Мы знаем множество интересных видов двигателей, которые позволяют приводить в движение разнообразные устройства и механизмы людей.
Двигатели эти существуют абсолютно разных конструкций и типов источника приводного усилия.
В свете сказанного, зададимся вопросом: а может ли жидкость выступать в качестве двигателя?! Вернее сказать, в качестве рабочей среды этого двигателя?
Мы видели двигатели с электрическим приводом, видели пневматические и даже внутреннего сгорания...
Однако, думается, что подавляющему большинству, мало знаком следующий тип двигателя, который называется «гидромотор»! :-)
Сразу следует сделать оговорку, что может вызвать смущение, его своеобразный принцип работы, а именно, потребность во внешнем питании некой средой, которая и является источником энергии для работы мотора, из-за чего некоторые могли бы скорее отнести его к «преобразователю», но, тем не менее, в технике он носит именно такое название как «гидромотор».
Думается, что, причиной этого является то, что он использует (равно как и другие типы двигателей) некий источник энергии, для преобразования её в полезную работу, в свете чего, он ничем и не отличается от остальных: у кого-то это электроэнергия, у кого-то сгораемое топливо, а у нашего же «красавца» — жидкость под давлением!
Подобные приводы появились не вчера, — человечество всю свою историю тем или иным способом приспосабливало значимые факторы окружающей среды для своих целей, где одним из которых были жидкости: уже на начальных этапах своей истории, человечество испытывало потребность, в мощных, желательно небольших, устройствах, которые могли бы обеспечить хорошее усилие для полезной работы.
Конечно, на тот момент ещё речь не шла о в полной мере гидравлических устройствах под давлением, а всё, так или иначе «плясало» вокруг полезного использования природной воды: разнообразные колёса водяных мельниц, иные приводы — даже те же обычные вёсла на древних драккарах тоже вполне можно отнести к первым прообразам гидромоторов...
Тем не менее, даже среди них, особняком стоит одно устройство, которое поражает даже сейчас, своей сложностью и совершенством, а также древностью, из которой оно родом — Архимедов винт:
По некоторым историческим свидетельствам (Диадор Сицилийский, Витрувий), принято считать, что приписываемое Архимеду авторство этого устройства, скорее всего является правдой.
Подобное устройство широко использовалось в прошлом, в средиземноморском регионе, как минимум, благодаря своей эффективности, из-за способности работать с жидкими субстанциями, в том числе не просто жидкостями, а с субстанциями, загрязнёнными механическими примесями разных фракций и для подъёма воды в оросительных каналах, а сам винт, по некоторым историческим свидетельствам, выполнялся внутри трубы, отлитым из бронзы, где, в одной из версий, приводился в действие или рукояткой, как показано на картинке ниже или даже просто человеком, стоявшем на внешнем цилиндре и вращавшем его ногами:
Мы сейчас не будем детально разбирать весь ход истории, так как иначе нам пришлось бы поднять и рассмотреть довольно большой её пласт, что явным образом не входит в наши планы. :-)
Поэтому, ограничимся лишь кратким упоминанием, что полезное использование жидкостей с помощью технических приспособлений имеет давнюю историю и не прерывается и по сей день, где иной раз появляются и действительно знаковые вещи, дающие новые возможности…
Развитие цивилизации и целый ряд факторов привели к первой промышленной революции, начиная с XVIII века, где одним из наиболее значимых стало широкое распространение паровых машин, впервые в человеческой истории, позволившее людям организовывать массовые производства с механизированными линиями.
Не оставили стороной паровые машины и транспорт: огромная тяга, даже на низких оборотах, фактически даже с нуля (неотъемлемое свойство таких машин), позволила организовать массовые перевозки тяжёлого сырья и ресурсов, а также готовых товаров.
Но, паровые машины имели и очевидные недостатки:
большие габариты и вес;
большое потребление воды и топлива (а их, помимо всего прочего, где-то надо было брать и завозить к месту действия паровой машины);
медленный выход на рабочий режим: все мы знае�� из исторических книг понятие «развести пары» — то есть, для приведения в рабочее состояние, необходимо было развести огонь и вскипятить воду, что занимало время;
пожароопасность, взрывоопасность.
Было понятно, что это не «конец пути» в развитии приводов.
Требовалось нечто более безопасное, экономичное и компактное…
И, постепенно, в ходе второй промышленной революции, это средство появилось — двигатель внутреннего сгорания, который очень быстро стал её символом и движущей силой!
Но, первые двигатели были бензиновыми, а для гидромотора требовалось нечто помощнее — так как он создаёт постоянную нагрузку и это влияет на ресурс мотора, который, к тому же, вынужден работать на высоких оборотах.
Несмотря на появление первого дизеля ещё в 1893 году (Р.Дизель, Германия), до широкого распространения гидромоторов оставалось ещё примерно целых полвека — причиной стало то, что первые дизели были достаточно габаритными установками, которые впору было использовать, разве что в стационарных применениях:
Последовавшие 2 мировые войны привели к потребности постоянного совершенствования двигателей, что, в свою очередь, привело и к уменьшению габаритных размеров их, что, в том числе, коснулось и дизельных двигателей, которые явились весьма удачным вариантом, в качестве привода гидромотора — так как дизели могут создавать значительное усилие даже на малых оборотах, кроме того, отличаясь и экономичностью.
«Привода гидромотора» — диковато выглядит, не так ли? :-) Ведь, по идее, если это «мотор» — то он и должен приводить в действие что-то…Так зачем же его самого нужно приводить в действие и какой же это тогда мотор?!
Дело в том, что это в полной мере отражает его суть: ведь такой мотор является по сути…обычным насосом! То есть, обратимой машиной: если его крутить — он качает жидкость, а если в него подавать жидкость — то её усилие будет трансформироваться во вращение вала!
Что, впрочем, не исключает того, что конкретный тип может быть специализирован, для выполнения роли только собственно мотора, а не насоса, с целью повышения КПД.
Кому впервые пришла в голову идея использовать насос в роли мотора, история умалчивает, однако ряд учёных сходятся во мнении, что это Уильям Джордж Армстронг:
Разработавший роторный гидравлический двигатель:
И поршневой гидравлический двигатель:
Дело у него в итоге пошло так хорошо, что он даже оставил свою юридическую практику и основал с партнёром компанию по производству таких машин…
В дальнейшем, инженерами была разработана целая линейка гидромоторов, разнообразных по свойствам и назначению, где самым первым и самым простым стоит так называемый «шестерённый» гидромотор, в котором обычные шестерёнки приводятся в движение током жидкости.
Это самый простой тип гидромотора, который используется в применениях, где не так важна плавность хода, так как из-за своей шестерённой природы, он отличается пульсациями в работе.
Также, как и предыдущий тип, относительно большими пульсациями отличается и следующий мотор, называемый пластинчатым/лопастным.
Среди его отличительных особенностей можно назвать большие требования к чистоте жидкости, так как иначе возникает залипание пластин; этот же эффект может наблюдаться и при низких температурах:
Ну и, наконец, мы подошли к самому интересному типу — аксиально-поршневым гидромоторам: практически отсутствующие пульсации, широкий диапазон регулировки скорости вращения, самый высокий КПД из перечисленных — это всё про них.
Устроены они в виде блока поршней, закреплённых на валу, и, при вращении смещающихся на некую величину:
Если требуется совсем экстремальный крутящий момент, то используются радиально-поршневые гидромоторы, где поршни расположены как лучи солнца, расходящиеся в стороны.
Их отличительной особенностью является способность работать с низкими оборотами, выдавая огромный крутящий момент, что позволяет устранить необходимость в редукторах и использовать подобные моторы для непосредственного привода в движение движущих элементов тяжёлой техники, например, гусениц:
Ну и, после рассмотрения всех типов моторов, встаёт главный вопрос: а, собственно говоря, что питает их, что является источником давления рабочей среды?
Вы видели, что гидромотор является обратимой машиной, и, в теории, можно было бы поставить такой же гидромотор (на самом деле нет, так как большинство распространённых гидромоторов специализированы как именно «моторы»), и заставить их качать жидкость!
Но, есть способ лучше: среди множества возможных принципов накачки жидкости под давлением, мне больше всего нравится своей гибкостью применения аксиально-поршневой насос, снабжённый специальной пластиной, с изменяемым углом наклона — называется «планшайба» (swashplate): регулируя угол наклона этой шайбы, можно менять количество подаваемой насосом жидкости:
Разобравшись с парочкой основных компонентов, давайте, наконец, выясним, а чем так хороши гидромоторы, что они вообще появились в технике?
Их основным отличительным свойством является весьма компактный размер, но, при этом просто огромный крутящий момент и мощность, что обуславливается их работой на базе несжимаемой жидкости, которая может подаваться под очень большими давлениями, вплоть до 45 МПа и больше.
Таким образом, получается, что гидромоторы фактически заняли нишу паровых двигателей, так как аналогично паровым, они могут обеспечивать огромный крутящий момент, прямо с нуля оборотов.
Также, в практическом смысле они интересны своей способностью обеспечить большую мощность, то есть, совершить большую работу в единицу времени — например, быстро поднять и передвинуть с места на место тяжёлый груз.
Также, они интересны тем, что позволяют обеспечить плавное регулирование скорости вращения в очень широком диапазоне - 1000:1*.
Ещё весьма ценным является возможность конструктивно разнести в разные места — блок генерации приводного давления и сам гидромотор, которые будут связаны всего лишь относительно тонкими трубками для передачи жидкости.
Это позволяет довольно гибко проектировать системы, располагая элементы удобным образом для конструктора (например, не нужно связывать между собой карданом, для передачи усилия и т.д.)
*Если вы помните, то выше мы говорили о том, что у гидронасосов есть такая штука, как планшайба (swashplate), регулировкой угла наклона которой меняется количество подаваемой насосом жидкости?
Вот это оно и есть: плавная регулировка скорости вращения гидромотора достигается плавной регулировкой угла наклона планшайбы!
Таким образом, например, если гидромотор должен быть выключен - планшайба устанавливается таким образом, чтобы у поршней отсутствовало смещение.
Таким образом, блок поршней продолжает просто вращаться, не качая жидкость!
То есть, так как гидромотор обычно жёстко связывается с приводным двигателем, например, с тем же самым дизельным, то такой способ регулировки позволяет включать подачу жидкости только тогда, когда нужно, а в остальное время, блок поршней крутится впустую.
В противном случае, если требуется начать подачу жидкости, необходимо просто сместить на некоторый угол планшайбу, что, соответственно, включит и гидромотор. Всё просто...
Кроме его небольших размеров, относительно развиваемых показателей, о которых мы уже сказали выше, гидромоторы обычно имеют весьма надёжную конструкцию, специально предназначенную для тяжёлых условий эксплуатации, а постоянная работа в масляной среде* увеличивает долговечность механизмов.
*На самом деле, далеко не всегда машинное масло может применяться в качестве гидравлической жидкости, могут применяться и другие составы, например, на основе воды, с соответствующим снижением срока службы механизма из-за меньшей эффективности смазывания, чем у масла.
Кроме регулировки скорости оборотов двигателя, логично, что должна существовать какая-то возможность и вовсе отключать его и включать — это как минимум необходимо для гарантии выключения мотора, так как даже минимизация потока, с помощью установки планшайбы в нейтральное положение, может всё равно создавать некий поток, из-за не совсем идеальной установки, поэтому, применяются ещё и гидрораспределители: специальные устройства, которые при подаче электрического сигнала могут включать/отключать подачу на гидромотор, в нейтральном положении сливая поток масла в резервуар.
Кстати говоря, гидрораспределители совершенно элементарным образом управляются, с помощью микроконтроллера (esp32, даже Arduino) и силового ключа на транзисторе. Выглядят примерно так.
Судя по всему, рассказу выше, могло сложиться ошибочное впечатление, что гидромотор является эдаким «супераппаратом, решающим все проблемы приводов» — но это вовсе не так, и у них есть свои недостатки:
их КПД уступает электродвигателям (около 75%, иногда больше - против до 96% у электродвигателей); однако, гидромоторы могут работать в широком диапазоне нагрузки и скоростей вращения, в противовес оптимальным режимам у электродвигателей;
сложность обслуживания из-за не совсем простой конструкции;
зависимость от окружающей среды и её температуры;
относительно высокий шум при работе.
Теперь, когда мы разобрались в основных элементах, которые позволяют создать весьма мощную и компактную систему, думается, для вас больше не будет загадкой, как устроен в своей сути, тот же самый экскаватор.: -)
Однако, на мой взгляд, одним из наиболее впечатляющих применений гидромоторов является использование их в мотоциклах!
Да, да, как ни странно, не только тяжёлая техника может быть оснащена ими!
И, ярким примером такого подхода является полноприводный эндуро мотоцикл от Yamaha — цепная передача крутит заднее колесо, а установленный на двигателе гидронасос, крутит гидромотор, установленный в ступице переднего колеса.
Таким образом, реализуется полный привод и высокая проходимость:
По некоторым данным, в этом мотоцикле были использованы аксиально-поршневые и насос, и мотор, причём насос имел регулировку подачи, как раз, с помощью наклоняемой планшайбы, которую мы рассматривали выше!
Думаете, это всё, на что способна технология? Как бы не так, — как вам понравится, например, полноприводный мотоцикл, у которого гидромоторы стоят уже в обоих колёсах:
Причём, отметим для себя, что здесь мы видим переход на бензиновый небольшой двигатель, в противовес стандартного подходу использования дизельного привода. Но, по крайней мере, здесь это понятно почему, — «компактность наше всё».
Но, это всё «преданья старины глубокой», так как дело было достаточно давно.
А вот относительно недавняя попытка, с неизменно отличным результатом: огромный крутящий момент на колёсах, позволяет полноприводному мотоциклу ехать практически где угодно (см. с 10:41), а итерационный подход к разработке интересен уже сам по себе, так как можно увидеть эволюцию самодельной конструкции:
При этом, что интересно, от такой компактной системы подачи давления, могут запитываться не только гидромоторы, но и гидроцилиндры, что, даёт возможность создавать уже весьма интересные машины, как, например, тот же самый BigDog (16 гидроцилиндров, по 4 на каждую ногу) от Boston Dynamics, на основе которого, в дальнейшем была разработана следующая модель для военных, для переноски больших тяжёлых грузов, по пересечённой местности, например по горам (например, ящиков со снарядами).
По некоторым данным, в 2015 году проект был закрыт, из-за излишней шумности получившейся системы, что сильно демаскирует военных:
Или, от них же, более интересная модель - WildCat:
Открытые технические данные касательно элементов конструкции по нему отсутствуют, однако, можно предположить, что несмотря на определённое специализирование подсистем под конкретное устройство, в основе своих принципов — всё достаточно стандартно: гидронасос с регулируемой подачей, гидрораспределитель, гидромоторы/или гидроцилиндры.
Таким образом, подытоживая, после того как мы разобрались с устройством силовых гидросистем, мы видим, что принципиально ничего страшного в них нет, а наше знание, вполне может позволить нам конструировать свои устройства!
К слову, это было бы весьма интересным стартапом: хотите сделать нечто действительно безумное, о чём будет говорить весь мир, и что параллельно, представляет собой весьма интересную инженерную задачу?
Например, просится сделать что-то подобное экзоскелету-погрузчику из фильма «Чужие», которым управляла Сигурни Уивер:
Или, взять тот же самый экзоскелет Тома Круза, из фильма «Грань будущего»:
Вот это было бы действительно интересно! :-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
