پمپ ها و موتورهای هیدرولیک: انواع، نحوه کار و راهنمای انتخاب

نقش پمپ ها و موتورهای هیدرولیک در صنعت مدرن

سیستم های هیدرولیک ستون فقرات نامرئی تولید صنعتی مدرن هستند. از زمین شکستن بیل مکانیکی در محل ساخت و ساز گرفته تا پرس قالب گیری تزریقی که اجزای پلاستیکی را در هزاران دور در روز شکل می دهد، توانایی تولید، انتقال و کنترل نیروهای عظیم از طریق سیال تحت فشار، نحوه عملکرد صنعت سنگین را مشخص می کند. در مرکز هر سیستمی دو جزء مکمل قرار دارند: پمپ هیدرولیک و موتور هیدرولیک.

این دو دستگاه به یک معنا تصویر آینه ای از یکدیگر هستند. یک پمپ هیدرولیک انرژی مکانیکی - معمولاً از یک موتور الکتریکی یا موتور احتراق داخلی - می گیرد و آن را به شکل جریان سیال تحت فشار به انرژی هیدرولیک تبدیل می کند. یک موتور هیدرولیک برعکس عمل می کند: آن جریان تحت فشار را دریافت می کند و آن را دوباره به چرخش مکانیکی تبدیل می کند. آنها با هم انرژی ورودی و خروجی یک زنجیره کامل انتقال قدرت سیال را تشکیل می دهند.

رابطه بین پمپ و موتور، کارایی، پاسخگویی و چگالی توان کل سیستم را تعیین می کند. انتخاب نوع نادرست، یا عدم تطابق با مشخصات آنها، باعث اتلاف انرژی، سایش زودرس و رفتار غیرقابل پیش بینی تحت بار می شود. درک نحوه عملکرد هر جزء - و نحوه انتخاب ترکیب مناسب - بنابراین برای هر مهندس، متخصص تدارکات یا متخصص تعمیر و نگهداری که با تجهیزات هیدرولیک کار می کند، دانش ضروری است.

نحوه عملکرد پمپ های هیدرولیک: تبدیل انرژی مکانیکی به جریان

یک پمپ هیدرولیک به خودی خود فشار ایجاد نمی کند. چیزی که ایجاد می کند جریان است - حرکت کنترل شده سیال هیدرولیک از مخزن به مدار. فشار نتیجه مقاومت در برابر آن جریان است: هر چه سیستم مقاومت بیشتری داشته باشد (از طریق بار، شیرها یا محرک ها)، پمپ باید فشار بیشتری ایجاد کند تا نرخ جریان مشخص شده را حفظ کند.

همه پمپ‌های هیدرولیک با جابجایی مثبت - دسته غالب در کاربردهای صنعتی - بر اساس یک اصل اساسی کار می‌کنند: یک سری از محفظه‌های محصور به صورت دوره‌ای در ورودی منبسط می‌شوند (سیال را به داخل می‌کشند) و در خروجی منقبض می‌شوند (با فشار سیال را خارج می‌کنند). هندسه نحوه تشکیل آن محفظه ها، نوع پمپ و همراه با آن محدوده فشار مشخصه، سطح نویز، منحنی بازده و مناسب بودن آن برای کاربردهای مختلف را مشخص می کند.

دو معماری مدار رایج هستند. در یک مدار باز ، پمپ سیال را از یک مخزن می کشد، آن را از طریق دریچه های کنترل به محرک ها می رساند و سیال پس از هر چرخه کاری به مخزن باز می گردد. در یک مدار بسته خروجی موتور بدون عبور از مخزن مستقیماً به ورودی پمپ وصل می‌شود و امکان پاسخ سریع‌تر و سرعت‌های عملیاتی بالاتر را فراهم می‌کند - پیکربندی که معمولاً در انتقال هیدرواستاتیک تجهیزات سیار استفاده می‌شود. هر معماری خواسته های متفاوتی را به پمپ، به ویژه در مورد تخلیه کیس، فشار شارژ، و مدیریت حرارتی اعمال می کند.

انواع پمپ های هیدرولیک: دنده ای، پره ای و پیستونی

سه خانواده پمپ اکثریت قریب به اتفاق کاربردهای هیدرولیک صنعتی و سیار را تشکیل می دهند. هر کدام تعادل مشخصی از قابلیت فشار، راندمان حجمی، نویز و هزینه را ارائه می دهند.

پمپ های دنده ای ساده ترین و مقرون به صرفه ترین گزینه هستند. دو چرخ دنده مشبک در داخل یک محفظه با تحمل نزدیک می چرخند. مایع در فضاهای بین دندانه های چرخ دنده و دیواره محفظه به دام می افتد، سپس از ورودی به خروجی منتقل می شود. پمپ‌های دنده‌ای فشار تا حدود 3500 psi و سرعت تا 3600 دور در دقیقه را تحمل می‌کنند، که آن‌ها را برای تجهیزات کشاورزی، جداکننده‌های چوب و ماشین‌های صنعتی عمومی که فشار متوسط ​​و قابلیت اطمینان بالا با هزینه کم بیشترین اهمیت را دارند، مناسب است. محدودیت های اصلی آنها سطوح نویز بالاتر و جابجایی ثابت است - جریان خروجی را نمی توان بدون تغییر سرعت شفت تغییر داد.

پمپ های پره ای از یک روتور با پره های کشویی شعاعی استفاده کنید که روی حلقه بادامک بیضوی فشار می آورد. با چرخش روتور، پره ها سیال را از سمت ورودی کم فشار به سمت خروجی پرفشار جارو می کنند. در مقایسه با پمپ های دنده ای، پمپ های پره ای سطوح نویز کمتر، جریان روان‌تر و راندمان حجمی بالاتر در فشارهای متوسط را ارائه می‌دهد - معمولاً تا 4000 psi در طرح‌های نوع پین با کارایی بالا. آنها انتخاب ارجح برای ماشین ابزار، ماشین آلات پلاستیکی و سیستم های فرمان برقی هستند که در آن عملکرد بی صدا و تحویل مداوم اولویت هستند. طرح‌های پمپ پره‌ای متعادل، با دو درگاه ورودی و دو خروجی که به صورت قطری مخالف قرار گرفته‌اند، همچنین بار جانبی روی شفت و یاتاقان‌ها را که طول عمر طرح‌های نامتعادل را محدود می‌کند، حذف می‌کند.

پمپ های پیستونی بالاترین عملکرد را در تمام معیارها ارائه می دهد: فشار بیش از 6000 psi، قابلیت جابجایی متغیر، و بهترین بازده حجمی و کلی از هر نوع پمپ. پمپ‌های پیستونی محوری از بشکه‌ای دوار از پیستون‌ها استفاده می‌کنند که طول حرکت آن توسط زاویه یک صفحه swash کنترل می‌شود - کج کردن صفحه به طور مداوم جابجایی را افزایش یا کاهش می‌دهد و امکان کنترل دقیق جریان را مستقل از سرعت شفت فراهم می‌کند. این قابلیت جابجایی متغیر می سازد پمپ های پیستونی انتخاب استاندارد در سیستم‌های حلقه بسته پیچیده، ماشین‌آلات ساختمانی و پرس‌های صنعتی که در آن بهره‌وری انرژی و کنترل دقیق نیرو و سرعت الزامات حیاتی است. پیچیدگی تولید و هزینه بالاتر آنها آنها را در پایان برتر بازار قرار می دهد، اما هزینه کل مزیت مالکیت نسبت به پمپ های دنده ای در کاربردهای چرخه کاری بالا به خوبی ثابت شده است.

موتورهای هیدرولیک چگونه کار می کنند: تبدیل نیروی سیال به چرخش

یک موتور هیدرولیک از نظر مفهومی برعکس یک پمپ هیدرولیک است. سیال تحت فشار وارد موتور می شود، روی عناصر دوار داخلی - چرخ دنده ها، پره ها یا پیستون ها - عمل می کند و پس از انتقال انرژی خود به عنوان گشتاور به شفت خروجی، با فشار کمتری خارج می شود. شفت هر بار مکانیکی مورد نیاز سیستم را به حرکت در می آورد: یک نوار نقاله، یک درام وینچ، یک توپی چرخ، یک مارپیچ اختلاط یا یک دوک ماشین ابزار.

در حالی که یک پمپ و یک موتور از یک خانواده اغلب هندسه داخلی مشابهی دارند، اما در عمل به سادگی قابل تعویض نیستند. یک موتور هیدرولیک باید به گونه ای طراحی شود که فشار کاری در هر دو پورت را به طور همزمان مدیریت کند - باید بتواند در هر دو جهت تحت بار کامل بچرخد و باید به طور موثر در سمت فشار بالا آب بندی شود در حالی که طرف فشار پایین برای برگشت وصل است. در مقابل، بیشتر پمپ های هیدرولیک به فشار ورودی نزدیک به اتمسفر متکی هستند و در صورت کارکرد معکوس تحت بار، به صورت داخلی نشت می کنند یا از نظر ساختاری خراب می شوند.

پارامترهای اصلی خروجی برای موتور هیدرولیک عبارتند از گشتاور و سرعت چرخشی . گشتاور متناسب با فشار و جابجایی است. سرعت متناسب با سرعت جریان تقسیم بر جابجایی است. این رابطه به این معنی است که یک موتور با جابجایی بالا گشتاور بالایی در سرعت پایین برای یک سرعت جریان معین تولید می کند، در حالی که یک موتور با جابجایی پایین گشتاور پایینی را در سرعت بالا تولید می کند. تطبیق این مشخصات با نیاز بار - و با خروجی پمپ - وظیفه اصلی طراحی سیستم هیدرولیک است.

انواع موتورهای هیدرولیک: پره ای، پیستونی و گروتور

درست مانند پمپ ها، موتورهای هیدرولیک در سه پیکربندی اصلی موجود هستند که هر کدام برای سرعت، گشتاور و بازدهی مورد نیاز متفاوت هستند.

موتورهای پره ای با عملکرد صاف، بی صدا و گشتاور متوسط مشخص می شوند. سیال تحت فشار وارد موتور می شود و روی سطح در معرض پره ها عمل می کند و روتور را به حرکت در می آورد. موتورهای پره ای در سرعت‌های متوسط بهترین عملکرد را دارند و به طور گسترده در اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های نوار نقاله و برنامه‌های ماشین ابزار استفاده می‌شوند که نویز کم و چرخش ثابت ارزش دارد. گشتاور شروع آن‌ها تا حدودی کمتر از طرح‌های پیستونی است، که استفاده از آن‌ها را در کاربردهایی که نیاز به نیروی شکست زیاد از حالت سکون دارند، محدود می‌کند.

موتورهای پیستونی - در پیکربندی های محوری و شعاعی موجود است - وسیع ترین محدوده عملکرد را پوشش می دهد و برای برنامه های کاربردی انتخابی ارجح است. موتورهای پیستونی محوری به سرعت قابل استفاده از کمتر از 50 دور در دقیقه تا بالای 14000 دور در دقیقه با راندمان بالا در سراسر محدوده دست می یابند که آنها را هم برای درایوهای اسپیندل با سرعت بالا و هم برای سیستم های موقعیت یابی دقیق با سرعت پایین مناسب می کند. موتورهای پیستونی شعاعی، به‌ویژه انواع حلقه‌های بادامک چند لوبی، در سرعت‌های بسیار پایین با گشتاور بسیار بالا برتری دارند - ترکیبی به نام عملکرد با گشتاور بالا با سرعت پایین (LSHT) - آنها را برای موتورهای چرخ‌های مستقیم در تجهیزات متحرک سنگین، وینچ‌ها و سیستم‌های کنترل لنگر که در غیر این صورت نیاز به گیربکس دارند، ایده‌آل می‌کنند. موتورهای پیستونی هزینه واحد بالاتری را حمل می‌کنند، اما بازدهی و طول عمر بالاتری را تحت عملیات بارگذاری بالا ارائه می‌کنند.

موتورهای ژروتور و جرولر (همچنین به عنوان موتورهای مداری شناخته می‌شود) از یک روتور داخلی با یک دندانه کمتر از حلقه بیرونی استفاده می‌کند که به طور غیرعادی می‌چرخد تا محفظه‌های سیال منبسط و منقبض را ایجاد کند. آنها دستگاه های فشرده، ساده و مقرون به صرفه با گشتاور بالا با سرعت کم هستند که به طور گسترده در تجهیزات کشاورزی، ابزارهای کوچک ساختمانی و ماشین آلات جابجایی مواد مشخص می شوند. محدوده سرعت آنها نسبت به موتورهای پیستونی محوری محدودتر است، اما سادگی و تحمل قوی آنها در برابر سیال آلوده آنها را به یک انتخاب عملی در برنامه های کاربردی موبایل حساس به هزینه تبدیل می کند.

پارامترهای کلیدی عملکرد برای انتخاب پمپ و موتور

انتخاب ترکیب پمپ هیدرولیک و موتور مناسب نیاز به تطبیق مجموعه ای از مشخصات وابسته به هم با خواسته های برنامه دارد. پارامترهای زیر هسته هر فرآیند انتخاب را تشکیل می دهند.

جابجایی - بیان شده در سی سی / دور (سانتی متر مکعب در هر دور) - تعیین می کند که پمپ چه مقدار سیال را در هر دور شفت تحویل می دهد یا موتور مصرف می کند. برای ماشین‌های با جابجایی متغیر، محدوده از حداقل تا حداکثر جابجایی، پوشش عملیاتی قابل کنترل را مشخص می‌کند. جابجایی مستقیماً گشتاور خروجی موتور را در فشار معین و جریان خروجی پمپ را در سرعت معین تعیین می کند.

فشار عملیاتی درجه فشار کاری پیوسته قطعه، متمایز از درجه فشار اوج یا متناوب است. مشخص کردن قطعات در درجه فشار مداوم یا فراتر از آنها، سایش آب‌بندها، سطوح یاتاقان و وجه‌های انتقال را تسریع می‌کند. یک روش معمول طراحی این است که قطعاتی را انتخاب کنید که حداقل 20 تا 30 درصد بالاتر از حداکثر فشار کاری مورد انتظار سیستم باشند تا حاشیه ایمنی قابل توجهی ارائه شود.

راندمان حجمی میزان تطابق سیال واقعی یک پمپ (یا مصرف یک موتور) را اندازه گیری می کند. نشت داخلی - لیز خوردن سیال در فاصله های پرفشار به مناطق کم فشار - بازده حجمی را کاهش می دهد و گرما تولید می کند. طراحی‌های پره و پیستون با کیفیت بالا در شرایط نام‌گذاری شده، بازده حجمی بالاتر از 95% را به دست می‌آورند. قطعات فرسوده یا ضعیف تولید شده ممکن است به زیر 85 درصد برسند و باعث اتلاف انرژی و گرمای بیش از حد سیستم شوند.

سطح نویز یک مشخصات فزاینده مهم در محیط های تولیدی است که مشمول مقررات نویز شغلی هستند. پمپ های پره ای به طور مداوم در تولید نویز در شرایط فشار و جریان قابل مقایسه از پمپ های دنده ای بهتر عمل می کنند. طراحی‌های پمپ پره‌ای نوع پین، به‌ویژه، ضربان فشار را در خروجی - منبع اصلی نویز هیدرولیک - از طریق بارگذاری پره‌های یکنواخت‌تر در طول انتقال بین مناطق مکش و تخلیه، کاهش می‌دهند.

بازده کلی (کل). محصول راندمان حجمی و راندمان مکانیکی است. این به طور مستقیم تعیین می کند که چه مقدار توان ورودی به نیروی هیدرولیک مفید در مقابل از دست رفتن گرما تبدیل می شود. در سیستم‌های با چرخه کاری بالا که ساعات زیادی در روز کار می‌کنند، حتی یک تفاوت 3 تا 5 درصدی در راندمان کلی به تفاوت‌های معنادار هزینه انرژی در طول عمر تجهیزات تبدیل می‌شود و به طور قابل‌توجهی بر نیازهای اندازه مبدل حرارتی تأثیر می‌گذارد.

کاربردهای صنعتی: جایی که پمپ ها و موتورها بیشترین ارزش را دارند

پمپ‌ها و موتورهای هیدرولیک در طیف گسترده‌ای از صنایع مشخص شده‌اند که هر کدام خواسته‌های متمایزی را در مورد عملکرد قطعات ایجاد می‌کنند.

در ماشین آلات ساختمانی - بیل مکانیکی، لودرهای چرخ، جرثقیل ها و پمپ های بتن - ترکیبی از چگالی توان بالا، تحمل بارگذاری شوک، و عملکرد در محیط های خشن در فضای باز، هیدرولیک را به فناوری غالب انتقال نیرو تبدیل می کند. پمپ‌های پیستونی با جابجایی متغیر در محرک‌های هیدرواستاتیک حلقه بسته، کنترل دقیق و پیوسته سرعت متغیری را که ماشین‌های مدرن به آن نیاز دارند را امکان‌پذیر می‌کنند، در حالی که موتورهای پیستونی شعاعی با گشتاور بالا، نیروی محرکه چرخ یا مسیر مورد نیاز برای حرکت تجهیزات سنگین را در زمین‌های ناهموار ارائه می‌دهند.

در قالب گیری تزریق پلاستیک ، سیستم های هیدرولیک باید نیروهای گیره بسیار بالایی - اغلب هزاران کیلونیوتون - با کنترل دقیق موقعیت در طول بسته شدن و باز کردن قالب و کنترل سریع و دقیق فشار در طول مراحل تزریق و نگهداری ارائه دهند. پمپ های پره ای به دلیل نویز کم (بحرانی در محیط های کارخانه) و راندمان حجمی بالا در فشارهای متوسط ​​به طور گسترده در این بخش مورد استفاده قرار می گیرند. سیستم‌های جابجایی متغیر با کنترل‌های جبران‌شده با فشار، مصرف انرژی را در مقایسه با طرح‌های جابجایی ثابت که در برابر یک شیر تسکین کار می‌کنند، کاهش می‌دهند.

در تجهیزات متالورژی و معدن سنگ شکن های هیدرولیک، پرس ها، و سیستم های پشتیبانی زیرزمینی به قطعاتی نیاز دارند که در محیط هایی با تغییرات شدید دما، ارتعاش و آلودگی بالقوه سیال، نیروهای بالایی را به طور قابل اعتماد ارائه کنند. ساخت و ساز قوی، سیستم های آب بندی با کیفیت بالا و سیالات هیدرولیک با دامنه دمایی وسیع، همگی معیارهای انتخابی هستند که بر حداقل سازی هزینه در این بخش اولویت دارند.

در ماشین آلات کشاورزی - تراکتورها، کمباین‌ها و سمپاش‌های خودکششی - سیستم هیدرولیک باید به طور همزمان از یک منبع نیرو، فرمان برقی، بالابر و حرکت زمینی هیدرواستاتیک را اجرا کند. پمپ‌های دنده‌ای و موتورهای گروتور ارزان قیمت در ماشین‌های ساده‌تر غالب هستند، در حالی که تجهیزات پیچیده‌تر به طور فزاینده‌ای راه‌حل‌های جابجایی متغیر را برای بهبود بازده سوخت و راحتی اپراتور مشخص می‌کنند.

موضوع مشترک در همه این کاربردها این است که عملکرد پمپ و موتور مستقیماً بهره وری، کارایی و قابلیت اطمینان تجهیزات نهایی را تعیین می کند. کار با سازندگانی که استانداردهای مدیریت کیفیت دقیقی را اعمال می‌کنند - شامل انتخاب مواد خام، تحمل ماشین‌کاری دقیق، آزمایش بازده حجمی و اعتبارسنجی نویز - مطمئن‌ترین مسیر برای اجزای هیدرولیک است که طبق مشخص‌شده در طول عمر کامل دستگاه عمل می‌کنند.