Silniki hydrauliczne

I.        Siłowniki hydrauliczne. 1

1.        Klasyfikacja siłowników hydraulicznych. 1

2.        Siły uzyskiwane na tłoku. 2

3.        Zwielokrotnienie ciśnienia multiplikacja. 3

II.       Silniki hydrauliczne obrotowe. 4

1.        Cechy charakteryzujące silniki hydrauliczne obrotowe. 4

2.        Klasyfikacja silników obrotowych. 5

3.        Silniki zębate. 5

4.        Silniki łopatkowe. 5

5.        Silniki tłokowe. 5

 

I.  Siłowniki hydrauliczne

Cylinder hydrauliczny siłowy, zwany też siłownikiem hydraulicznym, jest najprostszym silnikiem hydraulicznym. Zamienia energię ciśnienia dostarczanej do niego cieczy na energię mechaniczną ruchu postępowego lub postępowo-zwrotnego.

Dzięki dużej prostocie konstrukcji, pewności ruchu, możliwości uzyskania dużych sił przy małych i regulowanych prędkościach przemieszczania, siłowniki hydrauliczne znalazły szczególnie szerokie zastosowanie w maszynach i urządzeniach górniczych. Stosuje się je do przemieszczania organów urabiających, przesuwania przenośników, przepychania wozów w prawie wszystkich urządzeniach do mechanizacji robót pomocniczych. Siłowniki hydrauliczne są podstawowymi elementami indywidualnej i zmechanizowanej hydraulicznej obudowy górniczej.

1.    Klasyfikacja siłowników hydraulicznych

Ogólnie siłowniki stosowane w hydraulicznych układach podzielić można na siłowniki jednostronnego działania oraz silowi dwustronnego działania.

          

  Rys. 1. Siłowniki hydrauliczne różnych typów

 

W siłownikach jednostronnego działania wymuszony ciśnieniem cieczy ruch tłoka odbywa się tylko w jednym kierunku, ruch powrotny natomiast spowodowany jest inną siłą, np. ciężarem organu urabiającego kombajnu lub sprężyną.

Siłowniki dwustronnego działania mogą mieć tłoczysko jednostronne oraz dwustronne. Siłownik z jednostronnym tłoczyskiem charakteryzuje się różnymi prędkościami ruchu w obu kierunkach przy tym samym natężeniu dopływającej cieczy do cylindra. Siłownik dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem, dzięki równym powierzchniom tłoka z obu stron, ma tę samą prędkość ruchu w obu kierunkach.

Specjalną odmianą siłowników hydraulicznych są siłowniki teleskopowe. Siłowniki te stosuje się wówczas, gdy trzeba uzyskać znacznie większy skok przemieszczanego elementu roboczego niż pozwala na to konstrukcja siłownika o prostym rozwiązaniu.

W siłowniku teleskopowym przesunięcie jednego tłoka przekazywane jest na drugi tłok lub cylinder, dzięki czemu uzyskuje się uwielokrotnienie skoku.

Siłowniki hydrauliczne jednostronnego działania mają tłok wykonany bardzo często w postaci nurnika (rys. 2.). Tłok nurnikowy nazywa się powszechnie nurnikiem, a cylinder, hydrauliczny wyposażony w nurnik — siłownikiem nurnikowym.

 

     Rys. 2. Siłownik nurnikowy

 

Konstrukcje siłowników rozwiązane są zazwyczaj w ten sposób, że cylinder jest nieruchomy, a ruch wykonuje tłok lub nurnik. Bywają jednak — szczególnie w układach hydrau1icznych maszyn górniczych — takie rozwiązania, gdzie tłok wraz z tłoczyskami jest nieruchomy, przesuwa się natomiast cylinder (rys. 3). W tym przypadku ciecz cylindra doprowadza się najczęściej przez nieruchome, wydrążone tłoczyska.

 

Rys. 3. Siłownik o nieruchomym tłoczysku

2.    Siły uzyskiwane na tłoku

 

Siła na tłoku zależy od wymiarów geometrycznych tłoka i tłoczyska, w przypadku zaś siłownika nurnikowego - od wymiarów nurnika oraz od ciśnienia cieczy.

 

 

 

 

 

 

Rys. 4. Siłownik hydrauliczny dwustronnego działania

 

 

 

W cylindrze dwustronnego działania (rys. 4), jeżeli ciecz doprowadzana jest do przestrzeni podtłokowej cylindra, to siła na tłoku wynosi:

 

  

             

 gdzie       F₁ – siła uzyskana na tłoczysku [N]

                 p₁ – ciśnienie cieczy w [Pa]

                 S₁ -  pole powierzchni tłoka w [m²]

W przypadku gdy ciecz jest doprowadzana do przestrzeni nadtłokowej, to siła wynosi:

 

 

          

   gdzie        F₂ – siła uzyskana na tłoczysku [N]

                    p₂– ciśnienie cieczy w [Pa]

                  S₂ -  pole powierzchni tłoka w [m²]

 

Natomiast, jeżeli po obu stronach tłoka znajduje się ciecz pod różnymi ciśnieniami, to siła wypadkowa jest równą różnicy sił działających na tłok.

Rozpatrz przykład przedstawiony na rysunku 4 uwzględniając prędkość tłoka V. Czy V₁ będzie równe V₂ .

 

Zadanie 1. Do siłownika przedstawionego na rysunku 4 w przestrzeń nadtłokową podano ciśnienie  p₂ = 25 MPa. Średnica tłoka wynosi 100 mm.  Jaką wartość siły uzyskano na tłoczysku?

 

Zadanie 2. Do siłownika przedstawionego na rysunku 4 w przestrzeń podtłokową podano ciśnienie  p₁ = 25 MPa. Średnica tłoka wynosi 100 mm, a średnica tłoczyska wynosi 50 mm. Jaką wartość siły uzyskano na tłoczysku?

3.    Zwielokrotnienie ciśnienia multiplikacja

Rozpatrz sytuację gdy do siłownika przedstawionego na rysunku 4 do przestrzeni nadtłokowej podasz ciśnienie p₂, a na wylocie z przestrzeni podtłokowej umieścisz manometr. Jakie będą wskazania tego manometru?

 

Zadanie 3. Do siłownika przedstawionego na rysunku 4 na wylocie z przestrzeni podtłokowej zabudowano manometr. W przestrzeń nadtłokową podano ciśnienie  25 MPa. Średnica tłoka wynosi 100 mm, a średnica tłoczyska wynosi 50 mm. Jakie ciśnienie wskaże manometr?

 

Zadanie 4. Do siłownika przedstawionego na rysunku 4 na wylocie z przestrzeni nadtłokowej zabudowano manometr. W przestrzeń podtłokową podano ciśnienie  25 MPa. Średnica tłoka wynosi 100 mm, a średnica tłoczyska wynosi 50 mm. Jakie ciśnienie wskaże manometr?

 

II. Silniki hydrauliczne obrotowe

1.    Cechy charakteryzujące silniki hydrauliczne obrotowe

Silniki hydrauliczne służą do napędzania organów roboczych maszyn bądź bezpośrednio, bądź też za pośrednictwem przekładni, najczęściej zębatych.

Silnik hydrauliczny obrotowy, podobnie jak siłownik hydrauliczny zamienia energię hydrauliczną dostarczaną do niego w postaci cieczy pod pewnym ciśnieniem na energię mechaniczną. Głównymi cechami charakteryzującymi każdy silnik jest moc, moment obrotowy, największe ciśnienie, przy jakim silnik może pracować oraz najwyższa prędkość obrotowa. Ważną cechą silnika hydraulicznego obrotowego jest również chłonność silnika.

Chłonność silnika jest to ilość cieczy potrzebna do wykonania jednego obrotu silnika i zależy, od wymiarów geometrycznych silnika, a ściślej mówiąc od objętości jego przestrzeni roboczej.

Znając chłonność silnika oraz ilość cieczy dostarczaną do silnika w jednostce czasu można obliczyć prędkość obrotową silnika hydraulicznego

 

    

 

gdzie    n_t— teoretyczna prędkość obrotowa silnika, obr/min,

            Q — natężenie przepływu cieczy doprowadzanej do silnika, dm3/min,

            q — chłonność silnika, dm³/obr.

W rzeczywistości prędkość obrotowa silnika jest mniejsza wskutek przecieków, jakie występują w silniku. Wartość tych przecieków jest tym większa, im większe jest ciśnienie i dlatego rzeczywista prędkość obrotowa silnika jest tym mniejsza, im wyższe jest ciśnienie cieczy obracającej silnik hydrauliczny.

Stosunek rzeczywistej prędkości obrotowej do teoretycznej silnika nazywamy sprawnością objętościową silnika.

 

   

 

W silnikach hydraulicznych występują jeszcze straty hydrauliczne oraz straty mechaniczne.

Straty hydrauliczne są to - podobnie jak w pompach - straty (spadek) ciśnienia powstałe wskutek przepływu cieczy przez, kanały silnika. Na ogół stosuje się silniki hydrauliczne o małych prędkościach obrotowych i małych prędkościach przepływu cieczy, dlatego straty hydrauliczne silnika są znikome i można je pominąć.

Straty mechaniczne powstają wskutek tarcia poruszających się elementów silnika. Największe straty mechaniczne powstają w podporach, łożyskach, cylindrach i tłokach. Sprawność mechaniczna silników, podobnie pomp, zawiera się w granicach 0,75 do 0,95.

Wszystkie straty obniżają sprawność silnika. Całkowita sprawność silnika — podobnie jak całkowita sprawność pompy jest iloczynem poszczególnych sprawności.

 

 

gdzie

η — sprawność całkowita,

η_V — sprawność objętościowa,

η_h— sprawność hydrauliczna,

η_m —sprawność mechaniczna.

2.    Klasyfikacja silników obrotowych

Silniki hydrauliczne obrotowe buduje się jako silniki ogólnego przeznaczenia lub silniki specjalne.

Zarówno silniki ogólnego przeznaczenia, jak też specjalne dzieli się na dwie grupy: stałej chłonności i zmiennej chłonności.

Prędkość obrotowa silnika stałej chłonności zależy tylko od natężenia przepływu cieczy doprowadzanej do silnika, a praktycznie od wydajności pompy zasilającej silnik. Jeżeli silnik taki napędzany jest pompą stałej wydajno to jego prędkość obrotowa jest również stała. Jeżeli natomiast silnik hydrauliczny stałej chłonności zasilany jest pompą zmiennej wydajności to jego prędko obrotową można zmieniać, zmieniają wydajność pompy. W maszynach górniczych stosuje się układy hydrauliczne z silnikami obrotowymi stałej chłonności. Silniki hydrauliczne zmiennej chłonności są bardziej skomplikowane i droższe.

Zarówno silniki hydrauliczne stałej, jak i zmiennej chłonności budowane są jako silniki o jednym lub dwóch kierunkach przepływu, a co za tym idzie o jednym lub dwóch kierunkach obrotów.

3.    Silniki zębate

Prawie każda pompa może pracować jako silnik hydrauliczny. Podobnie jak pompy, silniki zębate mogą być o zazębieniu zewnętrznym lub wewnętrznym. Zasada działania silnika jest odwróceniem zasady działania pompy (przedstawionej na rysunku 2 w rozdziale „Pompy hydrauliczne”). Silnik ma również dwa koła zębate, z których koło 1 jest kołem napędzającym maszynę roboczą, najczęściej za pośrednictwem sprzęgła, koło 2 natomiast jest kołem biernym. Przy zasilaniu silnika cieczą przez kanał 4 koła zębate obracają się w kierunkach pokazanych na rysunku. Ciecz, która wykona pracę opuszcza silnik kanałem spływowym 5.

4.    Silniki łopatkowe

Zasada działania silnika łopatkowego jest odwróceniem zasady działania pompy łopatkowej (przedstawionej na rysunku 3 w rozdziale „Pompy hydrauliczne”). Silniki hydrauliczne łopatkowe obecnie nie są stosowane w górnictwie.

5.    Silniki tłokowe

Elementami roboczymi silników tłokowych są — podobnie jak  w tłokowych pompach — cylindry i tłoki. Również zalety i wady silników tłokowych są takie jak pomp tłokowych. Silniki te buduje się na ciśnienie do 32 MPa. Znalazły one powszechne zastosowanie w maszynach górniczych, a szczególnie w przekładniach pracujących przy wysokich ciśnieniach.

Chłonność silników tłokowych jest zazwyczaj stała, dzięki czemu ich konstrukcja jest prostsza niż konstrukcja odpowiadających im pomp tłokowych.

Rozróżniamy silniki tłokowe rzędowe, promieniowe i osiowe. Podobnie jak pompy, silniki promieniowe buduje się z nieruchomym blokiem cylindrów lub z wirującym blokiem cylindrów, silniki osiowe zaś — z wychylną tarczą, z wychylnym blokiem cylindrów oraz wirującą tarczą oporową. Zasada działania tych: silników jest odwróceniem zasady działania odpowiadających im typów pomp tłokowych.

 

 

Zebrał i opracował: Czesław Zając 2012r

 

Bibliografia:

- Z. Korecki; Urządzenia hydrauliczne maszyn górniczych, Katowice 1981 r.

- J. Lipski; Hydrauliczne urządzenia, Warszawa 1968 r.

- W. Warchim, J. Maciejczyk: Ścianowe kombajny węglowe, Katowice