Радіально-поршневі високомоментні гідромотори

При необхідності одержання великого обертального моменту застосовують високомоментні гідромотори однократної й багаторазової дії, причому в моторах багаторазової дії в кожній робочій камері відбувається за один оберт вихідного вала відповідно трохи робочих циклів. Ці гідромотори знайшли застосування в будівельних і дорожних машинах, у гірських машинах й ін.

Завдяки малим габаритам і високим динамічним якостям двигуна, а також простоті автоматизації керування застосування таких двигунів особливо раціонально в гірських машинах, що експлуатуються в стиснутих умовах шахти.

За силовими показниками й ККД параметри високомоментних гідромоторів не уступають показникам найбільш зроблених аксиально-поршневых машин. Завдяки відносно невисоким середнім швидкостям руху поршнів високомоментних гідромоторів, що перебуває в межах 0,2-0,5 м/с, ці гідромотори відрізняються високою надійністю й тривалим терміном служби.

Ваговий показник таких гідромоторів різних конструкцій перебуває в межах 2-15 кг/квт. Необхідний великий обертальний момент тут досягається за рахунок збільшення кількості робочих ходів (до десяти ходів) поршнів за один оберт і відповідно - збільшення робочого об’єму машини.

Ці високомоментні двигуни являють собою однорежимні машини, придатні для роботи лише в режимі двигуна з малою частотою обертання, починаючи із часток обертів у хвилину. Максимальна частота обертання на порядок нижче, ніж у звичайних гідромоторів. Для машин чотириразової дії частота обертання звичайно не перевищує 400 про/хв.

Принцип дії такого гідромотора той же, що й гідромоторів одинарної дії. Поточне значення тангенціальної складової Т зусилля Р = рf тиску рідини р на кожен поршень, що перебуває в зоні нагнітання площею f, прикладеної в крапці контакту поршня зі статором, розвиває обертальний момент (без обліку втрат) М₁ = ТL, де L - плече прикладення сили Т щодо осі обертання блоку циліндрів (допускаємо, що крапка контакту перебуває на осі циліндра). Повний момент М дорівнює сумі моментів всіх поршнів, що перебувають одночасно в зонах нагнітання.

Характер зміни моменту кожного поршня й зміни сумарного моменту залежить від форми профілю поверхні статорного кільця. Середній момент на вихідному валу на сталому руховому режимі визначається як

М = qр/2,

де q і р - робочий об’єм і перепад тиску.

Оскільки робочий об’єм такого двигуна являє собою суму змін об’ємів робочих порожнин за один оберт, застосуванням великої кількості робочих камер представляється можливим одержати велике значення робочого об’єму, а, отже, і великий обертальний момент, що досягає 12·10³ - 15·10³ кгс·м.

У гідромоторах дворазової (мал. 16, а) і п'ятикратної (мал. 16, б) дії поршні роблять за один оберт відповідно два й п'ять робочих ходів. Від розглянутих гідромоторів одинарної дії вони відрізняються профільною формою статорного кільця й конструкцією розподільної цапфи, що виконана з урахуванням забезпечення багаторазового живлення циліндрів за один оберт. Для цього число ущільнювальних перемичок на розподільній цапфі збільшено в порівнянні з їхнім числом у машин одинарної дії на кількість робочих ходів.

Мал. 16. Схеми високомоментних гідромоторів дворазової (а) і п'ятикратної (б) дії

У гідромоторі дворазової дії (мал. 16, а) статорна обойма виконана у вигляді овалу, а розподільна цапфа має дві перемички, що утворять дві камери, що підводять. У гідромоторі п'ятикратної дії (мал. 16, б) внутрішній профіль статорної обойми утворений п'ятьма півовалами, більші осі яких розташовані одна щодо іншої на 360⁰/5 з округленими сполученнями.

Робочий об’єм такого гідромотора із числом циліндрів z дорівнює

q = fhzk = (d^2/4)hzk,

де k - кількість ходів поршнів за один оберт циліндрового ротора;

h - хід поршня; для гідромотора дворазової дії h = (a - b)/2 і для мотора п'ятикратної дії h = m - n, де m й n - координати осі опорного ролика с при максимально висунутому і утопленому положеннях поршня.

Обертальний момент гідромотора багаторазової дії при тім же тиску в k раз більше, а частота обертання при тій же витраті рідини в k раз менше, ніж у мотора одинарної дії; розрахункова потужність при цьому зберігається постійною.

Для зменшення тертя поршнів об статорне кільце застосовують різні конструктивні способи й зокрема поршні забезпечуються із зовнішньої сторони опорними роликами а (мал. 17, а), поміщеними на голчастих підшипниках.

Р

L

ис. 17. Дворядовий високомоментний радіально-поршневий гідромотор

Розрахунок діючих сил і теоретичного обертального моменту, що розвиває в цій схемі одним поршнем, виробляється по вираженнях (мал. 17, б):

зусилля Р тиску р рідини на поршень

Р = рf = p(d^2/4);

зусилля N реакції статорного кільця 1, сприйманої роликовим підшипником 2

N = P/cos ;

поточне тангенціальне зусилля Т, що розвиває обертальний момент

T = P tg ;

поточний обертальний момент, що розвивається одним поршнем

M₁ = TL,

де d - діаметр поршня 3;

L - плече прикладення сили Т (відстань від центра ролика 2 до осі обертання ротора 4).

Характер зміни моменту по куту повороту вала залежить від форми кривої статорного кільця. Середнє значення обертального моменту, що розвивається всіма поршнями, визначається в загальному випадку по вираженню

M = pq/2,

де q - робочий обсяг гідромотора.

Для збільшення обертального моменту застосовують гідромотори з декількома (двома - трьома) рядами циліндрів; загальне число циліндрів у всіх рядах доводить до 50 - 60.

При розробці розглянутих гідромоторів важливим є правильний вибір кривих, що окреслюють робочі частини напрямних статорних кілець. Гарні динамічні властивості показали гідромотори, у яких напрямна кільця забезпечує параболічний закон переміщення поршня, а також мотори, статорне кільце яких виконано по архімедяній спіралі.

Прискорення відносного руху поршня, залежно від знака, буде або притискати ролик до напрямної, або відривати його від її. Відрив ролика від напрямної найбільш імовірний на ділянці, що відповідає зливу рідини, коли, крім сил інерції, поршень притискається до профілю лише тиском у зливальній магістралі або зусиллям пружини.

Тому при відсутності примусового зв'язку між поршнями й напрямними максимальне значення частоти обертання вала гідромотора лімітується можливістю відриву поршнів від поверхні кільця.

Для гідромоторів із чотирьоходовим напрямним кільцем у вигляді архімедяної спіралі максимальна частота обертання не повинна перевищувати 100 об/хв. Коефіцієнт нерівномірності кутової швидкості такого гідромотора обернено пропорційному числу його поршнів, що перебувають в одній площині (в одному ряді). Для гідромоторів з напрямними, виконаними по архімедяній спіралі, коефіцієнт нерівномірності можна обчислити по емпіричному вираженню

 = (n_max - n_min)/n_ср = 2/z,

де z - число поршнів, розташованих в одній площині обертання.

Для зменшення пульсації кутової швидкості в багаторядних гідромоторах, ряди поршнів часто зміщають один щодо іншого. Так, наприклад, застосовують трьорядове розташування поршнів у незбіжних площинах, по 18 поршнів у кожному ряду. У подібних гідромоторах обертальний момент досягає 5000 кгс·м при частоті обертання 5 - 100 об/хв; у деяких випадках такі гідромотори стійко працюють при 1-2 об/хв. Ці мотори відрізняються високою надійністю й тривалим терміном служби (6000ч), що обумовлено невеликими швидкостями й малими динамічними навантаженнями. Повний ККД такого гідромотора становить 90-94% . Обертальний момент при пуску мотора становить 90-95% від максимального моменту, що розвивається їм у роботі.

У гідромоторах багаторазового (чотирьох і більше) дії умови роботи поршнів погіршені внаслідок дії більших тангенціальних складових Т сил тиску рідини. Для поліпшення умов роботи в більшості конструкцій передбачені спеціальні напрямні, а головки поршнів постачені для зниження механічних втрат шарикопідшипниковими каретками. На мал. 18, а показана схема розвантаження, застосована в насосі, представленому на мал. 17.

Поршень а опирається на вісь b, що несе голчасті підшипники, два з яких переміщаються по напрямному прорізі циліндрового блоку с і два опираються на профільне статорне кільце d. Розповсюджена схема розвантаження наведена також на мал. 18, б.

Мал. 18. Схеми розвантаження поршнів гідромотора від тангенціальної складової сили тиску рідини

Поршень а з'єднаний за допомогою кульового штовхача з опорним роликом (шарикопідшипником) b, вісь якого, у свою чергу, шарнірно пов'язана із циліндровим блоком е за допомогою повідця с і пальця d. У цьому випадку діюча на поршень а сила Р тиску рідини р може бути розкладена на дві складові: осьову N, що проходить через осі ролика b і кульового шарніра, і тангенціальну (перпендикулярну осі поршня а) Т, значення якої визначає величину обертального моменту.

19