13.5. Роторные гидродвигатели

Роторные гидродвигатели в зависимости от частоты вращения и развиваемого момента подразделяются на быстроходные (низкомоментные) и тихоходные (высокомоментные).

Скорость вращения быстроходных гидродвигателей порядка 1000 – 2500 об/мин, крутящий момент до 100 нм.

У высокомоментных гидродвигателей скорость вращения до 150 об/мин при крутящем моменте до 3·10⁴ нм.

Роторные гидродвигатели по конструкции подразделяются на аксиально-поршневые, радиально-поршневые, шестеренные и пластинчатые.

Теоретическая мощность роторного гидродвигателя

,

(13.23)

где р – давление жидкости;

q_т – расход на один оборот;

n – частота вращения.

Развиваемый гидродвигателем момент

.

(13.24)

Мощность, снимаемая с вала гидродвигателя

.

(13.25)

Принципиальные схемы гидродвигателей роторного типа те же, что и у роторных насосов, поэтому отсылаем читателя к параграфам 12.13, 12.14, 12.15, 12.16.

14. Гидропередачи

14.1. Устройство и принцип действия гидропередач. Классификация

Гидропередача представляет собой устройство, включающее в себя насос и гидродвигатель, и предназначена для передачи энергии от двигателя к приводимой машине потоком жидкости.

Гидропередачи передают мощность при отсутствии жесткого соединения ведущего и ведомого валов. Благодаря этому, двигатель и приводимая машина оказываются защищенными от вредного влияния пульсаций нагрузки. При передаче мощности гидропередачи способны плавно изменять величину, а иногда и знак приводимого крутящего момента.

В зависимости от применяемых машин, гидропередачи делятся на: гидродинамические (лопастной насос + лопастной гидродвигатель) и объемные (объемный насос + объемный гидродвигатель).

14.2. Рабочий процесс и основные свойства гидродинамических передач. Характеристики гидромуфты и гидротрансформатора

Г идродинамическая передача состоит из насосного 1 и турбинного 2 колес (рис 14.1). Колесо центробежного насоса насажено на ведущий вал 5, соединенный с валом двигателя, турбинное колесо закреплено на ведомом валу 3. Цифрой 4 обозначен корпус. Между насосным и турбинным колесами оставляется небольшой зазор (3 – 6 мм.). При такой схеме отпадает необходимость в промежуточных устройствах – трубопроводах, спиральных камерах, диффузорах, служащих для подвода и отвода жидкости. Устраняются и весьма существенные потери в этих устройствах. Поэтому КПД гидродинамических передач определяется в основном потерями в рабочих колесах и достигает достаточно высоких значений 0,85 ÷ 0,98.

Принцип работы гидропередачи (на рис. 14.1 изображена принципиальная схема гидродинамической муфты) заключается в следующем: приводной двигатель вращает насосное колесо и в нем под воздействием центробежных сил жидкость отбрасывается на периферию и происходит увеличение ее энергии. Жидкость под образовавшимся напором через незначительный зазор попадает на колесо турбины, где происходит преобразование гидравлической энергии в механическую. Ведомый вал приходит в движение.

О тработавшая в турбинном колесе жидкость вновь поступает в насосное колесо и цикл замыкается. Таким образом связь ведущего 5 и ведомого 3 валов осуществляется с помощью жидкости.

Гидромуфта представляет собой изолированную систему. На нее действуют внешние моменты со стороны валов, а также момент, трения об окружающий воздух. Если пренебречь моментом трения о воздух, то у гидромуфты момент на насосном колесе равен моменту турбинного колеса.

Гидротрансформатор отличается от гидромуфты тем, что кроме насосного 1 и турбинного 2 колес в его рабочей полости установлен жестко соединенный с неподвижным корпусом 6 реактор 3. Обычно реактор устанавливают между выходом из турбинного колеса и входом в насосное колесо (рис. 14.2). Реактор, отклоняя жидкость своими лопатками, изменяет момент количества движения потока. Следовательно, в гидротрансформаторе моменты количества движения за турбинным колесом и перед входом в насосное колесо не равны друг другу, а это в свою очередь приводит к возрастанию крутящего момента на выходном валу по сравнению с крутящим моментом на входном. Число насосных, турбинных колес и реакторов может быть различным и определяется величиной передаваемых мощностей и крутящего момента.

Рассмотрим основные закономерности гидродинамических передач. Воспользуемся уравнением Эйлера для лопастных машин и запишем

	для насоса		(14.1)
	для турбины
	для реактора	.

Здесь индексы 1, 3, 5 относятся ко входу в насос, турбину, реактор;

индексы 2, 4, 6 соответственно к выходу;

с_u – проекция абсолютной скорости на направлении окружной (сcos).

Подводимый крутящий момент считается положительным, а отводимый и реактивный – отрицательными, т.е. М₁ > 0; М₂ < 0; М₃ < 0.

Составим сумму моментов

.

(14.2)

Ввиду того, что зазоры между колесами малы, можно полагать, что

.

(14.3)

Тогда многочлен, стоящий в скобках (14.2), оказывается равным нулю, т.е алгебраическая сумма всех крутящих моментов гидродинамической передачи равна нулю

.

(14.4)

Запишем баланс мощности в гидропередаче. Мощность N₁ подведенная к гидропередаче, равна сумме отводимой N₂ и потерянной N_п мощностей

(14.5)

Выразим мощности через расход Q и напоры Н

(14.6)

здесь Н₁, Н₂ и h_п – напоры, развиваемый насосом, потребляемый турбиной, теряемый на преодоление гидравлических сопротивлений.

Очевидно из (14.6)

или .

(14.7)

Напор, потребляемый турбиной, меньше напора насоса на величину, расходуемую на преодоление гидравлических сопротивлений.

Полный КПД гидродинамической передачи

,

(14.8)

где – коэффициент трансформации крутящего момента;

– передаточное отношение.

тогда

.

(14.9)

У гидромуфты к = 1 (крутящий момент передается без изменений) поэтому

.

(14.10)

При нормальной работе гидромуфты частоты вращения ведущего и ведомого валов отличаются на 3 – 5 %, т.е. i = 0,95 ÷ 0,97 и, следовательно, КПД гидромуфты _гм = 0,95 ÷ 0,97.

Гидротрансформаторы, как правило, строят для увеличения крутящего момента, т.е. к > 1. Обычно при максимальном КПД у гидротрансформаторов к = 1,1 ÷ 1,75, i = 0,5 ÷ 0,8 и _гт = 0,85 ÷ 0,9.

Полный КПД гидропередачи

,

(14.11)

где η₁ – КПД насосного колеса;

η₂ – КПД турбинного колеса;

η₃ – КПД реактора.

Зависимость момента от передаточного отношения при n₁ = const называется моментной (внешней) характеристикой гидропередачи. Естественно, что у гидромуфты и гидротрансформатора характеристики разные. Расчет характеристик теоретически затруднен. Поэтому характеристики получают опытным путем. На (рис. 14.3) изображена характеристика гидромуфты. Характеристика М = f(i) имеет вид падающей кривой. Следовательно, если момент сопротивления, приложенный к ведомому валу, увеличивается, то число оборотов n₁ этого вала снижается. При отсутствии момента сопротивления n₂ → n₁, т.е. i → 1. При достаточно высоком М₂ ведомый вал может быть остановлен и гидромуфта выполняет роль гидротормоза.

Г идромуфты выбирают так, чтобы на режимах, соответствующих длительной эксплуатации, они работали при оптимальном расчетном передаточном отношении i_p, т.е. с максимальным КПД. Крутящий момент, соответствующий i_p, а следовательно максимальному КПД называется расчетным М_р.

Относительная разница числа оборотов ведущего и ведомого валов гидромуфты называется скольжением

(14.12)

и выражает собой долю потерь в балансе энергии гидромуфты.

Энергия потерь в гидромуфте преобразуется в тепло. Поэтому рабочая жидкость и детали во время работы нагреваются. В некоторых случаях приходится устраивать специальную систему охлаждения.

Рассмотрим характеристику гидротрансформатора. Характеристикой гидротрансформатора также является зависимость величины моментов от n₂ или от передаточного отношения (рис. 14.4). На ее поле откладываются абсолютные величины моментов М₁ = f(i) и М₂ = f(i), полученные при n₁ = const. Часто для удобства сравнения характеристик гидротрансформаторов разных типов вместо зависимости М₂ = f(i) наносят зависимость К = М₂ / М₁ = f(i).

Кроме моментных кривых, характеристика содержит вычисленную на их основании зависимость КПД – η = ki. Максимальное значение КПД гидротрансформаторов колеблется в пределах 0,8  η < 0,92.

Рассмотрим главные свойства характеристики гидротрансформатора. Основная зона, в которой гидротрансформатор выполняет функции редуктора (|М₂| > |М₁|; М₃ > 0; К > 1) обозначена буквой А. В ней КПД гидротрансформатора всегда меньше КПД гидромуфты. Если момент сопротивления М₂, нагружающий ведомый вал снижается, то, согласно общим энергетическим закономерностями, число оборотов n₂ этого вала возрастает. При этом поток в рабочей полости перестраивается соответственно новым условиям нагрузки, но за реактором, где поток направлен его неподвижными лопатками, структура потока меняется мало. Поэтому момент М₁ насосного колеса изменяется незначительно при сильном изменении М₂. Такая характеристика называется непрозрачной, в отличие от гидромуфты у которой характеристика прозрачная.

В зоне Б |М₂| < |М₁| или К < 1, а КПД гидротрансформатора меньше КПД гидромуфты. На границе зон А и Б реактор не воздействует на поток, здесь К = 1 и такой режим можно назвать режимом гидромуфты.

Характеристика гидротрансформатора может содержать и участок зоны В, где гидротрансформатор выполняет функции ускоряющей передачи.

Характеристики гидротрансфоматора получают опытным путем.

Рассмотрим основные свойства и возможности гидропередач. Одним из основных достоинств является полное отсутствие жесткой связи между валами при передаче мощности. Поток жидкости между насосным и турбинным колесами эффективно гасит пульсации момента вследствие изменения сопротивления на рабочих органах приводимой машины. Причиной этого является инерционность потока, перестраивающегося с запаздыванием по отношению к изменению внешних нагрузочных параметров.

Особенностью рабочего процесса является то, что даже при заклинивании ведомого вала (i = 0) момент, нагружающий двигатель, не превосходит определенной предельной величины, а это значит, что двигатель не может быть перегружен. Это свойство важно для двигателей внутреннего сгорания и асинхронных электродвигателей.

Гидропередача защищает также двигатель от перегрузок во время разгона машины до эксплуатационного числа оборотов. При наличии гидропередачи двигатель разгоняет только насосное колесо, момент инерции которого мал, и рабочую жидкость, инерцией которой можно пренебречь.

Гидропередачи позволяют изменять число оборотов ведомого вала при неизменном числе оборотов двигателя. Таким образом, можно получить бесступенчатую трансмиссию.

Указанные свойства гидропередач особенно ценны для транспортных машин, строительных, дорожных, горных машин и т.д.