При определении компонентов для гидравлического силового агрегата размер первичного двигателя определяется исходя из требований к крутящему моменту, скорости и мощности гидравлического насоса. Это довольно просто для электродвигателей, потому что они обычно имеют пусковой крутящий момент, который намного превышает рабочий крутящий момент. Однако часто конструкторы указывают двигатели большего размера, чем необходимо. Это приводит к потере энергии, поскольку двигатель работает с КПД ниже максимального.

Дизельные и бензиновые двигатели - другое дело. У них гораздо более пологая кривая крутящий момент-скорость, поэтому они обеспечивают примерно такой же крутящий момент на высокой скорости, как и на низкой скорости. Это означает, что двигатель внутреннего сгорания может развивать достаточно высокий крутящий момент для привода нагруженного насоса, но недостаточный, чтобы разогнать его до рабочей скорости. Следовательно, при прочих равных условиях для силовой установки, требующей электродвигателя заданной номинальной мощности, обычно требуется бензиновый или дизельный двигатель с номинальной мощностью, более чем вдвое превышающей мощность электродвигателя.

Выбор оптимального размера двигателя

Стоимость электроэнергии для работы электродвигателя в течение всего срока его службы, как правило, во много раз превышает стоимость самого двигателя. Таким образом, правильный подбор двигателя для гидравлической силовой установки может сэкономить значительную сумму денег в течение всего срока службы машины. Если давление и расход в системе постоянны, для определения размера двигателя используется стандартное уравнение:

л.с."="Вопрос×п) ÷ (1714×ЕМ), где:л.с.лошадиная сила,Вопросрасход в галлонах в минуту,пдавление в фунтах на квадратный дюйм, иЕМмеханический КПД насоса.

Однако, если приложение требует разного давления в разных частях рабочего цикла, вы часто можете рассчитать среднеквадратичную (RMS) мощность и выбрать меньший и менее дорогой двигатель. Наряду с расчетом действующей мощности(Рисунок 1), также должен быть найден максимальный крутящий момент, требуемый при самом высоком уровне давления в приложении. На самом деле, два расчета довольно просты.

1. Расчет среднеквадратичной мощности.

Например, в таком приложении может использоваться шестеренчатый насос с производительностью 6 галлонов в минуту и скоростью вращения 3450 об/мин для питания рычажного механизма цилиндра, который работает в течение 85-секундного цикла.(Рис. 2). Системе требуется 3000 фунтов на квадратный дюйм в течение первых 10 секунд, 2200 фунтов на квадратный дюйм в течение следующих 30 секунд, 1500 фунтов на квадратный дюйм в течение следующих 10 секунд и 2400 фунтов на квадратный дюйм в течение следующих 10 секунд. Затем насос работает по инерции при 500 фунтов на кв. дюйм в течение 20 секунд, а затем еще 15 секунд при выключенном двигателе.

2. Рабочий цикл с несколькими давлениями для шестеренчатого насоса на 6 галлонов в минуту из примера с расчетными значениями мощности.

Заманчиво использовать стандартную формулу, включить сегмент цикла с самым высоким давлением, а затем рассчитать:

л.с.= (6 × 3000) ÷ (1714 × 0,9)    
= 11,7 л.с. за 10 сек.

Чтобы обеспечить эту мощность, некоторые конструкторы выбрали бы двигатель мощностью 10 л.с.; другие были бы ультраконсервативны и использовали двигатель мощностью 15 л.с.; некоторые могут рискнуть с 7½ л.с. Эти двигатели в открытых водонепроницаемых моделях C-face с ножками будут иметь относительную цену около 900 долларов, 1200 долларов и 600 долларов соответственно, поэтому вы можете сэкономить сотни долларов на единицу мощности, выбрав двигатель мощностью 7,5 л.с. сделать работу.

Чтобы определить это, сначала рассчитайте мощность, необходимую для каждого сегмента давления цикла:

л.с.1= (6 × 2200) ÷ (1714 × 0,9)
= 8,5 л.с. за 30 сек.

л.с.2= (6 × 1500) ÷ (1714 × 0,9)      
= 5,8 л.с. за 10 сек.час

п3= (6 × 500) ÷ (1714 × 0,9)      
= 1,9 л.с. за 30 сек.

Среднеквадратичная мощность в лошадиных силах рассчитывается путем извлечения квадратного корня из суммы этих значений мощности в квадрате, умножения на интервал времени при этой мощности и деления на сумму времен плюс член (твыключенный÷Ф), как указано врисунок 1.

Подстановка значений примера в уравнение в рамке и решение показывают, чтол.с.среднеквадратичное значение= 7,2. Таким образом, двигатель мощностью 7½ л.с. можно использовать только с точки зрения мощности. Тем не менее, второй пункт, максимальный крутящий момент, все же необходимо проверить перед принятием окончательного решения. Максимальный крутящий момент, необходимый для привода этого конкретного насоса, достигается при самом высоком давлении, поскольку выходной поток шестеренчатого насоса постоянен. Используйте это уравнение:

Т"="ДП÷ (12 × 6,28 ×ЕМ), гдеТкрутящий момент в футо-фунтах, аДсмещение в дюйм.3

Для этого примераД= (6 × 231) ÷ (3450)   
= 0,402 дюйма.3

ЗатемТ= (0,402 × 3000) ÷ (12 × 6,28 × 0,9)   
= 17,8 фут-фунт.

Поскольку электродвигатели, работающие со скоростью 3450 об / мин, генерируют 1,5 фут-фунта / л.с., для крутящего момента 17,8 фут-фунта требуется 11,9 л.с. (17,8÷1,5) при 3000 фунтов на квадратный дюйм. Это достаточно точно соответствует примеру приложения. (При других стандартных скоростях двигателя: 1725 об/мин генерирует 3 футо-фунта на л.с.; 1150 об/мин — 4,5 футо-фунта на л.с.; 850 об/мин — 6 футо-фунтов на л.с.).

Теперь второй критерий можно сравнить с крутящим моментом предлагаемого двигателя. Каков тяговый момент выбранного двигателя мощностью 7½ л.с.? Поскольку крутящий момент минимален при разгоне двигателя от 0 до 3450 об/мин, он должен быть выше 11,9 футо-фунтов с приемлемым запасом прочности. Обратите внимание, что двигатель, работающий при низком напряжении на 10 %, создаст только 81 % номинального тягового момента: другими словами, (208÷230)2= 0,81. Анализ кривых производительности производителей двигателей покажет несколько доступных моделей мощностью 7½ л.с. с более высоким пусковым моментом. Любой из этих двигателей может быть хорошим выбором для этого приложения.

Теперь оба двигательных критерия подтверждены. Среднеквадратическая мощность равна или меньше номинальной мощности двигателя. Тяговый момент двигателя больше максимально необходимого.

Мощность бензинового и дизельного двигателя

Правильный выбор размера электродвигателя для гидравлического силового агрегата является простой процедурой. И если давление нагрузки и расход остаются довольно постоянными, определить требуемую мощность относительно просто с помощью знакомого уравнения:

л.с."="д×п) ÷ (1714 ×ЕМ) где:драсход, галлонов в минуту (и учитывает объемный КПД насоса),пдавление в системе при полной нагрузке, psi иЕМмеханический КПД насоса

Например, предположим, что приложению требуется расход 13,7 галлонов в минуту при максимальном давлении 2000 фунтов на квадратный дюйм и эффективности насоса 0,80. Из приведенного выше уравнения:

л.с. = (13,7 × 2000) ÷ (1714 × 0,80)     
= 20 л.с.

Может показаться, что бензиновый или дизельный двигатель в качестве первичного двигателя будет иметь такую же номинальную мощность, как и электродвигатель. Однако общее эмпирическое правило заключается в том, чтобы указать двигатель внутреннего сгорания с номинальной мощностью в 2,5 раза больше, чем у эквивалентного электродвигателя.(Рис. 2). Это связано в первую очередь с тем, что у двигателей внутреннего сгорания соотношение крутящий момент-скорость иное, чем у электродвигателей. Изучение различных характеристик крутящего момента позволит сделать выбор на основе твердых рассуждений, а не полагаться на эмпирическое правило.

Требования к крутящему моменту насоса

Мощность, конечно же, представляет собой сочетание крутящего момента и скорости вращения. Требуемый крутящий момент насоса является основным фактором, определяющим, подходит ли двигатель или двигатель для применения. Скорость менее критична, потому что, если насос работает медленно, он все равно будет перекачивать жидкость. Однако, если первичный двигатель не развивает достаточный крутящий момент для привода насоса, насос не будет производить выходной поток.

Чтобы определить крутящий момент, требуемый гидравлическим насосом, используйте следующее уравнение:

Т"="п×Д) ÷ (6,28 × 12 ×ЕМ) где:Ткрутящий момент, фунт-фут иДводоизмещение, дюйм.3/революция

Рабочий объем насоса указан в документации производителя. Продолжая пример, представленный слева, если рабочий объем насоса составляет 1,75 дюйма3/об, требуемый крутящий момент рассчитывается следующим образом:

Т= (2000 × 1,75) ÷ (75,36 × 0,80)Т= 58 фунт-фут

Крутящий момент также можно рассчитать, используя известное уравнение мощности в лошадиных силах:

л.с."="Т×н) ÷ 5 250, где:н– частота вращения вала, об/мин. Подставляя значения из примера: 20 = (Т× 1800) ÷ 5250Т. = 58 фунт-фут.

Сигнатура крутящего момента электродвигателя

Для понимания различий в мощностных характеристиках между электродвигателем и внутренне-двигатель внутреннего сгорания, мы сначала рассмотрим характеристики стандартного трехфазного электродвигателя. На рис. 3 показано соотношение крутящий момент-скорость для двигателя NEMA Design B мощностью 20 л.с., 1800 об/мин. При получении питания двигатель развивает начальный,заблокированный ротор крутящий момент, и ротор крутится. Когда ротор ускоряется, крутящий момент немного уменьшается, а затем начинает увеличиваться, когда ротор ускоряется выше 400 об/мин. Этот провал в кривой крутящего момента обычно называюттяговый момент. В конечном итоге крутящий момент достигает максимального значения около 1500 об/мин, что является пределом мощности двигателя.опрокидывающий крутящий момент. Когда скорость ротора превышает эту точку, крутящий момент, приложенный к ротору, резко уменьшается. Это известно какрабочий крутящий момент, который становитсякрутящий момент при полной нагрузкекогда двигатель работает с номинальной скоростью при полной нагрузке — обычно 1725 или 1750 об/мин.

Кривая крутящий момент-скорость для двигателя на 3600 об/мин будет выглядеть почти так же, как у двигателя на 1800 об/мин. Разница будет заключаться в том, что значения скорости будут удвоены, а значения крутящего момента будут уменьшены вдвое.

Обычной практикой является обеспечение того, чтобы крутящий момент, требуемый от двигателя, всегда был меньше пробивного крутящего момента. Применение крутящего момента, равного или превышающего опрокидывающий момент, приведет к внезапному и резкому падению скорости двигателя, что приведет к остановке двигателя и, скорее всего, к его сгоранию. Если двигатель уже работает, можнона мгновениенагрузить двигатель почти до его предельного крутящего момента. Но для простоты обсуждения предположим, что электродвигатель выбирается на основе крутящего момента при полной нагрузке.

Обратите внимание, чтоРис. 3показывает временный большой избыток крутящего момента, который может обеспечить дополнительную силу для привода гидравлического насоса при кратковременном увеличении нагрузки. Эти типы электродвигателей также могут работать неограниченное время при их номинальной мощности плюс дополнительный процент в зависимости от их эксплуатационного фактора - обычно от 1,15 до 1,25 (на высоте до 3300 футов).

3. Кривая крутящий момент-скорость электродвигателя переменного тока показывает, что на низкой скорости может быть создан гораздо более высокий крутящий момент, чем требуется для привода гидравлического насоса на скорости с полной нагрузкой. Нажмите на изображение для увеличения.

В каталожных рейтингах электродвигателей указана их полезная мощность при номинальной скорости. Если нагрузка увеличивается, скорость двигателя снижается, а крутящий момент увеличивается до значения, превышающего крутящий момент при полной нагрузке (но меньше крутящего момента пробоя). Таким образом, при работе насоса на скорости 1800 об/мин запаса крутящего момента электродвигателя более чем достаточно для привода насоса.

Крутящий момент двигателей

Бензиновый двигатель имеет совершенно другую кривую крутящий момент-скорость.(Рис. 4)чем электродвигатель. Это означает, что бензиновый двигатель демонстрирует гораздо менее переменный выходной крутящий момент во всем диапазоне скоростей. В зависимости от конструкции дизельные двигатели с той же номинальной мощностью могут генерировать немного больший или меньший крутящий момент на более низких скоростях, чем бензиновые двигатели, но дизели демонстрируют аналогичную кривую крутящего момента во всем диапазоне рабочих скоростей.

4. Кривая крутящий момент-скорость для двигателя внутреннего сгорания гораздо более линейна, чем для электродвигателя. Это показывает, что для обеспечения крутящего момента для привода гидравлического насоса на низких скоростях газовые и дизельные двигатели должны иметь более высокую мощность, чем электродвигатель для привода того же насоса.

Приведенные выше расчеты показали, что для привода насоса на любой скорости требуется крутящий момент 58 фунт-футов. Что касается рис. 4, бензиновый двигатель мощностью 20 л.с. развивает максимальный крутящий момент всего 31 фунт-фут, что явно недостаточно для привода насоса. Это связано с тем, что его номинальная мощность в 20 л.с. основана на производительности при 3600 об/мин. Максимальный крутящий момент возникает при скоростях около 3000 об/мин, но все еще значительно ниже 58 фунт-футов, требуемых насосом. Даже если бы двигатель создавал достаточный крутящий момент на этой скорости, мощности все равно было бы недостаточно из-за более низкой скорости.

Вот откуда берется правило размера 2½. Для HPU, требующего электродвигателя мощностью 20 л.с. для привода насоса со скоростью 1800 об/мин, потребуется бензиновый или дизельный двигатель мощностью около 50 л.с. Кроме того, эти значения основаны на двигателе, работающем с максимальным крутящим моментом и номинальной мощностью. Тем не менее, производители рекомендуют, чтобы бензиновые и дизельные двигатели работали непрерывно только при 85% их максимальных номинальных значений, чтобы предотвратить серьезное сокращение их срока службы. Итак, снова обращаясь кРис. 4, бензиновый двигатель мощностью 20 л.с. будет развивать чуть более 26 фунт-футов максимального крутящего момента и только 24 фунт-фута при 3600 об / мин.

Также интересно сравнить эти показатели с расходом топлива. График расхода топлива(Рис. 5)показывает, что бензиновый двигатель мощностью 20 л.с. достигает наибольшей топливной экономичности примерно при 2400 об / мин, когда он потребляет чуть более 8,2 фунта / час (0,41 фунта / л.с. × 20 л.с.). При 3600 об/мин двигатель будет значительно менее экономичным.

5. В зависимости от конструкции газового или дизельного двигателя оптимальная топливная экономичность часто достигается при скорости, отличной от той, на которой он создает максимальный крутящий момент.

Действия, которые необходимо предпринять

К настоящему времени должно быть ясно, что указание бензинового или дизельного двигателя для привода гидравлической силовой установки осуществляется по другой процедуре, чем определение электродвигателя. Если вы привыкли указывать электродвигатели для гидравлических силовых агрегатов, у вас может возникнуть соблазн выбрать насос, который будет работать со скоростью 1800 об/мин, а затем выбрать двигатель увеличенной мощности, который может развивать достаточный крутящий момент для привода насоса на этой скорости. Этот метод позволит получить надежную силовую установку, но относительно тяжелую, громоздкую, неэффективную и шумную.

Вместо того, чтобы следовать этой процедуре, следует рассмотреть любой из нескольких вариантов. Один из них — управлять насосом со скоростью выше 1800 об/мин. В литературе по насосам для мобильного оборудования должны быть указаны номинальные значения для различных скоростей. Если это не так, обратитесь к производителю насоса. Работа насоса на более высокой скорости уменьшает его требуемый рабочий объем, тем самым уменьшая его размер, вес и требуемый крутящий момент. Таким образом, работа силового агрегата на более высокой скорости обеспечивает более точное соответствие характеристик двигателя условиям применения за счет увеличения крутящего момента, создаваемого двигателем, и снижения крутящего момента, требуемого насосом.

В частности, работа насоса в нашем примере при 2800 об/мин увеличит крутящий момент двигателя до более чем 30 фут-фунтов и снизит крутящий момент, требуемый насосом, примерно до 38 фут-фунтов. Хотя крутящий момент двигателя по-прежнему не соответствует требуемому, очевидно, что он гораздо ближе к соответствующему крутящему моменту насоса, чем при работе на 1800 об/мин.

У конструкторов может возникнуть соблазн запустить бензиновый или дизельный двигатель на скорости, близкой к той, при которой он демонстрирует оптимальную топливную экономичность. Однако рабочая скорость, при которой двигатель развивает максимальный крутящий момент, обычно имеет приоритет. Это связано с тем, что, если двигатель не развивает достаточный крутящий момент при скорости с оптимальной топливной экономичностью, потребуется двигатель большего размера. Но более крупный двигатель потребляет больше топлива, что противоречит цели экономии топлива за счет работы на определенной скорости.

Кроме того, насосы обычно имеют диапазон скоростей, при котором они наиболее эффективны. Таким образом, даже если двигатель работает на несколько сотен оборотов в минуту выше или ниже оптимальной скорости топливной экономичности, создаваемый крутящий момент и динамика насоса обычно оказывают более выраженное влияние на общую эффективность силового агрегата. Поэтому скорость, с которой работает бензиновый или дизельный двигатель, должна учитывать все эти соображения.

Что касается производительности насосов, многие конструкции демонстрируют более высокий механический и объемный КПД при работе на скоростях выше 1800 об/мин. С другой стороны, работа насоса на скорости выше той, на которую он рассчитан, сократит срок его службы. Поэтому важно выбрать скорость насоса, обеспечивающую наилучшее сочетание производительности насоса и двигателя.

Возможно, даже лучшей альтернативой было бы установить коробку передач или другой тип редуктора скорости между двигателем и насосом. Хотя это добавит компоненты силовой установке, это увеличит крутящий момент и снизит скорость, позволяя двигателю и насосу работать на оптимальных скоростях. Дополнительные затраты на редуктор могут быть компенсированы более низкой стоимостью меньшего, более легкого и менее дорогого двигателя.

Другие соображения

Поскольку бензиновые и дизельные двигатели не обладают запасом крутящего момента электродвигателей, особенно при разгоне из состояния покоя, особенно важно, чтобы насос был разгружен при каждом запуске ГСУ. Это можно сделать гидравлически или механически с помощью центробежной муфты или другого типа приводного элемента.

Наконец, как и в случае ГЭС, приводимых в действие электродвигателями, размер насоса и, следовательно, размер первичного двигателя часто можно уменьшить за счет включения аккумуляторов в гидравлическую систему. Если гидравлическая система работает в циклах, когда полный поток необходим только в течение коротких периодов времени, аккумулятор может накапливать гидравлическую мощность в периоды низкого расхода и высвобождать эту энергию, когда требуется полный поток.