Hydraulische motor

Een hydraulische motor zet hydraulische energie — in de vorm van druk en debiet — om in mechanische rotatie-energie. Deze motor genereert koppel en rotatiesnelheid op zijn uitgaande as, die worden bepaald door het toegevoerde debiet en het drukverschil. In gesloten en open hydraulische circuits fungeert de hydraulische motor als aanvulling op de pomp en drijft hij allerlei soorten werkmachines aan.

De basisprincipes en werking van de hydraulische motor

De hydraulische motor behoort tot de familie van de verdringerpompen en werkt volgens het omgekeerde principe van een hydraulische pomp. Terwijl de pomp mechanische energie omzet in hydraulische energie, neemt de motor de olie onder druk over en zet de daarin opgeslagen energie om in een draaiende beweging. De olie onder druk stroomt via de inlaatopening naar de werkruimten van de motor, waar deze inwerkt op de bewegende onderdelen, zoals zuigers, schoepen of tandwielen. De resulterende kracht genereert een koppel op de uitgaande as. De afgevoerde olie verlaat de motor via de uitlaatopening en keert terug naar het reservoir of, in een gesloten systeem, rechtstreeks terug naar de pomp.

Cilinderinhoud en koppel

De cilinderinhoud beschrijft de hoeveelheid hydraulische olie die de motor bij elke omwenteling verplaatst. Dit is de belangrijkste parameter, omdat deze de verhouding tussen koppel en toerental bepaalt bij een gegeven debiet en druk. Een grotere cilinderinhoud zorgt voor een groter koppel, maar vermindert het toerental. Een motor met een kleine cilinderinhoud draait daarentegen sneller, maar genereert een lager koppel. Het rendement van een hydraulische motor wordt bepaald door de verhouding tussen het mechanisch uitgangsvermogen en het hydraulisch ingangsvermogen. Moderne motoren met axiale zuigers bereiken een totaal rendement van meer dan 95%, terwijl eenvoudige tandwielmotoren een rendement hebben tussen 80 en 90%.

Open en gesloten circuits

Hydraulische motoren werken zowel in open als in gesloten circuits. In een open circuit zuigt de pomp olie uit een reservoir en levert deze aan de motor, vanwaar de olie weer terugstroomt. Deze opstelling is geschikt voor toepassingen met gemiddelde drukken en eenvoudigere belastingsprofielen. In een gesloten systeem circuleert de olie rechtstreeks tussen de pomp en de motor, zonder via het reservoir te lopen. Systemen met een gesloten circuit worden gebruikt bij hoge werkdrukken, tot 450 bar, en in verplaatsingsaandrijvingen die vaak van richting moeten veranderen.

Soorten hydraulische motoren

Het ontwerp van een hydraulische motor bepaalt de prestatiecurve, het rendement en de bedrijfsgrenzen ervan. De vier meest voorkomende ontwerpen verschillen qua constructie, nominale druk en het typische toerentalbereik.

Tandwielmotoren

Tandwielmotoren zijn de eenvoudigste en meest kostenefficiënte constructie. Twee in elkaar grijpende tandwielen draaien in een behuizing, waarbij olie onder druk de ruimtes tussen de tanden vult en de tandwielen aandrijft. Ze worden gekenmerkt door een robuuste constructie, een laag gewicht en weinig onderhoud. De typische werkdrukken lopen op tot 250 bar en de toerentallen liggen in het viercijferige bereik. Nadelen zijn onder meer een beperkt rendement bij lage toerentallen en een relatief hoog geluidsniveau. Tandwielmotoren zijn geschikt voor toepassingen met een constante belasting en gematigde eisen aan het toerental, zoals in ventilatoraandrijvingen, haakse slijpmachines of eenvoudige transportsystemen.

Schottenmotoren

Schottenmotoren maken gebruik van een rotor met uitschuifbare schotten die draait binnen een excentrische stator. Olie onder druk drukt de schotten tegen de wand van de stator, waardoor de draaiende beweging wordt opgewekt. Deze constructie bereikt hoge toerentallen, tot ongeveer 4. 000 tpm, en werkt met een laag koppel. De toegestane werkdruk ligt doorgaans tussen 150 en 170 bar, aangezien de schoepenconstructie minder goed bestand is tegen hogere drukken. Schottenmotoren werken soepel en zijn geschikt voor toepassingen die constante snelheden en omkeerbare rotatie vereisen, zoals bij werktuigmachines of automatiseringstechniek.

Axiale zuigermotoren

Axiale zuigermotoren hebben de hoogste vermogensdichtheid en domineren het hoogpresterende segment. De zuigers staan parallel aan de aandrijfas en worden door olie onder druk tegen een draaischijf of een schuine as gedrukt. De resulterende krachtcomponent genereert de rotatiebeweging. Axiale zuigermotoren werken bij drukken tot 450 bar en bereiken volumetrische rendementen van meer dan 95%. Ze worden gebruikt als motoren met vaste cilinderinhoud of als motoren met variabele cilinderinhoud. Typische toepassingen zijn graafmachines, kranen, spuitgietmachines en windturbines, waar hoge drukken, nauwkeurige regeling en een compacte constructie vereist zijn.

Radiale zuigermotoren

Bij radiale zuigermotoren zijn de zuigers in een stervormig patroon rond de aandrijfas geplaatst. Olie onder druk duwt de zuigers radiaal naar buiten, en de kracht wordt via een excentrische regelring op de as overgebracht. Dit ontwerp zorgt voor zeer hoge koppels bij lage toerentallen, soms tot wel 30 tpm. Werkdrukken tussen 250 en 350 bar zijn gebruikelijk. Radiale zuigermotoren worden overal ingezet waar langzame en krachtige draaiende bewegingen nodig zijn: in lieren, draaimechanismen, mengers en maritieme hydraulische systemen. Dankzij hun robuustheid en het hoge startkoppel zijn ze de eerste keuze voor zware toepassingen.

Vergelijking tussen de verschillende constructietypen

Selectiecriteria voor hydraulische motoren

Het kiezen van de juiste hydraulische motor vereist een systematische analyse van de vereiste parameters. Ontwerpers gaan meestal uit van het belastingsprofiel van de toepassing en leiden daaruit de vereiste parameters af.

Koppel en toerental

Het vereiste koppel bepaalt de benodigde cilinderinhoud voor een bepaald drukverschil. Toepassingen met een hoog koppel bij lage toerentallen, zoals roterende mechanismen of lieren, vereisen motoren met een grote cilinderinhoud, meestal radiale zuigermotoren. Toepassingen met hoge snelheid en een matig koppel, zoals ventilatoren of pompaandrijvingen, kunnen worden aangedreven door tandwielmotoren of schoepenmotoren. Het wordt aanbevolen om een veiligheidsmarge van 20 tot 50 procent in te bouwen voor piekbelastingen.

Werkdruk en type circuit

De beschikbare druk in het systeem beperkt het uitgaande koppel. Bij hogere drukken kunnen kleinere en compactere motoren worden gebruikt, terwijl het uitgaande vermogen gelijk blijft. Gesloten circuits werken bij drukken tot 450 bar en zijn geschikt voor verplaatsingsaandrijvingen en frequente richtingsveranderingen. Open circuits zijn geschikt voor de meeste stationaire toepassingen en hebben een eenvoudigere constructie.

Omgevingsomstandigheden en inbouwpositie

Temperatuur, vervuiling en inbouwpositie zijn van invloed op de keuze van de motor en de levensduur ervan. Bij omgevingstemperaturen onder min 20 graden Celsius of boven 80 graden Celsius moeten de afdichtingen en smeermiddelen speciaal worden aangepast. De installatierichting beïnvloedt de afvoer uit de behuizing en de smering van de lagers. Horizontale installaties leveren geen problemen op, terwijl verticale installaties vaak extra afvoerleidingen vereisen.

Onderhoud en service van hydraulische motoren

De betrouwbaarheid van een hydraulische motor hangt in grote mate af van de kwaliteit van de bedrijfsvloeistof en het naleven van de onderhoudsintervallen. Uit onderzoek blijkt dat 80 tot 90 procent van alle hydraulische storingen te wijten is aan vervuilde olie of ongeschikte vloeistoffen.

Oliekwaliteit en filtratie

De hydraulische vloeistof vervult binnen de motor tegelijkertijd drie functies: krachtoverbrenging, smering en warmteafvoer. Verontreinigingen, zoals vaste deeltjes, water of lucht, versnellen de slijtage van zuigers, afdichtringen en pakkingen. Daarom is een efficiënte filtering met behulp van fijne filters, met een deeltjesgrootte tussen 10 en 25 micrometer, in de retour- en drukcircuits van essentieel belang. De zuiverheid van de olie moet ten minste voldoen aan klasse 20/18/15 volgens de ISO 4406-norm. Periodieke olieanalyses geven informatie over het gehalte aan deeltjes, veranderingen in viscositeit en chemische veroudering.

Typische tekenen van slijtage

De meest voorkomende tekenen van slijtage bij hydraulische motoren zijn lekkages bij afdichtingen, beschadiging van lagers en slijtage aan glijvlakken. De afdichtingen van de as slijten door thermische belasting en worden hard, wat tot lekkages leidt. Problemen met lagers uiten zich in toegenomen speling, ongebruikelijke geluiden of een stijging van de temperatuur.

Onderhoudsintervallen

• Olieverversing en filtervervanging: om de 1 . 000 tot 2. 000 bedrijfsuren, afhankelijk van de belasting en de veroudering van de olie
• Inspectie van de afdichtingen: jaarlijks of na ongeveer 5. 000 bedrijfsuren
• Inspectie van de lagers: bij trillingen of geluiden, of uiterlijk na 10. 000 bedrijfsuren
• Algemene revisie: na 20 . 000 tot 50. 000 bedrijfsuren, afhankelijk van het model en het gebruiksprofiel

Normen en specificaties

Er zijn verschillende normen die de veiligheidseisen, prestatiespecificaties en vloeistofzuiverheid voor hydraulische motoren regelen. DIN EN ISO 4413 definieert de algemene veiligheidseisen voor hydraulische systemen en de onderdelen daarvan. ISO 8426 standaardiseert de weergave van prestatiegegevens voor verdringer-aandrijvingen en zorgt voor vergelijkbaarheid tussen fabrikanten. ISO 4406 classificeert de verontreiniging met deeltjes in hydraulische olie en biedt daarmee een referentiepunt voor de zuiverheid van de olie. VDI 2501 biedt aanbevelingen voor het dimensioneren van hydraulische aandrijvingen, waarbij rekening wordt gehouden met efficiëntie, belastingsprofielen en het ontwerp van het systeem. Iedereen die hydraulische motoren ontwerpt en in gebruik neemt, zou bekend moeten zijn met deze normen en zich bij het ontwerp en de inbedrijfstelling aan de specificaties moeten houden.