Motor cu piston axial

Un motor cu pistoane axiale este un motor volumetric utilizat în hidraulică, în care pistoanele sunt dispuse paralel cu axa de rotație. Acesta transformă energia hidraulică provenită din presiune și debit volumetric în energie mecanică de rotație. Datorită dispunerii axiale a pistoanelor și a unui plan de sprijin înclinat, se produce o mișcare de cursă care determină rotirea arborelui de ieșire. Motoarele cu pistoane axiale se caracterizează prin densitate mare de putere, turații de peste 10.000 rpm și presiuni de lucru de până la 450 bar.

Bazele și modul de funcționare al motorului cu pistoane axiale

Motorul cu pistoane axiale face parte din familia mașinilor cu pistoane și funcționează ca o mașină cu deplasare, după principiul deplasării volumului. Uleiul sub presiune este dirijat printr-un disc de comandă în alezajele cilindrilor unui bloc de cilindri rotativ. Pistoanele se sprijină pe un plan înclinat, prin care forța liniară a pistoanelor este transformată într-un cuplu. În funcție de poziția pistoanelor față de canalul de presiune sau de aspirație al discului de comandă, se produce o acționare rotativă continuă.

Structura și componentele principale

Piesa centrală a unui motor cu pistoane axiale este blocul cilindric, numit și tambur cilindric, cu mai multe alezaje axiale în care sunt ghidate pistoanele. În practică, numărul de pistoane este de obicei între șapte și unsprezece, fiind preferat un număr impar de pistoane pentru a obține o curba de cuplu mai uniformă. Alte componente esențiale sunt discul de comandă pentru controlul fluxului de ulei, arborele de ieșire, precum și planul de sprijin înclinat, care este realizat sub formă de disc înclinat sau printr-un unghi al axei înclinate.

Pistoanele transmit forța hidraulică pe planul înclinat. Deoarece forța nu acționează în direcția axei de rotație, se produce o componentă tangențială care pune blocul cilindric în rotație. Discul de comandă asigură că fiecare cilindru primește ulei sub presiune la momentul potrivit și evacuează uleiul relaxat.

Cuplu și turație

Cuplul dezvoltat de un motor cu pistoane axiale depinde de presiunea aplicată și de volumul de aspirare. Volumul de aspirare descrie volumul de lichid hidraulic pe care motorul îl aspiră la fiecare rotație. Cu cât volumul de aspirare este mai mare și cu cât presiunea de lucru este mai ridicată, cu atât este disponibil un cuplu mai mare la arborele de ieșire. Turația este proporțională cu debitul volumetric alimentat: un debit volumetric mai mare duce la o turație mai mare a motorului. Motoarele moderne cu pistoane axiale ating randamente totale de 90 până la 95 la sută, ceea ce le face să fie printre cele mai eficiente motoare hidraulice.

Tipuri de motoare cu pistoane axiale

Motoarele cu pistoane axiale sunt împărțite în două tipuri principale în funcție de modul de transmitere a forței: tipul cu discuri înclinate și tipul cu axe înclinate. Ambele principii se deosebesc prin structura constructivă a planului înclinat și prezintă avantaje și dezavantaje specifice.

Tipul cu disc înclinat (principiul discului oscilant)

În cazul tipului cu disc înclinat, blocul cilindric se rotește, în timp ce discul înclinat rămâne fix în carcasă. Pistoanele se sprijină pe discul înclinat prin intermediul unor patine de alunecare. Unghiul de înclinare al discului înclinat determină cursa pistonului și, prin urmare, volumul de aspirație. La motoarele reglabile, acest unghi poate fi modificat în timpul funcționării, ceea ce permite o ajustare continuă a cuplului și a turației.

Tipul cu disc înclinat se caracterizează printr-o construcție compactă și timpi de reglare scurți. Din motive de construcție, unghiul de pivotare este limitat la aproximativ 15 până la 20 de grade, ceea ce limitează cursa maximă și, prin urmare, volumul de aspirație maxim. În schimb, acest tip de construcție se remarcă prin volumul redus și este potrivit în special pentru aplicații în care spațiul de montare și greutatea joacă un rol important.

Tipul cu axe înclinate

În cazul construcției cu ax înclinat, blocul cilindric și arborele de ieșire sunt dispuse într-un unghi unul față de celălalt. Pistoanele sunt conectate la arborele de ieșire prin biele. Unghiul axului înclinat determină cursa pistonului și este de obicei de 25 până la 40 de grade la motoarele cu turație constantă, iar la motoarele reglabile poate fi ajustat continuu.

Tipul de construcție cu ax înclinat permite unghiuri de pivotare mai mari decât tipul de construcție cu discuri înclinate, ceea ce permite obținerea unui volum de aspirație mai mare și a unor cupluri mai ridicate. În plus, acest tip de construcție suportă presiuni de funcționare mai ridicate, deoarece transmisia forței prin biele se desfășoară mai favorabil. Efortul de proiectare este însă mai mare, ceea ce se reflectă în costuri mai ridicate și într-un volum de construcție ceva mai mare.

Compararea tipurilor de construcție

Motorul cu pistoane axiale ca motor reglabil și motor constant

Motoarele cu pistoane axiale sunt disponibile atât ca motoare constante cu volum de aspirare fix, cât și ca motoare reglabile cu volum de aspirare variabil. Motoarele constante sunt utilizate atunci când cerințele privind acționarea rămân constante. Acestea au o construcție mai simplă, sunt mai economice și necesită mai puțină întreținere.

Motoarele reglabile, pe de altă parte, permit adaptarea turației și a cuplului la condițiile de sarcină variabile în timpul funcționării. La un debit constant, o reducere a volumului de aspirare duce la o turație mai mare cu un cuplu mai mic, în timp ce o mărire a volumului crește cuplul și scade turația. Această flexibilitate face ca motoarele reglabile să fie deosebit de atractive pentru sistemele de acționare hidrostatice și aplicațiile cu profiluri de sarcină foarte variabile.

Reglarea poate fi realizată exclusiv hidraulic, prin presiune de comandă, sau electrohidraulic, prin supape proporționale. Sistemele electrohidraulice oferă o rezoluție mai fină și pot fi integrate în arhitecturi de control digitale, ceea ce capătă o importanță din ce în ce mai mare.

Motorul cu pistoane axiale în comparație cu motorul cu pistoane radiale

Pe lângă motorul cu pistoane axiale, motorul cu pistoane radiale este al doilea tip important de motoare cu pistoane din domeniul hidraulicii. Ambele tipuri au punctele lor forte în diferite domenii de aplicare.

Motoarele cu pistoane axiale se remarcă prin turații ridicate, construcție compactă și randamente excelente. Acestea sunt potrivite pentru aplicații care necesită mișcări rapide și reglare precisă. Motoarele cu pistoane radiale, pe de altă parte, furnizează cupluri semnificativ mai mari la turații reduse și nu necesită o transmisie suplimentară, în timp ce motoarele cu pistoane axiale trebuie adesea reduse. În schimb, motoarele cu pistoane radiale sunt mai mari, mai grele și, de regulă, nu ating turațiile tipului axial.

Alegerea între cele două tipuri de construcție depinde de cerințele aplicației: viteza, eficiența și compactitatea sunt argumente în favoarea motorului cu pistoane axiale, în timp ce cuplul ridicat la turații mici și robustețea fac ca motorul cu pistoane radiale să fie preferat.

Domenii de aplicare ale motoarelor cu pistoane axiale

Motoarele cu pistoane axiale sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații hidraulice. În domeniul mobil, acestea domină sistemele de acționare hidrostatice ale excavatoarelor, încărcătoarelor pe roți, macaralelor telescopice și vehiculelor pe șenile. Aici asigură viteze de deplasare reglabile continuu și forțe de tracțiune ridicate. Motoarele cu pistoane axiale sunt utilizate și în mecanismele de rotire ale macaralelor și excavatoarelor.

În aplicațiile industriale staționare, motoarele cu pistoane axiale acționează prese, mașini de turnare prin injecție și mașini-unelte. În centralele eoliene, acestea sunt utilizate pentru reglarea palelor rotorului și rotirea nacelei. În plus, ele funcționează în unități hidraulice de putere care alimentează mai mulți consumatori cu ulei sub presiune.

Un alt domeniu de aplicare este circuitul închis, în care uleiul de retur este redirecționat direct către pompă. Datorită construcției lor, motoarele cu pistoane axiale sunt deosebit de potrivite pentru acest mod de funcționare, care este larg răspândit în sistemele de acționare și troliuri.

Întreținere și reparații

Fiabilitatea și durata de viață a unui motor cu pistoane axiale depind în mare măsură de calitatea lichidului hidraulic și de respectarea intervalelor de întreținere. Uzura apare în special la suprafețele de alunecare ale pistoanelor și ale discului înclinat, la lagărele arborelui de ieșire și la garnituri.

Calitatea uleiului și filtrarea

Puritatea uleiului hidraulic este un factor decisiv. Conform ISO 4406, trebuie respectată cel puțin clasa de puritate 20/18/15, iar la temperaturi de funcționare ridicate chiar 19/17/14. Particulele din ulei duc la o uzură crescută a suprafețelor de alunecare fabricate cu precizie și pot deteriora discul de comandă. Schimbarea regulată a filtrelor și analizele uleiului fac, prin urmare, parte dintre cele mai importante măsuri de întreținere.

Semne tipice de uzură

• Pierdere crescută de presiune internă din cauza uzurii pistonului și cilindrului
• Scurgeri la garniturile de etanșare ale arborelui și la garniturile inelare
• Modificări ale zgomotului cauzate de deteriorarea rulmenților
• Scăderea performanței din cauza uzurii discului de comandă

Detectarea timpurie a acestor simptome prin verificarea periodică a presiunii, temperaturii și zgomotului previne daunele costisitoare ulterioare.

Norme și standarde

Pentru motoarele cu pistoane axiale se aplică mai multe norme și standarde care reglementează siguranța, compatibilitatea și evaluarea performanței. DIN ISO 4413 stabilește cerințele tehnice de siguranță pentru instalațiile hidraulice. ISO 4406 clasifică contaminarea cu particule din uleiul hidraulic, ceea ce este decisiv pentru durata de viață a motorului. DIN 51524 definește cerințele pentru lichidele hidraulice, iar DIN 9611 și DIN 6885 reglementează execuția arborilor și a canelurilor de fixare.

Producători precum Bosch Rexroth, Parker, Liebherr și Hawe oferă motoare cu pistoane axiale în diferite dimensiuni și tipuri de construcție, care îndeplinesc aceste standarde și sunt proiectate pentru utilizarea în sisteme hidraulice exigente.