482 Ventil 22 /2016/ 6 ■ 1 Uvod Hidravlika je v strojništvu že zelo uveljavljeno in dokaj zrelo podro- čje, a vendar se še vedno razvija z neverjetno hitrostjo, kar se kaže tako v akademskih krogih kot v industriji. Hidravlični motorji (v na- daljevanju bomo namesto besedne zveze hidravlični motor uporabi- li kratico HM) so ena izmed hitro razvijajočih se hidravličnih sestavin, ki jih uporabljamo v najrazličnejših industrijskih aplikacijah. V članku želimo predstaviti posebno izved- bo HM-ja z notranjim ozobjem, za katerega je značilno počasno vrte- nje in doseganje velikih momentov. HM tipa gerotor s plavajočim zuna- njim obročem ima relativno malo sestavnih delov in za delovanje ne potrebuje dodatnega pretvornika vrtilne hitrosti oz. reduktorja. Tako v znanstveni kot strokovni literatu- ri je bilo do danes objavljenih zelo malo prispevkov, ki bi obravnavali takšen tip HM-ja. Bolj pogosta iz- vedba gerotorjev ne vsebuje plava- jočega rotorjevega obroča, ampak zgolj notranji rotor in ohišje. Na de- lovanje hidravličnih motorjev vpli- vajo številni dejavniki, kot so npr. viskoznost hidravlične kapljevine, indeks viskoznosti, strižne sile [1]. Zelo pomemben vpliv na delovanje hidravličnih motorjev in tudi črpalk ima oblika zobniške dvojice [2, 3, 4]. V preteklosti je bilo veliko raz- iskanega na področju najrazličnej- ših konstrukcijskih rešitev, vendar je bila uporaba takšnih hidravličnih motorjev zelo vprašljiva. Poveza- ve med obliko zobniške dvojice in delovanjem HM-ja so raziskovalci poizkušali ugotoviti z večkriterijski- mi optimizacijskimi metodami [5] kakor tudi s CFD-simulacijami [6], ki pohitrijo procese v razvojni fazi izdelka [7] in omogočajo lažji pre- HIDRAVLIČNI MOTORJI Vpliv velikosti izvrtin v ventilski plošèi na volumetrièni, mehansko- hidravlièni in skupni izkoristek poèasno vrteèega hidravliènega motorja tipa gerotor Ervin STRMČNIK, Gregor KOKOT, Franc MAJDIČ Ervin Strmčnik, mag. inž. str., mag. posl. ved, Gregor Kokot, doc. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fa- kulteta za strojništvo Izvleček: Razvoj družbe poteka z nepojmljivo hitrostjo, kar se med drugim odraža v razvoju tehnike in izdelkov, med katerimi najdemo tudi hidravlične komponente, ki jih imenujemo hidravlični motorji. V članku je predsta- vljena posebna izvedba hidravličnega motorja s plavajočim zunanjim obročem. Za hidravlični motor tipa gerotor je značilno počasno vrtenje in doseganje velikih momentov. Ima relativno malo sestavnih delov, med katerimi so najpomembnejši rotor, rotorjev obroč, ohišje in ventilska plošča. V raziskavi smo analizirali vpliv velikosti izvrtin v ventilski plošči na volumetrični, mehansko-hidravlični in skupni izkoristek hidravličnega motorja. Ugotovili smo, da velikost izvrtin vpliva na delovanje hidravličnega motorja. Največje skupne izkoristke smo dobili v primeru izvrtine, ki je bila velika Φ 6,3 mm. Skupni izkoristek se je v primeru velikosti izvrtin Φ 6,3 mm v vseh merilnih točkah povečal v povprečju za 5 % glede na začetno stanje, ko so imele izvrtine premer Φ 5,5 mm. V članku so podrobneje predstavljene značilnosti obravnavanega hidravličnega motorja, hidravlična shema preizkuševališča, metodologija raziskave ter postopki izračunov izkoristkov in iztisnine hidravličnega motorja. Ključne besede: orbitalni hidravlični motor, ventilska plošča, velikost izvrtine, skupni izkoristek 483Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI hod iz raziskovalnega v industrijsko okolje. Izkoristki so zelo povezani z izgubami. Večje izgube vodijo v zni- žanje izkoristkov hidrostatičnih hi- dravličnih komponent [8]. Poznamo več vrst izgub, ki jih v splošnem raz- delimo na volumetrične in mehan- sko-hidravlične izgube, ki so pove- zane tudi s tribološkimi fenomeni, kot sta trenje [9] in obraba [10, 11]. ■ 2 Teoretične osnove ■ 2.1 Vrste hidravličnih motorjev Glede na vrtilno hitrost ločimo dve vrsti hidravličnih motorjev. Počasno vrteči hidravlični motorji ne prese- gajo vrtilne hitrosti 250 min-1 [12], medtem ko se hitro vrteči hidra- vlični motorji lahko vrtijo hitreje kot 250 min-1. Razlika med obema vr- stama je prikazana v diagramu sku- pnega izkoristka (ηs) v odvisnosti od vrtilne hitrosti (n). Počasno vrteči se HM dosegajo višji skupni izkoristek (ηs) pri manjših vrtilnih hitrostih (sli- ka 1). Skupni izkoristek se pri hitro vrtečih HM povečuje z večanjem vr- tilne hitrosti. Za HM tipa gerotor je značilno po- časno vrtenje in doseganje zelo majhnih vrtilnih hitrosti v primerjavi z ostalimi hidravličnimi motorji [12]. Gerotor nima možnosti doseganja spremenljive iztisnine. Kot večina tehničnih sistemov ima naš obrav- navani HM nekaj prednosti in nekaj omejitev (preglednica 1). ■ 2.2 Sestavni deli hidravličnega motorja HM, ki je prikazan na sliki 2, je se- stavljen iz približno 30 različnih strojnih elementov. Največji premer Slika 1. Diagram skupnega izkoristka za počasno in hitro vrteče hidravlične motorje Slika 2. Orbitalni HM tipa gerotor (Φ 174 mm × 250 mm) motorje [12] Preglednica 1. Prednosti in omejitve HM tipa gerotor Prednosti Omejitve • majhno število sestavnih delov • visoko trenje • zmožnost premagovanja velikih momentov • velika obraba • počasno vrtenje • slabo tesnjenje med komorami in • samodejno zaviranje po zaustavitvi vrtenja gredi • nizek skupni izkoristek • relativno majhna velikost in masa • relativno nizka cena 484 Ventil 22 /2016/ 6 HM je Φ 174 mm. HM meri v viši- no 250 mm. Njegova masa je 20 kg. Največji dopustni delovni tlak je 35 MPa. Najpomembnejši strojni elementi HM-ja s stališča njegovega delova- nja so prikazani na sliki 3. To so 1 – rotor, 2 – plavajoč rotorjev obroč, 3 – ohišje in 4 – ventilska plošča. S črkami od »a« do »j« so označene komore. To so prostori, katerih vo- lumen se časovno spreminja v od- visnosti od relativne lege rotorja in rotorjevega obroča. Z oznakami L1, L2, L3, … L20 so označene izvrtine v delilni plošči. Rdeče lihe številke izvrtin so dovodne izvrtine, po ka- terih priteka hidravlična kapljevina pod visokim tlakom. Odvodne iz- vrtine so označene z modro barvo in sodimi številkami. Vsaki dovo- dni izvrtini sledi odvodna in vsaki odvodni sledi dovodna. Odvodne izvrtine lahko prevzamejo funkcijo dovodnih izvrtin in obratno. Katere so dovodne in katere odvodne iz- vrtine, je definirano z želeno smer- jo vrtenja, kar običajno določimo s potnim ventilom. Rotor ima 9 zob in predstavlja neko vrsto zobnika z zunanjim ozobjem. Rotorjev obroč ima en zob več kot rotor, torej 10 zob. Funkcija ohišja je omejitev gi- banja zunanjega obroča. ■ 2.3 Delovanje hidravličnega motorja Obravnavani orbitalni HM tipa ge- rotor pretvarja hidravlično energijo v mehansko delo. Pretvorba hidra- vlične energije v mehansko delo poteka po ujeti kapljevini v komo- rah, ki razriva dele rotorja in rotorje- vega obroča. Hidravlična kapljevina doteka v HM po dveh kanalih v gla- vi in ventilski plošči. Kanal je lahko dovodni ali odvodni, kar je odvisno od smeri vrtenja. Na sliki 4a sta ka- nala na zgornji strani ventilske plo- šče prikazana z rumeno (drugi ka- nal) in zeleno barvo (prvi kanal). Če pogledamo ventilsko ploščo s spo- dnje strani, vidimo, da so središča izvrtin rumenih in zelenih kanalov enako oddaljena od središča ventil- ske plošče (slika 4b). Vrtenje HM omogoča ustrezen ge- ometrijski profil rotorja, rotorjevega obroča, ohišja ter ustrezno odpira- nje dovodnega in odvodnega kana- la. Pogled na HM s spodnje strani razkriva, da so izvrtine na spodnji strani ventilske plošče prekrite z ro- torjem, ki jih odpira in zapira med vrtenjem (slika 5). ■ 2.4 Izračun izkoristkov hidravličnega motorja Skupni izkoristek HM-ja predstavlja razmerje med izhodno-dobljeno- -teoretično mehansko močjo in vhodno-vloženo-dejansko hidra- vlično močjo. Skupni izkoristek HM- -ja izračunamo s pomočjo vrtilne hitrosti HM, momenta na gredi HM, prostorninskega pretoka na vtočni strani HM in razlike tlakov na vsto- pu in izstopu iz HM z enačbo (1). 1 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝟐𝟐 ∙ 𝝅𝝅 ∙ 𝒏𝒏 ∙ 𝑯𝑯 𝑸𝑸𝟏𝟏 ∙ (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) (1) 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 ∙ 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 (2) 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝒏𝒏 ∙ 𝒒𝒒𝒎𝒎𝒎𝒎 𝑸𝑸𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 (3) 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝑯𝑯 ∙ 𝟐𝟐𝝅𝝅 (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) ∙ 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 (4) 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 = ∑ 𝒏𝒏𝐣𝐣 ∙ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 ∑ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣 𝒌𝒌 𝒅𝒅=𝟏𝟏 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅𝟐𝟐𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌 (∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ) 𝟐𝟐 (5) (1) Skupni izkoristek HM je zmnožek volumetričnega in mehansko-hi- dravličnega izkoristka HM-ja, kar je prikazano z enačbo (2). 1 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝟐𝟐 ∙ 𝝅𝝅 ∙ 𝒏𝒏 ∙ 𝑯𝑯 𝑸𝑸𝟏𝟏 ∙ (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) (1) 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 ∙ 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 (2) 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝒏𝒏 ∙ 𝒒𝒒𝒎𝒎𝒎𝒎 𝑸𝑸𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 (3) 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝑯𝑯 ∙ 𝟐𝟐𝝅𝝅 (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) ∙ 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 (4) 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 = ∑ 𝒏𝒏𝐣𝐣 ∙ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 ∑ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣 𝒌𝒌 𝒅𝒅=𝟏𝟏 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅𝟐𝟐𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌 (∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ) 𝟐𝟐 (5) (2) HIDRAVLIČNI MOTORJI Slika 3. Najpomembnejši sestavni elementi hidravličnega motorja tipa gero- tor (Φ 174 mm) s stališča njegovega delovanja Slika 4. a) Dovodni in odvodni kanal na zgornji strani ventilske plošče (Φ 174 mm × 15 mm), b) Prikaz izvrtin dovodnega in odvodnega kanala na spodnji strani ventilske plošče (Φ 174 mm × 15 mm) 485Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI Volumetrični izkoristek HM-ja je odvisen od vrtilne hitrosti, iztisnine hidravličnega motorja in prostor- ninskega pretoka na vtočni strani hidravličnega motorja kot je prika- zano v enačbi (3). 1 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝟐𝟐 ∙ 𝝅𝝅 ∙ 𝒏𝒏 ∙ 𝑯𝑯 𝑸𝑸𝟏𝟏 ∙ (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) (1) 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 ∙ 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 (2) 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝒏𝒏 ∙ 𝒒𝒒𝒎𝒎𝒎𝒎 𝑸𝑸𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 (3) 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝑯𝑯 ∙ 𝟐𝟐𝝅𝝅 (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) ∙ 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 (4) 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 = ∑ 𝒏𝒏𝐣𝐣 ∙ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 ∑ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣 𝒌𝒌 𝒅𝒅=𝟏𝟏 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅𝟐𝟐𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌 (∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ) 𝟐𝟐 (5) (3) Tudi pri izračunu mehansko-hidravlič- nega izkoristka potrebujemo infor- macijo o iztisnini HM-ja. Poleg tega je za določitev mehansko-hidravličnega izkoristka potrebno poznati moment, ki predstavlja izhodni koristni mo- ment, in razliko tlakov med vtočno in iztočno stranjo HM-ja (enačba 4). 1 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝟐𝟐 ∙ 𝝅𝝅 ∙ 𝒏𝒏 ∙ 𝑯𝑯 𝑸𝑸𝟏𝟏 ∙ (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) (1) 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 ∙ 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 (2) 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝒏𝒏 ∙ 𝒒𝒒𝒎𝒎𝒎𝒎 𝑸𝑸𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 (3) 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝑯𝑯 ∙ 𝟐𝟐𝝅𝝅 (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) ∙ 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 (4) 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 = ∑ 𝒏𝒏𝐣𝐣 ∙ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 ∑ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣 𝒌𝒌 𝒅𝒅=𝟏𝟏 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅𝟐𝟐𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌 (∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ) 𝟐𝟐 (5) (4) ■ 5 Določitev iztisnine hidravličnega motorja V poglavju o izračunu izkoristkov smo ugotovili, da moramo pri izra- čunu volumetričnega in mehansko- -hidravličnega izkoristka poznati dejansko iztisnino HM-ja [13, 14], ki jo izračunamo z metodo najmanjših kvadratov z enačbo (5), kot je opisa- no v standardu ISO 8426 [15]. 1 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝟐𝟐 ∙ 𝝅𝝅 ∙ 𝒏𝒏 ∙ 𝑯𝑯 𝑸𝑸𝟏𝟏 ∙ (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) (1) 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 ∙ 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 (2) 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝒏𝒏 ∙ 𝒒𝒒𝒎𝒎𝒎𝒎 𝑸𝑸𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 (3) 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝑯𝑯 ∙ 𝟐𝟐𝝅𝝅 (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) ∙ 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 (4) 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 = ∑ 𝒏𝒏𝐣𝐣 ∙ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 ∑ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣 𝒌𝒌 𝒅𝒅=𝟏𝟏 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅𝟐𝟐𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌 (∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ) 𝟐𝟐 (5) (5) 1 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝟐𝟐 ∙ 𝝅𝝅 ∙ 𝒏𝒏 ∙ 𝑯𝑯 𝑸𝑸𝟏𝟏 ∙ (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) (1) 𝜼𝜼𝒔𝒔,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 ∙ 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 (2) 𝜼𝜼𝒗𝒗,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝒏𝒏 ∙ 𝒒𝒒𝒎𝒎𝒎𝒎 𝑸𝑸𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 (3) 𝜼𝜼𝒎𝒎𝒎𝒎,𝑯𝑯𝑯𝑯 = 𝑯𝑯 ∙ 𝟐𝟐𝝅𝝅 (𝒑𝒑𝟏𝟏 − 𝒑𝒑𝟐𝟐) ∙ 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 (4) 𝒒𝒒𝑯𝑯𝑯𝑯 = ∑ 𝒏𝒏𝐣𝐣 ∙ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 ∑ 𝑸𝑸𝟏𝟏𝐣𝐣 𝒌𝒌 𝒅𝒅=𝟏𝟏 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅𝟐𝟐𝒌𝒌𝒅𝒅=𝟏𝟏 − 𝟏𝟏 𝒌𝒌 (∑ 𝒏𝒏𝒅𝒅 𝒌𝒌 𝐣𝐣=𝟏𝟏 ) 𝟐𝟐 (5) ■ 3 Metodologija V raziskavi smo analizirati vpliv veli- kosti izvrtin v ventilski plošči na de- lovanje HM-ja. Na podlagi izkušenj, pridobljenih s preteklimi raziskoval- nimi aktivnostmi, smo se odločili za merjenje in določitev izkoristkov v 18. merilnih točkah (preglednica 2). Meritve smo opravili pri dveh raz- ličnih vrtilnih hitrostih (15 min-1, 17 min-1) in devetih različnih razlikah tlakov (160 bar, 170 bar, 180 bar, 190 bar, 200 bar, 210 bar, 220 bar, 230 bar, 240 bar). Pri načrtovanju in izvajanju meritev smo upošteva- li mednarodni standard ISO 8426 [15] kakor tudi druga priporočila v povezavi z določanjem skupnega izkoristka [16]. Na podlagi opravlje- nih meritev smo izračunali iztisnino HM, skupni, volumetrični in mehan- sko-hidravlični izkoristek. Meritve so bile opravljene pri tem- peraturi hidravlične kapljevine 60 °C. Prvotna velikost izvrtin v ventil- ski plošči je bila Φ 5,5 mm (slika 6a). Izvrtine smo od začetne velikosti izvrtin Φ 5,5 mm osemkrat povrtali za Φ 0,2 mm tako, da je bil največji premer izvrtin Φ 7,1 mm (slika 6b). Slika 5. Pogled na HM (Φ 174 mm × 15 mm) s spodnje strani Preglednica 2. Seznam 18 merilnih točk # Vrtilna hitrost, min-1 Razlika tlakov, bar # Vrtilna hitrost, min-1 Razlika tlakov, bar 1 15 160 10 17 160 2 15 170 11 17 170 3 15 180 12 17 180 4 15 190 13 17 190 5 15 200 14 17 200 6 15 210 15 17 210 7 15 220 16 17 220 8 15 230 17 17 230 9 15 240 18 17 240 486 Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI ■ 4 Preizkuševališče Hidravlični sistem za izvajanje meri- tev na HM-ju je sestavljen iz šestnaj- stih različnih hidravličnih sestavin, ki so prikazane na sliki 7. Posamezne hidravlične sestavine so predstavlje- ne v zaporedju, kot si sledijo v legen- di. Elektromotor (1) z močjo (P) 22 kW in vrtilno hitrostjo (n) 1450 min-1 poganja črpalko s spremenljivo izti- snino (2), ki lahko doseže največjo iztisnino (qČ) pri 28 cm 3/vrt. S številko (3) je označen preizkušani HM, kate- remu ustvarjamo breme s kolutno zavoro (4), ki je povezana z zavornim hidravličnim valjem (5). S številko (6) je označen potni ventil 4/3 za krmi- ljenje zavornega hidravličnega valja. Za nastavljanje tlaka v zavornem hi- dravličnem valju uporabljamo tlačno reducirni ventil (7). Sistemski tlak nastavljamo s tlačno omejilnim ven- tilom (8) oz. s tako imenovanim var- nostnim ventilom. Za razbremenitev delovnega voda služi krogelni ventil (9). Z nastavljivim dušilnim ventilom (10) je možno nastavljati prostornin- ski pretok kapljevine, ki ga želimo imeti pred vstopom v hidravlični valj. Olje hidravličnega sistema se zbira v rezervoarju za olje (11). Za merjenje veličin, na podlagi katerih ocenjuje- mo karakteristike motorja, so upo- rabljeni merilnik prostorninskega pretoka olja (12), merilnik momen- ta (13), merilnik vrtilne hitrosti (14), Slika 6. a) Najmanjša velikost izvrtin (Φ 5,5 mm) v ventilski plošči (Φ 174 mm × 15 mm), b) Največja velikost izvrtin (Φ 7,1 mm) v ventilski plošči (Φ 174 mm × 15 mm) Slika 7. Hidravlična shema preizkuševališča 487Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI tlačno zaznavalo za merjenje tlaka na delovnem (15.1) in povratnem vodu (15.2) ter temperaturno zaznavalo na delovnem (16.1) in povratnem vodu (16.2). ■ 5 Rezultati V tem poglavju so predstavljeni re- zultati meritev prostorninskega pre- toka in momenta. Podrobneje so opisani rezultati izračunanega sku- pnega, volumetričnega in mehan- sko-hidravličnega izkoristka. Analize izkoristkov HM-ja so bile narejene za različne vrtilne hitrosti, različne razlike tlakov in različne velikosti iz- vrtin v ventilski plošči. ■ 5.1 Meritve prostorninskega pretoka Prostorninski pretok hidravlične ka- pljevine skozi HM, katerega gred se je vrtela z vrtilno hitrostjo 15 min-1, se je z večanjem premera izvrtin v večini primerov povečeval (slika 8; arabske številke v legendi predsta- vljajo premer izvrtin v mm). Najve- čja povečanja je bilo opaziti pri ve- čjih premerih izvrtin, medtem ko so bili prostorninski pretoki pri manj- ših izvrtinah relativno podobni. Na tem mestu želimo poudariti, da je volumetrični in verjetno posledično skupni izkoristek HM-ja obratno so- razmeren prostorninskemu pretoku hidravlične kapljevine skozi HM, kar je razvidno iz enačbe (1). To pome- ni, da večji, kot je prostorninski pre- tok, manjši je skupni izkoristek ob predpostavki, da ostanejo vredno- sti preostalih fizikalnih veličin, ki nastopajo v enačbi za skupni izko- ristek, enake. Podobne sklepe lahko sprejmemo tudi za HM, katerega gred se je vrtela z vrtilno hitrostjo 17 min-1. Zaradi omejenosti s pro- storom so prikazani zgolj rezultati pri vrtilni hitrosti 15 min-1. ■ 5.2 Meritve momenta Zelo pomembna fizikalna količina, ki je v enačbi za izračun skupnega izkoristka HM-ja, je razpoložljivi iz- hodni moment. Iz rezultatov na sli- ki 9 je razvidno, da se je moment v splošnem z večanjem razlike tlakov večal pri izbranemu premeru izvrtin. Če opazujemo, kako se je moment spreminjal pri izbrani razliki tlakov, vi- dimo, da je potrebna temeljita inter- pretacija rezultatov. Pri vseh razlikah tlakov lahko opazimo enak trend. Pri manjših premerih izvrtin je bil mo- ment manjši, vendar se je povečeval vse do izvrtine s premerom Φ 6,5 mm. Z nadaljnjim večanjem izvrtin se je moment občutno zmanjšal. Če se osredotočimo na meritve momenta za vse izvrtine pri razliki tlakov 220 bar, vidimo, da je moment HM-ja s premerom izvrtin Φ 5,5 mm znašal 735 Nm. Največji izmerjeni moment je bil 899 Nm (premer izvrtine Φ 6,5 mm), kar pomeni 22-odstotno po- večanje momenta. Najmanjši mo- ment je bil 652 (premer izvrtine Φ 7,1 mm), kar je več kot 10-odstotno zmanjšanje glede na začetno stanje. Pri vrtilni hitrosti HM-ja 17 min-1 se je izkazalo, da je bil v povprečju naj- večji izmerjeni moment pri premeru izvrtin Φ 6,3 mm. ■ 5.3 Skupni izkoristek Najpomembnejši rezultat meritev predstavlja graf skupnega izkoristka za različne velikosti izvrtin v izbranih točkah merjenja. Skupni izkoristek je najpomembnejši podatek o delova- nju HM-ja in določa, kako učinkovi- ta je pretvorba hidravlične energije v mehansko delo. Rezultati raziskave vpliva velikosti izvrtin na skupni izkori- stek kažejo na to, da bi s povečanjem premera izvrtin do določene mere na zelo enostaven način izboljšali skupen izkoristek obstoječega HM- -ja. Če se osredotočimo na rezultate skupnega izkoristka HM-ja pri vrtilni hitrosti 15 min-1 (slika 10) vidimo, da so skupni izkoristki HM pri nekoliko večjih izvrtinah (Φ 5,9 mm, Φ 6,1 mm, Φ 6,3 mm, Φ 6,5 mm) večji od sku- pnega izkoristka pri obstoječi izvrtini Φ 5,5 mm. Pri zelo velikih izvrtinah (Φ 6,7 mm, Φ 6,9 mm, Φ 7,1 mm) pride do zmanjšanja skupnega izkoristka. Slika 8. Rezultati meritve prostorninskega pretoka pri vrtilni hitrosti 15 min-1 Slika 9. Rezultati meritve momenta pri vrtilni hitrosti 15 min-1 488 Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI V splošnem velja, da se je skupni izkoristek za poljubno izbrano veli- kost izvrtin z večanjem razlike tla- kov povečeval do velikosti izvrtin Φ 6,3 mm. Podobne ugotovitve velja- jo za izračunane izkoristke pri vrtilni hitrosti 17 min-1 (slika 11). Rezultati skupnega izkoristka pri vrtilni hitro- sti 17 min-1 niso prikazani zaradi omejitve obsega prispevka. ■ 5.4 Volumetrični izkoristek Ker je volumetrični izkoristek močno povezan z volumetričnimi izgubami, je smiselno upoštevati vse štiri vrste volumetričnih izgub. To so zunanje in notranje izgube ter izgube zaradi stisljivosti in nepopolnega polnjenja. Če analiziramo rezultate HM, ki se je vrtel z vrtilno hitrostjo 15 min-1, vi- dimo, da je bil največji volumetrični izkoristek pri velikosti izvrtin s pre- merom Φ 6,5 mm (slika 14). Tako kot pri HM-ju z vrtilno hitrostjo 15 min-1 je tudi pri HM-ju z vrtilno hitrostjo 17 min-1 opaziti rahel trend znižanja volumetričnega izkoristka s poveče- vanjem tlačne razlike, kar je skladno s teorijo o volumetričnih izgubah, ki se z večanjem razlike tlakov poveču- jejo. Rezultati volumetričnega izko- ristka pri vrtilni hitrosti 17 min-1 niso prikazani zaradi omejitve obsega prispevka. Kot vidimo z grafa na sliki 12, nekaterih vrednosti nismo mogli izračunati zaradi prevelikega raztro- sa izmerjenih vrednosti in napak, do katerih pride pri računskem postop- ku določevanja iztisnine. ■ 5.5 Mehansko- hidravlični izkoristek Mehansko-hidravlični izkoristek se je povečeval s povečevanjem razli- ke tlakov med vstopno in izstopno stranjo HM-ja tako pri vrtilni hitrosti 15 min-1 (slika 13) kot pri 17 min-1. Rezultati mehansko-hidravlične- ga izkoristka pri vrtilni hitrosti 17 min-1 niso prikazani zaradi omejitve obsega prispevka. Iz rezultatov je razvidno, da smo največje mehan- sko-hidravlične izkoristke dobili pri velikostih izvrtin Φ 6,1 mm in Φ 6,3 mm. Pri večjih velikostih izvrtin je prišlo do drastičnega zmanjšanja mehansko-hidravličnega izkoristka. Slika 10. Rezultati izračunanega skupnega izkoristka pri vrtilni hitrosti 15 min-1 Slika 11. Rezultati izračunanega skupnega izkoristka pri vrtilni hitrosti 17 min-1 Slika 12. Rezultati izračunanega volumetričnega izkoristka pri vrtilni hitrosti 15 min-1 Slika 13. Rezultati izračunanega mehansko-hidravličnega izkoristka pri vrtilni hitrosti 15 min-1 489Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI ■ 6 Zaključek V članku je predstavljen vpliv ve- likosti izvrtin v ventilski plošči na skupni izkoristek hidravličnega mo- torja (HM) tipa gerotor. Ugotovljeno je bilo, da velikosti izvrtin vplivajo na delovanje HM-ja. V vseh točkah merjenja smo prepoznali določen trend gibanja vrednosti skupnega izkoristka pri povečevanju premera izvrtin v ventilski plošči. V povpre- čju smo največji izkoristek dobili v primeru velikosti izvrtin Φ 6,3 mm, kar je za 0,8 mm več kot v začetnem stanju, ko je bila izvrtina velika Φ 5,5 mm. V primeru velikosti izvrtin Φ 6,3 mm je bil skupni izkoristek v povprečju večji za 5 % glede na za- četno stanje. Pri analizi volumetrič- nega izkoristka smo ugotovili, da se ta zmanjšuje s povečevanjem tlačne razlike, kar je bilo v skladu s priča- kovanji. Trend mehansko-hidravlič- nega izkoristka je zelo podoben trendu skupnega izkoristka. Pri po- večevanju izvrtin velikosti Φ 5,5 mm do Φ 6,3 mm je prišlo do povečanja mehansko-hidravličnega izkoristka. Ko smo premer izvrtin povečevali od Φ 6,5 mm do Φ 7,1 mm je me- hansko-hidravlični izkoristek dra- stično padel. Pri nadaljnjih raziskovalnih aktiv- nostih bomo analizirali tribološke razmere med najpomembnejšimi sestavnimi deli HM-ja. Osredotoči- li se bomo na tribološke probleme šestih triboloških parov (slika 14). To so rotor-potisna plošča (1), rotor- jev obroč-potisna plošča (2), rotor- -rotorjev obroč (3), rotorjev obroč- -ohišje (4), rotor-ventilska plošča (5), rotorjev obroč-ventilska plošča (6). Viri [1] Michael, P., Burgess, K., Kimball, A. & Wanke, T.: Hydraulic Fluid Efficiency Studies in Low-Speed High-Torque Motors, SAE Tech- nical Paper 2009-01-2848, 2009, 7, doi:10.4271/2009-01-2848. [2] Bae, J. H., Lee, H. R. & Kim, C.: Optimal Design of Gerotor with Combined Profiles (Three-Ellipse and Ellipse-Involute-Ellipse) Using Rotation and Translation Algori- thm, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, 2015, 39(2), 169–177. [3] Sang, X., Zhou, X. & Liu X.: Per- formance optimization of an oil ellipse gerotor pump for auto- motive engine, 5th International Conference on Advanced Design and Manufacturing Engineering (ICADME 2015), 1686–1690. [4] Jacazio, G. & De Martin, A.: Influ- ence of rotor profile geometry on the performance of an origi- nal low-pressure gerotor pump. Mechanism and Machine Theo- ry, 2016, 100, 296–312. [5] Dong, X.: Multi-Objective Op- timization Design of Gerotor Orbit Motors, SAE Technical Paper 2002-01-1350, 2002, doi:10.4271/2002-01-1350. [6] Ding, H., Lu, X. J. & Jiang, B.: A Slika 14. Tribološki pari znotraj hidravličnega motorja Tribološki par 1: rotor-potisna plošča. Tribološki par 2: rotorjev obroč- potisna plošča. Tribološki par 3: rotor-rotorjev obroč. Tribološki par 4: rotorjev obroč-ohišje. Tribološki par 5: rotor-ventilska plošča. Tribološki par 6: rotorjev obroč-ventilska plošča. 490 Ventil 22 /2016/ 6 HIDRAVLIČNI MOTORJI CFD model for orbital gerotor motor. IOP Conference Series: Earth and Environmental Scien- ce, 2012, 15(6). [7] Mishev, A. & Stehle, T.: CFD- -Analyse zur Leistungssteige- rung eines Orbit-Motors, Un- tersuchung des Einflusses von Rotorzähnezahl und Exzentrizi- tät auf die Performance des Mo- tors, 2015. [8] Experimental and torque iden- tification losses in gerotor and modelling hydraulic of flow mo- tors, Power fluid, 1993, 0–5. [9] Garcia, J. M.: Surface effects on start-up friction and their ap- plication to compact gerotor motor design, 2011. Dostopno na: http://search.proquest.com/ docview/900865878?account id=16468, Ogled: 29. 11. 2016. [10] Furustig, J., Almqvist, A., Pelca- stre, L., Bates, C. A., Ennemark, P. & Larsson, R.: A strategy for wear analysis using numerical and experimental tools, applied to orbital type hydraulic motors. Dostopno na: http://pic.sage- pub.com/content/early/2015/0 6ogled/10/0954406215590168, Ogled: 29. 11. 2016. [11] Ranganathan, G., Hillson Samuel Raj, T. & Mohan Ram, P. V.: Wear characterisation of small PM rotors and oil pump bearings, Tribology International, 2004, 37(1), 1–9. [12] Ivantysyn, J. & Ivantysynova M.: Hydrostatic Pumps and Motors, First English Edition, Akademia Books International, 2000. [13] Schlösser, W. M. J. & Hildbrands, J. W.: Das theoretische Hubvolu- men von Verdrängermaschinen. Ölhydraulik und Pneumatik 7, 1963 (4). [14] Toet, G.: Die Bestimmung des theoretischen Hubvolumens von hydrostatischen Verdrän- gerpumpen und -motoren aus volumetrischen Messungen, Ölhydraulik und pneumatik 14, 1970 (5). [15] Standard ISO 8426, Hydraulic fluid power, Positive displace- ment pumps and motors, De- termination of derived capacity, 2008. [16] Evaluation of measurement data – Guide to the expression of un- certainty in measurement, JCGM 100:2008, GUM 1995 with minor correction, 2008. Influence of the size of holes in the valve plate on volumetric, mechanical-hydraulic and total efficiency of the low speed high torque hydraulic gerotor motor Abstract: The rapid development of hydraulic components have led to several types of hydraulic motors. In this paper, the special type of the low speed high torque hydraulic gerotor motor with the floating outer ring is presented. The most important parts of the hydraulic motor regarding the principle of operation are the inner rotor, the outer ring, the gerotor housing and the valve plate. The main purpose of this scientific paper was to analyse the influence of the size of the holes in the valve plate on the total efficiency of the gerotor. In the case of hole size Φ 6,3 mm the total efficiency on average was 5% higher in comparison to the initial hole size of Φ 5,5 mm. Keywords: orbital hydraulic motor, valve plate, hole diameter, total efficiency ZAHVALA Avtorji se tako v lastnem imenu kot v imenu Laboratorija za fluidno tehniko zahvaljujemo za finančno in ma- terialno pomoč podjetju KGL, d. o. o., ki nas podpira pri raziskovalnem delu. Seznam uporabljenih simbolov Simbol Enota Pomen j oznaka za indeks k število izmerkov n min-1 vrtilna hitrost p1 bar tlak na vstopni strani hidravličnega motorja p2 bar tlak na izstopni strani hidravličnega motorja M Nm moment Q1 m 3s-1 prostorninski pretok na vstopni strani hidravličnega motorja qHM m 3 iztisnina hidravličnega motorja ηmh, HM mehansko-hidravlični izkoristek hidravličnega motorja ηs, HM skupni izkoristek hidravličnega motorja ηv, HM volumetrični izkoristek hidravličnega motorja