Ротационни аксиално-бутални хидромотори, геароторни и планетарни хидромотори

ХидравликаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2011

Конструктивни особености, приложна област


  В предишен брой на сп. Инженеринг ревю ви представихме характеристиките и класификацията на хидромоторите, както и специфичните особености на зъбните, пластинковите и ротационно-радиално буталните хидромотори. В настоящия брой публикуваме втората част на статията, в която ще бъдат разгледани ротационните аксиално-бутални хидромотори, героторните и планетарните хидромотори, както и характеристиките на хидромоторите.

Ротационни аксиално–бутални хидромотори
Този вид хидромотори представляват обемни хидромашини, в които оста на въртене на ротора (цилиндровия блок) е успоредна на оста на цилиндрите. Работните камери са оформени между осово разположените цилиндри на ротора и движещите се в тях бутала (плунжери). Изменението на обема на камерите се осъществява с едно преносно въртеливо движение на ротора и едно възвратно – постъпателно движение на буталата в цилиндрите. Абсолютното движение на буталата в тези хидромашини е пространствено.

Ротационните аксиално-бутални хидромотори намират много широко приложение, което се дължи на не малкото им положителни качества сред които: високи работни налягания до 35 - 45 МРа; големи честоти на въртене (в авиацията до 20 000 min-1); компактност (малки габаритни размери и маса); големи стойности на пълния КПД - до 0,94, а на обемния до 0,98 - 0,99; широк диапазон на регулиране честотата на въртене на вала – до 1:100 при променливи и 1:1000 при постоянни натоварвания; благоприятна енергетична характеристика (в интервал от 3 до 35 МРа, не по-нисък КПД от 0,75, а в интервал на дебита от Qmax до Qmax/7 – не по-нисък от 0,6), което е особено благоприятно за трансмисии на мобилни машини; голям ресурс за нормална работа – до 10 000 – 12 000 часа; бързодействие (малка инерционност); отлични моторни характеристики – пусковият момент на вала е по-голям от 0,9 Мmax; ниско ниво на шума около 70 - 85 децибела и малки експлоатационни разходи.

Съществува голямо конструктивно разнообразие на ротационни аксиално–бутални хидромотори. Независимо от това всички конструкции практически могат да се обединят в две големи групи: хидромотори с наклонен цилиндров блок и хидромотори с наклонен опорен диск (шайба). Разликата между двете групи машини се състои в различието на типа на механизма, осигуряващ въртеливото движение на вала от постъпателно-възвратното движение на буталата в цилиндрите на блока. В първия вид това е изменен колянно-мотовилков механизъм, а във втория – наклонен диск, който представлява една или няколко последователни гърбици.

Аксиалните хидромотори се изпълняват като регулируеми или нерегулируеми, като бързоходни нискомоментни и по-рядко - като бавноходни високомоментни, предимно реверсивни и обратими. Броят на цилиндрите е от 7 до 9, рядко 11 или в два реда.

Ротационни аксиално-бутални хидромотори с наклонен цилиндров блок
Техни предимства пред машините с наклонен диск са: малко радиално натоварване на буталата, благодарение на мотовилковата връзка на буталата с вала; малки обемни загуби в разпределителя и буталната група; голям ъгъл между блока и изходния вал (до 450 при външна конусна предавка); много добри моторни характеристики и по-висок КПД с от 2 до 4%. Характеризират се и със следните недостатъци: голяма осова сила и за това - голям лагерен възел, което затруднява създаването на мотори с много голям работен обем; работа с по-ниски налягания поради големите контактни напрежения в сферичната става на мотовилката в буталото и по-голяма конструктивна и технологична сложност.

Хидромоторите с наклонен цилиндров блок могат да бъдат класифицирани според предаването на движението от блока към вала като:
- хидромотори с мотовилкова връзка и неразтоварен (силов) единичен карданен съединител (кардан). Теса малко приложими поради по-големите радиални размери, сложността и неравномерното движение на вала в рамките на едно завъртане. Чрез кардана се предава голямата част на въртящия момент между блока и вала. За подобряване на равномерността на въртеливото движение в някои конструкции се използва двоен, по-често, разтоварен кардан. Голямата част от въртящия момент се придава чрез буталата и мотовилките към диска на вала, а чрез кардана се осигурява синхронността на движението;
- хидромотори с мотовилкова (безкарданна) връзка. Тук предаването на въртеливото движение от блока към водения вал се осъществява с помощта на мотовилките (мотовилково задвижване). Силата от налягането от буталата чрез удължената им пола с вътрешна конусна повърхност въздейства върху мотовилките и блока, блокът се завъртва, като с големите глави на мотовилките, монтирани във водимия диск на вала, завърта и него. Всяка от мотовилките участва в предаване на движението от буталата към вала два пъти при едно завъртване, като се осъществява едно щафетно поредно предаване на воденето на вала. Мотовилковата връзка между блока и вала поради премахването на кардана намалява радиалните размери на блока и на хидромотора като цяло и опростява конструкцията му. Въвеждането на допълнителни функции на мотовилките за предаване на движението налага повишени изисквания към точността на сферичните им глави в задвижвания диск на вала, а също към точността на техните конусни повърхности. Центрирането на блока към разпределителя, най-често със сферична повърхност, става чрез централно вретено, а началното им притискане - с тарелкова пружина. Използват се и други конструктивни решения чрез пружини за притискане на блока към разпределителя. В резултат на свободното движение на мотовилката в полата на буталото, при реверсирането възникват удари, което влошава работата на хидромотора, а при рязко използване в спирачен режим има опасност от скъсване на мотовилкова глава в диска на вала. Поради това не се препоръчва мотвилковото задвижване да се прилага при честоти на въртене над 3500 min-1 и често реверсиране. Независимо от посочените недостатъци, хидромоторите с мотовилково задвижване намират широко приложение в редица машини и в частност в хидротрансмисиите на мобилните машини.
- хидромотори с предаване на движението чрез конусна зъбна предавка. Конусната зъбна предавка за предаване на движението между блока и диска на вала е възможно само при нерегулируеми хидромотори. Мотовилките при тази конструкция предават само осовите сили от налягането на работната течност, в останалото тази синхронизация е подобна на мотовилковата връзка. Тук блокът се натоварва допълнително от силите в конусната зъбна предавка, но няма неравномерност във въртенето. Използват се конусни зъбни предавки, вградени във водимия диск на вала, които увеличават радиалните размери и външни предавки, на които зъбните венци на колелата са оформени по перифериите на блока и диска. В тези случаи се достигат ъгли на наклона на блока до 45°, буталото е дисково изработено заедно с мотовилката и е уплътнено с един метален пръстен.

Друг признак, използван за класифициране на хидромоторите с наклонен цилиндров блок, е според вида на механизма за изменение на работния обем (регулирането). Регулирането, обикновено, се извършва чрез изменение на ъгъла на блока и вала, с което се изменя ходът на буталото, респективно - работният обем. Тук особена трудност представлява осигуряването на подвеждането и отвеждането на течността към цилиндровия блок. Трябва да се спази изискването оста на отклоняване на блока да се пресича през центровете на сферичните глави на мотовилките, монтирани в диска на вала. Механизмът на регулиране при машините с наклонен блок е по-сложен и по-инерционен от този с машините с наклонен диск. Обикновено се използват два механизма: механизъм „люлка” и такъв, с плъзгащ отклоняващ се разпределител. Механизмът „люлка” е сложен и се използва главно за регулиране на помпи и рядко за хидромотори с наклонен блок.

Има и други признаци за класификация на хидромоторите с наклонен цилиндров блок, но разгледаните са основни.

Ротационни аксиално-бутални хидромотори с наклонен диск
В последните 50 - 55 години все по-голямо приложение в хидрозадвижванията намират аксиално-буталните хидромотори с наклонен диск. При тяхната конструкция липсват мотовилките, а валът е съосен с цилиндровия блок и е свързан непосредствено с него най-често чрез шлици или са едно цяло.

Хидромоторите с наклонен диск имат следните предимства пред тези с наклонен цилиндров блок: възможност за работа с по-високи налягания – до 45 МРа и повече; по-ниско ниво на шума; по-малки габаритни размери и маса; по-проста и технологична конструкция и по-малка инерционност на регулируемите машини.

Като техни недостатъци се посочват: по-нисък КПД, поради по-големите загуби на мощност при преобразуване но постъпателно-възвратното движение във въртеливо; голяма напречна сила върху буталата, което ограничава ъгъла на наклона на диска до g = 18 - 20°; необходимост от осигуряване на постоянен контакт на буталата към наклонения диск.

Класификация на хидромоторите с наклонен диск може да се направи в зависимост от вида на механизма за изменение на работния обем (отнася се за регулируеми машини) и според вида на контакта на буталото към наклонения диск
Според вида на механизма за изменение на работния обем хидромоторите с наклонен диск биват:
- чрез люлеещ се диск. Дискът има централен отвор, през който преминава валът на машината. Чрез лост дискът се отклонява, като се върти в лагери и изменя ъгъла на наклона си спрямо нормалата към оста на вала, в граници g = 7 - 18°. С това се изменя големината на хода на буталата (плунжерите) и работният обем на хидромотора. Осовата сила на буталата се поема от диска и лагерите, а лостът се задвижва от хидроцилиндър. Недостатък на люлеещия се диск е, че увеличава радиалните размери на хидромотора.
- чрез диск с тилна цилиндрична повърхност и два сегментни ролкови лагера. Това решение позволява да се получи по-компактна конструкция, но механизмът за управление и осъществяване на завъртането на диска е с по-голяма сложност от люлеещия се диск.
Според вида на контакта на буталото към наклонения диск хидромоторите биват:
- с точков контакт. Контактът е в точка от сферичната повърхност в задната (външната) част на плунжера и равнинната повърхност на диска. Контактната плочка е ексцентрично разположена спрямо оста на плунжера и при въртенето на цилиндровия блок, освен постъпателно възвратно движение, се осъществява и въртене на плунжера в цилиндъра, което подобрява работата на възела. Точковият контакт, поради големите контактни напрежения, ограничава големината на работното налягане до 20 МРа.
- Чрез хидростатични опори. Хидростатичната опора (пета) е осов плъзгащ лагер, осигуряващ течностно триене по повърхността на наклонения диск. Конструктивно опората най-често е завалцувана към сферичната глава на плунжера. По надлъжния отвор в плунжера, завъртващ като дросел, се подава течност под налягане, чрез което се осигурява хидростатично лагеруване както между главата на плунжера и опората, така и между опората и диска. Това позволява работни налягания за хидромоторите над 45 МРа и прави изключително голямо използването на хидростатичните опори.
Независимо от някои недостатъци, работата с високи налягания, компактността, конструктивната и технологична простота, малката инерционност и по-малката безшумност разширява използването на хидромоторите с наклонен диск за хидрозадвижване в металорежещи, земеделски и др. работни машини.

Ротационни аксиално-бутални високомоментни хидромотори
В практиката на машиностроенето получават все по-голямо приложение и високомоментните аксиално-бутални хидромотори с наклонен диск. Те са много по-компактни, защото във всеки цилиндър на блока има по две бутала, които под действието на пружината контактуват с наклонения диск чрез хидростатични опори. Разпределението на течността се осъществява посредством челен разпределител. Положителни качества на тези хидромотори се явяват малката пулсация на скоростта на въртене на вала, малка инерционност, компактността и големият пусков въртящ момент. Регулирането на честотата на въртене е безстъпално и се постига за сметка на изменение ъгъла на наклона на диска или чрез дебита на подаваната работна течност. Оформянето на две, три или четири последователни гърбици по наклонения диск позволява получаване на многоходови високомоментни аксиални хидромотори.

Героторни (бироторни) и планетарни хидромотори
Това са машини, близки по принципа на работа към зъбните с вътрешно зацепване, но с по-сложна кинематика. Те представляват интерес благодарение на твърде малката си металоемкост. При тях липсва сърпообразният разделителен елемент, присъщ на обикновените зъбни помпи с вътрешно зацепване и еволвентен профил на зъбите. Изпълнението на зъбните колела 1 и 2 (фиг. 1) по специален циклоиден профил, позволява непрекъснат контакт между зъбите (точките 3, 4, 5 и 6) и изолиране на отворите за подвеждане на течността с високо налягане и за отвеждане на работната течност. Такава зъбна хидромашина се нарича „героторна”. Действието на героторния хидромотор е следното. При подаване на течност под налягане от десния прозорец на капака (отбелязан с пунктир) в камерите между зъбите от неуравновесено налягане върху зъбите възникват въртящи моменти, от които вътрешното зъбно колело 1 с изходния вал и външният зъбен венец 2 се завъртват в една посока спрямо съответните центри О1 и О2. По посока на въртенето от Б към А камерите нарастват под действие на налягането на течността, а от А към Б намаляват и работната течност се изтласква през левия прозорец. За осъществяване на обемния принцип на работа задължително условие е наличието на разлика от един зъб между броя на зъбите на вътрешното колело 1 (първи ротор) и тези на външния зъбен венец 2 (втори ротор). Затова тези машини се наричат още бироторни.

Героторните хидромотори работят с налягания до 15 МРа, но в отделни случаи могат да работят и с налягания до 30 МРа, пригодени са за работа в качеството на бързоходни хидромотори с честота на въртене 3000 - 4000 min-1. Намират приложение в земеделски и други машини.

Ако зъбният венец 2 (фиг. 1) се застопори, вътрешното зъбно колело 1, при съществуващите степени на свобода, ще извърши абсолютно планетарно движение. Геометрията на зацепването на планетарния ротор 1 и статора 2 осигурява наличието на камерите с високо и ниско налягане. Оста О1 на планетарния ротор 1 при неговото търкаляне по неподвижния статор 2 описва окръжност около центъра О2 с радиус, равен на ексцентрицитета. Такава хидромашина се нарича планетарна (фиг. 2).
Съотношението на честотите на въртене на ротора 1 и изходния вал, а също работният обем на планетарните хидромашини, зависят от начина на преобразуване на сложното равнинно движение на ротора във въртене на изходния вал.

Планетарните хидромашини са нерегулируеми, средноскоростни (честоти на въртене от 20 до 600 min-1). Те са компактни и намират добро приложение в пътностроителни, земеделски и други машини.

Характеристики на хидромоторите
Това са графично представени зависимости между основните параметри на хидромоторите, получени по опитен път. Всички видове обемни хидромотори имат еднакви по вид характеристики, с една особеност, че теоретичният въртящ момент на вала не зависи от честотата на въртенето му и теоретичният дебит не зависи от пада на налягането. На фиг. 3 са показани характеристики, които изразяват зависимости на показателите от пада на налягането – фиг. 3а и от честотата на въртене фиг. 3б. Първата характеристика се получава при постоянни n и q. Вижда се нарастването на действителния обем Q с увеличаване пада на налягането Dp и необходимия пад на налягането Dро за тръгване на хидромотора на празен ход (без товар). Въртящият момент се изменя линейно от Dр. Втората характеристика се получава при постоянни Dр и q. Тя показва твърдостта на моментната характеристика с увеличаване на честотата, докато полезната мощност РП и дебитът Q се изменят пропорционално. Вижда се, че за да се завърти валът на хидромотора под товар е необходим дебит на течността по-голям от обемните загуби в хидромотора при дадения товар. С увеличаване на натоварването този начален дебит нараства. Коефициентът на полезно действие започва от 0, нараства бързо и поддържа високи стойности при голям диапазон на изменение на честотата.

Най-пълна представа за техническите възможности на хидромотора дава универсалната му характеристика. Тя се построява след снемане на известен брой характеристики от типа на фиг. 3а или 3б, при различни големини на честотите или на пада на налягането. Това е характеристиката, която се използва за подбиране на хидромотор за работа със зададени въртящ момент и честота на въртене.

Top