 |
|
Гідротрансформатори
Гідротрансформатор (ГТР) забезпечує перетворення крутящого моменту, і плавність його наростання при переході від двигуна до ведучих органів.
На відміну від гідромуфти гідротрансформатор має третє колесо, як правило закріплено нерухомо, тому він може передавати крутящий момент, зі зміною по величині, а в деяких випадках і за знаком.
Гідротрансформатори (рис. 4) мають робочі колеса трьох найменувань: насосні (ведучі) Н, турбінні (відомі) Т, реакторні (реактивні) Р.
Рисунок. 4 Меридіональний перетин робочої порожнини одноступінчатого (триколісного) гідротрансформатора: 1-корпус; 2-насосне колесо; 3-реактор; 4-турбінне колесо; 5- муфта вільного ходу.
Гідротрансформатори можуть бути виготовлені трьох-, чотирьох- і багатоколісними з одноступінчатим насосом, одно -, двох - і триступінчастою турбіною з одним чи декількома реакторами. Найбільше застосування по величині перетворення крутящого моменту одержали двох - і триступінчасті гідротрансформатори.
Багатоколісні ГТР у залежності від кількості турбінних коліс бувають: одноступінчаті (одне турбінне колесо), двоступінчасті (два турбінних колеса) і т.д. По напрямку обертання насоса і турбіни розрізняють ГТР: прямого ходу; зворотного ходу; реверсивні.
Найпростіший гідротрансформатор - триколісний (рис. 4) - складається з насосного колеса 2, турбінного колеса 4 і нерухомого реактора 3 (направляючого агрегату). Bcі колеса встановлені в одному нерухомому корпусі 1.
Вал насосного колеса 2 з'єднаний з валом двигуна, а вал турбіни з механізмом трансмісії – передающим крутящий момент, на ведучі колеса (гусениці) трактора.
Принцип дії гідротрансформатора полягає в наступному. У процесі роботи гідротрансформатора лопатки насосного колеса 2 впливають на рідину, змушуючи її не тільки обертатися разом з колесом, але і переміщатися уздовж лопаток по напрямку від входу до виходу. При цьому потенційна енергія тиску лопаток насоса на рідину під дією відцентрових сил перетвориться в кінетичну енергію руху рідини. Вийшовши з насосного колеса 2, потік рідини попадає в розташоване за ним турбінне колесо 4, і вдаряючись об лопатки його колеса, зменшують свою швидкість. При русі потоку по меж лопатевим каналам його напрямок змінюється відповідно до профілю лопаток. Кінетична енергія потоку рідини зменшується, і на лопатках колеса турбіни виникає крутящий момент, який дорівнює крутячому моменту Мн, прикладеному до вала насоса. При перетіканні по між лопатевим сужающимся каналам колеса реактора швидкість потоку рідини зростає, а його напрямок збігається з напрямком обертання насосного колеса 2. На лопатках реактора створюється реактивний момент Мр, сприйманий корпусом 1.
У кожному робочому колесі рідина протікає суцільним потоком від входу до виходу, обтікаючи лопатки і знаходячись з ними в силовій взаємодії.
Коло циркуляції рідини в гідротрансформаторах по меридіальній площині може відбуватися по двом схемам: а- насос-турбіна-реактор (НТР); б-насос-реактор-турбіна (НРТ). До особливості робочого процесу гідротрансформаторів відносять наступне.
Силові і кінематичні зв'язки між робочими колесами здійснюються через робочу рідину.
Робоча рідина являє собою одну нескінченну і безупинну кільцеву ланку, що знаходиться в силовій взаємодії одночасно з усіма робочими колесами без існування жорстких кінематичних зв'язків між ними.
Існування силових зв'язків між робочими колесами (коло циркуляції) можливо тільки при обертанні хоча б одного робочого колеса.
Гідротрансформатори по характеру взаємодії з двигуном підрозділяються на прозорі і непрозорі. Прозорі гідротрансформатори мають властивість змінювати режим роботи двигуна в залежності від зміни навантаження опору руху машини. Непрозорі гідротрансформатори ізолюють двигун від впливу на нього постійно мінливих зовнішніх опорів.
Основними робочими параметрами ГТР, зображеного на рис. 4, є: моменти на робочих колесах (Мн, MТ, МР), частоти обертання цих коліс (nн, nТ, nР); активний діаметр Da, (характерний розмір перетину робочої порожнини ГТР).
Інші параметри ГТР можна знайти по формулах:
- передатне відношення:
, (7)
характеризує режим роботи ГТР, наприклад, при nТ = 0 будемо мати стоповий режим іГТР = 0);
- коефіцієнт трансформації моменту:
, (8)
- взаємозв'язок крутящих моментів, на робочих колесах
, (9)
- потужність на робочих колесах ГТР:
, (10)
, (11)
- ККД гідротрансформатора:
, (12)
Графік, на якому нанесені криві 
при nH = const, називають зовнішньою характеристикою ГТР.
Рисунок 5 - Зовнішня характеристика ГТР (при nH = п1= const)
У точці А на режимі iЗ момент на направляючому апараті дорівнює МР. = 0, а МТ = МН і ГТР працює як гідромуфта.
Слід зазначити, що при значних змінах навантаження на відомому валу гідротрансформатора навантаження на ведучому валу змінюється мало. Явище «не пропускати» навантаження з боку відомого вала на ведучий називається «непрозорістю».
Коефіцієнт корисної дії гідротрансформатора згідно з характеристикою буде дорівнювати нулю в двох точках: при п2 = 0; і п2 = пmax. Така форма зниження ККД небажана, особливо при знижені ККД зі зменшенням навантаження на відомому валу. У мобільних машинах режим малих навантажень відповідає пересуванню по рівній дорозі з твердим покриттям. Малий ККД на таких режимах веде до переросходу пального.
На тракторах і автомобілях застосовуються гідромеханічні трансмісії і гідропередачі, що можуть працювати як гідротрансформатор і як гідромуфта (перехід з одного режиму роботи на іншій відбувається автоматично). Останні створені на основі триколісного гідротрансформатора. Особливості роботи цих так званих комплексних гідропередач полягають у наступному.
При постійній частоті обертання насосного колеса 2 турбінне колесо 4 має частоту обертання, обумовлену прикладеним до нього опором, тобто чим більше знімаємий крутящий момент , на валу вихідної ланки, тим менше його частота обертання.
Якщо на турбіному колесі опір валу відсутній (холостий хід), частота його обертання майже дорівнює частоті обертання насосного колеса 2 (частота обертання вала двигуна).
При незначному опорі на гаку трактора момент опору, прикладений через трансмісію до вала турбінного колеса, також невеликий. У цьому випадку установиться рівновага між моментом опору і моментом, з яким впливає потік робочої рідини насосного колеса 2 на лопатки турбінного колеса 4.
Реактор 3 дозволяє змінювати крутящий момент, що виникає, на турбінному колесі 4 пропорційно зміні моменту опору на валу коробки передач. У так названій комплексній гідропередачі реактор 3 у корпусі 1 (рис.5) установлений на муфті вільного ходу 5.
Умовна ознака гідротрансформатора складається з: індексу Г-гідротрансформатор; цифри 3 чи 4 - числа коліс; тризначного числа, що позначає активний діаметр у мм; двох- чи тризначного числа, що позначає крутячий момент у КГС М..
Приклад: гідротрансформатор триколісний з активним діаметром 470 мм і крутящим , що крутить, Мкр=150 кгс·м - Г-3-470-150.
На відміну від гідромуфт гідротрансформатори працюють тільки при повному заповненні їх робочою рідиною. З метою компенсації впливу великих швидкостей і високих температур рідина в проточну порожнину гідротрансформатора подається під тиском.
Універсальна характеристика гідротрансформатора може бути двох видів.
Універсальна характеристика першого виду будується шляхом сполучення на одному графіку ряду зовнішніх характеристик, побудованих за результатами іспитів при декількох постійних частотах обертання насосного колеса, як і для гідромуфти.
При побудові характеристик користаються наступними залежностями і прийомами.
Відношення моментів турбінного колеса М1Т/М2Т буде прямо пропорційно відношенню квадратів частот обертання насосного колеса:
, (13)
Частоту обертання турбінного колеса п2т, що відповідає М2Т, знаходять з рівності моментів
, або 
, (14)
Знаючи значення моментів 
при 
i 
при 
, одержимо
, (15)
По відомому 
відкладають 
.
По кривій моментів насосного колеса на зовнішній характеристиці при нормальній частоті обертання колеса будують криві моментів насосного колеса для інших значень частот обертання.
Момент насосного колеса знаходять по залежності
, (16)
Потім по відомим крутящим моментам, і частотам обертання визначають ККД гідротрансформатора по формулі .
, (17)
Другий вид універсальної характеристики гідротрансформатора будують по його приведеній характеристиці.
При побудові частоту обертання насосного колеса приймають постійною ( 
) і задають послідовно ряд значень 
,тоді 
.Криві 
і 
у залежності від частоти обертання турбінного колеса будують на підставі рівнянь .
, (18)
Задаючись частотою обертання насосного колеса 
, 
=0,9; 0,8; 0,7 і т.д., будують інші криві в тім же масштабі.
У деяких випадках до гідротрансформаторів пред'являють, вимоги щоб крутящий момент змінювався в залежності від передатного відношення. Таку характеристику називають «прозорою». Якщо зі збільшенням одночасно збільшується і момент , то, таку, характеристику прийнято називати з «прямою прозорістю». Якщо при збільшенні моменту М2 моментом зменшується, то така характеристика гідротрансформатора називається з «зворотною прозорістю».
Для побудови спільних характеристик гідротрансформатора з агрегатом необхідно мати характеристики двигуна гідротрансформатора і виконавчої машини. Спільна робота гідродвигуна з гідротрансформатором визначається точкою перетинання характеристики гідродвигуна і насосного колеса гідротрансформатора.
Регулювання гідротрансформаторів здійснюється такими способами:
- зміною частоти обертання насосного колеса;
- зміною наповнення кола циркуляції;
- механічним впливом на потік робочої рідини в колі циркуляції;
- заміною робочих коліс.
Зміну частоти обертання насосного колеса можливо тоді, коли двигун регулюється по частоті обертання. Цей спосіб регулювання найбільш економічний і широко застосовується на транспортних машинах з дизелями (автомобілі, трактори, екскаватори).
Момент насосного і момент турбінного колеса змінюються при такому регулюванні пропорційно квадрату частоти обертання насосного колеса, а ККД при цьому залишається таким, як і до регулювання.
Регулювання зміною наповнення при зливі рідини з кола циркуляції приводить до різкого падіння вторинного моменту і до значного зменшення ККД гідротрансформатор. Цей метод регулювання неекономічний і застосовується дуже рідко.
Регулювання механічним впливом на потік робочої рідини в колі циркуляції може здійснюватися двома способами: поворотом лопаток коліс гідротрансформатора і застосуванням дросельних заслінок. У більшості конструкцій поворотні лопатки встановлюються в насосному колесі чи в реакторі. Цей спосіб більш економічний, чим регулювання зміною наповнення. Наприклад, при зменшенні переданої гідротрансформатором потужності до половини від номінальної максимальне значення ККД знижується усього до 15% проти максимального значення ККД при повній потужності. При регулюванні наповненням для подібного режиму ККД знижується на 50%.
Регулювання дросельною заслінкою здійснюється перекриттям потоку рідини в насосному колесі.
У нерегульованих двигунах найбільш стійке регулювання гідротрансформаторів досягається механічним способом.
Контрольні запитання:
1. Призначення гідродинамічних передач.
2. Конструктивні відмінності гідромуфти і гідротрансформатора.
3. Баланс моментів в гідромуфті.
4. Баланс моментів в гідротрансформаторі.
5. Пояснити робочий процес гідромуфти і гідротрансформатора.
6. Основні вимоги до характеристик гідромуфти і гідротрансформатора.
7. Які типи гідромуфт ви знаєте?