هیدور موتورها با چرخش پیوسته

4-4 هیدور موتورها با چرخش پیوسته

موتورهای هیدرولیکی با چرخش پیوسته عملگرهایی هستند که می توانند به طور دائم بچرخند. به  جای تاثیر بر روی سیال مثل آنچه  پمپ ها انجام می دهند، هیدرو موتورها تحت تاثیر سیال قرار می گیرند و توسط سیال به کار انداخته می شوند.بدین ترتیب، موتورهای هیدرولیکی، گشتاور تولید کرده و حرکت چرخشی پیوسته ای ایجاد می کنند. هنگامی که بدنه موتور هیدرولیکی توسط یک منبع  خارجی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد، اکثر موتورهای هیدرولیکی بر روی بدنه خود مسیرهای تخلیه ای دارند که آببندهای شفت را محافظت می کند.

هیدرو موتورها عمدتاً به انواع زیر طبقه بندی می شوند:

  • موتورهای چرخدنده ای
  • موتورهای تیغه ای
  • موتورهای پیستونی

در ادامه هر یک از هیدرو موتورها تحلیل خواهد شد.

4-4-1 موتورهای چرخ دنده ای

موتورهای چرخدنده ای دارا ساختار ساده ای می باشند. موتورهای چرخ دنده ای، گشتاور را از طریق فشار هیدرولیکی وارد بر سطح دنده های چرخ دنده توسعه می دهد. با تغییر مسیر جریان سیال وارد بر موتور، جهت چرخش موتور را می توان معکوس نمود. همانند پمپ های چرخ دنده ای حجم جابجایی موتور چرخدنده ای نیز ثابت می باشد. موتورهای چرخ دنده ای با توجه به بارهای فشاری وارد بر آن متعادل نمی باشد. با توجه به فشار بالا در مجرای ورودی و فشار پایین در مجرای خروجی این اختلاف فشار سبب اعمال بارهای نا متقارن به شفت و یا تاقانهاشده و عمر یا تاقان ها را کاهش می دهد. موتورهای چرخ دنده ای معمولاً در محدوده فشار 140Kg/  یا psi2000 و سرعتهای عملکردی rpm2400 کار می کنند. حداکثر ظرفیت جریان ایندسته از هیدرو موتورها ipm550(لیتر در هر دقیقه )می باشد موتورهای هیدرولیکی می توانند از نوع چرخ دنده داخلی باشند.موتورهای چرخ دنده داخلی قابلیت کار در فشارها و سرعت های بالاتری را دارند. همچنین حجم جابجایی موتورهای چرخدنده داخلی بیشتر از موتورهای چرخدنده خارجی می باشد. موتورهای پیچی نیز نمونه ای از موتورهای چرخدنده ای محسوب می شوند.

همانند پمپها، موتورهای هیدرو لیکی پیچی نیزازسه پیچ در گیر با هم استفاده می کنند. مجموعه پیچ چرخان، عملکرد بسیار آرامی را ایجاد می کند. موتورهای پیچی قادرند در فشارهای بالاتر از psi2990 به کار انداخته شوند و حجم جابجایی آنها بالاتر از 227% ایتر می باشد. مهمترین مزیت موتورهای چرخ دنده ای ،طرح ساده و هزینه پایین و همچنین تحمل پذیری آنها در برابر آلودگی های زیاد می باشد. از جمله معایب اصلی موتورهای چرخ دنده ای، بازدهی پایین ونشت نسبتاً بالا در آنها می باشد.

4-4-2 موتورهای پره ای

سختار داخلی موتورهای تیغه ای کاملاً مشابه با پمپ های تیغه ای می باشد. با این وجود اساس کار آنها با هم تفاوت دارد. در موترهای تیغه ای، گشتاور توسط فشار هیدرولیکی وارد بر سطوح تیغه ایجاد شده و سبب گردش شفت خروجی می شود. زمانی که رو تور می چرخد، تیغه ها در امتداد سطح رینگ حلقوی حرکت می کندچرا که نیروی ناشی از فنرهای مورد استفاده در آن سبب می شود تیغه ها به طور شعاعی به سمت بیرون حرکت کنند.

تا زمانی که رو تور دوران نکند. هیچ نیروی خارج از مرکزی ایجاد نمی شود بنابراین تیغه ها می بایست دارای چندین مکانیسم دیگر جهت نگه داشتن آنها در برابر رینگ حلقوی باشند. در نمونه ای از طرحها از فنرهایی استفاده می شود یا در نمونه ای از تیغه ها یی که تحت تاثیر بار گذاری فشاری است استفاده شده است. حرکت رفت و برگشتی تیغه ها سبب آببندی بهتر شده و از نفوذ سیال از مجرای ورودی به مجرای خروجی جلوگیری می کند.

موتورهای تیغه ای متعادل و نامتعادل

 شکل (4-5a( نمونه ای از موتور تیغه ای نا متعادل را نشان می دهد که متشکل از یک محفظه دایره ای می باشد که دارای رو تور گریز ازمرکز است و بر روی روتور، چندین پره تحت تاثیر بار فشاری ویا فنر می باشد. بیشترین نیرو توسط سیال در تیغه های بالایی ایجاد می شود چون  جریان سیال هنگام عبور از مجرای ورودی، سطح بیشتری از پره ها را در نیمه بالایی موتور تحت فشار قرار می دهد و سبب چرخش هیدرو موتور در جهت خلاف عقربه های ساعت می شود. حجم جابجایی هیدرو موتور در اینجا ناشی از خارج از مرکز بودن آن است.

 در نوع نامتعادل، تمام فشارهای ورودی بر یک سمت روتور وارد می شود و بار شعاعی وارد بر یا تاقان شافت بسیار بزرگ می باشد. این مشکل بزرگ را می توان با کاربرد موتور تیغه ای متعادل تا حدودبی  کاهش داد. طرح شماتیکی از عملکرد پمپ تیغه ای  نامتعادل در شکل(b5-) نشان داده شده است .  در نوع متعادل، سطح داخلی بدنه به شکل بیضوی است و دارای دو مجرای ورود و دو مجرای خروج می باشد البته عملاً بر روی بدنه پمپ یک مجرای ورودی و یک مجرای خروجی وجود دارد. این طرح سبب می شود که فشار بصورت مساوی در دو طرف شفت  اصلی پمپ اعمال می شود و نیروهای وارد بر شفت متعادل خواهد بود.

موتورهای تیغه ای عمدتاً از نوع متعادل می باشند. چمنکه موتورهای تیغه ای بطور هیدرولیکی متعادل می شوند و حجم جابجایی آنها ثابت است. این موتورها می توانند در فشارهای بالاتر از kg/ 175(2490psi) و سرعتهای بالاتر از rpm4000 بکار انداخته شوند. معمولاً حداکثر جریان ارسال شده به این موتورها در محدوده rpm950می باشد. موتورهای تیغه ای در نوع پیستونی، نشت  داخلی بیشتری دارند به همین خاطر کاربرد آنها در سیستم های کنترل نیرو توصیه نمی شود.

4-4-3 موتورهای پیستونی

موتورهای پیستونی به لحاظ ساختار مشابه با پمپهای پیستونی می باشند. موتورهای پیستونی می توانند از نوع جابجایی ثابت و یا جابجایی متغیر باشند . ایندسته از موتورها گشتاور را از طریق فشاراعمالی به انتهای پیستون ها و رفت و برگشت آن در داخل سیلندر تولید می کنند. بطور ساده در هیدرو موتورهای پیستونی از پیستونهای یکطرفه ای  استفاده می شود که باز شدن توسط فشار سیالی است که بر آنها اعمال می شود و با برگشت خود سیال را تخلیه می کنند. حرکت رفت و برگشتی پیستون توسط مکانیزمهای مختلفی نظیر حلقه خارج از مرکز، محور خمیده و یا زاویه دار به حرکت دورانی شافت تبدیل می شود.

تعداد پیستونها در هیدرو موتورهای پیستونی فرد می باشد. این امر سبب می شود تعداد یکسانی از پیستونها عمل مکش و دهش را با هم انجام دهند و جریان یکنواختی ایجاد شود. در این هنگام یکی  از سیلندرها توسط سوپاپیی مسدود می باشد . موتورهای پیستونی معمولاً، موثرترین موتورها در میان  همه موتورها می باشند. آنها قابلیت کار در سرعت های  بسیار بالای rpm12000 و همچنین فشارهایی بالاتر از 350 kg/  را دارند.  موتورهای پیستونی بزرگ قابلیت ارسال جریان بیشتر از ipm1500 را دارند.

موتورهای پیستونی را می توان به انواع زیر طبقه بندی نمود:

  1. موتورهای پیستونی شعاعی
  2. موتورهای پیستونی محوری

موتورهای پیستونی شعاعی

در موتورهای پیستونی شعاعی روتور نسبت به رینگ حلقوی بصورت خارج از مرکز قرار گرفته است و با دوران خود حرکت رفت و برگشتی پیستونها تامین می شود.شکل (4-6) برشی از موتورهای پیستونی شعاعی را نشان می دهد. پیستونها به دلیل نیروی گریز از مرکز به سطح داخلی بدنه موتور می چسبند. دهانه های ورودی و خروجی توسط دیواره ثابت از هم جدا می شوند.

با هدایت سیال به نیمی از سوراخ های سیلندر، دیواره ثابت همانند یک سوپاپ هیدرولیکی ثابت عمل کرده و پیسونها را به صورت شعاعی بطرف بیرون می راند.در سمت دیگر روتور با برگشت پیستونها امکان تخلیه سیال فراهم می شود. کورس حرکت رفت و برگشتی پیستونهای تحت فشار که با دوران  رو تور ایجاد می شود به میزان خارج از مرکز قرار گرفتن روتور نسبت به بدنه بستگی دارد. بنابراین حجم جابجایی هیدرو موتورهای پیستونی به سطح مقطع پیستون ومیزان خروج از مرکز روتور بستگی خواهد داشت. کاربرد هیدرو موتورهای شعاعی معمولاً برای توانهای بالا محدود می شود.

موتورهای پیستونی محوری

در یک موتور پیستونی محوری، پیستونها بصورت محوری و موازی با هم بر روی بلوک سیلندر یا همان رو تور قرار دارند.

اساساً دو نوع طرح از این موتورها وجود دارد. این طرحها عباتند از :

  1. موتورهای پیستونی محوری با صفحه زاویه دار
  2. موتور پیستونی محوری با محور خمیده

موتور پیستونی محوری با صفحه زاویه دار

شکل (4-7) یک طرح از هیدرو موتور با صفحه زاویه دار را نشان می دهد که در آن شفت محرک موتور و بلوک سیلندر روی محور بکسانی قرار گرفته اند، در اینجا فشار هیدرولیکی وارد بر انتهای پیستون ها واکنشی در برابر صفحه زاویه دار ثابت بوجود می آورد. این عکس العمل باعث می شود تا بلوک سیلندر متناسب با سطح پیستونها با گشتاور ایجاد شده به چرخش در آید. همچنین این گشتاور تابعی از زاویه صفحه دار می باشد. موتورهای پیستونی محوری یا بصورت جابجایی ثابت و یا جابجایی متغیر طراحی می شوند. زاویه صفحه زاویه دار یا سواش پلیت معمولاً حجم جابجایی را تعیین می کند. در هیدرو موتورهای جابجایی متغیر، صفحه بر روی یک طوقه شناور قرار داده می شود. زاویه این صفحه را میتوان با ابزار مختلفی مثل چرخ دستی و یا با یک سیستم کنترل سر و تغییر داد. با افزایش زاویه این صفحه، ظرفیت گشتاور افزایش می یابد، اما سرعت شفت محرک کاهش پیدا می کند. گیره های مکانیکی معمولاً حالت یکپارچه دارند، بنابراین ظرفیت های سرعت و گشتاور در محدوده مجاز باقی می ماند.

بلوک سیلدر در یک موتور پیستونی محوری با صفحه زاویه دار با گشتاوری می چرخد که متناسب با سطح پیستون است این گشتاور همچنین تابعی از زاویه صفحه زاویه دار است. هیدرو موتورهای پیستونی بصورت جابجایی ثابت و یا جابجایی متغیر طراحی می شوند. زاویه صفحه زاویه دار (سواش پلیت ) معمولاً حجم جابجایی را تعیین می کند.

موتورهای پیستونی با محور خمیده

تصویر (4-9) شماتیکی از موتور پیستونی با محور خمیده را نشان می دهد. در این هیدرو موتور نیز گشتاور از طریق اعمال فشار روی پیستونهای که حرکترفت و برگشتی انجام می دهند ایجاد می شود.دراین طرح، بدنه سیلندر و شفت متحرک با یک نسبت به یکدیگر نصب می شوند در نتیجه نیرو بر روی شفت متحرک وارد می شود.

اصول کار

روغن وارد شده به موتور در ابتدا از صفحه سوپاپ عبور کرده و سپس به انتهای پیستون که در برابر مجرای ورودی قرار دارد وارد می شود. این پیستون های تحت فشار، فلانج شفت مقابل را فشار داده و هنگامی که به سمت دورترین نقطه از صفحه سوپاپ حرکت می کنند شفت متحرک را به چرخش  در می آورند. نقش صفحه سوپاپ هدایت روغن به پیستونهای مناسب جهت حفظ چرخش موتور است. بنابراین در این نوع موتور، حرکت محور پیستون باعث چرخش بدنه سیلندر می شود.

جابجایی موتور متناسب با کل سطح پیستون بوده و به نسبت سینوس زاویه بین محور بدنه سیلندر و محور شفت خروجی تغییر می یابد. بنابراین، سرعت و گشتاور به این زاویه بستگی دارد که بین حداقل 7درجه تا حداکثر 30 درجه متغیر است. با وجود یک جریان ورودی ثابت، این زاویه هر چقدر کوچکتر باشد. سرعت بالاتر است و درفشار ماکزیمم ثابت، هر چقدر زاویه کوچکتر باشد، گشتاور ماکزیمم کوچکتر خواهد بود.

 موتور پیستونی محوری با محور خمیده دارای کار آیی بالایی بوده و در مقایسه با موتورهای دیگر نشتی بسیار کمتری دارد. از این موتور به طور گسترده در سیستم های سرو(خود تنظیم) هواپیما استفاده می شود. با توجه به بررسی های انجام شده درباره موتورها با صفحه زاویه دار و موتورهای با محور خمیده ، مشخص شد که ویژگیهای موتور محوری با صفحه زاویه دار بسیار مشابه با ویژگیهای موتورهای محوری با محور خمیده می باشد که زاویه صفحه زاویه دار جایگزین زاویه محور گردیده است. حجم جابجایی هر کدام از این موتورها می تواند با تغییر این زاویه تغییر یابد. کاهش بازده پیچشی موتورهای محوری با صفحه زاویه دار از طریق نیروی اصطای فش صفحه در برابر صفحه زاویه دار ایجاد می شود. این موضوع به کاهش در توان خروجی بدلیل افزایش درجه حرارت منجر میگردد و همچنین اصطکاک بیش از حد، استهلاک حلقه سرو را افزایش می دهد. کاهش در اندازه پیچش را میتوان از طریق فشار زیاد و ثابت یک سوپاپ سرو بر طرف کرد.

افتهای ناشی از اصطکاک در یک موتور هیدرولیکی باعث کاهش گشتاور خروجی نسبت به میزان  تئوری آن ممی گردد. بنابراین گشتاور تئوری برابر با مقدار گشتاوری است که توسط یک موتور بدون اصطکاک تحویل داده شده و آن را میتوان از طریق معادله (4-5) که قبلاً توضیح داده شد تعیین کرد، این رابطه برابر است با:

T=

 

که در این رابطه:

P: فشار بر حسب پاسکال

Vd: حجم جابجایی اندازه گیری شده بر حسب   می باشد. بنابراین گشتاور تئوری تنها متناسب با فشار نیست، بلکه متناسب با حجم جابجایی نیز می باشد. بعنوان مثال توان ایجاد شده توسط  یک موتور بدون اصطکاک را میتوان از طریق رابطه ریاضی ذیل تعیین نمود:

همانند معادله مربوط به پمپها، رابطه بین سرعت، حجم جابه جایی و دبی را می توان از طریق رابطه ذیل تعیین نمود: