Tekniske grundprincipper: Hydrauliske motorer

Download denne artikel i .PDF-format

Fig. 1. Udvendige tandhjulsmotorer har et drivhjul og et tomgangshjul, der er indkapslet i et enkelt hus. Udgangsmomentet er en funktion af trykket på én tand, fordi trykket på de andre tænder er i hydraulisk balance.

Alle typer hydrauliske motorer har disse fælles konstruktionsegenskaber: et drivfladeområde, der er udsat for trykdifferentiale; en måde at tidsindstille tilførslen af trykvæske til trykfladen på for at opnå kontinuerlig rotation; og en mekanisk forbindelse mellem overfladeområdet og en udgangsaksel.

Trykfladernes evne til at modstå kraft, lækageegenskaberne for hver type motor og effektiviteten af den metode, der anvendes til at forbinde trykfladen og udgangsakslen, bestemmer motorens maksimale ydeevne med hensyn til tryk, flow, drejningsmomentudgang, hastighed, volumetrisk og mekanisk effektivitet, levetid og fysisk konfiguration.

Motorens deplacement henviser til den mængde væske, der kræves for at dreje motorens udgangsaksel gennem en omdrejning. De mest almindelige enheder for motorforskydning er in.3 eller cm3 pr. omdrejning.

Hydrauliske motorers forskydning kan være fast eller variabel. En motor med fast forskydning giver et konstant drejningsmoment. Hastigheden varieres ved at regulere mængden af inputstrøm til motoren. En motor med variabel forskydning giver variabelt drejningsmoment og variabel hastighed. Med konstant tilførselsstrøm og tryk kan drejningsmomentet og hastighedsforholdet varieres for at opfylde belastningskravene ved at variere forskydningen.

Momentudgangen udtrykkes i inch-pound eller foot-pound og er en funktion af systemtrykket og motorens forskydning. Motorens drejningsmomentangivelser er normalt angivet for et bestemt trykfald over motoren. Teoretiske tal angiver det drejningsmoment, der er tilgængeligt ved motorakslen under forudsætning af, at der ikke forekommer mekaniske tab.

Breakaway-drejningsmoment er det drejningsmoment, der er nødvendigt for at få en stationær belastning til at dreje. Der kræves mere drejningsmoment for at sætte en belastning i bevægelse end for at holde den i bevægelse.

Det løbende drejningsmoment kan henvise til en motors belastning eller til motoren. Når det henviser til en belastning, angiver det det drejningsmoment, der kræves for at holde belastningen i rotation. Når det henviser til motoren, angiver det kørende drejningsmoment det faktiske drejningsmoment, som en motor kan udvikle for at holde en belastning i rotation. Driftsmomentet tager hensyn til en motors ineffektivitet og er en procentdel af dens teoretiske drejningsmoment. Driftsmomentet for almindelige tandhjuls-, lamel- og stempelmotorer er ca. 90 % af det teoretiske.

Startmomentet henviser til en hydraulikmotors evne til at starte en belastning. Det angiver det drejningsmoment, som en motor kan udvikle for at starte en belastning i rotation. I nogle tilfælde er dette betydeligt mindre end motorens drejningsmoment i drift. Startmomentet kan også udtrykkes som en procentdel af det teoretiske drejningsmoment. Startmomentet for almindelige tandhjuls-, lamel- og stempelmotorer ligger mellem 70 % og 80 % af det teoretiske.

Mekanisk virkningsgrad er forholdet mellem det faktisk leverede drejningsmoment og det teoretiske drejningsmoment.

Drejningsmomentbølgen er forskellen mellem det mindste og det største drejningsmoment, der leveres ved et givet tryk i løbet af en motoromdrejning.

Motorhastigheden er en funktion af motorens forskydning og den mængde væske, der tilføres motoren.

Maksimal motorhastighed er den hastighed ved et bestemt indsugningstryk, som motoren kan opretholde i et begrænset tidsrum uden at blive beskadiget.

Minimal motorhastighed er den laveste, kontinuerlige, uafbrudte omdrejningshastighed, der er tilgængelig fra motorens udgangsaksel.

Slipning er lækage gennem motoren – eller væske, der passerer gennem motoren uden at udføre arbejde.

Tandhjulsmotorer

Eksterntgearmotorer, figur 1, består af et par matchende tandhjul, der er indkapslet i et hus. Begge tandhjul har samme tandform og drives af trykvæske. Det ene tandhjul er forbundet med en udgangsaksel; det andet er et tomgangshjul. Trykvæsken trænger ind i huset på et sted, hvor tandhjulene griber ind i hinanden. Den tvinger tandhjulene til at rotere og følger den vej, der giver mindst mulig modstand, rundt om husets periferi. Væsken kommer ud med lavt tryk på den modsatte side af motoren.

Tætte tolerancer mellem tandhjul og hus er med til at kontrollere væskelækage og øge den volumetriske effektivitet. Slidplader på siderne af tandhjulene forhindrer tandhjulene i at bevæge sig aksialt og er med til at kontrollere lækage.

Interne tandhjulsmotorer falder i to kategorier. En direkte drevet gerotormotor består af et indvendigt-udvendigt gearsæt og en udgangsaksel, figur 2. Det indre tandhjul har en tand mindre end det ydre. Tænderne er udformet således, at alle tænder på det indre tandhjul til enhver tid er i kontakt med en del af det ydre tandhjul. Når der tilføres trykvæske til motoren, roterer begge tandhjul. Motorhuset har indbyggede nyrelignende ind- og udløbsåbninger. De to tandhjuls rotationscentre er adskilt af et givet beløb, der kaldes excentricitet. Centrum for det indre tandhjul falder sammen med centrum for udgangsakslen.

Figur 2. Direkte drevet gerotormotor har interne og eksterne gearsæt. Begge tandhjul roterer under drift.

I figur 2(a) kommer trykvæske ind i motoren gennem indsugningsåbningen. Da det indre tandhjul har en tand mindre end det ydre, dannes der en lomme mellem de indre tænder 6 og 1 og den anden sokkel A. Den nyreformede indløbsport er udformet således, at væskestrømmen lukkes, netop som denne lommes volumen når sit maksimum, idet spidserne af de indre tandhjulstænder 6 og 1 udgør en tætning, figur 2(b).

Da det indre og det ydre tandhjul fortsætter med at rotere, figur 2(c), dannes der en ny lomme mellem de indre tænder 6 og 5 og den ydre sokkel G. I mellemtiden har den lomme, der er dannet mellem de indre tænder 6 og 1 og den ydre sokkel A, flyttet sig rundt over for den nyreformede udløbsport, og der sker et støt afløb i takt med, at lommens volumen mindskes. Den gradvise, doserede volumenændring af lommerne under indløb og udløb giver en jævn, ensartet væskestrømning med et minimum af trykvariationer (eller krusninger).

På grund af den ekstra tand i det ydre tandhjul bevæger de indre tandhjulstænder sig foran de ydre med en tand pr. omdrejning. I figur 2(c) sidder den inderste tand 4 i den yderste bøsning E. Ved næste omdrejning vil den inderste tand 4 sidde i den yderste bøsning F. Dette giver en lav relativ differentialhastighed mellem tandhjulene.

En omløbende gerotormotor, figur 3, består af et sæt af tilpassede tandhjul, en kobling, en udgangsaksel og en kommutator eller ventilplade. Det stationære yderhjul har en tand mere end det roterende inderhjul. Kommutatoren drejer med samme hastighed som det indre tandhjul og sørger altid for trykvæske og en passage til at tanke til de rette mellemrum mellem de to tandhjul.

I drift, figur 3(a), er tand 1 på det indre tandhjul justeret nøjagtigt i udtaget D på det ydre tandhjul. Punkt y er centrum af det stationære tandhjul, og punkt x er centrum af rotoren. Hvis der ikke var nogen væske, ville rotoren frit kunne dreje om sokkel D i begge retninger. Den kunne bevæge sig i retning af sidetand 2 i sokkel E eller omvendt i retning af sidetand 6 i sokkel J.

Figur 3. Orbiterende gerotormotor har et stationært yderhjul og et roterende inderhjul. Rotoren og akslen drejer mod uret, men punkt X’s lokus er med uret. Kommutator eller ventilplade, der er vist under illustrationen af hvert trin af motorens rotation, giver tryk og tank passage for trykvæske.

Når trykvæske strømmer ind i den nederste halvdel af volumenet mellem det indre og det ydre tandhjul, hvis der er en passage til tanken for den øverste halvdel af volumenet mellem det indre og det ydre tandhjul, induceres et moment, der roterer det indre tandhjul mod uret og begynder at sætte tand 2 på plads i sokkel E. Tand 4 udgør på det tidspunkt, der er vist i figur 3(a), en tætning mellem tryk og returvæske.

Men efterhånden som rotationen fortsætter, bliver punktet x placeret med uret. Efterhånden som hver efterfølgende tand på rotoren sætter sig i sin sokkel (figur 3(b)), bliver den tand på rotoren, der ligger lige over for den tand, der sidder i soklen, tætningen mellem tryk og returvæske. Trykvæsken fortsætter med at tvinge rotoren til at gribe ind i en retning med uret, mens den drejer mod uret.

På grund af det ene ekstra sokkel i det faste tandhjul vil tand 1, næste gang den sætter sig, sidde i sokkel J. På det tidspunkt har akslen drejet 1/7 af en omdrejning, og punkt x har bevæget sig 6/7 af sin fulde cirkel. I figur 3(c) har tand 2 sat sig ind i fatning D, og punkt x er igen blevet justeret mellem fatning D og punkt y, hvilket indikerer, at rotoren har foretaget en hel omdrejning inden for det ydre tandhjul. Tand 1 har bevæget sig i en vinkel på 60° fra sit oprindelige punkt i figur 3(a); der skal 42 (eller 6 X 7) tandindgreb eller væskecyklusser til, før akslen har fuldført en omdrejning.

Kommutatoren eller ventilpladen, der er vist i figur 3(d), (e) og (f), indeholder tryk- og tankpassager for hver tand i rotoren. Passagerne er placeret med en sådan afstand, at de ikke giver mulighed for tryk eller returstrøm til den pågældende port, når en tand sidder i sin sokkel. På alle andre tidspunkter er passagerne blokeret eller giver trykvæske eller en tankpassage i den relevante halvdel af motoren mellem tandhjulene.

En rullevinge-gerotormotor, figur 4, er en variant af den omløbende gerotormotor. Den har et stationært ringhjul (eller stator) og et bevægeligt planethjul (eller rotor). I stedet for at blive fastholdt af to glidelejer fastholdes planetgearets excentriske arm af indgrebet mellem den 6-tandede rotor og den 7-tandede stator. I stedet for direkte kontakt mellem stator og rotor er der indbygget rullevinger til at danne forskydningskamrene. Rulleflagerne reducerer slitage, hvilket gør det muligt at anvende motorerne i hydrostatiske kredsløb med lukket kredsløb og højt tryk som direkte monterede hjuldrev.

Flyvehjulsmotorer

Figur 5. Lamelmotorer (vist afbalanceret type) har lameller i en slidset rotor.

Lamelmotorer, figur 5, har en slidset rotor monteret på en drivaksel, der drives af rotoren. Vaner, der er tæt monteret i rotorslillerne, bevæger sig radialt for at tætne mod kamringen. Ringen har to store og to små radiale sektioner, der er forbundet af overgangssektioner eller ramper. Disse konturer og det tryk, der tilføres dem, er diametralt afbalanceret.

I nogle konstruktioner tvinger lette fjedre lamellerne radialt mod kamkonturen for at sikre en tætning ved nul hastighed, så motoren kan udvikle et startmoment. Fjedrene bistås af centrifugalkraft ved højere omdrejninger. Radiale riller og huller gennem lamellerne udligner de radiale hydrauliske kræfter på lamellerne til enhver tid.

Trykvæske kommer ind i og ud af motorhuset gennem åbninger i sidepladerne ved ramperne. Trykvæske, der kommer ind ved indsugningsåbningerne, bevæger rotoren mod uret. Rotoren transporterer væsken til rampeåbningerne ved udløbsåbningerne for at vende tilbage til tanken. Hvis der blev indført tryk ved udløbsåbningerne, ville det dreje motoren med uret.

Rotoren er aksialt adskilt fra sidepladernes overflader af væskefilmen. Den forreste sideplade er fastspændt mod kamringen ved hjælp af tryk og opretholder optimale mellemrum, når temperatur og tryk ændrer dimensioner.

Vane-motorer giver gode driftseffektiviteter, men ikke så høje som stempelmotorers. Vanemotorerne koster dog generelt mindre end stempelmotorer med tilsvarende hestekræfter.

Livstiden for en vanemotor er normalt kortere end for en stempelmotor. Lamelmotorer fås med forskydninger på 20 in.3/omdrejning; nogle modeller med lav hastighed/højt drejningsmoment fås med forskydninger på op til 756 in.3/omdrejning. Med undtagelse af modellerne med høj forskydning og lav hastighed har lamelmotorer begrænset mulighed for lav hastighed.

Stempelmotorer

Fig. 6. Typisk radialstempelmotor.

Radialstempelmotorer, figur 6, har et cylinderrør, der er fastgjort til en drevet aksel; cylinderrøret indeholder et antal stempler, der bevæger sig frem og tilbage i radiale boringer. De ydre stempelender hviler mod en trykring. Trykvæske strømmer gennem en pintle i midten af cylindertønden for at drive stemplerne udad. Stemplerne skubber mod trykringen, og reaktionskræfterne roterer tønden.

Motorens forskydning varieres ved at forskyde glideblokken sideværts for at ændre stempelslaget. Når centerlinjerne for cylindertromlen og huset falder sammen, er der ingen væskestrøm, og cylindertromlen stopper derfor. Ved at flytte skydeblokken forbi midten vendes motorens omdrejningsretning.

Radialstempelmotorer er meget effektive. Selv om den høje grad af præcision, der kræves ved fremstillingen af radialstempelmotorer, øger de indledende omkostninger, har de generelt en lang levetid. De giver et højt drejningsmoment ved relativt lave akselhastigheder og fremragende drift ved lave hastigheder med høj effektivitet; de har begrænsede muligheder for høje hastigheder. Radiale stempelmotorer har forskydninger på op til 1.000 in.3/rev.

Aksialstempelmotorer anvender også det frem- og tilbagegående stempelbevægelsesprincip til at dreje udgangsakslen, men bevægelsen er aksial i stedet for radial. Deres virkningsgradskarakteristika svarer til dem for radialstempelmotorer. I begyndelsen koster aksialstempelmotorer mere end lamel- eller tandhjulsmotorer mere end lamel- eller tandhjulsmotorer med tilsvarende hestekræfter, og ligesom radialstempelmotorer har de en lang driftslevetid. Derfor afspejler deres højere startomkostninger måske ikke helt de forventede samlede omkostninger i løbet af et udstyrs levetid.

Figur 7. Snitskitse af inline aksialstempelhydraulikmotor.

Generelt har aksialstempelmotorer fremragende egenskaber ved høje hastigheder, men i modsætning til radialstempelmotorer er de begrænsede ved lave driftshastigheder: inlinetypen vil fungere jævnt ned til 100 omdrejninger pr. minut, og den bøjet-aksiale type vil give jævn ydelse ned til 4 omdrejninger pr. minut. Axialstempelmotorer fås med forskydninger fra en brøkdel til 65 in.3/rev.

Inline-stempelmotorer, figur 7, genererer drejningsmoment ved hjælp af det tryk, der udøves på enderne af stempler, som bevæger sig frem og tilbage i en cylinderblok. I inline-konstruktionen er motorens drivaksel og cylinderblokken centreret om samme akse. Trykket i enderne af stemplerne forårsager en reaktion mod en skråtstillet skråplade og roterer cylinderblokken og motorakslen. Drejningsmomentet er proportionalt med kolbenes areal og er en funktion af den vinkel, hvormed skiftpladen er placeret.

Disse motorer bygges i modeller med fast og variabel slagvolumen. Skifterpladens vinkel bestemmer motorens forskydning. I den variable model er skivepladen monteret i et svingbart åg, og vinklen kan ændres på forskellige måder – lige fra et simpelt håndtag eller et håndhjul til sofistikerede servostyringer. En forøgelse af skråpladevinklen øger drejningsmomentkapaciteten, men reducerer drivakselhastigheden. Omvendt reducerer en reduktion af vinklen drejningsmomentkapaciteten, men øger drivakselhastighederne (medmindre væsketrykket falder). Der er indbygget vinkelstop, så drejningsmoment og hastighed holder sig inden for driftsgrænserne.

En kompensator varierer motorens forskydning som reaktion på ændringer i arbejdsbelastningen. Et fjederbelastet stempel er forbundet med åget og bevæger det som reaktion på variationer i driftstrykket. Enhver forøgelse af belastningen ledsages af en tilsvarende trykforøgelse som følge af de ekstra momentkrav. Styringen justerer derefter automatisk åget, således at drejningsmomentet øges, når belastningen er lille. Ideelt set regulerer kompensatoren forskydningen for maksimal ydelse under alle belastningsforhold op til aflastningsventilens indstilling.

Fig. 8. Tværsnit af stempelmotor med bøjet akse.

Stempelmotorer med bøjet akse, figur 8, udvikler drejningsmoment gennem en reaktion på tryk på de frem- og tilbagegående stempler. I denne konstruktion er cylinderblokken og drivakslen monteret i en vinkel i forhold til hinanden; reaktionen sker mod drivakselflangen.

Hastighed og drejningsmoment ændres med ændringer i vinklen – fra en forudbestemt minimumshastighed med maksimal forskydning og maksimalt drejningsmoment ved en vinkel på ca. 30° til en maksimumshastighed med minimal forskydning og minimalt drejningsmoment ved ca. 7-1/2°. Der findes både modeller med fast og variabel forskydning.

Rotary abutment-motorer

Rotary abutment-motorer, figur 9, har abutment A, som roterer for at passere roterende vane B, mens det andet abutment C er i vekslende tætningsforbindelse med rotornavet. Drejningsmomentet overføres direkte fra væsken til rotoren og fra rotoren til akslen. Timinggear mellem udgangsakslen og de roterende anslag holder rotorbladet og anslagene i den rette fase. En rulle i en skæresvansrille i spidsen af rotorbladet giver en positiv tætning, der er stort set gnidningsfri og relativt ufølsom over for slid. Tætningskræfterne er høje, og friktionstabet er lavt på grund af den rullende kontakt.

En skruemotor er i princippet en pumpe med omvendt strømningsretning for væsken. En skruemotor anvender tre skruer med indgreb – en kraftrotor og to tomgangsrotorer, figur 10. De uhjulpne rotorer fungerer som tætningsringe, der danner på hinanden følgende isolerede spiralformede kamre i et tætsiddende rotorhus. Differenstryk, der virker på gevindområderne i skruesættet, udvikler motorens drejningsmoment.

Løsgående rotorer svæver i deres boringer. Skruesættets omdrejningshastighed og væskens viskositet skaber en hydrodynamisk film, der støtter tomgangsrotorerne, ligesom en aksel i et glideleje for at muliggøre højhastighedsdrift. Det rullende skruesæt giver en støjsvag og vibrationsfri drift.

Valg af hydraulikmotor

Figur 9. Anhug A på den roterende anhugningsmotor drejer forbi roterende vane B, mens det andet anhug C, kommer i kontakt med tætningspladen for at adskille områder med højt og lavt tryk. Tætningsnåle i vanespidserne og rotorens periferi giver en næsten gnidningsfri tætning. Rotoren drejer med uret, når der påføres trykvæske på port 1.

Den hydrauliske motors anvendelse dikterer generelt den krævede hestekraft og motorens hastighedsområde, selv om den faktiske hastighed og det krævede drejningsmoment undertiden kan varieres, samtidig med at den krævede hestekraft opretholdes. Den valgte motortype afhænger af den krævede pålidelighed, levetid og ydeevne.

Når væsketypen er fastlagt, er valget af den faktiske størrelse baseret på den forventede levetid og økonomien i den samlede installation på maskinen.

En væskemotor, der drives ved mindre end den nominelle kapacitet, vil give en levetidsforlængelse, der er mere end proportional med reduktionen i drift under den nominelle kapacitet.

Den maksimale hestekraft, der produceres af en motor, nås ved drift ved det maksimale systemtryk og ved den maksimale akselhastighed. Hvis motoren altid skal drives under disse betingelser, vil dens oprindelige omkostninger være mindst. Hvis udgangshastigheden skal reduceres, skal motorens samlede omkostninger med hastighedsreduktion imidlertid tages i betragtning – for at optimere de samlede installationsomkostninger for drevet.

Dimensionering af hydraulikmotorer

Som et eksempel på, hvordan man beregner hydraulikmotorens størrelse til at passe til en applikation, kan man overveje følgende: En applikation kræver 5 hk ved 3.000 omdrejninger pr. minut, med et tilgængeligt forsyningstryk på 3.000 psi og et returledningstryk på 100 psi; trykdifferentialet er 2.900 psi.

Det nødvendige teoretiske drejningsmoment beregnes ud fra:

T = (63,0252 3 hestekræfter)/N

hvor:
T er drejningsmoment, lb-in., og
N er omdrejningstallet, o/min.
For betingelsen T = 105 lb-in.

Motorens forskydning beregnes som:

D = 2π T ÷ ΔPeM

hvor:
D er forskydning, in.3/omdrejning
ΔP er trykdifferentialet, psi, og
eM er mekanisk virkningsgrad, %.
Hvis den mekaniske virkningsgrad er 88 %, er D 0,258 in.3/omdrejning.

Beregning af det nødvendige flow:

Q = DN/231eV,

hvor: Q er flowet, gpm, og
eV er den volumetriske effektivitet, %.
Hvis den volumetriske effektivitet er 93 %, er Q 3,6 gpm.

Trykket i disse ligninger er forskellen mellem indgangs- og udgangstrykket. Ethvert tryk ved udløbsporten reducerer således drejningsmomentet for en væskemotor.

Virkningsgraden for de fleste motorer vil være ret konstant, når de drives fra halvt til fuldt nominelt tryk og over den midterste del af det nominelle hastighedsområde. Når hastigheden nærmer sig begge ekstremer, falder virkningsgraden.

Lejre driftstryk resulterer i lavere samlede virkningsgrader på grund af faste interne roterende tab, der er karakteristiske for enhver væskemotor. Reduktion af forskydningen fra maksimum i motorer med variabel forskydning reducerer også den samlede effektivitet.

Hydrauliske motorfejl

De fleste motorproblemer falder ind under disse kategorier:

Mangelfuld væske – Motoren er ikke anderledes end nogen af de andre komponenter i det hydrauliske system – den skal have ren væske, i tilstrækkelig mængde og af den rette kvalitet og viskositet.

Mangelfuld vedligeholdelse – Et dårligt vedligeholdelsesprogram kommer på andenpladsen som årsag til større problemer. Typiske fejl i et program omfatter:

• Undladelse af at kontrollere og reparere ledninger og forbindelser for at stoppe utætheder; defekte forbindelser kan tillade snavs og luft ind i systemet, sænke trykket og forårsage uregelmæssig drift.
• Undladelse af at installere motoren korrekt. Motorakslen er ikke korrekt indstillet, hvilket kan medføre lejeslid, som kan føre til tabt effektivitet. En forkert justeret aksel kan også reducere drejningsmomentet, øge gnidningsmodstand og opvarmning og resultere i akselsvigt.
• Undlader at finde årsagen til en motorfejl. Hvis en motor svigter, skal du altid søge efter årsagen til fejlen. Det er indlysende, at hvis årsagen ikke afhjælpes, vil fejlen gentage sig.

Ukorrekt drift – Overskridelse af en motors driftsgrænser fremmer motorsvigt. Hver motor har konstruktionsbegrænsninger med hensyn til tryk, hastighed, drejningsmoment, forskydning, belastning og temperatur. Overdrevent tryk kan generere varme på grund af motorens glidning og kan få motoren til at overskride drejningsmomentgrænserne. Overdreven hastighed kan forårsage opvarmning og kan medføre slid på lejer og andre interne dele.

Et for højt drejningsmoment kan forårsage træthed og stress på lejer og motorakslen, især ved anvendelser, der kræver hyppig motoromvending. Overdreven belastning kan skabe træthed i lejer og aksel. Og endelig kan for høj temperatur medføre tab af effektivitet, fordi olien bliver tyndere, og kan give hurtigt slid på grund af manglende smøring.

Download denne artikel i .PDF-format