Гидропривод и гидромотор: принцип работы
Как устроены гидропривод и гидромотор спецтехники: виды, рабочий объем, крутящий момент, применение в экскаваторах и погрузчиках, неисправности.
Что такое гидропривод и зачем он нужен спецтехнике
Гидропривод - это способ передавать механическую энергию от двигателя к рабочим органам машины через жидкость под давлением, а не через валы, шестерни и цепи. Дизель крутит насос, насос нагнетает масло в систему, а дальше давление жидкости превращается в движение: вращение колеса, ход штока, поворот платформы.
На экскаваторах, погрузчиках, бульдозерах и кранах гидропривод почти вытеснил механическую трансмиссию, и причина простая - жидкость легко подвести к любому узлу по гибким шлангам, а вот вал или цепь нужно тянуть по прямой и жестко закреплять. Гидравлика позволяет разместить двигатель в одном месте машины, а исполнительные механизмы - в любом другом, хоть на конце стрелы длиной в несколько метров.
Из чего состоит гидропривод: основные элементы
В любой гидросистеме спецтехники работают одни и те же элементы:
Насос - создает поток жидкости и давление, приводится в движение от двигателя машины. Подробнее об этом узле мы писали в статье про Гидронасос: устройство, виды и принцип работы.
Гидролинии - шланги высокого давления и жесткие трубопроводы, по которым масло идет от насоса к потребителям и обратно в бак.
Распределители и клапаны - направляют поток жидкости к нужному узлу, регулируют давление и защищают систему от перегрузки.
Исполнительные механизмы - гидроцилиндры и гидромоторы, которые превращают давление жидкости обратно в механическую работу.
Бак и фильтры - хранят рабочую жидкость, охлаждают ее и очищают от загрязнений, которые появляются из-за износа деталей.
Как все эти узлы связаны между собой и почему давление в системе держится на нужном уровне, подробно разобрано в материале про Гидравлическая система спецтехники: как устроена и работает.
Объемный и гидродинамический гидропривод: в чем разница
В технике встречаются два принципиально разных типа гидропривода.
Объемный гидропривод работает за счет вытеснения жидкости из замкнутого объема: поршень или шестерня выдавливает масло, создавая давление, которое почти без потерь передается на выходной элемент. Именно объемный принцип используют насосы и моторы спецтехники, потому что он дает высокий КПД и позволяет точно управлять скоростью и усилием даже при низких оборотах двигателя.
Гидродинамический привод передает энергию за счет кинетической энергии потока жидкости, а не давления вытеснения. Классический пример - гидротрансформатор в автоматической коробке передач. Такой привод плавно передает крутящий момент, но проигрывает объемному в КПД и точности регулирования, поэтому в рабочих гидросистемах экскаваторов и погрузчиков его почти не применяют.
Когда говорят о гидроприводе спецтехники, почти всегда имеют в виду именно объемный, или гидростатический, привод - систему насос-мотор, соединенную гидролиниями.
Что такое гидромотор и чем он отличается от гидроцилиндра и гидронасоса
Гидромотор - это гидравлическая машина, которая превращает энергию давления рабочей жидкости во вращение выходного вала. По конструкции гидромотор почти зеркален гидронасосу: у обоих есть рабочие камеры переменного объема, только насос всасывает жидкость и нагнетает ее в систему, а мотор принимает поток под давлением и заставляет вал вращаться.
Гидроцилиндр решает другую задачу - создает прямолинейное, возвратно-поступательное движение штока. Им поднимают стрелу, наклоняют ковш, двигают отвал. Гидромотор же нужен там, где требуется вращение: привод колес и гусениц, поворот платформы экскаватора, работа лебедки или вентилятора охлаждения.
Многие модели гидромоторов и гидронасосов взаимозаменяемы по конструкции, а иногда один и тот же насос при обратном потоке жидкости способен работать как мотор - это называют насос-моторным агрегатом.
Виды гидромоторов: шестеренные, аксиально-поршневые, героторные, пластинчатые
Гидромоторы делят по типу рабочего органа, и от этого напрямую зависят их характеристики.
Шестеренные гидромоторы - самые простые и дешевые. Крутящий момент создается за счет давления жидкости на зубья пары шестерен. Рабочий объем у них небольшой, момент невысокий, зато конструкция неприхотлива к загрязнениям масла. Такие моторы ставят на вспомогательные механизмы: вентиляторы, конвейеры, приводы щеток.
Аксиально-поршневые гидромоторы работают за счет группы поршней, расположенных параллельно оси вала и упирающихся в наклонную шайбу. При подаче жидкости под давлением поршни выдвигаются, толкают шайбу и заставляют вал вращаться. Эти моторы держат высокое давление (350-450 бар и выше), развивают большую мощность при компактных размерах и работают на высоких оборотах, поэтому их применяют в ходовой части экскаваторов, гусеничных погрузчиков и в приводах насосов.
Героторные (орбитальные) гидромоторы устроены на основе внутреннего зубчатого зацепления: ротор с меньшим числом зубьев обкатывается внутри статора с большим числом зубьев, а между ними образуются рабочие камеры переменного объема. Такие моторы дают большой крутящий момент уже на низких оборотах и работают плавно даже на малой скорости, поэтому их часто ставят в поворотные механизмы экскаваторов, приводы лебедок и ходовую часть малогабаритной техники.
Пластинчатые гидромоторы используют выдвижные пластины в роторе, которые прижимаются к профилю статора центробежной силой и давлением жидкости. По характеристикам они занимают промежуточное положение между шестеренными и поршневыми: момент выше, чем у шестеренных, но давление и ресурс ниже, чем у аксиально-поршневых.
Рабочий объем, крутящий момент и частота вращения гидромотора
Три параметра определяют, подойдет ли конкретный гидромотор для узла машины.
Рабочий объем - количество жидкости, которое проходит через мотор за один полный оборот вала, измеряется в см3. Чем больше рабочий объем, тем больший крутящий момент мотор создает при том же давлении в системе, но тем ниже его максимальная частота вращения при заданной подаче насоса.
Крутящий момент зависит от рабочего объема и давления жидкости: грубо говоря, момент растет пропорционально произведению этих двух величин. Именно поэтому героторные моторы с большим рабочим объемом развивают огромный момент даже при скромном давлении, а компактные аксиально-поршневые моторы добирают момент за счет высокого рабочего давления.
Частота вращения вала зависит от подачи насоса и рабочего объема мотора: чем выше подача жидкости при том же объеме, тем быстрее крутится вал. На практике инженер подбирает гидромотор так, чтобы при доступной подаче насоса и нужном давлении получить требуемое сочетание момента и оборотов для конкретного узла - хода машины, поворота платформы или привода лебедки.
Важная характеристика - объемный КПД, то есть доля жидкости, которая реально совершает полезную работу, а не уходит через внутренние зазоры мотора в виде утечек. У нового исправного гидромотора объемный КПД держится в районе 90-95%, а по мере износа падает, снижая реальный момент и скорость на валу при том же давлении в системе.
Где применяется гидропривод и гидромотор в спецтехнике
Гидромоторы стоят практически на каждом узле современной строительной и дорожной машины, где требуется вращение.
Ходовые гидромоторы приводят в движение колеса или ведущие звездочки гусениц - обычно это мощные аксиально-поршневые моторы, встроенные прямо в ступицу или редуктор колеса.
Поворотный механизм экскаватора вращает платформу относительно ходовой части: здесь чаще применяют героторные или аксиально-поршневые моторы, которые обеспечивают плавный старт и точную остановку поворота.
Гидравлическая лебедка на кранах и трелевочной технике использует гидромотор для намотки и размотки троса под нагрузкой, причем момент нужен большой уже на малых оборотах - типичная задача для героторных моторов.
Приводы вентиляторов охлаждения, конвейеров, буровых шнеков, барабанов бетоносмесителей и щеток дорожных машин также построены на гидромоторах - в этих узлах чаще применяют более дешевые шестеренные или пластинчатые модели, поскольку требования к моменту и давлению здесь ниже.
Преимущества и недостатки гидропривода перед механическим приводом
У гидравлического привода перед механическим есть три ощутимых плюса. Он позволяет передавать большую мощность через тонкие гибкие шланги без жестких валов и редукторов. Он дает плавное и точное регулирование скорости и усилия простым изменением подачи насоса, без переключения передач. И он защищает двигатель и механизмы от поломки при перегрузке: когда давление в системе достигает предела, предохранительный клапан просто сбрасывает лишнюю жидкость в бак.
Есть и обратная сторона. КПД гидропривода ниже, чем у прямой механической передачи, из-за потерь на трение и внутренние утечки в насосах и моторах - часть энергии двигателя уходит в тепло. Гидросистема чувствительна к чистоте масла: попадание абразивных частиц быстро изнашивает рабочие пары насоса и мотора. И ремонт гидравлики требует специальных знаний и оборудования, а сами насосы и моторы стоят заметно дороже, чем шестеренчатый редуктор аналогичной мощности.
Частые неисправности гидромотора и их признаки
Большинство поломок гидромотора связано с износом рабочих пар и падением объемного КПД, а не с поломкой корпуса или вала.
Падение крутящего момента и скорости вращения при исправном насосе и нормальном давлении в системе - первый признак того, что жидкость через изношенные зазоры мотора начала уходить в обход рабочих камер.
Посторонний шум и вибрация при работе часто говорят об износе подшипников вала, повреждении рабочих поверхностей ротора и статора или о попадании воздуха в систему из-за подсоса через уплотнения на всасывающей линии.
Перегрев корпуса мотора выше рабочей температуры (обычно это уже за 70-80 градусов на ощупь корпус горячий даже в холодную погоду) указывает на повышенное внутреннее трение из-за износа или на постоянную работу с давлением выше расчетного.
Течи масла через уплотнение выходного вала почти всегда возникают из-за износа сальника или превышения давления в дренажной линии мотора, и этот дефект нужно устранять быстро - иначе масло вымоет смазку из подшипников.
Как выбрать и обслуживать гидромотор
При подборе гидромотора на замену важно соблюсти три параметра одновременно: рабочий объем, максимальное рабочее давление и максимальную частоту вращения вала должны соответствовать характеристикам насоса и требованиям узла машины. Мотор меньшего объема, чем штатный, даст более высокие обороты, но недоберет момент; мотор большего объема - наоборот.
Для продления ресурса гидромотора работают три правила. Первое - следить за чистотой и вязкостью гидравлического масла, менять фильтры по регламенту и не допускать смешивания разных марок масла. Второе - контролировать давление в системе манометром и не превышать паспортные значения, особенно на морозе, пока масло не прогрелось до рабочей вязкости. Третье - вовремя менять уплотнения вала при первых признаках течи, не дожидаясь, пока подшипники и рабочие камеры начнут работать всухую.
Если объемный КПД мотора уже заметно упал, ремонт часто обходится дороже покупки контрактного или восстановленного узла - особенно для распространенных моделей аксиально-поршневых и героторных моторов, запчасти на которые продаются свободно.
Коротко о главном
- Гидропривод передает энергию через рабочую жидкость под давлением, а не через валы и шестерни, что позволяет гибко компоновать узлы спецтехники.
- Гидромотор превращает давление жидкости во вращение вала, в отличие от гидроцилиндра, который дает возвратно-поступательное движение штока.
- В спецтехнике применяют объемный (гидростатический) привод: он дает высокий КПД и точное управление даже на низких оборотах.
- Основные виды гидромоторов - шестеренные, аксиально-поршневые, героторные и пластинчатые, каждый со своим соотношением момента, оборотов и цены.
- Крутящий момент зависит от рабочего объема мотора и давления в системе, частота вращения - от подачи насоса.
- Большинство неисправностей связано с износом рабочих пар и падением объемного КПД: падает момент, растет нагрев, появляются течи.
- Ресурс гидромотора напрямую зависит от чистоты масла, соблюдения рабочего давления и своевременной замены уплотнений.
Часто задаваемые вопросы
Чем гидропривод отличается от гидромотора? Гидропривод - это вся система, которая передает энергию с помощью рабочей жидкости под давлением: насос, гидролинии, аппаратура управления и исполнительные механизмы. Гидромотор - один из этих механизмов, устройство, которое превращает давление жидкости во вращение выходного вала.
Чем гидромотор отличается от гидроцилиндра? Гидроцилиндр создает возвратно-поступательное движение штока и используется для подъема стрелы, ковша или отвала. Гидромотор создает вращение вала и приводит в движение колеса, гусеницы, поворотную платформу или лебедку.
Какие виды гидромоторов применяют в спецтехнике? Чаще всего встречаются шестеренные, аксиально-поршневые, героторные (орбитальные) и пластинчатые гидромоторы. Шестеренные ставят там, где не нужен большой момент, аксиально-поршневые - в ходовой части, героторные - в поворотных механизмах и лебедках при низких оборотах.
Что такое рабочий объем гидромотора? Это объем жидкости, который проходит через мотор за один оборот вала, измеряется в см3. От рабочего объема и давления в системе зависит крутящий момент: чем больше объем, тем выше момент при той же частоте вращения.
Как понять, что гидромотор неисправен? О неисправности говорят падение крутящего момента и скорости вращения, посторонний шум и вибрация, нагрев корпуса выше нормы, а также утечки масла через уплотнения вала. Причина обычно в износе рабочих пар и падении объемного КПД.
