CC BY
50
У статті приводяться результати експериментальних досліджень гідротрансформатора із двома
варіантами лопаткової систе-
ми колеса реактора, котре було модифіковано з метою зміни основних параметрів зовнішньої характеристики гідротрансформатора
Ключові слова: гідротрансформатор, експериментальні дослідження,
модифіковане колесо реактора
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований гидротрансформатора с двумя вариантами лопаточной системы колеса реактора, которое было модифицировано с целью изменения основных параметров внешней характеристики гидротрансформатора
Ключевые слова: гидротрансформатор, экспериментальные исследования, модифицированное колесо реактора
Article contain results of experimental researches of the torque converter with two variants the blades system of a reactor wheel which has been modified for the purpose of change the torque converter external characteristic main parameters Key words: torque converter,
experimental investigation, modified reactor wheel
УДК 62-585.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПЛЕКСНОГО ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА С МОДИФИЦИРОВАННЫМ КОЛЕСОМ РЕАКТОРА
В.М. Соловьев
Кандидат технических наук, инженер-конструктор 1 кат.* Контактный тел: 0 (57) 757-41-68, 757-41-01 Е-mail: [email protected]
П.С. Завьялов
Кандидат технических наук, доцент** Контактный тел: 8 (057) 707-66-46
В.А. Толстолуцкий
Кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор*
Ю.А. Подвойский
Научный сотрудник **Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» Кафедра «Гидравлические машины», ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002
А.П. Имитер
Начальник отдела
*Казенное предприятие «Харьковское конструкторское бюро по машиностроению им. А.А. Морозова», ул. Плехановская, г. Харьков, Украина, 61001
1. Введение
Целенаправленное изменение нагружающих и преобразующих свойств гидротрансформатора, основанное на модифицировании одной из лопаточных систем его рабочих колес, является перспективным направлением, получившим в последнее время широкое распространение [1-6] и является методом, позволяющим провести необходимое корректирование основных параметров внешней характеристики с минимальными затратами (в сравнении с проектированием нового гидротрансформатора), связанных с расчетом,конструированием и изготовлением опытного образца.
Теоретическое обоснование возможности целенаправленного изменения основных параметров внешней характеристики существующего гидротрансформатора при помощи модифицирования лопаточной системы колеса реактора было проведено в [7-10].
2. Изготовление экспериментального образца модифицированного колеса реактора.
В результате оптимизации углов лопаточной системы колеса реактора [7, 8], проведения расчета осесимметричного потока и решения прямой задачи обтекания нескольких вариантов лопаточных систем
Е
колеса реактора с использованием CFD программы Flow Vision [9], предложена конструкция и спроектирована компьютерная 3D модель колеса реактора с новой лопаточной системой, способная формировать необходимые параметры локальной кинематики потока рабочей жидкости в диапазоне тягового режима работы гидротрансформатора:
FIDIA, оборудованном интегрированным наклоняемым поворотным столом с плавным управлением и предназначенном для точной обработки деталей сложных форм:
Основные рабочие характеристики обрабатывающего центра HS664RT:
Скорость рабочей подачи по Х-У-7, м/мин 30
Диаметр планшайбы, мм до 400
Максимальный диаметр вращения, мм 565
Максимальная мощность, кВт до 25,8
Максимальная скорость вращения , мин-1 до 24000 Допустимая нагрузка, кг до 200
а
а
б
б
Рис. 1. Модернизированное колесо реактора: а — компьютерная 3D модель конструкции механически изготовленного колеса реактора; б — экспериментальный образец в собранном состоянии.
Изготовление модернизированного лопаточного колеса реактора было осуществлено в НПФ «Вест Лабс» г. Харьков на 5-ти осевом фрезерном обрабатывающем центре HS664RT производства компании
Рис. 2. Изготовление модернизированного колеса реактора: а — фрезерный обрабатывающий центр FIDIA HS664RT; б — лопаточная заготовка колеса реактора.
Окончательная обработка посадочных поверхностей, шлицевого соединения модернизированного колеса реактора, сборка экспериментального образца выполнена на опытно-производственной базе КП ХКБМ им. А.А. Морозова, г. Харьков.
з
3. Описание гидротрансформатора и стендового оборудования.
Основные параметры гидротрансформатора:
Тип...............трехколесный, комплексный,
блокируемый
Направление вращения.......................левое
Активный диаметр, Dа.......................380мм
Число лопаточных колес.........................3
Число лопаток:
насосное колесо^1, шт.........................28
турбинное колесо, Z2,шт.......................22
колесо реактора, Z3,шт........................13
Режимные параметры (теоретические):
Максимальный гидравлический КПД, пг.............
................................мах 0,921* (0,922)**
Коэффициент прозрачности, П..........2,09* 1,87)**
* - значения до модернизации лопаточной си-
стемы колеса реактора;
** - значения после модернизации.
Насосное и турбинное лопаточные колеса гидротрансформатора изготовлены литьем из алюминиевого сплава и имеют пространственные лопатки с профилем переменной толщины:
№, кВт..................................до 1200
Диапазон изменения частоты
вращения,
пт, мин-1........................от 300 до 4000
В стендовый комплекс также входят:
- система энергообеспечения стендового оборудования;
- масляная система охлаждения и смазки гидротрансформатора;
- система водяного охлаждения (обслуживание системы охлаждения индукционного тормоза и водомасляного теплообменника системы смазки);
- система мониторинга и управления (проведение замера параметров, управление: приводом, тормозным устройством, системой водяного охлаждения, масло-системой, системой энергообеспечения стенда).
Перед проведением исследований внешних характеристик гидротрансформатора была проведена метрологическая сертификация систем стенда, оборудование было аттестовано и принято в эксплуатацию.
Задействованные в эксперименте датчики прошли тарировку, по результатам которой погрешность их измерений не превышала величину ±1,0% (±1°С для датчиков температуры).
Рис. 3. Колесо реактора (вариант до модернизации лопаточной системы), собранное совместно с насосным колесом гидротрансформатора.
Экспериментальные исследования внешних характеристик гидротрансформаторов до и после модернизации лопаточной системы колеса реактора проводились на стендовом оборудовании опытно-производственной базы КП ХКБМ им. А.А. Морозова, г. Харьков, имеющего следующие основные характеристики:
Приводной электродвигатель:
Тип..............балансирный, постоянного тока
Обозначение...........................МПБ-55/34
Максимальная
мощность Кдв, кВт........................до 730
Частота вращения вала
электродвигателя, пдв, мин-1........от 0 до 3000
Напряжение питания
электродвигателя, идв, В.................до 700
Нагрузочное устройство:
Тип.................................балансирный
электрический индукционный тормоз
обозначение.............................WS-1200
Поглощаемая мощность,
Рис. 4. Стенд нагрузочных испытаний гидротрансформатора: а — общий вид; б — схема систем стенда: 1 — приводной электродвигатель; 2 — нагрузочное устройство; 3
— система энергообеспечения стендового оборудования, 4 — масляная система охлаждения и смазки; 5 — система водяного охлаждения; 6 — система мониторинга и управления; 7 — гидротрансформатор.
а
б
4. Методика проведения испытаний.
1. Осуществить проверку работоспособности систем стенда, провести их регулировку.
2. Подготовительный этап испытаний: выполнить предварительную обкатку гидротрансформатора при частотах вращения вала приводного электродвигателя пвх=1400, 1700 мин-1 с заданием тормозного момента на валу турбинного колеса до получения передаточного отношения і=0,3...0,7 в течение 30...40 минут. Температура рабочей жидкости в маслосистеме стенда после проведения обкатки должна быть не ниже t=50...60 °С.
3. Испытания по снятию параметров внешней характеристики:
3.1. Измерение экспериментальных параметров под нагрузкой выполнять при фиксированных значениях частоты вращения насосного колеса пвх=1400, 1700 и/ или 1900 мин-1 и передаточного отношения і в диапазоне і=(0,08-0,97)±0,01.
3.2. Для каждого фиксированного значения частоты вращения насосного колеса пвх необходимо стремиться к замеру экспериментальных значений, принадлежащих наиболее широкому диапазону передаточного отношения і.
3.3. Первый замер параметров работы гидротрансформатора при фиксированном значение частоты вращения насосного колеса пвх проводить без приложения тормозного момента на валу турбинного колеса.
3.4. Переход на последующий режим работы гидротрансформатора осуществлять ступенчато с шагом і=0,1±0,05 плавным увеличением тормозного момента. При этом передаточное отношение і должно изменяться в сторону уменьшения. После проведения увеличения тормозного момента необходимо проверить и при необходимости скорректировать частоту вращения насосного колеса пвх. После выполнения замера экспериментальных параметров переход на последующий режим работы выполнять аналогично.
3.5. При выполнении замеров допускаются колебания частоты вращения приводного электродвигателя в диапазоне ±0,7%.
3.6. Суммарная внешняя характеристика гидротрансформатора, полученная при частотах вращения пвх=1400, 1700 и/или 1900 мин-1 должна находиться в диапазоне передаточного отношения і тягового режима работы гидротрансформатора і=(0,07...0,09) - (0,96.0,98).
3.7. Результирующая безразмерная внешняя характеристика получается наложением характеристик, полученных при частотах вращения насосного колеса пвх =1400, 1700 и/или 1900 мин-1.
4. На всех этапах проведения испытаний не допускаются утечки рабочей жидкости более 1 л/мин, повышенный шум и вибрации.
5. В случае возникновения аварийной ситуации персоналу испытательного стенда немедленно прекратить проведение испытаний и действовать в соответствии с инструкцией по технике безопасности.
6. По результатам испытаний составить:
6.1. Отчет (акт) о результатах стендовых испытаний гидротрансформатора.
6.2. Протокол, в который занести следующие замеренные параметры:
- время проведения замера: часы, минуты, секунды;
- частоту вращения насосного колеса (ротора приводного электродвигателя) пвх, мин-1;
- частоту вращения вала турбинного колеса (ротора индукционного тормоза) пвых, мин-1;
- крутящий момент на насосном колесе (показания датчика крутящего момента балансира приводного электродвигателя) М1, кгс-м;
- крутящий момент на валу турбинного колеса (показания датчика крутящего момента ротора индукционного тормоза) М2, кгс-м;
- давление на входе в гидротрансформатор Рвх, кгс/см2;
- давление на выходе из гидротрансформатора Рвых, кгс/см2;
- расход охлаждающей жидкости через гидротрансформатор Ц, л/мин;
- температура рабочей жидкости на входе Твх, °С и выходе из гидротрансформатора Твых, °С.
Произвести расчет передаточного отношения і и параметров, характеризующих внешнюю безразмерную характеристику гидротрансформатора: коэффициент трансформации К, полный коэффициент полезного действия гидротрансформатора п.
5. Экспериментальные исследования.
При проведении экспериментального снятия внешних характеристик гидротрансформатора при частоте вращения насосного колеса пвх=1400 мин-1 с вариантами колеса реактора до и после модернизации, были получены результаты представленные в табл. 1 (приведены граничные и осредненные значения эксплуатационных параметров, связанные с принудительным отводом тепла из гидротрансформатора и обеспечением отсутствия условий возникновения кавитации), а также на рис. 5 (представлены внешние характеристики гидротрансформатора):
Для проверки полученного значения максимального значения полного КПД гидротрансформатора с модернизированным вариантом колеса реактора, при частоте вращения насосного колеса 1700 мин-1 был проведен замер параметров внешней характеристики на расчетном режиме работы, в ходе которого были подтверждены полученные ранее значения полного КПД (см. табл. 2):
Таблица 1
Значения эксплуатационных показателей, зафиксированные при снятии внешних характеристик гидротрансформатора (пвх=1400 мин-1)
Вариант Рвх, кгс/см2 Рвых, кгс/см2 б л/мин Т— аио °С
тіп тах тіп тах
до модернизации 6,2 (і=0,2) 8,2 (і=0,95) 4,5 (і=0,2) 5,7 (і=0,71) 66,7 67,20
после модернизации 7,1 (і=0,07) 9,3 (і=0,65) 5,5 (і=0,07) 7,3 (і=0,65) 66,8 69,51
3
Рис. 5. Внешние характеристики гидротрансформатора с колесом реактора (пвх=1400 мин-1): а — до модернизации лопаточной системы; б — после
модернизации.
Параметры расчетного режима работы гидротрансформатора
Таблица 2
пвх, мин-1 пвых, мин- 1 M1, кгс-м M2, кгс-м Pвх, кгс/ 2 см2 Pвых, кгс/ 2 см2 Q, л/ мин Tвых, °С i К П
1706 1471 70,6 74,7 9,6 7,1 73,8 75,5 0,86 1,06 0,91
б
а
Выводы
1. На основании результатов, полученных в ходе оптимизации углов профиля лопатки системы колеса реактора, расчета осесимметричного и пространственного потоков, разработана конструкция, спроектировано и изготовлено колесо реактора, имеющее модифицированную лопаточную систему.
2. Проведенная метрологическая сертификация стендового оборудования и разработанная программа испытаний позволили с достаточной точностью экспериментально определить внешние характеристики гидротрансформатора с двумя вариантами колес реактора.
3. Параметр внешней характеристики гидротрансформатора, подвергшийся корректированию - коэффициент прозрачности П, влияет на величину мо-ментного диапазона совместной работы приводного двигателя и гидротрансформатора, и характеризует нагружающее свойство гидротрансформатора:
до модернизации колеса реактора: П=1,97 (2,09); Птах=0,91 (пгтах=0,921);
после модернизации: П= 1,82 (1,87); птах=0,91 (пгтах=0,922).
(в скобках приведены теоретические данные).
Сравнение расчетных данных с экспериментальными показывает удовлетворительное совпадение, что
подтверждает состоятельность предложенных ранее методик [7-10].
Литература
1. Нагайцев М. В. Автоматические коробки передач современных легковых автомобилей / Нагайцев М. В., Харитонов С. А., Юдин Е. Г. -М.: Легион-Автодата, 2000. - 128с.
2. Харитонов С. А. Автоматические коробки передач / Харитонов С. А. - М.: АСТ, 2003. -480 с.
3. Shin S. Numerical investigation of the pump flow in an automotive torque converter / Shin S., Chang H. J., Athavale M. // SAE International Congress & Exposition, March 1999, Detroit, MI, USA, Session: Transmission & Driveline Systems Symposium (Part C&D). -№108/2. - P.1969-1977.
4. The effect of reactor blade geometry on the performance of an automotive torque converter / [S. Shin, D.-J. Kim, I.-S. Joo and others]. // SAE 2002 World Congress & Exhibition, March 2002, Detroit, MI, USA, Session: Transmission & Driveline Systems Symposium (Part D). -№111/6. - Р. 1286-1293.
5. Ainley S. B. Laser velocimeter measurements in the stator of an automotive torque converter / S. B. Ainley, R. D. Flack // International Journal of Rotating Machinery. - 2000. - № 6. - P. 417431.
6. Kim G.-W. Effects of stator shapes on hydraulic performances of an automotive torque converter with a squashed torus / G.-W. Kim, J. Jae-Duk //
SAE 2002 World Congress & Exhibition, March 2002, Detroit, MI, USA, Session: Transmission & Driveline Systems Symposium (Part D) - Torque Converters. - SP-1655.
7. Соловьев В.М. Методика увеличения коэффициента трансформации на пусковом режиме гидротрансформатора / В.М. Соловьев, П.С. Завьялов, Ю.А. Подвойский // Східно - Європейський журнал передових технологій. - Харків. - 2006. - №6/3 (24). - С. 62-65.
8. Соловьев В.М. Введение дополнительных ограничений при оптимиза-ции реактора гидротрансформатора / В.М. Соловьев // Східно - Європейсь-кий журнал передових технологій. - Харків. - 2007. - №3/3 (27). - С. 18-22.
9. Завьялов П.С. Численное моделирование потока в решетке реактора гидротрансформатора / П.С. Завьялов, В.М. Соловьев, Ю.А. Подвойский // Пробл. машиностроения. - 2009. - 12, №3. - С. 11-21.
10. Математическая модель рабочего процесса гидротрансформатора / Веретенников А.И., Соловьев В.М., Стри-мовский С.В. [и др.]// Інтегровані технології та енергозбереження. - 2010. - №3. - С.50-56.
