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.

      Основные функциональные особенности  гидромуфт.
При использовании гидромуфт привод машин приобретает целый ряд положительных свойств, из которых наиболее важными являются:
- страгивание с места с нулевыми значениями начального момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости,
- предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске,
- возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надежные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных
условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины,
- суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при равномерном распределении нагрузки на эти двигатели,
и возможность их поочередного запуска, - стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстанавливаемость
рабочего режима при устранении перегрузки,
- возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также ее торможения противовращением при реверсировании двигателя,
- демпфирование и гашение крутильных колебаний крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин.

К этому целесообразно добавить также такие особенности как высокий К.П.Д. гидромуфты (0,96-0,98), простота конструкции и настройки,
отсутствие силовых пар трения, передающих крутящий момент. Изменение наполнения РЖ и введение в полость гидромуфты простого
дросселирующего диска позволяют расширить диапазон передаваемой мощности.

      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.

Выше упоминалось, что использование гидромуфты в приводе  способствует гашению крутильных колебаний и снижению динамических
пульсирующих и пиковых нагрузок,  действующих в рабочем режиме машины как  в элементах передачи, так и в приводном двигателе.

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.

      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.