этого увеличивается и Мд.

Значения характеристик Мп/Мн, Мо/Мн, а также КПД, относящиеся к интервалу отношения Da/Do, равному 1,7÷1,85, не изменяются с изменением отношения L/Нмакс.

В центральной камере гидромуфты может быть размещена перегородка, прикрепленная к одному из рабочих колес (насосному или турбинному) и разделяющая полость центральной камеры на две секции, сообщающиеся как между собой, так и с межлопастными каналами колес. Секция, заключенная между нерабочими стенками колеса и прикрепленной к этому колесу перегородкой, имеет в периферийной части, по меньшей мере, одно дроссельное отверстие.

На фиг.1 в продольном разрезе показана предлагаемая гидромуфта. На фиг.2 представлены графики зависимости пусковой характеристики Мп/Мн (кривая 1), предохранительной характеристики Мо/Мн (кривая 2) и КПД (η - кривая 3) пуско-предохранительной гидромуфты от соотношения Da/Do, а на фиг.3 - графическая зависимость динамического коэффициента Кд от отношения L/Нмакс. На фиг.4 показан вариант предлагаемой гидромуфты с перегородкой в центральной камере.

Гидромуфта (фиг.1) состоит из установленных соосно насосного 1 и турбинного 2 рабочих колес, чаши которых имеют в меридиональном сечении одинаковую криволинейную часть своих внутренних контуров. Лопатки 3 и 4 насосного и турбинного колес образуют межлопастные каналы, которые сообщаются с центральной камерой 5. В области входа в центральную камеру 5 межлопастных каналов лопатки 3 и 4 имеют осевые кромки 6 и 7, обращенные к центральной камере 5, ограниченной нерабочими поверхностями стенок рабочих колес. Диаметр Do осевых кромок 6 и 7 связан с активным диметром Da рабочих колес соотношением l, 7 <Da/Do <l,85, а длина L осевой кромки лопаток связана с наибольшей шириной Нмакс лопаток соотношением 0,2 ≤ L/Нмакс ≤ 0,75. Принятые в предлагаемой гидромуфте соотношения Da/Do и L/Нмакс получены на основе анализа результатов экспериментальных исследований внешних моментных характеристик пуско-предохранительных гидромуфт.

Как следует из графиков на фиг.2, в интервале значений l,7 < Da/Do < 1,85, пусковая Мп/Мн и тормозная Мо/Мн характеристики имеют оптимальные значения, которые изменяются в указанном интервале соответственно от 2,32 до 2,47 и от 2,38 до 2,52. Такие характеристики в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к пуско-предохранительным гидромуфтам, работающим совместно с электродвигателями современного технического уровня, у которых максимальный (опрокидной) момент лежит в пределах (2,4÷2,6) Мн. В интервале l, 7 < Da/Do < 1,85 КПД (кривая 3-η) также повышается от значения 0,967 до 0,977.

За пределами интервала l,7 < Da/Do < 1,85 значение Мп/Мн и Мо/Мн резко изменяются в неблагоприятную сторону, что следует из графиков на фиг.2. В том же интервале значений Da/Do номинальный КПД имеет наибольшие значения.

Отношение L/Нмакс длины осевой кромки L лопатки к наибольшей ее ширине Нмакс оказывает влияние на быстродействие пуско-предохранительной гидромуфты в динамических режимах стопорения вала турбинного колеса за десятые доли секунды.

Из графика зависимости коэффициента динамичности Кд, характеризующего быстродействие гидромуфты, от отношения L/Нмакс (фиг.3), следует, что в интервале значений 0,2 ≤ L/Нмакс ≤ 0,75 Кд имеет минимальную величину в пределах 1,1÷1,15. Поэтому динамичность гидромуфты при таком Кд минимальна.

Графики предельных значений пусковой Мп/Мн и предохранительной Мо/Мн характеристик, а также номинального КПД(η), относящихся к интервалу 1,7 < Da/Do < 1,85, имеют на фиг. 3 вид линий, параллельных оси абсцисс, что подтверждает отсутствие влияния L/Нмакс на эти силовые параметры гидромуфты. На фиг. 3 обозначен также перепад предельных значений (Δ) характеристик ΔМп/Мн, ΔМо/Мн и Δη.
Как показано на фиг.1, в гидромуфте турбинное колесо 2 установлено на валу 8, а к насосному колесу 1 прикреплен корпус 9, охватывающий турбинное колесо 2. Возможна другая компоновка: турбинное колесо прикреплено к корпусу, который охватывает насосное колесо, установленное на валу, выполняющем функции ведущего.

К одному из рабочих колес (фиг.4), например к насосному 1, может быть прикреплена перегородка 10, разделяющая центральную камеру 5 на две секции 11 и 12. В перегородке 10 имеется отверстие 13 с центром на оси вращения гидромуфты. Секции 11 и 12 центральной камеры 5 сообщаются с межлопастными каналами, а также между собой через отверстие 13 в перегородке 10. Секция 11 сообщается с межлопастными каналами рабочего колеса 1 посредством дроссельного отверстия 14, выполненного в периферийной части секции 11, например в цилиндрической части перегородки 10.

Гидромуфта по фиг.1, не имеющая перегородки, работает следующим образом. В установившемся рабочем режиме гидромуфта передает расчетный номинальный крутящий момент при небольшом значении скольжения колес (3%).

При возрастании внешней нагрузки на ведомом валу гидромуфты ее скольжение повышается. Это сопровождается увеличением расхода жидкости по межлопастным каналам рабочих колес 1 и 2 при совокупном воздействии на элементарные струи потока центробежных сил переносного вращения вокруг оси гидромуфты и относительного вращательного движения жидкости по межлопастным каналам колес с центром в круге циркуляции. С увеличением скольжения центробежные силы относительного вращательного движения даже в области выхода потока из межлопастных каналов турбинного колеса 2 начинают превалировать над центробежными силами переносного вращения, в связи с чем центростремительный поток рабочей жидкости из межлопастных каналов турбинного колеса 2 устремляется в центральную камеру 5.

Затем жидкость, попадая на нерабочие поверхности насосного колеса 1, отбрасывается ими к периферии и возвращается в его межлопастные каналы у кромок 6. Чем выше значение скольжения, тем большее количество жидкости, находясь в динамическом равновесии (по отношению к кругу циркуляции), заполняет центральную камеру 5, выполняющую роль сбросной аккумулирующей камеры. Одновременно с этим снижается расход жидкости, циркулирующей в межлопастных каналах рабочих колес, благодаря чему уменьшается момент, передаваемый гидромуфтой.

Таким образом, гидромуфта, ограничивая передаваемый момент, устраняет недопустимые перегрузки, воздействующие на механическую трансмиссию привода и предохраняет двигатель от выхода из строя.

В варианте исполнения гидромуфты (фиг.4) с разделением центральной камеры посредством перегородки 10 на две секции 11 и 12 работа гидромуфты осуществляется следующим образом.

При сообщении вращения ведущему (насосному) колесу 1 оно быстро (в течение 2-3 с) совместно с приводным двигателем развивает частоту вращения, близкую к максимальной. В этом режиме (режиме пуска) гидромуфта работает со значительным (близким к 100%) скольжением. При этом под воздействием напора, развиваемого насосным колесом 1, жидкость центростремительным потоком направляется из межлопастных каналов турбинного колеса 2 в секцию 12, а затем через отверстие 13 в перегородке 10 - в секцию 11, заполняя ее. Под воздействием гидростатического давления жидкость замедленно с незначительным расходом вытекает из секции 11 через дроссельное отверстие 14 и попадает в межлопастные каналы насосного колеса 1.

Благодаря избыточному напору насосного колеса 1 жидкость при повышенном скольжении в процессе пуска постоянно поступает в секцию 12 и через отверстие 13 в перегородке 10, проходное сечение которого намного больше сечения дроссельного отверстия 14, вновь заполняет секцию 11.

В процессе пуска скольжение гидромуфты постепенно уменьшается. При скольжении, превышающем 50-70%, за счет превалирования воздействующих на жидкость центробежных сил переносного вращения над центробежными силами относительного ее движения по межлопастным каналам, поступление жидкости в секцию 12 постепенно прекращается. К концу завершения плавного процесса пуска жидкость из секции 11 полностью вытекает в межлопастные каналы гидромуфты, которая при выходе на номинальный режим начинает работать со скольжением 2,8÷3,0%.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено, предпочтительно, для плавного пуска машин и защиты приводов от перегрузок. Пуско-предохранительная гидромуфта содержит рабочие колеса с лопатками. Лопатки по меньшей мере одного из колес имеют осевые кромки, обращенные к центральной камере, ограниченной нерабочими поверхностями стенок колес. Новым является то, что диаметр D₀ осевых кромок связан с активным диаметром колес D_a соотношением 1,7 <D_a/D₀ <1,85, а длина L осевой кромки связана с наибольшей шириной Н_макс лопаток соотношением 0,2 ≤ L/Н_макс ≤ 0,75. В центральной камере может быть размещена перегородка, прикрепленная к одному из рабочих колес и разделяющая полость центральной камеры на две секции, сообщающиеся между собой и с межлопастными каналами. Секция, заключенная между нерабочими стенками колеса и прикрепленной к нему перегородкой, имеет в периферийной области по меньшей мере одно дроссельное отверстие. Техническим результатом является улучшение пусковых характеристик и предохранительных свойств гидромуфты, а также повышение КПД. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пускопредохранительная гидромуфта, содержащая рабочие колеса с лопатками, причем лопатки по меньшей мере одного из колес имеют осевые кромки, обращенные к центральной камере, ограниченной нерабочими поверхностями стенок колес, отличающаяся тем, что диаметр D₀ осевых кромок связан с активным диаметром колес D_a соотношением 1,7 < D_a/ D₀ < 1,85, а длина L осевой кромки связана с наибольшей шириной Н_макс лопаток соотношением 0,2 ≤ L/Н_макс ≤ 0,75.2. Пускопредохранительная гидромуфта по п.1, отличающаяся тем, что в центральной камере размещена перегородка, прикрепленная к одному из рабочих колес и разделяющая полость центральной камеры на две секции, сообщающиеся между собой и с межлопастными каналами.3. Пускопредохранительная гидромуфта по п.2, отличающаяся тем, что секция, заключенная между нерабочими стенками колеса и прикрепленной к нему перегородкой, имеет в периферийной области по меньшей мере одно дроссельное отверстие.