Принцип действия гидравлической передачи и ее основные элементы

Назначение и принцип действия. Гидравлической передачей называется механизм, в котором передаточным звеном служит жидкость.

Гидравлическая передача, так же как и любая другая, например электрическая или механическая, необходима на тепловозе, во-первых, для того, чтобы разрывать связь между коленчатым валом дизеля и движущими колесными парами при пуске дизеля, обеспечивая в необходимых случаях его холостой ход при движении или остановке тепловоза; во-вторых, чтобы соединять вал дизеля с движущими осями тепловоза и преобразовывать передаваемый вращающий момент так, чтобы независимо от внешней нагрузки на тепловоз нагрузка дизеля, а значит, и его заданный режим работы сохранялись постоянными.

При электрической передаче автоматическое изменение силы тяги тепловоза в зависимости от скорости его движения обеспечивается действием системы автоматического регулирования главного генератора. Изменения тока и напряжения в электрической передаче согласованы таким образом, что их произведение, определяющее мощность главного генератора, остается постоянным. Значит, несмотря на изменение условий движения тепловоза, нагрузка на дизель не изменяется.

У гидравлических передач мощность дизеля передается к колесам тепловоза при помощи жидкости. Механическая энергия ведущего элемента, жестко соединенного с валом дизеля, превращается в потенциальную и кинетическую энергию жидкости. В ведомом элементе передачи запасенная энергия жидкости снова переходит в механическую энергию.

Типы гидравлических передач. В зависимости от преобладания в жидкости потенциальной или кинетической энергии различают два типа гидравлических передач: гидростатические (гидрообъемные) и гидродинамические.

Гид ростатические передачи работают на использовании принципа вытеснения или замещения небольших объемов жидкости при больших (300 — 350 кгс/см2) рабочих давлениях. В этих передачах скорость движения жидкости сравнительно невелика (не превышает 10 м/с), поэтому в них величина потенциальной энергии (энергии статического давления) значительно больше, чем величина кинетической энергии (энергии скоростного напора).

В тепловозах и особенно в промышленном оборудовании наибольшее распространение получили аксиально-поршневые гидростатические передачи.

Аксиально-поршневая передача, схема которой показана на рис. 1, по принципу действия похожа на электрическую. Дизель с помощью ведущего вала 1 вращает гидрогенератор 2, представляющий собой обычно многоплунжерный насос, который по трубопроводам подает жидкость к гидромоторам 5, связанным посредством ведомого вала 6 с движущими колесами тепловоза. От гидромоторов жидкость возвращается к гидрогенератору. Если требуется увеличение силы тяги, гидрогенератор развивает большее давление при уменьшающемся расходе (количество жидкости в единицу времени) подаваемой в гидромоторы жидкости. Наоборот, когда требуется меньшая сила тяги, расход подаваемой гидрогенератором жидкости увеличивается и гидромоторы вращаются быстрее, отчего скорость движения тепловоза возрастает. Взаимное изменение давления и расхода жидкости в гидрогенераторе происходит таким образом, что произведение этих величин, определяющее мощность гидронасоса, остается неизменным. Поэтому мощность гидрогенератора, а следовательно, и нагрузка на дизель будут сохраняться постоянными при различных внешних нагрузках на тепловоз.

Гидростатические передачи обладают высоким коэффициентом полезного действия (общий к. п. д. достигает 85 — 87%), обеспечивают плавное регулирование силы тяги в широком диапазоне изменения скорости движения. Такие передачи реверсивны; реверсирование можно осуществлять при движении тепловоза. .

Гидростатические передачи применяют на ряде отечественных тепловозов в качестве привода вспомогательных механизмов, в частности привода вентилятора холодильника. Использование их в качестве звена энергетической цепи тепловозов ограничивается лишь малой и средней мощностью (до 500 л. с.). Создать передачи большой мощности в настоящее время невозможно из-за технологических и конструктивных трудностей в обеспечении больших давлений при длительной эксплуатации, а также в изготовлении надежных гибких соединений трубопроводов, рассчитанных на высокие давления.

Схема аксиально-поршневой передачи

Рис. 1. Схема аксиально-поршневой передачи:

1 — ведущий вал; 2 — гидронасос; 3 — вспомогательный насос; 4 — клапан ограничения давления; 5 — гидромотор; 6 — ведомый вал

Гидравлическая муфта

Рис. 2. Гидравлическая муфта:

а —схема; б — внешняя характеристика; б —тяговая характеристика

Гидродинамические передачи основаны на принципе использования кинетической энергии потока жидкости, циркулирующей по замкнутому контуру. Эти передачи получили преимущественное распространение в качестве звена энергетической цепи тепловозов различной мощности и их принято называть просто гидравлическими.

Конструктивно гидравлические передачи состоят из ряда узлов, в числе которых основными являются гидравлическая муфта и гидравлический трансформатор. Технические характеристики этих гидравлических элементов определяют все показатели и свойства гидравлической передачи.

Гидравлическая муфта. Гидравлической муфтой называется устройство, обеспечивающее гибкое соединение ведущего и ведомого валов и передачу вращающего момента без изменения его по величине. По конструкции она представляет собой двухлопастную гидравлическую машину, состоящую из двух основных частей (рис. 2, а): насосного колеса 4, жестко связанного посредством ведущего вала 5 с валом двигателя, и турбинного колеса 1, соединяемого с помощью ведомого вала 3 и механических звеньев с движущими осями. Одно из рабочих колес, чаще всего турбинное, обхватывается кожухом 2, предназначенным для компоновки приборов питания (трубопроводов, клапанов) и уплотнения. Отличительной конструктивной особенностью обоих рабочих колес является наличие плоских радиальных лопаток. Лопатки сложного профиля применяются редко, только в муфтах специального назначения.

Кромки лопаток рабочих колес насоса и турбины располагаются в непосредственной близости друг от друга с зазором, необходимым для обеспечения их свободного вращения и теплового расширения. Лопатки с примыкающими к ним частями корпуса колес образуют в совокупности пространство, называемое кругом циркуляции. В рабочем режиме круг циркуляции заполняется рабочей жидкостью.

При вращении насосного колеса жидкость, находящаяся в круге циркуляции, перемещается под действием центробежной силы от центра колеса к периферии в направлении, указанном на рис. 2 стрелкой, благодаря чему в потоке накапливается кинетическая энергия. Пройдя по каналам между лопатками, жидкость выбрасывается из насосного колеса и, перемещаясь в осевом направлении, попадает на лопатки турбинного колеса, давит на них, заставляя колесо вращаться в сторону вращения насосного колеса. По мере перемещения по лопаткам турбины кинетическая энергия потока жидкости убывает, превращаясь в механическую энергию ведомого вала и частично в потери.

Круговое движение жидкости по лопаткам рабочих колес гидромуфты, или, как говорят, циркуляция, становится возможным из-за разности давлений. Действительно, давление жидкости на выходе из насосного колеса больше, чем на входе в турбинное колесо, так как скорость вращения турбинного колеса всегда меньше скорости вращения насосного колеса.

Каждая частица рабочей жидкости в круге циркуляции (рис. 3) совершает сложное движение, которое складывается из двух простых движений: вращения П вместе с колесом относительно круговой оси симметрии 02 гидромуфты (это движение в механике называется переносным) и вращения О в плоскости, проходящей через ось гидромуфты 01 со скоростью циркуляции жидкости (это движение называется относительным) .

Величина переносной скорости движения частиц жидкости, зависящая от удаления их от оси вращения и скорости вращения рабочих колес, характеризует меру кинетической энергии потока. Вход в насосное колесо и выход из турбинного колеса находятся на меньшем радиусе от оси вращения; выход из насосного колеса и вход в турбинное дальше удалены от оси вращения. Следовательно, прохождение частиц жидкости через насосное колесо сопровождается увеличением ее кинетической энергии и, наоборот, прохождение ее через турбинное колесо связано с уменьшением кинетической энергии.

Скорость циркуляции, т. е. скорость относительного движения потока жидкости по лопаткам, зависит от соотношения угловых скоростей вращения насосного и турбинного колес. Разность чисел оборотов насосного и турбинного колес называется скольжением.

Скольжение рабочих колес 5 находится в обратной зависимости от их передаточного отношения, т. е. от отношения частоты вращения турбины «т к частоте вращения насоса «н. Если скольжение колес отсутствует, т. е. пт = пп, то исчезнет перепад давлений, циркуляция жидкости прекратится, а значит, прекратится передача кинетической энергии с насосного колеса на турбинное: вращающий момент будет равен нулю. Иная картина будет в случае,

Схема циркуляции потока жидкости в рабочей полости гидромуфты

Рис. 3. Схема циркуляции потока жидкости в рабочей полости гидромуфты если турбинное колесо неподвижно, а насосное колесо вращается е нормальной скоростью (скольжение 100%). Перепад давлений будет наибольший, также наибольшими будут скорость циркуляции жидкости и ее воздействие на лопатки турбинного колеса. Передаваемый вращающий момент будет иметь максимальное значение. При промежуточных значениях передаточного отношения гидромуфты скорость циркуляции жидкости, а значит, и момент приобретают соответствующие промежуточные значения.

Зависимость передаваемого момента от числа оборотов турбинного колеса при постоянной частоте вращения насосного колеса, представленная в виде графика, называется внешней характеристикой гидромуфты (рис. 2, б). Уменьшение частоты вращения насосного колеса приводит к снижению передаваемого момента и кривые момента при этом располагаются ниже, чем при нормальной частоте вращения.

В гидромуфте имеются только два рабочих элемента, связанных рабочей жидкостью: насосное и турбинное колеса, а так как согласно законам механики всякому действию механического характера соответствует равное ему противодействие, то в гидромуфтах всегда имеется равенство моментов на насосном и турбинном колесах. Это значит, что гидромуфта не меняет величину передаваемого вращающего момента. В таком случае говорят, что коэффициент трансформации момента гидромуфты равен единице. Под коэффициентом трансформации (преобразования момента) понимают отношен е момента на турбинном колесе Мт к моменту на насосном колесе Мн, т.е. К, — ^ = 1.

Условие равенства моментов на рабочих колесах гидромуфты объясняется тормозящим воздействием на насосное колесо потока жидкости, выходящего из турбинного колеса. Это воздействие увеличивается с ростом скольжения колес.

Увеличение нагрузки Мт на турбинное колесо, вызывающее отставание его от насосного колеса, приводит к росту потерь энергии потока на преодоление сопротивлений. Коэффициент полезного действия цм при этом уменьшается в линейной зависимости от частоты вращения турбинного колеса. На графике эта зависимость представлена прямой линией, практически во всем диапазоне изменения передаточного отношения — от 0 до 1. При — = 1 наступает идеальный пн пн

холостой ход гидромуфты и ее к. п. д. равен нулю.

Если момент на рабочих колесах поддерживается неизменным, то гидромуфта работает по так называемой тяговой характеристике (рис. 2, в).

Из характеристик гидромуфты видно, что по своим энергетическим свойствам гидромуфта, отдельно взятая, не отвечает целям тяги. Это объясняется перегружающим воздействием на дизель и низким к. п. д. ее в диапазоне невысоких частот вращения турбинного колеса. Гидромуфта рассчитывается на передачу нормального момента Мнор и работу при высоких передаточных отношениях с к. п. д. 0,95—0,98. В этот режим она включается в качестве ступени скорости гидравлической передачи.

Гидравлические преобразователи (гидротрансформаторы). Гидротрансформатором называется устройство, обеспечивающее гибкое соединение валов и передачу мощности с ведущего вала на ведомый с преобразованием вращающего момента и изменением частоты вращения ведомого-вала по сравнению с частотой вращения ведущего вала.

Гидротрансформатор (рис. 4, а) отличается от гидромуфты наличием третьего неподвижного лопастного колеса, называемого направляющим аппаратом 4. Насосное колесо 1, закрепленное на валу 5, приводится во вращение от дизеля. Частота вращения насосного колеса и вращающий момент на нем равны или, в случае наличия входного редуктора между дизелем и гидротрансформатором, пропорциональны частоте вращения коленчатого вала дизеля и вращающему моменту на нем. Турбинное колесо 2 соединяется с движущими колесами тепловоза посредством механических элементов: системы зубчатых колес и карданных валов. Следовательно, скорость движения и сила тяги тепловоза пропорциональны частоте вращения турбинного колеса и вращающему моменту на нем.

Все три рабочих колеса имеют профилированные лопатки, т. е. лопатки, сечение которых имеет сложную аэродинамическую форму.

Лопатки рабочих колес размещаются так, что выходные кромки одних лопастей располагаются в непосредственной близости от входных других лопаток. Между кромками лопаток смежных колес предусматриваются зазоры, необходимые для обеспечения свободного вращения и теплового расширения. С этой же целью предусматриваются зазоры между дисками колес и корпусом гидротрансформатора.

Принцип действия гидротрансформатора аналогичен принципу действия гидромуфты. Насосное колесо закручивает жидкость, создавая в ней запас кинетической энергии вращательного движения. Турбинное колесо благодаря соответствующему профилю его лопаток раскручивает жидкость. Запас кинетической энергии потока жидкости

Гидротрансформатор

Рис. 4. Гидротрансформатор:

а — схема; 1 — насосное колесо; 2 — турбинное колесо; 3 — кожух; 4 — направляющий аппарат; 5 — ведущий вал; 6 — ведомый вал; б — внешняя характеристика используется для преодоления внешних сил сопротивления, приложенных к ведомому валу, а значит, и к движущим осям тепловоза.

На выходе из турбинного колеса направление потока жидкости зависит от частоты его вращения. Эту зависимость можно наглядно представить на трех схемах изменения направления потока на турбинном колесе (рис. 5). Когда колесо неподвижно (рис. 5, а), поток имеет направление, совпадающее с выходными кромками турбинных лопаток, и претерпевает наибольшее изменение. При этом давление потока на лопатки турбинного колеса будет наибольшим. На характеристике гидротрансформатора (рис. 4, б) этот режим отвечает наибольшему вращающему моменту Л4Т. С разгоном турбинного колеса появляется переносная составляющая скорости движения частиц жидкости и поток на выходе по направлению приближается к потоку на входе.

В момент, когда абсолютная скорость потока на выходе из турбинного колеса цт2 почти совпадет по направлению с абсолютной скоростью потока на входе цт1 (рис. 5, б), поток будет претерпевать наименьшие изменения; вращающий момент на валу колеса будет уменьшаться. Этому режиму соответствует наибольший к. п. д. гидротрансформатора (в современных гидротрансформаторах до 0,88). При дальнейшем увеличении частоты вращения турбинного колеса (рис. 5, е) поток на выходе его будет отклоняться вправо, момент будет снижаться. Очевидно, что во всех случаях, когда поток на выходе отклоняется по направлению от потока на входе, на лопатках турбинного колеса будут иметь место потери энергии. Эти потери тем больше, чем больше отклонение претерпевает поток. Этим объясняется выпуклая форма кривой к. п. д. т]тр (см. рис. 4, б), известная в математике под названием квадратичной параболы.

После турбинного колеса поток жидкости попадает на неподвижные лопатки направляющего аппарата, на выходе которого он приобретает всегда одно и то же направление, соответствующее безударному входу в насосное колесо. На неподвижных лопатках направляющего аппарата не происходит преобразования энергии, однако они воспри

а — колесо неподвижно; б — вращение с нормальной частотой (расчетный режим); в—вращение с повышенной частотой: Уц, ит2 — абсолютная скорость жидкости соответственно на входе и выходе из колеса; 0Т2 — относительная скорость жидкости на выходе нз колеса; ыт2 — переносная скорость жидкости на выходе из колеса нимают реактивный момент потока, величина которого характеризует преобразование вращающего момента. Из направляющего аппарата рабочая жидкость вновь поступает на входные кромки лопаток насосного колеса и тем самым завершает свой путь в круге циркуляции гидротрансформатора (на рис. 4, а показано стрелками).

Наличие в круге циркуляции неподвижных лопаток направляющего аппарата придает гидротрансформатору свойство автоматически изменять вращающий момент на турбинном колесе в зависимости от частоты вращения последнего, т. е. от скорости движения тепловоза. Преобразующее свойство гидротрансформатора оценивается коэффициентом трансформации момента К = Для тепловозных трансформаторов значение К составляет 3 и более.

По конструктивным особенностям различают гидротрансформаторы:

одноступенчатые и многоступенчатые, если в круге циркуляции имеется соответственно один или несколько рядов (ступеней) лопаток турбинного колеса;

одноциркуляционные и многоциркуляционные, если в его состав входит соответственно один или несколько кругов циркуляции;

простые и комплексные, если он не обладает или, наоборот, обладает свойством гидромуфты.

В отечественном тепловозостроении имеются примеры выполнения и применения всех названных выше конструктивных видов гидротрансформаторов.

Наряду с разделением гидротрансформаторов по конструктивным особенностям существует разделение их по так называемому свойству прозрачности: непрозрачные и прозрачные.

Под прозрачностью гидротрансформатора понимается его свойство оказывать влияние на режим нагрузки дизеля при изменении внешнего сопротивления движению поезда.

На рис. 4, б видно, что в непрозрачном гидротрансформаторе момент насосного колеса Мя (сплошная линия) при постоянной частоте вращения не изменяется при всех значениях момента турбинного колеса и его частоте вращения. Это свидетельствует о том, что изменение внешней нагрузки не оказывает влияния на момент Мн, а значит, и на нагрузку дизеля. Если же момент насосного колеса изменяется с изменением момента турбинного колеса, то характеристика гидротрансформатора называется прозрачной (штриховые линии). Различают прямую прозрачность гидротрансформатора, если с уменьшением Мт уменьшается также и Мнпр, и обратную прозрачность, если с уменьшением Мт растет Мноб.

В тепловозных гидропередачах применяют непрозрачные или близкие к ним гидротрансформаторы, так как они обеспечивают постоянный режим работы дизеля при изменении сопротивления движению поезда.

Из характеристики гидротрансформатора (см. рис. 4, б) видно, что отдельно взятый гидротрансформатор не отвечает требованиям, предъявляемым к тепловозной передаче. Если при трогании и разгоне турбинного колеса к. п. д. гидротрансформатора низкий, то этот

Комплексный гидротрансформатор

Рис. 6. Комплексный гидротрансформатор:

а — схема гидротрансформатора; 1 — насосное колесо; 2, 3 — ступени направляющего аппарата; 4 — неподвижный вал; 5 — турбинное колесо; 6 — автологи; 6 — схема автолога; 1 — внутренняя обойма; 2 — наружная обойма; 3 — лопатки направляющего аппарата; 4 — пружина; 5 — ролик недостаток окупается реализацией необходимых тяговых свойств. Такой режим составляет относительно небольшой период времени работы гидротрансформатора.

Режим высокой частоты вращения турбинного колеса, характеризуемый также низким к. п. д., неприемлем для длительной работы тепловоза. Поэтому гидротрансформаторы применяются в качестве ступеней скорости гидропередачи.

Скоростной диапазон работы каждой ступени определяется по передаточным отношениям гидротрансформатора, при которых его к. п. д. не ниже 80%.

Комплексные гидротрансформаторы. Стремление реализовать положительные свойства гидротрансформатора и гидромуфты в одном гидроаппарате привело к созданию комплексных гидротрансформаторов.

Комплексный гидротрансформатор представляет собой устройство, обеспечивающее автоматический переход с режима гидротрансформатора на режим гидромуфты и наоборот в зависимости от условий работы.

Особенностью конструкции комплексного гидротрансформатора (рис. 6, а) является то, что его направляющий аппарат, выполненный в виде одного или двух рядом стоящих лопастных колес, укрепляется на неподвижном валу с помощью муфт свободного хода, называемых автологами. Муфты свободного хода представляют собой различного рода храповой механизм. В тепловозных гидротрансформаторах применяют роликовые муфты свободного хода (рис. 6, б). Неподвижная, жестко закрепленная внутренняя обойма 1 охватывается наружной обоймой 2, которая связана жестко с направляющим аппаратом 3. Наружная обойма имеет пазы с наклонными плоскостями; между внутренней обоймой 1 и наклонными плоскостями обоймы 2 установлены ролики 5, которые поджимаются пружинами 4. В зависимости от изменения направления потока масла, прошедшего через турбинное колесо, и, следовательно, от того, с какой стороны лопатки направляющего аппарата давит поток масла, направляющий аппарат либо вращается, либо стоит на месте.

Полное заклинивание обеих ступеней направляющего аппарата происходит при работе гидротрансформатора с малыми передаточными отношениями —, когда направление абсолютной скорости выходи да жидкости из турбинного колеса таково, что обе ступени направляющего аппарата отжимаются потоком в сторону, противоположную направлению вращения турбинного колеса. Колеса направляющего аппарата заклиниваются роликами муфты свободного хода, и тем самым обеспечивается режим работы гидротрансформатора. На характеристике гидротрансформатора (рис. 7) этому режиму соответствует участок 1 кривых изменения моментов и к. п. д.

По мере увеличения передаточного отношения, что соответствует разгону тепловоза, изменяется направление абсолютной скорости выхода жидкости из турбинного колеса. При определенном передаточном отношении воздействие потока на лопатки направляющего аппарата совпадет с направлением его возможного вращения на муфтах свободного хода.

При дальнейшем увеличении передаточного отношения колесо направляющего аппарата первой ступени начинает вращаться в одну сторону вместе с турбиной, а гидротрансформатор переходит на работу с одной неподвижной ступенью направляющего аппарата. Этому режиму соответствует участок II его характеристики, на котором к. п. д. возрастает, а момент Мт изменяется более плавно, чем на первом режиме.

Когда передаточное отношение становится равным ( —) , направ-

\/гн^2

ление скорости выхода жидкости из турбинного колеса совпадает с направлением выходных кромок лопаток второй ступени направляющего аппарата и давлением потока муфта свободного хода расклинивается, колесо направляющего аппарата начинает вращаться вместе с турбинным колесом. Гидротрансформатор переходит на режим гидромуфты.

На участке III его характеристики видно дальнейшее увеличение к. п. д. и снижение моментов Мт = Мя с ростом передаточного отношения.

Таким образом, последовательное автоматическое расклинивание двух ступеней направляющего аппарата, установлен

Характеристика комплексного гидротрансформатора

Рис. 7. Характеристика комплексного гидротрансформатора:

1 — при двух неподвижных ступенях направляющего аппарата; 2 — при одной неподвижной ступени; 3—»в режиме гидромуфты ных на муфтах свободного хода, позволяет реализовать в одном гидроаппарате три режима: два режима гидротрансформатора и режим гидромуфты. Каждому режиму соответствует определенный участок характеристики. Как видно на характеристике, диапазон работы гидротрансформатора с высоким к. п. д. за счет этого расширяется.

Комплексные гидротрансформаторы по сравнению с простыми имеют более сложную конструкцию. Надежность их в длительной эксплуатации снижается за счет трущихся элементов муфты свободного хода. В тепловозных гидропередачах комплексные гидротрансформаторы находят ограниченное применение.

От авторов | Ремонт гидравлических передач тепловозов | Конструктивные схемы гидравлических передач. Рабочие жидкости