ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ С МУФТАМИ И ТОРМОЗАМИ СКОЛЬЖЕНИЯ
НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕДАЧ И ИХ РАЗНОВИДНОСТИ
Основным недостатком приводов с муфтами скольжения, используемых в качестве регулируемых, является снижение их энергетических показателей при уменьшении частоты вращения. Передаваемая мощность и КПД муфты при регулировании изменяются практически пропорционально частоте вращения. Отклонения от этой пропорциональности в сторону ухудшения энергетических показателей-вызывают добавочные потери в муфтах, которые обычно бывают незначительными по сравнению с потерями скольжения (см. § 6.8).
В целях улучшения энергетических показателей приводов с муфтами делались многочисленные попытки создания на основе муфт различного рода редукционно-реверсивных передач. Среди них можно отметить разнообразные конструкции так называемых каскадных муфт, представляющих собой объединение в одном корпусе машин переменного тока, работающих в режимах генератора и двигателя. Каскадные муфты не получили распространения из-за большой сложности и громоздкости конструкций, содержащих несколько концентрических якорей с обмотками переменного тока. В большинстве случаев эти устройства не обеспечивали желаемого повышения энергетических показателей из-за значительных потерь мощности в составляющих их частях и имели плохие регулировочные свойства.
Так как муфты скольжения имеют ухудшенные энергетические показатели в нижней час и диапазона регулирования, то в ряде случаев может оказаться целесообразным применение комбинированных приводов, содержащих кроме муфт различные механические передачи, обеспечивающие ступенчатое изменение режима работы и энергетических показателей на отдельных участках диапазона регулирования. Такие электромеханические передачи содержат обычно муфты с массивным якорем, не имеющим обмоток, поэтому сравнительно просты по конструкции и надежны в эксплуатации.
По своим свойствам, параметрам и характеристикам передачи могут быть разделены на две основные разновидности:
- передачи, в которых при всех режимах работы вращающие моменты на ведущем и ведомом валах практически одинаковы;
- редукционные передачи, обеспечивающие в некоторой части диапазона регулирования определенное соотношение моментов на ведущем и ведомом валах [1].
По конструктивному исполнению электромеханические передачи могут быть с параллельным соединением муфт и с механическим дифференциалом. Те и другие передачи по своим свойствам могут относиться к редукционным передачам или работать без редуцирования вращающего момента.
В описанных ранее системах с муфтой и тормозом скольжения (см. § 2.3, 6.11) моменты на ведущем и ведомом валах неравны, однако в них обеспечивается лишь снижение выходного момента за счет потерь в тормозе, поэтому данные системы не отнесены к электромеханическим передачам и далее не рассматриваются.
На рис. 12.1 приведены некоторые конструктивные схемы передач с параллельным соединением муфт. В схеме рис. 12.1, а приводной двигатель 1 с помощью зубчатого редуктора вращает ведущие якоря муфт 2, ведомые якоря которых через второй редуктор приводят ведомый вал 3 передачи.
Отличие схемы рис. 12.1, б от схемы рис. 12.1, а состоит в том, что в ней использованы два приводных двигателя 1 и исключен редуктор на входе муфт 2.
Схема рис. 12.1, в содержит приводной двигатель 1 с двумя свободными концами валов, от которых ременными передачами приводятся ведущие якоря муфт 2, имеющих один общий ведомый якорь на выходном валу 3 передачи. Как и в предыдущей схеме, здесь также могут быть использованы два приводных двигателя.
В схеме рис. 12.1, г двигатели 1 встроены в общий корпус передачи и их роторы закреплены на полых валах ведущих якорей муфт 2, а один общий ведомый якорь обеих муфт посажен на ведомый вал 3 передачи. Хотя схема рис. 12.1, г не содержит механических передач, по принципу работы она равноценна схеме рис. 12.1, в.
В схемах рис. 12.1, а и б ведущие якоря муфт могут иметь одинаковые и различные частоты вращения, а передаточные отношения с ведомых якорей на выходной вал также могут быть разными.
Рис. 12.1. Конструктивные схемы передач с параллельным соединением муфт
В схемах рис. 12.1, в и г, имеющих один общий ведомый якорь муфт, частоты вращения ведущих якорей устанавливаются разными, так как при их равенстве передача превращается в обычную муфту и ее применение теряет смысл.
Использование рассмотренных передач в приводах позволяет в нижней части диапазона регулирования использовать более тихоходную муфту, работающую с меньшими скольжениями и более высоким КПД.
В передачах с редуктором между муфтами и выходным валом (рис. 12.1, а и б) могут использоваться только быстроходные муфты, а работа в нижней части диапазона регулирования — осуществляться включением муфты с более высоким передаточным отношением на выходной вал.
Системы с редуктором между муфтами и выходным валом (рис. 12.1, а, б), передаточное отношение которого отличается от единицы, являются редукционными, а системы, в которых ведомые части муфт соединены непосредственно с ведомым валом (рис. 12.1, в, г) или через редуктор с передаточным отношением, равным единице, имеют одинаковые моменты на ведущем и ведомом валах.
Рис. 12.2. Конструктивные схемы передач с механическим дифференциалом
Конструктивные схемы электромеханических передач с механическим дифференциалом показаны на рис. 12.2. Схема рис. 12.2, а [14] содержит бесконтактную муфту с индуктором 6, якорем 7, неподвижным магнитопроводом 8 и обмоткой 9 и механический дифференциал с сателлитами 3 и центральными зубчатыми колесами 2 и 4.
Ведущий вал 5 передачи соединен с якорем 7 муфты и центральным колесом 4 дифференциала, индуктор 6 муфты — с центральным колесом 2, а водило сателлитов 3 закреплено на ведомом валу 1 передачи.
При отсутствии тока в обмотке 9 и вращении двигателем вала 5 нагруженный рабочим механизмом вал 1 остается неподвижным, а индуктор 6 вращается с угловой скоростью якоря 7 в сторону, противоположную направлению вращения вала 5. Относительная угловая скорость индуктора и якоря муфты вдвое больше их абсолютных угловых скоростей, и скольжение равно двум.
При подаче питания в обмотку муфты электромагнитный вращающий момент уменьшает скольжение и снижает угловую скорость индуктора 6, вследствие чего ведомый вал 1 приходит во вращение с угловой скоростью
(12.1)
где ω0 — угловая скорость ведущего вала, его центрального колеса и якоря муфты; ωм — угловая скорость индуктора и его центрального колеса.
При определенных значениях тока возбуждения и момента нагрузки абсолютная угловая скорость ωм индуктора становится равной нулю, скольжение муфты — единице, а угловая скорость выходного вала — половине угловой скорости входного вала. Далее с уменьшением скольжения индуктор меняет направление вращения и значение ωм становится положительным, что приводит к дальнейшему росту со. В условиях идеализированного холостого хода s=0, ω=ω0 = ωм и работа передачи практически не отличается от режима простой муфты скольжения.
Данная передача является двухпоточной, поскольку одна часть мощности двигателя передается непосредственно на центральное колесо 4, вторая часть — через муфту на центральное колесо 2, а на водиле обе части мощности суммируются. Так как через муфту, являющуюся регулируемым элементом, передается только часть полной мощности, то ее размеры и необходимый вращающий момент снижаются по сравнению с размерами и моментом простых муфт. При использовании показанного на схеме дифференциала с коническими зубчатыми колесами через муфту передается половина мощности передачи. Дополнительное уменьшение необходимых размеров муфты обеспечивается ее работой при удвоенных значениях скольжения по сравнению с теми же режимами простой муфты, что смещает рабочие точки на механических характеристиках в сторону увеличения моментов.
Рассмотренная передача не является редукционной и не обеспечивает повышения энергетических показателей по сравнению с показателями простой муфты. Передаваемая от двигателя мощность разветвляется на два потока, которые затем соединяются на ведомом валу, вследствие чего моменты на валах передачи (без учета потерь трения) одинаковы и КПД определяется отношением угловых скоростей валов. Равенство, входного и выходного моментов передачи следует также из уравнения равновесия моментов, поскольку в системе отсутствует силовое взаимодействие каких-либо элементов с неподвижными частями.
При выполнении дифференциала внутри ротора муфты (рис. 12.2, а) габаритные размеры передачи могут быть значительно снижены по сравнению с размерами в простой муфте скольжения, но конструкция усложняется и затрудняется охлаждение, так как на всех режимах работы скольжения муфты и потери в якоре возрастают вдвое.
На схеме рис. 12.2, б показана передача, обеспечивающая в нижней части диапазона регулирования редуцирование момента и увеличение передаваемой мощности и КПД [66]. Данная система, кроме муфты и механического дифференциала, содержит электромагнитный тормоз скольжения с обмоткой 10, неподвижным магнитопроводом 11 и ротором 12. Приводной двигатель вращает ведущий (входной) вал 5 с закрепленными на нем якорем 7 муфты и центральным колесом 4. При отсутствии тока в обмотках возбуждения нагруженный рабочим механизмом ведомый (выходной) вал 1 с закрепленными на нем индуктором 6 муфты и водилом сателлитов 3 неподвижны, а ротор 12 тормоза с центральным колесом 2 вращаются с угловой скоростью вала 5 в сторону, противоположную направлению вращения двигателя. При подаче питания на обмотку 10 ротор 12 тормозится и его угловая скорость снижается, а ведомый вал 1 начинает вращаться в прямом направлении с угловой скоростью, определяемой выражением (12.1), где ωм = ωт — угловая скорость ротора тормоза. При этом вращающий момент на выходном валу передачи равен
Мвых=Мвх+Мт, (12.2)
где Мвх — момент на входном валу передачи; Мт — момент тормоза.
При коническом дифференциале Мвх=Мт и передача обеспечивает в нижней половине диапазона регулирования удвоение вращающего момента. С приближением угловой скорости выходного вала к значению, равному половине скорости входного вала, скорость ротора тормоза и его скольжение стремятся к нулю, а КПД передачи — к единице. Так как в простой муфте при данном режиме КПД приближается к 0,5, то рассмотренная передача в нижней половине диапазона регулирования обеспечивает удвоение КПД и полезной выходной мощности.
Работа передачи в верхней половине диапазона регулирования происходит при включенной обмотке 9 муфты и отключенной обмотке 10 тормоза. При этом вращающий момент с ведущего вала 5 на ведомый вал 1 передается через роторы 6 и 7 муфты и водило дифференциала. В данном режиме все остальные элементы системы вращаются вхолостую и передача практически не отличается от простой муфты, работающей в диапазоне скольжений 0,5—0 при значениях КПД в пределах 0,5—1.
На схеме рис. 12.2, б показана передача, обеспечивающая в нижней части диапазона регулирования редуцированию с системой рис. 12.2,а или простой муфтой скольжения.
Передача по схеме рис. 12.2,в объединяет в себе элементы систем рис. 12.2,а и б [65]. В нижней части диапазона регулирования, когда включена обмотка 10 тормоза, система работает так же, как и система рис. 12.2,б, В отличие от нее индуктор 6 муфты через немагнитное кольцо соединен с ротором 12 тормоза и при включенной обмотке 9 муфты в верхней части диапазона регулирования передала работает, как система рис. 12.2,а, что позволяет уменьшить необходимый момент муфты и ее размеры. В отличие от системы рис. 12.2,а, в которой муфта работает в диапазоне скольжений 0—2, здесь этот диапазон находится в пределах 0—1, а при скольжениях 1—2 вместо муфты включается тормоз.
Если муфта системы рис. 12.2,б при работе в верхней части диапазона регулирования передает всю мощность системы, то в системе рис. 12.2,в через муфту проходит только часть этой мощности.
На схемах рис. 12.2 показаны дифференциалы с коническими зубчатыми колесами, при которых нижняя часть, диапазона регулирования составляет половину всего диапазона, а увеличение момента, КПД и мощности равно двум. В передачах могут применяться планетарные редукторы с цилиндрическими зубчатыми колесами и внутренним зацеплением одного из колес. Тогда приведенные соотношения меняются в ту или другую сторону в зависимости от кинематики передачи.
С уменьшением нижней части диапазона регулирования кратность момента, КПД и мощности в этой зоне возрастают, а при увеличении — снижаются.
ПЕРЕДАЧИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ МУФТ
Системы передач, в которых выходные валы параллельно включенных муфт соединены с ведомым валом передачи через редукторы (см. рис. 12.1,а, б), обеспечивают повышение вращающего момента, в системах без редукторов (рис. 12.1,в, г) моменты на ведущих и ведомых валах одинаковы.
Все виды передач с параллельным соединением муфт могут использоваться в различных режимах работы:
как двухступенчатые передачи, содержащие тихоходную и быстроходную муфты, работающие соответственно в нижней и верхней частях диапазона регулирования;
как реверсивные передачи, в которых направления вращения ведущих якорей муфт противоположны и реверс осуществляется включением той или другой муфты;
как системы муфты с тормозом, в которых одна из ведущих частей закрепляется неподвижно.
Передачи с несколькими муфтами, работающими через редукторы на один вал, использовались в дизельных гребных установках судов, где обеспечивали выполнение следующих задач: эластичное соединение дизеля с зубчатой передачей, сглаживающее толчки и крутильные колебания дизеля и создающее равномерное вращение винта; сглаживание резких изменений нагрузочного момента со стороны винта на дизель; предохранение двигателей, механической передачи и винта от перегрузок и больших механических напряжений; дистанционное управление работой гребной установки; упрощение монтажа гребной установки, обеспечиваемое возможностью некоторой несоосности ведущего и ведомого валов муфты, не вызывающей вибрации; возможность наблюдения за режимами работы дизелей путем измерения скольжений муфт, определяющих передаваемый момент; облегчение пуска дизелей вхолостую и их отключения и подключения на ходу без нарушения работы остальных двигателей; упрощение управления судном при использовании некоторых двигателей с муфтами для реверса; возможность использования части двигателей в оптимальных режимах с наилучшими энергетическими показателями.
Схема использования муфт в гребных установках близка к показанной на рис 12.1,6. Вместо двух электродвигателей устанавливаются четыре дизеля с муфтами, работающими через редукторы на один гребной вал. В таких установках используются явнополюсные муфты с шихтованным короткозамкнутым или фазным якорем, которые при номинальной нагрузке имеют малое скольжение и высокий КПД. Наличие опрокидывающего момента в характеристиках таких муфт обеспечивает надежное предохранение от перегрузок. Конструкции передач по схемам рис. 12.1,в, г описаны в [19].
