Wprowadzenie do napędów bramowych
Ryszard Daniel, Tim Paulus, w Wrota śluz i inne zamknięcia w projektach hydraulicznych , 2019
11.3.7 Silniki hydrauliczne
Silniki hydrauliczne przekształcają ciśnienie płynu w ruch obrotowy. Płyn pod ciśnieniem z pompy hydraulicznej obraca wał wyjściowy silnika, naciskając na koła zębate, tłoki lub łopatki silnika hydraulicznego. Silniki hydrauliczne można stosować do zastosowań z napędem bezpośrednim, gdzie dostępna jest wystarczająca moc momentu obrotowego, lub poprzez redukcje biegów. Większość silników hydraulicznych musi działać w warunkach odwracalnego obrotu i hamowania. Silniki hydrauliczne często muszą pracować przy stosunkowo niskiej prędkości i wysokim ciśnieniu, a podczas normalnej pracy mogą doświadczać dużych wahań temperatury i prędkości. Silniki hydrauliczne mogą zapewniać niezwykle wysokie momenty obrotowe. W zastosowaniach związanych z napędem bram silniki hydrauliczne są często łączone z napędami mechanicznymi ( rys. 3.151b i 11.23 ), w szczególności z zębnikami. Schematyczne przedstawienie na rys. 11.23 przedstawia silnik hydrauliczny napędzający zębnik bramy sektorowej LPV 149 w Nowym Orleanie. Dzieje się tak w przypadku wielu bram sektorowych w Stanach Zjednoczonych i wielu zastosowań bram rolowanych w Europie. W zastosowaniach z bramami rolowanymi silniki hydrauliczne często są siłą napędową wciągarki mechanicznej ( rys. 11.8 ). Silniki hydrauliczne mogą być również wejściem do skrzyni biegów, jak pokazano na zdjęciu na rys. 11.24 . Jest to system stosowany w śluzie portu Bremerhaven Fishery do napędzania bram rolowanych.
Istnieją trzy typy silników hydraulicznych: przekładniowe, tłokowe i łopatkowe. Motoreduktory są kompaktowe i zapewniają ciągłą pracę przy znamionowych poziomach mocy przy umiarkowanej wydajności. Mają wysoką tolerancję na zanieczyszczenie oleju hydraulicznego, co jest brane pod uwagę w przypadku zastosowań w brudnym środowisku. Motoreduktory zewnętrzne składają się z pary dopasowanych do siebie przekładni zamkniętych w jednej obudowie. Obydwa koła zębate mają ten sam kształt zębów i są napędzane płynem pod ciśnieniem. Jedno koło zębate jest połączone z wałem wyjściowym, a drugie z kołem napinającym. Płyn pod ciśnieniem dostaje się do obudowy w miejscu zazębienia kół zębatych. Wymusza obrót kół zębatych i podąża ścieżką najmniejszego oporu wokół obwodu obudowy. Płyn wypływa pod niskim ciśnieniem po przeciwnej stronie silnika. Wąskie tolerancje między przekładniami a obudową pomagają kontrolować wycieki płynu i zwiększają wydajność objętościową. Istnieje kilka odmian motoreduktora, w tym gerotor, silnik z przekładnią różnicową i gerotor rolkowy. Wszystkie te odmiany zapewniają wyższy moment obrotowy przy mniejszych stratach tarcia.
Wszystkie hydrauliczne silniki tłokowe są dostępne w wersjach o stałej i zmiennej objętości. Najpopularniejszym dostępnym typem silnika hydraulicznego jest silnik z tłokiem osiowym. Silniki hydrauliczne z tłokiem osiowym charakteryzują się wysoką sprawnością objętościową. Umożliwia to stałą prędkość przy zmiennym momencie obrotowym lub lepkości płynu. Silniki hydrauliczne z tłokiem osiowym należą również do najłatwiejszych w przystosowaniu się do zmiennych warunków obciążenia. Są dostępne w dwóch podstawowych typach konstrukcji, w tym z tarczą krzywkową i osią wygiętą. Najczęściej dostępna jest konstrukcja z tarczą sterującą, ale konstrukcja z wygiętą osią jest najbardziej niezawodna i generalnie droższa.
Silniki hydrauliczne z tłokiem promieniowym mają cylinder przymocowany do wału napędzanego i zwykle mogą wytwarzać większy moment obrotowy niż silniki hydrauliczne z tłokiem osiowym. Mają jednak ograniczony zakres prędkości i są bardziej wrażliwe na zanieczyszczenie płynu hydraulicznego. Lufa zawiera pewną liczbę tłoków poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym w promieniowym otworze. Zewnętrzne końce tłoka opierają się o pierścień oporowy, a płyn pod ciśnieniem przepływa przez czop znajdujący się pośrodku cylindra, wypychając tłoki na zewnątrz. Tłoki naciskają na pierścień oporowy, a siły reakcji obracają lufę. Zmiana skoku silnika odbywa się poprzez przesuwanie bloku ślizgowego w bok w celu zmiany skoku tłoka. Kiedy linie środkowe cylindra i obudowy pokrywają się, nie ma przepływu płynu i dlatego cylinder cylindra zatrzymuje się. Przesunięcie suwaka poza środek powoduje odwrócenie kierunku obrotu silnika. Silniki tłokowe promieniowe są niezwykle wydajne i charakteryzują się stosunkowo wysokim momentem obrotowym. W wielu napędach bram sektora USACE stosowane są promieniowe silniki hydrauliczne z tłokami. Silnik hydrauliczny pokazany na rys. 11.23 jest promieniowym silnikiem tłokowym i zapewnia moment obrotowy 260 Nm/bar. Prędkość znamionowa wynosi 50 obr./min. Silnik hydrauliczny napędza zębnik, który z kolei napędza zębatkę na bramie sektorowej.
Silniki łopatkowe są kompaktowe, proste w konstrukcji, niezawodne i mają dobrą ogólną sprawność w warunkach znamionowych. Mają jednak ograniczone możliwości przy niskich prędkościach. Silniki łopatkowe wykorzystują sprężyny lub ciśnienie płynu do wysuwania łopatek. Silniki łopatkowe mają wirnik szczelinowy zamontowany na wale napędowym napędzanym przez wirnik. Łopatki, ściśle dopasowane do szczelin wirnika, poruszają się promieniowo, aby uszczelnić pierścień krzywkowy. Pierścień ma dwie główne i dwie mniejsze sekcje promieniowe połączone sekcjami przejściowymi lub rampami. Silniki łopatkowe zazwyczaj wykorzystują konfigurację z dwoma lub czterema portami. Silniki czteroportowe generują dwukrotnie większy moment obrotowy przy około połowie prędkości obrotowej silników dwuportowych. Wysoka wydajność momentu rozruchowego silników łopatkowych sprawia, że można je dostosować do napędów wciągarek, umożliwiając rozruch silnika pod dużym obciążeniem. Silniki łopatkowe zapewniają dobrą sprawność roboczą, ale nie tak wysoką, jak silniki tłokowe. Żywotność silnika łopatkowego jest zazwyczaj krótsza niż silnika tłokowego.