17.4.2. Гидромоторы

Объемные гидравлические моторы (гидромоторы) преобразуют гидравлическую энергию в механическую. Для крановых механизмов используются радиально-поршневые и аксиально-поршневые гидромоторы.

Радиально-поршневые гидромоторы. Такие гидромашины используется на судовых кранах фирм «Hagglunds», «Mcgregor», «Mitsubishi». В технической литературе их называт LSHT гидродвигатели (Low speed –High torque motors) – низкооборотные высокомометнтные двигатели. Они позволяют получать достаточно большие вращающие моменты при малой (порядка 0,5…200 об/мин) частоте вращения, поэтому в приводе можно не использовать механический редуктор.

Принцип действия радиально-поршневых гидромоторов можно проиллюстрировать на примере упрощенной схемы, показанной на рис. 17.11. Через каналы 1 системы управления 2 и управляющие окна 3 масло подается на поршни 4 с закрепленными на них роликами 7. Если рабочая камера 5 соединяется с управляющими окнами 3 напорной линии, то масло начинает действовать на поршни 4 и ролики 7. Давление масла передается через ролики на сопряженную деталь 8 (которая в специальной литературе называется кулачковое кольцо, статорное кольцо или копир). Ролик воздействует на кулачковое кольцо 8 с силой давления масла на поршень (, где p – давление масла, А_П – площадь поршня).

Рис. 17.11. Упрощенная схема работы радиально-поршневого гидромотора (схема выполнена в виде развертки)

Действуя на наклонную поверхность 8, сила вызывает силу нормальной реакции опоры , направленную перпендикулярно опираемой поверхностирис.17.12. Сила раскладывается на две составляющие вдоль радиуса и касательной к профилю кулачка – , и . Касательная сила перпендикулярная к оси поршня создает вращающий момент в одном цилиндре

,

где – плечо приложения силы относительно оси вращения мотора.

Полный момент мотора за цикл работы равен сумме моментов тангенциальных сил во всех поршнях.

Кратность гидромотора определяется числом рабочих ходов на рис. 17.12 показан пятикратный мотор, на рис. 17.13 – шестикратный и на рис. 17.13 – четырехкратный. Чем больше кратность мотора, тем больше его вращающий момент.

Рис. 17.12. Принцип работы радиально-поршневого гидромотора возникающие в радиально-поршневом гидромоторе

Рис. 17.13. Радиально-поршневой гидромотор кратностью 5

Среднее значение вращающего момента, развиваемого всеми поршнями мотора за цикл

Нм, (17.11)

где p – давление масла, подаваемого через распределительный клапан (золотник) в гидромотор, МПа (Н/мм²) или bar (10 Н/cм²) 1МПа=10 bar;

– рабочий объем гидромотора (объем, описываемый его поршнями)

л, (17.12)

– число поршней мотора;

– площадь поршня гидромотора,

,

d – диаметр поршня мотора;

– ход поршня;

– число рабочих ходов.

Радиально-поршневые моторы изготавливают в двух исполнениях :

– с неподвижным распределительным блоком и вращающимся корпусом;

– с неподвижным корпусом и вращающимся распределительным блоком.

В приводах судовых крановых механизмов получила распространение первая схема моторов.

Частота вращения гидромотора в зависимости от подачи насоса и рабочего объема мотора определяется как

об/мин, (17.13)

где – подача насоса, рассчитываемая по формуле (17.10);

– рабочий объем гидромотора, формула (17.12);

– общий механико-гидравлический к.п.д. привода, .

Рис. 17.14. Конструкция гидромотора с вращающимся статорным (кулачковым) кольцом и неподвижным блоком цилиндров: 1 – распределительный золотник (распределитель); 2 – блок цилиндров (неподвижный); 3 – поршень с шатуном; 4 – кулачковое кольцо; 5 – крестовая муфта (муфта Ольдгема); 6 –траектория движения центра ролика; 7 – профиль кулачкового кольца; 8 – корпус (вращающийся)

Рис. 17.15. Конструкция радиально-поршневого гидромотора с неподвижным кулачковым кольцом: 1 – ведущий вал; 2 – траверса ротор; 3 – кулачковое кольцо (статор, копир); 4 – поршень; 5 – блок цилиндров (вращающийся)

Как видно из формулы (17.13), если в два раза уменьшить рабочий объем гидромотора , то частота вращения его вращения увеличится в два раза. При этом его вращающий момент (уравнение (17.11)) уменьшится вдвое. Это достигается за счет подключения к работе половины поршней гидромотора. Отмеченный режим работы используется для повышения производительности при подъеме легких грузов или опускании порожнего гака.

Другая конструкция радиально-поршневого гидромотора показана на рис. 17.16. Такой мотор применяется на кранах производства японской компании «MITSUBISHI». Гидромотор состоит из следующих основных деталей: 18 – неподвижногокорпуса, эксцентрикового вала, 26, вращающегося в подшипниках 17 и 22, полых поршней 37, телескопически соединенных с цилиндрами 40, распределителя 15, , крышки 10, распределителя и крышек 39.

Принцип работы гидромашины (рис. 17.16) состоит в следующем: жидкость нагнетается через отверстия крышки распределителя 39, распределителя 15, корпуса 18, крышки и сегмента 34 в пространство, ограничиваемое поршнем, цилиндром и сферическими поверхностями эксцентрикового вала 26 и сегмента 34. При этом давление рабочей жидкости передается непосредственно на сферическую поверхность эксцентрикового вала. Вследствие эксцентриситета между продольной осью опорных шеек и сферической поверхностью эксцентрикового вала, тангенциальная составляющая усилия от давления рабочей жидкости создает крутящий момент относительно продольной оси вала, преодолевая внешнюю нагрузку, а радиальная составляющая воспринимается подшипниками.

Величина вращающего момента, развиваемого мотором, определяется внешней нагрузкой и ограничивается давлением настройки предохранительного клапана гидросистемы.

Рис. 17.16. Конструкция радиально-поршневого гидромотора с эксцентриковым валом

Правильное распределение рабочей жидкости между пятью поршневыми группами гидромотора осуществляется с помощью распределителя, вращаемого валиком 3, соединенным с эксцентриковым валом штифтами 1. Распределитель помещен между упорным кольцом 14 и тарелкой 5 распределителя, материалы которых обеспечивают необходимые режимы работы трущихся пар. Совместное центрирование корпуса, тарелки распределителя и крышки распределителя осуществляется с помощью кольца 4. Упорное кольцо прижато к распределителю пружинами 11 и предохранено от проворота штифтами 8.

Для центрирования пружин служит втулка 13, установленная в крышку распределителя.

Распределительный узел крепится к корпусу винтами 7.

Смещение цилиндро-поршневых групп от рабочих положений ограничивается кольцом 38 и полукольцом 41. Центрируемых в крышке штифтами 20, кольцами 27, скользящими по дискам 28, прикрепленными к эксцентриковому валу винтами 21.

Поршень и цилиндр к сферическим поверхностям прижимаются с помощью пружин 3, а направлением при их совместном передвижении служит направляющая 32.

Манжета 24, установлена в крышке 23, уплотняет выходной конец вала. ограничением от осевого смещения манжеты служит кольцо 25. Для слива рабочей жидкости и присоединения дренажного трубопровода предназначено отверстие, закрытое пробкой 2.

Аксиально-поршневые гидромоторы. Аксиально-поршневые гидромоторы являются высокооборотными и низкомоментными. Иными словами можно сказать, что аксиально-поршневые моторы не развивают вращающих моментов достаточных для подъема груза и стрелы, поворота крановой металлоконструкции, к тому же частота вращения их выходного вала существенно превышает рабочие, технологические частоты вращения крановых механизмов. С этой целью в приводах, оборудованных аксиально-поршневыми двигателями, предусматриваются редукторы. Напомним, что редуктором называется механизм, выполненный на основании зубчатых или червячных передач и предназначенный для уменьшения угловой скорости и увеличения вращающего момента. В крановых механизмах применяются двух- и трехступенчатые редукторы с неподвижными осями (рис. 17.17 и рис. 17.18) и планетарные редукторы. Последние широко используются в лебедках кранов «LIEBHERR» и «NMF».

За цикл работы данного типа гидромотора его поршня развивают среднее значение вращающего момента, которое вычисляется по формуле аналогичной (17.11), Н∙м

, (17.14)

где p – давление масла, подаваемого через распределительный клапан (золотник) от нососа, МПа;

– рабочий объем гидромотора;

л, (17.15)

– число поршней мотора;

– площадь поршня гидромотора, , мм²;

d – диаметр поршня мотора, мм;

– ход поршня, определяется аналогично рис. 17.3.

Величина подачи насоса и рабочий объем аксиально-поршневого гидромотора определяют частоту вращения вала последнего определяется по формуле (17.13) об/мин,

, (17.16)

Рабочий объем аксиально-поршневых моторов в десятки раз меньше рабочего объема радиально-поршневых моторов. Этим согласно формулам (17.14)-(17.16) объясняется небольшой момент и высокая быстроходность аксиально-поршневых гидромашин и необходимость применения в редукторов.

На рис. 17.17 изображена грузовая лебедка судового крана с аксиально-поршневым двигателем. От гидромотора 1 движение передается через вал 3 к зубчатому двухступенчатому редуктору, в состав быстроходной ступени которого входит вал-шестерня 4 и колесо 11, а в тихоходную ступень – вал шестерня 12 и колесо с внутренним зацеплением 13, запрессованному в барабан . Зубчатые колеса и подшипники работают в масле, уровень которого контролируют при помощи пробки 10. Тормоз 5 нормально замкнутый растормаживается при помощи гидроцилиндра 6.

Рис. 17.17. Грузовая лебедка с аксиально-поршневым гидромотором:

1 – гидромотор, 2 – клин; 3 – вал; 4, – вал-шестерня быстроходной ступени; 5 – дисковый тормоз; 6 – гидроцилиндр; 7 – регулирующий винт; 8 – канал; 9 – пружина; 10 – пробка; 11 – зубчатое колесо быстроходной ступени; 12 – вал-шестерня тихоходной ступени; 13 – колесо зубчатое тихоходной ступени; 14 – барабан; 15 – корпус.

Рис. 17.18. Кинематическая схема грузовой лебедки, изображенной на рис. 17.16 (обозначения соответствуют рис. 17.16, здесь 16 – втулочная муфта)

При включении мотора 1 тормоз растормаживается, с этой целью рабочая жидкость поступает каналами 8 из гидросистемы в левую часть гидроцилиндра 6 и перемещает его поршень вправо. Замыкающая пружина тормоза 9 сожмется и освободит диски его тормозные диски, в результате чего тормоз размыкается. При выключении гидромотора рабочая жидкость прекращает свою подачу в тормозной цилиндр 6, давление на поршень прекращается и тормозная пружина снова сжимает тормозные диски. Силу сжатия пружины (а значит и тормозной момент) регулируют винтом 7, который через шайбу действует на пружину 9.

Вращающий момент T, развиваемый мотором (см. формулу 7.14) посредством зубчатого редуктора увеличивается, и тогда момент на барабане 14 (рис. 17.17) станет равным

, (17.17)

где – передаточное отношение редуктора, , – передаточное число быстроходной ступени, от шестерни 4 к колесу 11 , – передаточное число тихоходной ступени, от шестерни 12 к колесу 13 .

Гидромотор (рис. 17.19) состоит из следующих основных частей: вала 1, корпуса 7, поршней с шатунами 14, блок цилинров 9, распределителя 10 и крышки 12.

Рис. 17.19. Конструкция аксиально-поршневого гидромотора: 1 – вал; 2 – манжета; 3, 6, 8, 11 15 – уплотнительные кольца; 4 – радиальный подшипник, 5 – радиально-упорный подшипник; 7 – корпус, 9 – блок цилиндров, 10 – распределитель; 12 – крышка; 13 – поршни; 14 – шатуны.

При работе гидромотора рабочая жидкость нагнетается (всасывается) через отверстия крышки и кольцевые пазы распределителя в блок цилиндров, увеличивая объем рабочих камер за счет перемещения поршней. Виду того, что оси вала и блока цилиндров находятся под углом , осевая и радиальная составляющая усилия от шатунов в месте их контакта с валом воспринимаются радиальным 4 и радиально-упорным 5 шарикоподшипниками, а тангенциальная составляющая создает вращающий момент относительно оси вала гидродвигателя, преодолевая внешнюю нагрузку.

Величина вращающего момента, развиваемого гидромотором, определяется внешней нагрузкой и ограничивается давлением, на которое рассчитан предохранительный клапан гидросистемы.

Предохранение от утечки рабочей жидкости из гидромашины осуществляется с помощью манжеты 2 и уплотнительных колец 3, 6, 8, 11 и 15.