Гидромуфты составляют неотъемлемую часть таких машин как ленточные, цепные скребковые и пластинчатые конвейеры, элеваторы, осевые вентиляторы и дымососы, питательные насосы и газовые турбины, дробилки и мельницы различных типов, роторные экскаваторы, дорожные катки, бетоносмесители, барабанные сушилки и центрифуги. Нельзя не упомянуть автомобили, трактора и железнодорожные локомотивы, в которых гидромуфты входят в состав гидромеханических коробок.

  В 1910г. профессор Феттингер (Германия) предложил изъять направляющий аппарат из им же созданного гидротрансформатора. Таким образом, был сделан шаг от более сложной гидродинамической передачи к более простой, что и явилось началом создания гидромуфт. Несмотря на многообразие появившихся позднее конструкций гидромуфт, принципиально их рабочая часть сохранилась в том виде, в каком предложил ее Феттингер.

На рис.1 схематично в меридиональном сечении показана гидромуфта , имеющая ведущее лопастное насосное колесо центробежного типа 1(насос) и ведомое лопастное колесо, выполняющее функцию реактивной турбины 2(турбина). Оба колеса имеют,как правило, плоские радиальные лопатки 3 и 4. К насосу 1 присоединен вращающийся при работе корпус 5. Диски 6 и 7 насоса и турбины выполнены в виде чаш с криволинейными образующими. В сововокупности с межлопастными каналами торообразная часть полости гидромуфты, заключенная между чашами насоса и турбины, является рабочей полостью. Между торцами колес имеется небольшой осевой зазор, благодаря чему возможно вращение одного колеса относительно другого. Замкнутая полость гидромуфты заполняется рабочей жидкостью (РЖ), в качестве которой используются чаще всего минеральные маловязкие масла. В пожароопасных условиях применяются вода и водные эмульсии, а также трудновоспламеняемые синтетические масла.   В приводном блоке насос соединяется валом 8 с двигателем, а турбина валом 9 с механической передачей. При включении двигателя насос своей лопастной системой увлекает во вращение РЖ и, отбрасывая к периферии рабочей полости, направляет ее на лопатки турбины. В турбине кинетическая энергия РЖ, запасенная в насосе, преобразуется в механическую энергию вращения, необходимую для преодоления сил сопротивления движению и инерции маховых масс машины. РЖ, протекая в направлении оси вращения вдоль лопаток, воздействует на них и, отдав энергию, всасывается насосом на его наименьшем радиусе. И вновь РЖ "заряжается" в насосе новой порцией энергии. Процесс передачи и преобразования энергии от насоса к турбине происходит при работе гидромуфты непрерывно, и замкнутая циркуляция РЖ постоянно обеспечивает при этом силовую связь между колесами.  В гидромуфте (гидропередача без внешней опоры) момент на турбине всегда равен моменту на насосе, но передача энергии в ней происходит с определенными потерями, характеризуемыми в рабочем режиме  значением  К.П.Д. Поскольку моменты колес раны, то  К.П.Д. численно равен отношению частоты вращения турбины n2 к частоте вращения насоса n1, т.е. передаточному отношению  i ( i= n2/n1).  Крутящий момент  гидромуфты передается всегда при некотором отставании скорости турбины от скорости насоса. Это значит, что гидромуфта работает со скольжением  Sг = (n1-n2)/ n1= 1-i.  Скольжение  отображает долю потерь мощности, идущих на нагрев РЖ и деталей гидромуфты.

      Гидромуфты подразделяются на регулируемые и замкнутые.
  Регулируемые гидромуфты предназначены, как правило, для относительно неглубокого (до 30-40%) регулирования частоты вращения ведомого вала привода.
Наиболее экономичным такое регулирование является лишь для машин,  у которых мощность нагрузки  в процессе работы изменяется пропорционально кубу
частоты вращения  турбины, т.е. N₂=(i³) Nн (Nн- номинальная мощность при полной скорости и n₁=const.). К таким машинам относятся  мощные (до15тыс.квт)
центробежные  насосы, турбогенераторы, вентиляторы.   Менее экономичным   регулирование с помощью гидромуфт является в  случае, когда мощность
изменяется пропорционально квадрату частоты вращения ,т.е. N₂=(i²) Nн.  Максимальные потери мощности Nпот. в первом случае составляют
Nпот.= 0,148 Nн при i=0,666, а во втором случае 0,25 Nн- при i=0,5.  Для многих лопастных машин регулирование  гидромуфтой имеет ряд преимуществ
по сравнению с другими способами регулирования скорости.          

  Наибольшее распространение в мировой практике получили более простые по конструкции и обслуживанию нерегулируемые замкнутые  гидромуфты.
Более подробно устройство, характеристики и  принцип действия замкнутых гидромуфт рассмотрен ниже.

      Основные типы и характеристики замкнутых гидромуфт.
  Замкнутые гидромуфты постоянного наполнения условно могут быть подразделены на предохранительные и пускопредохранительные.

  Предохранительные гидромуфты ограничивают крутящий момент значением, меньшим  на 15-20% максимального (опрокидного) момента приводного
электродвигателя (двигатель). Значение пускового(стопового)  момента в отдельных моделях таких гидромуфт может иметь значение 1,3-1,4 от величины
номинального момента. В этом случае предохранительная гидромуфта выполняет функцию муфты предельного момента. Пускопредохранительная 
гидромуфта предназначена для поддержания вращающего момента привода в течение всего периода разгона машины в пределах 1,3-1,5 от номинального момента.

  Характерным примером применения предохранительной гидромуфты как муфты предельного момента является роторный экскаватор, а пускопредохранительной
гидромуфты - ленточный конвейер большой длинны.

На рис.2 показана предохранительная гидромуфта ГП 740, имеющая симметричные насос 1 и турбина 2 , межлопастные каналы которых образуют рабочую полость 3. Насос 1 соединён посредством фланцев с вращающимся корпусом 4. Турбина 2 установлена на полом валу 5, имеющем посадочное отверстие для монтажа гидромуфты на входной вал редуктора. Насос 1 посредством пальцев 6 и упругих втулок 7 связан с полумуфтой 8 вала электродвигателя. В центральной части полости гидромуфты имеется камера 9.   При работе гидромуфты на установившемся режиме вся РЖ находится в рабочей полости 3 и, как было указано выше, циркулирует по каналам насоса и турбины.   В указанном режиме в камере 9 РЖ отсутствует, т.к. оба колеса (насос 1 и турбина 2) вращаются с большой частотой вращения при минимальном их скольжении. В случае возрастания нагрузочного момента скорость турбины 2 начинает уменьшаться.   При определённой величине внешней нагрузки РЖ опускается по лопаткам турбины 2 к центру гидромуфты и достигает границ камеры 9. С дальнейшим ростом нагрузки и скольжения всё большее количество РЖ устремляется в камеру 9, в то время как количество ее в рабочей полости 3 уменьшается. Так как расход РЖ по каналам насоса и турбины в этом переходном режиме падает, то крутящий момент, передаваемой гидромуфтой, не возрастает и ограничивается вполне определённой величиной. Остановка турбины 1 (скольжение 100%) соответствует практически полному заполнению камеры 9 РЖ, находящейся в ней в состоянии динамического равновесия. Последнее обусловлено тем, что насос 1 постоянно всасывает ту порцию жидкости, которая в данный момент поступает из турбины 2 в указанную камеру. При снятии внешней нагрузки первоначальная картина восстанавливается, поскольку вся РЖ перетекает вновь из камеры 9 в рабочую полость 3. Пуск гидромуфты сопровождается аналогичным гидравлическим процессом, но с той лишь разницей, что он протекает в обратном порядке по сравнению с режимом торможения ведомого вала.

 Вал 5 турбины 2 имеет два подшипника качения 10 и 11, позволяющие этому колесу свободно вращаться по отношению к насосу 1.
Полость гидромуфты во избежание вытекания РЖ уплотнена на валу 5 манжетами 12 и 13.      

На рис. 3 представлены графики внешних моментных характеристик асинхронного короткозамкнутого  двигателя (а) и предохранительной гидромуфты (б).
В качестве допущения принято, что при изменении момента частота вращения насоса (мин^-1)   n₁ =const.
      Момент гидромуфты Мг  подчиняется зависимости

                       Мг = λi·ρ·(n₁/ 60)²·D_a⁵,       где:
λi-безразмерный коэффициент момента, являющийся параметром гидромуфты данного типа при заданном значении i,
ρ- плотность РЖ,
Da- активный диаметр, равный наибольшему диаметру рабочей полости гидромуфты. 

 Из приведенной зависимости следует, что изменение Мг с изменением n₁ следует закону квадратичной параболы.

  График 1 на рис.3 относится   к  "чисто" предохранительной гидромуфте, а график 2- к предохранительной гидромуфте, выполняющей функции
муфты  предельного момента с пониженным пусковым (стоповым ) моментом при i=0.  Из сопоставления характеристик видно, что момент гидромуфты
при любом передаточном отношении i не превышает максимальный момент (М макс.) двигателя, работающего в установившихся режимах 
на устойчивом участке  своей моментной характеристики независимо от величины нагрузки.                       

 Работе привода с номинальной нагрузкой Мн соответствует точка  А (i=0,965- 0,975). При возрастании внешнего  нагрузочного момента от
значения Мн до Мкр (Мкр - критический момент гидромуфты) на участке А-В скорость турбины уменьшается до значения iкр· n_1.
Далее момент гидромуфты либо уменьшается в соответствии с графиком 1 , либо не меняется и остаётся примерно равным Мкр (график 2).
Во  обоих случаях  процесс снижения скорости турбины вплоть до полной ее остановки ( i =0 ) протекает быстро и соответствует участкам 
  В-С₁,     В-С₂ неустойчивой работы гидромуфты. В точках С₁ и С₂  гидромуфта работает устойчиво со скольжением 100%.
В этом режиме  вся подводимая энергия преобразуется в тепло,  повышающее температуру РЖ, что может при срабатывании тепловой
защиты приводить к выбросу РЖ и устранению тем самым силовой связи гидромуфты с двигателем.

 В случае отсутствия гидромуфты  включение двигателя в электросеть вызывает ударное приложение усилий к элементам передачи,
эквивалентное среднему значению Мпуск.      Использование же гидромуфты совместно с двигателем  коренным  образом и в лучшую сторону
  изменяет характер пускового процесса .

 Внешняя нагрузка на двигатель в период пуска определяется только параметрами моментной характеристики гидромуфты.
Если пуск двигателя осуществляется ,например, при полностью блокированном  ведомом валу  привода, то внешний  крутящий момент ( Мг)
плавно нарастает от нуля по параболам 0-с₁ и 0-с₂  соответственно при характеристиках 1 и 2.  В точках  с₁ и с₂  работа двигателя
с частотой вращения, близкой к рабочей, устойчива, поскольку  момент гидромуфты 0-С₁ и 0-С₂  при ее скольжении, равном 100%, меньше Ммакс.

 Пуск привода при номинальной нагрузке Мн и характеристике гидромуфты, например, 2 (Рис.3) можно условно разделить на три фазы.
В первой фазе при неподвижной турбине двигатель быстро разгоняется по параболе 0-с₂   до точки к пересечения  этой кривой с линией
  Мн=const. При частоте вращения двигателя n_1к турбина совместно с ведомой частью привода страгивается с места и ускоряется,
что соответствует второй фазе пуского процесса. В течение этой фазы двигатель разгоняется, преодолевая момент сопротивления
гидромуфты, изменяющийся так же по параболе 0-с₂. Завершению этой фазы соответствует точка с₂   пересечения  кривой 0-с₂
с рабочим участком характеристики двигателя и точка В на графике 2 характеристики гидромуфты. Третья  завершающая фаза
определяется участком a-c₂ характеристики двигателя и соответственно участком  A-B характеристики гидромуфты. 
В этой фазе момент гидромуфты изменяется от Мкр до Мн.

На рис.4 приведена конструкция пускопредохранительной гидромуфты ГПП530 с тормозным шкивом, которая устанавливается на входной вал коническо-цилиндрического редуктора приводного блока ленточного конвейера.  Отличительной особенностью этой  гидромуфты в сравнении с предохранительной является то, что  помимо насоса 1, турбины 2, корпуса 3 и вала 4 турбины  в центральной части полости муфты предусмотрена пусковая камера (камера) 5, образованная внутренней нерабочей поверхностью насоса 1 и прикрепленной к нему крышкой 6. Заполнение  камеры 5  РЖ  при неподвижной гидромуфте и при ее вращении происходит через кольцевой вход 7 , имеющийся в крышке 6.  Выход РЖ  из  камеры 5 в рабочую полость 8 при работе гидромуфты осуществляется через ряд отверстий  9 небольшого сечения, выполненных в цилиндрической стенке указанной камеры. При неподвижном состоянии гидромуфты РЖ свободно заполняет большую часть объема камеры 5. В процессе быстрого пуска двигателя камера 5 под напором насоса полностью заполняется РЖ  и остается максимально заполненной практически до полного разгона машины.         Расход РЖ, перетекающей постоянно в рабочую полость 8 из камеры 5, сполна  компенсируется большим расходом  РЖ, поступающей в нее из каналов турбины 2.   Объем  РЖ в камере 5 начинает уменьшаться лишь после разгона ведомого вала привода до скорости, близкой к номинальной. При этой скорости центробежные силы, воздействующие на  РЖ  в каналах турбины, будут препятствовать ее проникновению к кольцевому входу 7. В связи с этим   рабочая полость будет постепенно пополняться через отверстия 9 РЖ, поступающей из камеры 5.  Последняя  полностью  опорожнится лишь после окончания разгона машины.

 Способность пускопредохранительной гидромуфты удерживать  в пусковом процессе значительную часть РЖ   в полости пусковой камеры
обеспечивает снижение пускового момента привода до значения (1,3-1,6) Мн  и тем самым растянутый во времени плавный разгон машины.

 Ограничение пускового момента в указанных пределах необходимо для большинства ленточных конвейеров, поскольку при этом устраняются
опасные динамические колебания натяжения ленты  и ее пробуксовка по барабанам.

 Экспериментально полученные графики изменения  частот вращения насоса и турбины, а также крутящего момента гидромуфты
ГПП530 в процессах пуска механической системы, имитирующей разгон ленточного конвейера, приведены на рис.5. 

Рассмотрение графических зависимостей n1, n2 и Мг от времени процесса t  указывает на то, что двигатель легко разгоняется за 1,8-2,0 с, в то время как ведомый вал, нагруженный моментом сопротивления, равным Мн, и инерционной нагрузкой (момент инерции 28 кгм2 ), ускоряется до номинальной частоты вращения за 34с.  При  пускопредохранительной гидромуфте  привод приобретает в известном смысле признаки адаптивной системы, т.к. при сниженном моменте сопротивления движению уменьшается и вращающий момент Мг, в связи с чем плавность пуска сохраняется.  Как предохранительные, так и пускопредохранительные гидромуфты могут иметь конструктивное исполнение "гидромуфта-шкив". В таких гидромуфтах шкив  (например шкив клиноременной передачи) прикрепляется к корпусу или к соединенной с ним турбине. Внутреннее лопастное колесо выполняет при таком исполнении функцию насоса.  На рис.6  показана предохранительная гидромуфта ГМШ500 исполнения "гидромуфта-шкив", в которой болтами к турбине 1 присоединен шкив 2. Насос 3 установлен на валу 4, с помощью которого  гидромуфта может быть  консольно смонтирована на валу двигателя.

      Выравнивание нагрузок на двигатели
  В некоторых машинах по условиям компоновки и в соответствии с требованиями эксплуатации необходимо использовать два или более
двигателя для приведения в действие через суммирующий редуктор или отдельные приводные блоки единого исполнительного  органа.

 К таким машинам относятся ленточные и цепные скребковые конвейеры, роторные экскаваторы, дробилки отдельных типов,
горнопроходческие щиты,  комбайны и др.

 В качестве примера ниже показано, каким образом с помощью гидромуфт возможно полностью выровнять нагрузки на каждом из двух двигателей привода.

 Первоначально для сравнения рассмотрим случай работы "жесткого" привода, при котором валы двух двигателей напрямую соединены
с входным валом суммирующего редуктора. В основу определения нагрузки на валах двигателей положено общепринятое допущение,
что рабочая часть графика механической характеристики асинхронного электродвигателя  представляет линейную зависимость момента от скольжения.

 Так как валы обоих двигателей в рассматриваемом случае имеют друг с другом жесткую связь, то  среднее значение рабочей нагрузки 
может быть принято равным удвоенному номинальному моменту  Мн двигателя. В этом случае справедливым будет равенство:

         М_1д + М_2д= 2Мн  (1),   где  М_1д, М_2д-моменты соответственно на валу 1-го и 2-го двигателей

         Эти моменты  равны:

                                            М_1д  =М _н ·(n_s-n_p)S_1д · n_s
                                            M_2д  =М_н ·(n_s-n_p)S_2д · n_s

n_s-синхронная частота вращения двигателей,
n_p-частота вращения входного вала редуктора,
S_1д, S_2д   - скольжение соответственно 1-го и 2-го двигателя.

Подставляя в равенство (2) соответствующие выражения для М_1д  иМ_2д, можно найти фактическое значение n_p .

                                                n_p = n_s - (2 n_s S_1д S_2д)/( S_1д + S_2д)

Роторы обоих двигателей вращаются с частотой  n_p и скольжением S_1д = S_2д =(n_s -n_p)/n_s. Моменты М_1д  иМ_2д при предельном, но допустимом
отклонении скольжения в пределах   ±20%  (ГОСТ 183-74) могут отличаться в 1,5 раза. При переменном характере сил, воздействующих
на исполнительный орган машины, разброс  нагрузки может быть достаточно большим и опасным, по меньшей мере,  для 1-го двигателя.

 При установке в привод гидромуфт скольжение их колес может быть различным за счёт небольшой разницы в заполнении полости РЖ.
Скольжение гидромуфт, связанных соответственно  с1-м и 2-м двигателем равно:

                                                S_1г =1-( n_p / n_1д )
                                                S_2г = 1-( n_p / n_2д )

 Частота вращения турбин обеих гидромуфт, жёстко связанных между собой через редуктор, одинакова и равна n_p,
поэтому  n_1д (1-S_1г)=n_2д (1-S_2г)    (2).

 При этом необходимо иметь в виду, что с 1-м двигателем работает гидромуфта, имеющая большее скольжение и наоборот, т.е.   S_1г > S₂.

 Если известны значения частот вращения 1-го и 2-го двигателей при Мн и величина скольжения, например, гидромуфты 2-го двигателя S_2г,
то величина скольжения S_1г гидромуфты, работающей с первым двигателем, определяется из равенства (3). S1г =1- n_2д  /n_1д·(1-S_2г).

 При n_s =1500 мин^-1и значениях n_1д =1483мин^-1,  n_2д=1476 мин^-1 и S_2г=0,035 (3,5%) скольжение S_1г  будет равным 4%, а моменты
обоих двигателей равными Мн при предельных  отклонениях  их номинального скольжения. Как показывает опыт уменьшение скольжения
гидромуфты на 0,5% может быть достигнуто при уменьшении заполнения ее полости РЖ на 4-5%.

На рис.7 показана связь моментов в функции скольжения для  вышеуказанных случаев двухдвигательного привода. Линии 1 и 2 относятся к рабочему участку характеристики соответственно 1-го и 2-го двигателей, линия 3 соответствует  номинальному скольжению Sдн= S1д =S2д , значение которого предусмотрено ГОСТом или ТУ.  Кривыми  а и б обозначены моментные нагрузочные параболы гидромуфты при ее заполнении РЖ  Q1 и Q2 .  Обе кривые являются графиками квадратичной зависимости Мг от частоты вращения двигателя. В приведенном случае Q1 < Q2, поэтому гидромуфта, имеющая  скольжение S1г, должна работать  совместно с 1-м двигателем ,собственное скольжение которого S1д  меньше скольжения 2-го двигателя S2д.  Последний должен работать с гидромуфтой, скольжение которой равно S2г  при заполнении Q2.  Точки А и В интерпретируют совместную работу гидромуфт с соответствующими двигателями.  Практика эксплуатации гидромуфт мощностью 250 квт в  двухдвигательном приводе ротора высокопроизводительных экскаваторов  ЭР1250-ОЦ на угольных разрезах Восточной Сибири и Казахстана  показала, что срок службы двигателей увеличился более, чем вдвое. При этом сократилось  и число  простоев из-за выхода из строя зубчатых передач редуктора. В связи с этим  уменьшилась в целом потеря производительности роторного экскаватора.

 Расчетная долговечность составных частей привода , находящегося под воздействием нестационарных нагрузок
широкого спектра амплитуд и частот, определяется зависимостью

                                  Т= К/Σ ( Fni )^m ε_i f_i (час), где

К-статическая долговечность, час,
Fni- приведенная нагрузка,

                                            Fni = ( ψ Fст+Аi),

Ψ- коэффициент приведения нагрузки,
Fст-статическая составляющая нагрузки,
Аi-текущее значение удвоенной амплитуды колебания нагрузки,
f_i- текущая частота  колебания нагрузки,
ε_i- частость нагрузки при текущей частоте f_{i ,}
m- коэффициент, зависящий от условий и режимов эксплуатации машины.(для  горнодобывающих машин m=5-7).

Не углубляясь в анализ формулы долговечности, можно заметить, что  снижение амплитуды  колебаний нагрузки приводит
к существенному повышению долговечности.

 На рис.8 показана расчетная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) по крутящему моменту в механической трансмиссии для двух
вариантов привода:  электромеханического привода  с гидромуфтой (1) и такого же привода, но без гидромуфты (2). Расчет выполнен
применительно к параметрам роторного экскаватора  SR(s)-160 с гидромуфтой Т-120. 

 На приведенных графиках АМр- амплитуда крутящего момента в редукторе, АМс-амплитуда внешнего момента сопротивления на входе
в редуктор; по оси абсцисс отложена  текущая частота нагрузки f_i. Сопоставляя АЧХ обоих вариантов привода, можно установить,
что динамичность нагрузок в случае установки в привод гидромуфты снижается примерно в 1,5 раза. Аналогичные зависимости,
рассчитанные для моментов в двигателе, свидетельствуют о снижении динамичности нагрузок в двигателе как минимум в 2 раза.

 Приведенные данные, подтвержденные экспериментально, указывают на то, что гидромуфта не только не пропускает на двигатель
высокочастотные колебания крутящего момента, но и уменьшает его амплитуду в звеньях трансмиссии.

 В случае стопорения исполнительного органа машины кинетическая энергия, переходящая в потенциальную энергию деформации элементов
механической передачи, при использовании гидромуфты в 6-8 раз меньше, чем  при ее отсутстввии. Это в значительной степени обусловлено тем,
что момент инерции турбины намного меньше момента инерции ротора двигателя.

 На рис.9 приведена осциллограмма процесса стопорения ведомого вала гидромуфты мощностью 110квт за время 0,3с.
Под воздействием пиковой нагрузки двигатель, как это следует из кривой изменения его частоты вращения nд, не "опрокидывается"
и за счет высокого быстродействия гидромуфты в считанные доли секунды  достигает рабочей частоты вращения при неподвижной турбине( nт=0).

      Заключение
  Включением  гидромуфты в состав привода достигается существенное улучшение его статических и динамических
характеристик, что способствует  повышению эксплуатационной надежности машин.

 Гидромуфта, способная в режимах пуска и торможения ограничивать заданным значением крутящий момент, является
эффективным быстродействующим средством защиты от недопустимых перегрузок двигателя,
механической передачи и машины в целом.

 Обладая свойствами демпфирования и гашения крутильных колебаний, пульсирующих и пиковых нагрузок, гидромуфта 
позволяет  увеличить срок службы машин. 

 Гидромуфты ведущих фирм Запада широко используются во всех отраслях промышленности большинства стран мира.
В то же время в России так же, как и в странах СНГ, наблюдается значительное отставание в сфере серийного
производства и применения гидромуфт, что снижает  технический уровень и эксплутационную надежность многих
отечественных машин.