Osiowy silnik tłokowy

Silnik tłokowy osiowy to silnik wyporowy stosowany w hydraulice, w którym tłoki są ustawione równolegle do osi obrotu. Przekształca on energię hydrauliczną wynikającą z ciśnienia i przepływu objętościowego w mechaniczną energię obrotową. Dzięki osiowemu ułożeniu tłoków i nachylonej płaszczyźnie podparcia powstaje ruch posuwisto-zwrotny, który powoduje obrót wału wyjściowego. Silniki tłokowe osiowe charakteryzują się wysoką gęstością mocy, prędkościami obrotowymi przekraczającymi 10.000 obr. /min oraz ciśnieniami roboczymi do 450 barów.

Podstawy i zasada działania silnika tłokowego osiowego

Silnik tłokowy osiowy należy do rodziny maszyn tłokowych i działa jako maszyna wyporowa zgodnie z zasadą wyporowości. Olej pod ciśnieniem jest kierowany przez tarczę sterującą do otworów cylindrowych obracającego się bloku cylindrów. Tłoki opierają się na pochyłej płaszczyźnie, dzięki czemu siła liniowa tłoka jest przekształcana w moment obrotowy. W zależności od położenia tłoków względem kanału tłocznego lub ssącego tarczy sterującej powstaje ciągły napęd obrotowy.

Budowa i główne elementy

Sercem silnika tłokowego osiowego jest blok cylindrów, zwany również bębnem cylindrowym, z kilkoma otworami osiowymi, w których prowadzone są tłoki. W praktyce liczba tłoków wynosi zazwyczaj od siedmiu do jedenastu, przy czym preferowana jest liczba nieparzysta, aby uzyskać bardziej równomierny przebieg momentu obrotowego. Inne istotne elementy to tarcza sterująca do regulacji przepływu oleju, wał wyjściowy oraz nachylona płaszczyzna podparcia, która jest zrealizowana jako tarcza skośna lub poprzez kąt osi skośnej.

Tłoki przenoszą siłę hydrauliczną na nachyloną płaszczyznę. Ponieważ siła nie działa w kierunku osi obrotu, powstaje składowa styczna, która wprawia blok cylindrów w ruch obrotowy. Tarcza sterująca zapewnia, że każdy cylinder otrzymuje olej pod ciśnieniem w odpowiednim momencie i odprowadza olej bez ciśnienia.

Moment obrotowy i prędkość obrotowa

Przekładany moment obrotowy silnika tłokowego osiowego zależy od przyłożonego ciśnienia i objętości skokowej. Objętość skokowa opisuje objętość płynu hydraulicznego, którą silnik pobiera na jeden obrót. Im większa objętość skokowa i im wyższe ciśnienie robocze, tym większy moment obrotowy jest dostępny na wale wyjściowym. Prędkość obrotowa jest proporcjonalna do dostarczanego przepływu objętościowego: wyższy przepływ objętościowy prowadzi do wyższej prędkości obrotowej silnika. Nowoczesne silniki tłokowe osiowe osiągają całkowitą sprawność od 90 do 95 procent, co czyni je jednymi z najbardziej wydajnych silników hydraulicznych.

Typy silników tłokowych osiowych

Silniki tłokowe osiowe dzieli się na dwa główne typy konstrukcyjne w zależności od rodzaju przenoszenia siły: konstrukcja z tarczami ukośnymi i konstrukcja z osiami ukośnymi. Obie zasady różnią się budową konstrukcyjną nachylonej płaszczyzny i mają specyficzne zalety i wady.

Konstrukcja z tarczą ukośną (zasada tarczy wahadłowej)

W konstrukcji z tarczą ukośną blok cylindrów obraca się, podczas gdy tarcza ukośna pozostaje nieruchoma w obudowie. Tłoki opierają się na tarczy skośnej za pomocą ślizgaczy. Kąt nachylenia tarczy skośnej określa skok tłoka, a tym samym pojemność skokową. W silnikach regulowanych kąt ten można zmieniać podczas pracy, co umożliwia płynną regulację momentu obrotowego i prędkości obrotowej.

Konstrukcja z tarczą ukośną charakteryzuje się kompaktową budową i krótkim czasem regulacji. Kąt obrotu jest ograniczony konstrukcyjnie do około 15–20 stopni, co ogranicza maksymalny skok, a tym samym maksymalną pojemność skokową. Z drugiej strony ta konstrukcja wyróżnia się niewielkimi rozmiarami i nadaje się szczególnie do zastosowań, w których ważną rolę odgrywają przestrzeń montażowa i masa.

Konstrukcja z osiami ukośnymi

W konstrukcji z osią ukośną blok cylindrów i wał wyjściowy są ustawione pod kątem względem siebie. Tłoki są połączone z wałem wyjściowym za pomocą korbowodów. Kąt osi ukośnej określa skok tłoka i w silnikach stałych wynosi zazwyczaj od 25 do 40 stopni, natomiast w silnikach zmiennoobrotowych można go regulować bezstopniowo.

Konstrukcja z osiami ukośnymi pozwala na większe kąty obrotu niż konstrukcja z tarczami ukośnymi, dzięki czemu można uzyskać większą pojemność skokową i wyższe momenty obrotowe. Ponadto konstrukcja ta wytrzymuje wyższe ciśnienia robocze, ponieważ przenoszenie siły za pomocą korbowodów przebiega w bardziej korzystny sposób. Nakład konstrukcyjny jest jednak większy, co przekłada się na wyższe koszty i nieco większą objętość konstrukcyjną.

Porównanie konstrukcji

Silnik tłokowy osiowy jako silnik regulacyjny i silnik stały

Silniki tłokowe osiowe są oferowane zarówno jako silniki stałe o stałej pojemności skokowej, jak i jako silniki regulacyjne o zmiennej pojemności skokowej. Silniki stałe są stosowane, gdy wymagania dotyczące napędu pozostają niezmienne. Mają prostszą budowę, są tańsze i wymagają mniej konserwacji.

Silniki regulacyjne umożliwiają natomiast dostosowanie prędkości obrotowej i momentu obrotowego do zmieniających się warunków obciążenia podczas pracy. Przy stałym przepływie objętościowym zmniejszenie objętości skokowej prowadzi do wyższej prędkości obrotowej przy niższym momencie obrotowym, podczas gdy jej zwiększenie podnosi moment obrotowy i obniża prędkość obrotową. Ta elastyczność sprawia, że silniki o zmiennej wydajności są szczególnie atrakcyjne w przypadku hydrostatycznych układów napędowych oraz zastosowań o silnie zmiennych profilach obciążenia.

Regulacja może odbywać się wyłącznie hydraulicznie za pomocą ciśnienia sterującego lub elektrohydraulicznie za pomocą zaworów proporcjonalnych. Systemy elektrohydrauliczne oferują większą precyzję i można je zintegrować z cyfrowymi architekturami sterowania, co zyskuje na znaczeniu.

Silnik tłokowy osiowy w porównaniu z silnikiem tłokowym promieniowym

Oprócz silnika tłokowego osiowego, silnik tłokowy promieniowy jest drugim ważnym typem silników tłokowych stosowanych w hydraulice. Oba typy mają swoje zalety w różnych obszarach zastosowań.

Silniki tłokowe osiowe przekonują wysokimi prędkościami obrotowymi, kompaktową budową i doskonałą sprawnością. Nadają się do zastosowań wymagających szybkich ruchów i precyzyjnej regulacji. Natomiast silniki tłokowe promieniowe zapewniają znacznie wyższy moment obrotowy przy niskich prędkościach obrotowych i nie wymagają dodatkowej przekładni, podczas gdy silniki tłokowe osiowe często muszą być wyposażone w reduktor. Z drugiej strony silniki tłokowe promieniowe są większe, cięższe i zazwyczaj nie osiągają prędkości obrotowych typowych dla konstrukcji osiowej.

Wybór między tymi dwoma typami zależy od wymagań zastosowania: prędkość, wydajność i kompaktowość przemawiają za silnikiem osiowym, podczas gdy wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach obrotowych i wytrzymałość sprawiają, że preferowany jest silnik promieniowy.

Zastosowania silników tłokowych osiowych

Silniki osiowe znajdują zastosowanie w szerokiej gamie aplikacji hydraulicznych. W sektorze mobilnym dominują w hydrostatycznych układach napędowych koparek, ładowarek kołowych, żurawi teleskopowych i pojazdów gąsienicowych. Zapewniają one płynną regulację prędkości jazdy i duże siły pociągowe. Silniki osiowe znajdują również zastosowanie w mechanizmach obrotowych żurawi i koparek.

W stacjonarnych zastosowaniach przemysłowych silniki tłokowe osiowe napędzają prasy, wtryskarki i obrabiarki. W elektrowniach wiatrowych są one wykorzystywane do regulacji łopat wirnika i obrotu gondoli. Ponadto pracują one w hydraulicznych zespołach napędowych, które zasilają olejem pod ciśnieniem wiele odbiorników.

Kolejnym obszarem zastosowań jest obieg zamknięty, w którym olej powrotny jest bezpośrednio doprowadzany z powrotem do pompy. Ze względu na swoją budowę silniki tłokowe osiowe nadają się szczególnie dobrze do tego trybu pracy, który jest szeroko stosowany w napędach jezdnych i wciągarkach.

Konserwacja i utrzymanie

Niezawodność i trwałość silnika tłokowego osiowego zależy w dużej mierze od jakości płynu hydraulicznego oraz przestrzegania terminów konserwacji. Zużycie występuje przede wszystkim na powierzchniach ślizgowych tłoków i tarczy skośnej, na łożyskach wału wyjściowego oraz na uszczelnieniach.

Jakość oleju i filtrowanie

Czystość oleju hydraulicznego jest czynnikiem decydującym. Zgodnie z normą ISO 4406 należy zachować co najmniej klasę czystości 20/18/15, a w przypadku wysokich temperatur roboczych nawet 19/17/14. Cząsteczki w oleju powodują zwiększone zużycie precyzyjnie wykonanych powierzchni ślizgowych i mogą uszkodzić tarczę sterującą. Dlatego regularna wymiana filtrów i analizy oleju należą do najważniejszych czynności konserwacyjnych.

Typowe objawy zużycia

• Zwiększona strata ciśnienia wewnętrznego spowodowana zużyciem tłoka i cylindra
• Nieszczelności pierścieni uszczelniających wał i o-ringów
• Zmiany w hałasie spowodowane uszkodzeniami łożysk
• Spadek wydajności spowodowany zużyciem tarczy sterującej

Wczesne wykrycie tych objawów poprzez regularną kontrolę ciśnienia, temperatury i hałasu pozwala zapobiec kosztownym uszkodzeniom wtórnym.

Normy i standardy

W przypadku silników tłokowych osiowych obowiązuje kilka norm i standardów, które regulują kwestie bezpieczeństwa, kompatybilności i oceny wydajności. Norma DIN ISO 4413 określa wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa instalacji hydraulicznych. Norma ISO 4406 klasyfikuje zanieczyszczenie cząstkami stałymi w oleju hydraulicznym, co ma decydujące znaczenie dla żywotności silnika. Norma DIN 51524 określa wymagania dotyczące płynów hydraulicznych, a normy DIN 9611 i DIN 6885 regulują wykonanie wałów i wpustów.

Producenci tacy jak Bosch Rexroth, Parker, Liebherr i Hawe oferują silniki tłokowe osiowe w różnych rozmiarach i typach, które spełniają te normy i są przeznaczone do stosowania w wymagających układach hydraulicznych.