книги / Электромагнитные муфты скольжения
..pdfС увеличением размеров муфты возрастают площадь ее охлаждаемой поверхности и рассеиваемая мощность. По скольку вращающий момент и передаваемая мощность из меняются пропорционально активному диаметру якоря в третьей степени, а площадь его поверхности — лишь в пер вой степени, увеличение размеров и мощности муфт приво дит к ухудшению их охлаждения и уменьшению предель ного диапазона регулирования. Активная длина якоря при близительно одинаково влияет на площадь поверхности и мощность муфты, однако при увеличении длины ухудшается теплопереда ча в массиве якоря и уве личивается нагрев охлаж дающего воздуха при ак сиальной вентиляции. В муфтах с внешним яко рем и естественным ох лаждением повышение от ношения длины якоря к диаметру увеличивает рассеиваемую мощность.
Из-за большого разно образия конструкций вы пускаемых муфт и разли
чия допустимых температур их деталей значения рассеи ваемой мощности имеют заметный разброс. Средние значе ния рассеиваемой мощности приведены на рис. 11.1 в аб солютных и относительных единицах.
Кривые 1 получены для закрытых бесконтактных муфт
своздушным охлаждением, встроенными вентиляторами и аксиальным продувом, кривые 2 — для открытых муфт с внешним якорем, скользящим токопроводом и аксиальной вентиляцией внутренней активной поверхности якоря, а также для муфт с дисковым якорем. Снижение мощности Рт открытых муфт обусловлено увеличением воздушных зазоров.
Вабсолютных единицах кривые рассеиваемо-й мощности
сдостаточной точностью описываются аналитическим вы
ражением |
__ |
|
рт= |
с у р ;, |
(п.12) |
а в относительных |
|
|
P J P „= CIVK. |
( 11. ia) |
где с — коэффициент, зависящий от эффективности системы
221
охлаждения. Для кривых 1 (рис. 11.1) с=3,1, а для кри вых 2 —’С= 1,7.
Снижение относительной рассеиваемой мощности при увеличении полезных мощностей муфт с воздушным охлаждением ограничивает их использование в приводах с постоянным моментом нагрузки. При вентиляторном мо менте нагрузки максимум потерь скольжения обычно не превышает 15—20 % полезной мощности, вследствие чего муфты с воздушным охлаждением используются до мощ ностей в несколько сотен киловатт.
По рассматриваемым показателям значительно эффек тивнее муфты с водяным охлаждением, в которых относи тельная рассеиваемая мощность может достигать единицы даже при полезных мощностях в несколько сотен киловатт.
При увеличении частоты вращения ведущего вала муф ты рассеиваемая мощность изменяется линейно по урав нению (6.70), в котором отрезок, отсекаемый на оси орди нат, представляет собой рассеиваемую мощность муфты с неподвижным ведущим валом.
Выпускаемые муфты обычно предназначаются для ра боты с двигателями, имеющими различные частоты вра щения. При этом рассеиваемая и полезная мощности из меняются так, что приведенные на рис. 11.1 зависимости сохраняются приблизительно неизменными для различных частот вращения.
11.4. СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Муфты средней мощности в большинстве случаев снаб жаются системами воздушного охлаждения с встроенными вентиляторами, осуществляющими продув воздуха через внутренние полости муфт. Вентиляторы обычно бывают соединены с ведущими частями муфт, что обеспечивает по стоянство их частоты вращения и производительности при регулировании.
По направлению потоков воздуха внутри муфты систе мы охлаждения делятся на радиальные и аксиальные. В радиальных системах применяются только центробеж ные вентиляторы, в аксиальных находят применение вен тиляторы центробежного и осевого типов.
По месту установки вентиляторов системы воздушного охлаждения могут быть вытяжными, нагнетательными и смешанными. В первых вентилятор устанавливается на вы ходе системы и создает внутри нее разрежение, обеспечи вающее поступление воздуха в муфту. В нагнетательных системах вентилятор размещается на входе и создает внут
222
ри системы повышенное давление. Смешанные системы имеют вентилятор в средней части вентиляционных кана лов, имеющих в одной части повышенное давленпе, в дру гой — пониженное.
Вытяжные системы вентиляции предпочтительнее на гнетательных, так как обеспечивают поступление в муфту холодного воздуха, а разрежение внутри системы снижает потери и вентиляционный шум. В нагнетательных системах в муфту поступает нагретый вентилятором воздух.
На рис. 11.2 приведены схемы систем вентиляции муфт, нашедшие применение на практике. Схемы рис. 11.2а — в
относятся к радиальным системам |
вентиляции, осталь |
ные — к аксиальным. Направление |
воздуха на входах и |
выходах систем показано стрелками.
В радиальных системах с цилиндрическими якорями (рис. 11.2,а, б) охлаждающий воздух омывает торцовые части якорей, теплота на которые передается с нагретых частей теплопередачей. Эти системы являются смешанны ми, так как на входе и выходе вентиляторов имеются аэ родинамические сопротивления, создаваемые окнами.
На схеме рис. 11.2,в показана радиальная вытяжная си стема вентиляции муфты с дисковым якорем. В этой си-
223
стеме охлаждающий воздух омывает нагретую часть яко ря, однако при подходе к этой части имеет аксиальное на правление.
Для радиальных систем вентиляции характерны малые аэродинамические сопротивления, обусловленные неболь шой длиной воздухопровода и отсутствием узких каналов для прохода воздуха. Сравнение схем рис. 11.2,а и б по зволяет установить преимущества первой системы, в кото рой лопатки вентилятора размещены непосредственно на нагревающейся торцовой части якоря и выполняют функ цию ребристого радиатора, отбирающего теплоту у якоря и омываемого потоком воздуха. В схеме рис. 1.2,6 воздух омывает гладкие торцовые части якорей, что снижает эф фективность системы.
На схеме рис. 11.2,г показана аксиальная вытяжная система вентиляции, часто применяемая в контактных и бесконтактных муфтах из-за своей простоты. Здесь наруж ная поверхность внешнего якоря оребрена, а внутренняя активная поверхность омывается потоком воздуха, прохо дящим через междузубцовые пазы индуктора, являющиеся вентиляционными каналами. Центробежный вентилятор выполняет функции радиатора, усиливая отвод теплоты от якоря.
Схема рис. 11.2,6, применяемая в муфтах со скользя щим токоподводом, в отличие от предыдущей имеет венти лятор в средней части якоря, вследствие чего воздух по ступает к нему по двум ветвям. Такое исполнение укора чивает путь воздушных потоков, уменьшает аэродинамиче ское сопротивление и снижает подогрев воздуха. При этом также улучшается передача теплоты к лопаткам вентиля тора от двух половин нагретого якоря. Недостатком систе мы является прохождение полного магнитного потока муф ты через лопатки вентилятора, которые должны иметь большие сечения, ухудшающие аэродинамические показа тели.
На схеме рис. 11.2,е показана нагнетательная система вентиляции, в которой центробежный вентилятор закреп лен на боковине якоря с ее внутренней стороны. Уменьше ние диаметра вентилятора в этой схеме по сравнению с предыдущими схемами снижает эффективность этой систе мы, не получившей значительного распространения.
В схеме рис. 11.2,ж используемой в бесконтактных муфтах, центробежный вентилятор закреплен На ведущем индукторе, вследствие чего не используется в качестве ра диатора. Тем не менее система весьма эффективна, так как
224
якорь обдувается потоком воздуха с внешней и внутренней сторон. Кроме того, внутренняя поверхность якоря снабже на охлаждающими ребрами с большой площадью поверх ностей.
На схемах рис. 11.2,з и и показаны системы с осевыми вентиляторами.
В схеме рис. 11.2,з вентилятор пропеллерного типа, его лопасти закреплены на средней части якоря между зубца ми-полюсами индуктора [69]. Для лучшей передачи теп лоты на лопасти их целесообразно отливать заодно с не магнитным кольцом якоря. Как и в схеме рис. 11.2,5, здесь теплопередача к вентилятору осуществляется по двум вет вям.
В схеме рис. 11.2,и наружная поверхность внешнего яко ря бесконтактной муфты снабжена по всей длине винтооб разными ребрами, осуществляющими аксиальный продув воздуха между якорем и корпусом. Большая площадь вин тообразных поверхностей на якоре способствует повышению эффективности охлаждения муфты. Роль осевого вентиля тора могут выполнять наклонные зубцы индуктора [68].
Потери мощности, отводимые потоком охлаждающего воздуха с закрытых обдуваемых поверхностей, определя ются выражением
Рв= св<ЗвД0в, |
(11.14) |
|
где св — теплоемкость воздуха, равная |
1100 Дж/(м3. °С); |
|
QB— расход охлаждающего воздуха; |
Д0В— перепад |
тем-' |
ператур воздуха на входе и выходе |
вентиляционной |
си |
стемы. |
|
|
В муфтах с внешним открытым якорем и вентиляцией (рис. 11.2,2 - е ) теплоотдача с внутренней поверхности определяется по формуле (11.14), а с внешней — методами, изложенными в § 11.2.
При изоляциях классов А, В и Е могут допускаться пе репады температур воздуха до 30—35, а при изоляциях классов F и Н — до 40 °С. При данных перепадах темпе ратур удельный расход воздуха за единицу потерь мощно сти составляет 0,025—0,03 м3/ (с-кВт).
Для определения температуры нагрева закрытой обду ваемой поверхности используются те же расчетные форму лы, что и для естественного охлаждения (см. § 11.2). При этом коэффициент теплоотдачи излучением принимается равным нулю, а температура охлаждающего воздуха — среднему значению температур на входе и выходе венти ляционной системы.
225
Для вентиляционных систем муфт связь между созда ваемым вентилятором напором Нв и расходом воздуха QB описывается выражением
HB= ZBQ \ y |
(11.15) |
где ZB— аэродинамическое сопротивление воздухопровода. Аэродинамическое сопротивление воздухопровода равно
|
z B= s ( i , / s , ) > |
|
(Ц-16) |
|
где £, — коэффициенты |
сопротивления участков |
воздухо |
||
провода; Si — площади |
сечений |
участков воздухопровода. |
||
"Коэффициент входного сопротивления при прямоуголь |
||||
ных краях входа £8х=0,3. |
|
стенками |
||
Для узких |
и длинных каналов с гладкими |
|||
коэффициент |
сопротивления, |
обусловленный |
трением, |
|
определяется выражением |
|
|
||
|
^тр^ОДб/к/с^к. |
|
(11-17) |
где /к, dк — длина и диаметр сечения канала.
При прямоугольной форме сечения канала эквивалент ный диаметр
dK—2aKbK/(a K-\-bK) ,
где ак и Ьк — стороны сечения.
При повороте канала на углы 45 и 90° £45= 0,3; £эо= =0,7, а при выходе воздуха в атмосферу £вых=0.6.
Коэффициент аэродинамического сопротивления при •внезапном расширении канала
| р а с = 0 , 6 (1 - S min/Sm ax) 2, |
( 1 1 . 1 8 ) |
а при внезапном сужении |
|
£суЖ==0>4 (1 - 5 m i n / S max ), |
(11.19) |
где Smin и Smax — меньшая и большая площади сечений в в месте расширения и сужения.
Для определения аэродинамических сопротивлений при внезапном изменении сечения канала в (11.16) необходи мо подставлять Si = Smin.
При вращении муфт аэродинамическое сопротивление системы возрастает. Коэффициенты сопротивления входа и выхода для вращающегося аксиального канала определя ются по эмпирической формуле
S .= $ [ i+ 0 .03 -1 — 0,004 ( - £ ) ’]*, |
(11.20) |
226
где £ —; коэф ф ициент |
сопротивления входа или вы хода не |
|||
подвиж ного канала; |
и — окруж ная |
скорость вращ аю щ егося |
||
канала; w — скорость |
воздуха в канале. |
|
||
К оэф ф ициент сопротивления, |
обусловленны й |
трением, |
||
при вращ ении канала |
возрастает |
пропорционально отно |
||
ш ению u/w. |
|
|
|
|
А эродинам ическое |
сопротивление системы при |
последо |
вательном соединении участков воздухопровода равно сум г- ме сопротивлений участков
Z B= 2Z „ |
(11.21) |
а при параллельном соединении участков определяется из равенства
V W s = Z V W i - |
(11-22) |
Р асчет вентиляторов муфт производится |
м етодам и, при |
меняемыми для электродвигателей . |
|
11.5. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ
Системы вентиляции быстроходных муфт со встроенными вентиля торами создают значительные шумы, препятствующие повышению ча стоты вращения используемых приводных двигателей.
Уровень шума вентиляционных систем зависит от скорости движе ния воздуха в каналах, определяемой сечениями каналов, окружной скорости каналов и относительной скорости перемещения относительно друг друга каналов в неподвижных и вращающихся деталях ведущих и ведомых частей. Уровень шума муфт с частотами вращения ведущего вала до i500 об/мин при передаваемых мощностях до 100 кВт нахо дится обычно в пределах допустимых норм, а при увеличении мощно стей и частот вращения необходимо принимать специальные меры по снижению шума.
На рис. 11.3 приведены экспериментальные шумовые характеристи ки и точки для различных приводов с муфтами. Регулирование частоты вращения осуществлялось с помощью тиристорного преобразователя
частоты. Кривая 1 получена для |
привода типа ПЭМС200, кривая 2 — |
|||||
для привода ПЭМС100 |
с открытыми отверстиями для забора воздуха |
|||||
в подшипниковом щите |
муфты, |
кривая 3 — для того |
же привода при |
|||
частично |
перекрытых |
входных |
отверстиях; |
точка |
А — для |
привода |
ПЭМС50, |
точка В — для привода 50 Н-м (см. |
рис. 2.8), точка |
С — то |
же йри параллельных осях муфты и внутренних кромок лопаток. Приведенные зависимости уровня шума от частоты вращения встро
енного вентилятора позволяют сделать следующие выводы:
1) снижение производительности вентилятора за счет уменьшения площади сечения входных отверстий приводит к значительному сниже нию уровня шума, особенно при высоких частотах вращения;
227
2)при частотах вращения двигателя до 1500 об/мин основным источником шума привода являются подшипники, так как снижение производительности вентилятора в этой области практически не влияет на общий уровень шума;
3)с увеличением размеров муфт подшипниковый шум возрастает быстрее, чем аэродинамический (кривые 1 и 2 при увеличении частоты вращения сближаются).
Снижение уровня шума быстроходных муфт скольжения может быть обеспечено следующими методами:
уменьшением скоростей движения воздуха во вращаю щихся каналах за счет увели чения их сечений;
удалением друг от друга входных и выходных отверстий вентиляционных каналов, пере мещающихся относительно друг друга;
удалением кромок лопаток вентиляторов от выходных от верстий вентиляционной систе мы;
выполнением различного Количества вентиляционных ка налов в деталях, вращающихся относительно друг друга;
увеличением радиусов закруглений кромок входных и выходных отверстий каналов;
использованием вентиляторов с лопатками, наружные концы кото рых отогнуты против направления вращения (в нереверсивных при водах) ;
применением высокоточных и малошумных подшипников качения; выбором количества лопаток вентилятора, равным простому числу; выполнением кромок лопаток параллельно оси муфты.
В тех случаях, когда перечисленные методы снижения шума бы строходных муфт с воздушным охлаждением не могут быть реализо ваны или не дают необходимого эффекта, муфты с двигателями долж ны ограждаться звукоизолирующими кожухами. Кожухи необходимо выполнять таким образом, чтобы заметно не ухудшить охлажде ние муфт.
Так как снижение производительности вентилятора,, вызывающее ухудшение охлаждения, приводит к снижению вентиляционного шума, как и применение звукоизолирующих кожухов, то при использовании быстроходных муфт необходимо сопоставлять эффективность данных
228
способов, учитывая, что частичное перекрытие входных или выходных вентиляционных отверстий или каналов является наиболее простым спо собом снижения* шума.
11.6. СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
При увеличении размеров муфт и росте передаваемых мощностей значения удельной рассеиваемой мощности быстро снижаются (см. рис. 11.1), и системы воздушного охлаждения не могут обеспечить не обходимого диапазона регулирования привода с муфтой. В этом случае для охлаждения муфт применяют системы водяного охлаждения, ко торые значительно эффективнее вентиляционных систем, поскольку теплопроводность воды в 25 раз выше, чем воздуха, а ее объемная теплоемкость превышает теплоемкость воздуха в 3750 раз.
К недостаткам муфт водяного охлаждения относятся: необходимость монтажа трубопроводов для подвода и слива во ты,
усложняющего и удорожающего установку и ее эксплуатацию и тре бующего размещения привода вблизи водопровода и сливной маги страли;
повышенная коррозия смачиваемых деталей муфты и образование на них осадков содержащихся в воде примесей, что в некоторых слу чаях требует очистки воды или снижает срок служры муфт;
усложнение конструкции муфт, вызываемое необходимостью приме нения уплотнений, предотвращающих попадание охлаждающей воды в подшипники;
снижение КПД муфты вследствие наличия в системе Гидравличе ских потерь, превышающих вентиляционные.
Потери мощности, отводимые охлаждающей жидкостью, определя
ются выражением |
|
|
|
|
|
|
Рук —C>KQ»KA©>K» |
(11.23) |
|
где ст — теплоемкость охлаждающей |
жидкости, |
равная для воды |
||
4,12-10е |
Дж(м3-°С); |
Qm — расход охлаждающей |
жидкости; А@>к — |
|
перепад |
температур |
жидкости на входе |
и выходе системы охлаждения. |
В- системах водяного охлаждения принимают обычно перепады температур воды в пределах 25—35 °С.
Так как необходимые значения расхода воды для охлаждения весь ма малы и обычно не превышают одной сотой литра в секунду на ки ловатт потерь, в муфтах чаще всего применяют безнапорные системы водяного охлаждения. В этих системах вода через форсунку или систе му отверстий подается непосредственно на якорь или в его полость, откуда свободно стекает по якорю в нижнюю часть корпуса и отво дится в сливные трубопроводы (см. рис. 2.12).
Расчет такой системы сводится к определению размеров впускных отверстий или сечений подводящих каналов, обеспечивающих необхо
229
димый расход воды при заданном давлении. Расчетные формулы ана логичны приведенным в .§ 11.4. Отличие состоит лишь в значениях ко эффициентов сопротивления каналов, зависящих от режима движения жидкости. Допустимую температуру воды на в*ыходе системы обычно принимают в пределах 60—70 °С.
Г Л А В А Д В Е Н А Д Ц А Т А Я
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ С МУФТАМИ И ТОРМОЗАМИ СКОЛЬЖЕНИЯ
12.1. НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕДАЧ И ИХ РАЗНОВИДНОСТИ
Основным недостатком приводов с м уф там и |
ск ол ьж е |
|||||||||
ния, |
используем ы х |
в |
качестве |
регулируем ы х, |
является |
|||||
сниж ение их энергетических |
показателей при |
уменьш ении |
||||||||
частоты |
вращ ения.. П ередаваем ая |
мощ ность и К П Д |
муфты |
|||||||
при |
регулировании |
изм еняю тся |
практически |
|
пропорци |
|||||
онально |
частоте вращ ения. О тклонения от этой |
пропорци |
||||||||
ональности |
в сторону |
ухудш ения |
энергетических |
п ок азате |
||||||
лей-вы зы ваю т добавочны е потери |
в м уф тах, которы е |
обы ч |
||||||||
но |
бы ваю т |
незначительны ми |
по |
сравнению |
с |
потерями |
||||
скольж ения |
(см . § 6 .8 ). |
|
|
|
|
|
|
|||
В целях |
улучш ения |
энергетических показателей |
приво |
|||||||
дов |
с |
м уфтами делались многочисленны е попытки |
с о зд а |
ния на основе муфт различного рода редукционно-ревер
сивных пер£дач. С реди них |
м ож но отметить разн ообразны е |
||||||||
конструкции так |
назы ваемы х |
каскадны х |
муфт, п редстав |
||||||
ляю щ их |
собой |
объединение |
в |
одном |
корпусе |
машин пере |
|||
менного |
тока, |
работаю щ их |
в реж им ах |
генератора и дви га |
|||||
теля. |
К аскадны е |
муфты |
не |
получили |
распространения |
||||
и з-за |
больш ой |
слож ности |
и |
гром оздкости |
конструкций, |
содерж ащ и х несколько |
концентрических |
якорей с обм отк а |
|||||||
ми перем енного тока. |
В больш инстве |
случаев |
эти устрой |
||||||
ства |
не обеспечивали |
ж ел аем ого повышения |
энергетичес |
||||||
ких |
показателей |
и з-за |
значительны х |
потерь |
мощ ности |
||||
в составляю щ их |
их частях и имели плохие регулировочны е |
||||||||
свойства. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как муфты скольж ения имею т |
ухудш енны е эн ер ге |
||||||||
тические |
показатели в |
ниж ней |
час и |
ди ап азон а регул ир о |
|||||
вания, то |
в ряде |
случаев |
м ож ет |
оказаться ц елесообразны м |
применение комбинированны х приводов, содер ж ащ и х кроме
муфт различны е механические |
передачи, |
обеспечиваю щ ие |
ступенчатое изм енение реж им а |
работы |
и энергетических |
230