Stały silnik

Silnik stałowolumenowy to silnik hydrauliczny o stałej, niezmiennej objętości roboczej. Przekształca on energię hydrauliczną w mechaniczną energię obrotową przy stałej objętości wyporowej na obrót. Prędkość obrotowa i moment obrotowy są określane wyłącznie przez doprowadzany przepływ objętościowy i ciśnienie w układzie, a nie przez wewnętrzną regulację.

Podstawy i zasada działania silnika stałowolumetrycznego

Silniki stałowolumetryczne należą do rodziny maszyn wyporowych i są jednymi z najczęściej stosowanych silników hydraulicznych w przemyśle. Ich cechą charakterystyczną jest stała objętość robocza: każdy obrót wału silnika wyprzedla dokładnie tę samą objętość płynu hydraulicznego. Ta właściwość sprawia, że silnik stałowolumetryczny jest przewidywalny i wytrzymały, ale jednocześnie ogranicza elastyczność przy zmiennych wymaganiach obciążenia.

Zasada działania opiera się na przenoszeniu siły ciśnienia. Płyn hydrauliczny pod wysokim ciśnieniem przepływa przez przyłącze ciśnieniowe do komór wyporowych silnika. Tam ciśnienie oddziałuje na elementy ruchome, takie jak tłoki, koła zębate lub łopatki, i wywołuje ruch obrotowy wału wyjściowego. Zużyty płyn opuszcza silnik przez przyłącze powrotne i wraca do obiegu hydraulicznego. Ponieważ pojemność robocza jest stała, prędkość obrotowa rośnie proporcjonalnie do doprowadzanego przepływu objętościowego, podczas gdy moment obrotowy zależy w znacznym stopniu od przyłożonego ciśnienia.

Charakterystyka prędkości obrotowej i momentu obrotowego

Stała objętość skokowa powoduje bezpośredni związek między przepływem objętościowym a prędkością obrotową: im więcej litrów na minutę jest doprowadzanych, tym szybciej obraca się silnik. Moment obrotowy z kolei rośnie wraz z ciśnieniem. Konstruktorzy wykorzystują tę przewidywalną charakterystykę do projektowania napędów przeznaczonych do warunków eksploatacyjnych, które w trybie ciągłym pozostają stałe lub wykazują jedynie niewielkie wahania. Jednak w zastosowaniach o silnie zmiennych profilach obciążenia silnik stałowy osiąga swoje granice, ponieważ nie jest w stanie zwiększyć momentu obrotowego poprzez wewnętrzną regulację.

Typy silników o stałej prędkości obrotowej

Silniki stałe są produkowane w różnych typach konstrukcyjnych, które różnią się gęstością mocy, zakresem prędkości obrotowej, sprawnością i obszarem zastosowania. Wybór typu konstrukcyjnego zależy od konkretnych wymagań dotyczących momentu obrotowego, prędkości obrotowej, przestrzeni montażowej i ciśnienia roboczego.

Silniki zębate

Silniki zębate są najprostszą i najtańszą konstrukcją. Dwa zazębiające się koła zębate są wprawiane w ruch obrotowy przez ciśnienie płynu hydraulicznego. Jedno koło zębate napędza drugie poprzez zazębienie. Silniki zębate charakteryzują się zwartą budową, niewielką masą i dużą wytrzymałością. Nadają się do pracy przy średnich prędkościach obrotowych i ciśnieniach roboczych do około 250 barów. Ich sprawność wynosi od 80 do 85 procent. Wadą jest stosunkowo wysoki poziom hałasu oraz ograniczony moment rozruchowy.

Silniki łopatkowe

Silniki łopatkowe wykorzystują wirnik z łopatkami rozmieszczonymi osiowo lub promieniowo, które są prowadzone w rowkach i dociskane do ścianki obudowy przez siłę odśrodkową. Płyn hydrauliczny wyporuje objętość między łopatkami, wytwarzając w ten sposób ruch obrotowy. Silniki łopatkowe pracują bardzo równomiernie i cicho, są odwracalne i charakteryzują się dobrym rozruchem. Stosuje się je przy średnich ciśnieniach do około 210 barów i przekonują swoją kompaktową budową.

Silniki osiowe tłokowe o stałej wydajności

Silniki osiowe o stałej objętości roboczej należą do najwydajniejszych silników o stałej wydajności. Tłoki są ustawione osiowo względem wału napędowego i dociskają się do skośnej tarczy lub skośnej osi wału. Stały kąt nachylenia określa skok tłoka, a tym samym niezmienną objętość roboczą.

Silniki stałoprężne o skośnej osi

Silniki stałoprężne z osią ukośną są powszechnie stosowaną odmianą. Wał napędowy jest nachylony względem bloku cylindrów pod stałym kątem, co określa skok tłoka. Konstrukcja ta pozwala osiągać ciśnienia robocze rzędu 400 barów i więcej, zapewnia wysoką sprawność przekraczającą 90 procent oraz charakteryzuje się doskonałymi właściwościami rozruchowymi i podczas pracy na niskich prędkościach. Producenci tacy jak Bosch Rexroth czy Linde Hydraulics oferują silniki stałoprężne z osią ukośną w wielu rozmiarach, przeznaczone do obiegów otwartych i zamkniętych.

Silniki stałoprężne z tarczą ukośną

W silnikach z tarczą ukośną tłoki naciskają na nieruchomą, ukośną tarczę. Również w tym przypadku kąt nachylenia jest stały, co uniemożliwia zmianę objętości roboczej. Silniki z tarczą ukośną są bardziej kompaktowe niż silniki z osią ukośną i nadają się do zastosowań o ograniczonej przestrzeni montażowej.

Silniki z tłokami promieniowymi i silniki orbitalne

W silnikach z tłokami promieniowymi tłoki są rozmieszczone gwiaździsto wokół wału napędowego. Zapewniają one bardzo wysokie momenty obrotowe przy niskich prędkościach obrotowych i są stosowane przede wszystkim w zastosowaniach wymagających przenoszenia dużych obciążeń. Silniki orbitalne, zwane również silnikami gerotorowymi, wykorzystują system wirników obracających się mimośrodowo i również zapewniają wysokie momenty obrotowe przy kompaktowych wymiarach. Oba typy konstrukcyjne działają jako silniki stałe i obejmują zakresy prędkości obrotowych poniżej 1000 obr. /min.

Silnik stały a silnik regulowany

Porównanie silnika stałego i silnika regulowanego należy do kluczowych decyzji przy projektowaniu hydraulicznych układów napędowych. Oba typy mają swoje uzasadnienie, różnią się jednak zasadniczo pod względem elastyczności, złożoności i kosztów.

Silnik o stałej prędkości obrotowej sprawdza się tam, gdzie wymagania dotyczące napędu są stałe lub regulacja prędkości obrotowej odbywa się za pośrednictwem pompy. Silniki regulowane wykazują swoje zalety, gdy podczas pracy konieczna jest zmiana prędkości obrotowej lub momentu obrotowego bez konieczności dostosowywania pompy.

Zakresy zastosowań silników o stałej wydajności

Silniki stałe znajdują zastosowanie w niemal wszystkich dziedzinach hydrauliki przemysłowej i mobilnej. Ich zalety są szczególnie widoczne tam, gdzie panują stałe warunki pracy lub regulacja prędkości obrotowej odbywa się za pomocą pompy regulacyjnej.

Hydraulika mobilna

W maszynach budowlanych, takich jak koparki, ładowarki kołowe i dźwigi, silniki stałe są wykorzystywane jako silniki jezdne, napędy obrotowe i napędy wciągarek. Również w rolnictwie i leśnictwie napędzają one kosiarki, przenośniki taśmowe i wciągarki linowe. W sektorze morskim i offshore stosuje się wersje zabezpieczone przed korozją i certyfikowane zgodnie z normą DNV.

Hydraulika przemysłowa

Zastosowania stacjonarne obejmują instalacje transportowe, mieszalniki, prasy, urządzenia podnoszące i obrabiarki. Tam, gdzie napęd ma pracować w sposób ciągły z tą samą prędkością obrotową i tym samym momentem obrotowym, silnik o stałej prędkości obrotowej jest często najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem. Silniki stałoprędkościowe z tłokami osiowymi znajdują również zastosowanie w wtryskarkach i turbinach wiatrowych.

Kryteria doboru silników stałoprędkościowych

Wybór odpowiedniego silnika stałoprędkościowego wymaga starannego dopasowania kilku parametrów do konkretnego zastosowania.

• Wymagania dotyczące momentu obrotowego: Wymagany moment obrotowy na wyjściu określa minimalną objętość skokową oraz niezbędne ciśnienie robocze.
• Zakres prędkości obrotowej: Minimalna i maksymalna prędkość obrotowa określają, która konstrukcja jest odpowiednia. W przypadku bardzo niskich prędkości obrotowych przy wysokim momencie obrotowym odpowiednie są silniki z tłokami promieniowymi lub orbitalne, natomiast w przypadku wyższych prędkości obrotowych – silniki z tłokami osiowymi.
• Ciśnienie robocze: Znamionowa klasa ciśnienia silnika musi być dostosowana do ciśnienia w układzie. Silniki osiowe o stałej wydajności obsługują ciśnienia do 400 bar i powyżej, natomiast silniki zębate pracują w zakresie do 250 bar.
• Rodzaj obiegu: Silniki o stałej wydajności są dostępne w wersjach do obiegów otwartych i zamkniętych. Wybór ten ma wpływ na konfigurację przyłączy oraz odprowadzanie wody z obudowy.
• Sposób montażu: Wymiary kołnierzy zgodne z normami ISO, SAE lub DIN, kształty wałów i rozmiary przyłączy muszą być dostosowane do konstrukcji maszyny.
• Warunki otoczenia: Temperatura, wilgotność, narażenie na korozję oraz ewentualne wymagania certyfikacyjne (CE, DNV, ATEX) ograniczają wybór.

Konserwacja i serwis

Silniki stałobiegowe, ze względu na swoją prostą budowę, wymagają mniej konserwacji niż silniki regulacyjne. Niemniej jednak wymagają one regularnej kontroli, aby uniknąć awarii i zmaksymalizować żywotność.

Jakość oleju i filtrowanie

Czystość płynu hydraulicznego ma decydujący wpływ na żywotność silnika stałoprędkościowego. Zgodnie z normą ISO 4406 klasa czystości oleju powinna wynosić co najmniej 18/16/13. Zanieczyszczenia powodują zwiększone zużycie tłoków, bieżni cylindrów, kół zębatych i tarcz sterujących. Dlatego niezbędne są regularne kontrole filtrów i ich terminowa wymiana. Lepkość oleju powinna mieścić się w zakresie od ISO VG 32 do 68, przy czym najczęściej stosowanym standardem jest VG 46.

Typowe objawy zużycia

Do najczęstszych objawów zużycia należą rysy na powierzchniach ślizgowych, wżery na kołach zębatych, kruchość uszczelek oraz zwiększony luz łożyskowy. Rosnący przepływ wycieku lub spadek momentu obrotowego przy tym samym ciśnieniu to praktyczne wskaźniki zużycia. Regularna kontrola ciśnienia, temperatury i poziomu hałasu pozwala na wczesne wykrycie uszkodzeń.

Normy i standardy

W przypadku silników stałoprędkościowych obowiązują różne normy i standardy, które regulują kwestie bezpieczeństwa, kompatybilności i jakości. Norma DIN ISO 4413 określa ogólne wymagania bezpieczeństwa dotyczące instalacji hydraulicznych, a tym samym dotyczy również montażu i eksploatacji silników stałoprędkościowych. Czystość oleju klasyfikuje się zgodnie z normą ISO 4406, a wymiary kołnierzy i normy przyłączeniowe opierają się na standardach ISO, SAE i DIN. Oznaczenie CE jest obowiązkowe na rynku europejskim, a w przypadku zastosowań morskich wymagane są dodatkowe certyfikaty, takie jak DNV. Przestrzeganie tych norm gwarantuje, że silniki stałowolumetryczne mogą być eksploatowane w sposób niezawodny i bezpieczny w całościowych układach hydraulicznych.