Hidraulički motori

Uloga i osnovne veličine hidrauličkog motora

Hidraulički motor je izvršni element koji hidrauličku energiju pretvara u rotacijsko gibanje. Po građi je vrlo sličan crpki: ima zatvorene komore koje se pri okretanju vratila povećavaju i smanjuju. Kod crpke vratilo pokreće elektromotor i komore potiskuju ulje u krug, a kod motora ulje pod tlakom ulazi u komore, potiskuje zupce, lamele ili klipove i tako okreće vratilo. Mnoge izvedbe mogu raditi u oba režima; motor koji teret pokreće „unatrag" (npr. vitlo pri spuštanju) i sam postaje crpka — o tome ovisi kočenje, obrađeno u nastavku.

Glavna veličina motora je radni volumen V (cm³/okr): volumen ulja koji motor „proguta" za jedan okretaj vratila. Iz njega slijede dvije osnovne jednadžbe:

M = Δp · V / (2π) · η_hm     n = Q · η_v / V

Moment ovisi samo o razlici tlakova Δp između ulaza i izlaza i o radnom volumenu, a brzina vrtnje samo o protoku i radnom volumenu. To je ista logika kao kod cilindra (F = p · A, v = Q / A), samo što ulogu površine preuzima radni volumen. Korisno pravilo: teorijski moment je 1,59 Nm po baru za svakih 100 cm³/okr radnog volumena.

Za razliku od elektromotora, hidraulički motor razvija puni moment i pri brzini vrtnje bliskoj nuli, a brzina se mijenja jednostavno promjenom protoka. Masa motora po jedinici snage vrlo je mala, pa se motor može ugraditi izravno u glavčinu kotača ili u bubanj vitla.

Prema brzini vrtnje motori se grubo dijele na brzookretne (npr. 500–5000 min⁻¹; zupčasti, lamelasti, aksijalno-klipni), koji se obično spajaju preko reduktora, i sporookretne visokomomentne (npr. 1–500 min⁻¹; orbitalni i radijalno-klipni), koji teret pokreću izravno. Navedeni rasponi su okvirni; točne granice daje katalog proizvođača za svaku veličinu.

Zupčasti i lamelasti motori

Zupčasti motor s vanjskim ozubljenjem građen je kao zupčasta crpka: dva zupčanika u kućištu, ulje ulazi s jedne strane, tlači zupce i struji po obodu na drugu stranu. Za razliku od crpke, motor koji se vrti u oba smjera mora imati simetrične priključke i najčešće vanjsku drenažu, jer se tlak pojavljuje naizmjence na obje strane i ne smije opteretiti brtvu vratila. Zupčasti motori su jednostavni, jeftini i otporni na nečistoće, ali imaju veće unutarnje propuštanje i ukupni stupanj djelovanja okvirno 0,75–0,85. Ne rade dobro pri malim brzinama vrtnje (ispod nekoliko stotina min⁻¹ moment postaje neravnomjeran). Tipična primjena: pogon ventilatora hladnjaka, mješalica, transportera, pomoćnih pogona mobilnih strojeva.

Lamelasti motor ima rotor s radijalnim utorima u kojima kližu lamele. Da bi lamele i pri pokretanju (kad nema centrifugalne sile) prianjale uz stator, pritišću ih opruge ili ulje pod tlakom dovedeno ispod lamela. Lamelasti motori rade mirnije i tiše od zupčastih, imaju ravnomjerniji moment i koriste se u alatnim strojevima, pogonima vretena i u industrijskim uređajima gdje je važna niska buka.

Orbitalni motori (gerotor)

Orbitalni motor je najrašireniji sporookretni motor u mobilnoj hidraulici i poljoprivrednoj mehanizaciji. Srce motora je par zupčanika s unutarnjim ozubljenjem: rotor sa z zubi i stator sa z + 1 zubom (npr. 6 i 7). Rotor se ne vrti oko vlastite osi na mjestu, nego kruži (orbitira) po statoru; za svaki okretaj vratila rotor napravi z orbitalnih kretanja, a svaka komora se z puta napuni i isprazni. Zato motor malih dimenzija ima velik radni volumen i velik moment. Gibanje rotora na izlazno vratilo prenosi zglobno (kardansko) vratilo, a rotacijski razvodnik (kliznik ili ploča) povezan s vratilom usmjerava ulje u komore koje se u tom trenutku povećavaju.

Izvedba s valjcima umjesto zubi statora (tzv. gerolor) ima manje trenje i dulji vijek. Orbitalni motori pokrivaju okvirno radne volumene 8–1000 cm³/okr, brzine od desetak do nekoliko stotina okretaja u minuti i momente od desetaka Nm do nekoliko kNm. Stupanj djelovanja je srednji (ukupno okvirno 0,75–0,85); pri vrlo malim brzinama vrtnja postaje neravnomjerna.

Za pogon vitla s agregatom HP-1 (22,0 l/min) primjeren je orbitalni motor radnog volumena 200 cm³/okr: pri Δp = 140 bar daje oko 400 Nm pri oko 100 min⁻¹ bez ikakvog reduktora (izračun u nastavku).

Aksijalno-klipni i radijalno-klipni motori

Aksijalno-klipni motori imaju klipove raspoređene po obodu bubnja, paralelno s osi vratila. U izvedbi s nagibnom pločom klipovi se oslanjaju na kosu ploču, a sila tlaka na kosoj plohi daje tangencijalnu komponentu koja okreće bubanj. U izvedbi s kosom osi cijeli je bubanj nagnut prema prirubnici vratila. Aksijalno-klipni motori postižu najveće tlakove (npr. 350–450 bar) i najveći ukupni stupanj djelovanja (okvirno 0,90–0,95), rade pri velikim brzinama vrtnje i mogu imati promjenjivi radni volumen. Kad se radni volumen smanji, pri istom protoku motor se vrti brže, a moment pada — na tome se temelje hidrostatski pogoni vozila koji pri polasku daju velik moment, a u vožnji veliku brzinu.

Radijalno-klipni motori imaju klipove postavljene zvjezdasto, okomito na os vratila. Klipovi se oslanjaju na ekscentar ili, u izvedbi s više hodova po okretaju, na valovitu krivulju prstena (tzv. višehodni motor), pa svaki klip napravi nekoliko radnih hodova po okretaju. Ti motori imaju vrlo velike radne volumene (od stotinjak cm³ do nekoliko desetaka litara po okretaju), momente od nekoliko do stotina kNm i rade stabilno već pri jednom okretaju u minuti ili manje. To su tipični sporookretni visokomomentni motori: pogon kotača bagera i valjaka, vitla brodskih dizalica, bubnjeva mješalica betona, drobilica i usitnjivača, zakretnih stolova. Nerijetko se kućište motora okreće zajedno s kotačem, a vratilo miruje.

Moment, brzina vrtnje, snaga i stupnjevi djelovanja

Stvarni motor ima dvije vrste gubitaka. Dio ulja procuri kroz zazore s ulazne na izlaznu stranu ili u kućište, a da nije obavio rad; to opisuje volumetrijski stupanj djelovanja η_v < 1, pa je stvarna brzina vrtnje manja od teorijske. Trenje u ležajevima, brtvama i između pomičnih dijelova te gubici strujanja u kanalima smanjuju moment; to opisuje hidrauličko-mehanički stupanj djelovanja η_hm. Umnožak je ukupni stupanj djelovanja η_t = η_v · η_hm.

P_hid = Δp · Q     P_meh = M · ω = M · 2π · n / 60 = P_hid · η_t

Važno je da u jednadžbi momenta stoji razlika tlakova. Ako je na ulazu motora 160 bar, a u povratnom vodu 20 bar (razvodnik, cijevi, filtar, protuteretni ventil), moment se računa s Δp = 140 bar. Svaki bar protutlaka u povratu izravno umanjuje moment.

Poseban je moment pokretanja: iz mirovanja motor mora svladati statičko trenje, pa je η_hm pri pokretanju manji nego u radu (npr. 0,80 umjesto 0,90). Ako se motor odabere točno prema momentu u radu, pod punim teretom se možda neće ni pokrenuti. Zato se za vitla i pogone kotača provjerava moment pokretanja iz kataloškog dijagrama.

Usporedba za isti izvor. Uz Δp = 140 bar i Q = 22,0 l/min (agregat HP-1), s uzetim stupnjevima djelovanja, dobiva se:

Hidraulička snaga je u svim slučajevima ista, 140 bar · 22,0 l/min = 5,13 kW. Radni volumen samo „preslaguje" tu snagu u veliki moment i malu brzinu ili obrnuto, a stupanj djelovanja određuje koliko je stigne na vratilo.

Kočenje motora i zaštita od kavitacije

Motor koji pokreće masu s velikom tromošću (bubanj, vozilo, zakretnu platformu) ne zaustavlja se kad razvodnik zatvori vodove. Masa i dalje okreće vratilo, motor radi kao crpka i potiskuje ulje u zatvoreni izlazni vod — tlak u njemu naglo raste (tlačni udar), dok na ulaznoj strani motor „usisava" iz zatvorenog voda i tlak pada ispod atmosferskog. Pri tom podtlaku iz ulja izlaze plinovi i para, nastaju mjehurići koji pri ponovnom porastu tlaka implodiraju i oštećuju površine (kavitacija). Isto se događa kad teret vuče motor (vitlo pri spuštanju, vozilo nizbrdo).

Uobičajena zaštita je blok ventila neposredno uz motor (slika 6.2.3):

• dva sigurnosna ventila u križnom spoju — svaki ograničava tlak u jednom vodu i ulje propušta u suprotni vod; masa se koči zadanim tlakom, a udar ne prelazi namještenu vrijednost;
• dva nepovratna ventila za nadopunjavanje — iz povratnog voda (koji se zato drži na malom protutlaku, npr. nekoliko bar) propuštaju ulje na stranu na kojoj bi nastao podtlak;
• protuteretni (kočni) ventil — kod tereta koji vuče motor (vitlo, vozilo nizbrdo) drži protutlak na izlazu i dopušta vrtnju samo dok je na ulazu dovoljan tlak; obrađuje se u jedinici 6.4;
• mehanička kočnica — najčešće lamelna, zatvorena oprugom i otvarana tlakom (negativna kočnica). Budući da motor zbog propuštanja ne može teret držati nepomičnim, za držanje tereta na vitlu kočnica je obvezna.

Ulje koje procuri u kućište motora mora se odvesti drenažnim vodom (L) izravno u spremnik, bez spajanja u zajednički povratni vod. Brtva vratila podnosi samo mali tlak u kućištu (npr. nekoliko bar, prema katalogu); tlačni udar u povratnom vodu istisnuo bi je.

Primjena: vitla, kotači i bubnjevi

Vitla. Motor (najčešće orbitalni ili aksijalno-klipni s planetarnim reduktorom) okreće bubanj s užetom. Vučna sila na užetu je F = 2 · M / D_b, brzina užeta v = π · D_b · n. Krug vitla gotovo uvijek sadrži protuteretni ventil za spuštanje tereta i negativnu kočnicu koja se otpušta tlakom iz dovodnog voda.

Pogon kotača. Radijalno-klipni motori ugrađuju se izravno u glavčinu kotača valjka, bagera ili viličara. Kad se dva motora napajaju paralelno, djeluju kao diferencijal: u zavoju vanjski kotač preuzima više ulja i vrti se brže. Kod motora promjenjivog volumena izbor „brzine za rad" i „brzine za vožnju" postiže se promjenom radnog volumena, bez mjenjača.

Bubnjevi i rotori. Mješalice betona, bubnjevi za kabele, usitnjivači drva i trake transportera trebaju velik moment pri maloj brzini i otpornost na udarna opterećenja. Hidraulički motor pri preopterećenju jednostavno stane dok sigurnosni ventil ne ograniči tlak — nema pregaranja namota kao kod elektromotora, a pogon se ne oštećuje.

Primjer. Agregat HP-1 (22,0 l/min) pogoni vitlo s orbitalnim motorom 200 cm³/okr. Uz Δp = 140 bar, η_v = 0,92 i η_hm = 0,90 motor daje M = 401 Nm pri n = 101 min⁻¹. S bubnjem promjera 250 mm vučna sila je 2 · 401 / 0,25 = 3,21 kN (teret oko 327 kg), a brzina užeta 1,32 m/s. To je brzo vitlo za lagane terete. Za veći teret uz isti agregat treba veći radni volumen ili reduktor: s reduktorom 1 : 4 (bez gubitaka) sila je četiri puta veća, a brzina četiri puta manja.

Računski prikaz: moment, brzina i snaga motora

Mijenjajte radni volumen, razliku tlakova i protok te stupnjeve djelovanja. Računski prikaz daje stvarni moment na vratilu, brzinu vrtnje, mehaničku snagu i ukupni stupanj djelovanja.

M = Δp · V · η_hm / (2π)    n = Q · η_v / V    P = M · 2π · n / 60

Za zadane vrijednosti (orbitalni motor 200 cm³/okr, Δp = 140 bar, 22,0 l/min, η_v = 0,92, η_hm = 0,90) dobiva se M ≈ 401 Nm, n ≈ 101 min⁻¹ i P ≈ 4,25 kW uz ukupni stupanj djelovanja 0,83. Od 5,13 kW hidrauličke snage oko 0,9 kW odlazi u toplinu ulja. Udvostručenjem radnog volumena na 400 cm³/okr moment se udvostruči (802 Nm), a brzina prepolovi (51 min⁻¹); snaga ostaje ista jer ju određuje izvor, a ne motor.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.