Подбор и области применения аксиально-поршневых гидромоторов
Введение
При проектировании гидропривода, выбор типа гидромотора может быть непростой задачей. Под словом «проектирование» не всегда подразумевается многоэтапный процесс от составления технического задания, эскизной гидросхемы, проведения первичных расчётов в ключевых узлах гидросистемы. Чаще всего задача проектирования узла гидропривода сводится к тому, что нужно быстро подобрать гидромотор для привода вращающегося вала механизма, например, вакуумного насоса подметально-уборочной машины или топливного насоса бензовоза, при этом заказчик может лишь указать примерную требуемую скорость вращения. В этой статье мы рассмотрим критически важный набор параметров, необходимых для правильного подбора гидравлического мотора и укажем в каких случаях лучше выбрать аксиально-поршневой гидромотор.
Главные параметры и их расчет
С точки зрения физики, процесс работы гидромотора аналогична работе гидроцилиндра. При подборе гидроцилиндра ключевыми параметрами являются развиваемая сила (при заданном давлении) и необходимая скорость движения. Аналогичным образом, для гидромотора силовой характеристикой является развиваемый момент при заданном давлении (обычно указывается в ньютонах на метр ), а скоростной характеристикой является скорость вращения вала, указываемая традиционно не в системе СИ, а в оборотах в минуту .
Главное правило расчёта любого привода: обеспечить постоянство передаваемой мощности с учётом потерь энергии в узлах привода при её передаче и преобразовании. В гидравлическом приводе мощность вычисляется по известным формулам через произведение расхода на перепад давления, мощность на валу гидромотора определяется через произведение момента на скорость вращения. Таким же образом определяется необходимая мощность на валу топливного или вакуумного насоса для их правильной работы в номинальном режиме — произведение момента на скорость вращения.
Непростой задачей подбора гидромотора для привода нагрузки становится, когда информация о скорости вращения имеется, а о требуемом моменте отсутствует. Когда же нет информации ещё и о необходимой мощности, тогда задача становится полностью нерешаемой. Для решения уравнения мощности, состоящего из трёх компонентов (скоростная, силовая характеристика и мощность), необходимо знать как минимум два параметра. Простым случаем является ситуация, когда момент и скорость вращения известны. Если же момент не известен, то возможно найти информацию о мощности нагрузки, приводимой во вращение гидромотором. В этом случае момент возможно вычислить разделив мощность на скорость вращения.
При этом необходимо обращать внимание на информацию о мощности какого параметра нагрузки идёт речь. Если указана мощность выходного параметра из нагрузки (например мощность электрогенератора 5 кВт), то необходимая мощность на валу потребителя должна быть больше на величину потерь или КПД изделия (например, при КПД электрогенератора в 50%, мощность на валу гидромотора должна составить не менее 10 кВт, не учитывая потери в узле соединения вала мотора и вала электрогенератора). Сложным случаем является ситуация, когда есть информация только об одном из трёх необходимых параметров. Выходом из данной ситуации может быть расчёт всей цепочки преобразования энергии от самого конечного потребителя (с учётом потерь энергии) до гидромотора, либо назначение отсутствующего параметра по аналогичным образцам техники.
.png)
Внешний вид аксиально-поршневого гидромотора (вверху). Внутреннее устройство: вал и плоский золотник в крышке мотора (внизу).
Таким образом, минимальным набором параметров для правильного подбора гидромотора являются скорость вращения и момент на валу при заданном перепаде давления между входом и выходом из гидромотора. В расширенный перечень параметров можно включить:
необходимость реверса гидромотора радиальную и осевую составляющую силы от нагрузки на валу мотора,
требуемый момент инерции, допустимое давление на выходе из мотора,
диапазон рабочей скорости мотора,
характер инерционности нагрузки на валу.
.png)
Области применения
Рассмотрим области применения аксиально-поршневых моторов. Традиционно для диапазона мощности не более 30 кВт и скорости не более 3 тыс. об/мин более оправдано применение шестеренных гидравлических моторов как по стоимостным так и по массо-габаритным показателям. Шестеренные гидромоторы имеют более простую конструкцию по сравнению с аксиально-поршневыми и это их бесспорное преимущество.
Недостатками этих моторов являются более низкий КПД, меньшая несущая способность вала к аксиальным и радиальным нагрузкам.
Для диапазона мощности свыше 30 кВт рабочий объем шестеренного гидромотора становится настолько большим, что необходимая технология производства приводит к существенному удорожанию шестеренного гидравлического мотора.
Аксиально-поршневой гидромотор целесообразно применять и для диапазонов менее 30 кВт в тех случаях, когда требуется скорость вращения более 3 тыс. об/мин, существенная осевая или радиальная нагрузка на валу гидромотора (например в приводе вентилятора). Меньший уровень потерь и последующего нагрева гидросистемы и значительный ресурс работы также могут быть решающими факторами, если вы выбираете такого типа гидромотор.
Аксиально-поршневые гидромоторы: характеристики
В основе гидравлической системы лежит масса важнейших узлов, одним из которых является гидромотор. Благодаря этому устройству гидравлическая энергия, полученная от гидронасоса, преобразуется в механическую. Гидромоторы, как и насосы, имеют ряд особенностей конструктивного решения и в соответствии с определенными гидросистемами, поэтому их нужно подбирать согласно установленным требованиям.
Особенности гидравлических моторов
Гидравлические моторы характеризуются по таким техническим параметрам:
1. Количество оборотов за 60 секунд (частота вращений).
Данный пункт подразделяет гидромоторы на:
Данный показатель определяется согласно рабочему объему и диапазону скачков давления в рабочих камерах. Так, гидромоторы тихоходного типа выполняют достаточно большой крутящий момент при сравнительно малом числе оборотов.
Мощность характеризуется по рабочему объему и перепадам показателей давлений. Этот показатель соответствует количеству вращений. Гидравлическим приводам высокой мощности соответствуют быстроходные гидромоторы.
По типу функционирования гидравлические моторы бывают шестеренчатыми (гидромоторы с планетарными шестернями), пластинчатыми, радиально-поршневыми (с поршневой опорой внутри, многоконтактный с опорой извне), аксиально-поршневыми (с наклонным блоком или диском, многоконтактный с неподвижным валом или корпусом).
Подбор такого многозначительного устройства лучше всего доверить профессионалам, которые подскажут, какая комплектация гидравлической установки будет самой оптимальной для той или иной техники.
Устройство аксиально-поршневых гидромоторов
Гидравлические моторы аксиально-поршневого типа успешно завоевали свое место касательно востребованности в различных видах деятельности. Среди их положительных сторон можно отметить:
- компактность;
- простоту конструкции;
- небольшую массу изделия;
- способность к функционированию на высокой частоте вращений;
- рабочее давление и КПД высокого уровня;
- легкость монтажа;
- возможность взаимодействия с рабочими жидкостями разных вязкостей;
- малую иннерционность вращающихся масс.
Однако при таком количестве преимуществ использования аксиальных гидромоторов есть место и для таких моментов, как повышенная требовательность к используемым в работе материалам, тонкая фильтрация рабочей жидкости, что оказывает прямое влияние на формирование итоговой стоимости гидравлического механизма.
Поршневой гидравлический мотор аксиального типа имеет в своем составе:
- Блок цилиндров с поршнями.
- Шатуны.
- Распределитель.
- Упорный диск.
- Ведущий вал.
Данное устройство применимо как составляющая автобетоносмесителя, дорожного уплотнителя, а также комбайна, зерноуборочной машины и прочей технике со средним и высоким уровнями давления в системе гидравлики.
Как подобрать гидравлический мотор?
Часто не последнее значение для покупателя имеет цена устройства, но так как уже было отмечено, во многом формирование стоимости базируется на высокой требовательности к таким гидромоторам. Также, при выборе аксиального гидравлического мотора обращают внимание на:
- тип техники, для которого подбирается гидромотор (грузовик, трактор, автомобиль или другая специализированная техника);
- марка, модель техники, особенности ее устройства и совместимость;
- характер выполняемых задач;
- условия окружающей среды;
- диапазон вязкости гидравлической жидкости.
Работники компании «Hydrolider» по удобному для вас способу связи любезно помогут выбрать надежное и подходящее устройство, а также предоставят всю необходимую информацию и документацию. Также здесь вы можете оформить заказ с доставкой.
Сайт Галдина Н.С.
2.8. Аксиально-поршневые гидромашины
2.8. Аксиально-поршневые гидромашины
Аксиально-поршневые гидромашины относятся к роторно-поршневым гидромашинам с пространственной кинематикой, в которых вращательное движение вала (для насосов) преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней (вытеснителей).
У этих гидромашин рабочие камеры образованы рабочими поверхностями цилиндров и поршней, а оси поршней параллельны (аксиальны) оси блока цилиндров (ротору) или составляют с ней угол не более 45 º .
По кинематическим схемам, заложенным в основу конструкции, аксиально-поршневые гидромашины разделяют на гидромашины с наклонным блоком цилиндров и с наклонным диском.
На рис.2.10, а показана схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров. Насос состоит из неподвижного распределительного диска 1 ,имеющего два серпообразных канала, соединенных со всасывающей В и напорной Н гидролиниями. Внутри вращающегося блока цилиндров 2 расположены рабочие камеры 3 ,образованные поверхностями цилиндров и перемещающихся поршней 4.Поршни шарнирно соединены шатунами 5 с упорным фланцем 6,который вращается вместе с приводным валом 7.
Рис. 2.10. Схема аксиально-поршневого насоса:
1– распределительный диск; 2 – блок цилиндров; 3 – рабочая камера;
4 – поршень (вытеснитель); 5 – шатун; 6 – упорный фланец; 7 – приводной вал
1– распределительный диск; 2 – блок цилиндров; 3 – рабочая камера;
4 – поршень (вытеснитель); 5 – наклонный диск; 6 – приводной вал
При совместном вращении вала 7 и блока цилиндров 2 вокруг своих осей поршни 4, вращаясь вместе с блоком, совершают возвратно-поступательное движение относительно цилиндров. За один оборот вала каждый поршень насоса совершает один двойной ход.
В результате этого каждый поршень в течение одной половины оборота освобождает некоторое пространство внутри цилиндра и рабочая камера заполняется жидкостью из всасывающей гидролинии В. Происходит цикл всасывания. В течение следующей половины оборота поршень вытесняет жидкость из рабочей камеры в напорную гидролинию Н. Происходит цикл нагнетания.
Рабочий объем аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком характеризуется суммарным объемом жидкости, вытесняемой поршнями за один оборот вала, и определяется по формуле
, (2.20)
где d п – диаметр поршня; z – число всех поршней; h – максимальный ход поршня;
, здесь
– диаметр окружности упорного фланца, на котором расположены центры шаровых шарниров шатунов; g – угол наклона оси блоков цилиндров к оси приводного вала, обычно g = 15. 25 0 (иногда до 40 0 ).
Из формулы (2.20) видно, что рабочий объем насоса зависит от угла наклона блока цилиндров. Изменяя угол наклона блока цилиндров, можно изменять рабочий объем, а, следовательно, и подачу насоса (см. формулу (2.1)).Чем больше угол g , тем больше рабочий объем и подача насоса.
В гидромашинах с наклонным диском (рис.2.10, б) блок цилиндров (ротор) 2 соосен с приводным валом 6 и вращается вместе с ним, а поршни (плунжеры) 4 опираются на неподвижный наклонный диск (шайбу) 5, благодаря чему совершают возвратно-поступательное движение.
При этом происходит всасывание жидкости при выдвижении поршней 4 из блока цилиндров 2 и вытеснение жидкости при движении поршней в блок цилиндров. Для подвода и отвода жидкости к рабочим камерам 3 в неподвижном торцевом распределительном диске 1 выполнены два серпообразных канала, соединенных со всасывающей В и напорной Н гидролиниями.
Для обеспечения движения поршней во время цикла всасывания применяется принудительное прижатие их к наклонному диску пружинами или давлением жидкости.
Рабочий объем аксиально-поршневого насоса с наклонным диском определяется по формуле
, (2.21)
где d п – диаметр поршня; z – число всех поршней; h – максимальный ход поршня;
; D – диаметр окружности блока, на котором расположены оси цилиндров; g – угол наклона диска, обычно g = 20. 25 º .
Подача насоса определяется по формуле (2.1). Принцип регулирования подачи, основанный на изменении рабочего объема насоса, вытекает из соотношений (2.1), (2.20) и (2.21). Из них следует, что изменение величины угла g приводит к изменению подачи.
Обозначим через g max максимально возможный по конструкции угол наклона блока цилиндров или диска, а через Q т max соответствующую ему максимальную подачу.
Тогда подачу Q т , соответствующую значению угла g , можно представить в виде
или
. (2.22)
Введем величину y , которую назовем параметром регулирования
или
. (2.23)
Представление параметра регулирования y в виде отношения углов g / g max эквивалентно линеаризации формулы (2.23). При g = 25 0 максимальная погрешность от линеаризации составляет около 3% для насосов с наклонным блоком и около 7% для насосов с наклонным диском.
С учетом формул (2.22), (2.23) и (2.4) подачу насоса можно представить в виде
или
. (2.24)
Для регулируемых насосов с постоянным направлением потока жидкости параметр регулирования изменяется в пределах 0 £ y £ 1, а для насосов с реверсивным потоком параметр регулирования изменяется в пределах -1 £ y £ 1. Зависимость
называется регулировочной характеристикой насоса.
В некоторых насосах предусматривается установка угла наклона на два-три дискретных значения. Такое регулирование называется ступенчатым. Коэффициент пульсации подачи аксиально-поршневого насоса определяют по формулам:
для нечетного числа поршней
; (2.25)
для четного числа поршней
. (2.26)
Аксиально-поршневые гидромашины стали одними из самых применяемых в гидроприводах мобильных машин и стационарном оборудовании благодаря следующим преимуществам:
§ более высокому полному КПД (0,85. 0,94) по сравнению с КПД шестеренных и пластинчатых гидромашин;
§ работоспособности при высоком давлении в пределах 20. 32 МПа (до 40. 50 МПа);
§ возможности регулировать рабочий объем за счет наклона диска или блока цилиндров;
§ широкому диапазону рабочих объемов от 0,5 см 3 /об до 30 дм 3 /об;
§ высокой всасывающей способности насосов, обеспечивающей возможность их эксплуатации в гидросистемах с открытой циркуляцией рабочей жидкости;
§ широкому диапазону частоты вращения – от 1 до 6000 об/мин;
§ длительным срокам службы до 10000. 12000 ч;
§ достаточно высоким удельным показателям и др.
Однако у них сложная кинематика динамика, много прецизионных деталей, поэтому они сложны в изготовлении, имеют высокую стоимость и предъявляют повышенные требования к тонкости фильтрации рабочей жидкости.
Конструкции аксиально-поршневых гидромашин отличаются большим разнообразием.
На строительных и дорожных машинах наиболее широко применяют аксиально-поршневые нерегулируемые и регулируемые гидромашины с наклонным блоком цилиндров.
В основу серийно выпускаемых гидромашин, отличающихся габаритными размерами, положена унифицированная конструкция качающего узла.
Начатое в конце 60-х годов XX века производство аксиально-поршневых насосов и гидромоторов с наклонным блоком цилиндров позволило на их основе принципиально изменить конструкцию большинства видов строительных и дорожных машин: улучшились основные параметры, разработаны гидромашины с поворотным распределителем, создана конструкция регулируемых гидромоторов с бесступенчатым изменением рабочего объема, а также реализован ряд других достижений.
Для гидроприводов строительных и дорожных машин производятся аксиально-поршневые нерегулируемые (типа 210 и 310) и регулируемые (типа 207, 224, 303, 321 и 333) насосы и гидромоторы. Основой каждого типоразмера гидромашин является унифицированная конструкция качающего узла, на базе которого созданы различные исполнения.
Рис. 2.11. Аксиально-поршневой нерегулируемый насос (гидромотор) типа 210…Г:
I и II – варианты исполнения вала (шпоночный и шлицевой);
1 – приводной вал; 2 – манжетное уплотнение; 3 – передняя крышка; 4 – кольцо упорное; 5, 13 – кольца уплотнительные;
6, 7 – шарикоподшипники; 8 – корпус; 9 – шатун; 10 – поршень; 11 – блок цилиндров; 12 – сферический распределитель;
14 – задняя крышка; 15 – центральный шип
Насосы и гидромоторы типа 210…Г относятся к гидромашинам с нерегулируемым рабочим объемом (рис. 2.11), качающий узел которых состоит из приводного вала 1, семи поршней 10 с шатунами 9, радиального 6 и сдвоенного радиально-упорного 7 шарикоподшипников, блока цилиндров 11, центрируемого сферическим распределителем 12 и центральным шипом 15.
От осевого перемещения внутренние кольца подшипников удерживаются стопорным кольцом (гидромашина 210) или двумя пружинными кольцами (гидромашина 310.224).В передней крышке 3 установлено армированное манжетное уплотнение 2.
Центральный шип 15 сферической головкой установлен в гнезде фланца приводного вала 1, другой конец шипа входит в отверстие втулки, запрессованной в распределитель 12. В сферических периферийных гнездах фланца приводного вала 1 установлены головки шатунов 9, которые вместе со сферической головкой центрального шипа 15 прижаты к фланцу вала пластиной.
К внутренней поверхности задней крышки 14 неподвижно примыкает распределитель 12, два дугообразных паза которого совмещены с соответствующими пазами в крышке. Под воздействием тарельчатых пружин сферические поверхности блока цилиндров 11 и распределителя 12 постоянно прижаты. При вращении блока полости цилиндров последовательно совмещаются с дугообразными пазами распределителя.
При вращении вала 1 вращаются шатуны 9 с поршнями 10, установленными в блоке цилиндров. Одновременно поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах, полости которых попеременно сообщаются с напорным или всасывающим каналом.
За один оборот вала каждый поршень совершает один двойной ход. При работе гидромашины в режиме насоса в течение одной половины оборота вала поршень всасывает рабочую жидкость через трубопровод из бака, а в течение второй – вытесняет ее в напорную магистраль гидросистемы.
Величина подачи насоса прямо пропорционально зависит от частоты вращения приводного вала.
При работе в режиме гидромотора напор рабочей жидкости из гидросистемы через отверстие в задней крышке 14 и дугообразный паз распределителя действует на поршни 10, приводя их в движение. Поршни 10 через шатуны 9 сообщают валу 1 крутящий момент.
При этом в течение одной половины оборота вала происходит заполнение рабочей камеры цилиндра жидкостью, а в течение другой – вытеснение жидкости в сливную магистраль.
Общий вид гидромашины типа 210… представлен на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Общий вид гидромашины типа 210…
Аксиально-поршневые нерегулируемые насосы и гидромоторы типа 210… являются по принципу действия обратимыми гидромашинами, имеют строго зафиксированный угол наклона блока цилиндров (25 º ).
Индексы насосов и гидромоторов образуются следующим образом: первые три цифры (210) обозначают тип гидромашины, следующие две цифры (12, 16, 20, 25, 32) – диаметр поршня качающегося узла (мм), третья группа цифр – исполнение (насос или гидромотор), последние две цифры исполнение приводного вала. Буквы «А» и «Б» в индексе обозначают исполнение насоса в корпусе из алюминиевых сплавов.
Пример обозначения нерегулируемой гидромашины типа 210…:
Конструкция аксиально-поршневой гидромашины серии 300 приведена на рис.2.13.
Рис. 2.13. Аксиально-поршневая нерегулируемая гидромашина типа 310…:
1 – вал; 2 – манжета; 3, 10, 13 – уплотнительные кольца;
4, 14 – передняя и задняя крышки; 5 – стакан; 6 – подшипник радиальный;
7 – подшипник сдвоенный радиально-упорный; 8 –шатун; 9 – поршень;
11 – блок цилиндров; 12 – распределитель; 15 – шип; 16 – корпус
Устройство и принцип действия гидромашин типа 310 аналогичны рассмотренным выше гидромашинам типа 210.
Аксиально-поршневые регулируемые насосы типа 207 изготовляются трех типоразмеров, отличающихся диаметром поршня унифицированного качающего узла.
Регулирование величины и направления потока жидкости происходит за счет изменения угла наклона поворотного корпуса. Подача регулируемого насоса может плавно изменяться при изменении угла наклона поворотного корпуса γ от 0 до ± 25 0 .
Сдвоенные аксиально-поршневые регулируемые насосы типа 223 состоят из двух унифицированных качающих узлов насоса типа 207, установленных параллельно в общем корпусе.
Сдвоенные насосы обычно используют в том случае, когда необходимо обеспечить работу двухпоточной гидросистемы.
Аксиально-поршневой регулируемый гидромотор (рис.2.14.) состоит из вала 1, корпуса 13, внутри которого расположен блок цилиндров (ротор) 4, шатуны 2, поршни (вытеснители) 3, цапфа 12, торцовый сферический распределитель 11. К корпусу 13 крепится корпус регулятора 8 с крышкой 6. В корпусе регулятора находятся золотник 7, палец 9, установочный поршень 10. Наклон блока цилиндров 4 осуществляется перемещением торцевого сферического распределителя 11, на который опирается блок цилиндров 4 по сферической направляющей. такое конструктивное решение позволяет значительно уменьшить габариты регулируемой аксиально-поршневой гидромашины.
Рис. 2.14. Гидромотор аксиально-поршневой регулируемый типа 303…
1 – вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – блок цилиндров (ротор);
5 – ограничительный винт; 6 – крышка; 7 – золотник;
8 – корпус регулятора; 9 – палец; 10 – установочный поршень;
11 – распределитель; 12 – цапфа; 13 – корпус
Общий вид насоса типа 313…представлен на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Общий вид насоса типа 313…
Общий вид трехпоточного насоса типа 333…представлен на рис.2.16.
Рис. 2.16. Общий вид трехпоточного насоса типа 333…
Трехпоточный регулируемый насос 333.20 состоит из двух регулируемых качающих узлов с максимальным углом наклона блока цилиндров 25 0 и одного нерегулируемого качающего узла.
Регулирование рабочего объема достигается изменением угла наклона блока цилиндров с торцевым распределителем относительно оси вала.
Аксиально-поршневые гидромашины с наклонным блоком обладают высокими эксплуатационными свойствами и следующими основными достоинствами: высокой всасывающей способностью, обеспечивающей работу насосов на самовсасывании при широком диапазоне температуры и вязкости рабочей жидкости (от 8…10 сСт до 1000…1200 сСт ); возможностью работы в насосном и моторном режиме: относительно меньшей чувствительностью к чистоте рабочей жидкости (могут работать при тонкости очистки до 40 мкм); высокими износостойкостью, надежностью, КПД.
Источник