Гидромоторы

Гидромотор – это объемный гидродвигатель вращательного движения, один из самых распространенных узлов в гидроприводе. Гидравлический мотор предназначен для преобразования энергии потока рабочей жидкости во вращательную энергию выходного звена (вала гидромотора). Таким образом, гидромотор выполняет функцию обратную функции насоса. Если проведем аналогию с электрооборудованием, то гидромотор по назначению схож с электродвигателем, а гидронасос — с генератором.

Существуют шестеренные, винтовые, пластинчатые и поршневые (радиальные и аксиальные) гидромоторы. Однако конструкции гидравлических моторов обычно имеют некоторые отличия от конструкций соответствующих моторов. Например, в пластинчатых гидромоторах установлены пружины, которые выталкивают пластины и тем самым обеспечивают пуск мотора. В аксиально-поршневых моторах угол наклона блока составляет порядка 40 градусов, тогда как в насосах он обычно равен 30 градусам. В шестеренных гидромотрах уплотнения устанавливаются с расчетом на наличие давления на входе, в насосах же избыточное давление в линии всасывания не предусматривается.

Гидравлические моторы классифицируются по различным параметрам:

1. По движению рабочих звеньев

• Роторные

• Безроторные

2. По числу рабочих звеньев

• Однорядные

• Многорядные

3. По возможности регулировки

• Регулируемые

• Нерегулируемые

4. По возможности реверсирования

• Реверсивные

• Нереверсивные

5. По циклу работы

• Однократного действия

• Многократного действия

6. По конструкции распределения

• Клапанные

• Крановые

• Золотниковые

7. По виду рабочих звеньев

• Винтовые

• Ролико — лопастные

• Шестеренные (с внутренним (наружним) зацеплением, с внешним зацеплением)

• Шиберные (пластинчатые, фигурно — шиберные)

• Поршневые (аксиально-поршневые, с наклонным диском (шайбой), с профильным диском (шайбой), с наклонным блоком, радиально-поршневые, кривошипные, кулачковые).

Ниже мы приводим формулы для определения основных параметров гидромотора. Они могут быть полезны при разработке гидростанций, прессов и другого гидрооборудования.

Частоту вращения вала гидромотора можно определить по формуле:

n=η_об×Q/q

где η_об — объемный КПД

      Q — расход жидкости через гидравлический мотор

      q — объем рабочей камеры гидромотора

Мощность потребляемая гидромотором определяется по формуле:

N_з=Q×P_гм

где Р_гм — перепад давления на гидромоторе, т.е. разность давления на входе и на выходе

      Q — расход рабочей жидкости через гидравлический мотор

Мощность, развиваемая гидромотором определяют по формуле:

Nп=M×ω

где М — крутящий момент на валу мотора

      ω — угловая скорость

КПД гидромотора определяют по формуле:

η=N_п/N_з

где Nп — полезная мощность

      Nз — затраченная мощность

2.

8. Расчет кпд гидропривода машины

Коэффициент
полезного действия гидропривода
позволяет установить эффективность
сельскохозяйственной машины. Для
оптимально разработанной гидросистемы
общий КПД находится в пределах η_общ
= 0,65 — 0,75.

Общий КПД гидропривода
определяют произведением гидравлического,
механического и объемного КПД:

η_общ
= η_г
+ η_мех
+ η_об (16)

Гидравлический
КПД рассчитывают по суммарным потерям
давления в гидроприводе:

η_г
= ( Р_ном
— ∑ΔP)
/ Р_ном(17)

где
Р_ном
— номинальное давление в гидросистеме,
МПа; ∑ΔP
— суммарные потери давления, МПа.

Механический КПД
находят с помощью произведени механических
КПД всего последовательно соединенного
гидрооборудования, в котором происходят
потери энергии на трение:

η_мех
= η_{мех. н}

+ η_мех.р

+ η_мех.гд
(18)

где
η_мех.н

— механический КПД насоса; η_мех.р

— механический
КПД распределителя; η_мех.гд

— механический КПД гидродвигателя.

Значения
механических КПД насосов и паромоторов
выбирают из их технических характеристик
(табл. П3 [1]).

В
практических расчетах механический
КПД гидроцилиндра выбирают в пределах
η_мех.гц
=
0 ,92 — 0,98. Меньшие его значение рекомендуется
выбирать при давлении рабочей жидкости
до 10 МПа а большие — при давлении свыше
20 МПа.

Значения
механических КПД гидрораспределителей
принимают равными η_мех.р

= 1, так как механические потери в
гидрораспределителях весьма малы, и их
при расчете не учитывают.

Механический
КПД гидрооборудования зависит от
изменения температуры не так существенно,
как гидравлический и объемный КПД. В
технической литературе нет данных по
изменению механического КПД в зависимости
от температуры, поэтому в современных
расчетах его принимают постоянным.

Гидромеханический
КПД гидропривода η_гм
равен произведению гидравлического
КПД и механического КПД:

η_гм
= η_г
— η_мех
(19)

Объемный КПД
гидропривода рассчитывают из выражения:

η_об
= η_об.н
*
η_об.р
* η_об.гд,
(20)

где
η_об.н
,
η_об.р,
η_об.гд
— объемные КПД насоса, распределителя
и гидродвигателя соответственно.

Объемные
КПД гидроцилиндров и гидрораспределителей
принимаются равными: η_об.ц
= 1 и η_об.р
= 1 ( внутренние утечки по отношению к
подаче насоса пренебрежительно малы).

Объемный
КПД насосов выбираем по графику (рис.
П4 [1]). Если в гидроприводе вместо
гидроцилиндра используется гидромотор,
то значения
объемного КПД гидромотора принимаются
равными объемному
КПД насоса.

Расчет
КПД гидропривода выполняют в диапазоне
температур t
= 0°С — + 80°С с интервалом 20°С. Результаты
расчета заносят в таблицу 3 и определяют
общий КПД гидропривода для каждой
температуры.

Зависимость
КПД гидропривода от
температуры.

Таблица 3

Вид КПД	Температура рабочей жидкости, *С
	20	40	60	80
Гидравлический	0,9046494	0,972053	0,979939	0,9836951
Механический	0,874	0,874	0,874	0,874
Гидромеханический	0,7906636	0,849574	0,856467	0,85974951
Объемный	0,88	0,84	0,74	0,57
Общий	0,6957839	0,713642	0,633785	0,49005722

По
полученным данным строят график в
координатах η_общ
— t,
который показывает оптимальный диапазон
температуры рабочей жидкости. В этом
тепловом диапазоне можно наиболее
эффективно эксплуатировать гидропривод.

Гидравлический КПД – это миф?

Хотя многие недоброжелатели насмехаются над идеей эффективности гидравлической системы, правильный подбор компонентов, правильная конструкция системы и современные технологии могут иметь большое значение для достижения эффективности системы.

Поршневые насосы, такие как этот Hengli America, являются одними из наиболее эффективных конструкций гидравлических насосов.

«Гидравлический КПД» — это термин, обозначающий чувства, подобные «точной оценке» или «научному убеждению». Дело не в том, что гидравлическая эффективность является оксюмороном как таковым, но традиционно эти два слова не имеют смысла, стоящих плечом к плечу. Если бы эффективность была вашим главным преимуществом в списке требований к машине, гидравлическая мощность не была бы в вашем коротком списке опций, по крайней мере, в последние полвека или дольше.

Эффективность — это слово, которое теперь более привычно для нас, благодаря эскалации экологических ценностей, особенно тех, которые определяют, как мы используем природные ресурсы. Мы больше не можем воспринимать безграничный и недорогой источник энергии как должное и не можем злоупотреблять грязными источниками недорогой энергии за счет нашей драгоценной окружающей среды. Мы должны в полной мере использовать наши энергетические ресурсы для выполнения работы, необходимой для поддержания нашего уровня жизни, одновременно сокращая связанные с этим отходы.

Что такое эффективность?
Я определяю эффективность как работу за вычетом выработки. По сути, это разница между энергией, необходимой вашему процессу, и энергией, необходимой для достижения этого процесса. Ваш процесс может включать штамповку, прокатку, впрыскивание, перемещение, прессование или любую другую механическую функцию, которую можно выполнить при вращательном или прямолинейном движении. Например, если вы используете штамповочный пресс, эффективность машины определяется как ток, потребляемый двигателем насоса, за вычетом совокупной силы и скорости штампа.

Большинство машин предназначены для преобразования энергии из одной формы в другую, что иногда может происходить несколько раз. Из-за законов термодинамики вы не можете преобразовать энергию из одной формы в другую, не создавая ненужной энергии, и это факт, независимо от происходящего преобразования энергии. В случае гидравлической машины вы должны преобразовывать электрическую энергию в механическую внутри электродвигателя, что приводит к частичным потерям. Затем вы должны преобразовать механическую энергию в гидравлическую энергию в насосе, что приводит к частичным потерям. Затем вы должны преобразовать гидравлическую энергию обратно в механическую энергию в вашем цилиндре или гидравлическом двигателе, что приводит к частичным потерям.

Внутреннее устройство гидравлического шестеренчатого насоса. Изображение предоставлено CD Industrial Group Inc.

Количество энергии, потраченной впустую в приведенном выше примере, может быть ошеломляющим, особенно если вы используете старую машину со старыми компонентами. Допустим, у вас есть электродвигатель мощностью 10 л.с., и имейте в виду, что электродвигатели рассчитаны на потребляемую мощность, а не на выходную мощность. Ваш старый двигатель может иметь КПД 85%, что означает, что он будет производить 8,5 л.с. на валу, а остальные 1,5 л.с. тратятся впустую в виде чистого тепла.

В вашем старом силовом агрегате изношен и устал шестеренчатый насос. К счастью, новый шестеренный насос имеет КПД 80%, поэтому я буду великодушен, прибавив к этому примеру 75%, поскольку шестеренные насосы со временем становятся менее эффективными. Таким образом, этот насос может преобразовать только 6,4 от мощности вала двигателя мощностью 8,5 л.с. в полезную гидравлическую энергию. Остальная часть энергии, как вы уже догадались, тратится впустую в виде чистого тепла. Сейчас мы потеряли 36% потребляемой электроэнергии, а мы еще даже ничего не сделали.

Чтобы быть намеренно ироничным, я выберу гидравлический двигатель в качестве привода; героторный двигатель, если быть точным. Эти двигатели продаются по скромной цене и работают на скромном уровне. Когда-то они были продуманной конструкцией, но имеют высокие утечки для смазки бесчисленного множества компонентов, и они протекают еще больше, если вы используете их за пределами их оптимальной кривой крутящего момента и скорости. Утечки, я должен отметить, является конструктивным элементом большинства гидравлических компонентов, основанным на зазорах и зазорах с внутренними движущимися частями, которые необходимы для смазки этого компонента. Больше движущихся частей или более высокие зазоры означают большую утечку, и я должен также отметить, что любая жидкость, теряемая из-за утечки, несет с собой чистое тепло, равное давлению и потоку утечки.

Теперь, когда я взорвал героторные двигатели, я подкреплю это тем, что они часто не способны достичь 80-процентного КПД. Существуют некоторые версии этих «орбитальных» двигателей, такие как вариант с дисковым клапаном, эффективность которых может быть близка к 90%, но это будет только в пределах крошечного окна потока и давления. Я буду придерживаться 80% для этого примера, что щедро. С 6,4 гидравлической мощностью, которую мы имеем в нашей системе, у нас остается 5,1 л.с. на валу гидравлического двигателя.

Зачем вообще использовать гидравлику?

Таким образом, поскольку едва ли половина нашей входной энергии поступает на выходной каскад, легко понять, почему я сомневаюсь в «гидравлической эффективности». Так зачем использовать гидравлику, когда мы могли бы привести нашу машину в действие прямо от электродвигателя и получить преимущество в 8,5 л.с. вместо 5,1? В этом ответе заключается причина, по которой гидравлика великолепна; с клапаном стоимостью 300 долларов вы можете бесконечно изменять крутящий момент и скорость, а также менять направление. Нашему электродвигателю потребовалось бы сложное электронное управление для достижения тех же характеристик.

Честно говоря, я использую один из худших примеров гидравлической эффективности. Существуют не только более эффективные компоненты, чем шестеренные насосы и орбитальные двигатели, но и оригинальные подходы к использованию гидравлических компонентов. Кроме того, недавние достижения в области электронного управления не обошли стороной гидроэнергетику, и есть некоторые хитрости для дальнейшего повышения эффективности гидравлической системы.

Инвестиции в более совершенные технологии

Насосы с компенсацией давления настраиваются на конкретное резервное давление, и когда это давление достигается, насос уменьшает подачу до тех пор, пока давление на выходе не упадет ниже этого резервного давления. Изображение предоставлено CD Industrial Group

Я не могу не подчеркнуть, что гидравлическая машина на самом деле является просто устройством преобразования энергии, и когда вы можете преобразовать входную энергию в полезную силу с минимальными потерями тепла, вы на правильном пути. Насос преобразует механическую энергию первичного двигателя в гидравлическую энергию в виде давления и потока. Если бы я порекомендовал вам один компонент, на котором вы теряете банкролл, это был бы памп.

Поршневой насос, особенно высококачественный, может иметь КПД 95% при преобразовании входной энергии в гидравлическую энергию. Этот насос не только обеспечивает на 27 % больше доступной гидравлической энергии, чем наш старый шестеренный насос, но и выделяет на 80 % меньше отработанного тепла, чем он, что снижает или устраняет потребность в охлаждении.

Эффективный насос не только помогает, эффективная конструкция творит чудеса. Если у вас есть насос постоянной производительности на регуляторе расхода, любая неиспользованная жидкость теряется в виде тепла. Например, возьмем даже наш стационарный поршневой насос с эффективностью 95%, что дает нам 9,5 галлонов в минуту из теоретических 10 галлонов в минуту. Если ваш клапан управления приоритетным расходом ниже по потоку настроен на 5 галлонов в минуту, 4,5 галлона в минуту перенаправляется в бак. Тем не менее, все 9,5 галлонов в минуту по-прежнему создаются при полном системном давлении, а то, что сбрасывается в бак, теряется в виде тепла. Итак, теперь наша 9Насос с КПД 5% помогает создать систему с КПД 50%.

Насос с измерением нагрузки обеспечивает только то давление и расход, которые требуются для контура и привода, при этом перепад давления составляет всего несколько сотен фунтов на квадратный дюйм в качестве побочного продукта. Изображение предоставлено CD Industrial Group

Чтобы обойти это, была создана компенсация давления. Насос с компенсацией давления настраивается на определенное давление в режиме ожидания, и когда это давление достигается, насос уменьшает поток до тех пор, пока давление на выходе не упадет ниже этого давления в режиме ожидания. Например, если у вас есть насос на 10 галлонов в минуту, настроенный на 3000 фунтов на квадратный дюйм, а поток ограничен ниже 10 галлонов в минуту, насос уменьшит свой рабочий объем, чтобы точно соответствовать расходу и перепаду давления на выходе при 3000 фунтов на квадратный дюйм. По сути, насос производит только требуемый поток, не более, но всегда на уровне 3000 фунтов на квадратный дюйм.

Но что, если нам нужно только 1000 фунтов на квадратный дюйм для конкретной операции? Ну, вы могли бы использовать редукционный клапан, но насос по-прежнему производит 3000 фунтов на квадратный дюйм, поэтому вы не экономите энергию. Чтобы исправить это, был изобретен насос с измерением нагрузки. Насос с измерением нагрузки имеет дополнительный компенсатор, который подключается после дозирующего клапана. Эта конфигурация позволяет измерять давление нагрузки и сравнивать его с давлением компенсатора. В результате насос будет обеспечивать только то давление и расход, которые требуются для контура и привода, при этом падение давления составляет всего несколько сотен фунтов на квадратный дюйм в качестве побочного продукта.

Использование технологии переменной скорости может значительно повысить эффективность гидравлической системы. Здесь новые агрегаты Green Hydraulic Power используют привод сервонасоса с регулируемой скоростью SINAMICS от Siemens для повышения эффективности до 70%.

Недавние достижения в технологии управления привели к аналогичной концепции управления давлением и потоком, но с использованием комбинации насосов постоянного объема, серводвигателей или двигателей с ЧРП и преобразователей давления. Датчики давления измеряют давление после насоса и после дозирующих клапанов, а ПЛК дает сигнал на вращение насоса со скоростью, достаточной только для достижения желаемого давления и расхода. Это довольно продвинутая технология, и она достигла такого уровня, когда насос мог удерживать стационарную нагрузку и вращаться с небольшой скоростью только для того, чтобы компенсировать утечку. Еще одним преимуществом этой технологии является то, что двигатель даже не вращается, когда энергия не требуется, а затем снова только с энергией, необходимой гидравлической системе.

Помимо выбора эффективных конструкций насосов, использование эффективных гидравлических приводов является следующим лучшим вариантом для продолжения. Немногое можно сказать о гидравлических цилиндрах, потому что эффективность большинства из них уже близка к 100%, в зависимости от технологии уплотнения. Но, как и в случае с вашим гидравлическим насосом, гидравлический двигатель имеет множество модификаций, каждая из которых вносит свой вклад в общую эффективность.

Рейтинг популярных гидравлических двигателей с точки зрения эффективности: радиально-поршневые, аксиально-поршневые, лопастные, шестеренчатые и орбитальные, с эффективностью около 95, 90, 85, 80 или менее соответственно. Конечно, эти двигатели будут иметь одинаковый рейтинг по стоимости, поэтому здесь применима поговорка «вы получаете то, за что платите». Помимо простого выбора эффективной конструкции двигателя, вы мало что можете сделать для повышения эффективности, кроме устранения противодавления в обратном порту и применения двигателей с теми же методами измерения нагрузки, что и для насосов.

Итак, по большей части гидравлика не является эффективной технологией. Но и автомобили с бензиновым двигателем тоже не годятся, и их каждый день продаются миллионы, потому что нет лучшего варианта для их задачи. Несмотря на это, эффективность гидравлики растет, а достижения в области материалов и технологий будут этому способствовать. Пока вы знаете, что нужно для создания «гидравлической эффективности», этот термин не будет казаться таким любопытным, как «серьезно забавный» или «виртуальная реальность».

В рубриках: Fluid Power Basics, Fluid Power World Magazine Articles, Pumps & Motors

Эффективность гидравлического двигателя

Ваша главная передача включает гидравлический двигатель, и этот двигатель имеет определенный уровень эффективности, связанный с ним. Со временем эта эффективность может снизиться, поэтому узнайте, как измеряется эффективность, каковы источники потерь и как их минимизировать.

Вот несколько других сообщений в блоге Shop Talk, которые могут оказаться полезными…

• Руководство по техническому обслуживанию главной передачи
• 6 способов саботировать вашу последнюю передачу
• Планетарные передачи и двигатели главной передачи

Ни одна система, как бы хорошо она ни была спроектирована, не может быть эффективной на 100 %. Высококачественные, хорошо обслуживаемые радиально-поршневые двигатели имеют КПД около 95 %, тогда как аксиально-поршневые двигатели имеют КПД около 90 %. Вероятно, именно поэтому вы видите, что эти два типа гидравлических двигателей используются в подавляющем большинстве двигателей главной передачи.

Что такое КПД гидравлического двигателя?

Определение эффективности зависит от того, о каком типе системы вы говорите, и даже в этом случае могут быть некоторые вариации. Для гидравлического двигателя существует три способа измерения или оценки КПД: объемный, механический/гидравлический и общий КПД.

Объемная эффективность

Объемная эффективность учитывает теоретический и фактический расход и предоставляет информацию об утечках и износе. Теоретический расход довольно легко рассчитать: теоретический расход = (производительность насоса за один оборот) x (скорость вращения).

Это работает намного лучше и в единицах СИ. Если рабочий объем указан в см3/об, а скорость – в об/мин, результаты будут в литрах/минуту. Фактический расход затем измеряется с помощью расходомера. Затем эффективность равна фактическому расходу / теоретическому расходу, умноженному на 100, чтобы получить эффективность в процентах.

Механический КПД

Механический КПД основан на фактической выполненной работе и теоретической выполненной работе за один оборот. Это основано на теоретическом крутящем моменте и фактическом крутящем моменте, и в большинстве гидравлических двигателей оно составляет около 0,9.(или 90%). Фактический крутящий момент можно измерить динамометром, но это делается редко. Потери, связанные с механическим КПД, напрямую связаны с механическим трением между сопрягаемыми деталями.

Общий КПД

Общий КПД сочетает объемный и механический КПД. Это просто произведение этих двух значений: общий КПД = механический КПД х объемный КПД, и дает вам общее представление о том, насколько эффективен ваш гидравлический двигатель.

Откуда берутся потери?

В гидравлическом двигателе есть два источника потерь:

• Объемные потери, возникающие из-за внутренней утечки жидкости в двигателе
• Механические потери из-за трения

Некоторая степень внутренней утечки является нормальной и даже полезной, но после определенного момента она становится проблемой. Избыточная внутренняя утечка чаще всего возникает в результате износа. Например, размер шпоночных зазоров в гидравлическом двигателе со временем может увеличиться из-за абразивного износа и привести к внутренней утечке. Этот тип износа обычно возникает из-за загрязненной гидравлической жидкости, но также может быть результатом нормального износа.