Зъбни, пластинкови и ротационно-радиално бутални хидромотори

ХидравликаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2011

 Хидравличните мотори (хидромоторите), както е добре известно, са двигателни обемни хидравлични машини, които преобразуват главно потенциалната енергия (налягането) на подведената към входа им работна течност в механична енергия на въртеливо движение на изходното си звено – вала, на ъгъл по-голям от 360°.
Хидромоторите намират голямо приложение в хидравличните задвижвания в машиностроенето, там където е необходимо въртеливо движение – металорежещи, подемно-транспортни, строителнопътни и земеделски машини, авиационна техника, корабостроене и др. Това се дължи на техните качества, включващи възможност за пускане в работа под товар, незначително изменение на въртящия момент на вала от честотата на въртене, смяна на посоката на въртене (реверсивност), изменение на честотата на въртене в широк диапазон при достатъчно висок коефициент на полезно действие (КПД), малки размери и обратимост (работа като помпи).

Енергообменният процес
при хидромоторите протича непосредствено чрез изменение на обема на една или повече работни камери под действие на налягането на течността и задвижване на твърди работни тела (зъби, пластини, бутала), намиращи се в камерите. Тук главно се изменя потенциалната енергия на течността, тъй като скоростите са малки. Поради малките скорости на течността в обемните хидромотори, често те биват наричани хидростатични мотори. Между входа и изхода на тези машини има пълна изолация, което определя известна цикличност на работния процес.

Показатели на хидромоторите
са работният обем q, номиналната честота на въртене n и съответният дебит Q, падът на налягането p, мощността P, КПД и въртящият момент M. Под работен обем на хидромотора обикновено се разбира сумарното изменение на обема на работните камери за едно завъртане на вала на машината. Той може да бъде определен по формулата q = Vz, където с V е отбелязан геометричният обем на една от камерите, а z е броят на камерите.
Теоретичният (геометричният) дебит е обемът течност, който би постъпил в хидромотора за единица време, ако няма протечки и не се отчита свиваемостта на течността. При налягания до 20 MPa, грешката от пренебрегване на свиваемостта се приема за незначителна. При дадена честотата на въртене n, теоретичният дебит може да се определи и с израза QТ = qn. В резултат на неизбежните вътрешни протечки DQ в машината, действителният дебит на хидромотора
винаги е по-голям от теоретичния, тъй като Q = Q + Q. Следователно, действителният дебит Q се явява обемът течност, който се подава на входа на хидромотора за единица време, съответно, мерната единица е dm3/min (l/min).
За регулируемите хидромотори дебитът за дадена регулировка се изменя и може да бъде определен чрез коефициента (параметъра) на регулиране e, който се определя от отношението на текущата големина на работния обем q към неговата максимална големина qmax или e =q/qmax. Безразмерната величина e се изменя от eмин, с различна стойност за различните видовете хидромотори, до e = 1.

Пад на налягане, мощност, КПД
Падът на налягането на хидромотора се определя от разликата между абсолютните статични налягания на входа pВХ и на изхода pИЗХ, или p = pBX - pИЗХ.
За определяне на полезната мощност на хидромотора, явяваща се на практика мощността на неговия вал, обикновено се използва изразът PП = Mw = M pn/30, където с М е отбелязан въртящият момент на вала, в Nm; w е ъгловата скорост в rad/s, а n е честотата на въртене в min-1. За определяне на PВХ се използва изразът PВХ = Q.p/60  kW, където Q e в dm3/min, a p в MPa .
Пълният КПД h на хидромотора може да се определи от отношението на РП към PВХ, или: h =РП/ PВХ. Той може да се определи от произведението на трите частни КПД h=hОhМhХ, където hО е обемният КПД; с hМ е обозначен механичният КПД, който обикновено се определя по формулата hМ = Pi/PВХ, в която с Pi е обозначена индикаторната мощност, определена по формулата Pi = РВХ - DРМ, където с DРМ са обозначени загубите на мощност за работа на силите на триене в хидромотора; hХ е хидравличният КПД. Обикновено се приема, че hХ = 1, поради малките загуби на мощност в хидравличните съпротивления на хидромоторите. Пълният КПД при някои конструкции хидромотори може да достигне до h = 0,93 - 095, hО до 0,99 и hМ до 0,97. При хидромоторите се използват и следните две основни формули: М = (pq /2p)hМ  и p = 2pM/qhМ.

Класификация на хидромоторите
Хидромоторите могат да бъдат класифицирани по различни признаци. Сред по-често използваните са: в зависимост от конструкцията на работните тела, спрямо която се делят на зъбни, пластинкови, ротационно-бутални, с въртящи бутала, героторни (бироторни), планетарни и винтови. Тази класификация се явява основна за хидромоторите. Други често използвани признаци за класификация са: според действието - с единично, с двойно и многократно действие; в зависимост от възможността за регулиране – нерегулируеми и регулируеми; по честотата на въртене - бързоходни (нискомоментни) и бавноходни (високомоментни). Принципно, хидромоторите се изработват като реверсивни и обратими (мотор-помпи).

Зъбни хидромотори
Схема на зъбен хидромотор е показана на фиг. 1. От фигурата се вижда, че конструкцията му не се отличава от тази на зъбна помпа с външно зацепване на колелата. Основните елементи на зъбните хидромотори се явяват тяло 1, двойка зъбни колела 2 и 3 с еволвентен профил и странични капаци (лагерни втулки), непоказани на фигурата. Конструкцията при реверсивните хидромотори е по-проста, защото няма хидравлична компенсация на челната хлабина. Действието на тези хидромотори е следното, при подаване на течност под налягане в камера А, възникват хидравлично неуравновесени сили Т върху зъбите на двете колела, създават се въртящи моменти, които завъртат колелата. Въртящият момент на вала зависи от модула на зъбите, диаметъра на колелата и пада на налягането. Зъбните мотори, освен проста конструкция, малки размери и маса, се характеризират и с устойчива работа при честоти в границите от  n = 100 до 6500 min-1. Те имат сравнително малко приложение, предимно за осъществяване на кинематични съотношения между валове. Това се дължи на големите сили на триене, от което следва нисък пусков въртящ момент от 46 до 70% от Мmax; повишено ниво на шума; невъзможност за последователно свързване, поради изразходване пада на налягането още в първия хидромотор. Коефициентът на полезно действие е в границите от h = 0,7 до 0,8.

Пластинкови хидромотори
Пластинковият хидромотор е хидромашина с въртящ се ротор, в надлъжните радиални канали на който, плоски пластини извършват възвратно постъпателно движение. Работните камери се образуват между повърхнините на ротора, статора, две съседни пластини и страничните капаци. Тези хидромотори се отличават с проста и надеждна конструкция, компактност и малка маса. Според действието си биват с единично, двойно и многократно действие. В машините с еднократно действие за един работен цикъл (подаване на течност под налягане, създаване на въртящ момент, завъртване на ротора и вала, отвеждане на работилата течност) се осъществява едно пълно завъртване на вала. Регулирането се провежда чрез изменение на ексцентрицитета между ротора и подвижната направляваща на статора.
При хидромоторите с многократно действие едно пълно завъртване на вала се получава в резултат на съответен брой работни цикли. Те се изпълняват главно като нерегулируеми.
За осъществяване на работния цикъл пластинките трябва плътно да се притискат към направляващата на тялото, която има съответен профил. Това се осигурява чрез пружини под пластините, чрез кобилични пружини или под действието на налягането на подвежданата работна течност.
Пластинкови помпи могат да работят като хидромотори, само ако пластинките им се водят принудително и така да се притискат към профилната направляваща на тялото.
Пластинковите хидромотори с единично действие се използват за налягания до около 8 - 10 МРа, поради нарастващата едностранно действаща неуравновесена сила от налягането върху ротора и лагерите. Пластинките се разполагат радиално в ротора заради реверсирането.
От пластинковите хидромотори голямо приложение намират двойно действащите машини. Изменението на посоката на въртене на вала е чрез смяна на подаваната течност в отворите на машината. Осигуряването на началното притискане на пластините към статора и на диска към челото на ротора обикновено се постига чрез клапанно-плунжерно устройство, което, независимо от посоката на въртене на вала, направлява течността от едната камера към каналите под пластините и към другата камера. В двойнодействащите хидромотори развиваният въртящ момент е равен на удвоената разлика на моментите от налягането върху две взаимно перпендикулярни пластини, контактуващи с двата цилиндрични участъка от профила на направляващата. Роторът е хидравлично уравновесен от силите на налягането, което позволява работа с налягания до 20 МРа и повече. Пълният КПД е в граници от 0,65 до 0,85.
Пластинковите хидромотори имат по-добри пускови качества от зъбните и се използват в металорежещи, подемно-транспортни, пътностроителни и други машини.

Ротационно–радиално бутални хидромотори
Ротационно–радиалният бутален хидромотор е обемна хидромашина с въртящ се като ротор цилиндров блок, в който са оформени работните камери между радиалните цилиндри на ротора и възвратно – постъпателно движещите се в тях бутала или плунжери. Изменението на обема на работните камери в тези хидромотори е под действието на налягането на работната течност чрез едно преносно въртеливо движение на ротора – цилиндров блок и едно относително движение на буталата в цилиндрите. Абсолютното движение на буталата е равнинно.
Ротационните радиално–бутални хидромотори биват с единично, двойно и многократно действие.
Моторите с единично действие се изработват като нерегулируеми и регулируеми. Регулирането се извършва чрез изменение на ексцентрицитета на ротора спрямо направляващата.
На фиг. 2 е дадена схема на двойно действащ хидромотор, при който буталата 1 извършват два работни хода за едно завъртане на вала. Статорната направляваща 2 е изпълнена във вид на овал, а цилиндричният шийков разпределител 3 има две подводящи и две отводящи камери. Използването на цилиндричен разпределител, който няма голяма херметичност, позволява работа с налягания до около 20 - 22 МРа, а за по–високи налягания (до около 40 МРа) се прилагат челни разпределители. Хидромоторите с единично и двойно действие работят с честоти на въртене до около 3000 - 3500 min-1. Те имат по–малко приложение, тъй като са с големи размери поради радиалното разположение на цилиндрите, по-малка херметичност и големи инерционни моменти на въртящите се части.
По-голямо приложение намират бавноходните хидромотори, които развиват големи въртящи моменти. Те биват с постоянен и изменяем работен обем.
От посочената по-горе формула за въртящия момент на вала се вижда, че повишаването му може да се осъществи чрез повишаване на налягането или на работния обем, или и на двете заедно. При зададено налягане това може да се случи само чрез увеличаване на работния обем. Последното се осъществява при едноходовите машини с увеличаване броя и обема на цилиндрите, а при многоходовите - чрез увеличаване броя на ходовете за едно завъртане на вала. На фиг. 3 са показани четири схеми, съответстващи на горните два признака за повишаване на въртящия момент. В четирите случая камерите са образувани от радиалните цилиндри в блока 1 и буталата 2, взаимодействащи с направляващата 3, както при външно, така и при вътрешно разположение на направляващата.
В хидромоторите с многократно действие работните повърхности и при двете разположения на направляващата (фиг. 3а и 3б) се образуват от определени профилирани участъци. Направляващите при машините с еднократно действие (фиг. 3в и 3г) като правило се изпълняват като цилиндри, разположени ексцентрично относно оста на цилиндровия блок.
В хидромоторите с многократно действие контактът на буталата с направляващата се осигурява чрез ролки 4, а при едноходовите - с вътрешен ексцентрик с опорни плъзгачи, свързани с буталата с мотовилки.
При хидромоторите с единично действие за преобразуване на постъпателното движение на буталата във въртеливо движение на вала се използват и кривошипно–кулисни механизми.
Характерът на движение на буталата се определя от профила на направляващата, с който е свързана и големината на развивания въртящ момент на вала.
Силата, действаща върху буталото от налягането на течността, е с посока към оста му. В резултат на взаимодействието на буталото и направляващата, чрез ролка или лагерен плъзгач възниква тангенциална съставляваща сила Т. Нейната големина и радиус на приложение определят част от въртящия момент, формираща се от всяко бутало. Действащата големина на момента на вала е равна на алгебричната сума от моментите на буталата под налягане и тези за изтласкване на работилата течност.
Бавноходните високомоментни хидромотори биват едно-, дву- и триредни, с бутала в един ред при едноходовите от три до пет, а при многоходовите - до единадесет. Последните имат работни обеми до 63 dm3, развиват въртящи моменти до 300 000 Nm при честоти на въртене в границите от 3 до 200 min-1 и КПД до 0,94.
Регулирането при бавноходните еднодействащи хидромотори става чрез изменение активното лице на буталата, а при многоходовите – чрез изключване на някой от хидроцилиндрите.
Ротационните радиално–бутални хидромотори намират приложение в трансмисиите на някои видове трактори, бойни машини, в металургията и минната техника за хидрозадвижване на минни проходни комбайни.
На фиг. 4 е показана конструкция на четириходов двуреден хидромотор, при който, с цел намаляване на радиалните размери, вместо ролка с лагери за контакт на буталата с направляващата, буталата на външния си край имат полуцилиндричен канал, в който е вместена една ролка, търкаляща се по направляващата. Това конструктивно решение е повишило компактността на хидромотора и е намалило неговата маса.

Темата продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю с представяне на ротационните аксиално-бутални хидромотори, героторните и планетарните хидромотори.

Top