Teknikens viktigaste delar: Hydrauliska motorer

Ladda ner denna artikel i PDF-format

Fig. 1. Utvändiga kugghjulsmotorer har en drivande kugghjul och ett frihjulskugghjul inneslutna i ett enda hölje. Utgående vridmoment är en funktion av trycket på en tand eftersom trycket på andra tänder är i hydraulisk balans.

Alla typer av hydrauliska motorer har dessa gemensamma konstruktionsegenskaper: en drivande yta som är utsatt för tryckdifferential, ett sätt att tidsbestämma portningen av tryckvätska till tryckytan för att åstadkomma kontinuerlig rotation och en mekanisk förbindelse mellan ytan och en utgående axel.

Tryckytornas förmåga att motstå kraft, läckageegenskaperna hos varje typ av motor och effektiviteten hos den metod som används för att förbinda tryckytan och utgångsaxeln bestämmer en motors maximala prestanda när det gäller tryck, flöde, utgående vridmoment, varvtal, volymetrisk och mekanisk verkningsgrad, livslängd och fysisk konfiguration.

Motorns deplacement avser den vätskemängd som krävs för att vrida motorns utgångsaxel genom ett varv. De vanligaste enheterna för motorförskjutning är in.3 eller cm3 per varv.

Hydrauliska motorers förskjutning kan vara fast eller variabel. En motor med fast förskjutning ger ett konstant vridmoment. Hastigheten varieras genom att styra mängden ingående flöde till motorn. En motor med variabelt vridmoment ger variabelt vridmoment och variabelt varvtal. Med konstant flöde och tryck kan förhållandet mellan vridmoment och hastighet varieras för att uppfylla belastningskraven genom att ändra cylindervolymen.

Vridmomentet uttrycks i tum- eller fotpund och är en funktion av systemtrycket och motorns cylindervolym. Motorns vridmomentvärden anges vanligtvis för ett specifikt tryckfall över motorn. Teoretiska siffror anger det tillgängliga vridmomentet vid motoraxeln om inga mekaniska förluster antas.

Brytningsmoment är det vridmoment som krävs för att få en stationär belastning att vrida sig. Det krävs mer vridmoment för att få igång en belastning än för att hålla den i rörelse.

Drivmomentet kan avse en motors belastning eller motorn. När det hänvisar till en belastning anger det det vridmoment som krävs för att hålla belastningen i rotation. När det avser motorn anger det löpande vridmomentet det faktiska vridmoment som en motor kan utveckla för att hålla en belastning i rotation. Det löpande vridmomentet tar hänsyn till en motors ineffektivitet och är en procentandel av dess teoretiska vridmoment. Det löpande vridmomentet för vanliga kugghjul-, lamell- och kolvmotorer är ungefär 90 % av det teoretiska.

Startmoment avser en hydraulisk motors kapacitet att starta en belastning. Det anger det vridmoment som en motor kan utveckla för att starta en belastning i rotation. I vissa fall är detta betydligt mindre än motorns löpande vridmoment. Startmomentet kan också uttryckas som en procentandel av det teoretiska vridmomentet. Startmomentet för vanliga kugghjul-, lamell- och kolvmotorer ligger mellan 70 % och 80 % av det teoretiska.

Mekanisk verkningsgrad är förhållandet mellan faktiskt levererat vridmoment och teoretiskt vridmoment.

Vridmomentrippel är skillnaden mellan lägsta och högsta vridmoment som levereras vid ett givet tryck under ett varv i motorn.

Motorns varvtal är en funktion av motorns förskjutning och volymen vätska som levereras till motorn.

Maximalt motorvarvtal är det varvtal vid ett visst inloppstryck som motorn kan hålla under en begränsad tid utan att skadas.

Minimalt motorvarvtal är det långsammaste, kontinuerliga, oavbrutna rotationsvarvtalet som är tillgängligt från motorns utgående axel.

Slippage är läckage genom motorn – eller vätska som passerar genom motorn utan att utföra arbete.

Kugghjulsmotorer

Externa kugghjulsmotorer, figur 1, består av ett par matchade kugghjul inneslutna i ett hölje. Båda kugghjulen har samma tandform och drivs av tryckvätska. Det ena kugghjulet är anslutet till en utgående axel, det andra kugghjulet är ett tomgångskugghjul. Tryckvätskan kommer in i höljet vid en punkt där kugghjulen griper in i varandra. Den tvingar kugghjulen att rotera och följer den väg som ger minst motstånd runt husets periferi. Vätskan kommer ut med lågt tryck på motorns motsatta sida.

Täta toleranser mellan kugghjul och hölje hjälper till att kontrollera vätskeläckage och öka den volymetriska effektiviteten. Slitplattor på kugghjulens sidor hindrar kugghjulen från att röra sig axiellt och hjälper till att kontrollera läckage.

Internväxelmotorer faller in i två kategorier. En direktdriven gerotormotor består av en inner-yttre kugghjulssats och en utgående axel, figur 2. Den inre kugghjulet har en tand mindre än det yttre. Tändernas form är sådan att alla tänder på den inre kugghjulet hela tiden är i kontakt med någon del av den yttre kugghjulet. När tryckvätska förs in i motorn roterar båda kugghjulen. Motorhuset har integrerade njurformade in- och utloppsportar. De två kugghjulens rotationscentrum är åtskilda med en viss mängd som kallas excentricitet. Centrum för den inre kugghjulet sammanfaller med centrum för utgångsaxeln.

Figur 2. Direktdriven gerotormotor har inre och yttre kugghjul. Båda kugghjulen roterar under drift.

I figur 2 (a) kommer tryckvätska in i motorn genom inloppsporten. Eftersom den inre kugghjulet har en tand mindre än den yttre, bildas en ficka mellan de inre tänderna 6 och 1 och det andra uttaget A. Den njurformade inloppsporten är utformad så att just när denna ficka når sin maximala volym stängs vätskeflödet av, varvid spetsarna på de inre kugghjulständerna 6 och 1 utgör en tätning, figur 2 b).

När paret av inre och yttre kugghjul fortsätter att rotera, figur 2 c, bildas en ny ficka mellan de inre tänderna 6 och 5 och det yttre uttaget G. Under tiden har den ficka som bildats mellan de inre tänderna 6 och 1 och det yttre uttaget A flyttats runt i motsatt riktning mot den njurformade utloppsporten, och den töms stadigt när fickans volym minskar. Den gradvisa, doserade volymförändringen av fickorna under inlopp och utlopp ger ett jämnt, enhetligt vätskeflöde med ett minimum av tryckvariation (eller krusning).

På grund av den extra tanden i den yttre kugghjulet rör sig de inre kugghjulständerna före de yttre med en tand per varv. I figur 2 c sitter den inre tanden 4 i den yttre hylsan E. Vid nästa cykel kommer den inre tanden 4 att sitta i den yttre hylsan F. Detta ger en låg relativ differentialhastighet mellan kugghjulen.

En omloppsgående gerotormotor, figur 3, består av en uppsättning matchade kugghjul, en koppling, en utgångsaxel och en kommutator eller ventilplatta. Den stationära yttre kugghjulet har en tand mer än det roterande inre kugghjulet. Kommutatorn roterar i samma takt som det inre kugghjulet och ger alltid tryckvätska och en passage för tankning till de rätta utrymmena mellan de två kugghjulen.

I drift, figur 3(a), är tand 1 på det inre kugghjulet exakt i linje med uttaget D på det yttre kugghjulet. Punkt y är centrum för den stationära kugghjulet och punkt x är centrum för rotorn. Om det inte fanns någon vätska skulle rotorn vara fri att svänga runt uttaget D i båda riktningarna. Den skulle kunna röra sig mot sittande tand 2 i uttaget E eller tvärtom mot sittande tand 6 i uttaget J.

Figur 3. En roterande gerotormotor har en stationär yttre kugghjul och ett roterande inre kugghjul. Rotorn och axeln roterar moturs, men punkt X:s läge är medurs. Kommutatorn eller ventilplattan, som visas under illustrationen av varje steg i motorns rotation, ger tryck och tankpassage för tryckvätskan.

När tryckvätskan strömmar in i den nedre halvan av volymen mellan inner- och ytterkugghjulet, om en passage till tanken finns för den övre halvan av volymen mellan inner- och ytterkugghjulet, induceras ett moment som roterar det inre kugghjulet moturs och börjar sätta tand 2 i hylsan E. Tand 4, i det ögonblick som visas i figur 3 a, utgör en tätning mellan tryck och returvätska.

När rotationen fortsätter är dock punkt x:s läge medurs. När varje efterföljande tand på rotorn sätter sig i sin hylsa, figur 3 b, blir den tand på rotorn som är direkt motsatt den sittande tanden tätningen mellan tryck och returvätska. Den trycksatta vätskan fortsätter att tvinga rotorn att gripa in medurs samtidigt som den vrider sig moturs.

På grund av det extra uttaget i den fasta kugghjulet kommer nästa gång tand 1 sitter i uttaget J. Vid det tillfället har axeln gått 1/7 av ett varv, och punkt x har rört sig 6/7 av sin fulla cirkel. I figur 3 c har tand 2 satt sig i uttaget D, och punkt x har återigen blivit i linje mellan uttaget D och punkt y, vilket visar att rotorn har gjort ett helt varv inuti den yttre kugghjulet. Tand 1 har rört sig i en vinkel på 60° från sin ursprungliga punkt i figur 3(a). 42 (eller 6 X 7) tandkopplingar eller vätskecykler skulle behövas för att axeln ska fullborda ett varv.

Kommutatorn eller ventilplattan, som visas i figurerna 3(d), (e) och (f), innehåller tryck- och tankpassager för varje tand i rotorn. Passagerna är placerade så att de inte ger tryck eller returflöde till lämplig port när en tand sitter i sin hylsa. Vid alla andra tillfällen är passagerna blockerade eller ger tryckvätska eller en tankpassage i den lämpliga halvan av motorn mellan växlarna.

En rullvängsmotor med gerotor, figur 4, är en variant av den omloppsgående gerotormotorn. Den har en stationär ringkugghjul (eller stator) och en rörlig planetkugghjul (eller rotor). Istället för att hållas av två lager hålls planetväxelns excentriska arm av den 6-tandade rotorns och den 7-slipade statorns maskindelning. Istället för direktkontakt mellan statorn och rotorn används rullskivor för att bilda förskjutningskamrarna. Rullflänsarna minskar slitaget, vilket gör att motorerna kan användas i slutna hydrostatiska kretsar med högt tryck som direktmonterade hjuldrivningar.

Flygelmotorer

Fig. 5. Vane-motorer (balanserad typ visas) har lameller i en slitsad rotor.

Vane-motorer, figur 5, har en slitsad rotor monterad på en drivaxel som drivs av rotorn. Vanor, som är tätt inpassade i rotorns slitsar, rör sig radiellt för att täta mot kamringen. Ringen har två större och två mindre radiella delar som förenas av övergångsdelar eller ramper. Dessa konturer och de tryck som förs in i dem är diametralt balanserade.

I vissa konstruktioner tvingar lätta fjädrar vanorna radiellt mot kamkonturen för att säkerställa en tätning vid noll varvtal så att motorn kan utveckla ett startmoment. Fjädrarna får hjälp av centrifugalkraften vid högre varvtal. Radiella spår och hål genom lamellerna utjämnar de radiella hydrauliska krafterna på lamellerna hela tiden.

Dryckvätskan kommer in i och lämnar motorhuset genom öppningar i sidoplattorna vid ramperna. Tryckvätska som kommer in vid inloppsöppningarna flyttar rotorn moturs. Rotorn transporterar vätskan till rampöppningarna vid utloppsportarna för att återvända till tanken. Om tryck infördes vid utloppsportarna skulle det vrida motorn medurs.

Rotorn är axiellt separerad från sidoplattornas ytor av vätskefilmen. Den främre sidoplattan kläms mot kamringen genom tryck och upprätthåller optimala avstånd när temperatur och tryck ändrar dimensionerna.

Vane-motorer ger god driftseffektivitet, men inte lika hög som för kolvmotorer. Vane-motorer kostar dock i allmänhet mindre än kolvmotorer med motsvarande hästkrafter.

Servicelivslängden för en vane-motor är vanligtvis kortare än för en kolvmotor. Lamellmotorer finns tillgängliga med förskjutningar på 20 in.3/varv; vissa modeller med lågt varvtal/högt vridmoment finns med förskjutningar på upp till 756 in.3/varv. Med undantag för modeller med hög förskjutning och låga varvtal har lamellmotorer begränsad kapacitet för låga varvtal.

Kolvmotorerna

Fig. 6. Typisk radialkolvmotor.

Radialkolvmotorer, figur 6, har ett cylinderhus som är fäst vid en driven axel; cylinderhuset innehåller ett antal kolvar som går fram och tillbaka i radiala borrhål. De yttre kolvändarna ligger mot en tryckring. Tryckvätska strömmar genom en pintel i mitten av cylinderhuset för att driva kolvarna utåt. Kolvarna trycker mot tryckringen och reaktionskrafterna roterar cylindern.

Motorns förskjutning varieras genom att förskjuta glidblocket i sidled för att ändra kolvhubben. När centrumlinjerna för cylindertunnan och höljet sammanfaller finns det inget fluidflöde och därför stannar cylindertunnan. Om man flyttar skjutblocket förbi centrum vänder motorens rotationsriktning.

Radialkolvmotorer är mycket effektiva. Även om den höga grad av precision som krävs vid tillverkningen av radialkolvmotorer höjer de initiala kostnaderna, har de i allmänhet en lång livslängd. De ger ett högt vridmoment vid relativt låga axelhastigheter och utmärkt drift vid låga hastigheter med hög verkningsgrad; de har begränsade möjligheter till höga hastigheter. Radialkolvmotorer har förskjutningar upp till 1 000 in.3/rev.

Axialkolvmotorer använder sig också av principen om fram- och återgående kolvrörelse för att rotera utgångsaxeln, men rörelsen är axiell i stället för radiell. Deras verkningsgrad är liknande den för radialkolvmotorer. I början kostar axialkolvmotorer mer än lamell- eller kugghjulsmotorer mer än lamell- eller kugghjulsmotorer med jämförbara hästkrafter, och liksom radialkolvmotorer har de en lång livslängd. På grund av detta kan det hända att deras högre initialkostnad inte riktigt återspeglar de förväntade totala kostnaderna under en utrustnings livslängd.

Fig. 7. Genomskärningsritning av en hydraulisk motor med axialkolv i linje.

I allmänhet har axialkolvmotorer utmärkta möjligheter till höga hastigheter, men till skillnad från radialkolvmotorer är de begränsade vid låga driftshastigheter: Inlinetypen fungerar smidigt ner till 100 varv per minut och den böjda axelmotorn ger en jämn utmatning ner till 4 varv per minut. Axialkolvmotorer finns tillgängliga med förskjutningar från en bråkdel till 65 in.3/rev.

Inline-kolvmotorer, figur 7, genererar vridmoment genom det tryck som utövas på ändarna av kolvarna som går fram och tillbaka i ett cylinderblock. I inline-konstruktionen är motorns drivaxel och cylinderblocket centrerade på samma axel. Trycket på kolvarnas ändar ger upphov till en reaktion mot en lutande skivtallrik och roterar cylinderblocket och motoraxeln. Vridmomentet är proportionellt mot kolvarnas area och är en funktion av vinkeln i vilken växelplattan är placerad.

Dessa motorer byggs i modeller med fast och variabel cylindervolym. Svängplattans vinkel bestämmer motorns deplacement. I den variabla modellen är växelplattan monterad i ett svängbart ok, och vinkeln kan ändras på olika sätt – allt från en enkel spak eller ett handhjul till sofistikerade servostyrningar. En ökad vinkel på skruvplattan ökar vridmomentkapaciteten men minskar hastigheten på drivaxeln. Omvänt minskar vinkeln vridmomentkapaciteten men ökar drivaxelhastigheterna (om inte vätsketrycket minskar). Vinkelstopp ingår så att vridmoment och hastighet håller sig inom driftgränserna.

En kompensator varierar motorns förskjutning som svar på förändringar i arbetsbelastningen. En fjäderbelastad kolv är ansluten till oket och förflyttar det som svar på variationer i driftstrycket. Varje ökning av belastningen åtföljs av en motsvarande tryckökning till följd av de extra kraven på vridmoment. Styrningen justerar då automatiskt oket så att vridmomentet ökar när belastningen är liten. I idealfallet reglerar kompensatorn förskjutningen för maximal prestanda under alla belastningsförhållanden upp till inställningen av avlastningsventilen.

Fig. 8. Tvärsnittsbild av kolvmotor med böjd axel.

Kolvmotorer med böjd axel, figur 8, utvecklar vridmoment genom en reaktion på trycket på de fram- och återgående kolvarna. I denna konstruktion är cylinderblocket och drivaxeln monterade i en vinkel mot varandra; reaktionen sker mot drivaxelns fläns.

Hastighet och vridmoment ändras med förändringar i vinkeln – från en förutbestämd lägsta hastighet med maximal förskjutning och maximalt vridmoment vid en vinkel på cirka 30° till en högsta hastighet med minimal förskjutning och minimalt vridmoment vid cirka 7-1/2°. Både modeller med fast och variabel förskjutning finns tillgängliga.

Rotary abutment motors

Rotary abutment motors, figur 9, har abutment A som roterar för att passera den roterande lamellen B, medan det andra abutmentet C är i växelvis tätande kontakt med rotorns nav. Vridmomentet överförs direkt från vätskan till rotorn och från rotorn till axeln. Timingväxlar mellan utväxlingsaxeln och de roterande anfallen håller rotorbladet och anfallen i rätt fas. En rulle i ett skvalt spår vid rotorbladets spets ger en positiv tätning som i princip är friktionsfri och relativt okänslig för slitage. Tätningskrafterna är höga och friktionsförlusterna låga på grund av den rullande kontakten.

En skruvmotor är i huvudsak en pump med vridningsriktningen för vätskeflödet omvänd. En skruvmotor använder sig av tre skruvar som griper in i varandra – en kraftrotor och två tomgångsrotorer, figur 10. De idler rotors fungerar som tätningar som bildar på varandra följande isolerade spiralformade kamrar i ett tättslutande rotorhus. Det differenstryck som verkar på gängområdena i skruvsatsen utvecklar motorns vridmoment.

De idler rotorerna flyter i sina borrhål. Skruvuppsättningens rotationshastighet och vätskans viskositet genererar en hydrodynamisk film som stöder de ohjälpliga rotorerna, ungefär som en axel i ett lager för att möjliggöra höghastighetsdrift. Den rullande skruvsatsen ger tyst, vibrationsfri drift.

Välja en hydraulisk motor

Fig. 9. Motorns roterande motorns anfall A vrider sig förbi den roterande lamellen B, medan det andra anfallet C, kommer i kontakt med tätningsplattan för att separera områden med högt och lågt tryck. Tätningspinnar i skovelspetsarna och rotorns periferi ger en nästan friktionsfri tätning. Rotorn kommer att rotera medurs med tryckvätska som appliceras på port 1.

Den hydrauliska motorns användningsområde dikterar i allmänhet den erforderliga hästkraften och motorns varvtalsintervall, även om det faktiska varvtalet och vridmomentet som krävs ibland kan varieras samtidigt som den erforderliga hästkraften bibehålls. Vilken typ av motor som väljs beror på den tillförlitlighet, livslängd och prestanda som krävs.

När vätsketypen är bestämd baseras valet av faktisk storlek på den förväntade livslängden och ekonomin för den totala installationen på maskinen.

En vätskemotor som drivs med mindre än den nominella kapaciteten ger en förlängning av livslängden som är mer än proportionerlig till minskningen av driften under den nominella kapaciteten.

Den maximala hästkrafter som produceras av en motor uppnås när den drivs med det maximala systemtrycket och vid det maximala axelvarvtalet. Om motorn alltid ska drivas under dessa förhållanden kommer dess ursprungliga kostnad att vara lägst. Om utgångshastigheten måste sänkas måste dock den totala kostnaden för motorn med hastighetsreducering beaktas – för att optimera den totala installationskostnaden för drivenheten.

Dimensionering av hydraulmotorer

Som ett exempel på hur man beräknar hydraulmotorns storlek för att matcha en tillämpning kan man tänka sig följande: En tillämpning kräver 5 hk vid 3 000 varv per minut, med ett tillgängligt framledningstryck på 3 000 psi och ett returledningstryck på 100 psi; tryckdifferensen är 2 900 psi.

Det teoretiska vridmomentet som krävs beräknas från:

T = (63,0252 3 hästkrafter)/N

där:
T är vridmoment, lb-in., och
N är varvtal, varv/min.
För tillståndet T = 105 lb-in.

Motorns deplacement beräknas som:

D = 2π T ÷ ΔPeM

varvid:
D är deplacement, in.3/rev
ΔP är tryckdifferential, psi, och
eM är mekanisk verkningsgrad, %.
Om den mekaniska verkningsgraden är 88 % är D 0,258 in.3/rev.

Beräkning av erforderligt flöde:

Q = DN/231eV,

varvid: Q är flödet, gpm, och
eV är den volymetriska verkningsgraden, %.
Om den volymetriska verkningsgraden är 93 % är Q 3,6 gpm.

Trycket i dessa ekvationer är skillnaden mellan inlopps- och utloppstryck. Varje tryck vid utloppsporten minskar alltså vridmomentet för en fluidmotor.

Verkningsgraden för de flesta motorer kommer att vara ganska konstant när de drivs från halvt till fullt nominellt tryck och över den mellersta delen av det nominella varvtalsintervallet. När hastigheten närmar sig någon av ytterligheterna minskar verkningsgraden.

Lägre arbetstryck resulterar i lägre total verkningsgrad på grund av fasta interna roterande förluster som är karakteristiska för alla vätskemotorer. Att minska deplacementet från maximalt i motorer med variabelt deplacement minskar också den totala verkningsgraden.

Hydrauliska motorfel

De flesta motorproblem faller in i dessa kategorier:

Otillräcklig vätska – Motorn skiljer sig inte från någon av de andra komponenterna i hydraulsystemet – den måste ha ren vätska, i tillräcklig mängd, och av rätt kvalitet och viskositet.

Dåligt underhåll – Ett dåligt underhållsprogram kommer på andra plats när det gäller orsaker till större problem. Typiska glidningar i ett program är:

• Underlåtenhet att kontrollera och reparera ledningar och anslutningar för att stoppa läckor; felaktiga anslutningar kan släppa in smuts och luft i systemet, sänka trycket och orsaka oregelbunden drift.
• Underlåtenhet att installera motorn på rätt sätt. Motoraxelns felinriktning kan orsaka lagerslitage vilket kan leda till minskad effektivitet. En felriktad axel kan också minska vridmomentet, öka friktionsmotståndet och uppvärmningen och leda till axelfel.
• Underlåtenhet att hitta orsaken till ett motorfel. Om en motor går sönder ska du alltid leta efter orsaken till felet. Det är uppenbart att om orsaken inte åtgärdas kommer felet att upprepas.

Otillräcklig drift – Att överskrida en motors driftgränser främjar motorfel. Varje motor har konstruktionsbegränsningar för tryck, hastighet, vridmoment, förskjutning, belastning och temperatur. Överdrivet tryck kan generera värme på grund av motorns glidning och kan leda till att motorn överskrider vridmomentgränserna. För högt varvtal kan orsaka uppvärmning och kan orsaka slitage av lager och andra interna delar.

Överdrivet vridmoment kan orsaka utmattning och påfrestningar på lager och motoraxeln, särskilt vid tillämpningar som kräver frekventa motoromvändningar. Överdriven belastning kan skapa utmattning av lager och axel. Och slutligen kan för hög temperatur orsaka effektivitetsförlust eftersom oljan blir tunnare, och kan ge upphov till snabbt slitage på grund av bristande smörjning.

Ladda ner den här artikeln i .PDF-format