§ 5.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ГЛАВНЫЕ СВОЙСТВА И СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

Многие исполнительные механизмы и машины действуют при изменяющихся нагрузках. В различных подъемниках, предназначенных для извлечения колонн труб или штанг из скважин, это вызвано изменением статических и динамических нагрузок, действующих на крюк полиспаста.

Двигатель, установленный для привода исполнительных механизмов, обычно мало приспособлен к переменным нагрузкам. Он рассчитан на определенную нагрузку, при которой работает наиболее эффективно. При отклонении значений внешнего крутящего момента, а следовательно, частоты вращения двигателя и его мощности от расчетных, двигатель работает на неэффективных режимах.

Для приспособления двигателя к изменяющимся условиям применяют трансмиссию, преобразующую крутящий момент, приводя его в соответствие с номинальным вращающим моментом двигателя.

КПД любой трансмиссии

где Mi, M₂- крутящие моменты; n₁, п₂ - частоты вращения валов. Индекс «1» относится к входному валу, индекс «2» - к выходному валу трансмиссии. Отношение i = п₂/n₁ называется передаточным отношением трансмиссии, а K = M₂/M₁- коэффициентом трансформации крутящего момента. Следовательно,

Рис. 5.1. Схема и характеристика трансмиссии

На любую трансмиссию действуют три крутящих момента (рис.

M₁-M₂ + M₃ = 0. (5.2)

Трансмиссия, не имеющая внешней опоры (M₃= 0),называется муфтой. Независимо от устройства во всех муфтах (электрической, фрикционной, гидравлической и др.)

Mi = M₂, K = 1; η = i (5.3)

Для трансмиссии - трансформатора, преобразующей крутящий момент, внешняя опора обязательна.

Чтобы нагружать двигатель строго постоянным крутящим моментом M₁при всех изменениях нагрузки на вторичном валу, трансмиссия должна располагать любым передаточным отношением, т. е. быть бесступенчатой. Характеристика такой транс­миссии с постоянным к. п. д. (η < 1)представляется, согласно формуле (5.1), равносторонней гиперболой (рис. 5.1, б). При заданном значенииM₁этот график позволяет определить необходимое передаточное отношение по моменту выходного звена M2.

В механической передаче (зубчатой, цепной, ременной и пр.) обычно имеется всего несколько ступеней. Им соответствует ряд значений передаточного отношения i₁,i'₂, i₃, ..., i_nс определенными, зависящими от к. п. д., коэффициентами трансформации K₁,K₂, K₃,..., K_n(см. рис. 5.1, б). При включении некоторой ступени (i = idem) значение К зафиксировано, так что любому изменению момента выходного звена отвечает соответствующее изменение вращающего момента двигателя. Чтобы обеспечить постоянство нагрузки на двигатель, требуется переключить передачу на другую ступень,

причем ввиду дискретности ряда значений iподходящего значения К может и не оказаться.

Гидродинамическая передача представляет собой комбинацию двух динамических машин - лопастного насоса и турбины, объединенных в круге циркуляции жидкости (рис. 5.2, а). Вал насоса является входным валом трансмиссии, а вал турбины - выходным валом.

Рис. 7.2. Схемы гидродинамических передач:

а - насос и турбина; б - гидротрансформатор; в - гидромуфта; Н - насосное колесо;

Т - турбинное колесо; Р - реактор; 1 - вал входного звена; 2- вал выходного звена:

D- активный диаметр

При этом их неподвижные венцы лопастей объединены в одном лопастном колесе, называемом реактором, а необходимость в трубопроводах отпадает. Реактор может быть расположен не обязательно на выходе из насоса, но и на выходе из турбины (рис. 5.2, б). При отсутствии реактора и, следовательно, опорного момента, передача является гидродинамической муфтой (рис. 5.2, в).

Главные свойства гидродинамической передачи: 1) бесступенчатость,

2) автоматическое изменение передаточного отношения в зависимости от момента сил сопротивления на выходном валу; 3) при всех изменениях этого момента крутящий момент на валу двигателя может оставаться постоянным или изменяться в заданном диапазоне; 4) зависимость к. п. д. в значительной степени (от нуля до максимума в оптимальном режиме) от передаточного отношения.

Гидродинамический трансформатор обеспечивает:

повышение срока службы двигателя, ибо он может работать в одном выгодном режиме и предохраняется от перегрузки;

предохранение от перегрузки также механизмов трансмиссии и рабочих органов машины;

демпфирование крутильных колебаний, возникающих на одном из валов передачи;

улучшение пусковых свойств машин, позволяя приводить их в движение под нагрузкой;

получение «ползучих» скоростей вторичного вала и автоматического перехода на режим торможения, что удобно при спуско - подъемных операциях;

облегчение труда бурильщика (оператора и др.).

Гидромуфта выполняет указанные функции частично, поскольку преобразования крутящего момента в ней не происходит.

С применением гидропередач и упрощением механической части трансмиссии масса многих машин снижается.

К недостаткам гидродинамических передач относятся:

более низкий КПД гидротрансформаторов (0,80 - 0,83 на оптимальном режиме по сравнению с КПД механической передачи 0,93 - 0,97); гидромуфты имеют максимальный КПД 0,97 - 0,98, но не трансформируют крутящий момент; КПД гидродинамической передачи снижается, если режим ее работы отличается от оптимального;

высокая стоимость по сравнению с механическими передачами; необходимость систем питания и охлаждения.

Гидродинамические передачи не вытесняют механические передачи, а дополняют их там, где это выгодно.