У савременим хидрауличним погонским системима, брзина је једна од основних метрика перформанси мотора. Многи инжењери, особље за одржавање или корисници опреме често питају током избора мотора:
'Потребан ми је хидраулични мотор мале брзине, чак и ултра мале брзине. Може ли да ради стабилно на само неколико десетина обртаја у минути, или чак само неколико обртаја у минути?'
Овај наизглед једноставан захтев заправо крије низ сложених структурних ограничења, изазова динамике флуида и механичких контрадикција у хидрауличној технологији. Да разумем зашто заиста Мотори мале брзине су тако ретки – и зашто морате бити посебно опрезни када бирате један – морамо да почнемо од тога како су брзине хидрауличних мотора категорисане. Одатле ћемо ући у структурне принципе мотора, техничке потешкоће у постизању малих брзина, типове мотора који су погодни за ултра ниске брзине и укључена системска ограничења.
Дефиниција мотора мале брзине
У хидрауличној индустрији, мотори се генерално класификују према називној брзини, отприлике на следећи начин:
Мотори велике брзине: Изнад 500 о/мин
Мотори средње брзине: ~300–500 о/мин
Мотори мале брзине: Испод 300 о/мин
Међутим, унутар ове класификације лежи „скривени интервал“ који се често занемарује – опсег ултра ниске брзине , грубо дефинисан као испод 50 о/мин. Зашто посебно називати опсег испод 50 о/мин? Зато што из перспективе механике флуида, трибологије (науке о трењу) и хидрауличке контроле, понашање мотора пролази кроз квалитативне промене око прага од ~50 о/мин.
Педесет обртаја у минути није произвољан број; представља критичну техничку линију раздвајања у хидрауличним погонима:
Екстремно мали проток повећава пулсације: При веома малим брзинама, проток кроз мотор је толико мали да се свако таласање притиска или пулсирање пумпе увелико појачава.
Трење постаје доминантно, узрокујући клизање: силе унутрашњег трења почињу да представљају главни део обртног момента, што може довести до клизања палице (пузања) уместо глатке ротације.
Ефекти цурења су вишеструки: чак и мање унутрашње цурење има пропорционално већи утицај на ефективну ротацију при малој брзини, потенцијално изазивајући флуктуације брзине или застоје.
Већа потражња за стабилношћу напајања: Улазни ток и притисак мотора морају бити далеко стабилнији и конзистентнији него у раду при великим брзинама, иначе се мотор неће глатко окретати.
Због ових фактора, многи хидраулички мотори који изгледају способни за „веома спору“ ротацију ће, када уђу у опсег од неколико десетина или једноцифрених обртаја у минути, испољити проблеме као што су заглављивање, старт-стоп кретање, пренапон или неуједначене брзине. Постоји општи консензус у инжењерингу:
Постизање стабилних малих брзина изнад 50 о/мин није тешко, али одржавање континуиране, глатке ротације без подрхтавања испод 50 о/мин је потпуно другачија техничка област.
Ово такође објашњава зашто мотори са ултра малим брзинама захтевају посебне карактеристике дизајна – не можете једноставно „смањити проток да бисте смањили брзину“ на нормалном мотору и очекивати да ће добро радити у овом режиму.
Зашто „што спорије, то теже“? – Техничке препреке при малим брзинама
Када хидраулични мотор ради при ултра малој брзини, суочава се са низом структурних и физичких изазова који чине „спорије“ све тежим:
1.Динамика флуида: мали проток, крхка контрола притиска – А Брзина хидрауличног мотора је директно пропорционална протоку који улази у њега. Како се проток смањује, брзина мотора опада и таласање обртног момента постаје много израженије . У опсегу малих брзина, протоци се често смањују на само милилитара у секунди. При тако малим брзинама протока, чак и мале флуктуације притиска, мале осцилације у вентилу или мале промене у вискозности уља могу узроковати повремено ротацију мотора или пузање уместо глатко. Другим речима, што је проток мањи, мотор постаје осетљивији на било какве сметње.
2. Унутрашње трење и цурење: Пропорционално већи утицај – унутрашње трење и цурење мотора, који су мањи при великој брзини, постају критични фактори при малој брзини. Примери укључују: трење између клипова и отвора цилиндара, механички отпор у плочи вентила или комутатору и цурење течности кроз зазоре. Када је предвиђени проток већ веома мали, мало додатног трења или незнатно повећање унутрашњег цурења може лишити довољно обртног момента да заустави ротацију мотора . У једном документованом случају, пар орбиталних мотора који су радили добро при номиналном протоку почео је да се зауставља на одређеним позицијама вратила под веома малим протоком , јер је унутрашње цурење у попречном отвору спречило стварање притиска на тим позицијама. Овај феномен је био неприметан при већем протоку, али је постао главни знак при екстремно малој брзини. У суштини, при ниским обртајима у минути, унутрашњи губици (трење, цурење) троше много већи део излазног обртног момента мотора, што доводи до оклевања или „клизања“.
3. Ограничења механичке структуре: Нису сви дизајни направљени за пузање – Способност хидрауличног мотора да ради глатко при малој брзини у великој мери зависи од његовог дизајна. Различити типови мотора инхерентно имају различите карактеристике ниске брзине:
Са структуралног становишта, мотор који се истински истиче при малој брзини обично карактерише: велики померај (за генерисање већег обртног момента по обртају при ниском протоку), више радних комора (за смањење пулсирања и глаткији излаз), високо запреминско заптивање и прецизне зазоре (да би се смањило цурење) и компоненте са ниским трењем са стабилним подмазивањем . Само неколико дизајна мотора означава све ове оквире, због чега релативно мали број типова мотора може да ради стабилно на ултра ниским обртајима у минути.
Мотори са редукторима: Генерално неприкладни за веома мале брзине – имају тенденцију да имају значајно таласање обртног момента и велико унутрашње цурење при ниским обртајима, што резултира лошом стабилношћу при малим брзинама (у ствари, мотори зупчаници су познати по нестабилности при малим брзинама и нижем стартном обртном моменту у поређењу са њиховим номиналним обртним моментом).
Аксијални клипни мотори: Типично оптимизовани за средње до велике брзине; могу се борити да одрже глатко кретање при ултра малим брзинама осим ако нису посебно дизајнирани за то.
Орбитални (геротор/геролер) мотори: Ови мотори ниске брзине са великим обртним моментом (ЛСХТ) имају природну предност у опсегу малих брзина због свог унутрашњег циклоидног механизма. Њихов дизајн инхерентно углађује излаз при ниском броју обртаја, посебно код модела са великим померањем.
Радијални клипни мотори: Са више клипова распоређених радијално (често се називају 'звездасти' мотори), ови могу постићи изузетно ниске брзине. Много клипова који раде у низу значајно ублажава таласање обртног момента, чинећи могуће брзине на нивоу пузања .
Мотори унутрашње кривине (брегаста осовина) са елементима за котрљање (нпр. мотори са челичним куглицама или ваљцима): Ови мотори су посебно направљени за са веома малим брзинама и великим обртним моментом . рад Они користе више гребена и котрљајућих елемената (куглице или ваљци) за генерисање континуираног обртног момента са минималним таласима, по цену захтева веома високе прецизности у производњи.
Који мотори заиста могу постићи <50 о/мин?
Само неколико типова хидрауличних мотора може поуздано да ради у опсегу од неколико десетина до једноцифрених обртаја у минути са глатким, континуираним кретањем . Главне категорије укључују:
Орбитални мотори (Геротор/Героллер мотори): Ово су уобичајени избор у апликацијама са малим брзинама и великим обртним моментом . Орбитални мотори (такође познати као циклоидни или 'орбитер' мотори) имају унутрашњи прстенасти зупчаник и сет ротора који стварају више комора. Ова структура им даје природну предност за рад при малим брзинама – у суштини, њихов излаз је већ по дизајну спор и са великим обртним моментом, а повећање запремине додатно смањује достижну брзину. У пракси, што је већи померај, то стабилнији мотор може да ради на веома малим обртајима у минути. На пример, модел као што је ОМЕР-300 (запремина од 300 цц/окр) може да ради стабилно на око 15 обртаја у минути . Многи орбитални мотори у опсегу од 400+ цц/обр су способни да одржавају стабилну ротацију у опсегу од 30–50 о/мин или више са минималним подрхтавањем. У ствари, произвођачи често одређују минималну брзину за орбиталне моторе; на пример, Данфосс ОМР 125 (125 цц) има референтну минималну стабилну брзину од око 9 о/мин (што одговара протоку од отприлике 1,2 Л/мин). Ово показује да добро дизајнирани героторски мотори могу да се приближе једноцифреном броју обртаја у минутима под правим условима, иако испод њиховог наведеног минимума могу да испоље „мребање брзине“ или испрекидано кретање.
Радијални клипни мотори : Ови се могу сматрати краљевима ултра-ниских брзина у хидраулици. Мотор са радијалним клипом има више клипова распоређених око брега, често са неколико клипова који гурају по циклусу. Са довољно клипова (а самим тим и великим бројем импулса обртног момента по обртају), таласање излазног обртног момента може бити изузетно мало, омогућавајући мотору да се окреће веома споро без трзаја. Радијални клипни мотори великог помераја (на пример, одређени радијални дизајни „спољне звезде“) могу да раде стабилно на ~10 обртаја у минути , а са специјализованим разводницима вентила или серво контролама, могу да постигну 5 обртаја у минути или чак ниже док остају глатки. Ове перформансе имају своју цену – таква решења су скупа и обично се користе само у врхунској опреми или апликацијама са строгим захтевима. Снага мотора са радијалним клипом у малим брзинама је добро документована: они су категорисани као мотори са малим брзинама са великим обртним моментом и често показују стабилан рад испод 10 о/мин; заиста, неки радијални дизајни са више клипова могу да раде споро до 0,5 обртаја у минути под оптерећењем. Паркеров каталог ЛСХТ мотора обухвата чак и брзине од 0,5 обртаја у минути до хиљада обртаја у минути , што указује на доступност мотора прилагођених за рад испод 1 обртаја у минути. Укратко, мотори са радијалним клипом (укључујући варијанте попут Стаффа, Поцлаин или Хагглундс погона) су међу ријеткима који могу постићи брзину пузања (реда 1 о/мин) на контролисан и континуиран начин.
Мотори са челичном куглицом (мотори са кугличним клипом унутрашње кривине): Често се у Кини помињу као серија 'КЈМ' или мотори унутрашње кривине, ово су тип радијалног дизајна где челичне куглице делују као клипови који се котрљају наспрам унутрашњег брегастог прстена. Они су инхерентно погодни за ниске брзине, са великим обртним моментом. На пример, познато је да модели из серије 1КЈМ-32 и новији раде стабилно на око 10 обртаја у минути непрекидно. Мотори са челичним куглицама комбинују велики померај са вишеструким контактним тачкама (куглицама) да би обезбедили несметан обртни момент. Међутим, они зависе од изузетно високе прецизности обраде и правилног склапања – свака мала грешка може довести до вибрација при малим брзинама. Када бирате такав мотор, кључно је обавестити произвођача о захтевима за ултра-ниску брзину како би могли да осигурају да је мотор направљен и подешен за тај радни опсег. У пракси, добро изграђен куглични мотор унутрашње кривине може парирати другим моторима са радијалним клипом у перформансама при малим брзинама, али квалитет и прецизност су најважнији.
Заобилазно решење: пригушивање повратне линије да би се успорио мотор
У стварном инжењерингу, постоји „брзо решење“ које неки људи покушавају да постигну спорије брзине мотора: коришћење једносмерног гаса (ограничавач протока) на повратном воду мотора да би се створио мали противпритисак. Идеја је да додавањем отпора излазном току, мотор види контролисано оптерећење које може помоћи да се изглади рад при малим брзинама и спречи да се превише лако креће или трза. Овај додатни противпритисак заиста може учинити мотор мање склоним померању при малом протоку , ефективно га присиљавајући да се креће стабилније унутар одређеног опсега малих брзина.
Међутим, ова метода има значајне недостатке:
Повећава противпритисак у систему , што значи да мотор и цео хидраулични круг раде под већим основним притиском. Овај изгубљени притисак се претвара у губитак енергије као топлоту . Другим речима, пригушивање поврата жртвује ефикасност – хидраулична пумпа мора да ради јаче (користећи више енергије) да прогура течност кроз ограничење, а велики део те енергије се расипа као топлота у флуиду.
Повишени противпритисак може погоршати унутрашње цурење у мотору. Пошто је притисак у повратном воду већи, разлика притиска на унутрашњим заптивкама је смањена, што потенцијално узрокује да више течности клизи кроз зазоре уместо да доприноси излазном обртном моменту. Ово може додатно погоршати перформансе и ефикасност при малим брзинама.
Може оштетити заптивке вратила мотора ако се доведе до екстрема. Стандардне заптивке хидрауличног мотора нису дизајниране да издрже пуни системски притисак – обично су намењене само да држе притисак одвода унутрашњег кућишта мотора (који је много нижи). Пригушивањем поврата без одговарајућег одвода кућишта, ризикујете стварање високог притиска на излазу мотора иу његовом кућишту. Ово може да издува заптивку вратила, узрокујући цурење и квар мотора. (Уобичајене грешке попут затварања повратног вода или мањег/блокираног поврата могу на сличан начин да изазову катастрофалан квар заптивке, јер заробљени притисак тера уље кроз заптивке.)
Додатни нежељени ефекти укључују повећано топлотно оптерећење уља (прегревање) и могуће краћи век компоненте због континуираног додатног напрезања и већег притиска на делове. Већи радни притисак може убрзати хабање лежајева, заптивки и других компоненти током времена.
Укратко, коришћење повратног гаса је у најбољем случају решење за фластер који помаже неадекватно дизајнираном мотору да ради мало глатко при малој брзини. То би требало да буде само последње средство. То није права замена за одговарајући мотор мале брзине и не треба га посматрати као таквог. Исправан приступ за постизање ултра-ниске брзине је да се користи мотор који је инхерентно дизајниран за ту сврху, уместо да се стандардни мотор тера у режим у којем није удобан.
Кључне тачке за коришћење хидрауличних мотора мале брзине
Било да се ради о мобилним машинама или индустријској опреми, кад год се ради о малим брзинама, имајте на уму следеће принципе:
Избегавајте велики обртни момент при ултра-ниским брзинама – Не захтевајте превелики излазни обртни момент када се мотор окреће веома споро. Што је нижа брзина, то је мотору теже да одржи глатко кретање под великим оптерећењем. Ако притискате висок притисак (окретни момент) при пужећим брзинама, већа је вероватноћа да ће мотор постати нестабилан или ће се заглавити. У ствари, већина мотора показује мањи почетни обртни момент при веома малој брзини од њиховог номиналног обртног момента при већој брзини. Увек проверите спецификације стартног обртног момента мотора и не очекујте пуну номиналну вредност обртног момента при скором мировању; предимензионирајте мотор ако је потребно да обезбедите сигурносну маргину обртног момента.
Уверите се да је довод протока континуиран и стабилан – При малој брзини, свака флуктуација протока ће се директно превести у флуктуацију брзине ротације. Сваки мали пулс или пад протока ће се приказати као дрхтај или трзај у кретању мотора. Да би се постигла стабилна ротација при малој брзини, хидраулична пумпа и вентили треба да обезбеде најглаткији могући проток. Ово може укључивати коришћење висококвалитетних пропорционалних или серво вентила, акумулатора за пригушивање пулсирања и избегавање извора таласања протока. У суштини, мотор мале брзине је добар онолико колико је добра стабилност уља које га храни. Ако системски проток пулсира или помера, мотор ће одражавати те сметње као неуједначен излаз.
Контролишите температуру и вискозитет уља – Управљање температуром уља је много важније при малим брзинама. Када се уље загреје, његов вискозитет опада. Танко (ниског вискозитета) уље ће лакше цурити кроз унутрашње зазоре, повећавајући унутрашње цурење и смањујући ефективни излазни обртни момент мотора. Ово додатно отежава мотору да одржи спору ротацију, јер већи део протока „клизи“ изнутра уместо да помера осовину. Да бисте се изборили са овим, одржавајте хидраулично уље унутар оптималног температурног опсега (преко хладњака или одговарајуће величине резервоара) тако да вискозитет остане довољан за заптивање зазора. Хладнија, вискознија течност ће побољшати перформансе при малим брзинама тако што ће смањити цурење и обезбедити бољи уљни филм за подмазивање, чиме се такође смањује трење.
Препознајте разлику између празног хода и оптерећења – Мотору је релативно лако да се окреће при екстремно малој брзини са мало или без оптерећења (пошто се мора превазићи само унутрашње трење). У ствари, многи хидраулични мотори се могу натерати да пузе при 1 РПМ или чак спорије са отвореном излазном осовином. Међутим, радити исто под оптерећењем је експоненцијално теже. У тренутку када на мотор поставите стварни обртни момент оптерећења, перформансе при ултра-ниским брзинама могу драстично да се погоршају – оно што се глатко окретало при 1 о/мин без оптерећења могло би да стане или да се тргне чак и при умереном оптерећењу. Стога, увек процените способност мале брзине под очекиваним условима оптерећења . Минимална стабилна брзина мотора се обично одређује при одређеном оптерећењу или притиску; рад у празном ходу не тестира заиста стабилност мотора при малим брзинама у радном сценарију. Немојте да вас обмане тест без оптерећења – уверите се да ваш мотор (и хидраулични круг) може да издржи рад мале брзине под стварним радним оптерећењем.
Закључак: Мала брзина је системски изазов, а не само број
Многи људи претпостављају да је постизање малих брзина са хидрауличним мотором само питање „мало више пригушивања протока“. У стварности, истинске перформансе при малој брзини су резултат скупа фактора : конструкцијског дизајна мотора, динамике флуида, карактеристика трења, прецизности заптивања и стабилности контролног система, све заједно могу да делују на спорији начин како би се утврдило да ли контролисани мотор може да делује спорије.
Дакле, само неколико типова хидрауличних мотора – посебно орбитални мотори , мотори са радијалним клипом и мотори унутрашње кривине (челична кугла/ваљак) – поседују инхерентне карактеристике дизајна да испоручују заиста несметан рад при веома малим брзинама ротације. Сваки од њих долази са компромисима (као што су величина, цена или сложеност) који се морају узети у обзир. Када бирате мотор за рад при малим брзинама, морате гледати даље од жељеног броја обртаја и узети у обзир цео систем: пумпа, вентили, квалитет течности, контрола температуре и услови оптерећења су саставни део успеха.
На крају крајева, суштина „мотора мале брзине“ није само у томе да може да се окреће полако – већ и у томе да ли може да одржава континуирану, стабилну ротацију без подрхтавања при малој брзини**. Имајући ово на уму, помоћи ће и при избору правог мотора и при конфигурисању хидрауличког система како би се суочио са изазовом рада са ултра малим брзинама. Са пажљивим дизајном и правим компонентама, хидраулични мотори заиста могу да пузе при запањујуће малим брзинама, а све то истовремено испоручујући висок обртни момент који њихова технологија обећава.
