ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МУФТА
HYDROMECHANICAL CLUTCH

Изобретение относится к машиностроению, в частности к предохранительным упруго-демпфирующим муфтам для передачи вращения, и может быть использовано в приводах тяжелонагруженного технологического оборудования.
Известна гидромеханическая муфта по патенту РФ №2186270, содержащая две полумуфты кинематически связанные посредством передаточного механизма и гидроцилиндра, поршневая полость которого гидравлически соединена с гидродемпфером и гидроаккумулятором через управляемый гидрораспределитель.
К основному недостатку этой муфты можно отнести сложность балансировки ее, особенно на высоких частотах вращения, из-за радиального смещения элементов передаточного механизма.
За прототип выбрана гидромеханическая муфта по патенту РФ на полезную модель №104264 от 10.05.2011 года, F16D 31/00, содержащая две полумуфты, кинематически связанные посредством передаточного механизма, который выполнен в виде дифференциальной передачи винт-гайка и гидроцилиндра, поршневая полость которого гидравлически соединена с гидродемпфером и гидроаккумулятором через управляемый гидрораспределитель, с системой управления по моменту на муфте, причем гидросистема выполнена неподвижной, а резьба в передаче винт-гайка выполнена несамотормозящейся.
Эта муфта обладает предохранительной функцией и возможностью автоматического (или по команде оператора) восстановления после срабатывания. Муфта обеспечивает упругое демпфирование импульсных перегрузок в небольшом диапазоне, определяемом длиной винта и объемом гидродемпфера.
К недостаткам прототипа можно отнести ограниченный угол относительного вращения полумуфт в режиме упругого демпфирования и возникновение ударных нагрузок в шлицевом соединении элементов муфты при размыкании и восстановлении.
Целью изобретения является увеличение угла относительного закручивания полумуфт, исключение удара в элементах муфты при размыкании и восстановлении ее.
Указанная цель достигается тем, что в гидромеханической муфте, содержащей две полумуфты, кинематически связанные посредством дифференциального передаточного механизма и гидромашины, которая гидравлически связана с гидродемпфером посредством управляемого гидрораспределителя с системой управления по моменту на муфте, причем гидросистема выполнена неподвижной, согласно изобретению передаточный механизм выполнен дифференциальным планетарным, а в качестве гидромашины используется обращаемый гидравлический насос-мотор, который связан с одной из степеней свободы передаточного механизма, а второй выход гидрораспределителя связан со сливом.
Выполнение передаточного механизма планетарным позволяет увеличивать угол относительного закручивания полумуфт при упругом демпфировании практически до бесконечности, так как угол относительного закручивания полумуфт не будет зависеть от параметров передаточного механизма. Кроме того, за счет того, что при срабатывании и восстановлении не происходит кинематического размыкания и замыкания шлицевого соединения, что исключает удары в элементах муфты при размыкании и восстановлении ее, при этом повышается надежность и долговечность работы муфты по сравнению с прототипом.
Большой угол относительного вращения полумуфт может обеспечить в ряде случаев разгон высоко инерционной технологической машины до рабочих параметров без привлечения дополнительного привода, то есть у муфты появляется новая функция - она может работать как муфта включения.
Кроме того, согласно изобретению гидродемпфер может быть выполнен гидромеханическим или гидрогазовым. В последнем случае возможности управления рабочими параметрами муфты могут быть существенно расширены за счет изменения давления газа в гидрогазовом демпфере при настройке муфти и даже в процессе работы муфты.
Кроме того, согласно изобретению в линии между гидромашиной и гидродемпфером установлен дроссель, причем степень дросселирования можно регулировать. Такое техническое решение позволяет изменять демпфирующие свойства муфты при наладке и в процессе ее работы.
Параллельно дросселю может быть установлен обратный клапан с возможностью перетекания рабочей жидкости из гидродемпфера в гидромашину, что позволяет уменьшить время возврата полумуфт в равновесное рабочее состояние после снижения импульсной кратковременной пиковой нагрузки до номинальной. Это особенно важно в тех случаях, когда пиковые нагрузки могут следовать небольшой серией. Тогда замедление возврата полумуфт в рабочее положение может привести к наложению относительных поворотов полумуфт (за счет временной задержки), что может привести к «ложному» срабатыванию муфты. Введение обратного клапана параллельно дросселю такое развитие событий исключает.
Кроме того, согласно изобретению в сливной линии за гидрораспределителем может быть установлен дроссель, причем степень дросселирования можно регулировать при наладке и в процессе работы муфты. Такое техническое решение позволяет исключить или существенно снизить параметры гидроударов в гидросистеме муфты при срабатывании гидрораспределителя.
Кроме того, согласно изобретению гидравлический мотор-насос может быть выполнен управляемым. Такое техническое решение дает дополнительные возможности управлять переходными процессами технологической машины (например, осуществлять разгон технологической машины до рабочих параметров без дополнительного электропривода), выбирая наиболее рациональные параметры муфты для разных этапов работы или при изменяющихся условиях работы технологической машины.
На фиг.1 изображена принципиальная схема гидромеханической муфты; на фиг.2 - дифференциальный планетарный передаточный механизм гидромеханической муфты; на фиг.3 - принципиальная схема гидромеханической муфты с электронными элементами системы управления.
Гидромеханическая муфта содержит ведущую 1 (фиг.1) и ведомую 2 полумуфты, которые через дифференциальный планетарный передаточный механизм 3 кинематически связаны посредством гидромашины 4, которая выполнена в виде обращаемого гидравлического насоса-мотора. Гидромашина 4 гидравлически связана попеременно с гидродемпфером 5 и сливом 6 через управляемый гидрораспределитель 7. При этом гидравлическая полость управления рабочим ходом золотника гидрораспределителя 7 гидравлически связана с напорной линией 8 гидромашины 4 через систему управления по моменту на муфте, которая может быть выполнена в виде регулируемого предохранительного клапана 9 с возможностью срабатывания при заданном давлении в напорной линии 8 гидромашины 4, которое, в свою очередь, определяется моментом на муфте. Подвижный элемент гидрораспределителя 7 при срабатывании муфты стопорится механизмом фиксации 10 и может быть возвращен в исходное положение упругим элементом 11. В линии, связывающей управляющую полость предохранительного клапана 9 с гидромашиной 4, установлен дроссель 12 для предотвращения ложных срабатываний муфты при кратковременных ударных нагрузках со стороны технологической машины. Параллельно предохранительному клапану 9 установлен обратный клапан 13, который позволяет обеспечить перетекание рабочей жидкости из полости управления золотником гидрораспределителя 7, при расфиксации 10, в гидросистему при закрытом клапане 9, в процессе восстановления муфты.
В линии, связывающей гидродемпфер 5 с гидрораспределителем 7, установлен дроссель 14. Этот дроссель обеспечивает временную задержку перетекания рабочей жидкости из гидромашины 4 в гидродемпфер 5, он также рассеивает часть энергии пиковых нагрузок на привод, что позволяет более эффективно демпфировать пиковые кратковременные нагрузки и обеспечить более быстрое затухание колебательных процессов в муфте.
Кроме того, параллельно дросселю 14 может быть установлен обратный клапан 15 с возможностью быстрого перетекания рабочей жидкости из гидродемпфера 5 в гидромашину 4, что позволяет уменьшить время возврата полумуфт в равновесное рабочее состояние после снижения импульсной кратковременной пиковой нагрузки до номинальной. Это особенно важно в тех случаях, когда пиковые нагрузки могут следовать небольшой серией. Тогда замедление возврата полумуфт в рабочее положение может привести к наложению относительных поворотов полумуфт (за счет временной задержки), что также может привести к «ложному» срабатыванию муфты. Введение обратного клапана 15 параллельно дросселю 14 такое развитие событий исключает.
При срабатывании гидрораспределителя 7 магистрали 8 и 16 связывают гидромашину 4 со сливом 6.
Передаточный механизм 3 выполнен в виде дифференциального планетарного механизма (фиг.2), который включает солнечное колесо 17, связанное с ведущей полумуфтой 1, сателлиты 18, связанные через водило 19 с ведомой полумуфтой 2, и коронное колесо 20, установленное в подшипниковом узле 21 и связанное с гидромашиной 4 посредством внешнего венца и шестерни 22.
Муфта работает следующим образом. На установившемся режиме работы технологической машины момент от ведущей полумуфты 1 через солнечное колесо 17 (фиг.2) передается через сателлиты 18 на водило 19, связанное с ведомой полумуфтой 2. В этом состоянии подвижный элемент золотникового гидрораспределителя 7 находится в нижнем положении (на фиг.1), что обеспечивает гидравлическую связь напорной линии гидромашины 4 с гидродемпфером 5. При этом коронное колесо 20 удерживается от поворота шестерней 22, связанной с гидромашиной 4, вал которой не вращается, так как давление в гидромашине 4 равно давлению в гидродемпфере 5.
При возрастании момента на полумуфте 2 коронное колесо 18 проворачивается, и гидромашина 4, демпфируя нагрузку, начинает работать в режиме насоса, закачивая жидкость через дроссель 14 в гидродемпфер 5, до тех пор, пока давление в гидромашине 4 не уравновесится давлением в гидродемпфере. При этом накапливается в гидродемпфере 5 часть энергии.
В случае снижения момента на полумуфте 2 гидромашина 4 начинает работать в режиме мотора, проворачивая коронное колесо 18 в обратную сторону и возвращая энергию, накопленную в гидродемпфере 5, в привод до тех пор, пока не установится равновесное состояние. Ускоренное возвращение жидкости в гидромашину 4 обеспечивается обратным клапаном 15.
При этом в линии 8 создается давление пропорциональное передаваемому моменту.
При кратковременном (ударном) возрастании рабочей нагрузки выше допустимой, возрастает давление в напорной линии 8, но дроссель 12 создает определенную задержку времени срабатывания предохранительного клапана 9. Часть жидкости при этом перетекает в гидродемпфер 5, сжимая в нем рабочее тело. При этом из-за гидравлических сопротивлений в системе и в дросселе 14 происходит рассеивание части энергии и затухание возможного колебательного процесса. Это позволяет исключить «ложное» срабатывание муфты.
Если момент на муфте превышает допустимый достаточно продолжительное время, то растет давление в напорной магистрали 8 и срабатывает предохранительный клапан 9. Высокое давление из гидромашины 4 подается в полость под золотником гидрораспределителя 7, что обеспечивает смещение вверх золотника. При этом сжимается упругий элемент 11 и срабатывает фиксатор 10. Рабочая жидкость из гидромашины 4 поступает на слив 6 по магистрали 16, резко падает давление в гидросистеме и гидромашина 4 не удерживает коронное колесо 20 дифференциального передаточного механизма 3. Гидромашина 4 работает в режиме холостого хода насоса, коронное колесо 20 вращается, что обеспечивает остановку полумуфты 2, связанной с водилом 19. Это практически означает размыкание (срабатывание) предохранительной муфты.
После снижения нагрузки до допустимой величины или после устранения причины перегрузки привода автоматически или по команде оператора открывается фиксатор 10, упругий элемент 11 возвращает золотник гидрораспределителя 7 в исходное положение, вытесняя рабочую жидкость через обратный клапан 13 в гидросистему. Гидродемпфер 5 соединяется с гидромашиной 4, которая, работая как гидромотор, проворачивает коронное колесо 20, и муфта приходит в исходное состояние, то есть самовосстанавливается.
Вариант гидросхемы муфты на фиг.3 отличается от вышеописанного на фиг.1 тем, что система управления по моменту на муфте 23 выполнена на электронной базе с электромеханическими исполнительными элементами, а в линии слива 16 установлен управляемый дроссель 24 и может быть добавлена система изменения начального давления в газовой полости гидродемпфера 5. Система 23 получает данные о текущем давлении в гидросистеме с датчиков давления: 25 - в магистрали 8, которое пропорционально моменту на муфте; 26 - в магистрали 16, которое позволяет оценить работу дросселя 24; 27 - в газовой полости демпфера 5, которое позволяет оценить возможности демпфирования аварийных нагрузок. Система управления 23 осуществляет управление гидрораспределителем 7, открытие и закрытие вентилей 28 и 30, при помощи которых можно осуществлять изменение давления в газовой полости гидродемпфера (сброс давления через вентиль 30, подкачка через вентиль 28 от источника газа высокого давления 29), а также управление степенью дросселирования дросселей 14, 24 и производительностью мотор-насоса 4.
Управляемый дроссель 24 необходим для исключения гидроударов в гидросистеме муфты при ударных изменениях нагрузки, а также при срабатывании гидрораспределителя 7.
Остальные элементы и работа этой муфты аналогичны вышеописанной на фиг.1.