Разновидности гидродвигателей, их характерные особенности, плюсы и минусы

Предназначение гидравлических двигателей заключается в преобразовании энергии из гидравлической в механическую. Конструкции гидродвигателей разнообразны, но, в большинстве своем, аналогичны конструкциям гидронасосов. Гидродвигатели нередко называют гидромоторами, использующимися гидростатическими приводами, по сути, это гидромашины объемного типа. Объемный гидромотор и является гидродвигателем, где происходит преобразование энергии жидкостного потока в механическую за счет передвижения из-за силы давления действующего элемента, в качестве которого может выступать пластина, поршень и т.д. При этом жидкость заполняет рабочую камеру.

К важнейшим гидронасосным параметрам относят:

• Величину рабочего объема (удельную подачу) [см3/об] – это жидкостный объем, пропускаемый через гидромотор для осуществления одного оборота вала.
• Показатель рабочего давления [МПа, bar];
• Величина частоты вращения [об/мин];
• Крутящий момент [Н∙м].

Относительно конструкций выделяют такие гидромоторы:

• Пластинчатые;
• Шестеренные;
• Радиально-поршневые;
• Героторные;
• Аксиально-поршневые, имеющие наклонный блок;
• Аксиально-поршневые, имеющие наклонный диск;
• Многотактные аксиально-поршневые.
• Гидроцилиндры (линейные гидродвигатели);
• Поворотные гидродвигатели.

Особенности шестеренных гидромоторов

Для шестеренных гидромоторов характерна та же конструкция, что и у шестеренных насосов, отличаются они лишь наличием линии отвода рабочей жидкости из подшипниковой области. Это нужно, чтобы обеспечить реверсивность гидравлического мотора. Посредством подачи в гидромотор рабочей жидкости происходит воздействие на шестерни, способствующее создание на валу крутящего момента.

Гидромоторы шестеренного типа чаще всего используются разнообразными гидроприводами: станочными, навесного оборудования, вспомогательными машинными механизмами. Они распространены весьма обширно, благодаря тому, сто имеют простую конструкцию и приемлемую стоимость.

Применение таких гидравлических моторов происходит на частоте вращения до 5 тыс. об/мин и при давлениях до 200 bar. Есть насосы специализированного исполнения с более высокими показателями (до 10 тыс. об/мин и до 300 bar). КПД, обычно, не выходит за рамки 0,9.

Формула определения крутящего момента, создаваемого шестеренным гидромотором:

где ∆p является величиной перепада гидромоторных давлений;

b – шириной шестерен;

m – модулем зацепления;

z – числом шестеренных зубьев.

Плюсы:

· Отличается простой конструкцией;

· Частота вращения может достигать 10 тыс. об/мин;

· Обладает приемлемой стоимостью.

Минусы:

· Характеризуется низким КПД.

Особенности героторных гидромоторов

Героторные гидромоторы выступают разновидностью гидромашин шестеренного типа. При своих небольших размерных параметрах они способны получать высокие крутящие моменты, это и является их особенностью. Такие агрегаты применяются приводами сильно нагруженных и одновременно тихоходных механизмов. Подача рабочей жидкости в полости осуществляется за счет специального распределителя. Благодаря созданию в рабочих полостях крутящего момента, происходит вращение зубчатого ротора, совершающего планетарные движения при обкатке по роликам. У таких моторов высокая энергоемкость, они способны функционировать при величине давления до 25 Мпа. Показатель рабочего объема составляет 800 см3, а развиваемого момента – до 2 тыс. Н∙м.

По конструктивным разновидностям героторные моторы подразделяются на:

• Героторные;
• Героллерные.

Определение крутящего момента происходит посредством специализированных диаграмм, которые имеются в документах к агрегатам.

Рис. 2 на схеме отображает, как устроен героторный гидромотор.

Рис. 3 на схеме показывает, как устроен героллерный гидромотор.

Плюсы:

· Конструктивно-простой агрегат;

· Наличие больших крутящих моментов;

· Обладание миниатюрными габаритами.

Минусы:

· Работа при относительно невысоких давлениях (до 21 Мпа);

· Характеризуется малыми частотами вращения.

Особенности пластинчатых гидромоторов

Для пластинчатых гидромоторов характерна та же конструкция, что и для аналогичных насосов, но они отличаются от последних тем, что в обязательном порядке имеют механизм для прижима рабочих пластин. Характерно подобным насосам, такие гидромоторы могут быть:

• Однократного действия (чаще всего являются реверсивными и поддаются регулировке);
• Двукратного действия (нельзя отрегулировать, не являются реверсивными).

Стоит отметить, что из-за многочисленных особенностей, связанных с конструкцией, такие гидромоторы не отличаются широким распространением. Им свойственна работа на давлениях до 20 Мпа с показателем частоты вращения до 1500 об/мин, КПД – 0,8.

Формула определения величины крутящего момента пластинчатого гидромотора:

где ∆p является величиной перепада гидромоторных давлений;

q – рабочим гидромоторным объемом.

Рис. 4 отображает конструктивные особенности пластинчатого насоса с однократным действием.

На схеме рис. 5 показана конструкция пластинчатого насоса с двукратным действием.

Плюсы:

· Отличается низким шумовым уровнем;

· Нетребовательность, относительно чистоты рабочей жидкости;

· Наличие невысокой стоимости, если сравнивать с гидромоторами поршневого типа.

Минусы:

· Создание больших нагрузок на роторные подшипники;

· Отличается невысоким КПД;

· Возникновение сложностей при торцевом уплотнении платин;

· Характеризуется низкой ремонтопригодностью.

Особенности радиально-поршневых гидромоторов

Конструктивные характеристики радиально-поршневых насосов идентичны конструкциям насосов этого же компоновочного типа. Чаще всего они используются механизмами для того, чтобы получить высокие моменты.

Данные агрегаты подразделяются на гидромоторы:

• Однократного действия;
• Многократного действия.

Характеристика гидромоторов однократного действия

Такой тип моторов применяется приводами шнеков, осуществляющих перекачку бетона, глинистых смесей и т.д. Еще они используются поворотными механизмами для достижения больших крутящих моментов, которые могут развиваться до 32 тыс. Н∙м при показателях давлений до 35 Мпа, частоты валового вращения – до 2 тыс. об/мин. Величина рабочих объемов здесь может достигать 8500 см3/об.

Рис. 6 отображает конструкцию радиально-поршневого гидромотора однократного действия, имеющую неподвижный корпус.

Что касается алгоритма функционирования данного агрегата, то он таков: высокое давление действует на область рабочих камер, а последние, в свою очередь, посредством воздействия на кулачек, заставляют вращаться моторный вал, который обладает распределительным механизмом (нет на рисунке). Этот механизм служит соединителем рабочих камер, объединяет он их с линиями слива и высокого давления согласно определенному порядку. На рис. 8 видно, что подвод жидкости в рабочие камеры производится по корпусным каналам. Встречаются моторные конструкции, где подвод осуществляется через вал.

Формула определения величины крутящего момента. Создаваемого гидромотором радиально-поршневого типа:

где ∆p является величиной перепада гидромоторных давлений;

q – рабочим гидромоторным объемом.

Характеристика гидромоторов многократного действия

Данный тип моторов используется конвейерными приводами, гидропередачами маршевого хода в мобильных машинах и прочими нагруженными механизмами. Крутящий момент этих гидроагрегатов может развиться до 45 тыс. Н∙м при показателях давлений до 45 Мпа и частоте валового вращения до 300 об/мин. Величина рабочих объемов доходит до 8 тыс. см3/об.

Рис. 7 изображает конструкцию радиально-поршневого гидромотора многократного действия, имеющую неподвижный корпус.

Основное отличие от агрегатов однократного действия заключается в том, что за время одного валового оборота плунжером (вытеснителем), принадлежащим каждой рабочей камере, совершается сразу несколько циклов работы, их число зависит от рабочего профиля корпуса. Распределительная система позволяет соединять рабочие камеры с линиями слива и высокого давления (нет на рис.).

Необходимо добавить, что для таких моторов за счет специальной системы применяется ступенчатое управление рабочим объемом. Это происходит через подключение либо отключение рабочих камер специализированным распределителем, при этом происходит соединение отключенных камер со сливом.

В связи с тем, что данная разновидность моторов применяется приводами мобильных машин в качестве мотора-колеса, здесь можно осуществить реализацию режима свободного вращения: в дренажную моторную линию подается небольшое давление (от 2 до 5 bar), и рабочие камеры соединяются с линией слива, происходит втягивание в цилиндры и отхождение от рабочего профиля гидромоторных плунжеров, что и обеспечивает свободное вращение.

Плюсы:

· Способность создания высоких моментов;

· Рабочий объем поддается регулированию;

· Функционирование в режиме свободного вращения.

Минусы:

· Довольно сложная конструкция;

· Обладание большой стоимостью.

· Характеризуется высокой пульсацией расхода рабочей жидкости.

Особенности аксиально-поршневых гидромоторов с наклонным блоком

Разновидностью роторно-поршневых гидромашин, имеющих аксиальное расположение цилиндров, как раз, и выступают аксиально-поршневые гидромоторы. Если говорить о моторах и насосах такого плана, то их конструкции аналогичны.

Описываемая разновидность гидромоторов применяется станочными гидроприводами, приводами мобильных машин, прессами, они могут функционировать на давлениях до 450 bar, величина крутящего момента может доходить до 6 тыс. Н∙м при частоте вращения – до 5 тыс. об/мин.

Такие гидромоторы, по большей части, являются реверсивными, к ним нужно обязательно подключать дренажную линию.

Рис. 8 отображает конструктивную схему аксиально-поршневого мотора с наклонным блоком. Здесь поступление рабочей жидкости из линии высокого давления в рабочую камеру осуществляется посредством распределителя, обладающего серповидным окном. Под давлением поршни производят выход из цилиндров, создавая крутящий момент. Затем происходит вытеснение рабочей жидкости в линию слива, она вытесняется из цилиндров, которые соединены с серповидным окном на распределителе. Для аксиально-поршневых моторов характерны конструкции с возможностью регулирования рабочего объема.

Формулы определения крутящего момента для аксиально-поршневых моторов:

либо 

где ∆p является величиной перепада гидромоторных давлений;

z – количеством поршней;

dп – поршневым диаметром;

Dц – диаметром расположения цилиндров;

γ – углом наклона цилиндрического блока;

q – рабочим гидромоторным объемом.

Плюсы:

· Функционирование при больших показателях давления;

· Наличие высокого КПД;

· Отличается высокими частотами вращения;

· Можно отрегулировать рабочий объем.

Минусы:

· Обладание завышенной стоимостью;

· Характеризуется сложной конструкцией;

· Отличается высокими пульсациями расхода.

Особенности аксиально-поршневых гидромоторов с наклонным диском

Данный тип гидромоторов, относительно своей конструкции идентичен насосам этого же вида. Такие моторы применяются станочными гидроприводами, приводами мобильных машин, прессами, они могут функционировать на давлениях до 450 bar, величина крутящего момента доходит до 3 тыс. Н∙м при частоте вращения – до 5 тыс. об/мин.

К гидромоторам данной группы обязательно подключают дренажную линию, т.к. они являются реверсивными.

Рис. 9 показывает конструктивную схему аксиально-поршневого мотора с наклонным диском. Здесь поступление рабочей жидкости в камеры осуществляется посредством серповидного окна на распределителе. Под давлением поршни покидают цилиндры, тем самым, происходит создание крутящего момента. Рабочая жидкость вытесняется поршнями из цилиндров, которые соединены с серповидным окном на распределителе, вытеснение происходит в линию слива. Говоря о конструкциях данных моторов, стоит отметить, что они могут обладать, как постоянным, так и регулируемым объемом.

Формулы определения крутящего момента для аксиально-поршневых моторов

или 

где ∆p является величиной перепада гидромоторных давлений;

z – числом поршней;

dп – поршневым диаметром;

Dц – диаметром расположения цилиндров;

γ – углом наклона диска;

q – рабочим гидромоторным объемом.

Плюсы:

· Возможность функционирования при высоком давлении;

· Использование высоких вращательных частот;

· Рабочий объем поддается регулировке;

·Обладание высоким КПД.

Минусы:

· Сложная конструкция;

· Наличие высокой цены;

· Характеризуется высокими пульсациями расхода.

Особенности многотактных аксиально-поршневых гидромоторов

Характеристика многотактных аксиально-поршневых гидромоторов, имеющих неподвижный вал.

Такие моторы являют собой разновидность роторно-поршневых гидромашин. Их рабочим камерам свойственно совершение нескольких трудовых циклов за время одного валового оборота. Число циклов зависит от профильного диска. Величина крутящего момента многотактных аксиально-поршневых гидромоторов с неподвижным валом может доходить до 4 тыс. Н∙м, а давления – до 350 bar при наибольшей частоте вращения – 300 об/мин.

Моторы данной группы отличаются особой компактностью и нередко применяются гидропередачами маршевого хода в мобильных машинах. Они имеют вид мотора-колеса, и устанавливаются в ступицу колеса.

Рис. 10 отображает конструктивную схему многотактного аксиально-поршневого мотора, имеющего неподвижный вал.

Поступление рабочей жидкости из линии большого давления в область рабочей камеры осуществляется посредством распределительной системы, которой располагает неподвижный вал. Под давлением плунжера покидают рабочий цилиндр, огибают дисковой профиль, тем самым, происходит создание крутящего момента.

Реализация режима свободного вращения свойственная гидромоторам данной группы. В область дренажной линии подается небольшое давление (от 2 до 5 bar), а рабочие камеры соединяются с линией слива. Происходит втягивание гидромоторных плунжеров в цилиндры, а затем их отход от рабочего профиля, что и обеспечивает образование свободного вращения.

Характеристика многотактных аксиально-поршневых гидромоторов, имеющих неподвижный корпус.

Для рабочих камер моторов этой группы моторов характерно совершение нескольких рабочих циклов за время одного валового оборота, на число данных циклов влияет сам профильный диск. Величина крутящего момента таких гидромоторов способна достигать 5 тыс. Н∙м при давлении – до 350 bar и максимальной частоте вращения – до 500 об/мин.

Применяются эти гидроагрегаты приводами в мобильных машинах и конвейерах, их компактность способствует созданию высоких крутящих моментов в корпусах тех механизмов, в которые невозможно установить крупногабаритные моторы. Режим свободного вращения также свойственен для гидромоторов данного типа.

Рис. 11 отображает конструктивную схему аксиально-поршневого гидромотора, имеющего неподвижный корпус.

Формула определения крутящего момента моторов с неподвижными валом и корпусом.

где ∆p является величиной перепада гидромоторных давлений;

q – рабочим гидромоторным объемом.

Плюсы:

· Функционирование при высоких давлениях (до 350 bar);

· Характеризуются высоким развиваемым моментом;

· Можно реализовать режим свободного вращения;

· Наличие высокого КПД;

·Миниатюрность.

Минусы:

· Обладание высокой ценой;

· Весьма сложная конструкция;

· Отличаются малыми частотами вращения.

Особенности линейных гидродвигателей (гидроцилиндров)

К линейным гидроцилиндрам относят разновидность объемных гидродвигателей, производящих создание лишь поступательных движений. Гидроцилиндры широко используются мобильной техникой: экскаваторами, коммунальными машинами, автокранами, сельхозтехникой, гидроманипуляторами, станочным оборудованием и т.д.

Для гидроцилиндров характерно развитие больших тянущих и толкательных усилий, на показатели которых влияют активные рабочие площади и рабочее давление.

где ∆p является величиной перепада давлений в полостях гидроцилиндра;

S – активной площадью.

По алгоритму функционирования гидроцилиндры подразделяют на цилиндры:

• Одностороннего действия;
• Двустороннего действия.

Относительно своих конструктивных особенностей гидроцилиндры бывают:

• Плунжерными;
• Поршневыми;
• Телескопическими.

Характеристика плунжерных гидроцилиндров

Рис. 12 отображает конструктивную схему данного вида гидроцилиндров.

Когда рабочая жидкость подается в зону рабочей полости, то под давлением начинает происходить смещение плунжера, тем самым, осуществляется создание усилия F. Возврат цилиндра в исходную позицию происходит при внешнем усилии, приложенном к торцу штока.

Формула определения усилия:

где p является значением давления, создающегося в полости гидроцилиндра;

S – активной площадью.

Рис. 13 показывает, что конструкция плунжерного цилиндра может обладать пружинным возвратом.

Характеристика поршневых гидроцилиндров

Эти гидроцилиндры считаются самыми распространенными. От плунжерных они отличаются способностью создания, как тянущих, так и толкающих усилий.

Рис. 14 отображает конструктивную схему поршневого гидроцилиндра двустороннего действия.

Формула определения толкающего усилия:

где p является значением давления в поршневой полости;

 – активной площадью.

Формула определения тянущего усилия.

где p является значением давления в полости штока;

Из-за того, что площади S1 и S2 неодинаковы, величины скоростей и усилий во время прямого и обратного движений штока неравны.

Использование поршневых гидроцилиндров в качестве плунжерных, тоже возможно. Сообщение штоковой полости с атмосферой осуществляется посредством сапуна, оберегающего поверхность агрегата от пылевых и другого рода загрязнений. Определение толкающего усилия производится также. Как и для поршневых гидроцилиндров.

Разнообразной техникой широко используются гидроцилиндры, имеющие проходной шток (рис. 15). Скорости усилий во время прямого и обратного штокового хода здесь равны.

Формула тянущего и толкающего усилий:

где p является значением давления в полости;

 – активными площадями.

Чтобы обеспечить различные соотношения скоростей и усилий во время прямого и обратного штокового хода, используют гидроцилиндры, имеющие проходные штоки разных диаметров. Такие агрегаты являются специализированными (специальное исполнение).