книги / Электромагнитные муфты скольжения

С 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

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

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

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

где ZB— аэродинамическое сопротивление воздухопровода. Аэродинамическое сопротивление воздухопровода равно

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

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

226

вательном соединении участков воздухопровода равно сум г- ме сопротивлений участков

а при параллельном соединении участков определяется из равенства

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

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

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

ния на основе муфт различного рода редукционно-ревер ­

применение комбинированны х приводов, содер ж ащ и х кроме

230