A hidraulikus működtetők (más néven hidraulikus kimeneti eszközök) a hidraulikus energiát mechanikai energiává alakítják vissza. Itt zajlik le az összes látható mozgás és munkavégzés – ez az első dolog, amire minden tervezőmérnöknek gondolnia kell. A hidraulikus működtetők két alapvető kategóriába sorolhatók: lineáris (hengerek) és forgó (motorok).

Hidraulikus henger

Egy hidraulikus henger a hidraulikus energiát egyenes vonalú vagy lineáris mechanikai mozgássá alakítja. Ha egy mozgó terheléshez csatlakozik, munkát végez.

Henger szerkezete

Ahogy azt a korábbi fejezetekben bevezettük, egy hidraulikus henger főbb alkotóelemei: a hengerpalást, két zárt végfedél, egy dugattyú, egy dugattyúrúd, valamint bemeneti és kimeneti portok. Minden végén egy-egy port található – az egyik olaj befolyására, a másik olaj kifolyására szolgál.

6–1. ábra: Szabványos kétoldali működésű hidraulikus henger. Az olaj a bal oldali porton lép be, így a tolórúd kinyúlik; a jobb oldali porton át távozó olaj visszahúzza.

Henger kimeneti erő

A henger lökethossza mentén hidraulikus energia hat a mozgó dugattyúra. A hidraulikus energiával létrehozott nyomás nem haladja meg a terhelés által kifejtett ellenállást. Ismert méretű henger esetén ismernünk kell, hogy milyen üzemi nyomás eredményez egy adott kimenő erőt. Ezt meghatározhatjuk (a súrlódást figyelmen kívül hagyva) a következő képlettel:

Ez a képlet akkor használható, ha az alapterület és a nyomás ismert, és a kimenő erőt kell kiszámítani, vagy ha az alapterület és a kimenő erő ismert, és a nyomást kell meghatározni. Gyakorlatban általában ismerjük a henger belső átmérőjét, és a dugattyú felületét kell kiszámítanunk – azonban egy kör területének kiszámítása ugyanolyan egyszerű, mint egy négyzet területének meghatározása.

Kör területe

Egy kör területe kb. a kör átmérőjével megegyező oldalhosszúságú négyzet területének 78,54%-a. Pontosabban:

Egy másik gyakran használt képlet:

6–2. ábra Kör területe = D² × 0,7854. Ezt az egyszerű képletet folyamatosan használják a hidraulikus hengerek számításainál.

Henger ütem

A hidraulikus energia hatásköre meghatározza a végzett munka mértékét – ezt a távolságot a henger lökethosszának nevezzük. Ahogy korábban említettük, a hidraulikus nyomás segítségével történő erőerősítés látszólag semmit sem költ. Bizonyos speciális helyzetekben – amikor a rendszer álló (statikus) – egy kis erő nagyon nagy erőt is létrehozhat anélkül, hogy látható áldozatot kellene hozni. Ha azonban ez az erősített erő mozgást is okoz, akkor valami áldozatra kerül sor: a távolság.

Henger térfogata (kiszorított térfogat)

Minden hidraulikus hengernek van egy térfogata (kiszorított térfogata), amely egyenlő a lökethosszával (hüvelykben) szorozva a dugattyú felületével (hüvelyk²-ben), így a térfogat hüvelyk³-ban (cm³-ban) adódik.

(hüvelyk³) = (hüvelyk²) × (hüvelyk) vagy (cm³) = (cm²) × (cm)

Példa: A felső dugattyúnak 2 hüvelyk (5,08 cm) távolságot kell megtennie ahhoz, hogy az alsó henger dugattyúja 1 hüvelykkel (2,54 cm) mozogjon. Mindkét dugattyú ugyanannyi munkát végez. A felső dugattyú 20 köbhüvelyk (327,8 cm³) folyadékot tol el – és az alsó henger dugattyúját ugyanennyi folyadék (20 köbhüvelyk, azaz 327,8 cm³) tolja el.

Dugattyúrúd-sebesség

Egy hidraulikus henger dugattyúrúdjának sebessége attól függ, milyen gyorsan töltődik fel a folyadékkal a dugattyú mögötti kamra. A dugattyúrúd-sebességet meghatározó képletek:

Hidraulikus motor

A hidraulikus motor egy olyan működtető elem, amely hidraulikus energiát forgó mechanikai energiává alakít át. Ezt a forgó energiát a meghajtó tengelyen keresztül továbbítja a terhelésre.

Motor felépítése

Minden hidraulikus motor lényegében egy házból áll, amelynek bemeneti és kimeneti csatlakozói vannak, valamint egy a meghajtó tengelyhez kapcsolódó forgó szerkezetből.

Hogyan működik egy hidraulikus motor

A bemutatott példa egy lapátkerekes hidraulikus motor. A forgó szerelvény egy forgórész és olyan lapátokból áll, amelyek szabadon csúszhatnak be és ki a forgórész horpadásaiból. A forgó szerelvény excentrikusan van felszerelve a ház belsejében; a hajtótengely a terheléshez kapcsolódik. Amikor nyomás alatti olaj lép be a bemeneti kamrába, a hidraulikus energia a bemeneti kamrában nyomás alatti olajjal érintkező lapátfelületre hat. Mivel a felső lapát nyomás alatti olajjal érintkező felülete nagyobb, a forgórészre ható erő kiegyensúlyozatlan – a forgórész forogni kezd.

Ahogy az olaj a kimeneti kamrába ér, ahol a térfogat csökken, kifolyik.

6–6. ábra: Lapátkerekes motor működése. A nyomás alatti olaj a lapátok felületére hat. Mivel a felső lapátfelület, amely a nyomásnak van kitéve, nagyobb, mint az alsó lapátfelület, a nettó erő forgatja a rotort.

Nyomásnyomaték

Nyomaték egy forgó vagy csavaró erő. A nyomaték egy olyan erő, amely egy távolságra hat a tengely középvonaltól. A nyomaték mértékegysége lb·in. (vagy Nm).

Nyomaték-képlet

A nyomaték megadja az erő helyzetét a hidraulikus motor tengelyének középvonalához képest. A nyomaték-képlet a következő:

(lb·in.) = (lb) × (in.) vagy (Nm) = (N) × (m)

Példa az ábrából: Egy 50 font (222 N) erő hat egy olyan forgattyúra, amely a motor tengelyéhez csatlakozik. A tengely középpontja és az erő távolsága 10 hüvelyk (0,254 m). A tengelyen keletkező nyomaték 500 hüvelyk-font (56,5 Nm). Ha ugyanaz az 50 font (222 N) erő egy 15 hüvelyk (0,38 m) hosszú forgattyúkarra hat, akkor a tengelyen keletkező nyomaték 750 hüvelyk-font (84,6 Nm). Minél távolabb hat az erő a tengely középpontjától, annál nagyobb a nyomaték. Figyelem: a nyomaték nem jár mozgással.

A motor meghajtó tengelyére kapcsolt terhelés a fent leírt módon nyomatékot fejt ki. A hidraulikus motor esetében ez ellenállást jelent – ezt a hidraulikus nyomásnak kell legyőznie a motor forgó szerkezetén.

Hidraulikus motor nyomatékképlete

Motor tengelysebesség

A hidraulikus motor tengelysebességét a folyadék befecskendezésének sebessége határozza meg. A képlet a következő:

Teljesítmény

Korábbi fejezetekben megtanultuk, hogy a teljesítmény a munkavégzés sebessége, azaz lóerő (LE) = lábfont-súly / idő, vagy watt (W) = joule / idő.

Mechanikai teljesítményt

Tudjuk továbbá, hogy a lóerő (LE) vagy a watt (W) a teljesítmény mértékegysége. Ha egy hidraulikus henger vagy hidraulikus motor 550 font (2442 N) mechanikai erővel mozgat egy terhet, és azt 1 láb (0,30 m) távolságra tolja el 1 másodperc alatt, akkor 1 LE (746 W) teljesítményt használt fel. Ha ugyanazt a munkát (550 lábfont / 746 J) fél másodperc alatt végezzük el, akkor a munkavégzés sebessége megduplázódik, és a teljesítmény 2 LE (1490 W) lesz.

Hidraulikus teljesítmény

A henger vagy motor által a terhelésre átvitt mechanikai teljesítmény megegyezik a henger vagy motor által igényelt hidraulikus teljesítménnyel. Egy olyan hidraulikus rendszer esetében, amely másodpercenként 550 lábfont (746 J) munkát végez, a hidraulikus teljesítménye 1 lóerő (746 W). Azonban a mechanikai teljesítmény képletében a „lábfog (m)” és „font (N)” egységeket a hidraulikus kifejezésekkel, azaz a „psi (bar)” és „gpm (L/perc)” egységekkel helyettesítik. A hidraulikus teljesítmény számításához egy átváltási tényezőt használnak, amely kifejezi a gpm, psi, láb és font (vagy L/perc, bar, m és N) közötti összefüggést.

Rendszer- és henger-teljesítményszámítás

Egy hidraulikus henger vagy az egész hidraulikus rendszer teljesítményének kiszámítása:

Hidraulikus motor kimeneti teljesítményének kiszámítása:

Oszcilláló működtetőelemek

Eddig hidraulikus motorokról beszéltünk forgó kimenettel és hidraulikus hengerekről lineáris kimenettel. Most egy másik típusú működtetőelemről lesz szó, amely korlátozott szögű forgást eredményez. Ezt az eszközt oszcilláló hengernek vagy oszcilláló motornak nevezik. Szerkezete kompakt, egyszerű és hatékony – nagy nyomatékot fejt ki, és csak kis telepítési helyet igényel, valamint könnyen felszerelhető.

Az oszcilláló működtetőelemeket gépi szerszámozásnál (pl. indexelésnél), hajlítási műveleteknél, nehéz tárgyak emelésére vagy forgatására, megfordításra, pozicionálásra, megmunkáló berendezések rögzítőelemeinél, hajózási vezérléseknél, szelepek működtetésénél stb. használják.

Az oszcilláló működtetőelemek típusai

Számosféle oszcilláló henger létezik. A legegyszerűbb egy lineáris hidraulikus hengerrel meghajtott oszcilláló mechanizmus, ahol a henger háza egy csapágyazott tengellyel van rögzítve, és a dugattyúrúd egy forgattyús mechanizmuson keresztül forgatja a tengelyt. Ezt az oszcilláló hengert egy 4-utas irányítószeleppel lehet vezérelni, és a lökethossz mindkét végén határváltók vannak elhelyezve.

Mint minden mechanikai eszköz, ez a lineáris hengeren alapuló oszcilláló működtetőelemnek is vannak alapvető jellemzői, például azt, hogy szabványos, készleten kapható alkatrészekből állítható össze, így nagy rugalmasságot biztosít a tervezők számára, és alacsony költségeket eredményez, mivel a pótalkatrészek könnyen beszerezhetők.

Ugyanakkor ez a típusú oszcilláló működtetőelem hátrányos tulajdonságokkal is rendelkezik: a dugattyúrúd nincs védve, és közvetlenül érintkezik a környező környezettel, különösen azért, mert a hajtókaros mechanizmus általában nem zárható le, ami biztonsági kockázatot jelent. Emellett a meghajtó tengely általában nagy oldirányú terhelést visel, ami korai meghibásodáshoz, túlzott kopáshoz és megakadáshoz vezet.

Ez a speciális típusú oszcilláló működtetőelem esetében a hidraulikus hengernek szabadon lengenie kell, ezért rugalmas csatlakozócsöveket kell használni, és a henger teljes lökethossza során a kimenő nyomaték nem állandó.

Zárt oszcilláló henger

A beépített lengő henger nagyon hasonló a fentebb említett lineáris hengeren alapuló lengő mechanizmushoz. A beépített henger védőburkolattal rendelkezik, amely a dugattyúrúd és a hajtókar teljes egészét körülveszi. A hajtótengely általában további csapágytámaszt kap, hogy megakadályozza a súlyos oldirányú terheléseket. Ez a típus felszerelhető mágneses szelepekkel, határváltókkal vagy úthossz-váltókkal. Az úthossz általában kb. 85° és 100° között állítható be.

Rugós visszatérítésű lengő henger

Egy másik típus a rugós visszatérítésű lengő henger, amely egy hidraulikus hengert és visszatérítő rugót használ a hajtótengely eredeti helyzetbe való visszatérítésére. A rugós visszatérítésű lengő hengerek legfeljebb 5 000 in·lb (565 Nm) forgatónyomatékot tudnak kifejteni.

Fogaskerék- és fogasléc-működtetésű lengő henger

A leggyakoribb oszcilláló henger a fogaskerék- és fogas típusú. Ez a típus mindkét irányban állandó kimeneti nyomatékot tud biztosítani a teljes forgás során. Ebben a konfigurációban a hidraulikus nyomás a dugattyúra hat, amely a dugattyúhoz csatlakozó fogas mozgatásával forgatja a fogaskereket, így a tengelyt is forgatja. A szabványos fogaskerék- és fogas hengerek forgási szöge 90°, 180°, 360° vagy akár ennél nagyobb is lehet. A fogaskerék- és fogas hengerek kimeneti nyomatéka elérheti az 52 000 000 hüvelykfontot (5 876 000 Nm)-t.

Lapátkerekes oszcilláló motor

Elérhető lapátkerekes oszcilláló motor is. Ez a típus egylapátos vagy többlapátos lehet. Az egylapátos motor 280°-os forgást végezhet; a kétlapátos motor 200°-os forgást végezhet. A kétlapátos motor kimeneti nyomatéka kétszer akkora, mint az egylapátosé. Ez a típusú oszcilláló motor akár 500 000 hüvelykfont (Nm) kimeneti nyomatékot is elérhet.

Csavaros fogazatú oszcilláló motor

Létezik egy másik típusú oszcilláló motor, amely nyomatékot állít elő egy spirális hornyos mechanizmus segítségével. A hornyok hosszának és menetemelkedésének változtatásával a forgó lökethossz széles tartományban módosítható. Ez a típusú oszcilláló motor egy spirális hornyos tengelyből és a tengelyen elhelyezett belső hornyos dugattyúcsövből áll – a dugattyúcső forgását vezető rúdak korlátozzák. Amikor a dugattyúcső mozog a henger belsejében, az a hornyos tengely forgását hajtja meg. A szabványos forgó lökethosszak 90°, 180°, 270° és 360°, a kimeneti nyomaték legfeljebb 1 000 000 hüvelykfont (13 000 Nm).

Lánc- és fogaskerekes oszcilláló motor

A lánc- és fogaskerekes oszcilláló motorok dugattyúkat, láncokat és fogaskerekeket használnak a tengely meghajtására. Ez a működtető elem általában egy nagy dugattyút (mint meghajtó eszközt) tartalmaz a lánc húzásához, valamint egy kisebb dugattyút, amely megakadályozza az olaj kifolyását a visszatérő lánc útvonalán keresztül. A kimeneti nyomaték elérheti kb. 23 000 hüvelykfontot (2 599 Nm), a meghajtó tengely forgása pedig legfeljebb öt teljes fordulatot, azaz 1800°-ot érhet el.

A legmegfelelőbb oszcilláló henger kiválasztásához egy adott alkalmazásra szükség van a nyomaték, a sebesség és az üzemelési mód összeegyeztetésére. Az oszcilláló motorok gyakorlati kiválasztását egy másik fejezetben mutatjuk be, ahol részletesebben is tárgyaljuk, hogyan döntsük el, hogy egyszeres vagy kétszeres hatású megoldást válasszunk, szükséges-e zárt hurkú pozícionálás, szükséges-e lengéscsillapítás stb. Az üzemelési frekvenciát vagy ciklusidőt is vizsgálni fogjuk.

Mozgatóelem-sebesség összefoglalása

Egy hidraulikus henger dugattyúrúdjának lineáris sebessége attól függ, hogy milyen sebességgel juttatja a szivattyú a folyadékot a henger dugattyúterébe (gpm (L/perc)). Egy hidraulikus motor hajtótengelyének forgási sebessége attól függ, hogy mekkora térfogatáramot (gpm (L/perc)) juttatnak a hidraulikus motorba.

Mozgatóelem kimeneti erő összefoglalása

Egy henger kimenő ereje psi (bar) egységben fejeződik ki — egy motor hajtótengelyére ható kimenő erőt a motor forgó szerkezetének kitett felületére ható nyomás határozza meg. Egy működtető elem által létrehozott teljesítmény a működtető elem sebességének és kimenő erejének szorzata.

Hengerek esetében a kimenő erő psi-ben, a dugattyúrúd sebessége gpm-ben (gallon per minute) van megadva. A 0,000583-as állandó a psi, a gpm és a teljesítmény közötti összefüggést írja le. Motorok esetében a kimenő erő nyomatékban, a motor üzemi sebessége pedig percenkénti fordulatszámban (rpm) van megadva. A 63 025-ös állandó az rpm, a nyomaték és a teljesítmény közötti összefüggést írja le.