Гидромеханическая муфта
HYDROMECHANICAL CLUTCH

Изобретение относится к машиностроению, в частности к предохранительным упруго-демпфирующим муфтам для передачи вращения, и может быть использовано в приводах тяжело нагруженного технологического оборудования и в составе транспортных средств, работающих в тяжелых условиях.
Известна планетарная муфта сцепления по патенту РФ №2422297 от 2010 года, В60K 17/10, F15B 1/02, В60K 23/00, F16D 43/28, содержащая связанный с двигателем планетарный редуктор, пневмогидравлический аккумулятор, гидронасос, механически связанный с солнечной шестерней редуктора, и гидронасос, кинематически связанный с коронной шестерней, гидрораспределитель.
К основному недостатку этой муфты можно отнести отсутствие функции предохранения привода от перегрузок и большие радиальные габаритные размеры.
За прототип выбрана гидромеханическая муфта по патенту РФ на изобретение №2536035 от 2012 года, F16D 25/06, F16D 3/34, F16D 31/00, содержащая две полумуфты, кинематически связанные посредством дифференциального планетарного передаточного механизма и обращаемого гидравлического насоса, связанного с одной из степеней свободы передаточного механизма и гидравлически соединенного с гидродемпфером и сливной емкостью через управляемый гидрораспределитель, с системой управления по моменту на муфте. Эта муфта обладает предохранительной функцией и возможностью автоматического (или по команде оператора) восстановления после срабатывания. Муфта также обеспечивает упругое демпфирование импульсных нагрузок в диапазоне, определяемом объемом гидродемпфера. Кроме того, гидродемпфер накапливает энергию (выполняет роль гидроаккумулятора), что позволяет накопленную электроэнергию вернуть в систему.
К основному недостатку прототипа можно отнести возникновение гидроудара в процессе восстановления муфты из-за большой разницы давлений в напорной линии гидромотора и в гидропневмодемпфере.
Целью изобретения является исключение гидроудара в гидросистеме при восстановлении муфты путем снижения давления в гидропневмодепфере при срабатывании.
Указанная цель достигается тем, что в гидромеханической муфте, содержащей две полумуфты, кинематически связанные посредством зубчатого дифференциального передаточного механизма и обращаемого гидравлического насоса, который связан с одной из степеней свободы передаточного механизма и гидравлически связан с гидродемпфером и сливом, с системой управления по моменту на муфте, согласно изобретению вводится управляемый кран, соединяющий напорную линию обращаемого гидравлического насоса и гидравлическую полость гидродемпфера со сливной емкостью.
Кроме того, согласно изобретению, передаточный механизм может быть выполнен в виде конического зубчатого дифференциала. Такое техническое решение позволяет существенно снизить габаритные размеры муфты.
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 изменяющихся условий работы механизма.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема гидромеханической муфты; на фиг. 2 и 3 - возможные варианты зубчатого конического дифференциального передаточного механизма.
Гидромеханическая муфта содержит ведущую 1 (фиг. 1) и ведомую 2 полумуфты, которые через дифференциальный передаточный механизм 3 кинематически связаны с обращаемым гидравлическим насосом (мотором-насосом) 4. Обращаемый гидронасос 4 гидравлически связан напорной линией 5 с гидродемпфером 6 и, через управляемый кран 7, связан со сливной емкостью 8. Управляемый кран 7 связан с системой управления 9 по моменту на муфте. Момент на муфте определяется давлением в напорной линии 5, которое измеряется манометром (датчиком давления) 10, сигнал с которого передается системе управления 9.
В линии, связывающей гидродемпфер 6 с обращаемым гидронасосом 4, установлен управляемый дроссель 11. Параллельно дросселю 11 установлен обратный клапан 12 с возможностью перетекания рабочей жидкости из гидродемпфера 6 в обращаемый гидронасос 4.
Система управления получает данные о текущем давлении в газовой полости гидродемпфера с манометра (датчика давления) 13, осуществляет управление открытием и закрытием вентилей 14 и 15, через которые осуществляется регулировка давления в газовой полости гидродемпфера (сброс через вентиль 14, подкачка через вентиль 15 от источника газа высокого давления 16).
Передаточный механизм может быть выполнен в виде конического дифференциала (фиг. 2, 3), который включает шестерню 17 (на фиг. 2 - коническую, на фиг. 3 - цилиндрическую), являющуюся элементом ведущей полумуфты 1 и входящую в зацепление с колесом 18 (на фиг. 2 - коническим, на фиг. 3 - цилиндрическим), являющимся водилом, закрепленным на неподвижном основании посредством подшипникового узла 19 и связанным с сателлитами 20, входящими в зацепление с коническим колесом 21, связанным с валом ведомой полумуфты 2, и коническим колесом 22, связанным с обращаемым гидронасосом 4. Конические колеса 21 и 22 закреплены на неподвижном основании посредством подшипниковых узлов 23.
Муфта работает следующим образом.
На установившемся режиме работы технологической машины момент от ведущей полумуфты 1 через коническую шестерню 17 (фиг. 2, 3), водило 18, сателлиты 20 и колесо 21 передается на ведомую полумуфту 2. При этом колесо 22 удерживается от поворота обращаемым гидронасосом 4, т.к. момент, действующий на обращаемый гидронасос со стороны передаточного механизма, уравновешивается моментом, который создает давление в напорной линии 5, связанной с гидродемпфером 6. В этом состоянии управляемый кран 7 закрыт.
При возрастании момента на полумуфте 2 коническое колесо 22 проворачивается, и обращаемый гидронасос 4, демпфируя нагрузку, начинает работать в режиме насоса, закачивая жидкость через дроссель 11 в гидродемпфер 6, до тех пор, пока давление в обращаемом гидронасосе 4 не уравновесится давлением в гидродемпфере 6. При этом накапливается в гидродемпфере 6 часть энергии. Степень дросселирования в дросселе 11 можно регулировать, что позволяет изменять демпфирующие свойства муфты при наладке и в процессе ее работы.
В случае снижения момента на полумуфте 2, обращаемый гидронасос 4 начинает работать в режиме мотора, проворачивая колесо 22 в обратную сторону и возвращая энергию, накопленную в гидродемпфере 6, в привод до тех пор, пока не установится равновесное состояние. Ускоренное возвращение жидкости в обращаемый гидронасос 4 обеспечивается обратным клапаном 12. При этом в линии 5 создается давление пропорциональное передаваемому моменту.
При кратковременном (ударном) возрастании рабочей нагрузки, выше допустимой, возрастает давление в напорной линии 5, но дроссель 11 создает определенную задержку времени перетекания части жидкости в гидродемпфер 6, сжимающей в нем рабочее тело. При этом из-за гидравлических сопротивлений в системе и в дросселе 11 происходит рассеивание части энергии и быстрое затухание возможного колебательного процесса. Кроме того, дроссель 11 обеспечивает временную задержку перетекания рабочей жидкости из обращаемого гидронасоса 4 в гидродемпфер 6, что увеличивает время срабатывания муфты, не перегружая привод, и позволяет исключить «ложное» срабатывание муфты. Быстрый возврат жидкости из гидродемпфера 6 осуществляется через обратный клапан 12, 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 12 параллельно дросселю 11 такое развитие событий исключает.
Если момент на муфте превышает допустимый достаточно продолжительное время, то растет давление в напорной магистрали 5, и система управления 9 открывает управляемый кран 7. При этом рабочая жидкость из обращаемого гидронасоса 4 и гидродемпфера 6 поступает в сливную емкость 8, резко падает давление в гидросистеме и обращаемый гидронасос 4 не удерживает коническое колесо 22 дифференциального передаточного механизма 3. Обращаемый гидронасос 4 работает в режиме холостого хода насоса, коническое колесо 22 вращается свободно, что обеспечивает остановку конического колеса 21, связанного с валом полумуфты 2 и находящегося под нагрузкой. Это практически означает размыкание (срабатывание) предохранительной муфты.
После снижения нагрузки до допустимой величины или после устранения причины перегрузки привода, автоматически или по команде оператора закрывается управляемый кран 7, муфта приходит в исходное состояние, то есть самовосстанавливается.
Необходимо заметить, что предлагаемая гидромеханическая муфта обладает пускозащитной функцией. При пуске двигателя управляемый кран 7 может быть закрыт. В этом случае обращаемый гидронасос 4 работает в режиме насоса, накачивая в гидродемпфер 6 жидкость до тех пор, пока давление в напорной линии 5 не станет пропорциональным моменту, необходимому для преодоления инерционности механизма, момента страгивания и начала движения вала 2. Далее нагрузочный момент снижается до номинального значения, давление в напорной магистрали 5 снижается до значения, пропорционального номинальному моменту, приводя систему к установившемуся режиму работы. При этом обращаемый гидронасос 6 работает в режиме гидромотора, отдавая часть энергии, накопленной при пуске в систему. Этим обеспечивается более плавная загрузка электродвигателя в режиме пуска.
В тяжело нагруженных машинах целесообразно электродвигатель запускать на холостом ходу, тогда управляемый кран 7 может быть открыт. В этом случае обращаемый гидронасос 4 работает в режиме насоса, а жидкость свободно циркулирует, перетекая в сливную емкость 8 до тех пор, пока не завершится пусковой режим электродвигателя. Все это время вал 2 остается неподвижным. Далее управляемый кран 7 закрывается и происходит процесс аналогичный первому случаю.
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.