Podstawy Inżynierii: Hydraulic Motors

Download this article in .PDF format

Fig. 1. Silniki o zazębieniu zewnętrznym mają jedną przekładnię napędzającą i jedną przekładnię zębatą napędzaną, zamkniętą w jednej obudowie. Wyjściowy moment obrotowy jest funkcją ciśnienia na jednym zębie, ponieważ ciśnienie na innych zębach jest w równowadze hydraulicznej.

Wszystkie typy silników hydraulicznych mają te wspólne cechy konstrukcyjne: powierzchnię napędową podlegającą różnicy ciśnień; sposób rozłożenia w czasie przepływu cieczy ciśnieniowej do powierzchni ciśnieniowej w celu osiągnięcia ciągłego obrotu; oraz połączenie mechaniczne pomiędzy powierzchnią a wałem wyjściowym.

Zdolność powierzchni ciśnieniowych do wytrzymania siły, charakterystyka szczelności każdego typu silnika oraz skuteczność metody stosowanej do łączenia powierzchni ciśnieniowej z wałem wyjściowym określają maksymalne osiągi silnika w zakresie ciśnienia, przepływu, wyjściowego momentu obrotowego, prędkości, sprawności objętościowej i mechanicznej, okresu użytkowania i konfiguracji fizycznej.

Przemieszczenie silnika odnosi się do objętości płynu wymaganej do obrócenia wału wyjściowego silnika o jeden obrót. Najczęściej stosowanymi jednostkami objętości silnika są in.3 lub cm3 na obrót.

Przemieszczenie silników hydraulicznych może być stałe lub zmienne. Silnik o stałej objętości skokowej zapewnia stały moment obrotowy. Prędkość jest zmieniana poprzez kontrolowanie ilości przepływu wejściowego do silnika. Silnik o zmiennej objętości skokowej zapewnia zmienny moment obrotowy i zmienną prędkość. Przy stałym przepływie wejściowym i ciśnieniu, stosunek momentu obrotowego do prędkości może być zróżnicowany w celu spełnienia wymagań obciążenia poprzez zmianę przemieszczenia.

Wyjściowy moment obrotowy jest wyrażany w funtach calowych lub funtach nożnych i jest funkcją ciśnienia układu i przemieszczenia silnika. Wartości znamionowe momentu obrotowego silnika są zazwyczaj podawane dla określonego spadku ciśnienia w silniku. Liczby teoretyczne wskazują moment obrotowy dostępny na wale silnika przy założeniu braku strat mechanicznych.

Moment obrotowy oderwania jest momentem obrotowym wymaganym do obrócenia nieruchomego obciążenia. Większy moment obrotowy jest wymagany do rozpoczęcia ruchu ładunku niż do utrzymania go w ruchu.

Biegowy moment obrotowy może odnosić się do obciążenia silnika lub do silnika. Gdy odnosi się do obciążenia, wskazuje moment obrotowy wymagany do utrzymania obciążenia w ruchu. Gdy odnosi się do silnika, moment obrotowy wskazuje rzeczywisty moment obrotowy, który silnik może rozwinąć, aby utrzymać obciążenie w ruchu. Moment obrotowy uwzględnia nieefektywność silnika i stanowi procent jego teoretycznego momentu obrotowego. Moment obrotowy silników zębatych, łopatkowych i tłokowych wynosi około 90% momentu teoretycznego.

Moment obrotowy rozruchu odnosi się do zdolności silnika hydraulicznego do uruchomienia obciążenia. Wskazuje on ilość momentu obrotowego, który silnik może rozwinąć, aby rozpocząć obracanie ładunku. W niektórych przypadkach jest on znacznie mniejszy niż moment obrotowy silnika podczas pracy. Moment rozruchowy może być również wyrażony jako procent teoretycznego momentu obrotowego. Moment rozruchowy dla powszechnie stosowanych silników zębatych, łopatkowych i tłokowych wynosi od 70% do 80% momentu teoretycznego.

Sprawność mechaniczna jest stosunkiem rzeczywistego momentu obrotowego dostarczonego do momentu teoretycznego.

Ripple momentu obrotowego jest różnicą między minimalnym i maksymalnym momentem obrotowym dostarczonym przy danym ciśnieniu podczas jednego obrotu silnika.

Prędkość silnika jest funkcją przemieszczenia silnika i objętości płynu dostarczonego do silnika.

Maksymalna prędkość silnika to prędkość przy określonym ciśnieniu wlotowym, którą silnik może utrzymać przez określony czas bez uszkodzenia.

Minimalna prędkość silnika to najwolniejsza, ciągła, nieprzerwana prędkość obrotowa dostępna na wale wyjściowym silnika.

Poślizg to przeciek przez silnik – lub płyn, który przechodzi przez silnik bez wykonywania pracy.

Silniki zębate

Silniki z przekładnią zewnętrzną, rysunek 1, składają się z pary dopasowanych kół zębatych zamkniętych w jednej obudowie. Oba koła zębate mają taki sam kształt zębów i są napędzane przez ciecz pod ciśnieniem. Jedno koło zębate jest połączone z wałem wyjściowym, drugie jest kołem zębatym. Ciecz pod ciśnieniem dostaje się do obudowy w miejscu zazębienia kół zębatych. Zmusza ona koła zębate do obracania się i podąża ścieżką najmniejszego oporu po obwodzie obudowy. Płyn wychodzi przy niskim ciśnieniu po przeciwnej stronie silnika.

Ścisłe tolerancje między kołami zębatymi a obudową pomagają kontrolować wyciek płynu i zwiększają sprawność objętościową. Płyty ślizgowe po bokach kół zębatych zapobiegają ich osiowemu przesuwaniu się i pomagają kontrolować wycieki.

Silniki z przekładnią wewnętrzną dzielą się na dwie kategorie. Silnik gerotorowy z napędem bezpośrednim składa się z zestawu kół zębatych wewnętrznych i zewnętrznych oraz wału wyjściowego, rysunek 2. Wewnętrzne koło zębate ma o jeden ząb mniej niż zewnętrzne. Kształt zębów jest taki, że wszystkie zęby wewnętrznego koła zębatego są w kontakcie z częścią zewnętrznego koła zębatego przez cały czas. Gdy do silnika wprowadzany jest płyn pod ciśnieniem, oba koła zębate obracają się. Obudowa silnika posiada zintegrowane porty wlotowe i wylotowe w kształcie nerki. Środki obrotu obu kół zębatych są oddalone od siebie o określoną wartość zwaną mimośrodowością. Środek wewnętrznego koła zębatego pokrywa się ze środkiem wału wyjściowego.

Rys. 2. Silnik gerotorowy o napędzie bezpośrednim posiada wewnętrzne i zewnętrzne zespoły kół zębatych. Obie przekładnie obracają się podczas pracy.

Na rysunku 2(a) płyn pod ciśnieniem wchodzi do silnika przez port wlotowy. Ponieważ wewnętrzne koło zębate ma o jeden ząb mniej niż zewnętrzne, pomiędzy wewnętrznymi zębami 6 i 1 oraz innym gniazdem A tworzy się kieszeń. Port wlotowy w kształcie nerki jest tak zaprojektowany, że w momencie, gdy objętość tej kieszeni osiąga maksimum, przepływ płynu zostaje zamknięty, a końcówki zębów wewnętrznego koła zębatego 6 i 1 zapewniają uszczelnienie, Rysunek 2(b).

Jak para wewnętrznych i zewnętrznych kół zębatych nadal się obraca, rysunek 2(c), nowa kieszeń tworzy się pomiędzy wewnętrznymi zębami 6 i 5, a zewnętrznym gniazdem G. Tymczasem kieszeń utworzona pomiędzy wewnętrznymi zębami 6 i 1 a zewnętrznym gniazdem A przemieściła się naprzeciwko portu wylotowego w kształcie nerki, stale opróżniając się w miarę zmniejszania objętości kieszeni. Stopniowa, miarowa zmiana objętości kieszeni podczas wlotu i wylotu zapewnia gładki, jednolity przepływ płynu z minimalną zmianą ciśnienia (lub tętnieniem).

Z powodu dodatkowego zęba w zewnętrznym kole zębatym, zęby wewnętrznego koła zębatego wyprzedzają zewnętrzne o jeden ząb na obrót. Na rysunku 2(c), wewnętrzny ząb 4 jest osadzony w gnieździe zewnętrznym E. W następnym cyklu, wewnętrzny ząb 4 będzie osadzony w gnieździe zewnętrznym F. Powoduje to niską względną różnicę prędkości pomiędzy kołami zębatymi.

Obrotowy silnik gerotorowy, rysunek 3, składa się z zestawu dopasowanych kół zębatych, sprzęgła, wału wyjściowego i komutatora lub płytki zaworowej. Stacjonarne koło zewnętrzne ma o jeden ząb więcej niż obracające się koło wewnętrzne. Komutator obraca się w tym samym tempie co wewnętrzne koło zębate i zawsze zapewnia ciśnienie płynu i przejście do zbiornika do odpowiednich przestrzeni między dwoma kołami zębatymi.

W pracy, rysunek 3(a), ząb 1 wewnętrznego koła zębatego jest wyrównany dokładnie w gnieździe D zewnętrznego koła zębatego. Punkt y jest środkiem przekładni stacjonarnej, a punkt x jest środkiem wirnika. Gdyby nie było płynu, wirnik mógłby się swobodnie obracać wokół gniazda D w dowolnym kierunku. Mógłby on poruszać się w kierunku osadzenia zęba 2 w gnieździe E lub odwrotnie, w kierunku osadzenia zęba 6 w gnieździe J.

Rys. 3. Silnik gerotorowy orbitalny ma nieruchomą przekładnię zewnętrzną i obracającą się przekładnię wewnętrzną. Wirnik i wał obracają się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, ale położenie punktu X jest zgodne z ruchem wskazówek zegara. Komutator lub płyta zaworowa, pokazana poniżej ilustracji każdego etapu obrotu silnika, zapewnia ciśnienie i przejście do zbiornika dla cieczy pod ciśnieniem.

Gdy ciecz pod ciśnieniem wpływa do dolnej połowy objętości pomiędzy wewnętrznym i zewnętrznym kołem zębatym, jeśli przejście do zbiornika jest zapewnione dla górnej połowy objętości pomiędzy wewnętrznym i zewnętrznym kołem zębatym, wywoływany jest moment, który obraca wewnętrzne koło zębate w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i rozpoczyna osadzanie zęba 2 w gnieździe E. Ząb 4, w chwili pokazanej na rysunku 3(a), zapewnia uszczelnienie między ciśnieniem a cieczą powrotną.

Jednakże w miarę dalszego obrotu położenie punktu x jest zgodne z ruchem wskazówek zegara. Ponieważ każdy kolejny ząb wirnika osadza się w swoim gnieździe, rysunek 3(b), ząb znajdujący się na wirniku naprzeciwko zęba osadzonego staje się uszczelnieniem pomiędzy ciśnieniem a cieczą powrotną. Płyn pod ciśnieniem nadal zmusza wirnik do zazębiania się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy obraca się on w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

Z powodu jednego dodatkowego gniazda w przekładni stałej, następnym razem, gdy ząb 1 zostanie osadzony, znajdzie się w gnieździe J. W tym momencie wał obrócił się o 1/7 obrotu, a punkt x przesunął się o 6/7 pełnego okręgu. Na rysunku 3(c), ząb 2 zazębił się z gniazdem D, a punkt x ponownie znalazł się w jednej linii pomiędzy gniazdem D i punktem y, co oznacza, że wirnik wykonał jeden pełny obrót wewnątrz zewnętrznej przekładni. Ząb 1 przesunął się o kąt 60° w stosunku do swojego pierwotnego punktu na rysunku 3(a); 42 (lub 6 X 7) zazębienia lub cykle cieczy byłyby potrzebne, aby wał wykonał jeden obrót.

Komutator lub płyta zaworowa, pokazana na rysunkach 3(d), (e) i (f), zawiera kanały ciśnieniowe i zbiornikowe dla każdego zęba wirnika. Przejścia są tak rozmieszczone, że nie zapewniają ciśnienia ani przepływu zwrotnego do odpowiedniego portu, gdy ząb jest osadzony w swoim gnieździe. We wszystkich innych momentach, przejścia są zablokowane lub zapewniają ciśnienie płynu lub przejście do zbiornika w odpowiedniej połowie silnika pomiędzy biegami.

Silnik gerotorowy z łopatkami tocznymi, rysunek 4, jest odmianą silnika gerotorowego orbitującego. Posiada on nieruchomą przekładnię pierścieniową (lub stojan) i ruchomą przekładnię planetarną (lub wirnik). Zamiast dwóch łożysk czopowych, mimośrodowe ramię przekładni planetarnej jest utrzymywane przez zazębienie 6-zębowego wirnika i 7-gniazdowego stojana. Zamiast bezpośredniego kontaktu pomiędzy stojanem i wirnikiem, w komorach wypornościowych zastosowano łopatki toczne. Łopatki rolkowe zmniejszają zużycie, umożliwiając stosowanie silników w zamkniętych obiegach hydrostatycznych o wysokim ciśnieniu, jako napędów kół montowanych bezpośrednio.

Silniki łopatkowe

Rys. 5. Silniki łopatkowe (pokazano typ zrównoważony) mają łopatki w szczelinowym wirniku.

Silniki łopatkowe, rysunek 5, mają szczelinowy wirnik zamontowany na wale napędowym, który jest napędzany przez wirnik. Łopatki, ściśle dopasowane do szczelin wirnika, poruszają się promieniowo w celu uszczelnienia pierścienia krzywkowego. Pierścień ten ma dwie główne i dwie mniejsze części promieniowe połączone częściami przejściowymi lub rampami. Te kontury i wprowadzone do nich ciśnienia są zrównoważone diametralnie.

W niektórych konstrukcjach lekkie sprężyny zmuszają łopatki promieniowo do oparcia się o kontur krzywki, aby zapewnić uszczelnienie przy zerowej prędkości, dzięki czemu silnik może rozwinąć moment rozruchowy. Sprężyny są wspomagane przez siłę odśrodkową przy wyższych prędkościach. Promieniowe rowki i otwory w łopatkach wyrównują promieniowe siły hydrauliczne na łopatkach przez cały czas.

Płyn pod ciśnieniem wchodzi i wychodzi z obudowy silnika przez otwory w płytach bocznych przy rampach. Ciecz pod ciśnieniem wchodząca do portów wlotowych porusza wirnikiem w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Wirnik transportuje płyn do otworów w rampie przy portach wylotowych, aby powrócić do zbiornika. Jeśli ciśnienie zostałoby wprowadzone w portach wylotowych, obróciłoby silnik zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Wirnik jest oddzielony osiowo od powierzchni płyt bocznych przez warstwę płynu. Przednia płyta boczna jest dociskana do pierścienia krzywkowego przez ciśnienie i utrzymuje optymalne odstępy w miarę zmiany wymiarów temperatury i ciśnienia.

Silniki łopatkowe zapewniają dobrą sprawność operacyjną, ale nie tak wysoką jak silniki tłokowe. Jednak silniki łopatkowe kosztują mniej niż silniki tłokowe o odpowiednich mocach znamionowych.

Trwałość silnika łopatkowego jest zwykle krótsza niż silnika tłokowego. Silniki łopatkowe są dostępne z przemieszczeniami 20 cali/obr; niektóre modele o niskiej prędkości/wysokim momencie obrotowym są dostępne z przemieszczeniami do 756 cali/obr. Z wyjątkiem modeli o dużej objętości skokowej i małej prędkości obrotowej, silniki łopatkowe mają ograniczoną możliwość pracy przy małej prędkości obrotowej.

Silniki tłokowe

Rys. 6. Typowy silnik promieniowo-tłokowy.

Silniki promieniowo-tłokowe, rysunek 6, mają cylinder przymocowany do napędzanego wału; cylinder zawiera pewną liczbę tłoków, które obracają się w promieniowych otworach. Zewnętrzne końce tłoków opierają się o pierścień oporowy. Ciecz pod ciśnieniem przepływa przez czop w środku cylindra, napędzając tłoki na zewnątrz. Tłoki napierają na pierścień oporowy, a siły reakcji obracają cylinder.

Przemieszczenie silnika jest zróżnicowane przez przesunięcie bloku suwakowego na boki w celu zmiany skoku tłoka. Gdy linie środkowe cylindra i obudowy pokrywają się, nie ma przepływu cieczy, a zatem cylinder zatrzymuje się. Przesunięcie suwaka poza centrum powoduje odwrócenie kierunku obrotów silnika.

Radialne silniki tłokowe są bardzo wydajne. Chociaż wysoki stopień precyzji wymagany przy produkcji silników tłokowych promieniowych podnosi koszty początkowe, mają one na ogół długą żywotność. Zapewniają one wysoki moment obrotowy przy stosunkowo niskich prędkościach obrotowych wału i doskonałą pracę przy niskich prędkościach z wysoką sprawnością; mają ograniczone możliwości pracy przy wysokich prędkościach. Silniki tłokowe promieniowe mają przemieszczenia do 1,000 in.3/obr.

Silniki tłokowe osiowe również wykorzystują zasadę ruchu tłoka posuwisto-zwrotnego do obracania wału wyjściowego, ale ruch jest osiowy, a nie promieniowy. Ich charakterystyki sprawnościowe są podobne do silników z tłokiem promieniowym. Początkowo silniki osiowo-tłokowe kosztują więcej niż silniki łopatkowe lub zębate o porównywalnej mocy i, podobnie jak silniki promieniowo-tłokowe, charakteryzują się długim okresem eksploatacji. Z tego powodu, ich wyższy koszt początkowy może nie odzwierciedlać w pełni spodziewanych kosztów całkowitych w okresie eksploatacji urządzenia.

Rys. 7. Rysunek przekroju rzędowego silnika hydraulicznego osiowo-tłokowego.

Ogólnie, silniki osiowo-tłokowe mają doskonałe zdolności do pracy przy dużych prędkościach, ale w przeciwieństwie do silników z tłokiem promieniowym, są ograniczone przy niskich prędkościach roboczych: typ rzędowy będzie działał płynnie do 100 obr/min, a typ z pochyloną osią da płynną wydajność do zakresu 4 obr/min. Silniki z tłokiem osiowym są dostępne z przemieszczeniami od ułamka do 65 in.3/obr.

Silniki z tłokiem rzędowym, rysunek 7, wytwarzają moment obrotowy poprzez ciśnienie wywierane na końce tłoków, które obracają się w bloku cylindrów. W konstrukcji rzędowej, wał napędowy silnika i blok cylindra są wyśrodkowane na tej samej osi. Ciśnienie na końcach tłoków wywołuje reakcję na przechyloną tarczę wychylną i powoduje obrót bloku cylindrów i wału silnika. Moment obrotowy jest proporcjonalny do powierzchni tłoków i jest funkcją kąta, pod jakim ustawiona jest tarcza skośna.

Silniki te budowane są w modelach o stałym i zmiennym wydatku. Kąt ustawienia tarczy określa przemieszczenie silnika. W modelu zmiennym, płyta mieczowa jest zamontowana w wahliwym jarzmie, a kąt może być zmieniany za pomocą różnych środków – od prostej dźwigni lub koła ręcznego do skomplikowanych serwosterowników. Zwiększenie kąta pochylenia tarczy zwiększa wydajność momentu obrotowego, ale zmniejsza prędkość obrotową wału napędowego. I odwrotnie, zmniejszenie kąta zmniejsza wydajność momentu obrotowego, ale zwiększa prędkość wału napędowego (chyba, że ciśnienie cieczy spada). Ograniczniki kąta są włączone tak, że moment obrotowy i prędkość pozostają w granicach roboczych.

Kompensator zmienia przemieszczenie silnika w odpowiedzi na zmiany obciążenia roboczego. Tłok obciążony sprężyną jest połączony z jarzmem i przesuwa je w odpowiedzi na zmiany ciśnienia roboczego. Jakiemukolwiek wzrostowi obciążenia towarzyszy odpowiedni wzrost ciśnienia, wynikający z wymagań dodatkowego momentu obrotowego. Sterowanie automatycznie dostosowuje wtedy jarzmo tak, aby moment obrotowy wzrastał, gdy obciążenie jest niewielkie. W idealnym przypadku kompensator reguluje przemieszczenie w celu uzyskania maksymalnej wydajności we wszystkich warunkach obciążenia aż do nastawy zaworu nadmiarowego.

Rys. 8. Widok przekroju poprzecznego silnika tłokowego o osi pochylonej.

Silniki tłokowe o osi pochylonej, rys. 8, rozwijają moment obrotowy poprzez reakcję na nacisk na tłoki posuwisto-zwrotne. W tej konstrukcji, blok cylindra i wał napędowy są zamontowane pod kątem do siebie; reakcja jest skierowana przeciwko kołnierzowi wału napędowego.

Prędkość i moment obrotowy zmieniają się wraz ze zmianami kąta – od wcześniej ustalonej minimalnej prędkości przy maksymalnym przemieszczeniu i momencie obrotowym pod kątem około 30° do maksymalnej prędkości przy minimalnym przemieszczeniu i momencie obrotowym pod kątem około 7-1/2°. Dostępne są zarówno modele o stałym, jak i zmiennym przemieszczeniu.

Silniki z zaczepem obrotowym

Silniki z zaczepem obrotowym, przedstawione na rysunku 9, mają zaczep A, który obraca się, aby ominąć łopatkę obrotową B, podczas gdy drugi zaczep C, jest w naprzemiennym połączeniu uszczelniającym z piastą wirnika. Moment obrotowy jest przenoszony bezpośrednio z cieczy na wirnik i z wirnika na wał. Przekładnie zębate pomiędzy wałem wyjściowym a przylgami obrotowymi utrzymują łopatki wirnika i przylgi w odpowiedniej fazie. Rolka umieszczona w rowku o przekroju w kształcie jaskółczego ogona na końcu łopatki wirnika zapewnia pozytywne uszczelnienie, które jest zasadniczo pozbawione tarcia i stosunkowo niewrażliwe na zużycie. Siły uszczelniające są wysokie, a straty wynikające z tarcia niskie ze względu na kontakt toczny.

Silnik śrubowy jest zasadniczo pompą z odwróconym kierunkiem przepływu cieczy. Silnik śrubowy wykorzystuje trzy zazębiające się śruby – wirnik mocy i dwa wirniki koła zębatego napędzanego, Rysunek 10. Wirniki koła zębatego pośredniego działają jak uszczelki, które tworzą kolejne izolowane komory spiralne w ściśle dopasowanej obudowie wirnika. Różnica ciśnień działająca na obszary gwintu zestawu śrubowego powoduje powstanie momentu obrotowego silnika.

Wirniki koła zębatego napędzanego pływają w swoich otworach. Prędkość obrotowa zestawu śrubowego i lepkość cieczy wytwarza film hydrodynamiczny, który podtrzymuje wirniki koła zębatego napędzanego, podobnie jak wał w łożysku czopowym, umożliwiając pracę z dużą prędkością. Zestaw śrub tocznych zapewnia cichą, pozbawioną wibracji pracę.

Wybór silnika hydraulicznego

Rys. 9. Łącznik A silnika obrotowego obraca się obok łopatki obrotowej B, podczas gdy drugi łącznik C styka się z płytą uszczelniającą, aby oddzielić obszary wysokiego i niskiego ciśnienia. Kołki uszczelniające w końcówkach łopatek i na obwodzie wirnika zapewniają niemal beztarciowe uszczelnienie. Wirnik obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara przy ciśnieniu płynu podawanego do portu 1.

Zastosowanie silnika hydraulicznego generalnie dyktuje wymaganą moc i zakres prędkości silnika, chociaż rzeczywista wymagana prędkość i moment obrotowy mogą być czasami zróżnicowane przy zachowaniu wymaganej mocy. Rodzaj wybranego silnika zależy od wymaganej niezawodności, żywotności i wydajności.

Po określeniu rodzaju płynu, wybór rzeczywistego rozmiaru jest oparty na oczekiwanej żywotności i ekonomice całej instalacji w maszynie.

Silnik hydrauliczny pracujący z wydajnością mniejszą niż znamionowa zapewni przedłużenie żywotności bardziej niż proporcjonalne do zmniejszenia pracy poniżej wydajności znamionowej.

Maksymalna moc wytwarzana przez silnik jest osiągana podczas pracy przy maksymalnym ciśnieniu w układzie i przy maksymalnej prędkości obrotowej wału. Jeżeli silnik ma być zawsze eksploatowany w tych warunkach, jego koszt początkowy będzie najniższy. Jednakże, gdy prędkość wyjściowa musi być zredukowana, należy wziąć pod uwagę całkowity koszt silnika z redukcją prędkości – aby zoptymalizować całkowite koszty instalacji napędu.

Wymiarowanie silników hydraulicznych

Jako przykład obliczania rozmiaru silnika hydraulicznego w celu dopasowania do aplikacji, rozważ następującą sytuację: aplikacja wymaga 5 KM przy 3000 obr/min, z dostępnym ciśnieniem zasilania 3000 psi i ciśnieniem w linii powrotnej 100 psi; różnica ciśnień wynosi 2900 psi.

Wymagany teoretyczny moment obrotowy oblicza się z:

T = (63,0252 3 KM)/N

gdzie:
T jest momentem obrotowym, lb-in, a
N to prędkość, obr/min.
Dla warunku T = 105 lb-in.

Przemieszczenie silnika oblicza się jako:

D = 2π T ÷ ΔPeM

gdzie:
D to przemieszczenie, in.3/obr
ΔP to różnica ciśnień, psi, a
eM to sprawność mechaniczna, %.
Jeśli sprawność mechaniczna wynosi 88%, to D wynosi 0,258 in.3/obr.

Obliczanie wymaganego przepływu:

Q = DN/231eV,

gdzie: Q to przepływ, gpm, a
eV to sprawność objętościowa, %.
Jeśli sprawność objętościowa wynosi 93%, to Q wynosi 3,6 gpm.

Ciśnienie w tych równaniach jest różnicą między ciśnieniem wlotowym i wylotowym. Tak więc, każde ciśnienie w porcie wylotowym zmniejsza moment obrotowy silnika cieczowego.

Współczynnik sprawności dla większości silników będzie dość stały podczas pracy od połowy do pełnego ciśnienia znamionowego oraz w środkowej części zakresu prędkości znamionowej. Gdy prędkość zbliża się do któregokolwiek z tych ekstremów, sprawność spada.

Niższe ciśnienia robocze skutkują niższą sprawnością ogólną z powodu stałych wewnętrznych strat obrotowych, które są charakterystyczne dla każdego silnika cieczowego. Zmniejszenie pojemności skokowej w stosunku do maksymalnej w silnikach o zmiennej pojemności skokowej również zmniejsza ogólną sprawność.

Nieprawidłowości działania silnika hydraulicznego

Większość problemów z silnikiem należy do następujących kategorii:

Nieodpowiedni płyn – Silnik nie różni się niczym od innych elementów układu hydraulicznego – musi mieć czysty płyn, w odpowiedniej ilości, o odpowiedniej jakości i lepkości.

Zła konserwacja – Zły program konserwacji zajmuje drugie miejsce wśród przyczyn poważnych problemów. Typowe błędy w programie obejmują:

• niedopełnienie obowiązku sprawdzenia i naprawy przewodów i połączeń w celu zatrzymania wycieków; wadliwe połączenia mogą wpuścić brud i powietrze do systemu, obniżyć ciśnienie i spowodować nieregularne działanie.
• niedopełnienie obowiązku prawidłowego zainstalowania silnika. Niewspółosiowość wału silnika może powodować zużycie łożysk, co może prowadzić do utraty wydajności. Niewspółosiowość wału może również zmniejszyć moment obrotowy, zwiększyć opór tarcia i nagrzewanie, a także spowodować awarię wału.
• nie znalezienie przyczyny nieprawidłowego działania silnika. Jeżeli silnik ulegnie awarii, zawsze należy szukać przyczyny awarii. Oczywiście, jeżeli przyczyna nie zostanie usunięta, awaria będzie się powtarzać.

Nieprawidłowa eksploatacja – Przekroczenie limitów roboczych silnika sprzyja jego awarii. Każdy silnik ma ograniczenia konstrukcyjne dotyczące ciśnienia, prędkości, momentu obrotowego, przemieszczenia, obciążenia i temperatury. Nadmierne ciśnienie może generować ciepło z powodu poślizgu silnika i może spowodować przekroczenie limitów momentu obrotowego silnika. Nadmierna prędkość może powodować ogrzewanie i zużycie łożysk i innych części wewnętrznych.

Nadmierny moment obrotowy może powodować zmęczenie i naprężenia łożysk i wału silnika, szczególnie w zastosowaniach wymagających częstego odwracania kierunku obrotów silnika. Nadmierne obciążenie może powodować zmęczenie łożysk i wału. I wreszcie, nadmierna temperatura może powodować utratę wydajności, ponieważ olej staje się cieńszy i może powodować szybkie zużycie z powodu braku smarowania.

Pobierz ten artykuł w formacie .PDF

.