A modern hidraulikus hajtásrendszerekben a sebesség a motorok egyik alapvető teljesítménymutatója. Sok mérnök, karbantartó személyzet vagy berendezés-felhasználó gyakran felteszi a kérdést a motorválasztás során:
'Szükségem van egy alacsony fordulatszámú, sőt ultra-alacsony fordulatszámú hidraulikus motorra. Képes-e folyamatosan működni néhány tucat fordulatszámmal, vagy akár csak néhány fordulatszámmal?'
Ez a látszólag egyszerű kérés valójában egy sor összetett szerkezeti korlátot, folyadékdinamikai kihívásokat és mechanikai ellentmondásokat rejt magában a hidraulikus technológiában. Hogy megértsük, miért igazán Az alacsony fordulatszámú motorok olyan ritkák – és miért kell különösen óvatosnak lenni a kiválasztásánál –, abból kell kiindulnunk, hogy a hidraulikus motorok fordulatszámait hogyan osztályozzák. Innentől kezdve elmélyülünk a motor szerkezeti alapelveiben, az alacsony fordulatszám elérésének technikai nehézségeiben, az ultraalacsony fordulatszámokhoz megfelelő motortípusokban és az ezzel járó rendszerszintű korlátokban.
Az alacsony fordulatszámú motorok meghatározása
A hidraulikus iparban a motorokat általában névleges fordulatszámuk alapján osztályozzák, nagyjából a következőképpen:
Nagy sebességű motorok: 500 ford./perc felett
Közepes fordulatszámú motorok: ~300-500 ford/perc
Alacsony fordulatszámú motorok: 300 ford./perc alatt
Azonban ezen a besoroláson belül van egy „rejtett intervallum”, amelyet gyakran figyelmen kívül hagynak – egy ultraalacsony fordulatszám- tartomány, amelyet nagyjából 50 ford./perc alatt határoznak meg. Miért hívja ki külön az 50 alatti fordulatszám-tartományt? Mert a folyadékmechanika, a tribológia (súrlódástudomány) és a hidraulikus vezérlés szempontjából a motor viselkedése minőségi változáson megy keresztül ~50 ford./perc küszöb körül.
Ötven ford./perc nem tetszőleges szám; kritikus műszaki választóvonalat jelent a hidraulikus hajtásokban:
Az extrém alacsony áramlás felerősíti a lüktetéseket: Nagyon alacsony fordulatszámon a motoron áthaladó áramlás olyan kicsi, hogy a nyomás hullámzása vagy a szivattyú lüktetése jelentősen felerősödik.
A súrlódás dominánssá válik, ami botcsúszást okoz: A belső súrlódási erők kezdik képviselni a forgatónyomaték jelentős részét, ami a sima forgás helyett tapadó-csúszáshoz (kúszáshoz) vezethet.
A szivárgási hatások megsokszorozódnak: Még a kisebb belső szivárgás is arányosan nagyobb hatással van az effektív forgásra alacsony fordulatszámon, ami potenciálisan fordulatszám-ingadozást vagy leállást okozhat.
Nagyobb igény az ellátás stabilitására: A motor bemeneti áramlásának és nyomásának sokkal stabilabbnak és egyenletesebbnek kell lennie, mint nagy sebességű üzemben, különben a motor nem fog simán forogni.
Ezen tényezők miatt sok olyan hidraulikus motor, amely „nagyon lassú” forgásra képes , néhány tucat vagy egyszámjegyű fordulatszám tartományba lépve olyan problémákat mutat, mint a beragadás, a start-stop mozgás, a hullámzás vagy az egyenetlen sebesség. Általános konszenzus van a mérnöki szakmában:
Az 50 ford./perc feletti stabil alacsony fordulatszám elérése nem nehéz, de a folyamatos, egyenletes és rezgésmentes forgás fenntartása 50 ford./perc alatt egy teljesen más technikai terület.
Ez megmagyarázza azt is, hogy az ultra-alacsony fordulatszámú motorokhoz miért van szükség különleges tervezési jellemzőkre – nem lehet egyszerűen 'csökkenteni az áramlást a fordulatszám csökkentése érdekében' egy normál motoron, és elvárni, hogy ebben az üzemmódban jól teljesítsen.
Miért 'A lassabb, annál nehezebb'? – Műszaki akadályok alacsony sebességnél
Amikor egy hidraulikus motor rendkívül alacsony fordulatszámon működik, számos szerkezeti és fizikai kihívással kell szembenéznie, amelyek egyre nehezebbé teszik a 'lassabb haladást':
1. Folyadékdinamika: Apró áramlás, törékeny nyomásszabályozás – A A hidraulikus motor sebessége egyenesen arányos a belépő áramlással. Az áramlási sebesség csökkenésével a motor fordulatszáma csökken, és a nyomaték hullámzása sokkal hangsúlyosabbá válik . Az alacsony sebességű tartományban az áramlások gyakran csak milliliter/másodpercig terjednek. Ilyen kis áramlási sebességeknél még az enyhe nyomásingadozások, a szelep apró oszcillációi vagy az olaj viszkozitásának kis változásai is a motor szaggatott forgását vagy kúszását okozhatják ahelyett, hogy sima sima. Más szóval, minél kisebb az áramlás, annál érzékenyebb lesz a motor bármilyen zavarásra.
2. Belső súrlódás és szivárgás: arányosan nagyobb hatás – A motor belső súrlódása és szivárgása, amelyek nagy sebességnél csekélyek, alacsony fordulatszámon kritikus tényezővé válnak. Példák: a dugattyúk és a hengerfuratok közötti súrlódás, a mechanikus ellenállás a szeleplemezben vagy a kommutátorban, valamint a hézagokon keresztül szivárgó folyadék. Ha a tervezett áramlás már nagyon kicsi, egy kis extra súrlódás vagy a belső szivárgás enyhe növekedése elegendő nyomatékot rabolhat el a motor forgásának leállításához . Egy dokumentált esetben egy pár orbitális motor, amely névleges áramlás mellett jól működött, bizonyos tengelyhelyzetekben nagyon alacsony áramlás mellett leállt , mert a belső keresztirányú szivárgás megakadályozta a nyomás felhalmozódását ezekben a pozíciókban. Ez a jelenség nagyobb áramlásnál észrevehetetlen volt, de rendkívül alacsony sebességnél látványossá vált. Lényegében alacsony fordulatszámon a belső veszteségek (súrlódás, szivárgás) a motor kimeneti nyomatékának sokkal nagyobb hányadát emésztik fel, ami tétovázáshoz vagy 'ragadós csúszás' mozgáshoz vezet.
3. Mechanikai szerkezeti korlátok: Nem minden kialakítás készült kúszásra – A hidraulikus motor azon képessége, hogy alacsony fordulatszámon zökkenőmentesen tudjon működni, nagyban függ a kialakításától. A különböző típusú motorok eleve eltérő alacsony fordulatszámú jellemzőkkel rendelkeznek:
Szerkezeti szempontból az alacsony fordulatszámon igazán kiváló motor jellemzői: nagy lökettérfogat (alacsony áramlásnál fordulatonként nagyobb nyomaték generálása), több munkakamra (a pulzáció csökkentése és egyenletesebb teljesítmény érdekében), nagy térfogatú tömítés és precíz hézagok (a szivárgás minimalizálása érdekében), valamint alacsony súrlódású alkatrészek stabil kenéssel . Csak néhány motorkonstrukció ellenőrzi ezeket a jelölőnégyzeteket, ezért viszonylag kevés motor tud folyamatosan ultraalacsony fordulatszámon működni.
Hajtóműves motorok: Általában nagyon alacsony fordulatszámokhoz nem alkalmasak – alacsony fordulatszámon általában jelentős nyomaték hullámzást és nagy belső szivárgást mutatnak, ami gyenge alacsony fordulatszámú stabilitást eredményez (sőt, a hajtóműves motorok alacsony fordulatszámú instabilitásukról és névleges nyomatékukhoz képest kisebb indítónyomatékukról ismertek).
Axiális dugattyús (swashplate) motorok: Általában közepes és nagy sebességekhez optimalizálva; nehézségekbe ütközhet a sima mozgás fenntartása rendkívül alacsony sebességen, hacsak nem kifejezetten erre tervezték.
Orbitális (gerotor/geroller) motorok: Ezek az alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú (LSHT) motorok belső cikloidális mechanizmusuknak köszönhetően természetes előnyük van az alacsony fordulatszámú tartományban. Kialakításuk eleve simítja a teljesítményt alacsony fordulatszámon, különösen a nagy lökettérfogatú modelleknél.
Radiális dugattyús motorok: Több, radiálisan elhelyezett dugattyúval (gyakran 'csillag' motoroknak nevezik) rendkívül alacsony fordulatszám érhető el. A sok egymás utáni dugattyú jelentősen kisimítja a nyomaték hullámzását, lehetővé téve a kúszási sebességet .
Belső ívű (bütykös lebenyes) motorok gördülő elemekkel (pl. acélgolyós vagy görgős motorok): Ezeket a motorokat kifejezetten tervezték nagyon alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú működésre . Több bütykös bütyköt és gördülő elemet (golyókat vagy görgőket) használnak, hogy folyamatos nyomatékot állítsanak elő minimális hullámosság mellett, aminek az az ára, hogy nagyon nagy gyártási pontosságot igényelnek.
Mely motorok képesek igazán elérni 50 ford./perc alatt?
Csak néhány hidraulikus motortípus képes megbízhatóan működni néhány tucattól az egyszámjegyű fordulatszámig terjedő tartományban egyenletes, folyamatos mozgással . A főbb kategóriák a következők:
Orbitális motorok (Gerotor/Geroller motorok): ezek a gyakori választások az alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú alkalmazásokban . Az orbitális motorok (más néven cikloid vagy 'orbiter' motorok) belső gyűrűs fogaskerék- és rotorkészlettel rendelkeznek, amely több kamrát hoz létre. Ez a szerkezet természetes előnyt jelent az alacsony fordulatszámú működéshez – lényegében már tervezésüknél fogva lassú és nagy nyomatékú a teljesítményük, a lökettérfogat növelése pedig tovább csökkenti az elérhető sebességet. A gyakorlatban minél nagyobb az elmozdulás, annál stabilabb a motor nagyon alacsony fordulatszámon. Például egy olyan modell, mint az OMER-300 (300 köbcentiméter/fordulat lökettérfogat), 15 ford./perc körüli fordulatszámon stabilan működik . A 400+ köbcentiméter/fordulatszám tartományban lévő számos orbitális motor képes egyenletes forgást fenntartani a 30–50 ford./perc vagy afeletti tartományban minimális rázkódás mellett. Valójában a gyártók gyakran meghatároznak egy minimális fordulatszámot az orbitális motorokhoz; például egy Danfoss OMR 125 (125 cc) referencia minimális stabil fordulatszáma körülbelül 9 ford./perc (ami nagyjából 1,2 l/perc áramlásnak felel meg). Ez azt mutatja, hogy a jól megtervezett gerotor motorok megfelelő körülmények között képesek megközelíteni az egyszámjegyű fordulatszámot, bár a megadott minimumuk alatt 'sebesség hullámzást' vagy szakaszos mozgást mutathatnak.
Radiáldugattyús motorok : Ezeket a tekinthetjük . ultraalacsony sebességének királyainak hidraulika A radiális dugattyús motorban több dugattyú van elrendezve egy bütyök körül, gyakran ciklusonként több dugattyú nyomva. Elegendő dugattyúval (és így fordulatonkénti nagy számú nyomatékimpulzussal) a kimeneti nyomaték hullámzása rendkívül kicsire tehető, így a motor nagyon lassan, rángatás nélkül foroghat. A nagy lökettérfogatú radiális dugattyús motorok (például bizonyos 'külső csillag' radiális kivitelek) folyamatosan ~10 ford./perc sebességgel működnek, és speciális szelepelosztókkal vagy szervovezérléssel elérhetnek, 5 ford./perc vagy még alacsonyabb fordulatszámot is miközben egyenletesek maradnak. Ennek a teljesítménynek költsége van – az ilyen megoldások drágák, és jellemzően csak csúcskategóriás berendezésekben vagy szigorú követelményeket támasztó alkalmazásokban használják. A radiális dugattyús motorok alacsony fordulatszámú teljesítménye jól dokumentált: alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú motorokként vannak besorolva , és gyakran 10 ford./perc alatt is stabilan működnek; egyes többdugattyús radiális kialakítások 0,5 ford./perc sebességgel is működhetnek. terhelés alatt akár A Parker LSHT motorok katalógusa még a 0,5-től akár több ezer fordulat/percig terjedő fordulatszámokat is felöleli , jelezve az 1/perc alatti működésre szabott motorok elérhetőségét. Összefoglalva, a radiális dugattyús motorok (beleértve az olyan változatokat, mint a Staffa, Poclain vagy Hägglunds hajtások) azon kevesek közé tartoznak, amelyek szabályozottan és folyamatosan képesek kúszó sebességet (1 ford./perc nagyságrendű) elérni.
Acélgolyós motorok (belső görbületű golyósdugattyús motorok): Kínában gyakran 'QJM' sorozatú vagy belső görbületű motorokként hivatkoznak ezekre a sugárirányú kialakításokra, ahol az acélgolyók gördülődugattyúként működnek a belső bütykös gyűrűvel szemben. Alapvetően alkalmasak alacsony fordulatszámú, nagy nyomatékú kimenetre. Például az 1QJM-32 és újabb sorozatú modellekről ismert, hogy stabilan, 10 fordulat/perc körüli fordulatszámmal folyamatosan működnek. Az acélgolyós motorok a nagy lökettérfogatot több érintkezési ponttal (golyókkal) kombinálják, hogy egyenletes nyomatékot biztosítsanak. Ezek azonban a rendkívül nagy megmunkálási pontosságon és a megfelelő összeszerelésen múlnak – minden kis hiba kis fordulatszámon vibrációt okozhat. Egy ilyen motor kiválasztásakor kulcsfontosságú, hogy tájékoztassa a gyártót az ultraalacsony fordulatszám követelményéről , hogy biztosíthassa, hogy a motort az adott működési tartományra építették és hangolják. A gyakorlatban egy jól felépített belső ívű golyósmotor alacsony fordulatszámon vetekszik más radiális dugattyús motorokkal, de a minőség és a precizitás a legfontosabb.
Megoldás: A visszatérő vonal fojtása a motor lassításához
A valós mérnöki világban van egy 'gyors megoldás' egyesek megpróbálják lassabb motorfordulatszámot elérni: egyirányú fojtószelepet (áramláskorlátozót) használnak a motor visszatérő vezetékén, hogy egy kis ellennyomást hozzanak létre. Az ötlet az, hogy a kilépő áramlás ellenállásának növelésével a motor szabályozott terhelést lát, amely segíthet kisimítani az alacsony fordulatszámú működést, és megakadályozza, hogy túl könnyen szabadon forogjon vagy ránduljon. Ez a hozzáadott ellennyomás valóban kevésbé hajlamossá teheti a motort az alacsony áramlás melletti lötyögésre , ami hatékonyan arra kényszeríti, hogy egy bizonyos alacsony fordulatszám-tartományon belül egyenletesebben mozogjon.
Ennek a módszernek azonban jelentős hátrányai vannak:
Növeli az ellennyomást a rendszerben , ami azt jelenti, hogy a motor és a teljes hidraulikakör magasabb alapnyomás alatt működik. Ez az elvesztegetett nyomás jelent hő formájában energiaveszteséget . Más szóval, a visszafolyó fojtása feláldozza a hatékonyságot – a hidraulikus szivattyúnak keményebben kell dolgoznia (több energiát használva), hogy a folyadékot átnyomja a korlátozáson, és ennek az energiának a nagy része hőként eloszlik a folyadékban.
A megnövekedett ellennyomás súlyosbíthatja belső szivárgását . a motor Mivel a visszatérő vezeték nyomása nagyobb, a belső tömítések közötti nyomáskülönbség csökken, ami több folyadékot okozhat a hézagokon, ahelyett, hogy hozzájárulna a kimeneti nyomatékhoz. Ez tovább ronthatja az alacsony sebességű teljesítményt és hatékonyságot.
károsíthatja a motor tengelytömítését . Szélsőségesen A szabványos hidraulikus motor ajaktömítéseit nem úgy tervezték, hogy ellenálljanak a rendszer teljes nyomásának – általában csak a motor belső burkolatának leeresztő nyomását tartják fenn (ami sokkal alacsonyabb). A visszafolyó megfelelő leeresztés nélküli fojtásával megkockáztatja, hogy magas nyomás alakul ki a motor kimeneténél és a házban. Ez kifújhatja a tengelytömítést, ami szivárgást és motorhibát okozhat. (Az olyan gyakori hibák, mint a visszatérő vezeték elzárása vagy az alulméretezett/blokkolt visszatérő, hasonló katasztrofális tömítési hibához vezethetnek, mivel a beszorult nyomás túlnyomja az olajat a tömítéseken.)
További mellékhatások közé tartozik az olaj megnövekedett hőterhelése (túlmelegedés) és az alkatrészek esetleges rövidebb élettartama a folyamatos extra igénybevétel és az alkatrészekre nehezedő nagyobb nyomás miatt. A nagyobb üzemi nyomás idővel felgyorsíthatja a csapágyak, tömítések és egyéb alkatrészek kopását.
Összefoglalva, a visszafolyós fojtószelep használata a legjobb esetben is egy sebtapasz megoldás , amellyel egy nem megfelelően megtervezett motor simábban működhet alacsony fordulatszámon. Ez csak a végső megoldás legyen. Nem helyettesíti a megfelelő alacsony fordulatszámú motort , és nem is szabad annak tekinteni. Az ultraalacsony sebesség elérésének helyes megközelítése az, hogy egy eredetileg erre a célra tervezett motort használunk, ahelyett, hogy egy szabványos motort olyan üzemmódba kényszerítenénk, amelyben nem kényelmes.
Az alacsony fordulatszámú hidraulikus motorok használatának kulcsfontosságú pontjai
Legyen szó mobil gépekről vagy ipari berendezésekről, amikor kis sebességű működésről van szó, tartsa szem előtt a következő elveket:
Kerülje a nagy terhelési nyomatékot ultraalacsony fordulatszámon – Ne igényeljen túlzott nyomatékot, amikor a motor nagyon lassan forog. Minél kisebb a fordulatszám, annál nehezebb a motornak egyenletes mozgást fenntartani nagy terhelés mellett. Ha nagy nyomást (forgatónyomatékot) tesz meg kúszó sebességnél, a motor nagyobb valószínűséggel válik instabillá vagy leáll. Valójában a legtöbb motor alacsonyabb indítónyomatékot mutat nagyon alacsony fordulatszámon, mint a névleges nyomatéka nagyobb fordulatszámon. Mindig ellenőrizze a motor indítónyomatékát, és ne várjon teljes névleges nyomatékot majdnem álló helyzetben; szükség esetén méretezze túl a motort a nyomaték biztonsági ráhagyása érdekében.
Gondoskodjon arról, hogy az áramlás folyamatos és stabil legyen – Alacsony fordulatszámon az áramlás bármely ingadozása közvetlenül fordulatszám-ingadozást eredményez. Minden apró impulzus vagy áramláscsökkenés a motor mozgásában remegésként vagy rángatásként jelenik meg. Az egyenletes, alacsony fordulatszámú forgás eléréséhez a hidraulikus szivattyúnak és a szelepeknek a lehető legsimább áramlást kell biztosítaniuk. Ez magában foglalhatja a kiváló minőségű arányos vagy szervo szelepek, a pulzálás csillapítására szolgáló akkumulátorok használatát, valamint az áramlási hullámok elkerülését. Lényegében egy alacsony fordulatszámú motor csak annyira jó, amennyire stabil az őt tápláló olaj. Ha a rendszer áramlása pulzál vagy sodródik, a motor ezeket a zavarokat egyenetlen kimenetként fogja tükrözni.
Az olajhőmérséklet és viszkozitás szabályozása – Az olajhőmérséklet szabályozása sokkal kritikusabb alacsony fordulatszámon. Amikor az olaj felforrósodik, viszkozitása csökken. A vékony (alacsony viszkozitású) olaj könnyebben szivárog ki a belső hézagokon, ami növeli a belső szivárgást és csökkenti a motor effektív kimeneti nyomatékát. Ez még nehezebbé teszi a motor számára a lassú forgás fenntartását, mivel az áramlás nagyobb része belül 'csúszik' a tengely mozgatása helyett. Ennek leküzdésére tartsa a hidraulikaolajat az optimális hőmérséklet-tartományon belül (hűtőkkel vagy megfelelő tartálymérettel), hogy a viszkozitás elegendő maradjon a hézagok lezárásához. A hűvösebb, viszkózusabb folyadék javítja a teljesítményt alacsony fordulatszámon azáltal, hogy csökkenti a szivárgást és jobb olajréteget biztosít a kenéshez, ezáltal csökkenti a súrlódást is.
Ismerje fel az üresjárati és a terhelési különbséget – Viszonylag könnyű egy motornak rendkívül alacsony fordulatszámon forogni kis terhelés mellett vagy terhelés nélkül (mivel csak a belső súrlódást kell leküzdeni). Valójában sok hidraulikus motor kúszik, 1 ford./perc sebességgel vagy még lassabban nyitott kimenő tengellyel. Azonban ugyanezt terhelés alatt exponenciálisan nehezebb megtenni. Abban a pillanatban, amikor valódi terhelési nyomatékot helyez a motorra, az ultraalacsony fordulatszámú teljesítmény drasztikusan lecsökkenhet – ami terhelés nélkül simán forog 1 ford./percnél, még mérsékelt terhelés mellett is megakadhat vagy megrándul. Ezért mindig értékelje az alacsony sebességű képességet a várható terhelési feltételek mellett . meg ; A motor minimális stabil fordulatszámát általában egy bizonyos terhelésnél vagy nyomásnál adják Az üresjárati futás nem igazán teszteli a motor alacsony fordulatszámú stabilitását működő forgatókönyv esetén. Ne tévesszen meg egy terhelés nélküli teszt – győződjön meg róla, hogy motorja (és hidraulika köre) képes kezelni az alacsony fordulatszámú működést tényleges terhelés mellett.
Következtetés: Az alacsony sebesség rendszerszintű kihívás, nem csak egy szám
Sokan azt feltételezik, hogy a hidraulikus motorral alacsony fordulatszám elérése csak az áramlás 'fojtása' kérdése. A valóságban a valódi alacsony fordulatszámú teljesítmény több tényező együttes eredménye : a motor szerkezeti felépítése, a folyadékdinamika, a súrlódási jellemzők, a tömítési pontosság és a vezérlőrendszer stabilitása együttesen határozzák meg, hogy egy motor lassan tud-e vezérelni.
Így csak néhány típusú hidraulikus motor – nevezetesen orbitális motorok , radiális dugattyús motorok és belső ívű (acélgolyós/görgős) motorok – rendelkeznek azokkal a tervezési jellemzőkkel, amelyek valóban sima működést biztosítanak nagyon alacsony fordulatszámon. Ezek mindegyike kompromisszumokkal jár (például méret, költség vagy összetettség), amelyeket figyelembe kell venni. Az alacsony fordulatszámú motorok kiválasztásakor túl kell tekinteni a kívánt fordulatszámon, és figyelembe kell venni a teljes rendszert: a szivattyú, a szelepek, a folyadék minősége, a hőmérséklet-szabályozás és a terhelési feltételek mind a sikerhez elengedhetetlenek.
Végül is az 'alacsony fordulatszámú motor' lényege nem csak az, hogy lassan tud forogni, hanem az, hogy képes-e fenntartani a folyamatos, stabil és rezgésmentes forgást alacsony fordulatszámon**. Ennek szem előtt tartása segít a megfelelő motor kiválasztásában és a hidraulikus rendszer konfigurálásában, hogy megfeleljen a rendkívül alacsony fordulatszámú működés kihívásainak. A gondos tervezéssel és a megfelelő alkatrészekkel a hidraulikus motorok valóban elképesztően alacsony sebességgel kúsznak, miközben a technológiájuk által ígért nagy nyomatékot biztosítják.
