Kaasaegsetes hüdraulilistes ajamisüsteemides on kiirus üks mootori põhinäitajatest. Paljud insenerid, hooldustöötajad või seadmete kasutajad küsivad mootori valimisel sageli:
'Mul on vaja madala kiirusega, isegi ülimadala kiirusega hüdromootorit. Kas see töötab ühtlaselt vaid mõnekümne pöördega või isegi mõne pöördega minutis?'
See näiliselt lihtne taotlus peidab tegelikult mitmeid keerulisi struktuurseid piiranguid, vedeliku dünaamika väljakutseid ja hüdraulikatehnoloogia mehaanilisi vastuolusid. Et mõista, miks tõesti madala kiirusega mootorid on nii haruldased – ja miks peate nende valimisel olema eriti ettevaatlik –, tuleb alustada sellest, kuidas hüdromootori kiirusi liigitatakse. Sealt edasi uurime mootori ehituspõhimõtteid, tehnilisi raskusi madala kiiruse saavutamisel, ülimadalatele pööretele sobivaid mootoritüüpe ja sellega kaasnevaid süsteemseid piiranguid.
Madala kiirusega mootorite määratlus
Hüdraulikatööstuses liigitatakse mootoreid tavaliselt nende nimikiiruse järgi, ligikaudu järgmiselt:
Kiired mootorid: üle 500 p/min
Keskmise kiirusega mootorid: ~300–500 p/min
Madala kiirusega mootorid: alla 300 p/min
Kuid selles klassifikatsioonis peitub 'peidetud intervall', mida sageli tähelepanuta jäetakse – ülimadala kiiruse vahemik, umbkaudselt määratletud alla 50 p/min. Miks alla 50 p/min vahemikku eraldi välja kutsuda? Kuna vedeliku mehaanika, triboloogia (hõõrdeteaduse) ja hüdraulilise juhtimise vaatenurgast muutub mootori käitumine kvalitatiivselt umbes 50 pööret minutis.
Viiskümmend pööret minutis ei ole suvaline arv; see kujutab endast olulist tehnilist eraldusjoont hüdroajamites:
Äärmiselt väike vooluhulk suurendab pulsatsioone: väga madalatel kiirustel on mootorit läbiv vool nii väike, et mis tahes rõhu pulsatsioon või pumba pulsatsioon võimendub oluliselt.
Hõõrdumine muutub domineerivaks, põhjustades libisemist: sisemised hõõrdejõud hakkavad moodustama suuremat osa pöördemomendist, mis võib sujuva pöörlemise asemel põhjustada libisemist (roomamist).
Lekkeefektid mitmekordistuvad: isegi väiksemal siselekkel on proportsionaalselt suurem mõju efektiivsele pöörlemisele madalal kiirusel, mis võib põhjustada kiiruse kõikumisi või seiskumisi.
Suurem nõudlus toite stabiilsuse järele: mootori sisselaskevool ja rõhk peavad olema palju stabiilsemad ja ühtlasemad kui suurel kiirusel, vastasel juhul ei tööta mootor sujuvalt.
Nende tegurite tõttu ilmnevad paljudel hüdromootoritel, mis näivad olevat võimelised 'väga aeglaseks' pöörlema, pärast mõnekümne või ühekohalise pöörete arvu vahemikku sisenedes probleeme, nagu kinnijäämine, käivitus-seiskamine, hüppeline või ebaühtlane kiirus. Inseneritöös valitseb üldine üksmeel:
Stabiilselt madalate kiiruste saavutamine üle 50 p/min ei ole keeruline, kuid pideva, sujuva ja värinavaba pöörlemise säilitamine alla 50 p/min on täiesti erinev tehniline valdkond.
See selgitab ka seda, miks ülimadala kiirusega mootorid vajavad erilisi disainifunktsioone – tavalise mootori puhul ei saa lihtsalt 'vooluhulka langetada, et vähendada kiirust' ja eeldada, et see töötab selles režiimis hästi.
Miks 'Mida aeglasem, seda raskem'? – Tehnilised takistused madalatel kiirustel
Kui hüdromootor töötab ülimadalatel kiirustel, seisab see silmitsi mitmete struktuursete ja füüsiliste väljakutsetega, mis muudavad 'aeglasemaks' liikumise üha keerulisemaks:
1. Vedeliku dünaamika: väike vool, habras rõhukontroll – A hüdromootori kiirus on otseselt võrdeline sellesse siseneva vooluga. Voolukiiruse vähenedes langeb mootori kiirus ja pöördemomendi pulsatsioon muutub palju tugevamaks . Madala kiiruse vahemikus on vooluhulk sageli vaid milliliitrit sekundis. Selliste väikeste voolukiiruste korral võivad isegi väikesed rõhukõikumised, väikesed võnkumised ventiilis või väikesed muutused õli viskoossuses põhjustada mootori katkendliku pöörlemise või sujuva asemel roomamise. Teisisõnu, mida madalam on vool, seda tundlikumaks muutub mootor mis tahes häirete suhtes.
2. Sisemine hõõrdumine ja leke: proportsionaalselt suurem mõju – mootori sisehõõrdumine ja leke, mis suurel kiirusel on väikesed, muutuvad madalal kiirusel kriitilisteks teguriteks. Näited on järgmised: kolbide ja silindri avade vaheline hõõrdumine, mehaaniline takistus klapiplaadis või kommutaatoris ja vedeliku lekkimine läbi tühikute. Kui kavandatud vooluhulk on juba väga väike, võib lisahõõrdumine või siselekke kerge suurenemine röövida mootori pöörlemise peatamiseks piisava pöördemomendi . Ühel dokumenteeritud juhul hakkas paar orbitaalmootorit, mis töötasid nominaalvoolul hästi, teatud võlli asendites väga väikese vooluhulga juures seiskuma , kuna sisemine ristava leke takistas rõhu teket nendes asendites. See nähtus oli suurema voolu korral märkamatu, kuid see muutus ülimadal kiirusel tõukejõuks. Põhimõtteliselt tarbivad sisekaod (hõõrdumine, leke) madalatel pööretel palju suurema osa mootori väljundpöördemomendist, mis põhjustab kõhklusi või 'kleepuva libisemise' liikumist.
3. Mehaanilise konstruktsiooni piirangud: kõik konstruktsioonid ei ole ehitatud roomamiseks – hüdromootori võime madalal kiirusel sujuvalt töötada sõltub suuresti selle konstruktsioonist. Erinevat tüüpi mootoritel on oma olemuselt erinevad madala kiiruse omadused:
Struktuurilisest seisukohast on madalatel pööretel tõeliselt silmapaistval mootoril tavaliselt järgmised omadused: suur töömaht (suurema pöördemomendi tekitamiseks väikese voolu korral), mitu töökambrit (pulsatsiooni vähendamiseks ja sujuvama väljundi saavutamiseks), suur tihendus ja täpsed vahed (lekke minimeerimiseks) ning madala hõõrdumisega komponendid stabiilse määrimisega . Vaid vähesed mootorikonstruktsioonid kontrollivad kõiki neid ruute, mistõttu suudavad suhteliselt vähesed mootoritüübid pidevalt töötada ülimadalatel pööretel.
Reduktormootorid: üldiselt ei sobi väga madalatele pööretele – neil kipub olema märkimisväärne pöördemomendi pulsatsioon ja suur siseleke madalatel pööretel, mille tulemuseks on halb stabiilsus madalatel pööretel (tegelikult on reduktormootorid tuntud madala kiiruse ebastabiilsuse ja väiksema käivitusmomendi poolest võrreldes nende nimipöördemomendiga).
Aksiaalsed kolbmootorid: tavaliselt optimeeritud keskmistel kuni suurtel kiirustel; neil võib olla raskusi sujuva liikumise säilitamisega ülimadalatel kiirustel, kui need pole spetsiaalselt selleks ette nähtud.
Orbitaalmootorid (gerotor/geroller): nendel madalatel pööretel suure pöördemomendiga (LSHT) mootoritel on nende sisemise tsükloidse mehhanismi tõttu väikese kiiruse vahemikus loomulik eelis. Nende disain silub loomupäraselt väljundit madalatel pööretel, eriti suure töömahuga mudelite puhul.
Radiaalkolbmootorid: mitme kolviga, mis on paigutatud radiaalselt (mida sageli nimetatakse 'tähemootoriteks'), võivad need saavutada ülimadalad kiirused. Kui paljud kolvid töötavad järjestikku, tasandab pöördemomendi pulsatsiooni märkimisväärselt, muutes võimalikuks roomekiirused .
Veerevate elementidega sisekõverad (nukk-mootorid) (nt teraskuul- või rullmootorid): need mootorid on spetsiaalselt ehitatud väga väikese kiiruse ja suure pöördemomendiga töötamiseks. Nad kasutavad mitut nukki ja veereelemente (kuulid või rullid), et genereerida pidevat pöördemomenti minimaalse pulsatsiooniga, mis nõuab tootmisel väga suurt täpsust.
Millised mootorid suudavad tõesti saavutada <50 p/min?
Vaid vähesed hüdromootoritüübid võivad usaldusväärselt töötada vahemikus mõnekümnest kuni ühekohalise pöörete arvuni sujuva ja pideva liikumisega . Peamised kategooriad hõlmavad järgmist:
Orbitaalmootorid (Gerotor/Geroller mootorid): need on levinud valik madala kiirusega ja suure pöördemomendiga rakendustes . Orbitaalmootoritel (tuntud ka kui tsükloid- või 'orbiit' mootorid) on sisemine hammasratas ja rootor, mis loob mitu kambrit. Selline struktuur annab neile loomuliku eelise madalal kiirusel töötamiseks – sisuliselt on nende väljund juba konstruktsioonilt aeglane ja suure pöördemomendiga ning nihke suurendamine vähendab saavutatavat kiirust veelgi. Praktikas on nii, et mida suurem on töömaht, seda stabiilsemalt saab mootor töötada väga madalatel pööretel. Näiteks võib selline mudel nagu OMER-300 (töömaht 300 cc/pööret) stabiilselt töötada umbes 15 p/min juures . Paljud orbitaalmootorid vahemikus 400+ cc/p/p suudavad säilitada ühtlase pöörlemise vahemikus 30–50 p/min või rohkem ja minimaalse võnkega. Tegelikult määravad tootjad sageli minimaalse kiiruse ; orbitaalmootoritele Näiteks Danfoss OMR 125 (125 cc) viidatud minimaalne stabiilne kiirus on umbes 9 pööret minutis (mis vastab ligikaudu 1,2 l/min voolule). See näitab, et hästi läbimõeldud gerotormootorid suudavad õigetes tingimustes läheneda ühekohalisele pöörete arvule, ehkki alla nende määratud miinimumi võivad nad ilmutada 'kiiruse pulsatsiooni' või katkendlikku liikumist.
Radiaalkolbmootorid : neid võib pidada ülimadala kiiruse kuningateks . hüdraulika Radiaalkolbmootoril on mitu kolvi, mis on paigutatud ümber nuki, sageli mitu kolvi surub tsükli kohta. Piisava kolbide (ja seega ka suure arvu pöördemomendiimpulsside ühe pöörde kohta) korral saab väljundmomendi pulsatsiooni muuta äärmiselt väikeseks, võimaldades mootoril väga aeglaselt ilma tõmblemiseta pöörata. Suure töömahuga radiaalkolbmootorid (näiteks teatud 'välise tähe' radiaalkonstruktsioonid) võivad töötada stabiilselt kiirusel ~10 p/min ja spetsiaalsete klapikollektorite või servojuhtimisseadmetega suudavad need saavutada 5 pööret minutis või isegi madalamat, jäädes samal ajal sujuvaks. See jõudlus maksab – sellised lahendused on kallid ja neid kasutatakse tavaliselt ainult kõrgetasemelistes seadmetes või rakendustes, millel on ranged nõuded. Radiaalkolbmootorite jõudlus madalatel pööretel on hästi dokumenteeritud: need on liigitatud madala kiirusega suure pöördemomendiga mootoriteks ja neil on sageli stabiilne töö kiirusel alla 10 p/min; tõepoolest, mõned mitme kolviga radiaalkonstruktsioonid võivad 0,5 pööret minutis . koormuse all töötada nii aeglaselt kui Parkeri LSHT-mootorite kataloog hõlmab isegi kiirusi 0,5 p/min kuni tuhandete p/min , mis näitab mootorite saadavust, mis on kohandatud tööks alla 1 p/min. Kokkuvõttes on radiaalsed kolbmootorid (sealhulgas sellised variandid nagu Staffa, Poclain või Hägglundsi ajamid) ühed vähesed, mis suudavad kontrollitult ja pidevalt saavutada roomamiskiirust (suurusjärgus 1 pööret minutis).
Terasest kuulmootorid (sisekurviga kuulkolbmootorid): Hiinas nimetatakse neid sageli 'QJM' seeria või sisemise kõverusega mootoriteks. Need on radiaalse konstruktsiooni tüübid, kus teraskuulid toimivad veerevate kolbidena vastu sisemist nukkrõngast. Need on oma olemuselt sobivad madala kiirusega ja suure pöördemomendiga väljundiks. Näiteks on teada, et seeria 1QJM-32 ja uuemad mudelid töötavad stabiilselt pidevalt umbes 10 pööret minutis . Terasest kuulmootorid ühendavad suure töömahu mitme kontaktpunktiga (kuulidega), et tagada sujuv pöördemoment. Need sõltuvad aga ülikõrgest töötlemise täpsusest ja õigest montaažist – iga väiksemgi viga võib madalatel kiirustel tekitada vibratsiooni. Sellise mootori valimisel on oluline teavitada tootjat ülimadala kiiruse nõudest , et nad saaksid tagada, et mootor on ehitatud ja häälestatud selle töövahemiku jaoks. Praktikas võib hästi ehitatud sisekurviga kuulmootor konkureerida teiste radiaalsete kolbmootoritega madalal kiirusel, kuid kvaliteet ja täpsus on esmatähtsad.
Lahendus: mootori aeglustamiseks tagastusliini pidurdamine
Reaalses inseneritöös on 'kiirparandus' mõned inimesed, kes püüavad saavutada mootori aeglasemat kiirust: ühesuunalise gaasihoova (voolupiiraja) kasutamine mootori tagasivoolutorus, et tekitada veidi vasturõhku. Idee seisneb selles, et lisades väljalaskevoolule takistust, näeb mootor kontrollitud koormust, mis võib aidata tasandada madalatel kiirustel töötamist ja vältida selle liiga kerget vabajooksu või tõmblemist. See lisatud vasturõhk võib tõepoolest muuta mootori madala vooluhulga juures vähem kalduvaks , sundides seda teatud madala kiiruse vahemikus stabiilsemalt liikuma.
Sellel meetodil on aga olulisi puudusi:
See suurendab süsteemis vasturõhku , mis tähendab, et mootor ja kogu hüdroahel töötavad kõrgema baasrõhu all. See raisatud rõhk tähendab energiakaod soojusena . Teisisõnu, tagasivoolu drossel ohverdab tõhususe – hüdropump peab töötama rohkem (kasutades rohkem energiat), et suruda vedelik läbi piirangu, ja suur osa sellest energiast hajub vedelikus soojusena.
Kõrgendatud vasturõhk võib süvendada sisemist leket . mootori Kuna tagasivoolutoru rõhk on kõrgem, väheneb sisemiste tihendite rõhkude erinevus, mis võib põhjustada suurema vedeliku libisemist läbi tühikute, selle asemel et aidata kaasa väljundpöördemomendile. See võib madalal kiirusel jõudlust ja tõhusust veelgi halvendada.
võib see kahjustada mootori võlli tihendeid . Äärmuslikul kasutamisel Standardsed hüdromootori huuletihendid ei ole mõeldud vastu pidama kogu süsteemi survele – need on tavaliselt mõeldud ainult mootori sisemise korpuse tühjendusrõhu hoidmiseks (mis on palju madalam). Tagasivoolu drosseliga ilma korraliku korpuse äravooluta riskite mootori väljalaskeava ja selle korpuse kõrge rõhu tekkimisega. See võib võllitihendi läbi puhuda, põhjustades lekkeid ja mootori rikkeid. (Levinud vead, nagu tagasivoolutoru sulgemine või alamõõduline/blokeeritud tagasivool, võivad samuti põhjustada katastroofilist tihendi riket, kuna kinnijäänud rõhk surub õli tihenditest mööda.)
Täiendavad kõrvalmõjud hõlmavad õli suurenenud soojuskoormust (ülekuumenemist) ja võimalikku komponentide lühemat kasutusiga pideva lisapinge ja suurema surve tõttu osadele. Kõrgem töörõhk võib aja jooksul kiirendada laagrite, tihendite ja muude komponentide kulumist.
Kokkuvõtteks võib öelda, et tagasivoolugaasi kasutamine on parimal juhul abivahend , mis aitab ebapiisavalt konstrueeritud mootoril madalal kiirusel sujuvamalt töötada. See peaks olema ainult viimane abinõu. See ei asenda õiget madalal kiirusel töötavat mootorit ja seda ei tohiks sellisena käsitleda. Õige lähenemisviis ülimadala kiiruse saavutamiseks on kasutada selleks otstarbeks loodud mootorit, selle asemel, et sundida tavamootorit režiimile, milles see pole mugav.
Põhipunktid madala kiirusega hüdromootorite kasutamiseks
Olenemata sellest, kas tegemist on liikurmasinate või tööstusseadmetega, pidage alati silmas järgmisi põhimõtteid, kui tegemist on väikese kiirusega.
Vältige suurt pöördemomenti ülimadalatel pööretel – Ärge nõudke liigset pöördemomenti, kui mootor pöörleb väga aeglaselt. Mida väiksem on kiirus, seda raskem on mootoril suure koormuse korral sujuvat liikumist säilitada. Kui vajutate roomamiskiirusel kõrget rõhku (pöördemomenti), muutub mootor tõenäolisemalt ebastabiilseks või seiskub. Tegelikult on enamikul mootoritel väga madalal kiirusel väiksem käivitusmoment kui nende nimimoment suuremal kiirusel. Kontrollige alati mootori käivitusmomendi tehnilisi andmeid ja ärge oodake peaaegu paigalseisu korral täisväärtuslikku pöördemomenti; pöördemomendi ohutusvaru tagamiseks vajaduse korral suurendage mootorit.
Veenduge, et vooluvarustus oleks pidev ja stabiilne – Madalal kiirusel tähendab igasugune voolu kõikumine otseselt pöörlemiskiiruse kõikumist. Iga väike impulss või voolulangus ilmneb mootori liikumises värisemise või tõmblusena. Püsiva aeglase pöörlemise saavutamiseks peaksid hüdropump ja ventiilid tagama võimalikult sujuva voolu. See võib hõlmata kvaliteetsete proportsionaal- või servoventiilide, pulsatsiooni summutamiseks akude kasutamist ja voolu pulsatsiooni allikate vältimist. Põhimõtteliselt on madalal kiirusel töötav mootor ainult nii hea, kui hea on seda toitava õli stabiilsus. Kui süsteemi vool pulseerib või triivib, peegeldab mootor neid häireid ebaühtlase väljundina.
Kontrollige õli temperatuuri ja viskoossust – õli temperatuuri juhtimine on madalatel kiirustel palju kriitilisem. Kui õli kuumeneb, langeb selle viskoossus. Õhuke (madala viskoossusega) õli lekib kergemini läbi sisemiste vahekauguste, suurendades sisemist leket ja vähendades mootori efektiivset väljundmomenti. See muudab mootori aeglase pöörlemise säilitamise veelgi raskemaks, kuna suurem osa voolust 'libiseb' võlli liigutamise asemel sisemiselt. Selle vastu võitlemiseks hoidke hüdraulikaõli optimaalses temperatuurivahemikus (jahutite või sobiva mahuti suuruse abil), et viskoossus jääks piisavaks vahede tihendamiseks. Jahedam, viskoossem vedelik parandab jõudlust madalatel kiirustel, vähendades leket ja pakkudes õlitamiseks paremat kile, vähendades seeläbi ka hõõrdumist.
Tunnistage tühikäigu ja koormuse erinevust – mootoril on suhteliselt lihtne pöörata ülimadalatel kiirustel väikese või ilma koormuseta (kuna ületada tuleb ainult sisemine hõõrdumine). Tegelikult saab paljud hüdromootorid 1 p/min või isegi aeglasemalt . lahtise väljundvõlliga liikuma panna kiirusel Sama tegemine koormuse all on aga eksponentsiaalselt keerulisem. Hetkel, kui panete mootorile tõelise koormuse pöördemomendi, võib ülimadalatel pööretel käitamise jõudlus drastiliselt halveneda – see, mis pöörleb sujuvalt kiirusel 1 p/min ilma koormuseta, võib isegi mõõduka koormuse korral seiskuda või tõmbuda. Seetõttu hinnake alati väikese kiiruse võimet eeldatavatel koormustingimustel . korral ; Mootori minimaalne stabiilne kiirus määratakse tavaliselt teatud koormuse või rõhu tühikäigul töötamine ei testi mootori madalatel kiirustel stabiilsust tööstsenaariumi korral. Ärge laske end koormuseta katsest eksitada – veenduge, et teie mootor (ja hüdroahel) suudaks tegeliku töökoormuse juures madalal kiirusel töötada.
Järeldus: madal kiirus on süsteemne väljakutse, mitte ainult arv
Paljud inimesed eeldavad, et hüdraulilise mootoriga väikeste kiiruste saavutamine on vaid 'voolu drosseldamine'. Tegelikkuses on tõeline madalatel pööretel töötamine tingitud tegurite koosmõjust : mootori konstruktsioon, vedeliku dünaamika, hõõrdekarakteristikud, tihendustäpsus ja juhtimissüsteemi stabiilsus, kõik toimivad koos, et teha kindlaks, kas mootor saab aeglaselt töötada.
Seega ainult mõnda tüüpi hüdromootoreid – eriti orbitaalmootorid , radiaalkolbmootorid ja sisekõverad (terasest kuul/rull) mootorid – omavad loomupäraseid disainifunktsioone, mis tagavad tõeliselt sujuva töö väga madalatel pöörlemiskiirustel. Kõik need sisaldavad kompromisse (nt suurus, maksumus või keerukus), mida tuleb arvesse võtta. Madala kiirusega tööks mootorit valides tuleb vaadata kaugemale soovitud pöörete arvust ja arvestada kogu süsteemiga: pump, klapid, vedeliku kvaliteet, temperatuuri reguleerimine ja koormustingimused on edu lahutamatu osa.
Lõppkokkuvõttes ei seisne 'madala kiirusega mootori' olemus mitte ainult selles, et see suudab aeglaselt pöörata, vaid ka selles, kas see suudab madalal kiirusel säilitada pidevat, stabiilset ja värinavaba pöörlemist**. Selle meelespidamine aitab nii õige mootori valimisel kui ka hüdrosüsteemi konfigureerimisel, et vastata ülimadala kiirusega töötamise väljakutsele. Hoolika disaini ja õigete komponentidega suudavad hüdromootorid tõepoolest roomata hämmastavalt madalatel kiirustel, pakkudes samal ajal suurt pöördemomenti, mida nende tehnoloogia lubab.
