Радиально-поршневые высокомоментные гидромоторы

Традиционно к высокомоментным относят гидромоторы с крутящим моментом Н·м при частоте вращения выходного звена об/мин. Но существует точка зрения [30], согласно которой высокомоментными следует называть все гидромоторы многократного действия и эксцентриковые гидромоторы однократного действия со звездообразным блоком цилиндров, подавляющее большинство из которых разрабатывается для привода машин со значительными крутящими моментами и относительно малыми частотами вращения роторов. Такие гидромоторы объединены общими принципиальными кинематическими и конструктивными особенностями, что позволяет использовать для них одни и те же физические и математические модели рабочего процесса.

Относительно невысокие скорости движения поршней высокомоментных гидромоторов обеспечивают им длительный срок службы и значительную надежность, а их энергетическая эффективность работы (КПД) отвечает уровню аналогичных показателей наиболее совершенных аксиально-поршневых машин.

Такие гидромоторы применяются в гидроагрегатах мобильной техники - строительных и дорожных машинах, сельскохозяйственной технике и др.

Малые габариты (компактность) сравнительно с электродвигателями при равноценных мощностях, высокие динамические качества и простота автоматизации управления делает особенно рациональным использование высокомоментных гидромоторов в горных машинах, которые работают в ограниченных подземных условиях шахт.

Известно, что двигатели исполнительных органов горных машин должны иметь значительный крутящий момент при невысоких частотах вращения вала, потому в случае использования электродвигателей возникает потребность в механических редукторах, что значительно увеличивает габариты и сложность машины в целом. Использование высокомоментных гидромоторов в этих условиях является органическим решением указанной технической задачи в объеме комплексного применения систем гидропривода в подземной технике.

В соответствии с (3.4), обеспечить значительный крутящий момент объемного гидромотора возможно за счет или повышение (перепада) давления рабочей жидкости , или увеличения рабочего объема мотора. Работа гидроприводов на предельно высоких давлениях рабочих жидкостей в современных системах предусматривается как независимое условие обеспечения необходимого уровня их эффективности. Поэтому единственным параметром влияния для повышения крутящего момента объемного гидромотора остается рабочий объем .

Выполнить это задание более доступно всего в радиально-поршневых гидромоторах многократного действия с многорядным расположением цилиндров. Рабочий объем такого гидромотора определяется зависимостью

, (5.21)

где - рабочий объем одного цилиндра гидромотора;

- количество цилиндров в одном ряду;

- количество рядов цилиндров;

- количество рабочих циклов в каждом цилиндре за один оборот выходного звена.

Достичь нужного результата возможно также и в эксцентриковых радиально поршневых гидромоторах однократного действия при одно- и многорядном расположении цилиндров.

Исходя из приведенного, радиально-поршневые высокомоментные гидромоторы разделяют на две группы – многократного действия и однократного действия эксцентриковые.

В гидромоторах двукратного (рис. 5.10, а) и пятикратного (рис. 5.10, б) действия(многократного действия) за один оборот выходного звена (вала гидромотора) в цилиндрах осуществляется соответственно два и пять рабочих циклов (поршни осуществляют соответственно два и пять рабочих ходов). От радиально-поршневых гидромоторов однократного действия названные многократные отличаются профильной формой статорного кольца и конструкцией цилиндрового золотника (распределительной цапфы).

а) б)

Рис. 5.10. Схемы высокомоментных гидромоторов двукратного (а) и пятикратного (б) действия

В гидромоторах двукратного действия (рис. 5.10, а) статорное кольцо выполнено в виде овала, а в гидромоторах пятикратного действия (рис. 5.10, б) - образовано пятью полуовалами, оси которых расположены одна относительно другой под углом .

Для обеспечения многоцикличного питания цилиндров число перевальных перемычек на распределительных цапфах увеличено, сравнительно с их числом в машинах однократного действия, в количество раз, которое отвечает количеству рабочих ходов поршней за один оборот выходного звена.

Ход поршня гидромотора двукратного действия составляет , где а и b – соответственно большой и малый диаметр статорного кольца (овала, черт. 5.10, а), а гидромотора пятикратного действия - , где m и n - расстояние от центра вращения ротора до оси опорного ролика при соответственно максимально выдвинутом и утопленном положениях поршня (рис. 5.10, б).

Принцип действия гидромоторов многократного действия не отличается от принципа действия гидромоторов однократного действия. Суммарный текущий момент на валу гидромотора состоит из суммы текущих моментов, которые развиваются поршнями цилиндров, которые в данный момент соединены с рабочей полостью. Текущее значение крутящего момента одного поршня рассчитывается по зависимости (5.15), где мгновенное значение плеча силы , направленной нормально к оси поршня, определяется в зависимости от профиля статорного кольца (рис. 5.10).

Учитывая (5.21), теоретический крутящий момент однорядного гидромотора многократного действия при том же давлении рабочей жидкости в соответствии с (3.4) в больше, а частота вращения при том же расходе жидкости в соответствии с (3.1) в меньше, чем в гидромоторах однократного действия при равновеликих мощностях в соответствии с (3.3)

Особенности изменения крутящих моментов, которые возникают на каждом поршне гидромотора многократного действия, и изменение суммарного момента на выходном звене гидромашины зависят от формы профиля статорного кольца. Поэтому одним из основных факторов, который обеспечивает высокие динамические качества високомоментних гидромоторов многократного действия, является правильный выбор внутреннего профиля статорных колец. Доказано, что наиболее удовлетворительные динамические показатели характеризуют гидромоторы, в которых статорные кольца обеспечивают параболический закон перемещения поршня, а также моторы, в которых статорное кольцо выполнено по архимедовой спирали.

Для уменьшения сил трения в точках контакта статорного кольца с поршнями часто последние оборудуют опорными роликами на игольчатых подшипниках.

Важным в обеспечении надежной и долговечной работы высокомоментного гидромотора многократного действия является безотрывное движение опорных роликов поршней по внутренней поверхности статорного кольца. Вероятность отрыва опорных роликов от кольца увеличивается с повышением частоты вращения ротора гидромотора.

Сила инерции массы поршня в относительном движении в цилиндре, в зависимости от знака ускорения, будет или прижимать ролик к поверхности кольца, или отрывать его от нее. Отрыв ролика от поверхности кольца наиболее вероятен на участке, соответствующем сливу жидкости из цилиндра, когда, кроме сил инерции вращательного движения, поршень прижимается к профилю лишь давлением в сливной магистрали или усилием пружины.

Поэтому при отсутствии принудительной связи между поршнями и статорным кольцом значения частоты вращения вала гидромотора ограничивается возможностью отрыва поршней от поверхности кольца.

Для уменьшения пульсаций угловой скорости выходного звена в многорядних гидромотора многократного действия ряды поршней часто смещают один относительно другого.

Высокомоментный эксцентриковый гидромотор однократного действия с кривошипно-шатунным силовым механизмом состоит из блока цилиндров 1, обычно звездообразной формы, в расточках которого размещены поршни 2 (рис. 5.11, а). Перемещаясь в цилиндрах, поршни 2 через шатуны 3 по очереди действуют на эксцентрик 4. Принудительный распределитель жидкости, который обеспечивает подведение рабочей жидкости в соответствующие цилиндры и отведения ее из других цилиндров в сливную магистраль, на схеме не приведенный.

Силу давления рабочей жидкости, которая действует на соответствующие поршни 2, можно разложить на перпендикулярную к оси цилиндра составляющую и составляющую , нормальную к поверхности эксцентрика 4 в точке пересечения его образующей с продольной осью шатуна 3 (направление действия силы проходит через центр эксцентрика 4).

Если неподвижно закреплен эксцентрик 4, под действием силы вращается блок цилиндров 1 (по условиям схемы рис. 5.11, а - по часовой стрелке), если неподвижно закреплен блок цилиндров 1 – под действием силы вращается эксцентрик 4 (по условиям схемы рис. 5.11, а - против часовой стрелки). В каждом из случаев центром вращения является точка (продольная ось вала гидромотора), а значение крутящих моментов определяется произведением соответствующих названных сил на плечи их приложения относительно центра вращения. За одно полное вращение исходного звена гидромотора в каждой рабочей камере осуществляется один рабочий цикл.

Высокомоментные эксцентриковые гидромоторы однократного действия с кривошипно-шатунным силовым механизмом приведенной кинематической схемы технологичные в изготовлении, но их весовые и габаритные показатели уступают аналогичным показателям гидромоторов многократного действия при обеспечении тех же параметров.

а)

б)

Рис. 5.11. Схемы высокомоментных эксцентриковых гидромоторов однократного действия: а - с кривошипно-шатунным силовым механизмом; б - с кривошипно-кулисным силовым механизмом с качающей кулисой

В одном из удачных конструктивных решений высокомоментного эксцентрикового гидромотора однократного действия с кривошипно-кулисным силовым механизмом с качающей кулисой (рис. 5.11, б) вал 10, который смонтирован в корпусе 2, имеет эксцентрик 1 со сферической рабочей поверхностью. На сферическую поверхность эксцентрика 1 опирается полый поршень 9, который помещается в цилиндре 7 с уплотнителем 8. В крышке 3 закреплен сферический распределитель жидкости 4 торцевого типа, который одновременно является опорой цилиндра 7. Перекос цилиндра 7 относительно поршня 9 устраняется с помощью стержня 6. Пружина 5 служит для обеспечения надежного постоянного контакта соответственно поршня 9 с эксцентриком 1 и цилиндра 7 с распределителем жидкости (опорой) 4.

Под действием сил давления рабочей жидкости, которая в заданной последовательности подводится в рабочие камеры поршневых групп, поршни 9 взаимодействуют с эксцентриком 1 и формируют крутящий момент на выходном звене гидромотора. Так как поршневые группы (кулисы) имеют возможность покачиваться на сферическом распределителе (опоре) 4, исключается возникновение тангенциальных составляющих силы давления рабочей жидкости на поршне 9 и цилиндре 7, что увеличивает их долговечность.

Механические потери при перемещении поршней относительно эксцентрика и цилиндров – относительно сферического распределителя жидкости минимизируются благодаря гидростатической разгрузке взаимодействующих элементов. Это также повышает пусковой момент гидромотора.

Гидромоторы одно- и многократного действия приведенных конструктивных решений не могут быть регулируемыми, то есть их рабочие объемы не могут быть принудительно изменены в процессе эксплуатации гидромашин.