Z pewnością każdy inżynier słyszał o siłowniku hydraulicznym, ale nie każdy – o silniku. Silniki hydrauliczne znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, ale także w maszynach budowlanych, ciągnikach, transporcie, itp.

Silnik hydrauliczny – pisząc w uproszczeniu – działa w odwrotny sposób niż pompa hydrauliczna – przekształca energię hydrauliczną cieczy (oleju) w ruch elementów silnika. Energia hydrauliczna cieczy to energia wynikająca z jej ruchu lub ciśnienia. Silniki, w których energia mechaniczna uzyskiwana jest z energii potencjalnej cieczy (ciśnienie) to silniki hydrostatyczne, natomiast te, w których zamienia się energię kinetyczną (przepływ), to silniki hydrokinetyczne. Powszechnie stosowaną nazwą jest hydromotor.

Ciśnienie pracy jest ściśle związane z momentem obrotowym, natomiast natężenie przepływu z pompy wpływa głównie na prędkość obrotową silnika hydraulicznego.

W zależności od sposobu działania można wyróżnić kilka podstawowych typów takich silników:

• zębate, w których elementami roboczymi są koła zębate,
• tłokowe, w których ciecz wprawia w ruch tłoki,
• łopatkowe, w których ciecz obraca wirnik z łopatkami,
• gerotorowe (orbitalne), w których wykorzystuje się orbitalne koła z uzębieniem zewnętrznym oraz pierścieniom z uzębieniem wewnętrznym; takie silniki pozwalają wytworzyć duży moment obrotowy przy niewielkich obrotach.

Głównymi zaletami hydromotorów są: prostota konstrukcji, wydajność, duży moment obrotowy, duża moc, łatwość sterowania i użytkowania, trwałość i niezawodność. Do wad natomiast można zaliczyć stosunkowo duży koszt instalacji w stosunku do silnika elektrycznego (instalacja z olejem hydraulicznym), straty energii związane z wydzielaniem ciepła oraz konieczność utrzymania systemu w idealnym stanie dla zapobiegania wyciekom.

Podstawowe parametry silników hydraulicznych

Istnieje kilka parametrów charakteryzujących hydromotory. Podstawowymi są trzy: ciśnienie, moc oraz chłonność. Od ciśnienia zależy moc i moment obrotowy silnika. Generowana moc silnika to możliwość wykonania określonej pracy w jednostce czasu. Moment generowany przez silnik zależy wprost od jego chłonności i poziomu ciśnienia. Natomiast chłonność to zapotrzebowanie silnika na określoną objętość oleju, która jest potrzebna do wytworzenia odpowiedniego ciśnienia/ruchu. Im chłonność jest mniejsza tym mniejszy jest zwykle silnik i zużywa mniej energii. Chłonność zwykle podawana jest w cm3.

Inne parametry hydromotorów to odporność na obciążenia udarowe (maksymalne ciśnienie chwilowe), zakres obrotów, maksymalny moment obrotowy nie powodujący zniszczenia urządzenia, maksymalny przepływ cieczy. Ponadto oczywiście wymiary kołnierzy do podłączenia instalacji hydraulicznej, wymiary samego urządzenia oraz waga.

Zastosowanie hydromotorów

Teoretycznie silniki hydrauliczne mogą zastąpić silniki elektryczne w każdej aplikacji. Jedynym problemem jest ich zasilanie w olej hydrauliczny, do czego niezbędna jest odpowiednia instalacja, zaopatrzona w pompę wytwarzającą ciśnienie. Oczywiście nie wszędzie jest to racjonalne, ale w maszynach roboczych, gdzie i tak stosuje się siłowniki hydrauliczne, zastosowanie hydromotorów jest powszechne.

Jak mówi mgr inż. Arkadiusz Bręk z firmy Bosch Rexroth, zakres zastosowań jest bardzo obszerny. Są to maszyny i urządzenia przeładunkowe w zakładach górniczych, energetycznych, cementowniach (ładowarki czerpakowe, przenośniki, podajniki, kruszarki), maszyny do przetwarzania odpadów (rozdrabniacze, przerzucarki, strzępiarki, fermentatory), maszyny do przetwarzania drewna (skrawarki, korowarki), maszyny do przetwórstwa gumy (miksery, walcarki, wytłaczarki, kalandry), maszyny i urządzenia w sektorze morskim (wszelkiego rodzaju wciągarki na statkach, urządzenia dźwigowe na statkach i w portach), maszyny i urządzenia w przemyśle papierniczym (prasy filtracyjne, filtry bębnowe, warniki, przenośniki, mieszadła), maszyny i urządzenia w przemyśle metalurgicznym (konwertery, piece obrotowe, brykieciarki, stoły obrotowe, przenośniki, podajniki), maszyny i urządzenia w sektorze chemicznym (reaktory, miksery, kruszarki, mieszadła), maszyny i urządzenia w przemyśle cukrowniczym (młyny, przenośniki, dyfuzory, mieszadła), maszyny i urządzenia w przemyśle poszukiwania ropy i gazu (wiertnice, stoły obrotowe, pompy płuczki), urządzenia w budownictwie hydrotechnicznym (jazy, śluzy, zapory). Warto zwrócić uwagę, że silniki hydrauliczne znajdują zastosowanie tam, gdzie elektryczne byłyby narażone na trudne warunki środowiskowe, występowanie atmosfery wybuchowej. Silnikom hydraulicznym nie straszne są praktycznie żadne trudne warunki pracy.

Jak  twierdzą inżynierowie z firmy Hydropress Hydraulika Siłowa, silnik hydrauliczny może być zamiennikiem silnika elektrycznego. Jednak jest w tym stwierdzeniu dużo zmiennych. W szczególności jeżeli jest potrzebna duża moc przy małej prędkości obrotowej. Np. przy małych gabarytach potrzebna jest wysoka gęstość mocy – wtedy pierwszym wyborem są silniki hydrauliczne. Ich zaletą jest proste sterowanie prędkością i ciśnieniem, co przekłada się na łatwą regulację silnika i w konsekwencji na prostą regulację prędkości obrotowej.

Arkadiusz Bręk zauważa, że w większości aplikacji napędowych w przemyśle silniki elektryczne są połączone z różnego typu przekładniami mechanicznymi tworząc napęd elektromechaniczny. Takie napędy można zastępować silnikami hydraulicznymi, jeśli trwałość istniejących napędów elektromechanicznych jest niezadowalająca dla użytkownika końcowego i skutkuje częstymi awariami generującymi określone straty. Zamiana napędu elektromechanicznego na tzw. bezpośredni napęd hydrauliczny wymaga dokładnego przeanalizowania wielu czynników, z których najistotniejszy jest rzeczywisty cyklogram obciążeń. Generalnie napędy hydrauliczne ze względu na swoje cechy fizyczne znakomicie nadają się do tzw. aplikacji trudnych i wymagających, gdzie występuje duża zmienność obciążenia i przeciążenia, częste zatrzymanie i rozruch lub zmiana kierunku ruchu, zmienna prędkość obrotowa, ciężki rozruch wymagający dwu a nawet trzykrotności momentu nominalnego od początku ruchu, trudne warunki środowiskowe, zapylenie, atmosfera wybuchowa, ograniczona przestrzeń do zabudowy napędu.

Jak kupić odpowiedni silnik hydrauliczny?

Jak radzi Arkadiusz Bręk, przy wyborze najlepiej zwrócić się do producenta silników. Należy zwrócić uwagę, że silnik hydrauliczny jest tylko częścią układu napędowego, równie ważne jest właściwe zaprojektowanie i wykonanie agregatu hydraulicznego oraz instalacji hydraulicznej łączącej poszczególne podzespoły. W celu właściwego doboru napędu hydraulicznego należy jak najdokładniej opisać aplikację oraz zwrócić szczególną uwagę na cyklogram obciążeń, warunki zabudowy i warunki środowiskowe.

Eksperci Hydropress Hydraulika Siłowa dodają, że najważniejszy jest odpowiedni dobór cech i parametrów takich jak np.:

• warunki użytkowania
• prędkość obrotowa, wynikająca z chłonności silnika oraz wydajności pompy,
• moment obrotowy, wynikający głównie z ciśnienia pracy,
• łożyskowanie silnika, szczególnie gdy element napędzany jest sprzężony bezpośrednio z wałem silnika hydraulicznego,
• możliwość adaptacji dodatkowych zaworów sterujących i zabezpieczających, hamulców ciernych lub czujników prędkości, nabudowanych na silniku.

Analizując wyniki sprzedaży często stosowany jest silnik zębaty, ale dostępne też są silniki łopatkowe, orbitalne/gerotorowe i promieniowe. Wykorzystywane są wszędzie tam, gdzie jest potrzebny wysoki moment obrotowy. Należy dobrze dobrać rodzaj silnika, gdyż nie każdy sprawdzi się równie dobrze w poszczególnych aplikacjach. Każdy z silników ma swoje określone parametry, które powodują, że zamienność jest mocno ograniczona zarówno ze względów technicznych jak i ekonomicznych.

Jak podkreślają inżynierowie  Hydropress Hydraulika Siłowa, silniki orbitalne charakteryzują się tym, że w małym zakresie obrotów można uzyskać duży moment. Natomiast silniki zębate mogą osiągać duże prędkości obrotowe przy małych wartościach momentów. Silnik łopatkowy jest czymś pomiędzy silnikiem gerotorowym a zębatym. Dużym plusem silnika łopatkowego jest niska głośność ale ciśnienie pracy bywa też zazwyczaj niższe. Z kolei silnik tłokowy jest najlepszym rodzajem, łączącym pozytywne cechy pozostałych silników. Przy tym jest najdroższym ze wszystkich silników i najbardziej wrażliwym na zanieczyszczenia w układzie.

Dobór odpowiedniego silnika hydraulicznego i jego zamienność z elektrycznym zależy:

• od zakresu parametrów, w którym maszyna/urządzenie będzie pracować,
• jak często będzie pracować w danym zakresie,
• od finalnej sprawności, jaką silnik osiągnie w tym zakresie pracy,
• od miejsca jego instalacji.

Należy też uwzględnić kwestie podłączenia samego silnika. Różne typy silników mają różne gabaryty, więc nawet jeżeli czasami możliwe jest wykorzystanie danego typu silnika ze względu na parametry, to przeciwwskazaniem może się okazać typ podłączenia wybranego silnika i np. rodzaj wałka.

Niezawodność silników hydraulicznych

Eksperci Hydropress Hydraulika Siłowa podkreślają, że żywotność silnika hydraulicznego zależy w głównej mierze od czystości układu hydraulicznego, więc dbanie o ochronę przed zanieczyszczaniem, o systematyczną wymianę oleju, a także niedopuszczanie do przegrzania medium roboczego, wpływa na wydłużenie żywotności silnika i jest ściśle z nią związana. Ważne jest odpowiednie podłączenie linii przeciekowych, generowanych przez silnik i stosowanie się do zaleceń producenta, dotyczących czasu pracy w danych zakresach prędkości, wymaganych czy zalecanych prędkości obrotowych i momentów.

Arkadiusz Bręk dodaje, że prawidłowo dobrany i właściwie eksploatowany silnik hydrauliczny wykazuje się bardzo dużą niezawodnością. Trwałość obliczeniowa jest wprost powiązana z aplikacją i cyklogramem obciążeń. W aplikacjach przemysłowych jako minimalną trwałość obliczeniową przyjmuje się 40 000 h (przy pracy ciągłej na dwie zmiany jest to ok. 10 lat). Doświadczenie pokazuje, że wiele silników pracuje bezawaryjnie nawet 20 i więcej lat. Przestrzeganie informacji zawartych w instrukcji obsługi silnika, jego właściwy pierwszy montaż i uruchomienie, prawidłowa eksploatacja i okresowa konserwacja zgodnie z wymaganiami producenta to klucz do długiej i bezawaryjnej pracy napędu z silnikiem hydraulicznym.

Jednym z warunków długiej, niezawodnej pracy jest właściwe zaprojektowanie układu hydraulicznego oraz jegi prawidłowa obsługa serwisowa. – Przekroczenie maksymalnego ciśnienia w układzie grozi uszkodzeniem elementów układu hydraulicznego co w konsekwencji może doprowadzić do uszkodzenia maszyny/urządzenia, wypadku, ciężkiego urazu a nawet śmierci, stąd obsługa układów hydraulicznych wymaga wykwalifikowanych techników/inżynierów – mówi Arkadiusz Bręk.

Z kolei inżynierowie z Hydropress Hydraulika Siłowa podkreślają, że w dobrze zaprojektowanym układzie hydraulicznym przed niekontrolowanym wzrostem ciśnienia, silnik zabezpieczany jest przez zawór przelewowy. Dopiero w sytuacji, gdy tego zaworu nie ma, może to skutkować:

• rozerwaniem korpusu silnika,
• generowaniem zbyt dużego momentu, który zatrze łożyska,
• uszkodzeniem innej części maszyny, która napędza ten silnik
• wygenerowaniem zbyt dużej prędkości obrotowej, której nie jest w stanie odebrać element napędzany.

Uszkodzenia silników hydraulicznych zwykle wynikają ze zużycia części eksploatacyjnych, przede wszystkim uszczelek, ale także tłoków, pierścieni uszczelniających oraz łożysk. Najczęściej objawia się to spadkiem mocy, prędkości obrotowej i/lub wyciekiem oleju. Objawem uszkodzenia mogą być pojawiające się wibracje, które są stosunkowo łatwe do wykrycia za pomocą odpowiednich przyrządów diagnostycznych. Pozytywny wpływ na długowieczność silników hydraulicznych może mieć zastosowanie odpowiednich filtrów i urządzeń filtrujących olej oraz ich cykliczna wymiana.

Naprawa silników hydraulicznych polega na właściwej diagnostyce i wymianie lub regeneracji odpowiednich części. Najczęstszą przyczyną uszkodzeń są zanieczyszczenia pojawiające się w oleju wynikające z uszkodzeń uszczelnień lub zużycia części (opiłki z elementów silnika pojawiają się w oleju). Poza zużyciem mechanicznym uszkodzeniom sprzyja niewłaściwa temperatura (zbyt wysoka lub zbyt niska) powodująca przegrzanie lub zatarcie, a także nadmierne ciśnienie w systemie hydraulicznym.

Rynek

Silniki hydrauliczne nie są kosztowne. Ich ceny zaczynają się od praktycznie 400 zł (choć można znaleźć urządzenia kosztujące nawet poniże 300 zł), a kończą na kilku tysiącach zł. Oczywiście specjalizowane silniki do ciężkich maszyn budowlanych mogą kosztować nawet kilkadziesiąt tysięcy zł, ale jest to oferta bardzo specjalistyczna. Najszersza oferta skierowana jest dla maszyn budowlanych, co nie oznacza, że takich silników nie można zastosować w aplikacjach przemysłowych.

W Polsce można znaleźć kilkadziesiąt firm oferujących hydromotory. Są to głównie importerzy/dystrybutorzy, ale także sklepy internetowe oraz sami producenci. W ofercie znajduje się – jak oceniam – ponad 200 modeli takich silników. W Internecie można także znaleźć oferty firm z Chin, co ciekawe – w języku polskim i z szybką dostawą w Polsce.

Ponieważ oferta jest bardzo szeroka, a parametry oferowanych silników są zbliżone, tym razem zamieszczamy przykład takiej oferty pochodzący z firm Bosch Rexroth oraz HYDROPRESS HYDRAULIKA SIŁOWA. Urzędznia te są reprezentatywne dla całej oferty.

Wśród firm oferujących hydromotory i/lub zajmujących się ich naprawami znajdują się takie jak (w kolejności alfabetycznej): BANAT, BIBUS MENOS, BIPROMASZ, Bosch Rexroth, Bulmach, Danfoss, FAMA, Farmiko, GRANIT, HEKTOS Hydraulika Przemysłowa, HIDROMA SISTEMS, HP-Hydraulika Siłowa i Mechanika Maszyn, Hydraulik Services, HYDRAULIK System, HYDRO-DYNA, HYDROF, HYDROKON – Hydraulika Siłowa, HYDROLIDER, HYDROMAR, HYDROMECH, HYDROMIT, Hydronin, HYDROPRESS HYDRAULIKA SIŁOWA, HYLMET, INTER-TECH – Hydraulika Siłowa, IOW TRADE, KOLMECH, LUBMASZ, Mechanix MD, MEGAHYDRAL, MIZAR, Motoart, PNEUMATYKA AUTOMATYKA, PONAR Wadowice, PREMBUD, PRESKO, Remix, ROLMAR Trade, Transtools, Winkler, ZENOX.

Firma Bosch Rexroth zwraca uwagę na silniki Hagglunds. Na polskim rynku z racji specyfikacji technicznej produkowanych oraz eksploatowanych maszyn i urządzeń najbardziej popularne są silniki Hagglunds CA i Quantum w całym zakresie wielkości. Silniki te znajdują zastosowanie w maszynach i urządzeniach przeładunkowych – ładowarko-zwałowarki, przenośniki, podajniki członowo – płytowe; w przemyśle gumowym – walcarki; w recyklingu – rozdrabniacze do złomu, opon, śmieci; strzępiarki; w przemyśle papierniczym – filtry, mieszalniki, podajniki; w przemyśle metalurgicznym – piece obrotowe, przenośniki; w przemyśle morskim – napędy wciągarek i w wielu innych maszynach i urządzeniach specjalnych.

Firma Hydropress Hydraulika Siłowa zauważa, że najczęściej dostarcza swoim klientom silniki orbitalne o stałej chłonności.  Dzielą się one na wiele grup wielkościowych, w zależności od branży do której trafią. Najpopularniejsza jest seria silników VGMR, gdyż jej zakres parametrów najbardziej wpasowuje się w zapotrzebowanie aplikacji ich klientów – tj. od maszyn budowlanych, komunalnych (zamiatarki), po maszyny rolnicze, takie jak owijarki. Możemy je też spotkać na przenośnikach taśmowych do napędu rolek, w maszynach budowlanych – do odbiorników, które potrzebują określonej prędkości obrotowej.

Kompaktowa budowa, małe wymiary zewnętrzne, duży zakres prędkości obrotowych, cicha i płynna praca – wszystko to spełnia oczekiwania wielu aplikacji i decyduje o ich dużej popularności. Dodatkowym atutem jest stosunkowo niska cena.

Autor: Tomasz Kurzacz

Pełny tekst w wersji PDF znajduje się poniżej lub proszę kliknąć niniejszy link do pobrania pliku PDF
GM_2025_1_32_37_Silniki hydrauliczne