Hidraulika.pdf

1. Uvod

u hidrauliku

1.1. Uvod Energija u hidrauliEkorn sustavu prenosi se protokorn radne tekuCine. Da bi se taj proces mogao dimenzionirati, potrebno je poinavati osnovne zakonitosti strujanja tekutina: jednadZbu kontinuiteta, Bernoullijevu jednadtbu, unutraSnje trenje i gubitke energije te hidrauliEki udar.

1.2. Opis stanja radne tekubine Proces pretvorbe i prijenosa energije u hidraulitkom sustavu prate znatajne promjene stanja tekuCine, Sto se mote predotiti slijedeCim prirnjerorn. HidrauliEki sustav prikazan na sl.l.1. sastoji se od hidraulitke crpke 3, priguSnika 4, izvrBnog motora 5, cjevovoda 2, rezervoara 1 i radne tekukine.

$1. 1.1. Promjena stanja radne tekukine u hidraulitkom sustavu: 1 - rezervoar, 2 - usisni vod crpke, b 3 - hidraulitka crpka. 4 prigusnik, 5 - hidromotor

-

Na ulazno vratilo hidrauliEke crpke dovodi se rnehaniEka dnergija Eh. U hidraulitkoj se crpki mehaniEka energija pretvara u hidrauliEku Eh.Protok radne tekuCine kroz cjevovod tu energiju prenosi do hidraulitkog motora gdje se ona pretvara u rnehanitki rad Ern2. Dovedena mehaniEka energija na ulazu crpke je veCa od pretvorene energije na izlazu sustava Em2za veliEinu gubitaka AE. U tablici 1.1. prikazane su prornjene Eetiriju veliEina koje opisuju stanje tekukine u pet razliEitih faza rada hidrauliEkdg sustava: tlak p, protok mase m, gusto& g i ternperatura T. Mote se uoEiti da su najvede promjene tlaka p, protoka mnsP ril. Prornjcnn tempcroturc T i gustoCc q jc vrlo m n l n .

Hidraulika i pneumatika

2

Uvod u hidrauliku

- promjena unutraSnje energije,,

Tablica I. I. Pregled promjena stanja radne tekucine

Zbivanjc u sustavu 1

2 3

4

5

tekufina u rezervoaru

1

usisavanje tekufine pretvorba energije u hidraulifkoj crpki upravljanje priguJivanjem

pretvorba energije u hidromotoru

tlak P [bar1 PI a

ml

VeliEinc stanja tckt~fine ~rotok gustofa [kg/m31 pravilu raste

temperatura T [Kl pada Tl

42 1

T2 const.

e

m [m%] jaEina i smjer nedefinirani ubnan m3 7

p41 p4 = fi Ap Ap- pad tlaka zbog priguSenja

-

BJ

PO

PO

ubmn

m,

=a

- toplinska energija, - rad.

pravilu raste

Gf

1

T4 f T, = T3 + AT AT- porast temperature zbog priguSenja TS const.

~4

fi

const.

A" ~ 4 - A h Ap,- pad tlaka zbog tereta

1.3. Tlak

I '

:

Za pretvorbu i prijenos energije u hidraulitkom sustavu. vrlo je vaian tlak koji se stvara djelovanjem sila na tekuCinu u hidrauliEkom sustavu. Prema Pascalovu zakonu, tlak je u tekuCini u zatvorenoj posudi (s1.1.2), zbog djelovanja vanjske sile, proporcionalan sa silom F i povrSinom A.

gdje je: p [Pa] - tlak, F [NI - sila, A [m ] - p o d i n a . Tlak djeluje upravno na povrSinu i prostire se jednako u svim pravcima (Pascalov zakon). On je, dakle, jednak u svim dijelovima zatvorene posude, Sto je za tehnitku primjenu veoma vaino.

1jaka promjcna \ slaba promjena const. = bez promjena PraktiEno se promjena stanja radne tekuCine u hidrauliEkom sustavu moie dovoljno dobro predstaviti uvodenjem samo dviju velitina - tlaka p i protoka mase

m,.

Promjena temperature T i gustoCe q najEeSCe se zanemaruje ili se njihov utjecaj unosi empirijskim koeficijentima. Tako se hidraulitki sustavi opisuju relativno jednostavnim matematizkim modelima. Za opis sr;l~i.iarckuCinc kori\(c sc:

SI. 1.2. Shematski prikaz Uaka (Pascalov zakon)

jednadiba kontinuitcti~~>roroL;~ A2 zakon kolitine gibanja (uz potetne brzine v = 0) el V l

A1 =

e2 v2

p,=101.013 b a r

zakon o oEuvanju energije pa=1.013 b a r

AU= Q+ W, gdje su:

e [kg/m3]

- gustoCa tekuCine,

A I , A2 [m2] - povrSina protoEnog otvora, ml, m2 [kg] - masa tekutine, v, v,,v2 [m/s] - brzina strujanja tekuEine,

P,=O b a r

.

SI. 1.3. Apsolutni tlak

P=lOO b a r

nadllak

4


Medutim, treba reCi da u tekuCini djeluje i hidrostaticki tlak koji je ovisan o visini stupca tekuCine pa je stvarna vrijednost tlaka poveCana za njegovu velifinu. BuduCi da u hidraulitkim sustavima stupac tekuCine redovito ima malu visinu (niiu od 1 metra), vrijednost tako nastalog hidrostatiEkog tlaka je mala pa se njegov utjecaj zanemaruje. Jedinica za mjerenje tlaka je paskal:

uvod u hidrauliku

5

@I j QZ [kg/m3]- gustota, pl 1 m [Pa] - tlak, - modul stlaEivosti tekufine, B [Pal - modul volumenskog ~irenjatekufine zbog promjene temperaa [l/I(] ture, TI i T2[K] - temperatura Za tehniEku primjenu modul stlacivosti tekuCina B izuzetno je vaian i definiran je kao promjena volumena tekutine'zbog promjene tlaka:

gdje je:

U tehniEkoj praksi se koristi i jedinica za tlak bar:

.

1 bar = lo5 Pa

gdje je: B [Pat1 V [m ] A V [m3] Ap [Pa] -

Kad se govori o tlaku prema SI-jedinicama, misli se na apsolutni tlak (s1.1.3).

1.4. Utjecaj temperature i tlaka na gustoCu radne tekuCine Gubici hidrauliae energije u hidrauliEkom sustavu nastaju zbog sloZenih procesa trenja. Stvara se toplinska energija 3to se manifestira porastom temperature radne tekuCine. Promjena temperature tekutine znaEajno utjeEe na njezine fiziEko-kemijske karakteristike.

,

0

500

\

I000 bar

SI. 1.4. Promjena gustoke tekuCina 4

Ekspe~imentipokazuju da izmedu gustote tekuCine, tlaka i temperature postoje funkcionalne ovisnosti, Eiji je kvalitativni oblik prikazan na s1.1.4. AnalitiEki te ovisnosti nije pozriat. U tehnickoj se praksi sluiimo lineariziranim modelorn te ovisnosti. QZ

=

1

el (1 + y (pi- pl) - a (Tz - TI)] ,

modul stlaEivosti tekuCine, volumen tekutine, promjena volumena, promjena tlaka.

Modul stlaEivosti tekufine ima dimenziju tlaka i njegove se vrijednosti odreduju eksperimentalno. Radne tekuCine hidrauliEkih sustava su stlative (s1.1.5).

Volumen tekuCine Vl u Evrstom cilindru, izlofene tlaku pl = FIAk smanjit Ce se za vrijednost A V = Ak Ax Eim se vanjska sila poveCa na F + AF. Tlak p2 u tekuBni, kao posljedica te promjene, bit Ce:

m=

F + AF Ak

Proces stlaEivanja tekubne, s1.1.5b, slifan! je kao i kod plinova. Uz pretpostavku da je proces tlaEenja izotermitki (6 = const.), prijelaz iz stanja 1 u stanje 2 moie se smatrati linearnim.


6

Tablica 1.2. Karakteristike tekucina

TekuCina

P [kg/m31

Modul stlativosti B [Pal x 109

I

voda riva glicerin benzin kerozin Spirit mamt nafta - laka tegka ulje - 1-20 - AMG-10 turbinsko

loo0

13.600 1260 680-780 790-820 790 890-940

2.041 25.641 4.0 1.087 1.299 1.282

v [mm2/s]

a [ll°C]

lS°C

20°C

50°C

200 180 490 1225 960 l IOU

1.14 -

1.01 0.114 1 180

0.55

-

0.93 2.7

-

-

-

-

-

884 924

1.282 1.282

600 600

-

885 850 920

1.389 1.351 1.786

730 830 0.65

-

-

-

0.54 1.50 0.50

2.5 1.52 2000 25 140

-

100 18

17-23 10 55-59

-

-

(1-5)

Jednadiba (fr5) daje ovisnost brzine strujanja u presjeku i veliEine presjeka (s1.1.6). Na osnovi te'veze moie se izvesti zakljuEak: smanjenjem povrSine protofnog otvora brzina strujanja raste, i obratno.

1.6. Bernoullijeva jednadf ba Da bi se prikazala ukupna energija u struji radne tekutine, zakon o otuvanju energije, prcma kojem se cnergija nc rnoie uniStiti ni proizvesti, veC samo rnijenjati iz jednog oblika u drugi, dobiva specifitnu interpretaciju.

-

U tablici 1.2. navedene su neke karakteristiEne tekuCine s odgovarajutim veliEinama: gustoka, nlodul stlativosti, koeficijent volumenskog Sirenja i kinematiEka viskoznost. SI. 1.7. Energija struje tekucine

1.5. Jednadiba kontinuiteta protoka Volun~cnskiprotok tckukine ili jednostavno protok promjena je volumena radne tekukine u jedinici vremena: (1-4)

Q=Av

7

A1 VI = A2 v2 = Q = const., - volumenski protok, gdje su : Q [m3/s] Al i A2 [m2] - povrSine protoEnog otvora (pop,reEni presjeci), vl i v2 [mls] - brzine strujanja u presjecima.

KinematiEka viskoznost

Koef.

v~~eTan'

uvod u hidrauliku

gdje je: Q [m:/s] - volurnenski protok, A [m ] - povrSina protoEnog otvora, v [mls] - brzina strujanja radne tekukine. Zakon o oEuvanju mase (s1.1.6) primijenjen za strujanje idealne i nestlative tekutine nazvan je jednadibom kontinuiteta protoka i glasi:

u

Na s1.1.7. obiljeiena su dva karakteristizna presjeka koji su na razliEitim razinama. Tlakovi koji vladaju u struji tekuCine u tim presjecima nisu jednaki. Brzine strujanja takoder. Energetska jednadfba proizvoljnog elementa tekuCine glasi: Bh + Bk + Bp + Bu = const.

BI,= m g h . . . . . energija poloiaja, B, = p V . . . . . . energija tlaka, Bk = m ?I2 . . . . kinetiEka energija, Bu = m u . . . . . . unutraSnja energija, gdje je: m - masa tekuCine,

(1-6)

g - ubnanje sile Zemljine teie, h - poloZaj (visina) elementa, v - brzina strujanja, u - specifiEna unutraSnja energija. Energetska jednadZba (1-6), postavljena za odabrane presjeke 1 i 2 u strujnoj cijevi, ima oblik: SI. 1.6. Jednadfba kontinuiteta

Hidraulika i pneurnatika

8

uvod u hidrauliku

9

Zakon o otuvanju energije jasno pokazuje da je B1 = BZ Racionaliziranje dobivene jednakosti i&odi se uvodenjem ovih pretpostavki: - strujanje je stacionarno (vremenski neovisno), - tekuCina je nestlahva i nema viskoznog trenja (ml = m2 = - nema razmjene topline s okolinom (ml ul = m2 y ) .

m),

Energetska jednadZba tada' poprima oblik:

Tu je h, oznafena visina stupca tekutine nastala zbog gubitaka energije. Buduti da je dl = d2 = d i hl = q = h, slijedi 2 V ' :v= .

2g 2g Tako se dobiva:

, dobivamo Volumen se moie prikazati preko rnase i gustote V = m / ~pa konaEni oblik jednaabe koji se naziva Bernoullijeva jednadiba: Visina stupca tekutine zbog gubitaka energije: Dobivena jednadZba se Eesto piSe:

p / + ~ v2/2 + g h = const.

(1-8) Prema jednadibi (1-8), pri stacionarnom strujanju (vremenski neovisno strujanje) idealne tekufine, ukupni sadrZaj energije tlaka, kinetiEke i potencijalne energije ima istu vrijednost na svakome mjestu. U prethodnom izvodenju Bernoullijeve jednadZbe zanemareni su otpori i trenje koje struja tekuCie mora svladati prelazeti razmak izmedu dvaju presjeka (gubici energije). U cjevovodima hidraulitkih sustava javljaju se dvije vrste otpora: - otpori trenja na ravnom dijelu i - lokalni, odnosno mjesni otpori koji se javljaju zbog promjene oblika strujanja. Bernoullijeva jednadiba zbog toga poprima ovakav oblik:

gdje su: hw2i hw3- gubici energije. Za dva odabrana presjeka 1 i 2 (s1.1.8) ravne cijevi konstantnog prornjera, Bernoullijeva jednad2ba (1-9) ima oblik:

Dakle, visina stupca tekutine je ovisna o padu tlaka, odnosno, zbog gubitaka energije u struji tekuCine nastaje pad tlaka. Jednakost (1-10) osnovna je relacija kojom t e se izraeunavati vrijednost pada tlaka zbog gubitaka energije u hidrauliCkom sustavu.

1.7. UnutraSnje trenje i viskoznost tekucine Sile smika nastale medusobnim trenjem slojeva tekutine nazivamo unutraSnjim trenjern. Za praktiEna raEunanja nuina je odgovarajub maternatiEka interpretacija intenziteta unutraSnjeg trenja. Eksperimente s pornicanjem klipa u cilindru ispunjenom tekutinom izvodio je Newton. On je postavio ovisnost za silu unutraSnjeg trenja tekuCine (s1.1.9):

A -..--.

0

1

-

F

Y / / ' / 1 , / / / / / 1

SI. 1.9. Viskoznost tekuCina

1

j////////,//,,,//,/,/, ////,//) I2

Sf. 1.8. Shematski prikaz gubitaka energije u ravnoj cijevi

Sila T je proporcionalna s dodirnim povrginama nDL dvaju slojeva te gradijentom.brzine vly izravno na smjer strujanja. Eaktor proporcionalnosti je koeficijent dinamiEke viskoznosti v.


10

Koeficijent kinematiEke viskoznosti je definiran kao odnos koeficijenta dinamiEke viskoznosti q i gustode tekuCine q. v = t7/e

(1-12)

7

1

gdje je: v m21s] - koeficijent kinematieke viskoznosti, 7 Pa s] - koeficijent dinamiEke viskoznosti, Q [kg/m3] - gustota tekutine. Viskoznost tekutina se odreduje eksperimentalnim mjerenjima.

11

uvod u hidrauliku

U m e li se promjer cijevi d kao karakteristizna duZina, dobiva se odnos brzina v1/v2,ubrzanja a1/a2i masa ml/m2, pa se odgovarajutim pretvorbama i razdvajanjem veliEina istog strujanja dobiva:

-- 4 dl

Vl @I

dl

Vl

CC

d2

,

Za matematitko modeliranje (opis) strujanja realne tekuCine u tehnitkoj praksi koriste se metode teorije sliEnosti kojom se, na osnovi eksperimentalnih ispitivanja na modelu (pri Eemu,se mora zadovoljiti uvjet mehaniEke sliEnosti), dobivaju traitene ovisnosti. Da bi dva strujanja bila sliEna, moraju im i jednadibe strujanja biti iste. Za opisivanje strujanja moZe se koristiti D'Alambertov princip:

gdje su: I

- inercijske sile,

G - gravitacijske sile, P - sile tlaka, T - viskozne sile.

Za dva sliEna strujanja (prema teoriji sliEnosti) prethodne se jednadZbe mogu napisati kao odnos:

"2

uz

v1

1.8. Reynoldsov broj

v2 C)2

n2 PoSto je, prema (1-12), v = q l ~ dobiva , se konaEni izraz: I ,

rll.

Time je dobiven osnovni kriterij hidromehanizke sliEnosti, bezdimenzionalan broj koji je, prema pronalazaEu, nazvan Reynoldsov broj (Re). . vdg Re=-, (1-13) 11 odnosno :

gdje je: v [m/s] - brzina strujanja tekutine, - hidrauliEki promjer protoEnog otvora, d [m] Q [kg/m3] - gustoCa tekutine, q [Pa s] - koeficijent dinamiEke viskoznosti, v [m2/s] - koeficijent kinematieke viskoznosti.

-

Reynoldsov broj R e u praktiEnim proraEunima omogutava precizno razgranifavanje vrste (naEina) strujanja radne tekutine kroz cjevovode i protoEne otvore kako bi se mogli raEunski odrediti gubici energije.

1.9. Laminarno i turbulentno strujanje Za strujanje tekuCeg fluida u cijevima promatra se jednakost odnosa sila inercije i sila viskoznog trenja:

Sila inercije je proporcionalna s niasom In i ubrzanjem a: Sila viskoznog trenja prema (1-11) je:

T = q A (AvlAy) . Tada se odnos sila inercije i sila viskoznog trenja moZe pisati: MI a1 M2 a2

-

A1 Av1 Ayz rll A2 Av2 AYI 4%

U ovisnosti o brzini strujanja radne tekutine, viskoznosti te geometriji strujiica, nastaju dvije razliEite slike strujanja: luminarno kod kojega stnljnice imaju ~aralelantok i ne mijeSaju se jedna s drugom, sile unutraSnjeg trenja nadmaSuju sile inercije, htrbulentno kod kojega strujnice imaju vrtloZan tok (mijeSanje tekuCine), sile inercije su veCe od sila trenja. Ek:,perimentalno je utvrdeno da se prijelaz iz jednog naEina strujanja u drugi dogada pri odredenom odnosu sila inercije i sila unutraSnjeg trenja, tj. pri kritiEnom Reynoldsovom broju Rek, (s1.1.10). KritiEni Reynoldsov broj iznosi: Rek, = 2 320. Kod okruglih glatkih cijevi: Rekr = 2 000 - 3 000. Za glatke prstenaste zazore: Rekr = 1 100. Rod priguSnih elemenata razliEitih vrsta: Rer, = 150 - 300. Hidrauli2ki promjer dh je definiran kao odnos:


10

Koeficijent kinematiEke viskoznosti je definiran kao odnos koeficijenta dinamiEke viskoznosti q i gustode tekuCine q. v = t7/e

(1-12)

7

1

gdje je: v m21s] - koeficijent kinematieke viskoznosti, 7 Pa s] - koeficijent dinamiEke viskoznosti, Q [kg/m3] - gustota tekutine. Viskoznost tekutina se odreduje eksperimentalnim mjerenjima.

11

uvod u hidrauliku

U m e li se promjer cijevi d kao karakteristizna duZina, dobiva se odnos brzina v1/v2,ubrzanja a1/a2i masa ml/m2, pa se odgovarajutim pretvorbama i razdvajanjem veliEina istog strujanja dobiva:

-- 4 dl

Vl @I

dl

Vl

CC

d2

,

Za matematitko modeliranje (opis) strujanja realne tekuCine u tehnitkoj praksi koriste se metode teorije sliEnosti kojom se, na osnovi eksperimentalnih ispitivanja na modelu (pri Eemu,se mora zadovoljiti uvjet mehaniEke sliEnosti), dobivaju traitene ovisnosti. Da bi dva strujanja bila sliEna, moraju im i jednadibe strujanja biti iste. Za opisivanje strujanja moZe se koristiti D'Alambertov princip:

gdje su: I

- inercijske sile,

G - gravitacijske sile, P - sile tlaka, T - viskozne sile.

Za dva sliEna strujanja (prema teoriji sliEnosti) prethodne se jednadZbe mogu napisati kao odnos:

"2

uz

v1

1.8. Reynoldsov broj

v2 C)2

n2 PoSto je, prema (1-12), v = q l ~ dobiva , se konaEni izraz: I ,

rll.

Time je dobiven osnovni kriterij hidromehanizke sliEnosti, bezdimenzionalan broj koji je, prema pronalazaEu, nazvan Reynoldsov broj (Re). . vdg Re=-, (1-13) 11 odnosno :

gdje je: v [m/s] - brzina strujanja tekutine, - hidrauliEki promjer protoEnog otvora, d [m] Q [kg/m3] - gustoCa tekutine, q [Pa s] - koeficijent dinamiEke viskoznosti, v [m2/s] - koeficijent kinematieke viskoznosti.

-

Reynoldsov broj R e u praktiEnim proraEunima omogutava precizno razgranifavanje vrste (naEina) strujanja radne tekutine kroz cjevovode i protoEne otvore kako bi se mogli raEunski odrediti gubici energije.

1.9. Laminarno i turbulentno strujanje Za strujanje tekuCeg fluida u cijevima promatra se jednakost odnosa sila inercije i sila viskoznog trenja:

Sila inercije je proporcionalna s niasom In i ubrzanjem a: Sila viskoznog trenja prema (1-11) je:

T = q A (AvlAy) . Tada se odnos sila inercije i sila viskoznog trenja moZe pisati: MI a1 M2 a2

-

A1 Av1 Ayz rll A2 Av2 AYI 4%

U ovisnosti o brzini strujanja radne tekutine, viskoznosti te geometriji strujiica, nastaju dvije razliEite slike strujanja: luminarno kod kojega stnljnice imaju ~aralelantok i ne mijeSaju se jedna s drugom, sile unutraSnjeg trenja nadmaSuju sile inercije, htrbulentno kod kojega strujnice imaju vrtloZan tok (mijeSanje tekuCine), sile inercije su veCe od sila trenja. Ek:,perimentalno je utvrdeno da se prijelaz iz jednog naEina strujanja u drugi dogada pri odredenom odnosu sila inercije i sila unutraSnjeg trenja, tj. pri kritiEnom Reynoldsovom broju Rek, (s1.1.10). KritiEni Reynoldsov broj iznosi: Rek, = 2 320. Kod okruglih glatkih cijevi: Rekr = 2 000 - 3 000. Za glatke prstenaste zazore: Rekr = 1 100. Rod priguSnih elemenata razliEitih vrsta: Rer, = 150 - 300. Hidrauli2ki promjer dh je definiran kao odnos:


14

uvod

u hidrauliku

15

1.12. HidrauliEki udar

Tablica 1.3. Vrijednosti koeficijenata lokalnih otpora

Pri naglom zatvaranju cjevovoda hidrauliEkog sustava brzina strujanja naglo 1~1liciJtn1 5

Sh~na

Lokllni otvor

I ,I ,L f,

i111z iz ~ B Z I ~ V I I ~ I n c i j ~ r l i l r i h bridorr

-.- ...

I

zlobijtni ullz r cijlv

E = 0.5

..-

...

E Z 0 . 2 -0.75

..I - .. .

o i l r l u l ~ ru c l i ~ r

pads na nulu, Sto izaziva nagli porast tlaka. Udarni vaI tlaka nastao prekidom

5=0.75

-1

I

koljlno 90'

r~

5 = 1.0 - 2

!&

5=

i.

z ~ t r i v t j t n jgo0 ~

.

'--4

-I

,-+1

UIIZ u r e z t r r o ~ r

F vrollz kroz mrltu

SI. 1.12. HidrauliCki udar

- vo~rilnan r l i ~

- -2\t--JyL-

-J_L €= 1

_

----.c

j

i I r

z

1

nI '

EzO.2-1.2

€= 0.5

€=1.3 C

-

-

- C - - o C d

lf r 1? r

E=

??+ I&- 1 f

5.1311-

-

(rananjl 1 o k a

0.5-0.6

0.5

5 = 1.0

b r a olrora

-

strujanja Siri se kroz tekuCinu u suprotnom smjeru i izaziva udare tlaka (hidraulitke udare) koji mogu oStetiti hidrauliEki sustav. HidrauliEki su udari u'hidrauliEkim sustavima veoma Eesti i prakii'Eki se ne rnogu izbjeki. Djeluju vrlo kratko pa se obiEnirn instrumentima ne mogu registrirati. posljedice njihova djelovanja su oSteCenja na cjevovodima i elementima armature, uredajima za brtvljenje i samim brtvama. OSteCenja su neizbjeina zbog zamora materijala. Na s1.1.12. prikazan je karakteristican hidraulitki vod u obliku cijevi kruinog poprehog presjeka za sluEaj naglog koEenja struje. Kada ventil naglo zatvori protoEni otvor, tekuCina ispred ventila se zaustavlja po slojevima i nastupa njezino tlaEenje posljedica Eega je poviSenje tlaka. Masa tekutine u cijevi postupno se koEi i stvara val poviSenog tlaka koji se giba u suprotnom smjeru.

5~1.0-1.5

+@ E,=

0.3

-

J L g = 0.05

U rnomentu t fronta vala poviSenog tlaka je na udaljenosti x od ventila. Do trenutka koEenja tlak u struji je bio po, a brzina v,. U masi tekuCine zakoEenoj izmedu presjeka 1-1i ventila, tlak je porastao na veliEinu po + A,. U toku vremena t zakoEena je masa tekuCine p A A x . Pri tome se fronta vala poviSenog tlaka pomakla za velicinu Ax. Brzina Sirenja fronte poviSenog tlaka jednaka je brzini Sirenja zvuka u tekuCini.

c, = A x l t Na masu tekuCine g A A x u toku vremena t djelovala je sila zbog razlike tlaka u presjecima 1-1 i 2-2:

3e

U toku vremena t promijenila se i koliEina gibanja:

5~2.0-2.5

PoSto se promatrana rnasa u trenutku t gibala brzinom vo, a u momentu + ' A t potpuno je zaustavljena, impuls sila je jednak promjtni koliEine gibanja. Zbog toga pri naglom koknju promatrane mase tekuCine vrijedi: t


Iz tog uvjeta dobiva se relacija za porast tlaka A p zbog naglog koEenja struje tekuCine u cijevi.

Pri hidraulitkom udaru porast tlaka izazvan naglim zaustavljanjem struje proporcionalan je gusto8 tekutine, brzini Sirenja zvuka u tekudini te brzini strujanja neposredno prije zaustavljanja. PoviSenje tlaka pri hidrauliEkorn udaru izaziva elastihe deforrnacije stijenki cijevi. Deformacije stijenki cijevi pak mijenjaju brzinu Sirenja vala tlaka u tekyCini (brzina zvuka) i velicinu hidraulickog udara. Time se energija hidraulickog udara gubi. TehniEki problemi nastaju prije svega zbog jaEine tlaka i frekvencija njegovih oscilacija pa se hidrauLiEkom udam i njegovu spreEavanju u hidrauliEkim sustavirna posvetuje velika p d n j a .

2. Hidraulieki sustav

Ovo poglavlje obuhvata:

- osnovne funkcije hidrauliEkog sustava, - osnovne varijable, - sastavne elemente, - hidrostatiEki rad, - energetski proraEun sustava, - prikazivanje hidrauliEkih sustava.

2.2. Opis hidrauliEkog sustava RijeE nhidraulikacc ima izvoriSte u dvjema grEkim rijetima. One u prijevodu z n a k voda i cijev. Naime, tim se pojmom razumijevaju tehnike koje se bave strujanjima vodenih tokova, vodoopskrborn, prijenosom i pretvorbom energije itd. ArheoloSka istrafivanja pokazuju da je Eovjek nastojao upravljati vodenim tokovima i iskoristavati njihovu snagu davno prije Grka. Poznato je da su se 5 000 godina pr. n. e. u Kini, Mezopotamiji, Indiji i Egiptu gradila umjetna jezera, kanali itd. Prve vodoopskrbne sustave irnali su Grfka i Rim. Razvoj hidrostatike, na Eijirn je principima razvijen niz hidraulitkih sustava, vezan je svakako za Arhimeda (250. godine pr. n. e.). Velike zasluge za njezin razvoj imaju Leonardo da Vinci, Newton, Pascal, Euler i dmgi. Za razvoj hidrodinamike, koja je takoder vaZna za hidrauliku, zaslufni su Bernoulli, D7Alambert, Navier, Stocks, Darcy, Reynolds i drugi. U prvoj polovini sedamnaestog stoljeda Pascal je objasnio nacelo rada hidrauIiEke preie. Bilo je potrebno 150 godina od teorijskog razmatranja do praktihog jeSenja (Josef Brahm je 1796. godine izradio prvu hidrauliEku presu). ProSlo je joS 140 godina dok se nisu postigli uvjeti za proizvodnju i primjenu hidraulitkih sustava. HidrauliEki sustav je u prijenosu i pretvorbi energije postao konkurentan mehaniEkom prijenosniku, a razvijena je potrebna tehnologija obrade (cilindritne povr3ine relativno visoke kvalitete) te odgovarajuti materijali. U hidraulitkom sustavu obavlja se pretvorba i prijenos energije te upravljanje njome. Sustav mehaniEku energiju pretvara u hidrauliEku i obratno, radi jednostavnijeg prijenosa i kvalitetnijeg upravljanja. HidrauliEkom energijom naziva se ukupna energija sadrifana u struji radne tekufine koja se sastoji od potencijalne, kinet'ifke, energije poloZaja i unutraSnje energije.


HidrauliEki sustav

19

U HidrauliEkom se sustavu' prenosi energija pomoCu radne tekuCine pod tlakom (volumenski sustav). HidrauliEka crpka u ulaznom dijelu sustava radi u generatorskom ,>pogonucc, zahvaCa odredeni volumc~iradne tekuCine, izdvaja ga i tlaEi prema hidrauliEkom motoru na izlaznom dijelu sustava koji radi u motornom ,,pogonuu. Strujanjem radne tekukine pod tlakom iz crpke u motor omoguCen je prijenos energije. Princip rada Tednostavnog hidrauliEkog sustava prikazan je shematski na ~1.2.1.Sustav se sastoji od hidrauliEke crpke 1, rezervoara 2, ventila za ograniEenje tlaka 3, razvodnika 4, prigugnika 5 te hidrauliEkog cilindra 6. Komponente sustava su spojene cijevima ispunjenim radnom tekukinom. HidrauliEka crpka 1pogoni se motorom (elektromotor ili motor SUI), usisava tekutinu iz rezervoara 2 i tlaEi je prema razvodniku 4. Ovisno o poloZaju klipa razvodnika 4, tekuCina se moZe usmjeriti u desnu ili u rezervoar 2 komoru hidraulitkog cilindra 6 (s1.2.lb), lijevu komoru (~1.2.1~) (s1.2. la). VeliEina tlaka u sustavu ovisi o optereienju na klipu hidrauliEkog cilindra 6. Maksimalna vrijednost tlaka je ograniEena ventilom za ograniEenje tlaka 3. Brzina klipnjaEe se moie mijenjati prigugnikom 5. 2.3. Elementarni hidraulieki sustav

b

Osnovne su funkcije hidrauliEkog sustava' pretvorba i prijenos energije te upravljanje energije. Elementarni hidraulitki sustav (hidrauliEki prijenosnik) prikazan je na s1.2.2. Osnovni elementi tog sustava su hidraulitka crpka, radna tekuCina, cjevovod i hidrauliEki motor. Ako pretpostavimo da radna tekuCina nije stlaEiva ni viskozna, te da u hidrauIiEkom sustavu nema nikakvih gubitaka energije, takve radne uvjete nazivamo idealnim.

S1. 2.2. Elementarni hidraulieki prijenosnik

I

SI. 2.7. NaEelna Shema rada hidraulitkog sustava:

-

a- klip hidrocilindra miruje, b izvlatenje klipnjafe, c sustava

uvlafenje klipnjafe, d

- hidraulifka s h e m a

Hidrodinamitki i hidrostatitki sustavi se razlikuju. U hidrodinamifkim sustavima prijenos energije ostvamje s e posredstvom kinetieke energije protoka radne tekuCine (promjena brrine stmjanja). Udio potencijalne energije je zanemarivo mali. Hidrostatifki sustav energiju prenosi posredstvom potencijalne energije protoka radne tekutine (promjena tlaka u struji radne tekutine). Udio kinetifke cnergije pristome je vrlo mali (manji od 0.5%). Analizirat &mo samo hidrosrorifke susrave za koje Cemo upotrebljavati naziv "hidroulitki susrovir.


20

Klip hidraulitke crpke povrSine A1 pod djelovanjem sile Fl, potiskuje ispred sebe radnu tekutinu i u njoj stvara tlak. Istisnuta teku6na pomiEe klip hidromotora brzinom vz. U ravnoteitnom poloiaju tlak na crpki odgovara tlaku na motoru pa se moZe pisati jednakost.

izmedu hidrauliEke crpke i hidromotora (s1.2.3). Sustav je neekonomitan jer se priguSeni dio hidraulicke energije pretvara u toplinu i ne sudjeluje u korisnoj pretv~rbii prijenosu energije. Volumensko upravljanje je moguCe kod sustava s crpkom Eiji se radni volumen moze mijenjati u toku rada (s1.2.4).

gdje je: Fl i Fz[N] 1 sila na klipu crpke i motora, A l i Az [m2] - povrSina na klipu crpke i motora. Slijedi da sila F2na klipu cilindra motora ima vrijednost:

Omjer povdina klipa motora i crpke A21A1 zapravo je koeficijent pojaEanja I

sile.

U idealnim uvjetima u prostor hidromotora se dovodi sva istisnuta tekutina iz hidraulitke crpke, odnosno postoji jednakost volumena: gdje su: vl i vz [rnlsl - brzine klipa crpke i motora, Al i A2 [m ] - povrSina klipa crpke i motora.

51. 2.4. Volumensko upravljanje

BuduCi da je izborom odgovarajuteg volumena crpke kod ovih sustava u svakom trenutku mogute dovesti onoliko energije koliko je potrebno za obavljanje rada, ti sustavi imaju mnogo bolji koeficijent korisnog djelovanja od prigusnih, ali su sloZeniji i skuplji.

Brzina Wipa motora v2 je:

gdje je omjer A1/A2 koeficijent pojatanja brzine vz. U idealnim uvjetima mehanitka energija dovedena na crpku pretvara se u hidraulitku i prenosi posredstvom radne tekutine do hidromotora gdje se pretvara u mehanitku bez gubitaka. Tako za slutaj da je povrSina klipa pumpe Al jednaka povrSini klipa motora Az iz (2-1) slijedi jednakost sila Fl = F2, a iz (2-2) jednakost brzina vl = y. Za realiziranje funkcije upravljanja hidrauliEke energije dvije su mogutnosti: - priguSivanje hidrauliEke energije prije ulaza u hidraulitki motor, - promjena velitine radnog volumena hidraulitke crpke ili motora u toku procesa prijenosa energije (volumensko upravljanje). PriguSivanje se izvodi specijalnim elementirna hidraulitkog sustava (priguSnici) koji djeluju kao aktivni otpori (konstantni i promjenljivi) I: struji radne tekuCine , I

S1.2.5. Strukturna shema hidraulickog sustava: MM motor mehaniCke energije, HC - hidrauliekacrpka, HM - hidraulitki motor. T - teret

Strukturna shema hidraulitkog su,;tava prikazana je na s1.2.5. Osnovni su elementi hidraulitkog sustava: - uredaji za pretvorbu energije, - uredaji za upravljanje, - uredaji za brtvljenje, - hidraulitki akumulatori, - radna tekuCina, - uredaji za kondicioniranje radne tekutine, - hidraulitki vodovi. Svaki od navedenih elemenata bit t e detaljnije obraden u ovoj knjizi.

2.4. Osnovne hidrauli5ke varijable

SI. 2.3. PriguSno ~;:r*.qanje

Osnovne hidraulitke varijable su tlak p i protok Q. Nema protoka radne tekuCine y hidraulitkom sustavu bez razlike tlaKa. Svako protjecanje tekuCine u hidraulitkom sustavu ima kao posljedicu razliku tlaka.


22

HidrauliEka energija se dobiva posredstvom pokretnih mehaniEkih dijelova (klip u cilindru) pretvorbom iz mehaniEke energije. T o je zasad jedina tehnitki prihvatljiva m ~ ~ u t n o s t . ~ ~ e i e r a t o hidraulitke r energije naziva se hidraulitkom crpkom. Elernentarna hidrauliEka crpka ima cilindar i pokretni klip s aktivnom povrSinom A (s1.2.6a3. Prostor ispred klipa je popunjen radnom tekukinom. Tlak koji nastaje djelovanjem sile F na klip,povriine A ima vrijednost:

gdje je: p [Pa] - tlak, F [NI2 - sila, A [m ] - povrlina.

gdje je: F [N] - sila na klipu, D. [Pal - tlak, A [m2]- povrSina klipa. Brzina izvlatenja v klipnjaEe hidromotora je proporcionalna s dovedenim nr protokom Q i pobrSidom klipa A:

.

v=- Q A (2-7) Vidi se da je motorni pogon inverzni pogon generatorskoga, te da hidraulitki motor teorijski mote raditi kao hidraulitka crpka i obratno.

2.5. HidrostatiEki rad Da bi se ostvarilo protjecanje radne tekuCine pod tlakom, potrebno je utroiiti odredeni rad. Taj rad s e sastoji od: - rada Wl potrebnog za stvaranje tlaka u tekuCini, - rada Wzkojim se postiie premjestanje radne tekutine pod konstantnim tlakom. FiziEki proces se moZe objasniti na idealiom hidraulickom prijenosniku uz pretpostavku da je ukupni koeficijent korisnog djelovanja q = 1. Principijelna shema uredaja je prikazana na s1.2.7.

51. 2.6. Shema elementarne hidraulicke crpke (a) i motora (b)

rn

al

Wz 7

fWr --

Volumenski protok radne tekutine iz crpke je: Q= vA ,

gdje je: Q [m3/s] - protok, v [mts] - brzina, A [m2] - povriina. HidrauliEka snaga je: SI. 2.7. HidrostatiEki rad (a). p-V dijagram (b)

Navedene jedinice odgovaraju ISO-standardima. U tehniEkoj se praksi mogu :;resti i druge jedinice za tlak (tablica A-1 u prilogu A) i protok. HidrauliEki motor (s1.2.6b) dovedenu hidraulitku energiju pretvara u mehaniEki rad. Principijelna shema hidraulitkog motora je identiha sh'emi crpke. Sila F n a klipu hidromotora je proporcionalna s tlakom p (koji vlada u tekuCini ispred klipa) i velitinom aktivne povrSine A klipa motora. Hidraulifka energija se mote dobiti djelovanjem magnetskog polja na radnu tekuCinu koja irna feromagnetska svojstva, to znati pretvorbom iz elektritne energije. Takva tekuCina ne postoji u prirodi ali je mogufe njezino dobivanje umjetnim putem. TekuCine s feromagnetskim svojstvirna irnaju visoku cijenu koja ogranifava moguCnosti tire primjcne.

HidrauliEka crpka stvara tlak pl zbog djelovanja sile F na njezinom klipu. Za stvaranje tlaka pi potreban je rad Wl. Pri tome su ventili R i R1 zatvoreni i nema protoka tekutine iz radne komore crpke. Volumen radne tekuCine se zbog djelovanja sile na klipu smanjuje, klip se pomite pa je xl < a.Rad Wl se moie odrediti kao suma dijelova povriina, gdje je prirast (razlika) tlaka Ap = pl - po, a razlika volumena A V = Vo- V,: Sve dok djeluje sila F na klip crpke, postoji tlak p. Rad W, je. prikazan povrSinoni ABEA na s1.2.7b. Qblik krivulje koja spaja toEke A i B ov~slo toplinskom procesu koji se odvija istovremeno s procesom tlaEenja tekukine.


24

Za prernjegtanje radne tekufine iz cilindra crpke u cilindar hidromotora'treba otvoriti ventil R1 i potroSiti rad Wz da se potisne radna tekufina (klip crpke se pomakne do dna cilindra x = 0).

Da bi se dobio pogodniji izraz za ukupni rad W, uvodi se relacija:

. . Rad W2 je predstavljen povrSinorn BCDEB u p - V dijagramu na s1.2.7b. Ukupni rad W, potreban za stvaranje tlaka i premjestanje tekufine, jednak je zbroju radova Wl i W2:

Ukupni rad W je tada jednak:

w = w1 + w,.

(2-10) U p - V dijagramu (s1.2.7b) rad W je prikazan povrSinom ABCDEA. Rad Wl potroSen za stvaranje tlaka akurnuliran je u radnoj tekuCini (>madtlaEenja<<)i ne sudjeluje u korisnorn prijenosu enerniie. -Rad W2 je potroSen za prijenos energije od klipa crpke d o klipa rnotora. Za tehniEku primjenu hidraulitkih sustava v d n o je utvrditi koliki je udio rada tlaEenja Wl u ukupnom radu W. Potrebno je, dakle, odrediti vrijednost izraza (2-8), (2-9) i (2-10). Prema definiciji modula stlaEivosti radne tekutine (1-8):

w=

V,@l--Po).

TraZeni odnos rada tlaeenja Wl prema ukupnom radu W je:

PoSto je rnodul stlaJivosti radnih tekuCina na osnovi mineralnih ulja reda veliEine B = 1.2 - 1.7 X 10' Pa (tablica 1.2), rad potreban za stvaranje tlaka je zanemari~prerna ukupnom radu. pfimjer P-2.1. Koliki je odnos rada potrebnog za stvaranje tlaka, prema ukupnom radu u nekom hidraulifkom s u s m ~ ako razlika tlaka Ap = p, - p = 10 MPa, a modul stlaf~vosti radne tekut~ne B = 13.5 x 1 Pa.

$

JJ

Rjdenje

odnosno

Za jeSenje ovog zadatka potrebno je izraEunati vrijednost izraza (2-11).

gdje je: B [Pal - modul stlativosti tekufine, V [rn ] - volurnen, A V [m ] - promjena (smanjenje volumena), Ap [Pa] - promjena tlaka. Uz pretpostavku da je promjena volumena u toku tlaEenja linearna, odnosno u p - V dijagrarnu (s1.2.7b), dio krivulje AB je pravac, tada se moie uzeti da je wednja vrijednost volumena:

UvodeCi srednju vrijednost volurnena V , , dobiva se:

2.6. Osnovni energetski proraEun hidrauliEkog sustava Idealni hidrauliEki prijenosnik (s1.2.2) obavlja prijenos energije bez gubitaka. Pretpostavlja se da nerna gubitaka energije zbog djelovanja trenja te da je tekufina nestlaEiva i nije viskozna, a elementi sustava su potpuno kruti itd. Tako pretvorena (~dobivenau)energija u hidromotom jednaka je dovedenoj energiji na crpki. Takav sustav je idealan i nemoguCe ga je ostvariti. Realni hidrauliEki prijenosnik (s1.2.8) ima znaEajne gubitke energije, pa je pretvorena mehaniEka energija u hidromotoru manja od energije t koja se dovodi

Koristefi se izrazom (2-8), dob'iva se:

PoSto je rad W2 = (PI - a)Vl, ukupni rad W = Wl

+ W2, slijedi: ?mp

AI

S1.2.8. Realni hidraulitki piljenosnik

A2 Vmm


26

na hidrauliEku crpku. Radna tekuCina je stlativa i viskozna. Izmedu pokretnih dijelova sustava (klip i cilindar), postoji zraEn~st.Materijali od kojih se grade elementi sustava su elastifni. Dio tckuiiiic gubi se kroz zraEnost izmedu klipa i cilindra na crpki i hidromotoru. Rezultat toga je da se sva raspoloiiva tekuCina ne prenese s crpke na motor, odnosno ne sudjeluje u korisnorn prijenosu energije. Stvarni protok iz crpke je rnanji od teorijskoga. Protok koji ulazi u radnu komoru hidromotora je veCi od onoga koji pomiEe klip hidromotora. Dio dovedene energije gubi se na trenje pokretnih elemenata i na slojeve tekuCine te sile inercije zbog strujanja tekutine itd. Dio energije se potroSi na gubitke u hidraulifkoj instalaciji od crpke do motora, a to su gubici u cjevovodu, propultanje, gubici zbog elastiEnosti cjevovoda te viskoznosti i stlaEivosti radne tekutine itd. Da bi se te pojave na prihvatljiv' naEin mogle opisati, u energetskim prorahnima hidraulickih sustava upotrebljavaju se koeficijenti korisnog djelovanja: volumenski q,,, - mehaniEki r],, - ukupni r]. Oni su definirani za hidraulitke crpke i motore kao osnovna konstrukcijska obiljegja. Vrijednost im se odreduje eksperimentalno, a ovisi o tipu crpke ili motora te o kvaliteti izrade. Osim toga u proracun hidrauliEke instalacije od crpke do motora uvode se: - sumarni gubitak protoka ZAQ na dijelu cjevovoda, - suma gubitaka (pada) tlaka ZAP. Ako pretpostavimo da na klipu hidromotora djeluje sila F2,a da je brzina klipnjaEe Y, stvarni tlak na hidraulitkoj crpki p, je:

Prim@ P-2.2. 1

Za hidraulitku instalaciju prikazanu na s1.2.9. poznati su ovi podaci:

-pro.mjer hidraulitkog cilindra

D, = 125. mm, v, = 0.1 d s . F; = 120.00 kN,

-brzlna izvlaknja klipnjate -sila na klipnjati hidrocilindra - koeficijenti korisnog djelpvanja hidraulitkog cilindra: qm = 0.96, vo~urnenski n-.,.... . = 0.95. rnehanitki PAp = 3.5 bar, -,,kupni pad tlaka u hidraulitkoj instalaciji od hidraulitkog cilindra do crpke -,,kupni gubitak protoka u hidraulitkoj instalaciji od hidraulitkog cilindra do crpke ZAQ = 0.01 Umin. potrebno je odrediti snagu hidraulitke crpke.

-

-

gdje je: pl [Pa] - tlak u hidraulitkoj crpki, F2[N12 - sila na klipu hidromotora, A:! [m ] - aktivna povrSina klipa hidromotora, - mehanifki koeficijent korisnog djelovanja hidromotora, rlmm - mehanifki koeficijent korisnog djelovanja crpke, 77, [Pa] - sumarni gubitak (pad) tlaka u hidraulitkoj instalaciji od crpke do motora. Potrebni je protok crpke Q1:

Vrijednost tlaka p, na hidraulitkom cilindru: Rqcrn PC=-=

~ 2 n 4

- protok crpke, - povrSina klipa rnotora, - brzina klipa motora, vz [ d s ] - volumenski koeficijent korisnog djelovanja motora, Vvm - volurnenski koeficijent korisnog djelovanja crpke, flv ZAQ [m3/s] - sumarni gubitak protoka u instalaciji od crpke do Ql

[m:/s]

A2 [m ]

hidr~motora.

lo6 Pa; x lo-'

= 92.98 bar

Zbog pada tlaka PAP u hidraulitkoj instalaciji, radni tlak crpke je: p, = p, + ZAP = 92.98 + 3.5 = 96.48 bar. Potrebni protok u hidraulitki cilindar kad se klipnjata izvlati bainom vi je: 0, =

gdje je:

120 Id 0.95 = 9.298 x 0.125'xn 4

" ) v,,,~ ( (=

0.12;

)

x O.YO.96 = 0.00127 m3/s; x 1000 x

m=

=76.67 Umin.

Stvarni protok iz hidraulitke a p k e mora biti veCi za vrijednost gubitaka protoka Z A Q : Qp = Qc + ZAQ = 76.67 +0.01

= 76.68

Urnin.

Snaga crpke je: NP=

QP

pP=

76'68 60X1OOO

x 96.48 x 10' = 12.34 kW.


28

HidrauliEki sustav

29

2.7. Jednadiba ukupne energije hidraulickog sustava Ukupna energija stmje radne tekufine koja protjete kroz kanale hidraulifkog sustava stalno se mijenja. Na ulazu u sustav struja teku6ne raspolaie jednom energijom, a na izlazu je ta energija mnogo manja. U hidrauliEkom sustavu energija se utroSi<<.Glavnina energije atroliu re na svladavanje vanjskih opterefenja, a dio na savladavanje otpora u sustavu. Ako se u hidraulifkom sustavu (s1.2.10) odabem dva presjeka, jedan na ulazu (tlafni vod) a drugi na izlazu (povatni vod), neposredno prije ulaska u rezervoar, Bernoullijeva jednad2ba za stacionarno stmjanje nestlaEive teku6ne izmedu tih dvaju presjeka moZe se napisati ovako: pghl + pl + pv1~12= eghz gdje su: hl i hz [m] p1i fi [Pa] vl i vz [rnls] Ap, [Pa] Ap [Pal3 e [kg/? ] g[ d s ]

+ m + evz2/2 + Ap, + Ap ,

.

U hidraulitkim sustavima i njihovim elementima, duljina protdnih kanala je pravilu rnala i pad tlaka na toj duljini je zanemariv (Ap, ;.:0). Malu vrijednost ima i pad tlaka na lokalnim otporima (zakrivljenja, r a h e , spojevi itd.) pa je (AD = 0). Tlak napajanja p,, prema tome, potroSi se prije svega na svladavanje specijaln~hhidrauliEkih otpdra, kao Sto su vanjsko optereknje, i otpora koji se postavljaju u struju radne tekufine i sluZe za upravljanje. U hidrauliEkirn sustavima irna gubitaka hidraulitke energije, ali oni su rijetko ,iSi od 10% ukupne energije, ako su instalacije dobre.

2.8. Prikazivanje hidrauliEkih sustava 2

- geometrijske visine izabranih presjeka, - tlak u odabranim presjecima,

HidrauliEki sustavi se prikazuju simbolirna koji su standardizirani prema ISOstandardima i nacionalnim standardima (JUS L.Nl.001 do JUS L.~1.008)~. Simboli grafitki prikazuju osnovnu funkciju hidraulifkog elementa i sve njegove prikljufke. HidrauliEki sustav se najteSCe prikazuje hidrauliEkim shemama (s1.2. ld). Simboli CETOP omogufuju da se hidrauliEki sustav dovoljno toEno opiSe i prikde u obliku sheme koja je za praktiEnu primjenu veoma vaina. Poznavanje Btanja i crtanja hidrauliEkih shema p o m o h CETOP-simbola je uvjet za komuniciranje u ovom tehnitkom podrucju (prilog B).

- srednje brzine strujanja u odabranim presjecima, - pad tlaka zbog hidraulifkih otpora u sustavu,

- pad tlaka uzrokovan vanjskim opteretenjem, - gustofa radne tekutine, - akceleracija slobodnog pada.

2.9. Povezivanje elementa hidrauliekog sustava

1

-

I,.2.lo Ukupna energija u hidraulitkorn s u s N u

1

Dimenzije komponenata hidrautitkog sustava su relativno male. Nema dugih cjevovoda. Tlakovi napajanja su relativno visoki. Nema znatajnijih razlika u visini (h, -= h2). Popretni presjeci protdnih otvora na ulazu i izlazu iz hidrauliEkih komponenata u pravilu su jednakih dimenzija. Tako se moZe uzeti da su brzine strujaja u tlatnom i povratnom vodu hidrauliEkog sustava pribliZno jednake (vl = =v2). UZ te uvjete jednadZba (2-14) irna.oblik: Ako se sa p, oznati tlak napajanja, koji je jednak razlici tlakova p,, = p,

-

m,slijedi:

Osnovni tip elementa hidraulickog sustava ima dva prikljuEka a funkcija elementa redovito se prikazuje kao ovisnost tlaka i protoka. Elementi hidrauliCkog sustava mogu biti povezani paralelno, serijski i kombinirano, tako da Cine funkcionalne cjeline (s1.2.11). Za serijsku vezu elemenata hidraulitkog sustava karakteristitna je ova relacija (prema s1.2.11a):

-

JednadZba (2-16) pokazuje da se sva hidraulitka energija protoka radne tekuCine, stvorena hidraulifkom crpkorn, u sustavu potroSi na svladavanje vanjskog i optereienja i hidrauliEkih gubitaka u instalaciji. HidrauliEki gubici se izraiavaju padom tlaka po duljini protofnog otvora Ap, i lokalnim gubicima Ap,, odnosno:

S1. 2.11. Serijska (a) i paralelna (b) veza elemenata hidraulitkog sustava

' U prilogu C je Pregled standarda i propisa JUS-a (katalog 1989).


30

Ukupni pad tlaka A p jednak je zbroju pojedinatnih (parcijalnih) padova tlaka na pojedinim otporima. A za protok vrijedi: Za paralelnu vezu elemenata hidrauliEkog sustava karakteristiene su ove relacije (prema s1.2.11b):' Pojedina~hipadovi tlaka na pojedinim elementima sustava su jednaki, a iznosom odgovaraju padu tlaka na komponenti s najmanjim hidraulitkim otporom. Za protok vrijedi: Q=

QI+ Qz + Q 3 .

Ukupni je protok jednak zbroju pojedinaEnih protoka na potroga6ma.

3. Uredaji za pretvorbu energije U ovom Cemo poglavlju analizirati:

- radni proces hidrauliEke crpke i hidromotora, - ogranitenja u radu crpke, - konstrukcijske izvedbe crpki i hidromotora, - regulaciju crpke promjenljivog radnog volumena, - izbor crpki i hidromotora, - hidrostatiEki prijenosnik snage.

2.10. Prednosti i nedostaci hSdrauliCklh sustava Prednosti hidrauliEkih sustava su u koriStenju radne t e k u h e kao medija za prijenos energije te mogutnosti upravljanja procesom pretvorbe i prijenosa energije. Radna tekutina ima neznatnu stlaEivost, relativno dobro odvodi toplinsku energiju, podmazuje pokretne dijelove, a zaStiCuje od korozije i omogutuje ispiranje sustava. To znati da sama radna tekutina omogutuje da se ostvare elastihi pogoni, da se sustav lako hladi i podmazuje te da se u njemu mogu postiti relativno visoki tlakovi. Glavne su prednosti hidraulickih sustava: - kompaktnost sustava, Sto omogutuje prijenos velikih snaga s relativno malim dimenzijama (gabaritima) i tefinama, - moguCnost ostvarenja velikog prijenosnog odnosa, - moguCnost kontinuirane promjene brzine gibanja, kako translatornog, tako i rotacijskog motora za vrijeme rada, - jednostavno ostvarivanje translatornoga gibanja, - moguCnost brze i Eeste promjene smjera gibanja zahvaljujuCi malim masama i momentima inercije pokretnih dijelova, - jednostavna zaStita od preopterekenja, - jednostavna kontrola sile i momenta te brzine na izvdnim motorima, - pogodan razmjeStaj elemenata hidrauliEkog sustava, - pogodnost za automatizaciju, - jednostavno podmazivanje i odvodenje topline, - jednostavno i jeftino odrZavanje, - visoka pouzdanost u cijelom vijeku eksploatacije. Osnovni nedostaci hidrauliEkih sustava: - nizak stupanj korisnog djelovanja sustava, - otefano generiranje hidrauliEke energije, - preciznost izrade kljuEnih elemenata sustava, - ograniEenje brzine strujanja radne tekuCine, - promjena fiziEko-kemijskih karakteristika radne tekutine s promjenom tlaka, temperaturom i tijekom vremena, - n u h o s t EiSCenja radne tekutine.

3.2. Opis rada hidraulitke crpke HidrauliEka crpka je uredaj (stroj) koji dovedenu mehaniEku energiju pretvara

b hidraulicku energiju radne tekutine. HidrauliEka crpka je volumenska crpka, jer hidrauliEku energiju predaje zahvaCenom volumenu tekutine. Crpka ima jednu zasebnu radnu komoru ili viSe njih, konstruiranih tako da periodiEki mogu mijenjati veliEinu radnog volumena. Promjena volumena omoguCuje usisavanje i tlaEenje radne tekutine. Protok tekuCine na izlazu iz hidrauliEke crpke ima odredenu hidrauliEku energiju. Klipna crpka prikazana na s1.3.1. irna cilindar 1, klip 2, usisni ventil3, tlaEni ventil 4 i pogonski mehanizam klipa 5. Radna komora crpke je cilindritna. Pomicanjem klipa mijenja se volumen radne komore. Pogonski mehanizam 5 klip periodiEki pomiEe gore dolje. Crpka usisava tekutinu pri pomicanju klipa 2 prema dolje. Usisni ventil 3 pri tome je otvoren, a tlaEni 4 je zatvoren. Tekutinu tlaEi

SL3.1. Shema principa rada klipne hidraulitke crpke: 1 - cilindar, 2 - klip, 3 - usisni ventil, 4 - tlaEni ventil, 5 - pogonski mehanizam


32

klip pomicanjem nagore, pri otvorenom tlatnom ventilu 4 (usisni ventil3 je zatvoren). Razdvajanje (odsijecanje) zahvaCenog volumena radne tekuCine omoguCuje se sinhroniziranim otvaranjem i zatvaranjem usisnog i tlatnog ventila. Simbol hidrauliEke crpke prikazan je na s1.3.2. Za prolaz radne tekuCine crpka 1 ima dva hidrauliEka voda: usisni 2, kojim se tekutina usisava iz rezervoara 3 u radne komore crpke te tlaEni 4, kroz koji se tekuCina tlati prema potroSatu hidraulitke energije.

uredaji za preworbu energije

gdje je: Q [Umin] - teorijski protok crpke, (, [cm3/o) - specifitni radni volurnen crpke, n p [olmin] - minutni broj okretaja vratila crpke. SpecifiEni rutltli volutt~erl crpke Vp je znatiijka koja je odredena njezinim konstrukcijskim velitinama, a jednaka je volumenu tekutine koji zahvate radne komore crpke nakon jednog punog okretaja vratila. ObiEno se mjeri u cm3/0. RaEunski se moie odrediti na osnovi poznatih relacija za svaku konstrukciju hidrauliEke crpke. U tehniEkim podacima hidrauliEke drpke su specificirane prema veliEini specifiEnog radnog volumena. Stvarni protok hidraulitke crpke Qp manji je od teorijskoga Qpl, jer se dio volumena zahvatene tekuCine nepovratno rzgubi u crpki i ne sudjeluje u korisnoj pretvorbi energije: Qp

-

51.3.2. Simbol hidraulidke crpke: 1 hidraulieka crpka, 2 vod crpke, 3 rezervoar, 4 LlaEni vod crpke

-

-

- usisni

Rad crpke je periodiEki i karakteristicne su dvije faze: usisavanje i tlatenje radne tekutine. Usisavanje, tj. popunjavanje radnih komora hidrauliEke crpke radnom tekuCinom, obavlja se kroz usisni vod i odgovarajufi ulazni kanal, najEeSCe zbog razlike tlaka u radnoj komori i rezervoaru. Zbog poveCanja volumena radne komore crpke, u njoj se tlak snizuje. U rezervoaru obitno vlada atmosferski tlak koji jei viSi od tlaka u radnoj komori. Zato se radna komora crpke popunjava tekutinom. Za vrijeme usisavanja, radna komora crpke spojena je s usisnim vodom 2 i odvojena od tlaEnog voda 4. Radne se tekutine t l a k u toku smanjivanja radnog volumena. Pri tom se dovedena mehaniEka energija pretvara u hidraulizku, gdje klip prenosi silu na volumen tekuCine u cilindru. U tekuCini se tada stvara tlak i protok (hidrauliEka energija). Za vrijeme tlaEenja, radna komora crpke je spojena s tlaEnim vodom 4 i odvojena od usisnog voda 2.

3.3. ObiljeZja radnog procesa hidrauliCkih crpki Rad hidraulifke-crpke uvjetovan je ovim velizinama: - protokom Q,, - specifitnim radnjm volumenom V,, - postignutim tlakom p,, - potrebnom snagom P , - brojem okretaja vratifa crpke np? - koeficijentom korisnog djelovanja 8. 3.3.1. Protok hidraulitke crpke

Teorijski protok

Qp,

Q,, = Vp npll 000,

hidrauliEke crpke je jednak:

gdje je:

=

Qpt

VVP

,

(3-2)

[Umin] - stvarni protok crpke, [Umin] - teorijski protok crpke, - volumenski koeficijent korisnog djelovanja crpke. VT Qp Qpt

3.3.2. Gubici energije u hidrauliCkoj crpki

Gubici energije u hidraulitkim crpkama ne mogu se izbjeti. Osnovni su gubici:

- volumenski, - mehanitki, - hidraulifki.

Volumenski gubici u hidrauliEkoj crpki ovise ne samo o konstrukcijskim karakteristikama crpke vet i c uvjetima rada, kao i stanju radne tekutine. Oni su rezultat istjecanja radne tekuCine kroz konstrukcijske zazore crpke, gubitaka zbog poviSenja tlaka u radnirn komorama crpke i gubitaka zbog nepotpunog popunjavanja radnih komora tekuCiaom u toku usisavanja. NajveCi su gubici istjecanja kroz zratnosti brtvene uredaje. Gubici istjecanja kroz zratnosti su definirani velitinom zratnosti; fizitko-kemijskim karakteristikama radne tekuCine te visinom tlaka. OpCenito su gubici istjecanja AQ, jednaki: AQp =

Qpt

- Qp,

(3-3)

gdje je: AQ, [Umin] - gubitak protoka u crpki, Qp, [Umin] - teorijski protok crpke, Q,, [ U m ~ n ] - stvarni protok crpke. EC>pcl.inic.nti pokuzuju da s u gubici protoka u hidraulitkinl crpk21n1a proporcionalni s visinom tlaka pc u crpki i koeficijentom gubitaka istjecanja pumpe 6. AQp = & p C ,

(3-4)

- gubitak protoka u pumpi, gdje je: AQ, [Umin] K,, [(Umin)/bar] - koeficijent gubitaka istjecanja, - vrijednost tlaka u crpki. PC[bar] Koeficijent gubitaka istjecanja crpke & odreduje se eksperimentalnim mjerenjima za svaki tip crpke.


34

Ovisnost stvarnog protoka crpke Q, o visini tlaka p, u crpki ima oblik:

Qp = Qpt - I(CP pp (3-5) - stvarni protok crpke, gdje je: Q , [Umin] - teorijski protok crpke, Q,, [Umin] K, [(Umin)/bar] - koeficijent gubitaka istjecanja, - vrijednost tlaka u crpki. p, [bar] Stvarni protok hidraulitke crpka Qp opada s porastom tlaka pp u crpki (s1.3.3a).

35

Uredaji za pretvorbu energije

KarakteristiEne promjene volumenskog koeficijenta korisnog djelovanja q, u ovisnosti o tlaku u crpki p,, V , = f@,) i broju okretaja vratila crpke n,, - f (n,), dane su na s1.3.4. flv Mehanifki gubici u hidrauliEkoj crpki gubici su energije zbog trenja koje nastaje gibanjem pokretnih elemenata crpke. Za svladavanje trenja koristi re moment AM, koji predstavlja mehaniEke gubitke. (3-8) AM, = Mp - Mpt, I.

I

gdje je: AM [daNm] - gubici momenta, M [ d a ~ m ] - stvarni moment na vratila crpke, [daNm] - teorijski moment na vratilu crpke. Teorijski moment na vratilu crpke je:

4,

S1. 3.3. ProtoEne karakteristike hldraulitke crpke: a o broju okretaja, b - ovisnost protoka o padu tlaka

gdje je: Mpt [daNm] - teorijski moment na vratilu crpke Vp [cm3/o] -: specifiEni radni volumen crpke, p, [bar] - radni tlak u crpki. MehaniEki gubici obuhvakeni mehanifkim koeficijentom korisnog djelovanja e p , koji je definiran kao odnos teonjskog Mpt i stvarnog momenta M, na vratilu crpke :

- ovisnost protoka

Gubici istjecanja u hidrauliEkoj crpki manifestiraju se odredenim brojem okretaja vratila crpki pri Eemu crpka ne tlaEi tekuCinu u tlatni vod, odnosno sva usisana tekuCina pri tom broju okretaja istjeEe kroz konstrukcijske zraEnosti na crpki, Sto je ujedno minimalni broj okretaja vratila crpke (s1.3.3a).

- mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja, gdje je: hP M [daNm] - teorijski moment na vratilu crpke, k $ [ d a ~ m ] - stvarni moment na vratilu crpke. Stvarni moment na vratilu hidraulitke crpke M, je: Mp = Mptltlmp. (3-11) KarakteristiEne promjene mehanitkog koeficijenta korisnog djelovanja qmp hidraulitke crpke prikazane su na s1.3.4.

gdje je: qpmin[olmin] .- minimalni broj okretaja vratila crpke, AQ [Umin] - gubici protoka u crpki, Vp [cm3/olo] - specifiEni volumen crpke. KarakteristiEna promjena protoka crpke u funkciji broja okretaja vratila crpke Q, = f (n,) prikazana je na s1.3.3a, a u funkciji tlaka Q, = fb)na s1.3.3b. Za hidrauliEku crpku volumenski koeficijent korknog djelovanja 11 definiran je kao odnos stvarnog protoka crpke Q,, prema teorijskom protoku

6.

- volumenski koeficijent korisnog djelovanja, gdje je: rl, Qp [dmin] - stvarni protok crpke, Qpt [Umin] - teorijski protok crpke, AQ, [Umin] - gubici protoka u crpki.

SI. 3.4. Promjena koeficijenta korisnog djelovanja hidraulitke crpke: a - ovisnost o broju okretaja, b - ovisnost o padu tlaka


36

u

Hidraulifki gubici crpki posljedica su utjecaja trenja Eestica radne tekuCine o stijenke kanala i unutraSnjeg trenja Eestica tekuCine izmedu sebe te lokalnih hidraulitkih otpora. MoguCnosti za praktitno odredivanje veliEine tih gubitaka su ogranitene. Vrijednost tih gubitaka je za praktitne proraEune obuhvakena mehanirkim koeficijentom korisnog djelovanja. Koeficijent korisnog djelovanja hidrauliEke crpke je definiran kao umnoiak tlp

gdje je: qp - koeficijent korisnog djelovanja crpke, qpv - volumenski koeficijent korisnog djelovanja crpke, q,,,,, - mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja crpke. Ukupni koeficijent korisnog djelovanja r], hidraulitke crpke, volumenski rlpv te mehaniEki vpm,odreduju se na ispitnim stolovima u toku proizvodnje ili remonta hidrauliEkih crpki. Njihove brojEane vrijednosti su u tehniEkim podacima t idraulitkih crpki. ProsjeEne vrijednosti koeficijenata korisnog djelovanja jesu: tip 0.8 - 0.85, vpYz 0.9 - 0.95, 9,;= 0.9 - 0.95. 3.3.3. S n a g a hidrauliEke crpke Teorijska snaga hidraulitke crpke je:

gdje je: Npt[kW] - teorijska snaga crpke, Qpt [Umin] - teorijski protok,crpke, - radni tlak crpke. pp [bar] Korisna snaga je ona koju struja tekukine ima na izlazu iz hidraulitke crpke.

gdje je: N [kW] - korisna (stvarna snaga crpke), [kW] - teorijska snaga crpke, - koeficijent korisnog djelovanja crpke. VP

4,

Hidraulifka crpka ima:

~jefen~e protok crpke je proporcionalan sa specififnim volumenom Vp i brojem okretaja osovine n, Q,

= V,n, qrY = 14 x l(r3

X

1440 x 0.9 = 18.14 Umin

Snaga crpke je:

Snags

potrebna za PogOn crpke je poveCana zbog gubitaka u crpki:

3.4. KarakteristiCne izvedbe hidrauliEkih crpki U tehnitkoj je upotrebi veliki broj razliEitih tipova hidraulifkih crpki (tablica 3.1). One omogutuju kontinuirano stvaranje hidraulitke energije. Osnovni princip rada kod svih je isti. Crpka usisava i tlaEi radnu tekutinu. MehaniEka energija dovedena na ulazno vratilo hidrauliEke crpke pretvara se u hidraulitku energiju struje radne tekutine. HidrauliEke crpke imaju tri osnovna dijela: - mehanizam za tlaknje, - mehanizam za razvodenje, - mehanizam za upravljanje i regulaciju radnih obiljeZja (karakteristika) crpke. Mehanizam za tlafenje tekutine Eine radne komore i pokretni mehanitki sklop koji usisava i tlati tekutinu. Taj mehanizam predaje mehanitku energiju zahvatenom volumenu radne tekutine. Mehanizam za razvodenje omogutava odvajanje zahvaCenog volumena tekuCine tako da razdvaja prostor niskog tlaka (na ulazu) od prostora visokog tlaka (na izlazu) hidraulizke crpke. Mehanizam za upravljanje radnih karakteristika (znaEajki) crpke ornogutava promjenu radnih karakteristika crpke tijekom rada, i to promjenu protoka po intenzitetu i po smjeru te promjena tlaka. Za pogon hidraulitkih crpki koriste se uglavnom motori s rotacijskim gibanjem izlaznog vratila. Crpka odgovarajutim tlaEnim i razvodnim mehanizmom dovedenu mehanitku energiju pretvara u hidraulifku. Kod nekih je crpka osnovno gibanje tlatnog mehanizma rotacijsko (zuptaste, krilne, vijtane, odvalne itd.). Kod klipnih crpki je osnovno gibanje tlaEnog mehanizma pravocrtno. Kako izvor mehaniEke energije daje rotacijsko gibanje, kod tih je crpki nuZan mehanitam za pretvaranje kruinoga gibanja u pravocrtno. Na s1.3.5. prikazana je osnovna klasifikacija hidrauliEkih crpki i motora, a u tablici 3.1. prikazane su osnovne konstrukcije hidraulitkih crpki i motora s odgovarajutim vrijednostima radnih obiljezja. 3.4.1. ZupEasta crpka

r), = 0.9,

- ukupni koeficijent korisnog djelovanja q,,,, = 0.8. Potrebno je odrediti: - protok crpke u litrama po minuti, - snagu potrebnu za pogon crpke.

37

(3-12)

= tlpv tlprn,

- specififni volumen, Vp = 14. m 3 / 0 , - broj okretaja vratila np = 1 440 o/min, - maksimalni radni tlak pp = 150 bar, - volumenski koeficijent korisnog djelovanja

uredaji za pretvorbu energije

Principijelna shema zupEaste crpke s vanjskim ozubljenjem prikazana je na s1.3.6a. Funkciju tlahog mehanizma obavlja zuplianiEki par. Radnu ~ O ~ OEiniN prostor izmedu zuba, ravna povrSina kojom je taj prostor zatvoren sa botnih strana te dio cilindriEne povrSine ku65ta crpke koji zatvara taj prostor po obodu zubaca.


39

urdaji Za pretvorbu energije ~ ~ b3.1. l Karakteristike i ~ hidrauliCkih crpki i rnotora ~ i ~ e m a t s kshcma a

Izvcdba

Radni volumen cm3/o 12 do 250

motor

Radni J&

rnax MPa

., -

Broj Koeficijent okretaia korisnog max djelovanja olrnin ,,,

Buka dB

,

0 -10

20

-

a-

0.91

do320 17.5

motor

5 do 160

10..16 960 20..25

3 000

0.8 do 0.93

5..10

500

0.7

76 do 82

SI.3.5. Podjela hidraulitkih crpki

Radna se tekuCina u toku izlaska zuba iz zahvata usisava i u momentu njegova ponovnog ulaska u zahvat tlaEi. Usisni je kanal nasuprot tlaEnom kanalu. ZupEasta crpka nema rnehanizam za upravljanje, Sto znaEi da radi konstantnim protokom. ZupEasta crpka s vanjskim ozubljenjem radi ovako: u prostoru izmedu zuba na usisnoj strani usisavanja, zbog izlaska zuba iz zahvata, stvara se podtlak i taj se prostor popunjava radnom tekuCinom. Zbog rotacije para zupEanika, zahvatena tekuCina u prostoru izmedu zuba prenosi se na tlaEnu stranu crpke. Na tlaEnom dijelu zuptaste crpke, ulaskom zubaca u zahvat, istiskuje se zahvaCena teku6na u tlatni vod. ZupEasta crpka nije reverzibilna. Dio tekutine koji ostaje zarobljen izmedu zubaca kada oni ulaze u zahvat, odvodi se posebnim rasteretnim kanalom. TlaEna strana zuptaste crpke je profilirana tako da se omogu6 odvodenje blokirane tekuCine i rastereti korijen meduzublja. Na usisnoj strani zuphste crpke javlja se problem punjenja meduzublja, naroEito pri veCirn brzinama rotacije zupEastog para. Usisni kanal crpke je tako profiliran da su gubici hidrauliEke energije minirnalni a prostor usisavanja dovoljno velik. Ta inaEe jeftina i robusna konstrukcija hidraulitke crpke ima prilicno velike gubitke istjecanja kroz konstrukcijske zraEnosti i stvara relativno veliku buku. ZupEaste crpke nisu osobito osjetljive na neEistu radnu tekutinu, imaju dobre eksploatacijske karakteristike i zahtijevaju minimalno odriavanje. PrepomEene vrijednosti radnog tlaka su do 200 bara, broj okretaja je od 1 000 do 2 000 olrnin. Izraduju se u razliEitim veliEinama specifiEnog r a d n o ~volumena (tablica 3.1). Buka koju stvara zupEasta crpkas vanjskih ozublienjern prelaii 70ldB i pdsljedica je konstrukcije.

n

crpka motor

4 do 630

20 O.84

0.8 do

76 do

3000

0.9

82

7i(l

0.S7

motor

160

32

50 motor

C A

crpka motor

do 450

25 do

63

1 500

40..48

750 8000

800

crpka motor

25 do 800

tlt~

590

0.YS

0.8 do

5 8.5

0.92

16..25 32

750 3000

0.82 do 0.93

5 85

40


41

uredaji za pretvorbu energijj

,) 2PL 090 s nominalnim protokom od 41.5 Umin pri 1500 olmin i ekvivalentnim protokom 26,6 Umin pri 960 olmin. Maksimalni radni tlak je 250 bar. Crpka 1PL 060 zadovoljava postavljene zahtjeve. Protok od 27.1 Umin joj je veCi od zahtijevanoga (25 Umin) za 9.2%. fto daje dovoljnu rezervu. Maksimalni radni tlak ove crpke je 250 bar. Crpka 2pL 090, pri 960 olmin moZe naravno biti alternativa crpki 1PL 060.

Tablica 3.2. Karakteristike zupEastih crpki tipa PL

TIP

S1. 3.6. ZupEasta crpka s vanjskim (a) i unutrasnjim (b) ozubljenjem

ZupEasta crpka s unutraSnjim ozubljenjem prikazana na s1.3.6b ima otvor u prostoru izmedu zuba koji omoguCava njegovo efikasno praZnjenje. Usisavanje, prijenos i tlaEenje radne tekufine odvija se isto kao i u prethodnom slutaju. Ova crpka ima kompaktnu konstrukciju, miran i tih rap. Ipak, zbog sloZenije tehnologije ozubljenja, manje se koristi od zuptaste crpke s vanjskim ozubljenjem.

Potrebni protok za hidraulifki sustav je 25 Umin, a maksimalni tlak je 150 bar. Crpka se pogoni sa 1 440 olmin. Potrebno je odabrati zupfastu crpku za pogon sustava prema podacima navedenim u tablici 3.2.

Potrebni teorijski protok crpke je: Qp, = 25 Umin.

Stvarni protok crpke je povedan 10% i ima vrijednost: Q, = 27.5 Umin. Maksimalni radni tlak je 150 bar a ventil sigurnosti se postavlja otprilike na 10% vefu vrijednost, tj.

p = 165 bar. To znaEi da se mora odabrati crpka s protokom pribliZno 27.5 Umin pri 1440 olmin i radnim tlakom 165 bar. Prema tablici 3.2. vrijadnost protoka je dana za 1 500 olmin. Ekvivalentni protok za pogon pri 1 500 olmin ima vrijednost:

Spcc. volumen cmk

Maks. tlak bar

min. olmin

Broj okrctaja maks. olmin

Protok crpke pri 1 500 o/min Umin

OPL 003 OPL 004 OPL 006 OPL 008 OPL 011 OPL 013 OPL 015 OPL 019 OPL 025 IPL 020 IPL 028 1PL 036 1PL 044 1PL 052 1PL 060 1PL 072 1PL 090 2PL 050 2PL 070 2PL 090 2PL 105 2PL 120 2PL 146 2PL 158 3PL 150 3PL 180 3PL 210 3PL 250 3PL 300 3PL 330 3PL 380

0, = Qp . 1 50011 440 = 27,s . 1 50011 400 = 28.7 Umin. Prema podacima iz tablice 3.2, imamo crpke: a) 1PL 060 koja ima nominalni protok od 28.1 Umin pri 1 500 olmin, Sto maEi da & pri 1 440 olrnin imati 27.1 Umin. Maksimalni radni tlak je 250 bar. b) IPL 072 s nominalnim protokom 33.6 Umin pri 1 500 olmin. Ekvivalentni je protok pri 1 440 olmin 33,2 Umin. Maksimalni radni tlak je 210 bar.

3.4.2. VijEane crpke

Vijtane se crpke odlikuju mirnim i tihim radom, bez pulzacija tlaka i protoka. Principijelna shema vijbne crpke prikazana je na s1.3.7. TlaEni mehanizam je spregnuti vijEani par. Radne komore se stvaraju izmedu pogonskog vijka (smjeStenog u sredini) i dvaju vijaka smjeStenih sa strane.


u

51.3.7.VijEasta crpka

TekuCina se usisava i tlaEi kontinuirano tijekom rotacije spregnutoga vijtanog para. Smjer tlaEenja definiran je smjerom rotacije vijEanog para. VijEana crpka ima razmjerno visoke gubitke zbog zraEnosti pa se ne koristi za visoke radne tlakove. Optimalna primjena se postiZe pri tlaku od 50 do 100bara. VijEane crpke grade se kako za male, tako i za vrlo velike protoke (tablica 3.1).

3.4.3. Krilna crpka

Princip krilne crpke prikazan je na s1.3.8. Rotor crpke s usadenim krilcima smjeSten je ekscentritno u stator crpke. Radna kornora formira se izmedu dvaju krilaca, rotora i datora crpkc. Zukrctanjcm toiota, radna komora se kontinuirmo mijenja od minimalne do maksimalne veliEine i obratno. TlaEni mehanizam Eine krilca zajedno s rotorom i statorom. Usisna strana crpke je odvojena od tlaEne razvodnom ploEom (mehanizam za razvodenje) koja ima dva otvora u obliku polumjeseca a spojeni su na usisni i tlaEni vod crpke. Krilna crpka radi ovako: okretanjem rotora crpke povekava se volumen radne komore. Maksimalna vrijednost volumena radne kornore postiie se pri zakretanju rotora za pola kruga (n). Daljim zakretanjem rotora, volumen radne komore se smanjuje. Minimalna vrijednost volumena radne komore postiZe se pri dostizanju

a

b

S1. 3.8. Principijelna sherna krilne crpke (a) konstrukcijska izvedba (b)

c


43

punog kruga ( 2 ~ ) Usisni . kanal razvodne ploEe smjeSten je tako da omoguCava popunjavanje radnih komora teku6inom sve vrijeme dok njihov volumen raste (Zakret od 0 do n). TlaEni kanal omogukuje odvodenje radne tekuCine za vrijeme smanjenja volurnena radne komore (zakret od n do 2n). To je razlog da profil u s i s n ~ gi tlaEnog kanala razvodne ploEe ima oblik polumjeseca. Pos~ojeizveqbe Frilnih crpki kod kojih se ekscentricitet (eks~ntritnost)rotora u odoosu prerna statoru moie mijenjati (mehanizam za upravljanje crpkom). Prornjenom ekscentriEnosti crpke mijenja .se veliEina radnog volumena, odnosno veli&na protoka crpke. Posljedica negativne vrijednosti ekscentriznosti je promjena smjera protjecanja radne tekuCine iz crpke. Eksploatacijske karakteristike krilne crpke su slitne zuptastima (tablica 3.1). Maksimalni radni tlak je do 150 bara. Krilne crpke irnaju miran rad i nisu buEpe. 3.4.4. Klipno-aksijalna crpka

Radne komore klipno-aksijalne crpke Eine klip i cilindar (tlaEni rnehanizam). Broj radnih komora je 7 , 9 ili 11. Mehanizam za razvodenje je nepokretna razvodna ploEa sa dva profilirana kanala u obliku polumjeseca. Konstrukcijska jeSenja klipno-aksijalnih crpki temelje se na dvama principima pretvorbe rotacijskog gibanja u pravocrtno (aksijalno gibanje klipova crpke): - kardanski zglob, - zakretna plob. Crpke se rnogu izvesti s konstantnirn i pronijenljivim radnim volumenorn. Na s1.3.9a prikazana je shema klipno-aksijalne crpke sa zakretnom ploEom. TlaEni mehanizam je sklop cilindra i klipa. Pogonsko vratilo crpke 7 kruto je vezano na blok cilindara 3. Pod odredenim kutom u odnosu prema tom vratilu postavljena je zakretna ploEa 6. Postoje klipno-aksijalne crpke kod kojih se kut nagiba zakretne ploEe mo2e mijenjati. Tada taj sklop sluii kao mehanizam za upravljanje protokom crpke. KlipnjaEe (klipovi) 4 klipno-aksijalde crpke su preko kuglastog zgloba i klizne ploEe 5 oslonjene na zakretnu ploEu 6. Blok cilindara 3 oslanja se na razvodnu ploEu 2. Svaki cilindar crpke zavrSava spojnim kanalom preko kojega se usisava i tlaEi radna tekuCina. Razvodna ploEa 2 (s1.3.9a) Evrsto je vkzana za kuCiSte crpke, njezini kbnali su hidrauliEki spojeni na usisni i tlaEni vod crpke. Klipno-aksijalna crpka radi ovako: zakretanjem vratila crpke zakreCe se blok cilindara zajedno s klipovima i kliznorn ploEom. Budu8 da je zakretna ploEa nagnuta, klip (klipnjalSa) za svaki okret vratila crpke napravi aksijalni hod naprijed-nazad. Zakretu od 0 do n odgovara hod u jednome, a zakretu od n do 2 n hod u drugom smjeru. Blok cilindara 3 je oslonjen na razvodnu ploEu 2, pa je kroz spojne kanale cilindara omoguCeno usisavanje (zakret od 0 do n) i tlaEenje (zakret od n do 2n) radne tekuCine. VeliEina nagiba zakretne ploEe odreduje veliEinu aksijalnog hoda klipova crpke, a time i veliEinu raspoloiivog radnog volumena crpke, odnosno njezin protok. Ako je nagib zakretne ploEe jednak nuli, nema relativnog aksijalnog gibanja klipova, protok crpke je jednak nuli. BuduCi da se nagib zakretne ploEe moZe postaviti i u suprotnu stranu (negativni kut nagiba), protok crpke moie promijeniti smjer. Mijenjanjem kuta nagiba zakretne ploEe, protok klipno-aksi-


44

jalne crpke kontinuirano se rnijenja, prekida i mijenja srnjer (reverzira) pri konstantnorn broju okretaja pogonskog vratila crpke. Konstrukcijski se Eesto izvodi konstantni nagib zakretne ploEe pa je protok crpke konstantan.


45

3.4.5. Klipno-radijalna crpka

Klipno-radijalne crpke su robusne konstrukcije. OmoguCavaju dobivanje najviSih tlakova (vise od 5Cl0 bara, tablica 3.1). Pretvorba rotacijskoga gibanja ulaznog vratila crpke u pravocrtno gibanje klipova crpke obavlja se, u principu, na dva naEina: - ekscentricnirn brijegon~na vratilu crpke (klipno-redne crpke), - odgovarajuCim ekscentriEnim razmjestajem klipova u odnosu prerna statoru crpke. Konstrukcijsko rjeSenje klipno-radijalne crpke s ekscentricnim razmjestajem klipova prikazano je na s1.3.10. TlaCni mehanizam tine sklop cilindra i klipa, radijaln~postavljenog u odnosu prema vratilu crpke. Crpka ima vise klipova i cilindara (7, 9 i 11). Hod klipova je odreden ekscentritno postavljenim statorom crpke. Usisna strana crpke je odvojena od tlatne razvodnom ploEom kao kod klipno-aksijalne crpke.

SI. 3.9. Klipno-aksijalna crpka: a - prirtcipijelna sherna, b - promjena protoka, c - promjena tlaka, d - konstrukcijska izvedba

S1.3.10. Principijelna shema klipno-radijalne crpke (a) i k l i p n ~ e d n acrpka (b)

Klipno-aksijalne crpke s kardanskim zglobom imaju klipnjak zglobno vezane za vratilo crpke. Blok cilindra je smjeSten u kuCiSte zajedno s razvodnom ploEom. Kuglasti zglobovi klipnjaEa Eine sa zakretnom ploEom neku vrst kardanskog zgloba. ZahvaljujuCi tome, kruino gibanje vratila pretvara se u aksijalno gibanje klipova crpke. .C Osnovni problem konstrukcije klipno-aksijalne crpke je u razvodenju radne tekutine. Na s1.3.9~prikazana je promjena tlaka na jednom cilindm crpke u toku zakreta vratila pumpe od O' do 2n. Udari tlaka nastaju zbog gnjefenja i Suenja ulja u momentima kad je izlazni otvor cilindra zatvoren razvodnom ploEom. Kvaliteta klipno-aksijalne crpke uglavnom ovisi o konstrukcijskom jeSenju razvodenja radne tekutine. Klipno-aksijalne crpke imaju miran rad, ne stvaraju veliku buku, pogodne su za upravljanje, omogutuju relativno visok protok i tlakove te mogu raditi s visokirn brojem okretaja (tablica 3.1).

Klipno-radijalna crpka s ekscentriEno postavljenim klipovima radi ovako: zakretanjem rotora crpke u ekscentriEno postavljenom s t a t o p za kut od 0 do n, klipovi pumpe se gibaju pravocrtno (koliko im to omogutava postavljena velitina ekscentra). Rotacijom u istom smjem za kut od n do 2n,klipovi se gibaju pravocrtno u dmgom smjeru. Dakle, za puni okret rotora crpke svaki klip napravi hod naprijed-nazad. Izlazni otvori svakog sklopa cilindar-klip su na nepokretnoj razvodnoj ploEi. Ona ima dva otvora profilirana u obliku polumjeseca spojena na usisni i tlaEni vod crpke i omoguCava usisavanje i tlaEenje radne tekuCine iz svakog cilindra crpke u toku rotacije rotora crpke za puni kmg. Ovisno o veliEini i smjeru ekscentra statora, mijenja se veliEina i smjer protoka iz crpke. Za upravljanje protoka (promjenom veliEine ekscentriEnosti) ovih crpki potrebna je.znaEajna energija Sto suhva podruEja njihove primjene. Konstrukcijski se mogu izvesti s konstantnim i promjenljivim radnim volumenom.

I $

46



3.5. OgraniEenja u radu hidrauliekih crpki

3.5.4. Neravnomjernost protoka i tlaka

3.5.1. OgraniEenja broja okretaja

Princip rada suvremenih hidrauliaih crpki i njihova kinematika odreduju neravnomjernost popunjavanja radnih komora, kao i iqtiskivanja radne tekukine iz njih. Zbog toga se javlja neravnomjernost protoka (pulzacije protoka) na izlazu iz hidrauliEke crpke. Ako se tekuCa vrijednost protoka iz crpke rnijenja od Qmi? do Qmax,a srednja vrijednost je Qp, neravnomjernost protoka mote se procijenit~ koeficijentom neravnomjernosti protoka a : Qm, - Qm,, u= (Qma + QminY2 - koeficijent neravnomjernosti protoka, gdje je: o Qm, - maksimalna vrijednost protoka, Qmin- minimalna vrijednost protoka. Neravnomjernost protoka kod hidraulitkih crpti nije velika (oko 1%) i ovisi o konstrukcijskim i kinematitkim karakteristikama crpke. Neravnomjernost protoka izaziva neravnomjernost tlaka zbog inercije tekuCine i njezinog visokog modula elastitnosti. Amplituda neravnomjernosti tlaka pri visokoj hermetiEnosti hidrauliEke crpke moie biti mnogo visa od amplitude neravnomjernosti protoka. Neravnomjernost tlaka u hidraulitkoj crpki je posljedica ne samo pulzacije protoka vet i, u znatnoj mjeri, konstrukcijske neusavrSenosti mehanizama za razvodenje tekuCine, i to u momentu prijelaza iz prostora usisavanja u prostor tlatenja, kao i obratno. Ta neravnomjernost moZe biti mnogo vet% od neravnomjernosti odredene kinematikom hidrauliEke crpke. Neravnomjernost tlaka moie uzrokovati oSteCenja (havarije) hidrauliEkog sustava zbog oscilacija komponenti, osobito cijevi i spojeva. Ona takoder izaziva nekontrolirane vibracije mehanizama za upravljanje.

Minimalni broj okretaja vratila crpke je odreden velitinom gubitaka istjecanja kroz konstrukcijske zraEnosti. Pri minimalnom broju okretaja protok crpke je jednak sumi protoka gubitaka pa korisnog protoka nema. Maksimalni broj okretaja odreden je pouzdanim popunjavanjem radnih komora crpke radnom tekuCinom. Pri poveCanju broja okretaja vratila crpke pove&va se i otpor strujanja tekuCine u usisnom kanalu, radne komore se nedovoljno popunjavaju, protok crpke se sniZava i pojavljuje se opasnost od kavitacije. Radom hidrauliEke crpke na niZem broju okretaja, povekva se pouzdanost i vijek trajanja crpke. PoveCanjem broja okretaja, sniZava se vijek trajanja zbog poveCanog troBenja dijelova. T o donekle odreduje broj okretaja kod suvremenih hidrauliEkih crpki do 4 000 olmin (tablica 3.1). 3.5.2. Kavitacija u crpki

Kavitacija u hidrauliEkoj crpki javlja se zbog niskog tlaka na ulazu u crpku (usisni vod). Manifestira se Sumom te visokofrekventnim oscilacijama tlaka u tlaEnom vodu crpke. Posljedice kavitacijskog rada su oSteCenja glavnih (bitnih) dijelova crpke. Kavitacija je jedan od faktora koji ograniEavaju gornju granicu broja okretaja crpke. Osnovni je natin borbe protiv kavitacije to da se u konstrukciji izbjegnu nagli prijelazi u protoEnim kanalima, koji uzrokuju kavitaciju. U usisnom kanalu crpke treba osigurati takav tlak koji omoguCava da se bez naruSavanja protoka svladaju hidraulitki otpori i inercija tekuCine. Pojava kavitacije, odreduje najniZu visinu s koje hidraulitka crpka moZe usisavati tekutinu. DopuStena visina usisavanja (kavitacijska visina) definirana je za svaku crpku kao visina ugradnje crpke u odnosu prema najniZoj razini tekuCine u rezervoaru i moZe.se naCi u tehnitkim podacima crpke. Kod primijenjenih konstmkcija hidraulitkih crpki kavitacija se javlja pri tlaku usisavanja 0.2 bara i poEinje to ranije Sto radna tekuCina sadrZi vise otopljenih plinova. U veCini slutajeva hidrauliEke crpke ugraduju se tako da su uronjene u radnu tekuCinu kako bi se osigurao potreban tlak u usisnom vodu crpke. Klipno-aksijalne crpke obitno imaju poseban sistem za dobavu tekuCine. 3.5.3. OgraniEenje tlaka

Tlak razvijen crpkom teorijski mofe biti bilo koji tlak i ogranitava se samo moguCnoSCu brtvljenja radnih komora i same crpke. PoviSenje tlaka omoguCava poveCanje snage, smanjenje mase i gabarita crpke. Vijek trajanja crpke pri tome se smanjuje. Ne smije se zaboraviti da je poviSenje tlaka, broja okretaja i koeficijenta korisnog djelovanja jedan od osnovnih zadataka tehniEkog usavrSavanja konstmkcija hidrauliEkih crpki.

3.6. Regulacija crpki promjenljivog radnog volumena Regulacija i upravljanje kod crpki moguCe je u mehanizmima za upravljanje koji omoguCuju promjenu veliEine radnog volumena tijekom rada. Konstrukcijski se hidrauliEke crpke mogu izvesti s regulacijom: - protoka, - tlaka, - snage, - praznog hoda. Za objaSnjenje temeljnih principa regulacije crpki promjenljivog radnog volurnena koristit Ce se klipno-aksijalna crpka sa zakretnom plotom. 3.6.1. Regulacija protoka

Servomehanizam za pozicioniranje p ~ l o i a j azakretne ploEe klipno-aksijalne crpke prikazan je na s1.3.11a. On se sastoji od klipnog,razvodnika 1, izvrSnog hidraulitkog cilindra 2 i mehaniEke povratne veze 3. Zadani poloZaj zakretne ploEe postavlja'se pomicanjem upravljatke (komandne) poluge 3. Klip razvodnika i klip


48

izvrSnog cilindra povezani su krutom polugom (negativna povratna veza). KlipnjaEa hidrauliEkog cilindra pomiEe, zakretnu ploEu 4. Upravljanje hidrauliEkom energijom obavlja se (izvodi) pomoCu klipnog razvodnika Eiji se klip premjeSta upravljaEkom polugom. Odriavanje (i pozicioniranje) zadane pozicije zakretne


49

ploEe obavlja se djelovanjem negativne povratne veze (s1.3.11b), sve dok postoji zadani pomak komandne poluge. ZahvaljujuCi pozicioniranju zakretne p l o k aksijalno-klipne crpke omogukena je regulacija njezinog protoka. ProtoEna karakteristika dvosmjerne i jednosmjerne crpke prikazana je na s1.3.11~i d. 3.6.2. Regulacija tlaka

Regulatori tlaka imaju zadatak da zakretnu ploEu crpke dovedu u poloiaj pri kojem se, kad se postigne zadani tlak, protok crpke smanjuje. Principijelna shema te regulacije prikazana je na s1.3.12. Ventil za kompenzaciju tlaka 4, odrZava postavljenu vrijednost tlaka u izvrSnom cilindru 3 koji odrZava poloiaj zakretne ploEe 1 crpke. Promjena tlaka u sustavu uzrokuje zakretanje zakretne p l o k i promjenu protoka crpke.

$1. 3.12. Regulacija tlaka crpke promjenljivog radnog volumena: a - principijelna shema, b - hidraulitka shema

SI. 3.11. Pozicioniranje zakretne p l d e klipno-aksijalne crpke: a - principijelna shema hidraulitkog se~omehankma,b sherna gibanja poluge, c - protdna karaheristika jednosmjerne crpke, d - prototna karakteristika dvosmjeme crpke, e - konstrukcijska izvedba klipno-aksijalne crpke prornjenljivog radnog vOlumena .

-

Ako tlak u sustavu poraste do vrijednosti podeSene na ventilu za kompenzaciju tlaka 4, on otvara napajanje lijeve komore cilindra 3. Zbog razlike u v e l i h i aktivnih povrSina na klipu cilindra 3, klip se pomite udesno, smanjujuki nagib zakretne ploEe i izlazni protok crpke. I Ako tlak u sustavu padne, opruga ventila za kompenzaciju 4 pomiEe njegov klip ulijevo, lijeva s e komora hidraulifkog cilindra spaja s odvodom, klipnjaEa se uvlaEi i poveCava nagib zakretne p l o k a time i protok crpke. Kod nekih konstrukcija regulatora tlaka postavlja se graniEnik hoda klipa hidrocilindra kojirn se podeSava maksimalni nagib zakretne plofe crpke. Za smanjivanje oscilacija tlaka u polju mrtvog hoda zakretne ploEe crpke, preporuEuje se, ispred sustava za kompenzaciju tlaka, ugradnja ventila za ograniEenje tlaka koji oddava tlak na 20% v e h j vrijednosti. Regulacija tlaka je moguCa samo kod crpki promjenljivog radnog volumena s jednim smjerom tlafenja.

50


51

Regulacija konstantne snage najEeSCe se ujedinjuje s regulacijom tlaka. Simbolitkije to prikazano na s1.3.14a, a odgovarajuh promjena protoka na s1.3.14b.

3.6.3. Regulacija konstantne snage

Ovisno o visini radnog tlaka i prototnosti crpke mijenja se snaga potrebna za njezin pogon. Snaga za pogon crpke Eesto je ogranikna. Regulacija konstantne snage osigurava stalan odnos protoka i tlaka crpke ili zadanu snagu crpke. Shema mehanizma prikazana je na s1.3.13a. Ako tlak u sustavu raste, hidraulitki cilindar 3 smanjuje nagib zakretne p l o k 1, a time i protok crpke. I

51.3.13. Regulacija konstantne snage: a - principijelna shema, b


3.6.4. Regulacija konstantnog protoka

Tom se regulacijop osigurava trajna neovisnost protoka iz ,crpke o promjeni volumenskog koeficijenta korisnog djelovanja i pogonskog broja okretaja vratila crpke. Regulator konstantnog protoka.crpke pri smanjenju broja okretaja poveCava a pri poveCanju broja okretaja smanjuje protok crpke. Principijelna shema regulators konstantnog protoka, zajedno s prototnom karakteristikom Q-p, prikazana je na s1.3.15.

- Q- p dijagram

Komora izvrSnog cilindra 3 povezana je uz tlatnu vodu. Na klip cilindra djeluju dvije sile: sila opruge 2 koja se mijenja s promjenom duljine i hidrauliEka sila koja je proporcionalna s visinom tlaka u tlaEnom vodu sustava. U podmtju tlaka p3 < pl, sila opruge je veCa od hidraulitke sile pa je klip cilindra u krajnjem desnom polofaju. Crpka tada radi maksimalnim protokom i njezina snaga raste linearno s radnim tlakom (s1.3.13b). Kad se u sustavu dostigne tlak pl, snaga crpke je maksimalna. Sila u opruzi je manja od hidrauliEke sile i potinje gibanje klipa cilindra sve do poloiaja gdje su sila u opruzi i hidraulitka sila izjednatene. Protok crpke se smanjuje. PoSto je dostignut tlak p,,,, klip cilindra dolazi u krajnji lijevi poloiaj, gdje crpka ima najmanju vrijednost protoka. Porast tlaka je ograniEen ventilom za ogranitenje tlaka koji se postavlja na izlazu crpke.

S1.3.15. Regulacija konstantnog protoka: a - hidraulitka shema, b - 0- rb dijagram

Na tlatnom vodu crpke 1 postavljen je priguSnik 2. O n stvara tlak pl koji je ovisan o velitini protoka crpke i ne ovisi o tlaku p u sustavu. Tlak pl se dovodl s lijeve strane, a tlak fi s desne strane upravljatkog razvodnika 3. Traiena vrijednost protoka crpke zadaje se podeSavanjem opruge na razvodniku 3. Kad protok crpke preraste zadanu velitinu, tlak pl postaje viSi od p. Rezultantna sila za prebacivanje klipa razvodnika 3 djeluje sa strane tlaka pl (sila od tlaka pl je veCa od sile p2 zajedno sa silom opruge). Prebacivanjem klipa razvodnika omoguCava se napajanje cilindra za pomicanje zakretne plote, tako da se protok crpke smanjuje. Posljedica smanjenja protoka iz crpke je sniienje tlaka p,. Rezultantna sila na klipu razvodnika djeluje sa strane opruge (tlak pz). Tako klip ramodnika prati promjene tlaka pl i fi i obavlja regulaciju protoka crpke. PnguSnik 4 u kolu ramodnika omoguCava smanjenje (podeSavanje) brzine zakretne plote.

3.7. lzbor hidrauliekih crpki Osnovni parametn na osnovi kojih se izabiru hidrauli~kecrpke jesu:

SI.3.14. Regulacija konstante snage s regulacijom tlaka: a- hidraulitkashema, b - Q- p dijagram

- maksimalni radni tlak, - maksimalni protok, - naEin upravljanja, - pogonski broj okretaja, - radna tekutina, - klasa EistoEe radne tekutine,


- buka crpke,

- gabariti (dimenzija) i teiina crpke, odnosno masa, - koeficijenti korisnog djelovanja, - cijena,

- raspoloiivost i zamjenljivost,

- odriavanje i rezervni dijelovi.

Podaci potrebni za izbor hidrauliEkih crpki navedeni su u tehniEkim podacima koje daju proizvodafi.


3.7.3. NaCin upravljanja crpkom

Izbor naEina upravljanja crpkom promjenljivog radnog volumena ovisi prije svega o potrebi sustava. Kod sustava gdje se u toku rada dogadaju nagle promjene protoka i tlaka, preporuEuje se ugradnja odgovarajuteg hidraulifkog akumulatora, koji znatno utjeEe na stabilnost rada mehanizama za regulaciju crpke, a time i na rad cjelokupnog hidrauliEkog sustava. 3.7.4. Pogonski broj okretaja

3.7.1. Maksimalni radni tlak

Maksirnalni radni tlak odreden je prije svega potrebnom snagom, tipom radne tekuCine, radnim uvjetima te odfivanjem hidrauliEkog sustava za svaku odredenu primjenu. Njegova se vrijednost odreduje iz energetskog prorafuna hidraulitkog sustava. ViSi radni tlak znaEi viSu cijenu komponenata hidrauliEkog sustava i manja je moguCnost njihova izbora. Glavna prednost visokog radnog tlaka je smanjenje protoka (za zadanu snagu), moguhost koriStenja manjih crpki, manjih protoEnih otvora i manjih komponenata. Nedostaci pri koriStenju visokog radnog tlaka uglavnom su vezani za stlaEivost radne tekuCine. Ona moie imati znafajan utjecaj, osobito kad se pri visokim radnim tlakovima obavlja precizno upravljanje pri promjenljivim vanjskim opteretenjima. Radni tlak hidrauliEkih crpki ovisi i o nekim drugim karakteristikama upotrijebljene tekuCine. Nezapaljive radne tekutine, u pravilu, imaju IoSija svojstva podmazivanja u usporedbi s mineralnim uljima. Da bi se osigurao odgovarajuCi radni vijek crpke, pri upotrebi nezapaljive radne tekutine, proizvodafi preporufuju niie vrijednosti maksimalnog radnog tlaka. Trend razvoja hidraulifkih crpki je po"iSenje radnog tlaka.

3.7.2. Maksimalni protok

Izbor hidrauliEke crpke je usko vezan za maksimalnu i minimalnu vrijednost protoka koja se traii u hidrauliEkom sustavu. Ako je zahtjev sustava za pribliino konstantnim protokom, odabire se crpka konstantnog radnog volumena. Ako se zahtijeva serija fiksnih razina, upotrebljava se sustav s vise crpki konstantnog protoka. Za zahtjeve koji variraju unutar relativno uskog raspona, koriste se crpke promjenljivog radnog volumena. Protok crpke je odreden, medu ostalim, i viskoznoSCu radne tekuCine, radnom temperaturorn te radnim tlakom. Svaki porast temperature uzrokuje sniienje viskoznosti. Porast radnog tlaka moie biti uzrok povetanja gubitaka istjecanja u crpki, a samim tim i smanjenja protoka crpke. Pri izboru protoka crpke to se mora imati na umu. ObiEno se odabire crpka sa kojih 10% veCim protokom od zahtijevanoga, kako bi se stvorila rezerva zbog smanjenja protoka zbog volumenskih gubitaka, koji nisu obuhvakeni volumenskim koeficijentom korisnog djelovanja crpke.

VeCinu hidrauliEkih crpki pokreCe izvor mehanitke energije (elektromotor ili motor SUI) izravno, tako da je pogonski broj okretaja zadan. Protok crpke je proporcionalan s brojem okretaja. Svaka konstrukcija crpke ima minimalni i maksimalni broj okretaja. Sto je veCi pogonski broj okretaja crpke, to je njezin vijek trajanja kraCi. 3.7.5. Radna tekudina

HidrauliEke crpke su dimenzionirane za rad unutar odredenih vrijednosti i odredenog raspona viskoznosti radne tekutine. Rad sa sintetitkim tekutinama ili tekuCinama na osnovi vode, smanjuje radni vijek crpke jer se slabije podmazuju leiajevi i pokretni dijelovi (osim u specijalnih crpki). Za pravilnu eksploataciju nuina je primjena radne tekuCine prema zahtjevima proizvodaEa. 3.7.6. Klasa EistoCe radne tekukine

Za ispravan rad hidraulickih crpki nuZna je upotreba radnih tekufina zadane EistoCe. NeBstoCe iz radne tekuCine osnovni su uzrok otkaza hidraulifkih crpki. NaroEito su osjetljive precizne crpke s finim zrafnostima. Ako hidraulifki sustav mora raditi s netistom radnorn tekutinom, izbor crpke mora biti vrlo paZljiv. Zupfaste i krilne crpke su manje osjetljive na onetiStenu radnu tekuCinu od klipnih crpki (klipno-radijalne i klipno-aksijalne npr.). Bez obzira na to koji se tip crpke upotrebljava kad postoji rizik od oneEiSCenja radne tekutine, filtar mora biti ugraden u usisnom vodu crpke. Kod preciznih crpki s manjim zrafnostima, zahtjevi proizvodata za EistoCom radne tekutine moraju se strdgo provoditi (poStovati). U protivnome, radni vijek crpke moZe biti jako (drasticno) smanjen, a garancija proizvodafa ponistena. 3.7.7. Buka crpke

Buka postaje sve vaZnija sa stajaliHta zaStite Eovjekove okoline. Razina jakosti buke priliEno varira medu crpkama istog tipa ali razli&te opreme i izvedbe instalacije. Suvremene hidrauliEke crpke imaju niz konstrukcijskih rjeSenja za smanjenje emitiranja buke (razvodne ploEe, leZajevi, protoEni kanali, upravljanje tlakom, materijali i metode montak). U tablici 3.1. navedene su karakteristifne vrijednosti razine buke za razlihte tipove crpki.

54


3.7.8. Dimenzije i teiina crpke

Generalno, okvirne dimenzije i teiina (masa) hidrauliEkog sustava vaini su samo kod mobilne ugradnje. Na polju mobilne hidraulike prisutan je trend smanjenja mase hidraulitkih sustava: - povetanjem radnog tlaka, - smanienjem veliEine rezervoara i upotrebom efikasnijeg sustava za hladenje radne tekutine. Masa i dimenzije hihrauliEke crpke odredeni su proizvodaEkom konstrukcijom. Vrlo lake kompaktne jedinice koriste se u avioindustriji i veoma su skupe.


55

- zakretni motori, - hidrauliEki cilindri, - hidrostatieki prijenosnici snage. Hidromotori i hidrostatitki prijenosnici snage daju r~tacijskogibanje na izlaznom vratilu, zakretni motori kruino zakretanje, a hidrauliEki cilindri omoguCuju pravocrtno gibanje klipnjaEe.

3.8.1. Hidromotori

Cijena hidrauli~kecrpke bitno utjeEe na ukupnu cijenu hidrauliEkog sustava. Najjeftinije su zupEaste i krilne crpke. Klipne su crpke obicno skupe (klipno-aksijalne te klipno-radijalne). Najskuplje su klipno-radijalne redne crpke.

Konstrukcija hidromotora je u osnovi indentiha konstrukciji hidrauliEke crpke (tablica 3.1). Zahtjevi koji se postavljaju za crpku i hidromotor nisu isti. ZupEasti motori imaju velike gubitke pri malom broju okretaja i koriste se samo kao brzorotirajuti motori. PodruEje primjene im je od 500, do 3 500 olmin. Radni tlakovi su .niZi od 200 bara. Konstruktivno se mogu izvesti samo s konstantnim radnim volumenom. Pri veQm broju okretaja i viSim radnim tlakovima povetava se razina buke. Krilni hidromotori imaju male gubitke istjecanja na malim brojevima okretaja i mogu se primijeniti vet od 10 olmin. Maksimalni radni tlak je do 150 bara. Konstrukcijski se mogu izvesti promjenljivim radnim volumenom. Klipni hidromotori (klipno-aksijalni i klipno-radijalni), imaju male gubitke istjecanja i mogu se primjenjivati od.50 do 3 000 olmin, a i vise. Radni tlakovi, ovisno o tipu i namjeni hidromotora, mogu biti i viSi od 320 bara. Konstmkcijski se izvode s konstantnim ili promjenljivim radnim volumenom.

3.7.1 1. Raspbloiivost i zamjenljivost

3.8.1.1. Obiljejja radnog procesa hidrorn~tora

Neki proizvodaEi zupEastih crpki proizvode elemente crpki prema standardima CETOP i SAE, tako da su im dimenzije podudarne. To omogutava izravnu zamjenljivost dijelova zupEastih crpki razliEitih proizvodaEa. Vratila prikljuEne ploEe i naEin prikljuEivanja kod drugih tipova crpki takode odgovaraju razliEitim standardima koji osiguravaju odredeni stupanj zamjenljivosti.

- broj okretaja vratila hidromotora n,, - specifiEni radni volumen V,, - moment na vratilu hidromotora M,, - snaga P,,

3.7.9. Koeficijent korisnog djelovanja

Stvarna vrijednost koeficijenta korisnog djelovanja crpki odredena je tipom, kvalitetom izrade, radnim tlakom, brzinom stmjanja, te viskoznoSCu radne tekuCine. U tablici 3.1. prikazane su orijentacijske vrijednosti koeficijenta korisnog djelovanja razliEitih tipova hidrauliEkih crpki. 3.7.10. Cijena

3.7.12. Odriavanje i rezervni dijelovi

Svaki tip hidrauliEke crpke ima dijelove koji se tijekom eksploatacije troSe i potrebno ih je zamjenjivati. Kod zupEastih crpki obiEno se zamjenjuje cijela crpka. Kod nekih tipova krilnih crpki svi dijelovi koji se habaju grupirani su u komplet i mogu biti zamijenjeni bez demontaie pogona crpke. Za skupe klipne crpke preporuEljivo je kod proizvodaEa osigurati riziEne dijelove i dokumentaciju za njezin remont.

3.8. HidrauliEki motori Osnovna funkcija hidraulitkog motora je pretvorba hidrauliEke energije u mehaniEki rad. Konstmkcijski se izvode kao: - hidromotori.

Rad hidromotora odreduju ove velifine:

- koeficijent korisnog djelovanja-

77,..--. Teorijski broj okretaja vratila hidromotora je odreden specifitnim radnim volumenom V , i dovedenim protokom radne tekutine Q,,:

gdje je: n,, [olmin] - teorijski broj okretaja, Qmt[Umin] - teorijski protok u hidromotor, V, [cm3/o] - specifiEni radni volumen hidromotora. Stvarni protok u hidromotoru Q, je: Qm

= Qmt nvmr

gdje je: Q, [olmin] - stvarni protok u hidromotor, Qmr [Umin] - teorijski protok u hidromotor, - volumenski koeficijent korisnog djelovanja. h.


Volumenski koeficijent korisnog djelovanja hidromotora rl, je:

- volumenski koeficijent korisnog djelovanja, gdje je: 7l,, n, [olmin] - stvarni broj okretaja vratila hidromotora, n,, [o/min] - teorijski broj okretaja vratila hidromotora, Qm [o/min] - stvarni protok u hidromotor, Qm,[Umin] - teorijski protok u hidromotor. Stvarni broj okretaja vratila hidromotora n, je:


gdje je: Nmt [kW] - teorijska snaga, Qmt[Umin] - teorijski protok, Ap [bar] - raspoloZivi pad tlaka na motoru. Stvarna snaga N,, hidraulitkog motora: Nm = Nmt Ilm, gdje je: N, - stvarna snaga hidromotora, Nmt- teorijska snaga hidromotora, 7, - koeficijent korisnog djelovanja hidromotora. Koeficijent korisnog djelovanja hidromotora 71, je: gdje je:

gdje je: n, [olmin] - stvarni broj okretaja, Q,, [Umin] - teorijski protok u hidromotor, V , [cm3/o] - specifiEni radni volumen hidromotora, - volumenski koeficijent korisnog djelovanja. Ilm Teorijski moment na vratilu hidromotora Mm, ovisi o specifiEnom volumenu po radijanu V a n i raspoloZivom padu tlaka Ap u hidromotoru:

gdje je: Mmt [daN . m] - teorijski moment na vratilu motora, V m[cm3/o]. - specifiEni radni volumen hidromotora, - raspoloZivi pad tlaka na hidromotoru,. Ap [bar] Stvarni moment Mmna vratilu hidromotora je manji zbog gubitaka energije. v m AP Mm = --- 'lmm 2 n 100

gdje je: qmm- mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja, Mm - stvarni moment hidromotora, Mm,- teorijski moment. hidromotora. Teorijska snaga hidrauliEkog motora Nmtje: Qmt AP 600

3.8.2. HidrauliEki cilindri

HidrauliEki cilindri konstrukcijski se izvode kao: (jednosmjerni), . - dvoradni (dvosmjetni). Kod jednoradnih hidrauliEkih cilindara radni tlak djelujc s jednc strane klipa a kod dvoradnih s obje. Na s1.3.16. pregledna je shema konstrukcija hidraulitkih cilindara.

- jednoradni

7

gdje je: MmI[daN m] - teorijski moment na vratilu motora, Vm[cm3/o] - specififni radni volumen hidromotora, - raspoloZivi pad tlaka na hidromotoru, Ap [bar] - mehanitki koeficijent korisnog djelovanja. tlmm MehaniEki koeficijent djelovanja hidromotora qmmje:

Nmt =

qm- koeficijent korisnog djelovanja hidromotora: qmm- mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja, qVm- volumenski koeficijent korisnog djelovanja.

S1.3.16. Konstrukcijske izvedbe hidrauliekih ci~indara\

Tipitno konstrukcijsko rjeSenje dvoradnog hidrauliEkog cilindra s jednom klipnjaEom prikazano je na s1.3.17. CilindriEno tije!o s jedne strane zavrSava se uSkom za vezivanje, a s druge vodicom klipnjaEe s brtvom. Klip se zajedno s klipnjaEom giba unutar tijela zbog djelovanja tlaka radne tekuCine koja se dovodi u prostor ispred klipa (radne komore). KlipnjaEa obiEno zavrSava navojem (narezom). Rad hidrauliEkog cilindra odreduje: - sila ria klipnjaEi F,, - aktivna povrSina klipa A,


58

Uredaji z a pretvorbu energije

gdje je : vc [mls] - stvarna brzina klipnjaEe, vct [mls] - teorijska brzina klipnjafe, - volumenski koeficijent korisnog djelovanja. rlvc Mehanitki koeficijent korisnog djelovanja hidrauliEkog cilindra qmcje:

r],, - mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja, Fc - stvarna sila na klipu hidrocilindra, Fct - teorijska sila na klipu hidrocilindra. PribliZna vrijednost mu je qmc 0.75 - 0.85.

gdje je:

-

SI. 3.17. Dvoradni hidraulibki cilindar: 1 cilindar, 2 - poklopac s uSkom, 3 navrtka. 4 glava cilindra, 5 - klip, 6 - klipnjaba, 7 - kanal, 8.9 i 10 brtva

-

Volumenski koeficijent korisnog djelovanja rlvc hidrauli~kogcilindra je:

-

Qc

rlvc = -, '

Qct

- brzina klipnjaEe v c , - duljina hoda (izvlaEenja) klipnjaEe H,

- koeficijent korisnog djclovanja

rl,.

Sila nu klipnjati hidrauliEkog cilindra je proporcionalna s aktivnom povrSinom klipa A i raspoloiivim padom tlaka Ap. Teorijska vrijednost sile Fd je:

(3-26)

7

Koeficijent korirnog djelovanja hidraulitkog cilindra 77, je: T], = tlvc r l m , gdje je: tl, - koeficijent korisnog djelovanja, rl,, - volumenski koeficijent korisnog djelovanja, qmc- mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja. Vrijednost mu je pribliZno rl, s 0.7 - 0.8.

gdje je: Fc, [daN] - teorijska sila klipnjaEe hidrauliEkog cilindra, A [cm2] - aktivna povrSina klipa hidrauliEkog cilindra, A p [bar] - raspoloZivi pad tlaka u cilindru. Stvarna sila Fc je manja zbog gubitaka energije. Fc = Fct Vcm

gdje je: qvc - koeficijent korisnog djelovanja - volumenski, Qc - stvarni protok u hidiauliEkom cilindru, Qc,._ teorijski protok u hidrauliEkom cilindru. PribliZna vrijednost mu je qvc n 0.95.

gdje je: Fc [daN] - stvarna sila na klipnjati, Fc, [daN] - teorijska sila na klipnjaEi, - mehaniEki koeficijent korisnog djelovanja. rlcm Brzina izvlatenja klipnjate je proporcionalna s dovedenim protokom Qc u hidrauliEkorn cilindru i aktivnom povrSinom klipa A. Teorijska brzina klipnjaEe vn je:

Primjer P-3.3. Za hidrauliEku instalaciju prikazanu na s1.3.18. poznati su ovi podaci: D, = 100mm, d~ = 56mm. q = 0.11II/s,

- prornjer hidrauliEkog cilidra - promjer klipnjaEe hidrauliEkog cilindra - brzina izvlaEenja klipnjaEe - koeficiienti korisnoe"diclovania , ~-,~ - volumenski - mehanitki

.~

Potrebno ie odrediti:

VK = 0.96, V,....- = 0.95.

- protok crpke Qp (gubici protoka u instalaciji se zanemaruju), - rnaksimalnu vrijednost sile na klipnjaEi hidraulitkog cilindra sigumosti podeSen na vrijednost p = 150 bara.

RjeJenje

- teorijska brzina klipnjaEe,

gdje je: vc, [mls] Qc [Ymin] - protok u hidrauliEkom cilindru, A [cm2] - aktivna povrSina klipa. Stvarna brzina klipnjate hidrauliEkog cilindra vc je: vc =

vcr

rlvc ,

Aktivna povrSina klipa hidraulitkog cilindra A, i A2

: A, =--D 4

" --= 0'12

7,854 x 10-3 rn2 , 4

(uvlatenje-izvlaknje) ako je ventil



S1. 3.19. Ugradnja hidraulitkog cilindra: a

- slobodni cilindar, b

- cilindar uEvr5Cen stopama, c - zglobno vezani cilindar, d utvrSCenje cilindra prirubnicorn, .e pri~bnicana dnu cilindra

Potrebni protok u hidrauliEki cilindar kad se klipnjab izvlaEi bninom 5, ima vrijednost:

- uCvrSCenje rukavcem, f -

DopuStena sila za izvijanje moZe se raEunski odrediti:

HidrauliEka crpka mora imati protok koji odgovara protoku Q, (gubici protoka EAQsu jednaki nuli).

- sila izvijanja, gdje je: fi [N] E [ ~ / m -~ modul ] elastihosti (za Eelik E = 2.1 x lo6 ~ l m ' ) , I [mZ] - moment tromosti (za kruZni presjek I = 0.0491 dm4), - slobodna duljina izvijanja (tablica 3.3), L [m] v - koeficijent sigurnosti (3.5 do 6).

Beina uvlafenja klipnjaEe v, kad se u hidrauliEki cilindar dovodi protok Qp:

Maksimalna vrijednost sile na klipnjati kod koje Ce se otvoriti ventil sigumosti:

- pri izvlafenju klipnjafe

3.9. HidrostatiCki prijenosnik snage

- pri uvlafenju klipnjate

Veza hidraulitkog cilindra ili klipnjate s uredajem koji se pokreCe (s1.3.19) moie se izvesti preko: - slobodnog uEvrSCenja (s1.3.19a) - uEvrSCenja pomoCu stopa (s1.3.19b), - zgloba (s1.3.19c), - prirubnice na glavi cilindra (s1.3.19d), - preko rukavca na cilindru (s1.3.19e), - prirubnice na dnu cilindra (s1.3.19f). Vanjska sila koja djeluje na' kraju klipnjate moie dovesti do njezina izvijanja i prekomjernog naprezanja te oSteCenja brtvenog uredaja kojim je klipnjaEa zabrtvljena u cilindm. Izvijanje klipnjate obavezno se provjerava kad 'e duZina hoda izvlatenja H u odnosu prema promjeru klipnjaEe D, H > 10 D. tiri karakteristitna slutaja kod kojih se klipnjata provjerava na izvijanje prikazani su u tablici 3.3. u dvije varijante pritvrSCenja cilindra i klipnjate.

d,

Primarni dio hidrostatifkog prijenosnika snage je u pravilu crpka promjenljivog radnog volumena a sekundarni hidromotor konstantnog ili promjenljivog radnog volumena. HidrostatiEki prijenosnik snage moZe biti konstmkcijski izveden kao hidraulitka crpka i hidromotor u jednom bloku (s1.3.20).

SI.3.20. Konstrukcijska izvedba hiiroslatitkog prijenosnika wage


62

63


Tablice 3.3. Karakteristitni slutajevi lzvijanja klipnjate

~UVI~II~I

Osnovna karakteristika hidrostatitkih prijenosnika snage je veliki raspon kontinuirane promjene broja okretaja vratila hidromotora te rad s konstantnim momentom i konstantnom snagom. HidrostatiEki prijenosnici snage naSli su primjenu kao varijatori brzine i sluite za pogone s kontinuiranom promjenom broja okretaja. HidrostatiEki prijenosnik snage prikazan hidrauliEkom shemom na s1.3.21.a sastoji se od jednosmjerne crpke promjenljivog radnog volumena i jednosmjernog hidromotora promjenljivog radnog volumena. Ventil za ograniEenje tlaka osigurava sustav od preopteretenja. HidrostatiEki prijenosnik snage radi ovako: crpka tlaEi radnu tekuCinu prema hidromotoru a iz hidromotora se tekudina waCa u crpku. Ovisno o dovedenom protoku i veliEini radnog volumena hidromotora mijenja se broj okretaja njegova izlaznog vratila. Protok iz crpkc rnoie se mijcnjati pron~jcnomvelitine radnog volumena crpke. Teorijski broj okretaja izlaznog vratila hidrostatitkog prijenosnika snage nmi je:

Stvarni broj akretaja n, je manji zbog gubitaka nrn - VP @P Vm 4,

np flvp

,

cr(t8

rila8g ralrmca~ 1miaj11j8 r14a11 18188811 8 8 1 8 I i

'b SI.3.21. HidrauliEka sherna (a) i (b) dijagram promjene momenta, snage i broja okretaja u funkciji parametra upravljanja

gdje je: n, [olmin] np [olmin] V [cm3/o] [cm310] -

4

@P

44" %h

broj okretaja izlaznog vratila, broj okretaja ulaznog vratila, specifiEni volumen crpke, specifiEni volumen motora, - znaEajka upravljanja crpke (0 do 1za jednosmjernu crpku), - znaEajka upravljanja hidromotora (0 do 1 za jednosmjerni hidromotor), - volumenski koeficijent korisnog djelovanja hidrostatizkog prijenosnika.

PoveCanjem radnog volumena crpke hidrosiati~kogprijenosnika (radni volumen hidromotora je konstantan) od $p = 0 do q5p = 1, broj okretaja izlaznog vratila nn raste (s1.3.21.b). Smanjenjem radnog volumena hidromotora od 4, = 1 do @, = 0 (radni volumen crpke konstantan), broj okretaja izlaznog vratila n, teii beskonafnosti. Zbog djelovanja sila trenja on postiie neku konaEnu vrijednost. Teorijska snaga pumpe hidrostatitkog prijenosnika snage Pp, jednaka je teorijskoj snazi hidromotora P,, (nema gubitaka energije).


Promjena teorijske snage hidrostatitkog prijenosnika snage u ovisnosti o parametru regulacije pumpe ( p p te parametru regulacije hidromotora Gm prikazana je na s1.3.21.b. Stvarna snaga N,,, na izlaznom vratilu hidrostatitkog prijenosnika snage je: (3-36) N m = AP Vp Gp np tlh

4. Uredaji za upravljanje

1

gdje je: qh - ukupni koeficijent korisnog djelovanja hidrostatitkog prijcnosnika snage, Ap - pad tlaka u hidrostatitkom prijenosniku snage. Teorijski moment na motoru hidrostatitkog prijenosnika snage M,, moie se dobiti uz pretpostavku da nema gubitaka.

gdje je: Pm, [kW] - teorijska snaga hidromotora hidrostatitkog prijenosnika snage, Ap [bar] - pad tlaka u hidrostatiEkom prijenosniku snage.

4.1. Uvod Osnovna funkcija uredaja za upravljanje u hidrauliEkom sustavu je upravljanje i regulacija hidraulifke energije u toku procesa prijenosa od izvora (hidraulifke crpke) do hidraulitkog motora. Uredaji za upravljanje omogutuju pokretanje, zaustavljanje, promjenu brzine i smjera kretanja hidraulitkog motora, ogranitenje momenta na vratilu motora te njegovo efikasno osiguranje od preopteretenja. Uredaji za upravljanje su: - priguSni elementi, - razvodnici,- ventili za upravljanje tlakom, - ventili za upravljanje ptotokom, - jednosmjerni (nepovratni) ventili.

U podrutju regulacije crpke Gp = 0 do 4, = 1,teorijski moment je konstantan a u podrutju regulacije motora Gm = 1 do Cp, = 0 on linearno opada (s1.3.21.b). Stvarni moment M, na izlaznom vratilu hidrostatickog prijenosnika snage je:

4.2. PriguSni elementi gdje je:

r],,

- mehanitki koeficijent korisnog djelovanja hidrostatitkog prijeno-

snika snage. Iz dijagrama prikazanih na s1.3.21.c moie se vidjeti da hidrostatitki prijenosnik snage omogutava kontinuiranu promjenu broja okretaja izlaznog vratila. Pri regulaciji crpke snaga linearno ovisi o znatajki regulacije GP,a moment je konstantan. Pri regulaciji motora moment linearno opada a snaga je konstantna. Iz dijagrama 3.21.b vidi se da je regulacija crpke konstantnog momenta povoljnija od regulacije s motorom, pa se zato u praksi gotovo redovito i koristi.

PriguSni elementi ili priguSnici imaju ulogu aktivnih hidraulitkih otpora u hidraulitkom sustavu. Mogu biti konstantni ili promjenljivi. Osnovni element priguSnika je odgovarajuda zratnost koju formira priguSni otvor. On se moZe razlitito konstrukcijski izvesti (s1.4.1). Konstantni priguSnik tipa blenda prikazan je na s1.4.la. Ima nepromjenljivi priguSni otvor. Kod promjenljivih priguSnika (s1.4.lb do f), veliEina priguSnog

b SI. 4.1. PriguSni elementi: a blenda. b oriauSnik s ialicom, c klipni pribu&i~, d - Gntilski priguinik, e - p i ~ u i n i ks profiliranim kanalom, f - priguSnik mlaznica-zaslon

-

-

e


66

otvora moZe se mijenjati. Promjenom veliEine priguSnog otvora mijenja se i protok i odgovarajdi pad tlaka na priguSnom otvoru. 4.2.1. Protjecanje tekucina kroz prstenastu zraEnost

Osnovne funkcije zratnosti u hidrauliEkom sustavu jesu:

- omogutavanje gibanja (pomaka) pokretnih dijelova, - priguSivanje protoka i tlhka, - brtvljenje, - podmazivanje,

Uredaji za upravljanje

4 = 18.02 mm,

- promjer Eahure - promjer klipa - duljina zratnosti -dinamiEka viskoznost radne tckutine I - pad tlaka u zratnosti

D = 18.00 mm, L = 10. mm. 7 = 0.010 5 Pas, A p = 5.40 MPa.

Rjefenje 1 '

ZraEnost klipa i Eahure jk:

AD

=

4 - D = 18.02 - 18.00

= 0.02 mm.

Protok radne tekufine kroz koncentritnu prstenastu zraEnost odreduje se izrazom (4-1).

- izmjena topline.

U ovom Cemo dijelu analizirati samo one funkcije zraEnosti koje su vezane za upravljanje hidraulitkom energijom. .EkscentriEna prstenasta zraEnost javlja se mnogo k S t e od koncentriEne (s1.4.2b). Relativna ekscentriznost E je definirana kao odnos:

w-4 b

SI.4.2. KoncentriEna i ekscentriEna ~ r s t e n a s t azraEnost

Protok tekutine Q kroz koncentritnu prstenastu zraEnost (s1.4.2a), moZe se odrediti za laminarno strujanje pomoCu relacije:

gdje je: Q m31s] - protok radne tekuCine kroz prstenastu zraEnost, D m] - nazivni promjer klipa, AD = D z-.D D2 [m] - promjer Eahure (puSkice), A p [Pa] - pad tlaka u zraEnosti, L [m] - duljina zratnosti, q [Pas] - koeficijent dinamiEke viskoznosti tekutine. Iz relacije (4-1) dobiva se izraz za raEunsko odredivanje pada tlaka Ap, ako je poznat protok Q, dimenzije zraEnosti i karakteristike tekutine.

1

gdje je: a [m] - ekscentriEnost, ekscentricitet, D [m] - nazivni promjer klipa, AD = Q - D , Dz [m] - promjer Eahure. Protok radne tekuCine Q za laminarno strujanje odreduje se izrazom:

NajveCa vrijednost za relativnu ekscentriEnost je E = 1, kada je klip oslonjen na stijenku Eahure. Gubici istjecanja radne tekutine kroz tako nastalu ekscentriEnu prstenastu zraEnost 2.5 puta su veti nego istjecanje nastalo kroz koncentriEnu prstenastu zraEnost istih dimenzija, Sto se vidi iz izraza (4-3).

Primjer P-4.2. Koliko tekufine istjeEe kroz ekscentritnu prstenastu zraihost istih dimenzija kao u prirnjeru P-4.1. i za iste uvjete ako je ekscentricitet klipa i fahure a = 0.001 mm?

Relativna ekscentriEnost

Primjer P-4.1. Potrebno je odrediti gubitke istjecanja kroz zratnost na sklopu klipa i Eahure. ako su poznate dimenzije:

E

je:


68


69

Protok radne tekuCine kroz ekscentntnu prstenastu zratnost prema izrazu (4-3) je:

Za karakteristizni kmini prototni otvor s promjerom d i duljinom L jednadiba (4-4) ima oblik:

Toplinske pojave u prostoru zrafnosti: Posljedica protjecanja radne tekuCine kroz zratnost je porast temperature radne tekutine. Nairne, zbog priguSivanja dio hidrauliEke energije pretvara se u toplinu. Pojava je nepoieljna jer povetava gubitke energije u hidraulitkom sustavu. Za zratnost s nepokretnim stijenkarna, pri protjecanju mineralnog ulja, porast temperature odreduje se iskustvenim izrazom :

gdje je: Q [m31s] - protok kroz priguSni otvor, - promjer priguSnog otvora, d [m] - duljina priguSnog otvora, L [m] - dinamitka viskoznost tekuCine, 9 [Pas] - popretni presjek priguSnog otvora, A. [m ] pl i n [Pa] - tlak na ulazu i izlazu priguSnog otvora.

gdje je: A T [OC] - porast temperature, p, [bar] - tlak na ulazu u zratnost. To znaEi da za svakih 100 bara tlaka temperatura radne teku6ne koja istjeEe kroz zraEnost nepokretnih stijenki raste 6.5 OC. Zagrijavanje radne tekutine je energetski gubitak i tehnizki problem jer zahtijeva ugradnju hladnjaka u sustav. 4.2.2. PriguSivanje u laminarnom strujanju

Analizirat Cemo proces priguSivanja na elementarnom hidrauliEkom priguSniku (s1.4.3) s konstantnim priguSnim otvorom za laminarno i turbulentno strujanje. Odredit Cemo ovisnosti protoka Q i pada tlaka A p o znaEajkama priguSnika i karakteristici radne tekuCine.

BuduCi da je brzina strujanja v proporcionalna s protokom Q i velitinom popreEnog presjeka priguSnog otvora 4, za isti se priguSnik moZe definirati pad tlaka A, kod laminarnog protjecanja radne tekuhne. .

gdje je: A p [Pa] - pad tlaka na priguSnom otvoru, v [ d s ] - brzina stmjanja tekuCine, d [m] - promjer priguSnog otvora, L [m] - duljina priguSnog otvora, q [Pas] - dinamiEka viskoznost tekutine. Iz navedertoga slijedi da je pad tlaka A p na priguSnom otvom priguSnika u laminarnom podruEju stmjanja proporcionalan s brzinom strujanja v. BuduCi da se larninarno strujanje na priguSnom otvoru moie postiCi samo pri malim brzinama stmjanja, takav tip priguSivanja rijetko nastaje u hidrauliEkim sustavima. 4.2.3. PriguSivanje u turbulentnom podrueju strujanja

4-w

SI. 4.3. Elementarni priguSnik u laminarnom podrutju strujanja

U laminarnom podrugju strujanja radne tekutine, zbog sila smika i viskoznosti, stvorit Ce se na priguSnom otvoru elementarnog priguSnika A, pad tlaka A p . NaiuZe miesto strujanja poklapa se s popreEnim presjekom priguinog, otvora priguSnika &,. ,I 1 , '1 Odnos velitine protoka radne tekutine Q i pada tlaka A p na priguSnom otvoru priguSnika moie se predstaviti u optem obliku: Q = GAO@I-R) , (4-4) gdje je: Q [m3/s] - protok kroz priguSnik, - koeficijent oblika priguSnog otvora i karakteristika radne cn tekudine, A, [m2] - poprehi presjek priguSnog otvora, p l i [Pa] - tlak na ulazu i izlazu priguSnog otvora.

Turbulentno strujanje redovito se javlja na priguSnim otvorima priguSnih elernenata, pa je stoga bitnije za analizu stanja u hidraulitkom sustavu. Elementarni priguSnik u podruEju turbulentnog strujanja, kao i odgovarajuta promjena tlaka p, prikazan je na s1.4.4. Pad tlaka na priguSnom otvoru u turbulentnom podrutju strujanja, nastaje najvetim dijelom zbog promjene brzine strujanja. Najmanji popreEni presjek strujanja, za razliku od laminarnog strujanja, pomaknut je u p~esjek2 (s1.4.4), a karakteristieno je vrtloZno strujanje. JednadZba protoka za priguSni otvor elementarnog priguSnika u turbulentnom podruEju strujanja ima oblik: Q

=

c

,

%

~

,

gdje je: Q [m3/s] - protok kroz priguSni otvor, - koeficijent istjecanja, A. [m2] - p o d i n a prototnog otvora, g [kglm3] - gustoka radne tekuCine, pi i fi [Pa] - tlak na ulazu i izlazu prigd~nogotvora.

c,

(4-5)

-


*


1 1

A,,

-

SI. 4.6. ProtoEna karakteristika realnog prigusnika

o1

.L

SI. 4.4. Elementarni priguSnik u turbulentnom 1

2

podrutju strujanja

3

OdgovarajuCi pad tlaka A p na priguSnom otvoru priguSnika u turbulentnom podruEju strujanja je:

gdje je: Ap [Pa] - pad tlaka na priguSnom otvoru. Izrazi (4-5) i (4-6) pokazuju da izmedu protoka Q i pada tlaka A p na priguSnom otvoru priguSnika u turbulentnom podruEju strujanja postoji nelinearna ovisnost. U praktiEnoj primjeni tih priguSnika to Ce stvarati znatajne teSkoCe. Koeficijent istjecanja nije konstantna veliEina. Ustanovljeno je da on ovisi o geometriji protoEnog otvora, Reynoldsovu broju Re, padu tlaka, fiziEko-kemijskim karakteristikama radne tekutine itd. AnalitiEka zavisnost koeficijenta istjecanja C od navedenih velitina nije poznata. Do vrijednosti koeficijenta istjecanja Cydolazi se eksperimentalnim mjerenjima za odredene oblike prigufnih otvora I radne uvjete. NajEeSCe se upotrebljava vrijednost koeficijenta istjecanja C, koju je dao H. Rouse (s1.4.5) u ovisnosti o Reynoldsovu broju Re. PriguHni element u toku rada moZe raditi u laminarnom ili turbulentnom podruEju strujanja tekuCine. OpCi oblik protoEne karakteristike priguSnika za lami-

narno strujanje prikazan je izrazom (4-4), a za turbulentno izrazom (4-5). Izgled protoEne karakteristike realnog priguSnika Q = f ( A p ) prikazan je na s1.4.6.

4.2.4. Linearni turbulentni prigugnik Da bi se proSirio 'raspon u kojem je osigurana linearna ovisnost protoka i tlaka, a smanjio utjecaj prornjene radne temperature na veliEinu hidrauliEkih otpora, razvijeni su linearni turbulentni prigufnici s odgovarajuCom kompenzacijom nelinearne ovisnosti izmedu pada tlaka i protoka. Principijelna shema jednog konstrukcijskog rjeSenja linearnog turbulentnog priguSnika prikazana je na s1.4.7. On se sastoji od klipa 2, tijela 4 i opruge 1. Radna tekuBna dovodi se na Eelo klipa s dcsne strane. Lijeva strana klipa je spojena s odvodnim kanalorn 3.

SI. 4.7. Shematski prikaz linearnog turbulentnog prigusnika

Protjecanjern tekuCine kroz priguSni otvor priguSnika nastaje pad tlaka A p , klip 2 se pomiEe i tlaEi oprugu 1, a priguSni otvor se otvara. Da bi se dobila linearna ovisnost protoka i pada tlaka, Sirina prototnog otvora b(x) mora se smanjivati. Otvor u tijelu 4 je paraboliEno profiliran kako je prikazano na s1.4.7. cm"/r

-"-

200 loo

_ L '

RI

SI. 4.5. Koeficijent istjecanja a

SI. 4.8. Ovisnost protoka o padu tlaka na linearnom turbulentnom prigusniku

p l l ll~ka

76


Aktiviranje, tj. postavljanje razvodnika u odgovarajuti radni poloiaj izvodi se na razliEite natine: polugom, oprugom, elektromagnetski, hidrauliEkim i pneumatskim aktivatorima itd. Informacija o aktiviranju razvodnika postavlja se s desne i s lijeve strane simbola radnog poloiaja (CETOP), kao na s1.4.18.

SI. 4.18. Grafitko prikazivanje aktiviranja razvdnika: a - rutno. b - opmino, c - hidraulieko, d - elektromagnetno, e - pneumatsko

Nazivna velifina razvodnika NP promjer je prikljuEnog otvora u milimetrima. Ona definira veliEinu protoka koja se u normalnim okolnostima moZe propustiti kroz razvodnik. Ta je veliEina standardizirana prema CETOP-ovoj preporuci.


77

Kad je razvodni klip 1 u krajnjem lijevom poloiaju (s1.4.19a), spojeni su prikljuEci P na A i B na R. Kad se razvodni klip prem'esti u krajnji desni poloiaj (s1.4.19b), spajaju se prikljutci P na B i A na R. dahura i razvodni klip obradeni su s vrIo uskim tolerancijama i finim obradama povrSina. Brtvljenje sklopa izvodi se radijalnom zraEnoSCu klipa i hhure. Brtve od elastomera i DO<< prstenovi ne mogu se upotrijebiti zbog ograniknja sile za pozicioniranje razvodnog klipa i ogranitenog vijeka trajanja. Brtvljenje zraEnoStu klipa i fahure, osigurava efikasno podmazivanje, ispiranje kliznih povdina, smanjenje sile trenja i troSenje dijelova. U n a t d dobro obradenim povdinama klipa i razvodnika, istjecanje kroz radijalnu zraEnost nije moguCe izbjeCi. Duljina (n) razvodnog prstena klipa (s1.4.20~)u odnosu prema Sirini (m) protoEnog otvora u Eahuri odreduje veliEinu radnog polja. Klipni razvodnik moZe imati nulto (s1.4.20a), negativno (s1.4.20b) ili pozitivno (s1.4.20~)prekrivanje radnog polja. Protok kroz klipni razvodnik ovisi o obliku' prekrivanja. Razvodnik s nultim prekrivanjem ima idealnu ovisnost protoka u funkciji o pomaku razvodnog klipa (s1.4.20a). To se prekrivanje u praksi teSko postite. Realno se postiZu pozitivno ili negativno prekrivanje. Ako je prekrivanje negativno, - x , (s1.4.20b), kroz razvodnik istjeEe u nultom poloZaju odredena koliEina tekutine (s1.4.20b). Pozitivno prekrivanje na razvodniku, x, (s1.4.20~)daje zonu neosjetljivosti.

+

4.3.2. Klipni razvodnici

Danas se najkSCe upotrebljavaju r b o d n i c i konstmkcijski izvedeni kao klipni. Stoga Ce oni biti i opisani. Osim klipnih razvodnika koriste se ploEasti i razvodnici sa sjedibtem. Konstrukcijska izvedba klipnih razvodnika je relativno jednostavna, mote se postiti velik broj razliEitih hnkcija, aktiviraju se translatornim pomicanjem klipa razvodnika, Osnovni je element (s1.4.19) tijelo razvodnika u kojem je Eahura 1 i razvodni klip 2. ProtoEni otvori se formiraju aksijalnim pomicanjem razvodnog klipa u Eahuri.

~1.'4.20.Prekrivanje radnog polja na klipnom razvodniku: a nulto, b negativno i c pozitivno

-

a

b

SI. 4.19. Putovi protjecanjakroz razvodnik sa Cetiri prikljutka

Slika 4.19. pokazuje putove p r o t j e ~ n j aradne tekutine kroz klipni razvodnik sa Eetiri prikljuEka i dva radna poloZaja u trenutku kad je razvodni klip u krajnjim poloiajima. PrikljuEci su normalno izvedeni kao: P - tlaEni prikljuEak za napajanje pod tlakom, R - prikljuEak za povratni vod u rezervoar, A,B - radni prikljuEci (prikljuEak za izvrSne motore).

-

-

Tip i veliEina prekrivanja radnog polja na klipnom razvodniku je veoma vatna konstrukcijska karakteristika za njegovu primjenu. Tako se pozitivno prekrivanje koristi za drZanje tereta na zadanoj poziciji, jer ima dobro brtvljenje u nultom polotaju. Negativno prekrivanje omogutuje meko prebacivanje radnih poloZaja ramodnika i neznatne hidrauliEke udare. 4.3.2.1. ProtoEne karakteristike klipnih razvodnika

Ovisnost protoka o padu tlaka na klipnom r ~ v o d n i k uje nelinearna, Sto slijedi iz nelinearne ovisnosti tih veliEina na klipnom priguSniku prema relaciji (4-5).

H'iraulika i pneumatika


79

promjena temperature na razvodniku i osiguranja slobodnog kretanja razvodnog klipa. UobiEajena veliEina te zraEnosti je u granicama od 5 do 15 p.Na njoj uvijek postoji neko istjecanje radne tekutine uzrokovano viskozitetom, promjenom temperature, razlikom tlaka izmedu prikljutaka itd. ZraEnosti mogu zbog troSenja razvodnog klipa i Eahure s vremenom i porasti, pa postoje indikatori stanja istroSenosti razvodnika. Dobra filtrqcija,radne tekuCine moie smanjiti troSenje i z~glavljivanjeklipa i Eahure razvodnika. Razvodni klipovi mogu biti zarezani na radnom polju (razvodnom prstenu) tako da mogu dati ravnomjernu promjenu protoka pri pomicanju razvodnog klipa u Eahuri (s1.4.10~). Neki razvodni klipovi imaju koniEno radno polje pa daju efekt postepenog zatvaranja prototnog puta. 4.3.2.3. Aktiviranje klipnih razvodnika

Aktiviranje klipnih razvodnika moie biti mehanifko, elektromagnetsko, hidrauliEko i sliEno. MehaniEko aktiviranje klipnog razvodnika obavlja se poluinim mehanizmom kojim se razvodni klip pozicionira (namjeSta) i drii u zadanom radnom poloiaju. Elektromagnetslro aktiviranje klipnog razvodnika 413 prikazano je na s1.4.22. Razvodni klip pozicionira se u zadani radni polofaj djelovanjem sile na kotvi elektromagneta. Opruge za centriranje drZe razvodni klip u nultom (sredignjem) poloiaju kad elektromagneti nisu aktivirani.

SI. 4.21.

Ovisnost protoka klipnog razvodnika

o padu tlaka

Pad tlaka na razvodniku ovisi o velitini protoka, tipu razvodnog klipa, smjeru protjecanja, viskoznosti radne tekuCine i temperaturi. Slika 4.21. pokazuje, za jednb nazivnu veliEinu razvodnika, tipiEne ovisnosti protoka i pada tlaka za razliEite smjerove protjecanja, s razliEitim funkcijama radnih polohja u srediSnjem poloiaju razvodnika. Krivulje su snimljene za odredenu viskoznost i temperaturu. Mogu se dobiti od proizvodaEa kao tehniEke karakteristike razvodnika. Pad tlaka na razvodniku znatajan je i ne mote se zanemariti. Ako se, na primjer, pogoni dvoradni hidrocilindar, nlora se uzeti u obzir pad tlaka od P do A na razvodniku (radne tekuCine koja se dovodi u hidrocilindar) i pad tlaka od B do R na razvodniku (tekutina koju klip cilindra istisne). Oba pada tlaka smanjuju efektivnu vrijednost sile na klipnjaEi hidrocilindra. 4.3.2.2. Oblici razvodnih klipova

Razvodni klip ima prstenaste iljebove napravljene po obodu dosjednih povrSina tako da se stvore hidraulitki otpori i sprijeEe gubici istjecanja. Uvijek postoji neka radijalna zraEnost izmedu razvodnog klipa i Eahure. Ona je nuina zbog

SI. 4.22. (4/3)

Elektromagnetni klipni razvodnik sa eetiri prikljueka i tri radna poloiaja

HidrauliEko aktiviranje mora se koristiti pri velikim protocima zbog relativno velike sile potrebne za premjeStanje i drianje klipa razvodnika. Ono se izvodi pomoCu tlaka radne tekuCine. Zadani poloiaj razvodnog klipa moie biti pozicioniran: (a) oprugama postavljenirn tako da vrate razvodni klip u poEctni poloiaj kad prestane djelovanje vanjske sile na klip, (b) mehaniEkim uskoEnikom gdje kuglica pod oprugom ili uskoEnik drie razvodni klip u odabranom poloiaju kad vanjska sila upravljanja prestane djelovati, (c) blokiranom tekutinom ispred Eela razvodnog klipa (hidrauliEko drianje). Aktiviranje klipnog razvodnika neposrednim djelovanjem na ranodni klip naziva se *direktno aktiviranje ili upravljanjecc, a aktiviranje uz hidraulitko pojaEanje upravljaEkog signala nindirektno aktiviranje ili upravljanjecc. Sila potrebna za prebacivanje klipa razvodnika (aksijalna sila na razvodnom klipu), ovisi preteino o silama trenja i reakciji struje radne tekutine koja protjete kroz radni otvor


80

klipnog razvodnika. Sile trenja izmedu klipa i Eahure obiEno ne prelaze 1,O N. Sile trenja koje se ostvaruju na brtvenim uredajima klipnog razvodnika imaju mnogo veCe vrijednosti (vise od 5,O N). Sila zbog reakcije struje radne tekuCine koja protjeEe pod djelovanjem razlike tlaka kroz priguSni otvor formiran izmedu Eela razvodnog klipa i otvora Eahure ima vrijednost 5 do 8 N na svaki kilovat snage potroSene na svladavanje hidrauliEkih otpora. Pribliina vrijednost aksijalne sile za klipni razvodnik nazivnog promjera d = 10,00 mm (NP lo), s odnosom duljine klipa prema promjeru 3,0, iznosi 5,00 N. Kod nazivnog promjera d = 16,00 mm (NP 16) i odnosa duljine prema promjeru 3,5, aksijalna sila ima vrijednost 15,00 N.

4.3.2.4. Elektrornagnetsko aktiviranje razvodnika

Shema principa rada elektromagneta za premjestanje klipa razvodnika prikazana je na s1.4.23. Kad se namotaji elektromagneta ukljute u strujni krug, kotva

SI. 4.23. Shematski prikaz rada elektromagneta

se uvute u namotaj zbog djelovanja sile elektromagnetskog polja. Kotva potiskuje razvodni klip i aktivira hidrauliEki razvodnik. Namotaj elektromagneta moZe biti dimenzioniran za napajanje istosmjernom (DC) ili izmjeniEnom strujom (AC). Elektromagnet moZe biti suh ili uronjen u radnu tekufinu. ElektriEni krug s AC-namotajem izloZen je velikoj startnoj struji u trenutku ukljuEivanja, koja se naglo smanjuje uvlaknjem kotve u namotaj. AC-elektromagneti su dimenzionirani prema veliEini struje drZanja. Startna struja moie djelovati samo kratko vrijeme. Zato, ako nelto zadrZi kotvu AC-elektromagneta d a se potpuno uvuEe, namotaji Ce pregoriti (zbog produitenog djelovanja visoke startne struje). Kod DC-elektritnog kola struja u namotaju je pribliZno konstantna, a namotajivsu dimenzionirani da izddavaju tu struju nCograniEeno vrijeme.

4.3.2.5. Tipovi elektromagneta

Karakteristike suhih AC-elektromagneta su:

- vrlo kratko vrijeme ukljuEivanja (10 - 80 ms), - jednostavno elektritno upravljanje,


- velika startna struja (7-10 puta veCa od struje ddanja), - maksimalna frekvencija ukljueivanja je oko 8 000 ukljutenja na sat. Za suhe DC-elektromagnete karakteristicno je:

- vrijeme uklju6vanja pribliZno 20 - 45 ms, a iskljueivanja 10 - 25 ms, - meko ukljutivanje, - zaustavljanje kotve u nekom medupoloZaju bez opasnosti od uniltenja namotaja,

- visoka maksimalna frekvencija ukljutivanja (15 000 ukljuEenja na sat, pribliZno

dvostmko veCa od AC-elektromagneta). Elektromagneti uronjeni u radnu tekuCinu imaju kotve smjeStene u nemagnetsku cijev, koja nije zatvorena prema vodu niskog tlaka na razvodniku. Kotva je uronjena u radnu tekukinu. Namotaji elektromagneta su postavljeni s vanjske strane nemagnetske cijevi. Potopljeni AC-elektromagneti imaju sliEne karakteristike kao suhi AC-elektromagneti p!us prednosti zbog potopljene kotve: - malo troSenje, - dobro odvodenje topline, - amortizirano (ublaileno) zaustavljanje kotve u krajnjem poloZaju. Uronjeni DC-elektromagneti imaju sliEne karakteristike kao suhi DC-elektromagneti. Prednosti zbog uronjene kotve su: - malo trolenje, - bolje odvodenje topline, - amortizirano zaustavljanje kotve u krajnjim poloiajima. DC-elektromagneti mogu biti opremljeni ugradenim ispravljazkim mostom, tako da se mogu izravno spajati na AC-izvor. Meko ukljuEivanje kod elektromagnetski aktiviranog razvodnika moZe se dobiti priguSenjem na Eelu razvodnog klipa, kako je prikazano na s1.4.24. Istisnuta tekukina iz komore s jednog Eela razvodnog klipa se prigusuje (prolaskom kroz prigusnik) i dovodi u komoru na suprotnom Eelu. Kod nekih konstrukcija priguSivanje se izvodi blendom koja je smjeltena u otvoru busenom u razvodnom klipu.

? VAA SI. 4.24. PriguSna veza za meko ukljutivanje razvodnika

( I A r V L I

Kod nekih konstrukcija moguka je zorna indikacija stanja elektromagneta razvodnika. Ona moZe pokazati da li je elektritno napajanje prikljufeno, ali ne pokazuje da je elektromagnet aktiviran (moie biti ukljuten ali nije prebacio). Ranodnici sa sklopovima koji signaliziraju krajnji poloZaj razvodnog klipa koriste se za specijalne namjene, gdje je nuino da se zna kad je razvodnik ukljuEen (rudarska dizala npr.). Na elektromagnetskim razvodnicima mora postojati moguhost ruEnog aktiviranja. Ono je potrebno pri radovima na montaZi i odriavanju sustava, kao i za sigurnost upotrebe.


82

4.3.2.6. Hidraulieko aktiviranje razvodnika


SI. 4.26. Dvostepeni elektrohidrauliEki razvodnik

Principijelna shema hidraulitkog aktiviranja klipnog razvodnika prikazana je na s1.4.25. Direktno upravljani razvodnik (pilot-razvodnik) upravlja protokom tekuCine, odnosno pomakom glavnog razvodnog klipa. Glavni razvodni klip se ponaSa kao klip dvoradnog cilindra. UpravljaEki (pilot) razvodnik usnijerava protok tekukine u komoru s jedne strane glavnog razvodnog klipa, dok se u isto vrijeme iz dmge komore tekukina odvodi. Tako se stvara potrebna razlika tlaka, odnosno sila za prebacivanje glavnog razvodnog klipa. ~lokiranjefntekukine u komorama ispred klipa, on se drZi u zadanom pololaju.

SI. 4.25. Shematski prikaz hidrauliekog akliviranja klipnog razvodnika

Aksijalna sila na razvodnom klipu raste s velihnom protoka na razvodniku pa je direktno upravljanje moguCe samo do veliEine protoEnog otvora NP 10 (CETOP). Kod razvodnika iznad veliEine NP 10 aksijalne sile su zbog protoka radne tekuCine prevelike za dircktno prebacivanje razvodnog kiipa (mehanitko, elektromagnetsko) pa se koristi indirektno upravljanje. Ono se izvodi dvostepeno s direktno upravljanim razvodnikom (pilot-razvodnik - upravljaEki dio) i hidrauliEki upravljanim razvodnikom (izvrsni dio). Direktno upravljani razvodnik upravlja radnom tekukinom pod tlakom i omoguQva gibanje glavnog razvodnog klipa. Brzina premjeStanja glavnog razvodnog klipa ovisi o velitini protoka koji se dovodi s pilot-razvodnika. Ugradnjom prigusnice protoka izmedu elektromagnetskog pilot-ventila i glavnog razvodnika, kako je prikazano na s1.4.26, rnoguke je podelavati brzinu premjeStanja glavnog razvodnog klipa i osiguravati stabilnost rada. Za napajanje pilot-razvodnika rnora se osigurati stabilan izvor radne tekuCine pod tlakom. T o se mole izvesti interno s kanala za napajanje P ili s odvojenog (eksternog) kanala X (s1.4.27). Odvodenje tekukine prema rezervoaru takoder moZe biti i n t e ~ n opreko kanala R ili eksterno preko kanala Y (s1.4.27). Kod dvostepenih klipnih razvodnika, koji imaju interno dovodenje radne tekukine, mora se osigurati tlak u povratnom vodu od najmanje 7 bara za siguran rad.

St. 4.27. MoguCnosti napajanja pilot-razvodnog ventila

7

SI.4.28. GraniGnik hoda razvodnog klipa


84

Kod nekih konstrukcijskih izvedaba razvodnika koriste se granitnici hoda klipa. GraniEnik hoda postavljen je na poklopcu glavnog razvodnika (s1.4.28). Njime se moie podeSavati veliEina hoda razvodnog klipa. GraniEnici se uglavnom upotrebljavaju kod dvostupnjevitih razvodnika. U rijetkim sluEajevima oni mogu biti ukomponirani kod direktno aktiviranih elektromagnetskih razvodnika,(samo DC-elektromagneti). 4.3.2.7. Nazivne veliCine razvodnika

Nominalni protoci, maksimalni radni tlak, prikljuEne dimenzije, veliEine upravljaEkih signala, fiziEko-kemijske karakteristike radne tekufine i ostale nufne veliEine, propisane su standardima. NajEeSCe se koriste standardi ovih organizacija: IS0 = International Standards Organization, CETOP = European Oil-hydraulic & Pneumatic Committee, DIN = Deutsche Industrie-Norm. Standardima JUS-a (prilog C) obuhvafen je samo mali dio problematike. Standardizacija velitina i karakteristika olakSava izbor i medusobno zamjenjivanje ramodnika razliEitih proizvodah. Razvodnici razliEitih proizvodaEa napravljeni prema propisima standarda medusobno su zamjenljivi. U tehnitkim podacima i katalozima proizvodaEa uobiEajeno su navedene ove veliEine i znaEajke razvodnika: - nazivni promjer NP, - broj prikljuEaka, - broj radnih polofaja, - funkcije radnih poloiaja, - aktiviranje razvodnika, - nominalni protok, - maksimalni radni tlak, - viskoznost radne tekufine, - ugradeni materijali brtve. Dimenzije prikljutaka i prikljuEnih plota za razvodnike specifrcirane su U: I S 0 4 401, CETOP R35H, DIN 24 340 (model A).

Sf. 4.29. lzgled prikljuEne plde velitine NP 10

Slika 4.29. prikazuje raspored prikljutaka na prikljuenoj ploti nazivne veliSne 10 prema CETOP, I S 0 specifikacijama. Standardne velitine nazivnih protoEnih otvora NP klipnih razvodnika su: NP 4,6,8,10,16 i 32 (velitine 4 i 8 se rijetko konste), prema preporuci CETOP-a.


85

4.4. Ventili za upravljanje tlakom Ventili za upravljanje tlakorn omogufuju ogranitenje tlaka, sniienje tlaka i efikasnu zaStitu hidrauliEkih sustava od preopterefenja. Konstrukcijski su izvedeni kao ventil za: - ograniEenje tlaka (ventil sigurnosti), - sniienje tlaka (redukcijski ventil), - regulaciju razlike tlaka. 4.4.1. Ventil za ogranieenje tlaka

Ventil za ogranitenje tlaka ograniEava zadanu vrijednost tlaka na ulazu u ventil. O n ne dopuSta da tlak u hidrauliEkom sustavu (dijelu sustava) prede zadanu vrijednost. U hidrauliEkim sustavima on se koristi za odrgavanje i ograniknje tlaka te hidrauliEku zaStitu sustava od preopterefenja. U sluEaju da tlak na ulazu ventila za ograniEenje (u instalaciji) poraste preko zadane vrijednosti, ventil se otvara (rasteretuje) i omogufuje prolaz radne tekufine u povratni vod (prema rezervoaru npr.). U normalnim ujetirna ventil je zatvoren. Na s1.4.30a prikazana je principijelna shema direktno upravljanog ventila za ograniEenje tlaka. Klip ventila je s donje strane izloZen djelovanju sile nastale zbog tlaka, a s gornje strane djeluje sila opruge. U zatvorenom poloiaju ventila za ogranitenje tlaka, sila u opruzi jc vcfa od sile tlaka i ncma protjccanja radnc tekutine kroz njega. PoveCanjem tlaka na ulazu u ventil klip se pomiEe prema gore i tlaEi opmgu sve do uspostavljanja novog ravnotebog poloiaja. Pomicanjem klipa otvara se protoEni otvor i radna tekukina se odvodi, zbog Eega tlak na ulazu ventila naglo pada. Sila u opruzi ponovo vrafa klip sve do uspostavljanja novog ravnoteinog stanja, odnosno zatvaranja ventila. Odlijevanjem tekuCine odrZava se zadana vrijednost tlaka na ulazu ventila. VeliBna tlaka ovisi o sili opruge i moZe se u ogranitenom podruEju podebvati prornjenom duljine opruge. Nagli porast tlaka u hidraulifkom sustavu Eesto nastaje zbog preopteretenja, pa ventil za ograniEenje tlaka obavlja osiguranje sustava. Zbog te funkcije Eesto se naziva ventilom sigurnos~i.PriguSnik 1 na sl. 30a onemogutuje naglo otvaranje i zatvaranje ventila, Sto bi uzrokovalo njegove oscilacije (naizmjeniEno otvaranje i zatvaranje ventila). Principijelna shema indirektno upravljanog ventila za ogranieenje tlaka prikazana je na s1.4.30b. MoZe se uoEiti da su ugradena dva ventila za ogranitenje tlaka koji se serijski aktiviraju. Sila u opruzi glavnog ventila je potpomognuta silom zbog djelovanja tlaka. Za pomicanje glavnog klipa nuZno je otvaranje gornjeg ventila za ograniEenje kako bi se radna tekutina u prostoru ispred Eela glavnog klipa mogla odliti. Ventil za ograniEenje tlaka tijekom rada stvara buku. Budu8 da on u principu ne smije raditi, jer to znaEi da je u sustavu nastupilo prekoratenje vrijednosti tlaka, dobro je Sto se Euje kad radi jer je to znak da treba intervenirati. Tlak otvaranja kod ovih ventila je viSi od tlaka zatvaranja. Razlika dostiZe i 10-15%. Ventili za ograniEenje tlaka izvode se kao ,direktno upravljani do NP 10, a indirektno upravljani vise od NP 10. Karakteristitna konstmkcija indirektno upravljanog ventila za ograniEenje tlaka prikazana je na s1.4.31.



SI. 4.31. lndirektno upravljani ventil za ogranitenje tlaka: 1 tijelo ventila, 2 - konitni klip, 3 - opruga, 4 navojno vreteno. 5 spojni kanal. 6 - odvodni kanal, 7 - spojni kanal, 8 - indirektno upravljani ventil za ogranieenje tlaka

-

-

A

Direktno upravljani ventil za ogranitenje tlaka smjeSten je na gomjem dijelu. KoniEni klip 2, pod djelovanjem sile opruge 3, nalijeie na sjediSte i zatvara protoEni otvor. Duljina opruge moie se mijenjati nareznim vretenom 4. Dovodni kanal 7 je spojen s ulazom ventila. Porastorn tlaka u kanalu 7, vise od namjeStene vrijednosti, konitni se klip pomiEe i stlaEi oprugu te otvara protoEni otvor, pa se direktno aktivirani ventil za ogranizenje tlaka rasterekuje. Klip indirektno upravljanog ventila za ograniEenje tlaka 8 moie se pomaknuti prema gore samo ako se osigura odvod tekuCine kroz kanal 5. To je moguCe samo kad je otvoren direktno aktivirani ventil za ograniEenje tlaka. Porastom tlaka na ulazu ventila radna tekukina kroz kanal 7 najprije aktivira direktno upravljani ventil za ogranitenje tlaka, a potom se podiie klip indirektno upravljanog ventila 8 i omogutava prolaz tekuCine kroz ventil i njegovo rasteretenje.

SI. 4.30. Shematski prikaz ventila: a - direktno upravljani ventil za ogranitenje tlaka, b - indirektno upravljani ventil za ogranitenje tlaka, c - direktno upravljani ventil za smanjenje tlaka, d - ventil za regulaciju razlike tlaka, e - dvograni reg~latorprotoka, f - trograni regulator protoka

SI. 4.32. Ventil za rasterecenje: 1 razvodnik 412, 2 - direktno upravljani ventil za ogranitenje tlaka i 3 - indirektno upravljani ventil za ograhitenje tlaka

-

A

T


90


razvodnici). TlaEna vaga odriava konstantnu vrijednost razlike tlaka pa se njezinom ugradnjom postiZe odgovarajuka kompenzacija nelinearne ovisnosti protoka o padu tlaka (relacija 4-5). Ugradivanjem odgovarajute tlaEne vage u hidrauliEki sustav mogu se kompenzirati oscilacije tlaka na ulazu u priguSni element i oscilacije tlaka zbog promjene opteretenja na izvrSnom motoru. TlaEne se vage proizvode kao dvograne ili trograne. Principijelna shema dvograne i trograne tlaEne vage je na s1.4.34. Osnovni funkcionalni, element dvograne tlaEne vage je klipni priguinik. Klip je uravnotefen silom u opruzi i silom zbog djelovanja tlaka na Eelo klipa. Pomicanje klipa mijenja veliEinu priguSnog otvora a time i vrijednost tlaka na izlazu iz tlaEne - m,sila zbog razlike vage. Klip se pomiEe tek kada vanjska razlika tlaka tlaka) bude veCa od odgovarajute sile opruge. Razlika tlaka je konstantna i ovisi o sili opruge.

TlaEni prekidaE u hidraulizkom sustavu ukljuEuje ili iskljutuje elektritni krug, ovisno o veliEini tlaka u sustavu. Taj element pretvara hidrauliEki signal u elektritni (diskretni signal). Konstrukcija tlaEnog prekidata je na s1.4.35. On ima dva medusobno povezana funkcionalna dijela. ElektriEni mikroprekidaE 2 vezan je uz elektriEni krug, a klip i opruga 1 na hidraulicki dio sustava. Klip se giba u ovisnosti o velitini tlaka i pri odredenom hodu (tlaku) aktivira mikroprekidaE, Sto se moZe iskoristiti kao signal u nekom elektritnom kolu.

SI. 4.36. Promjenrvi prigugnik protoka: 1 - tijelo. 2

- vre-

tih uredaja su priguSnici razlititih konstrukcijskih izvedbi. Promjenljivi priguSnik protoka ima dopunski mehanizam kojim se podeSava veliEina priguSnog otvora. KarakteristiEna konstrukcija promjenljivog priguSnika protoka prikazana je na s1.4.36. Zakretanjem vretena 2 mijenja se veliEina protoEnog otvora koji se forrnira izmedu tijela 1i vretena. Time se mijenja i veliEina protoka na izlazu iz prigugnika. Odnbs protoka i pada tlaka kod priguSnika protoka je nelinearan (4-9, Sto ograniEava njihovu primjenu. 4.5.2. Regulatori protoka

SI. 4.35. TlaEni prekidaE: 1 - klip s oprugom, 2 - elektritni mikroprekidat

4.5. Ventili za upravljanje protokom Ventili za upravljanje protokom omogutuju promjenu brzine izvrSnih motora u hidraulickom sustavu. Osnovna im je funkcija upravljanje protokom i njegova regulacija. Konstrukcijski se izvode kao: - priguSnici protoka, - regulatori protoka. 4.5.1. PriguSnici protoka

PriguSnik protoka je aktivni hidrauliEki otpor koji priguSuje struju radne tekutine. Konstrukcijski se izvodi kao konstantan ili promjenljiv. Osnovni elementi

Regulatori protoka imaju ugraden ventil za regulaciju razlike tlaka koji odriava pribliino konstantnu vrijednost pada tlaka na priguSnom otvoru regulatora, time se vrSi kompenzacija nelinearne ovisnosti protoka i pada tlaka na priguSnom otvoru. Regulatori protoka, za razliku od priguSnika, imaju gotovo linearnu karakteristiku (u radnom podruEju promjene tlaka i protoka). Oni mogu kompenzirati promjene vanjskog opteretenja (u radnom podrutju) i sprijetiti da se brzina izvrSnog motora mijenja s promjenom opteretenja. Osim toga, ugradnjom regulatora protoka omogutava se fina regulacija i podeSavanje protoka u radnom podrutju koje je mnogo Sire nego kod odgovarajuteg priguSnika protoka. Konstrukcijski se regulatori protoka izvode kao dvograni i trograni. Dvograni regulator protoka je prikazan principnom shemom na s1.4.30e. Ti regulatori imaju ugraden regulator razlike tlaka iza mjernog priguSnika (priguSnik na kojem se regulira veliEina protoka). Ispred dvogranog regulatora protoka obavezno se ugraduje ventil za ograniEenje tlaka, preko njega se prelijeva viSak radne tekuCine iz regulatora prema rezervoaru. ZahvaljujuCi ugradenom ventilu za regulaciju razlike tlaka, .pad tlaka na priguSnom otvoru dvogranog regulatora je pribliino konstantan (za predvideni opseg), kao i protok iz tegulatora.


92

Trograni regulator protoka ima ventil za regulaciju razlike tlaka koji je paralelno vezan za mjerni priguSnik (s1.4.309. Tako regulator ima mogutnost da prelijeva viSak tekutine. On ima tri prikljutna otvora (trograni). Koeficijent korisnog djelovanja mu je neSto povoljniji nego dvogranom. 4.5.3. Jednosmjerni ventili

Jednosmjerni ventili omogutuju protjecanje radne tekuCine u jednom smjeru, dakle djeluju kao nepovratni, te u izvjesnom smislu predstavljaju hidraulitke diode. U kombinaciji s nekim drugim ventilima mogu se hidrauliEki ostvariti odgovarajuke logiEke funkcije. Konstrukcijski se izvode kao: - jednosmjerni ventili, - blokirajuti ventili (upravljivi nepovratni ventili). Jednosmjerni ventil ili nepomtni ventil (s1.4.37a) protdni je ventil samo u jednom smjeru, a konstrukcijski se sastoji od konusa ili kuglice i opruge. Sila zbog tlaka radne tekutine na konus mora svladati silu u opruzi, i tada se ventil otvara. Tlak otvaranja je odreden karakteristikom opruge.

5. Brtveni uredaji 5.1. Uvod Osnovna funkcija brtvenih uredaja je spretavanje istjecanja radne tekutine iz funkcionalnih cjelina hidrauliEkog sustava. 0 kvaliteti brtvenog uredaja ovisi pouzdanost rada hidraulitkog sustava. Ako prestane raditi brtveni uredaj ne radi ni hidraulitki sustav ili, u najboljem slutaju, bitno se 'kvare njegove projektirane funkcije. U ovom Cemo poglavlju analizirati osnovne probleme brtvljenja u hidrauliEkim sustavima, elementarne brtvene uredaje i mehanizam djelovanja trenja. Analizirat Cemo brtvljenje nepokretnih i pokretnih elemenata te tipiEne konstrukcijske izvedbe brtvenih uredaja.

5.2. Elementarni brtveni uredaj

I

I

1

b

Sl. 4.37. Principijelna shema (a) jednosmjernog ventila i (b) blokirajuteg ventila

Jednosmjerni ventili mogu biti izvedeni i s priguSnikom. Koriste se za jednosmjerno podeSavanje protoka (regulator brzine). Paralelna veza jednosmjernog ventila, s priguinikom protoka omogutava da se priguiivanje izvodi samo u jednom smjeru protjecanja. Za drugi smjer omoguCeno je protjecanje bez priguSivanja kroz jednosmjerni ventil. BlokirajuCi ventil je jednosmjerni ventil Eija se funkcija po potrebi moie poniStiti (s1.4.37b). Njegova je karakteristika d a u zatvorenom poloZaju dobro brtvi i onemogutava protjeolnje tekutine (blokirajuti ventil). Otvaranje i poniitavanje funkcije jednosmjernog ventila moie se izvesti hidrauliEki i mehanitki (rutno, elektromagnetom).

4.6. Nazivni prikljuEni otvori ventila PrikljuEci za ventile tlaka i protohe ventile, kao i jednosmjerne ventile, specificirani su standardima: Is0 6264 CETOP R69H (oblik P) DIN 24340 (model D i E) Standardne veliEine nazivnih protoEnih otvora NP za ventile tlaka, protoka i jednosmjerne (nepovratne) ventile su NP 8, 10, 25 i 32.

U ovisnosti o namjeni hidrauliEkog sustava, brtveni uredaji treba da ostvare potpunu hermetizaciju ili da znaEajno smanje istjecanje (curenje) radne tekuCine iz funkcionalnih sklopova sustava. Za ocjenu kvalitete brtvljenja obitno se koriste Eetiri stupnja: - apsolutno brtvljenje, - hermetizirano brtvljenje - istjecanje bez nastajanja kapljlca, - istjecanje kao gubitak definiran koliEinom tekukine u odredenom vremenskom intervalu. Apsolutno brtvljenje je nuino samo kod brtvljenja vanjskih dijelova hidraulib kog sustava. Istjecanje radne tekutine izvan hidraulitkog sustava upozorava njegovu funkcionalnu neispravnost. Istjecanje radne tekutine unutar hidrauhEkog sustava (crpke, hidrornotori, hidrocilindri, razvodnici, ventili itd.) dopuSteno je u zadanim granicama odredenim volumenskim koeficijentom korisnog djelovanja. I Dobro brtvljenje postiie se sloZenim konstrukcijama, kvalitetnim materijalirna i obradama elemenata. Kvalitetno brtvljenje pokretnih dijelova osigurava neprekidan rad u toku 1 500-2 000 sati. Radni vijek brtvenih uredaja nepokretnih spojeva dostiZe 10 000 sati i viie. Osnovni tipovi brtvenih uredaja prikazani su na s1.5.1. UoEljiva su dva karakteristlena tipa brtvenih uredaja: prvi za brtvljenje pokretnih (s1.5.la, b, c, d, f, g, h) i drugi za brtvljenje nepokretnih elemenata (sl.S.le, i). Osim toga, postoji kontaktno (s1.5.lc, d, e f, g, h, i) i beskontaktno brtvljenje (sl.S.la, b). U kontaktnom brtvljenju se izmedu elemenata koji se brtve postavlja brtva. Kod beskontak-


94

Brtveni uredaji

95

Membrana (s1.5.li) se koristi kada je potrebno osigurati apsolutno brtvljenje, na primjer, kod hidraulitkog akumulatora. Mehanizam djelovanja brtvenog uredaja moie se objasniti na elementarnom brtvenom uredaju (s1.5.3) Eiji su sastavni elementi brtva 1, potiskivai: 2 i brtvene povrSine 3 i 4. Protjecanje je moguCe samo kroz nepopunjene mikroneravnine na povrSini brtvljenja . , i. kroz materijal brtve (poroznost materijala n , brtve).

SI.5.1. Osnovni oblici brtvenih uredaja: a - brtvljenje zraEnofCu, b tlabirintno brtvljenje, c - radijalna brtva, d - Eeono brtvljenje, e - brtvljenje elastiEnom brtvom, f - brtvljenje elastiEnirn prstenorn, g brtvljenje manietom, h - paket prstenastih brtvi, i - membrana

tnog brtvljenja elementi se ne dodimju i izmedu njih je samo radna tekutina. Brtvljenje zraEnoSCu je beskontaktno. Izmedu pokretnih dijelova je zraEnost tako dimenzionirana da kolitina tekutine koja istjeEe kroz nju bude dovoljno mala i da ne utjeEe bitno na karakteristike i funkciju sklopa. Tako su brtvljeni, na primjer, klipovi u cilindrima hidraulitkih crpki i motora te klipni razvodnici. Labirintno brtvljenje (s1.5.lb) takoder je beskontaktno. Labirintni kanali stvaraju hidraulitkc otpore i smanjuju gubitke istjecanja na zanemari-/omalu kolifinu. Efikasno i jeftino brtvljenje rotirajufih elemenata (obodna brzina manja od 5.mts) pri niskim radnim tlakovima niiim od 5 bara) postiie se radijalnim brtvama (~1.5.1~). Ceona brtva (s1.5.ld) sloieni je mehanizam za brtvljenje vratila koja rotiraju velikim brzinama i pri relativno visokim radnim tlakovima. Umetnuta clastitna hrtva (s1.5.l~)koristi sc za brtvljenjc nepokretnih elemenata i omoguCava apsolutno brtvljenje. ElastiEne brtve u obliku prstena razliEitih popreEnih presjeka (s1.5.2), umetnute u Zlijeb na pokretnim i nepokretnim elementima, omoguCuju kvalitetno brtvljenje.

a

b

C

d

S1.5.2.Profili elastiCnih prstenova: a - okrugli SBO". - kvadratni, c - -X..-profil, d - mpw-profil

b

Brtvljenje pomoCu manSete (s1.5.lg) primjenjuje se za brtvljenje elemenata koji se kreCu translatorno (klipnjace hidrocilindara). Paket prstenastih brtvi (s1.5.lh) od razliEitih elastitnih plastiEnih materijala (guma, teflon, kofa, tekstil itd.), omoguCava dobro brtvljenje i pri visokim radnim tlakovima. Paket brtvi priteie se maticom.

51. 5.3. Elementarni brtveni uredaj: 1 - brtva. 2 - potiskivat brtve. 3 i 4

'

povrSlne brtvljenja PotiskivaE brtve stvara kontaktni tlak pk koji onemogutava prolaz radne tekuCine izmedu brtve i povriine koja se brtvi. Radijalna brtva (semering s1.5.lc), praktiEna je realizacija elementarnog brtvenog uredaja.

5.3. Brtvljenje nepokretnih elemenata Brtvljenje sklopova hidraulitkih sustava kad su povrSine brtvljenja nepokretne izvodi se elastiEnom ploticom (s1.5. le) ili elastiEnim prstenom (s1.5. lf). U nekim sluEajevima se primjenjuje membrana (s1.5.li). Brtvljenjem se potpuno onemoguCava istjecanje radne tekuCine (apsolutno brtvljenje). Zahtijeva se takoder moguC nost demontaie i ponovne montaie brtvenog uredaja uz otuvanje svih projektiranih karakteristika brtvljenja. Kvaliteta uredaja za brtvljenje mora biti takva da osigurava zadano brtvljenje pri postavljenim eksploatacijskim uvjetima za cijeli vijek eksploatacije. Za brtvljenje nepokretnih elemenata hidraulitkog sustava testo se koriste elastiEni prstenovi okruglog popreEnog presjeka (wO<

100

Pri brtvljenju vratila i osovina, ravnina brtvljenja je okornita na os rotacije i u njoj se forrnira zrafnost. Mehanizarn stvaranja zratnosti u toku gibanja pokretnog elernenta je identican s onim kod translatornog gibanja. Na kontaktnoj povrSini brtve nalaze se uvijek iste toEke pokretnog elementa. Time je oteiano dovlaEenje radne tekuCine u zraEnost i ostvarivanje viskoznog trenja. PoSto su i obodne brzine relativno velike, na kontaktnoj povrSini brzo nastaje zagrijavanje zbog poveCanja sila trenja. Posljedica toga je poveCano habanje brtve i njezino uniStenje. NajveCi je problem brtvljenje dijelova koji rotiraju velikim brzinama (obodne brzine veCe od 10 mls) pri visokirn radnim tlakovirna (viSirn od 100 bara).

Brtveni uredaji

101

brtvljenja osovina i vratila za obodne brzine do 5 mls i radne tlakove otl 3 do 5 bar. Lako se mogu izraditi brtve za agresivne radne tekuCine. Radijalna brtva (semering) relativno je jednostavne konstrukcije. Izraduje se od gume ili odgovarajuCih elastomjera i armirana je EeliEnirn nosatern. To onernoguCuje da se lako ugraduje i Euva projektirani oblik. Osovinu i vratilo dodiruje kontaktna povrSina koja je pod djelovanjem opruge. Kontaktni tlak ima vrijednost pr = P = 15 - 30 bar. Pod djelovanjem hidrodinamitkih procesa na pojasu kontaktne povrSine, uspostavlja se tanki sloj radne tekuCine koji osigurava mjeSovito trenje blisko viskoznome.

5.4.2.1.zeoni brtveni uredaji Neke principijelne sheme konstrukcijskih rjeSenja Eeonog brtvljenja prikazane su na s1.5.10. U ovisnosti o uvjetima eksploatacije, tijelo brtvenog uredaja, u kojem su smjeSteni plivajuCi disk i opruga, moie biti rotirajuCe (s1.5.10a) ili nepokretno (s1.5.10b). Tijelo moZe biti smjeSteno unutar prostora koji se brtvi (s1.5.19, a i b) ili izvan njega (s1.5.10~).Brtveni uredaj za Eeono brtvljenje s rotirajutim tijelom (s1.5.10a), primjenjuje se kada je tlak p unutar zone brtvljenja viSi od vanjskog tlaka po. Kod te konstrukcije, centrifugalne sile u sloju radne tekuCine onemoguCuju istjecanje kroz Eeonu zraEnost (po tom sloju) zbog razlike tlaka. Ako je tlak po > p, primjenjuje se kodtrukcija prikazana na s1.5.10~.Brtveni uredaj s nepokretnim tijelom koristi se pri visokom broju okretaja, kada je izraZen problem balansiranja rotirajutih dijelova.

a

b

c

51. 5.10. Shematski prikaz 6eonog brtvljenja osovina i vratila: a - konstrukcija s vanjskim diskorn, b i c - konstrukcija s unutrasnjim diskom

Konstrukcija Eeonih brtvenih uredaja pruZa moguCnost regulacije trenja na kontaktnoj povrSini s oEuvanjem traZene kvalitete brtvljenja. T o se postiie regulacijom sile na plivajutem disku. 5.4.2.2. Brtveni uredaj s prstenastim brtvarna

Za brtvljenje rotirajutih elemenata pomoCu prstenastih brtvi (s1.5.2), unutraSnji prornjer prstenaste brtve mora biti veCi od ptomjera vratila, tako da razlika iznosi 4-5%. Potrebno je, psigurati da brtva u kanalu nalijeie po vanjskop promjeru. Time se postiie tlaEenje prstenaste brtve na promjer vratila radi brtvljenja a poveCava se prijanjanje prstena u kanalu i spreEava njegovo sukanje. Primjena ove konstrukcije brtvenog uredaja je ograniEena (rijetko se upotrebljava) na obodne brzine d o 2 mls i niske tlakove (niZe od 3 bar). 5.4.2.3. Brtveni uredaj s radijalnom brtvorn

Brtveni uredaj s radijalnom brtvom (s1.5.11) naSli su Siroku primjenu ne samo u hidraulifkim sustavima nego i Sire. Moie se reCi da je to efikasan i jeftin naEin

S1. 5.11. KarakteristiCni profili radijalnih brlvi

MoguCnosti brtvenih uredaja s radijalnom brtvom prije svega ogranifuju svojstva gume, od koje se brtva izraduje. Pri visokim ternperaturama ubrzava se proces starenja. Pri niskim temperaturarna guma gubi clastifnost. Velike obodne brzine na kontaktnoj povrSini radijalne brtve utjeEu na njezino intenzivno habanje (troSenje). Stoga su nu2na ogranieenja radne temperature, broja okretaja vratila, kao i radnih tlakova. Osim toga, zahtijeva se obrada vratila odgovarajuCorn kvalitetom kako bi se'smanjilo mehaniilko habanje radijalne brtve. U literaturi se moZe naCi podatak da je vijek trajanja radijalne brtve oko tri godine. Naravno, na vijek trajanja najviSe utjeEe kvaliteta gume i uvjeti eksploatacije. Gubici istjecanja na brtvenim uredajima s radijalnom brtvom ovise o nizu faktora. Kvaliteta obrade (povrSinska hrapavost), osovine i vratila na rnjestu ugradnje radijalne brtve matno u t j e b na veliEinu gubitaka istjecanja. Veoma velik utjecaj na veliEinu gubitaka istjecanja ima ekscentricitet vratila i dinamiEki ekscentricitet (javlja se u toku rotacije). T o izaziva neravnomjerno rasprostiranje kontaktnog tlaka p, po kontaktnoj povrSini, Sto znatno utjete na brtvljenje a time i na gubitke istjecanja. Na gubitke istjecanja utjeEu i fizifko-kemijska svojstva radne tekuCine, svojstva elastomjera (od kojih je napravljena brtva), brzina na mjestu dodira (obodna bnina na kontaktnoj povrSini), radna temperatura, tlak itd.

HidrauliEki akumulatori

6. HidrauliCki akumulatori 6.1. Uvod Osnovna funkcija hidrauliEkog akumulatora je akumuliranje hidraulitke (potenciialne) enereiie radne tekutine u hidraulitkom sustavu. U ovom Cemo ~ o n l a v lju ahalizkati osYnbvne funkcije hidrauliEkog akumulatora, kao i tipiEne kdnsrrukcije. Na primjeru hidrauliEkog akumulatora s mijehom prikazat Cemo karakteristiEne pa;ametre potrebne za-izbor.

6.2. Osnovne karakteristike hidrauliEkih akumulatora HidrauliEki akumulator akumulira hidrauliEku energiju (radna tekutina pod tlakom) i predaje je hidrauliEkom sustavu prema potrebi. HidrauliEka se energija akumulira u periodima kad nema potroSnje u hidrauliEkom sustavu ili kada je ona smanjena ili u momentu koEenja hidromotorom. ViSe je funkcija koje se realiziraju upotrebom hidraulitkog akumulatora u hidrauliEkom sustavu: - oddavanje konstantnog tlaka u sustavu kad izvrSni hidrocilindar miruje a pogonska je crpka rasteretena, - Stednja energije kod sustava s viSe izvrSnih hidromotora, - osiguranje izvora hidraulitke energije ako prestane rad crpke (havarijska rnogu6 nost), - smanjenje oscilacija tlaka i udara zbog dinamiEkih preopteretenja u sustavu, - priguSenje oscilacija tlaka zbog neravnomjernosti hidrauliEke crpke, - kompenzacija gubitaka istjecanja u hidraulitkom sustavu. HidrauliEki akumulator omogutava da se snaga pogonske hidrauliEke crpke ograniEi na velitinu srednje snage potroSaEa hidrauliEke energije u sustavu. Kod sustava koji rade periodicno hidrauliEki akumulator omogutava prekid rada crpke. HidrauliEki akumulator mote u vrlo kratkom vremenu predati akumuliranu energiju i kratkotrajno pokriti vifak potroSnje. Ugradnjom hidrauliEkog akumulatora u hidrauliEki sustav moguie je filtrirati oscilacije tlaka i protoka (akumulator s mijehom). To je naroEito vaino ako se mora osigurati stabilno napajanje i rad s minimalnom bukom. KarakteristiEne konstrukcije hidrauliEkih akumulatora su prikazane na s1.6.1. U hidrauliEkim se sustavima preteZno koriste: akumulator s klipom, akumulator s mijehom i akumulator s membranom. Hidraulitka energija radne tekutine moie se akumulirati pomotu utega (s1.8.la), opruge (s1.6.lb) i tlaEenjem plina (s1.6.lc, d i e). Akumuliranje energije tlatenjem plina se najEcSCe koristi. Kao plin obiEno se koristi duSik. Zrak se ne mote koristiti zbog opasnosti od eksplozije. Konstrukcijski se plinski akumulatori izvode s klipom (s1.6.lc), elastihim (gumenim) mijehom (s1.6.ld) i membranom (s1.6.le).

S1. 6.1. Shematski prjkaz \ipiEnih konstrukcija hidrauliEkih akumulatora: a - akumulator s utegom, b - akumulator s oprugom, c plinski akumulator s klipom, d - akumulator s mijehom, e - akumulator s membranom

-

- -- - a

c

b

d

8

HidrauliEki akumulatori s klipom namijenjeni su uglavnom velikim volumenima i velikim izlaznim protocima, to znaEi akumuliranju velike kolitine hidrauliEke energije. Prostor s plinom je odvojen od prostora s radnom tekutinom plivajutim klipom. Maksimalni tlak koji se moZe postiCi na kraju punjenja akumulatora je ograniEen na odnos 5:l. On definira kapacitet akumulatora.

6.3. HidrauliEki akumulator s mijehom Akumulator s mijehom odlikuje se apsolutnim brtvljenjem, velikom brzinom odziva te gotovo bezinercionim radom. Razdvajanje prostora s plinom (duSik) od prostora s radnom tekutinom izvedeno je elastiEnim mijehom. HidrauliEki akumulator s elastihim gurnenim mijehom (s1.6.2a) sastoji se od EeliEne posude 1, dovodnog kanala 2, ventila sa sjediStem 3, gumenog mijeha 4 te ventila za punjenje mijeha duSikom 5. Rad akumulatora se moie opisati Eetirima karakteristicnim fazama: 1. Ukupni volumen EeliEne posude 1 (s1.6.2b) ispunjen je duSikom, elastiEni mijeh 4 priljubljen je na zid posude. Tlak duSika u mijehu je jednak p,, i naziva se

-

SI. 6.2. HidrauliEki akumulator s mijehom: 1 tijelo, 2 - dovodni kanal, 3 ventil sa sjediltem. 4 - elastiEni mijeh. 5 ventil

-


7. Radne tekucine 7.1. Uvod Radna tekudina je osnovni element hidraulitkih sustava i osim prijenosa energije obavlja nekoliko funkcija koje osiguravaju njihov rad. Ovo poglavlje obraduje osnovne funkcije radnih tekuCina, karakteristitne tekudine za upotrebu u hidraulitkim sustavima, njihove osnovne fizitko-kemijske .karakteristike, znatajke za izbor radne tekutine te uvjete eksploatacije.

7.2. Osnovne funkcije radne tekucine S1. 6.4. Dijagram

za odredivanje volumena hidrauliCkog akumulatora

Primjer P-6.1. Poznate su ove velifine za jedan hidraulitki akumulator: V, = 1 000 cm3, p, = 10 bar. - tlak pretpunjenja minimalni radni tlak p, = 15 bar, -maksimalni radni tlak pl = 50 bar. Potrebno je odrcditi korisni volumen akumulatora za izotermifku i adijabatsku kompresiju i ekspanziju.

- volumcn akumulatora -

Uz pomot dijagrama na s1.6.4. mogu se otitati traZene vrijednosti. a) Izotermitka komprcsija i ekspanzija - akumulirani volumen tekufine pri 50 bar - akumulirani volumcn tekufinc pri I5 bar

780 cm3 300 cm3 korisni volumcn

480 cm3

korisni volumen

420 cm3

korisni volumen

280 cm'

b) Adijabatska kompresija i ekspanzija - akumulirani volumen tekufine pri 50 bar - akumulirani volumen tckutine pri 15 bar

c) Izotcrmifka komprcsija i adijabatska ckspanzija

- akumulirani volunicn tckutinc pri 50 bar - akumulirani volumcn tckutine pri 15 bar

Osnovna funkcija radne tekuCine u hidraulitkom sustavu je prijenos energije. Struja radne tekuCine ~prenosiccenergiju od izvora (hidraulitke crpke) do potroSaEa (hidrornotora). Radna tekutina podmazuje pokretne dijelove u hidraulitkom sustavu pa oni nernaju posebne uredaje za podrnazivanje. Radna tekuCina odvodi toplinsku energiju iz sustava. ZahvaljujuCi hnjenici da radna tekuCina cirkulira kroz sustav, rnoguCe je obavljati izrnjenu topline i njezino odvodenje. Toplina se odvodi hladnjacirna na najpogodnijem mjestu u sustavu. Radna tekuCina ispire protogne kanale u hidrauli~komsustavu. Protok radne tekudine nosi sa sobom sve produkte habanja pokretnih dijelova. Oni se odvajaju na najpogodnijernu mjestu u sustavu pornoCu fitra. Radna tekuCina je srehtvo za konzerviranje hidraulitkih sustava. Ona zaStiCuje radne povrSine hidraulitkog sustava i njegovih elemenata od korozije jer spretava kontakt metalnih povrSina s kisikorn.

7.3. Radne tekucine za hidraulieke sustave U hidraulitkim se sustavima primjenjuju rizlirite tekuCine. One su odabrane tako da njihove fizitko-kemijske karakteristike odgovaraju uvjetirna eksploatacije. Univerzalne radne tekuCine zasad nema. Najdostupnija i svakako najjeftinija radna tekudina je voda. Medutim, njezinu primjenu ogranitava niz nedostataka. Voda irna malu sposobnost podmazivanja pokretnih dijelova. Ona izaziva koroziju na Eelitnim povr5inarna. Voda prelazi u kruto agregatno stanje pri 0 O C . Ona intenzivno isparava na 100 OC (ovisno o tlaku). Voda je nezamjenljiva komponenta nezapaljivih radnih tekuCin?. Te tekuCine uglavnom sadrie vodu ili Eine emulziju vode i odgovarajuCeg ulja ill rastvor vode i.glikola (tablica 7.1, grupa teSko zapaljivih tekuCina HI?).; NajSiqu primjenu u hidraulitkim sustavinia, za radne temperature od -50 "C do 80 OC, naSle su tekuiine nu osnovi mineralnih ulja. Cijena im je pristupafna.


108

Mogu se primjenjivati u razliEitim uvjetima. Imaju dobra svojstva podmazivanja. Rok uporabe je dovoljno dug. Tablica 7.1. Klasifikacija hidrauliCkih ulja prema IS0 674314 IS0 oznaka

Sastav i osnovna svojstva

HH

Nehibirano rafinirano mineralno ulje

HL

Rafinirano mineralno ulje s dodatkom aditiva protiv oksidacije i za zaStitu od korozije

HM

Svojstva ulja HL s poboljSanim svojstvimaprotiv troSenja

HR

Svojstva ulja HL s dodatkom aditiva za poboljSanje indeksa viskoznosti

HV

Svojstva ulja HM s dodatkom aditiva za poboljSanje indeksa viskoznosti

NG

Svojstvo ulja HM s antistic-slip svojstvima

HS

SintetiEketeSko zapaljive tekutine

HF

Grupa teSko zapaljivih tekufina s vodom

Silicijski organski spojevi imaju visoku kemijsku stabilnost, kod njih nema korozivnih aktivnosti i dobro se mijeSaju s mineralnim uljima. Istodobno ti spojevi imaju loSa svojstva podmazivanja, rastvaraju plastifikatore od sintetiEkog kauEuka, njihova se kemijska struktura naruSava u kontaktu s bakrom i njegovim legurama. Smatra se da je gornja granica radnih temperatura za sintetiEke tekuCine oko 400 OC. Za rad u podruEju radnih temperatura od -10 "C do 770 OC najperspektivniji su tekuCi metali i njihove legure (legura 77% natrija i 23% kalija). GustoCa navedene legure odgovara gustoti sintetitkih tekutina, modul elasticnosti je petSest puta ve8. TekuCi metali se ne pjene i u njirna nema rastvorenih plinova. TekuCi rnetali imaju loge svojstvo podmazivanja. Posebno je opasna oksidacija tekuCih metala u kontaktu sa zrakom. KlasiEni brtveni materijali ne spreEavaju difuziju kisika u hidrauliEki sustav pa je primjena tekutih metala ogranitena. Danas se kao radne tekutine u hidraulitkim sustavima u 90% sluEajeva koriste mineralna ulja bilo Eista, bilo rnijeSana s vodom ili sintetiEkim tekuCinama. Stoga je uobihjcni naziv za radne teku6ne hidraulitkih sustava hidraulitko ulja. U tablici 5.1. navedena je klasifikacija hidrauliEkih ulja prema specifikaciji I S 0 674314. Jugoslavenskim standardom su definirana ulja kvalitete HL. U tehniekoj praksi sluiimo se ISO-normama i DIN-normama.

-HFAE

Emulzija wulje u vodiu ili vodena otopina koja sadrfi najviSe 20% gorivog materijala

HFAS

Otopina kemikalija s najmanje 80% vode

7.4. Fizikalno-kemijske karakteristike hidrauliEkih ulja

HFB

Emulzija uvoda u ulju* s najviZe20% gorivog materijala

HFC

Vodena otopina s aditivom za povebnje viskoznosti i najmanje 35% vode

HidrauliEka ulja u hidrauliEkim sustavima imaju odredene funkcije pa treba upoznati (znati) njihove osnovne fizikalno-kemijske karakteristike: gustdu, viskoznost, stlaEivost, mazivost, otapanje plinova, zapaljivost i toksiEnost (otrovnost).

HFD

Grupa teSko zapaljivih tekufina bez vode

HFDR

Sintetifka tekuCina izradena na osnovi fosfat-estera

HFDS

SintetiEke tekuCine na osnovi kloriranih ugljikovodika

HFDT

Mjesavina sintetifkih tekufina HFDS i HFDT

HFDU

TeSko zapaljive tekuCine dmgog sastava

Mineralna ulja, iako se Siroko primjenjuju, imaju niz nedostataka koji ograniEavaju njihovu primjenu. Pri visokim radnirn ternperaturama opada njihova sposobnost podmazivanja. Pri promjeni radne temperature mijenja se viskoznost mineralnih ulja. Ta znatajka (karakteristika) mineralnih ulja na niskim radnim ternperaturama oteiava puStanje u rad hidraulirkih sustava. Osirn toga, pri poviSenju radne temperature, zbog,naruSavanja strukture rnineralnih ulja, izdvajaju se smolaste komponente. One prljaju elemente uljnih filtara, taloie se na unutraSnjim stijenkama i prototnim kanalima hidraulitkog sustava. Mineralna ulja se razlatu pri visokirn ternperaturama, a i zbog djelovanja kisika iz zraka. Promjena fizikalno-kemijskih karakteristika mineralnih ulja (izdvajanje krupnih Eestica, promjena viskoznosti itd.), moie izazvati zastoj u hidraulitkom sustavu. Treba takoder irnati na umu da naruSavanje strukture mineralnih ulja moZe nastati zbog kontakta ulja s bakrom i njegovim legurama. U hidraulitkiin sustavima za radne temperature vise od 80 OC primjenjuju se sintetitke tekutine. To su silikonske ili polisilikonske i silicij-organske tekdine.

7.4.1. GustoCa

Gustota g (kg/m3) hidrauliCkog ulja karakterizira njegovu inertnost, a time i gubitke tlaka prilikom protjecanja kroz hidraulitke vodove i priguSne otvore. Ako kroz isti hidrauliEki sustav cirkuliraju mineralno ulje i Ziva, prilikom protjecanja iive, gubici tlaka su 17 puta veti. Za hidraulitke sustave se prije svega biraju hidrauliEka ulja gustoCe najEeSte manje od gustode vode. GustoCa hidrauliEkih ulja ovisi o temperaluri, tlaku i koliEini rastvorenih plinova u njemu. Funkcionalna ovisnost gptoCe od navedenih veliEina odreduje se eksperimentalno. 7.4.2. Viskoznost

Viskoznost odreduje sposobnost slojeva tekuCine da se odupru smicanju i klizanju. Viskoznost se ocjenjuje koeficijentom dinamitke viskoznosti r) (Pa s) ili koeficijentom kinematske viskoznosti (m2/s), gdje je v = q l g . HidrauliEka se ulja ubrajaju u grupu njutnovskih tekutina, a pri niskim ternperaturama kod veCih viskoznosti imaju svojstva nenjutnovskih fluida. Kod njutnovskih tekutina viskoznost je ovisna jedino o visini temperature i tlaka. Prema vrijednosti viskoznosti hidraulieka su ulja klasificirana prema IS0 344875 (tablica 5.2), Sto je prihvakeno jugoslavenskim standardom JUS B.HO.511.


110

Tablica 7.2. Klasifikacija viskoznosti hidraulitkih

Viskoznost mm% na 40 OC ISO-oznaka srednja

najmanja

najveb

2.2 3.2 4.6 6.8 10.0 15.0 22.0 32.0 46.0 68.0 100.0 150.0 220.0 320.0 460.0 680.0 1000.0 1500.0

1.98 2.88 4.14 6.12 9.0 13.5 19.8 28.8 41.4 61.2

2.42 3.54 5.06 7 .43 11.0 16.5 24.2 35.2 50.6 74.8 110.0 165.0 242.0 352.0 508.0 748.0 1100.0 1650.0

90.0 135.0 198.0 288.0 411.0 612.0 900.0 1350.0

11 1

7.4.4. Mazivost

ulja prema IS0 3448-75

--

IS0 VG 2 IS0VG 3 IS0 VG 5 IS0 VG 7 I S 0 VG 10 I S 0 V G 15 I S 0 V G 22 I S 0 V G 32 I S 0 V G 46 I S 0 V G 68 I S 0 V G 100 I S 0 V G 150 I S 0 V G 220 I S 0 V G 320 I S 0 V G 460 I S 0 V G 680 I S 0 VG 1000 IS0 VG 1500

Radne tekuCine

Viskoznost hidrauliEkog ulja prije svega utjeEe na veliEinu gubitaka otjecanja na zraEnostima i brtvama hidrauliEkih razvodnih elemenata, hidromotora i crpki. Smanjivanjem viskoznosti gubici otjecanja rastu. 0 viskoznosti hidrauliEkog ulja ovise vrijednosti koeficijenta korisnog djelovanja hidrauliEkog sustava. Ona utjeEe, takoder, na veliEinu hidraulitkih otpora prigulnika, radnih otvora hidrauliEkih razvodnika i vodova. PoveCanjem viskoznosti hidraulitkih ulja, hidrauliEki otpori strujanja rastu. Viskoznost hidrauliEkog ulja mijenja se s promjenom temperature. Porastom temperature, viskoznost opada i obrnuto. Viskoznost hidraulitkog ulja diktira moguti opseg radnih temperatura hidraulitkog sustava. Za praktiEnu primjenu hidraulitkih ulja vrlo je vaZno znati promjenu viskoznosti u intervalu radnih temperatura. 7.4.3. StlaEivost

Sve tekuCine su pod djelovanjem tlaka stlaEive, odnosno, viSe ili manje mijenjaju svoj volumen. StlaEivost hidraulitkog ulja odreduje elastitnost hidrauliEkog pogona, naroEito pri brzim dinarniEki~nprocesirna koji se odvijaju prilikom hidrauIiEkog prijenosa energije. Otopljeni plinovi u hidraulitkom ulju znatno utjetu na stlaEivost. Osim toga, stlafivost se mijenja s temperaturom i tlakom. StlaEivost hidrauliEkog ulja je definirana lineariziranim modulom elastiEnosti E (2-5) koji se odreduje eksperimentalno. Vrijednosti modula elastitnosti E (Pa) mogu se naCi u odgovarajuCim priruEnicirna. Tako je, na primjer, njegova vrijednost: - za vodu 2 040 MPa, - za mineralna l~lja1 300 - 1 700 MPa.

Mazivost ili svojstvo hidrauliEkog ulja da podmazuje pokretne dijelove hidrauIiEkih sustava, razumijeva osiguranje najmanje vrijednosti sila suhog trenja. PoSto suho trenje utjeEe na habanje pokretnih dijelova koji se medusobno dodiruju, to hidrauliEka ulja, dobrih karakteristika mazivosti, smanjuju habanje elemenata koji rade pod opteredenjem. Dobra mazivost je prijeko potrebna u momentu pokretanja dijelova, kada su povdine. kliznih parova u neposrednom dodiru jer je noseCi sloj uljnog filma prekinut. Mazivost hidrauliEkog ulja odreduje se za konkretne klizne parove. Vrijednost se odreduje geometrijskim oblikom kliznih parova, veliEinom zavarenih Eestica, promjenom mase uzorka u ovisnosti o vremenu ispitivanja. Svojstva podmaqivanja nekih ulja mogu se poboljSati ubacivanjem razliEitih aditiva (spojeva kalaja, olova, sumpora, fosfora i klora). Ti spojevi s ugljikovodicima stvaraju duge molekulske lance koji pak omoguCuju da se na metalnim povrSinama formira deblji mazivi sloj (film). A,

7.4.5. nOtapanje<((upijanje) plinova u tekucini

Sve tekuCine imaju sposobnost otapanja plinova. Otopljeni plinovi se pri odredenim uvjetima izdvajaju iz tekuCine u obliku mjehuriCa i pri tome znaEajno mijenjaju njezine fiziEko-kemijske karakteristike (gustoh, stlafivost, viskoznost itd.). Izdvojeni plinovi u obliku mjehuriCa potenciraju nastajanje pjene u tekuCini te stvaraju uvjete za pojavu kavitacije, Sto za rad hidrauliEkih sustava moie biti opasno. U tekuCinama se, pri normalnim uvjetima, obitno otapa plin Eiji volumen Eini do 15% volumena tekuCine. Ta pojava ovisi o tlaku, temperaturi ali i o gustoti i viskoznosti tekutine. KoliEina otopljenog plina naglo se poveCava s poveCanjem tlaka a neznatno s poviSenjem temperature. Stupanj zasiCenja plinom hidraulitkih ulja ovisi o vrsti plina. Kod kisika aotapanjeu je veCe nego kod duSika, a kod ugljik-dioksida je najveCe. notopljeni* zrak u hidrauliEkom ulju sadrii oko 30% vise kisika nego Sto ga normalno sadrii u atmosferi. Intenzitet otapanja (nupijanjacc) i vrijeme zasidenja hidraulitkih ulja plinom ovisi o kontaktnoj povrSini tekuCine i plina te intenzitetu mijeSanja. U stanju mirovanja zasiCenje plinom moie trajati satim/a, a pri intenzivnom mijeSanju zasiCenje nastaje za nekoliko minuta. Otapanje malih mjehurita plina pri naglom povigenju tlaka nastupa trenutno. Zbog izdvajanja plina iz hidraulitkog ulja u hidraulitkom se sustavu naglo smanjuje tlak i kao posljedica toga nastaju kavitacijske pojave. One se javljaju narotito pri protjecanju ulja kroz lokalne hidraulifke otpore i kroz radne otvore razliritih priguSnika i ventila. Tada izdvajanje plinova nastupa u dijelu sekunde. Izclvajanje otopljenih plinova u hidraulitkom ulju se manifestira pojavom velikog broja malih mjehuriCa plina, koji se spajaju i stvaraju plinske Eepove. Osim toga, neotopljeni plin u hidraulitkom ulju moie naruSiti normalan rad hidraulifkog sustava. Na primjer, plin koji dospije u radne prostore hidrauliEke crpke poveCava buku i smanjuje protok crpke. Pojava neotopljenih plinova u radnim komorama hidraulitkdg cilindra sniiava hidrauliEku krutost i pogorSava dinamiEke karakteristike sustava. Mali mjehuriti plina smanjuju gustoCu i viskoznost hidrauliekog ulja

112


i sniiavaju hidraulitke otpore priguSnika i radnih otvora hidraulitkih razvodnika, Sto utjeEe na statiEke i dinamiEke karakteristike hidraulitkih sustava.

Radne tekuCine Tablica 7.3. Karakteristike hidraulitkih ulja HLP prema DIN 51524

Sfvaranje pjene. Pjena je takoder emulzija ali mikroskopski sitnih mjehurita plina i tekutine. U pjeni je kontaktna povrSina izmedu tekuCine i plina (zrak, kisik) velika. Zato su u pjeni kemijski procesi intenzivniji, medu ostalim i oksidacija hidrauliEkog ulja. Pjena moie biti uzroEnik kavitacije kod hidrauliEkih crpki. Ona smanjuje mazivost hidrauliEkog ulja i pospjeSuje koroziju EeliEnih povrSina. Na intenzitet stvaranja pjene utjeEe velik broj razliEitih Einilaca. Na primjer, stvaranje pjene kod mineralnih ulja naglo se intenzivira ako u njih dospije i najmanja koliEina vode. Kavitacija. Pri radu hidrauliEkih sustava na pojedinim mjestima i totkama sustava tlak u hidrauliEkom ulju moie opadati do vrijednosti tlaka stvaranja pare (tlak stvaranja pare ili tlak zasiknih para tekuCie je tlak pri kojem tekuCina prelazi u paru). Porastom tlaka u hidrauliEkom ulju pojavljuje se kondenzacija pare i tlaEenje plinskih mjehurih, zbog k g a nastaju lokalni, vrlo snaZni hidraulicki udari. Oslobodena energija se pri tom procesu pretvara u toplinu (do 1 500 O C u toEkama tlaEenja mjehurika). Lokalno povefanje tlaka i temperature objaSnjava se nadzvuG nim centripetalnim brzinama tekuCine pri tlaEenju mjehurita pare. Pojava koja se manifestira lokalnim izdvajanjem para hidrauliEkog ulja i stvaranjem mjehurita na mjestima sniZavanja tlaka te naknadnim tlaEenjem mjehuriCa pare pri njihovu ulasku u prostor poviSenog tlaka naziva se kavitacija. U hidraulitkim sustavima kavitacija je Stetna pojava jer naruSava kemijsku struktum hidrauliEkih ulja zbog djelovanja visokih lokalnih temperatura i naglih udara tlaka. Kavitacijske pojave na povrSinama stjenki hidraulitkih sustava i elemenata izazivaju oSteCenja. Kavitacija brzo oSteCuje ugljiEne Eelike i sivi lijev. OSteCenje metala pospjeSuju takoder i elektritni procesi i oksidacija kisikom iz zraka koji se izdvaja zajedno s parom i mjehurieima. Kavitacijske pojave najEeSCe nastaju na kljubim sklopovima i elementima hidrauliEkih sustava, u radnim prostorima crpki, hidromotora i priguSnih kanala klipnih razvodnika te ventila. Jedan od natina spretavanja kavitacije je poviSenje tlaka na mjestima gdje je moguCa pojava plinskih mjehurika i izbjegavanje naglih promjena brzine i tlaka. 7.4.6. Zapaljivost hidrauliEkih ulja

Za hidrauliEka ulja sG*karakteristiena tri pokazatelja zapaljivostii tedperatura zapaljenja para, temperatura zapaljenja i temperatura samozapaljenja. Tcmperatura zapuljet~japara.je temperatura na kojoj se pare hidraulitkog ulja u smjesi sa zrakom zapale kad im se prinese otvoreni plamen. Tonperatura zapaljenja je temperatura na kojoj se zagrijano hidraulifko ulje zapali kad mu se prinese plamen i gori vise od pet minuta. Tcmperatura sarnozapaljenja je temperatura na kojoj se zagrijano hidrauliEko ulje samo zapali.

odreduje isporntilac ulja

114


7.4.7. ToksiEnost (otrovnost) hidraulizkih ulja

Osnovne komponente hidrauliEkih ulja bez dodataka nisu otrovne. Neki dodaci, kojima se poboljSavaju njihova hidrauliEka svojstva, mogu biti otrovni. Otrovanje moZe nastupiti zbog udisanja para tih sastojaka ili zbog prodiranja tih sastojaka u organizam kroz koiu. Pri visokim tlakovima mlaz hidraulitkog ulja mote povrijediti tkivo koie. Poznati su slutajevi prodiranjq rnlaza ulja pod koZu, Sto uzrokuje umrtvljenje tkiva.

Radne tekukine

115

Eesticama neEistoCa. Borba za odriavanje zadane tistoke hidrauliLkog ulja je proccs 0 Eijern rezultatu ovisi pouzdanost rada hidrauliEkog sustava. Uredaji za kontinuiran0 EiSCenje u toku rada obavezno se moraju instalirati u hidraulicki sustav (filtri). Klasa EistoCe hidraulitkog ulja definira se odgovarajuCim standardom (podglavlje 8.4.2). Tablica 7.4. Karakterj~tike~teSko zapaljivih tekucina

I ,

7.5. Osnovne karakteristike hidrauliEkih ulja Zahtjeve rada suvremenih hidrauliEkih sustava najEeSCe zadovoljavaju ulja specifikacije HLP (prema I S 0 674314). Kao primjer navode se karakteristike hidrauliEkih ulja I S 0 VG 10 do 100 prema DIN 51524 (tablica 5.3) i teSko zapaljivih tekuCina HSA, HSB, HSC te HSD (tablica 5.4). Za osiguranje normalnog rada hidrauliEkog sustava predhidraulicko ulje mora zadovoljavati ove zahtjeve: - dobra svojstva podmazivanja, - inertnost u odnosu pre~namaterijalima koji se koriste u hidraulitkom sustavu (metali, boje, plastitne mase, guma itd.), - odgovarajuCu viskoznost prema veliEini zratnosti, - malu prornjenu viskoznosti u Sirokom podrurju promjena tlaka i temperature, - dovoljno Siroko podrurje radnih temperatura, - dug vijek upotrebe (stabilnost fiziEko-kemijskih knrakteristika), - malu moguCnost stvaranja pjene, -! visoku ternperaturu zapaljenja, - ne smije biti otrovno (to vrijedi i za sastavne komponente i pare u podrucju radnih tempe~aturai tlaka), - ne smije se razgradivati pri dugotrajnom Euvanju, - nisku cijenu. U tablici 5.5. navedene su osnovne karakteristike domaCih hidraulitkih ulja tipa HIDRAOL.

7.6. Promjene hidrauliekih ulja u toku eksploatacije Promjene fizifko-kemijskih osobina hidraulifkih ulja izravncl utjeEu na funkciju hidrauliEkog sustava. Osnovne promjene nastupaju zbog: - neEistoCa u ulju, - utjecaja temperature, - otapanja plinova i izdvajanja plinskih mjehuriCa, - kemijskog razgradivanja (najEeSCe zbog starenja). Proces onetiSCenja hidrauliEkih ulja je sloien i teEe kontinuirano. NeEistoCa hidrauliEkog ulja je jedan od osnovnih uzroka otkaza hidraulitkog sustava. Ulje moie biti uprljano mehanitkim Eesticama, produktima habanja, Eesticama vode itd. Osnovna opasnost je zaribavanje pokretnih dijelova (razvodnika, crpki, motora, ventila) te zatvaranje funkcionalnih kanala i protoEnih otvora

1 nku=

najniZi broj okretaja motora ili crpke pri radu s tekutinom HS najniti broj okretaja crpke pri usisavanju mineralnog ulja

2 nk, =

najviSi broj okretaja motora ili crpke pri radu s tekutinom HS najviSi broj okretaja crpke pri radu s mineralnim uljem ,

I

Radna se temperatura hidrauliEkog ulja u sustavu mora odriavati u zadanim granicama. uohizajena radna temperatura za hidraulirka ulja je od 60°C do 75°C.


116

Potrebna radna temperatura hidraulitkog sustava odriava se posebnim uredajima za kondicioniranje (glava 8). Kod veCine hidrauliekih sustava ne smije biti izdvajanja mjehurika plina iz ulja zbog opasnosti od kavitacije i njezinih posljedica. Ako zrak prodre u hidraulitki sustav, nuian je prekid rada i uklanjanje uzroka. Kod hidrauliEkih sustava visokih dinamitkih svojstava, potrebna je stalna kontrola prisutnosti izdvojenih plinova. Starenje hidraulitkih ulja je prirodni kemijski proces koji se teSko kontrolira. Stoga se hidrauliEka ulja moraju zarnijeniti po isteku roka upotrebe koji deklarira proizvodat. Na starenje hidraulitkih ulja znatno utjetu i radni uvjeti. Vrijeme koje Ce hidrauliEko ulje biti u hidrauliEkom sustavu definirano je na osnovi predvidenih uvjeta eksploatacije sustava i propisano u dokumentaciji za njegovo oddavanje. Tablica 7.5. Karakteristike hidraulitkih ulja HIDRAOL HD

Kinematska viskoznost

Gust*

lndeks viskoznosti

PlamiSte

KrutiSte

8. Uredaji za kondicioniranje 8.1. Uvod Osnovna funkcija uredaja za kondicioniranje je odriavanje potrebne temperature i EistoCe hidraulitkog ulja neovisno o promjenama koje nastaju u hidrauliEkom sustavu. U ovom poglavlju razmatrat Cemo funkcije rezervoara, hladnjaka i grijata ulja te uljnog filtra.

8.2. Rezervoari (spremnici) HIDRAOL H D 5

40

HIDRAOL H D 10

5

869

95

100

-42

40 100

9,95 2,7

883

95

115

-37

HIDRAOL H D 15

40 100

13.5 3,25

882

100

125

-35

HIDRAOL H D 22

40 100

23,5 435

883

100

150

-27

HIDRAOL H D 32

40 100

31 5.35

883

100

170

-25

40

48 72

880

100

190

-22

1W HIDRAOL H D 68

40 100

66 8.6

883

100

200

-17

HIDRAOL H D 100

40 100

96

887

95

210

-15

893

95

2?0

100

155 15,2

HIDRAOL H D 220

40 100

210 17.8

894

95

220

-12

HIDRAOL H D 320

40 100

301 23.2

895

95

230

-12

HIDRAOL H D 46

HIDRAOL H D 150

10.8 1

Rezervoar osigurava potrebnu koliEinu hidraulitkog ulja za normalan rad hidraulitkog sustava, omogutava kondicioniranje hidrauliEkog ulja prirodnom izmjenom topline, u njemu se taloZe krute Eestice neEistoCa i vode te izdvajaju plinovi iz hidraulitkog ulja - sve to bez posljedica za sustav. Osim tih funkcija, rezervoar se koristi i za smjeStaj pojedinih elemenata hidraulitkog sustava (crpka, uljni filtar itd.). Rezervoar se dimenzionira prema zahtjevima tipa i konstrukcije postrojenja na kojemu je ugraden hidraulitki sustav, protoku hidraulitke crpke te natinu hladenja hidraulitkog ulja. Za hidraulitke sustave s prirodnirn hladenjem ulja volumen rezervoara se dimenzionira prema jednadzbi:

gdje je: Vr [dm3] - volumen rezervoara, z - koeficijent optoka (tdblica 8.1) i Q, [Umin] - prqtok crpkc.

-

-15

N,II)OUW,~CI: lndcks viskcrzm,sti jc oznaka za prikaz ponaganja viskoznosri ulja u odnosu prcma promjeni temperature. Vrijednost indeksa viskoznosti ovisi o porijeklu i nafinu prerade sirovina. Kvalitetnija su ulja s viSim vrijednostima indeksa viskoznosti. Promjenom temperature kod njih se viskoznost manje mijenja.

Kod mobilnih uredaja volumen rezervoara definira se d odnosu prema ukupnom volumenu svih ugradenih cilindara V,. KoliEina topline koju rezervoar moZe primiti, odnosno predati okolini, ovisi o njegovoj masi, kolitini ulja, razlici temperatura te smjeStaju rezervoara. Zbog velike povrSine stijenki rezervoara, omogukeno je prirodno hladenje ulja i odrZavanje potrebne temperature. Ugradnjom pregrada i rebara, pospjeSuje se odvodenje topline. Rezervoar je najpogodnije mjesto za odlaganje (taloZenje) krutih Eestica koje struja hidraulitkog ulja nosi jer se pri EiSCenju rezervoara n~ogulako izdvojiti. Taloienje krutih Eestica, kao i vode iz hidrauliEkog ulja, osigurava se izborom oblika rezervoara, njegove visine i naginjanjem dna te ugradnjom magnetskih hvatata.


118

Uredaji z a kondicioniranje

Tablica 8.1. Koeficijent optoka

Vrsta uredaja mobilni uredaji

Volumen rezervoara [dm3] 1.5 V,

Minimalna kolitina ulja prema najvekem volumenu 0.5 V,

Koeficijent optoka Z

-

c.5

stacionarna postrojcnja s iskljufcnjem crpke u radnom hodu

3 QP

0.5 V,

c.33

s rasteretenjem crpke

4do50,

2 d o 3 V,

c.25

trajan rad s intenzivnim zagrijavanjem

4 do 10 Q,

c.17

Rezervoar je jedino mjesto u hidrauliEkom sustavu gdje se izdvajanje plinova iz hidraulitkog ulja moZe izvesti bez posljedica na rad sustava. Poznato je da izdvajanju plinova iz tekukina pogoduje smanjenje tlaka i promjena temperature. Rezervoar smiruje strujanje hidraulitkog ulja Sto pogoduje lakSem izdvajanju zraka i krutih Eestica. Smirivanje struje se pospjeSuje odgovarajukim razmjeStajem slivnih kanala te postavljanjem prepreka. ~onstrukcijskioblikrezervoara ovisi o funkciji koju on obavlja u hidrauliEkom sustavu. Ako rezervoar sluii kao posuda za akumuliranje hidrauliEkog ulja, primarno je oblik prilagoditi optimalnim uvjetima hladenja. Ako se na rezervoar moraju smjestiti i neki elementi sustava, tada se, osim uvjeta akumuiiranja i hladenja hidraulitkog ulja, moraju zadovoljiti uvjeti za ugradnju elemenata. Za industrijske hidrauliEke sustave karakteristitna je konstrukcija rezervoara prikazana na sl. 8.1. Konstrukcija je kruta i Evrsta s dovoljno povrSina za ugradnju crpke, pogonskog motora, uljnih filtara te bloka ventila za ograniEenje tlaka i rastereCenje crpke (sl. 8.2). Gornja ploEa je neSto upuStena da se moie lako pokupiti iscurjelo ulje prilikom popravka i odriavanja elemenata na njoj. BoEna strana ima veliki poklopac koji omogutava dobar pristup u unutrasnjost rezervoa-

SI. 8.2. TipiEna konstrukcija crpnog agregata

ra. PokazivaE razine ulja u rezervoaru je smjeSten na vidljivome mjestu. Dno rezervoara je nagnuto i podignuto na odgovarajuku visinu pa je Eep za ispuStanje ulja pristupafan. Nalijevni Eep s uljnim filtrom je smjeSten s gornje strane i na sebi ima odzraEivaE (oduSnik) . TipiEan izgled hidrauliEkog crpnog agregata, gdje rezervoar sluii za smjeStaj komponenata, prikazan je na s1.8.2. Konstrukcija rezervoara ne smije djelovati kao rezonatorska kutija i pojaEavati buku koju normalno stvaraju ugradeni elernenti. Za to se ugraduju odgovarajuki amortizeri i pregrade kako bi se jakost buke smanjila. UnutraSnje povrSine rezervoara mordju biti zaStiCene od korozije. Za to se koriste specijalni kemijski premazi, kemijska zaStita ili se izraduju od nerdajukih materijala.

8.3. Uredaji za hladenje i grijanje Uredaji za hladenje odvode suviSnu toplinsku energiju i tako odriavaju temperaturu hidraulitkog ulja u zadanim granicama. Ta se funkcija tehniEki realizira u sklopu agregata za proizvodnju hidrauliEke energije (crpnog agregata). VeCina crpnih agregata ima tako dimenzioniran rezervoar da se hidraulicko ulje hladi prirodnim putem. Posebni uredaji za hladenje su potroSaEi energije pa se koriste samo kad je to nuino. Tip hladnjaka se bira prema namjeni uredaja, rashladnom sredstvu, ekonomskim razlozima itd. SI. 8.1. Karakteristiena konstrukcija rezelvoara

Hladnjak s vodom koristi vodu kao rashladno sredstvo. Koristi se za veCe kapacitete i kad je upotreba vode ekonomski opravdana. Odlikuju se malom

120


Uredaji za kondicioniranje

dimenzijom, kompaktnom konstrukcijom i dobrim koeficijentom prijenosa topline. TipiEna konstrukcija hladnjaka s vodom prikazana je na s1.8.3.

SI. 8.3. Karakteristitna konstmkcija hladnjaka s vodorn

Hladnjak sa zrakom konstruktivno se izvodi s prisilnom i prirodnom cirkulacijom. Gabariti (dimenzije) tih hladnjaka su znatajno ogranitene. Kod hladnjaka s prisilnom cirkulacijom zraka dimenzije a i pogonski troSkovi su joS veCi (ventilator, pogon ventilatora itd.), koriste se onda kada nema moguhosti da se ugrade hladnjaci s vodom. Ugradnjom hladnjaka u hidrauliEki sustav smanjuje se znaEajno potrebna koliEina hidraulitkog ulja u sustavu te velitina rezervoara. Prepomtuje se ugradnja hladnjaka s vodom gdje god za to postoje mogutnosti. GrijaEi hidraulitkog ulja se primjenjuju pri niskim temperaturama kad su razlike temperature okoline i radne temperature velike pa se ne moZe garantirati odgovarajuCa viskoznost hidraulitkog ulja. HidrauliEko ulje se zagrijava u grijaEu prije puStanja hidraulitkog sustava u rad. GrijaEi su najEeSCe elektritni izmjenjivaEi topline. SmjeSteni su u rezervoar, a postignuta se temperatura provjerava odgovarajuCim mjerilima.

a

b

SI. 8.4. KaraMeristiEne konstmkcije uljnih filtara za tlatni (a) i usisni vod (b): 1 tijelo:2 - element (ulotak) filtra, 3 - cilindriEna posuda, 4 - poklopac

-

- uljni filtri postavljeni u tlatni vod moraju biti dimenzionirani za maksimalnu vrijednost tlaka u sustavu, - uljni filtri moraju biti ugradeni na pogodno mjesto u instalaciji, tako da se mogu lako demontirati pri zamjeni elementa filtra ili EiHCenju, - obavezno se mora predvidjeti zaStita uljnog filtra od preopterefenja koja mogu

nastati zbog hidraulitkih udara ili naglog poviSenja tlaka u sustavu, pa se zato uljni filtri EeSCe ugraduju u povratnom vodu gdje je tlak niZi a rizici od preopteredenja mnogo manji, - postavljanje uljnih filtara u usisni vod poveCava pad tlaka u njemu i mote ugroziti rad crpke pa se to koristi samo kad je prijeko potrebno, obavezno treba ugraditi u:jni filtar na nalijevnom Eepu rezervoara te odgovarajuCi filtar za zrak na oduSku rezervoara. Karakteristitna mjesta ugradnje uljnih filtara u hidraulitkom sustavu prikazana su na s1.8.5. MoguCa je serijskaTparalelna ugradnja uljnog filtra. Kod serijske

-

8.4. Uljni filtri Uljni filtri izdvajaju Evrste mehanitke netistote zadanih dimenzija iz struje hidraulitkog ulja. Element uljnog filtra (s1.8.4) ima na sebi velik broj prototnih otvora koji su manjih dimenzija od Eestica koje se moraju izdvojiti iz tekutine. TipiEna konstrukciji uljnog filtra prikazana je na s1.8.4. Tijeld uljhog filtra je izvedeno u obliku cilindra u kojem je smjeSten element uljnog filtra. HidrauliEko ulje struji oko elementa filtra i proEiSCava se prolaskom u njegovu unutraSnjost. NeEistoCe ostaju na.vanjskoj povrSini elementa uljnog filtra i skupljaju se u cilindriEnom tijelu. Uljni filtri Eesto imaju indikatore koji pokazuju stupanj oneEiSCenja elementa filtra.

8.4.1. Mjesto ugradnje uljnih filtara Pri ugradnji uljnih filtara u hidrauliEki sustav mora se brinuti o ovom: u hidrauliEkom sustavu,

- r~ljnifiltar je ohavezan elcment

SI. 8.5. Mjesto ugradnje filtra u hidraulitkom sustavu: a - u usisnom vodu, b - u tlatnom vodu, c u povratnom vodu

-


122

ugradnje protiSCava se sve ulje koje optjete (cirkulira) kroz sustav a kod paralelne samo jedan dio. Za potpuno EiSCenje hidraulitkog ulja optimalna je ugradnja uljnog filtra na nalijevnom Eepu, usisnom, tlatnom i u povratnom vodu. Pri serijskoj ugradnji uljnog filtra mora se voditi briga o tome da kroz njega mora proti sve ulje koje crpka tlaEi te da se zbog njegova oneEiSCenja protok smanjuje. Da ne bi zakazao hidraulitki sustav zbog oneEiSCenog elernenta uljnog filtra, paralelno s njim ugraquje se jednosmjerni ventil. Protjecanje hidraulitkog ulja kroz uljni filtar mora b ~ t ijednosmjerno i ravnomjerno. Tako se osigurava zadriavanje neEistoCa na elementu uljnog filtra, kao i na konstruktivnom dijelu koji sluii za skupljanje netistoke. Element uljnog filtra zahtijeva redovitu kontrolu i zamjenu, odnosno EiSCenje. U suvremenim hidrauliEkirn instalacijama elementi filtra se zamjenjuju. Za kontrolu razine onefiStcnja elcrilerlta uljnog filtra koriste se uredaji koji rade na principu poviSenja tlaka ili registriraju protjecanje kroz paralelno spojene protocne kanale (s1.8.6).


znaEi da je u hidrauliEkom ulju ispred filtra deset puta viSe Eestica veliEine 30 pm, nego iza filtra. Eksperimenti pokazuju da je strujanje kroz elemente filtra laminarno. Brzina protjecanja je ovisna o viskoznosti hidraulitkog ulja, padu tlaka, stupnju oneEiSCenja, konstrukcijskim znatajkama (karakteristikama) i radnoj t!yperaturi. Filtar je dimenzioniran'za ddredenu veliEinu protoka. Zbog nakupljanja Cvrstih neEistoCa u protoCnim kanalima elernenta filtra smanjuje se veliEina protoEnih otvora i hidraulitki otpori protjecanja rastu, a to se manifestira poveCanjern razlike tlaka na ulazu i izlazu. Normalne vrijednosti pada tlaka na Eistom uljnom filtru rijetko prelaze 0.1 bar, na neEistom filtru pad tlaka je viSestruko veCi. Tako se pad tlaka koristi za indikaciju oneEiSCenja filtra. Tablica 8.2. Pregled [SO-klasa onetiicenja prema IS0 4406

Oznaka klase

SI.8.6. lndikacija zaprljanja filtra: a - paralelno protjecanje kroz jednosmjerni ventil, b - indikacija pada tlaka na uljnom filtru, c - paralelni spoj filtra i tlatnog prekidata, d - kornbinirani spoj a i c, e 1 kombinirani spoj a, b i c

Povi~enjetlaka na elementu uljnog filtra nastaje zbog zaEepljenja protoEnih kanala kad se oni napune nakupljenom netistotom. Postoje konstrukcije uljnih filtara kod kojih se signal o oneEiSCenom elementu filtra prenosi elektritnim putem. 8.4.2. Osnovne karakteristike uljnih filtara Karakteristike uljnih filtara odreduju se ovim velitinama:

'- finoCom filtriranja, - kolitinom izdvojenih Evrstih Eestica, - protokom i brzinom strujanja hidrauliEkog ulja,

- padom tlaka na filtru.

Pojmom finoda filtriranja oznahva se sposobnost filtra da zadrZi krute Eestice zadanih velitina. Finoda filtriranja se izrafava u pm. Definira se apsolutna i nominalna finoCa filtriranja. Apsolutna finoCa filtriranja odgovara veliEini najveCe neEistoke u obliku kugle koja moie proti kroz otvore filtra a nominalna finoda oznaEava veliEine Eestica Eiji je stupanj zadrtavanja u granicama 50 do 95%. ToEan odnos izmedu apsolutne i nominalne vrijednosti finoCe filtriranja deklariraju proizvodaEi i o toj vrijednosti ovisi kvaliteta i cijena filtra. KoliEina izdvojenih Evrstih Eestica definirana je stupnjem filtracije i izraZava se velitinom tzv. beta faktora - 0,. Njegova velitina oznaEava odnos broja Eestica odredene velitine u hidraulitkom ulju prije i poslije filtriranja. Na primjer, bo= 10

123

Broj festica u 10 ml ulja do 5 urn

do 15 um


124 Tabkca 8.3 Klas~f~kacija stupnja Elstoce prema NAS-1638

Vel~EinaEestlca p n I broj festica

Klasa 5-15

00 0

125 250 500 1000 2000 4000 8000 16 000 32 000 64 000 128 000 256 000 512 000 1024000

1 2 3 4

5 6 7 8 9 10 11 12

15-25

25 - 50

50 - 100

100

22

4 8 16 32 63 126 253 508 1012 2 025 4 050 8 100 16 200 32 400

1 2 3 6 16 22 45

0 0 1 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024

44

89 178 356 712 1425 2 850 5 700 11 400 22 800 45 600 91 200' 182000

90 180 360 720 1140 2880 5 760

Tablica 8.4. Ovisnost tipa hidraulitkog sustava i klase CistoCe hidrauliCkog ulja

Klase EistoCe ulja CETOP RP 70

FinoCa filtriranja xu kod

NAS 1638

5 pm

15 pm

>5pm

>15pm

13

9

12

11

4 ili 5 6 ili 7

3 ili 4 5 ili 6

ili

ili

9

8

7

, 18

19

21

14

15

17

9

8

ili 10 10 ili 11 12

ili 9 9

p* r 100 3

3-5

5-10

10 - 20 15 - 25

ili 10 11

Vrsta hidraulifkog sustava

20-40

hidraulifki sustavi u laboratorijima i zrakoplovima visokwpterekni regulacijski sustavi u podrufju visokih tlakova primijenjeni na zrakoplovima, robotima i alatnim strojevima hidraulifki sustavi u industriji gdjege zahtijeva visoka powdanost te dugi vijek trajanja hidraulitki sustavi opCe namjene te sustavi u rnobilnoj tehnici sustavi u teSkoj industriji ili sustavi ograniknog vijeka trajanja , hidraulifki sustavi niskog tlaka s velikim zrafnostima


125

Klasa EistoCe hidrauliEkog ulja definira dopuSteni broj Ecstica odrcdene veliEine u uzorku ulja zadanog volumena. U praksi se koristc razliEiti standardi. Standardom I S 0 4406 definiran je dopuSteni broj Eestica velifine 5 i 15 ym u uzorku ulja 10 ml. Klase filtriranja veliEine Eestica 5 pm oznatene su brojevima 11, 13, 15, 16, 18, 19 i 20, a klase filtriranja velifine Eestice 15 ym brojevirna 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 i 17. U tablici 8.2 pregled je granica broja Eestica za I S 0 klase EistoCe 20117 do 1118 u uzorku ulja 10 ml. Standard NAS 1638 definira 14 klasa EistoCe u odnosu prema broju Eestica 5-15, 15-25, 25-50, 50-100 i vise od 100 ym u uzorku ulja veliEine 100 cd (tablica 8.3). Pri izboru filtra treba paziti da veCa vrijednost B-faktora pokazuje viSi stupanj izdvajanja Evrstih hstica iz hidrauliEkog ulja. FinoCa filtriranja x obitno se bira na osnovi veliEina zraEnosti u hidrauliEkom sustavu. Ci~CenjehidrauliEkog ulja ima cijenu Eija visina odreduje troSkove eksploatacije i odrfavanja hidraulitkog sustava. U tablici 8.4. pregled je ovisnosti tipa hidrauliEkog sustava i klase EistoCe hidrauliEkog ulja prema CETOP RP 70 i NAS 1638 za B, 2 100.

Hidraulitki vodovi

127

Tablica 9.2. Nazivni

NP 4 NP 6 NP 8 NP 10 NP 16 NP 20 NP 25 NP 32 NP 50

9. HidrauliCki vodovi 9.1. Uvod Za prijenos hidrauliEke energije koriste se hidrauliEki vodovi (cjevovodi, savitljivi cjevovodi, protoEni otvori ili specijalno oblikovani protoEni kanali). Otkaz elementa za prijcnos IlitlrauliEkc cncrgijc izaziva otkirz hidraulifkog sustava. U ovom Cemo poglavlju analizirati konstrukcijska rjeSenja hidraulickih vodova i elemenata za prijenos hidrauliEke energije te naEine prikljutivanja hidrauliEkih komponenata u sustav.

9.2. Osnovne karakteristike hidrauliEkih vodova Dimenzije protoEnog otvora hidrauliekih vodova, kao i njihov oblik, znaEajno utjeEu na veliEinu gubitaka hidrauliEke energije u hidrauliEkom sustavu. Promjer protoEnog otvora hidrauliEkog voda ovisi o protoku i tlaku te dopuStene brzine strujanja u sustavu. Brzina strujanja je ogranieena s obzirom na gubitke u cjevovodu. U tablici 9.1. prikazane su vrijednosti za dopuStene brzine strujanja. Tablica 9.1. Brzine strujanja

HidrauliEki vod

usisni vodovi tlaEni vodovi

u hidraulitkim vodovima

Vrijednost tlaka u vodu

DopuStena brzina manja od 1.5 d s

za tlakove od 50 bara

4.0 d s

50 do 100 bara 100 do 200 bara 200 do 300 bara 300 do 400 bara

4,5 Ids

povratni vodovi

5,5 d s 6,O d s 6,5 Ids 2,O d s

Promjer protoEnog otvora hidraulitkih vodova odreduje se rarunski na osnovi zadane veliEine protoka, brzine strujanja i pada tlaka.

prototni otvori

Q = 4.5 Q = 10 Q = 18 Q = 30 'Q=:70

b = 120

Q = 180

Q = 250 Q = 630

IJmin

Umin Umin Umin Umin Umin Umin Umin Umin

(vrlo rijctko u upotrcbi)

(vrlo rijetko u upotrebi)

(specijalne namjene)

Z a odrcdivanjc p r o ~ ~ ~ j pro1uEuog cra otvora Ilidraulifkih vodove izradcni su nomogrami (prilog A, sl. A-5). Nazivni protoEni otvori hidraulitkih komponenata su standardizirani (JUS L.Nl.028). U tablici 9.2. navedene su vrijednosti veliEina protoEnih otvora hidrauliEkih komponenata koje se. proizvode, kao i vrijednost maksimalnog protoka koji se moZe dobiti pri brzini strujanja od 6.mls i tlaku 200 bara. Navedene vrijednosti protoka dobivene su raEunski i imaju informativni karakter. Podaci o veliEini maksimalnog protoka za svaku su hidrauliEku komponentu navedeni u katalogu tehniEkih karakteristika. Promjer hidrauliEkog voda mora odgovarati nazivnom protoEnom otvoru ugradenih hidraulizkih komponenata u sustav. UobiEajeni naEini povezivanja elemenata hidrauliekog sustava jesu: - prikljuEivanje na cijevni vod. - prikljuEivanje na prikljutnu ploEu, - prikljutivanje u blok (sendviE prikljufivanje).

9.3. Kruti metalni cjevovodi Za prijenos hidraulitke energije najEeSCe se koriste beSavne Eelitne cijevi izradene prema standardima: JUS V.B.5.230 od Eelika E.1330, ili prema DIN 2391 od Eelika St.35.4 BWK. One moraju biti valjane i vuEene da bi se dobila odgovarajuCa kvaliteta obrade povrSina i s atestom o ispitivanju na tlak. Svojstva bakrenih i aluminijskih cijevi za hidrauliEke sustave definirana su standardom DIN 1754. Nazivni otvor cijevi za hidraulitke sustave odgovora nazivnim protoEnim otvorirna (JUS L.Nl.028). Dcbljina stijenke cijevi odreduje se prcma iskustvenoni obrascu:

I -

gdje je: d [m] - promjer protoEnog otvora, Q [m3/s] - protok, v [rnls] - brzina strujanja.

gdje je: So [mm] p [bar] ds [mm] bk [~/m']s

-

debljina stijenke cijevi, tlak u cijevi, vanjski promjer cijevi, dopuSteno naprezanje materijala cijevi, koeficijent sigurnosti (prosjetna vrijednost mu je 2).

128


Za odredivanje debljine zida cijevi izradeni su nornogrami (prilog A , s1.A-6). Cjevovod se oblikuje specijalnim alatima. Iskustvene norme za radijuse savijanja EeliEnih cijevi jesu: - za promjere do 4 = 18 mm radijus savijanja r, je (2 do 2.5) 4, - za promjere veCe od d, = 18 mm radijus savijanja r, je (2.5 do 3 ) d,. HidrauliEki metalni vodovi su veoma osjetljivi na oscilacije koje se javljaju zbog oscilacija tlaka, hidrauliEkih udara i neravnomjernog protjecanja hidrauliEkog ulja. Posljedica tih vibracija je zamor materijala i otkaz hidrauliEkog voda. Amplituda i frekvencija vibracija cjevovoda se moie znaEajno srnanjiti pravilnim izborom raspona oslonaca Sto je vrlo vaino kod dugih hidraulitkih vodova (duljih od jednoga rnetra). Krajevi cijevi se zavrSavaju prikljutcima koji sluie za povezivanje s elernentima hidraulitkog sustava. Izlazni dio prikljucka se zavrSava narezom (JUS L.Nl.027). Cijev s prikljuEkom se moie spojiti na kornponentu hidrau1iEkog sustava (razvodnik, ventil, itd.), prikljutnu ploEu elernenta te prikljuEni element. PrikljuEak na kraju cijevi je konstrukcijski tako izveden da se u toku eksploatacije hidrauliEkog sustava moie nesmetano obaviti demontaia i montaia pojedinih kornponenata sustava te dijelova cjevovoda. Za spajanje hidrauliEkih vodova velikih promjera (NP 50 i vise) koriste se prirubnice. NajkSCe se koriste prikljuki s narezom. KarakteristiEni oblici su prikazani na s1.9.1. Zavareni prikljuEak (s1.9.ld i b) primjenjuje se za sustave koji se proimode u velikim serijima. Pertlovani prikljuEak (s1.9.le i f ) pogodan je za prikljuEivanje cijevi od obojenih metala.

129

HidrauliEki vodovi

PrikljuEivanja pomoCu reznog prstena (s1.9. l a i c) odlikuje se jednostavnoSCu. Cijevi tako spojene lako se demontiraju i montiraju, pa se postupci remonta hidrauliEkog sustava znaEajno pojednostavnjuju.

9.4. Elementi armature hidrauliEke instalacije Ugradnjom prikljutka koji se zavrSava narezom na kraju cijevi, cijev je spremna za ugradnju u hidraulitku instalaciju. Da bi se omoguCi10 spajanje komponenata hidrauliEkog sustava, razvijen je niz elemenata: spojnice, rafve, koljena, proSirenja ili suienja (s1.9.2).

P 9.2

i\rmaturni elernenti

&

Nazivni protoEni otvori, prikljuEni narezi, kao i radni tlakovi tih elemenata odgovaraju standardima JUS L.Nl.028 i JUS L.Nl.27.

9.5. Savitljivi cjevovodi

SI. 9.1. Karakteristifne konstrukcije prikljueaka: a i c - usjeEni prslen, b i d - zavareni prikljueak, e i f - pertlovani prikljutak

Savitljivi cjevovodi su mnuino zlo<
130


Nazivni prototni otvori savitljivih cjevovoda odgovaraju standardu JUS L.Nl.028. Nazivni protoEni otvor izabire se na osnovi zadanog protoka, radnog tlaka i dopuStene brzine strujanja. Za praktiEne proraEune postoje nomogrami (prilog A, s1.A-7). Krajevi savitljivih cjevovoda zavrSavaju prikljuEkom s narezom (odgovara standardu JUS L.Nl.27) kojim se izvodi njihovo spajanje u hidrauliCku instalaciju. Savitljivi vodovi se izraduju i biraju za odredene protoke, radne tlakove i temperature te radne tekutine. Velika se palnja mora posvetiti pravilnoj ugradnji savitljivih cijevi (s1.9.3).

S1. 9.3. Ugradnja savitljivih cjevovoda

Nepravilno ugsadcna savitljiva cijcv nijc pouzdana i vijck trajanja joj je viSestruko kraCi.

9.6. SendviE ugradnja elemenata hidrauliEkog sustava Za modularno i kompaktno gradenje hidraulitkih pogona koristi se lanEano , spajanje hidrauliEkih komponenti. HidrauliEka se energija prenosi kroz buSene otvore spojnih ploEa, na koje se prikljutuju komponente sustava Sto se mogu povezati u horizontalni ili vertikalni lanac. Jedan takav blok rjeSava niz funkcija: zajedniEko napajanje, upravljanje hidrauliEkom energijom, koncentraciju upravljaEkih komponenata, smanjenje duljine cjevovoda te kompaktnost uredaja.

Sl. 9.4. SendviE ugradnja elemenala hidraulifkog sustava

10. Hidraulieki pogoni 10.1. Uvod U ovome Cemo poglavlju analizirati karakteristltne hidrauliEke sheme osnovnih hidraulifkih pogona s priguSnim i volurnenskim upravljanjem hidrauliEke energije i potrebni konstrukcijski zahtjevi koji se moraju ispuniti da bi se osigurao njihov ekonomiEni i pouzdani rad u toku eksploatacije (koriStenja). Analizirat Cemo tipifne hidrauliEke sheme pogona s: - upravljanjem brzine izvrSnih motora, i. - upravljanjem tlakom, - sinhronizacijom gibanja izvrSnih mdora, - akumuliranjem hidrauliEke edergije, - hidraulifki crpni agregati.

10.2. Osnovni konstrukcijski zahtjevi Konstrukcija hidrauliEkog pogona mora osigurati njegovu ekonomifnost, visoka eksploatacijska svojstva, siguran rad, pouzdanost u radu i zahtjevani vijek trajanja. To se postiie ispunjavanjem ovih konstrukcijskih zahtjeva: 1. Gubici tlaka zbog prijenosa hidrauliEke energije moraju biti minimalni. Cjevovodi i protoEni kanali moraju imati minimalnu duljinu, potrebni presjek i kvalitetu obrade. Kvaliteta obrade,protoEnih kanala mora biti takva da se gubici trenja svedu na najmanju moguCu mjeru. 2. Dobre eksploatacijske karakteristike hidraulitkog pogona znaEe ravnomjeran rad hidrornotora, odsutnost vibracija, rad bez kavitacije, hidraulickih udara i velike buke. Sve to, u pravilu, ovisi o pravilnom radu ventila za ograaiEenje tlaka, pravilnog izbora hidrauliEkih crpki i rnotora. Osim toga, u hidrauliEkom sustavu nisu dopuStena Stetna medusobna medudjelovanja (interakcije) komponenata, naroEito se to odnosi na ,hidrauliEke motore koji moraju raditi istovremeno. 3. HidrauliEki pogon mora biti osiguran od preopteretenja, osobito kljuEne i skupe komponente sustava (hidromotori i crpke). T o se postile izborom ventila za ograniEenje tlaka i njihovom ugradnjom neposredno iza mjesta moguCih preopteredenja ili do kljuEnih elewenata. HidrauliEki cilindri ili hidromotori, predvideni 'za nogenje velikih tereta, moraju biti hidrauliEki osigurani od ostetenja (ventilima za blokiranje, hidrauliEkim zamkama ili IogiEkim sklopovima). 4. HidrauliEki pogon mora biti tako izveden da moguCnost pogreSnog ukljuEivanja i aktiviranja bude potpuno iskljufena. To se narofito odnosi na sustave koji bi mogli ugroziti neposrednog korisnika. 5. Buka koju stvara hidrauliEki pogon u toku rada ograniEena je i mora biti rnanja od zakonski dopulteqih vrijednosti. U toku eksploatacije hidrauliEkog sustava ona se ne smije poveCavati..

132


HidrauliEki pogoni

6. Stabilnost rada hidraulitkih pogona ovisi i o viskoznosti hidrauliEkog ulja, a viskoznost je pak u funkciji temperature. Odrianje zadane radne temperature postiie se izborom veliEine volumena rezervoara, odnosno ugradnjom uredaja za kondicioniranje. 7. Pouzdanost i radni vijek hidraulitkog pogona ovise o EistoCi hidraulitkog ulja. Hidraulitki pogon obavezno mora imati potrebne uljne filtre koji mogu odriati zadanu EistoCu hidrauliEkog ulja tijekom eksploatacije. 8. Dimenzije, kao i radne znatajke svakag elementa koji se ugraduje u hidrauliEki pogon, moraju potpuno odgovarati tlakom i protokom na mjestu gdje su ugradeni. To se postiZe pailjivim izborom komponenata sustava. 9. Hldraulitko ulje mora irnati odgovarajute fizifko-kemijske karakteristike i mora biti dostupno na triiStu za sve vrijeme eksploatacije hidrauliEkog sustava. Cijena ulja mora biti pristupatna. 10. Hidraulitki pogon mora imati uredaje za kontrolu vrijednosti kljutnih znaEajki. To.su: tlakomjeri za kontrolu tlaka, termometri za kontrolu temperature hidraulitkog ulja, pokazivat razine ulja u rezervoaru te pokazivaE oneEiSCenja uljnog filtra.

10.3. Osnovni hidraulitki pogoni Upravljanje hidraulitkom energijom moZe biti prigusno i volumensko. Upravljanje prigugivanjem struje hidraulitkog ulja j e jednostavno, ali se velik dio hidrauliEke energije gubi pretvaranjem u toplinu tijekom procesa prigusivanja. Pri volumenskom upravljanju l#idrauliCkom se energijom upravlja na ratun promjene radnog volumena crpke, pa hidromotor dobiva onoliko hidrauliEke energije koliko je potrebno i gubici energije su manji. KarakteristiEna su dva (s1.10.1) osnovna tipa hidraulitkih pogona: - s otvorenim optokom, (cirkulacijom) - zatvorenim optokom hidraulitkog ulja 10.3.1. HidrauliEki pogoni s otvorenim optokom

HidrauliEki pogon prikazan na sl.lO.la sastoji se od: crpke konstantnog radnog volumena, jednosmjernog ventila, ventila za ogranitenje tlaka, akumulatora, elektromagnetskog razvodnika 413, hidraulitkog cilindra te uljnog filtra s jednosmjernim ventilom. Elementi hidraulitkog sustava povezani su hidraulitkim vodovima. HidrauliEko ulje )>kruiic(optjeEe) kroz sustav uvijek u istom smjeru od rezervoara preko crpke, razvodnika i izvrSnog hidrocilindra, ponovo preko razvodnika i preko uljnog filtra natrag u rezervoar. Ovi se sustavi nazivaju sustavi s otvorenirn optokorn. * : I HidrauliEki pogon prikazan na sl.lO.la radi ovako: pumpa usisava hidraulitko ulje iz rezervoara i tlaEi ga preko razvodnika 413 prema hidraulitkom cilindru. Razvodnik ima Eetiri prikljutka i tri radna poloiaja (413). On hidrauliEki spaja radne komore hidrauliEkog cilindra s crpkom i rezervoarom. Prebacivanjem klipa razvodnika u odabrani radni poloZaj obavlja se izvlaEenje i uvlatenje klipnjate te njezino zaustavljanje. VeliEina tlaka u hidrauliEkoj instalaciji ogranitena je ventilom za ograniEenje tlaka. On Ce se otvoriti kad tlak u instalaciji preraste postavljenu vrijednost.

St. 10.1. HidrauliEka shema sustava s otvorenim (a) i zatvorenim (b) optokom ulja

Otvaranjem ventila obavlja se kratko spajanje s rezervoarom i u instalaciji se naglo snizi tlak. Tako se Stiti hidraulitki pogon od preopterekenja. Trenutna vrijednost tlaka u sustavu je funkcija vanjskog opterekenja na klipnjaEi cilindra i trenutne vrijednosti svih otpora. Ugradeni hidrauliEki akumulator skuplja hidraulitku energiju u momentu kad je razvodnik u nultom poloiaju. HidrauliEko ulje u povratnom vodu prolazi kroz filtar prije ulaska u rezervoar. Ako je filtar zaEepljen ili je znatno oteZano protjecanje kroz njega, otvara se paralelno prikljuteni jednosmjerni ventil i sustav nastavlja radom, ali bez filtriranja ulja (Sto se na odgovarajudi naEin signalizira). 10.3.2. HidrauliEki pogonl sa xatvorenim optokom

HidrauliEki pogon prikazan na sl.lO.lb sastoji se od: crpke promjenljivog radnog volumena, hidraulitkog motora konstantnog radnog volumena, hidraulitkog sustava za dopunjavanje uljem te ventila za ogranitenje tlaka. Hidraulieko ulje optjeEe (cirkulira) kroz sustav u zatvorenom krugu izmedu crpke i hidromotora (~zatvorenihidraulieki sustavu). Sustav kontinuirano dopunjuje hidraulisim uljem pomoCni hidrauliEki sustav. On se sastoji od crpke konstantnog radnog volumena i relativno malog protoka, ventila ea ograniknje tlaka te dva jednosmjerna ventila.

134

Hidraulikd i pneumatika

HidrauliEki motor je reverzibilan. Uloga lijevog i desnog voda protjecanja naizmjeniEno se mijenja. Kad je jedan vod tlatni (viSi tlak), drugi je povratni (ni2i tlak). Izmedu njih postoji znaEajna razlika tlaka. Ventili za ograniEenje tlaka postavljeni izmedu tih dvaju vodova rasteretuju se uvijek u povratni vod. ZahvaljujuCi razlititim vrijednostima tlaka u t l a h o m i povratnom vodu, mog u k je preko jednosmjernih ventila puniti sustav hidrauliEkim uljem kroz povratni vod (niZi tlak). Radni tlak u pomoCnom hidrauliEkom sustavu (sustav za dopunu uljem) limitiran je ventilom t a ograniEenje tlaka na vrijednost neSto veCu od tlaka u povratnom vodu (dovoljan za otvaranje jednosmjernog ventila). Tlak u tlaEnom vodu je mnogo veCi od tlaka u pornoCnom sustavu i neCe dopustiti otvaranje jednosmjernog ventila. HidrauliEki sustav prikazan na sl.lO.lb radi ovako: crpka konstantnog radnog volumena pomoCnog hidraulitkog sustava za punjenje usisava ulje iz rezervoara i preko jednosmjernih ventila puni osnovni sustav. Crpka se pogoni istovremeno crpkom promjenljivog radnog volumena. Crpka promjenljivog radnog volumena tlati ulje prema hidromotoru gdje se dovedena hidrauliEka energija pretvara u mehaniEku. Iz hidromotora se hidrauliEko ulje ponovo vraCa na ulaz hidrauliEke crpke. Promjenom radnog volurnena crpke mijenja se veliEina protoka u hidromotor, pa se mijenja i njegov broj okretaja. Promjenom smjera tlaEenja ulja iz crpke mijenja se smjer rotacije vratila hidromotora. Upravljanje hidrauliEkom energijom je volumensko. HidrauliEka crpka daje onoliko hidrauliEke energije koliko je u tom trenutku potrebno hidromotoru za obavljanje zadanog rada. Dio h i d r a u l i ~ k oulja ~ koji se izgubi kroz konstrukcijske zraEnosti crpke i motora kontinuirano nadoknaduje crpka konstantnog radnog volumena preko jednosmjernih ventila u povratni vod sustava. Ako nastupi porast tlaka viSi od dopuStene vrijednosti u tlatnom vodu sustava, otvara se ventil za ograniEenje tlaka i rasteretuje ga, kratko ga spajajuki s povratnim vodom.

HidrauliEki pogoni

135

SI. 10.2. Upravljanje brzinom hidraulitkog cilindra pomodu crpke promjenqivog radnog volumena

10.4. Upravljanje brzine izvrSnih hidromotora Upravljanje brzine izvrSnog motora moguCe je izvesti volumenskim i priguinim upravljanjem. U biti, upravljanje brzinom izvrSnih motora znaEi upravljanje protokom koji se u njih dovodi. Volumensko upravljanje brzinom realizira se hidraulifkom crpkom promjenljivog radnog volumena (s1.10.2). Protokom crpke promjenljivog radnog volumena mote se upravljati (poglavlje 3.6): - tiakom u sustavu, - potrebnim protokom u sustavu, - snagom. Reguliranje brzine crpkom promjenljivog radnog volumena u sustav se dozira onoliko hidrauliEke energije koliko je nuino za obavljanje korisnog rada. Takvi sustavi irnaju mnogo bolji koeficijent korisnog djelovanja od priguinih, ali i viSu cijenu zbog sloienosti crpke prornjenljivog radnog volurnena. HidrauliEki pogon prikazan na s1.10.3. omoguCava izbor sedam vrijednosti protoka, odnosno sedam brzina na hidrocilindru (tablica na s1.10.3). Ugradene

.-.-.

-.-

-

-

SI. 10.3. HidrauliEki pogon sa stupnjevitom promjenom brzine

hidrauliEke crpke imaju razlitite protoke. Ovakvi se sustavi obitno izraduju sa zupEastim crpkama Eija je cijena pristupatna. PriguSno upravljanje brzinom izvrSnog hidromotora izvodi se priguSnikom i regulatorom protoka te proporcionalnih razvodnika ili razvodnika sa servodjelovanjem (poglavlje 11). KarakteristiEne hidraulicke sheme hidraulitkog pogona s priguSnim upravljanjem brzinom izvrSnog hidromotora prikazane su na s1.10.4. Osnovni element

Hidraulika i pneumdtika

136

kojim se izvodi prigu~ivanjeje priguSnik protoka koji sc prikljufuje serijski ili paralelno s izvrSnim hidromotorom. PriguSnik se moie postaviti ispred ili iza razvodnika, neposredno na ulazu u hidrocilindar (hidromotor). Serijski ugradeni priguSnici (sl. 10.4a) djeluju tako da se dovedena hidrauliEka energija priguSuje i propuSta u hidromotor a ostatak se vprelijevacc (odvodi) preko ventila za ograniEenje tlaka. TOje svakako nepovoljno jer izaziva porast temperature hidraulizkog ulja. Maksimalna brzina na hidromotoru postiie se kod potpuno otvorenog priguSnika a minimalna njegovim zatvaranjem. PriguSnik postavljen u povratni vod odriava vrijednost tlaka u povratnom vodu pa sustav radi protutlakom. To moZe biti povoljno za neke tipove hidromotora (klipno-radijalni i klipno-aksijalni) ili kod rada s drianjem tereta. Paralelno ugradeni priguSnik (s1.10.4b) priguSuje protok ulja koji se vodi paralelno s izvrSnim hidromotorom. Kod potpuno otvorenog priguSnika hidrauliEki motor ima najmanju brzinu a hidraulitka crpka radi minimalnom snagom. Maksimalna brzina se postiZe potpunim zatvaranjem priguSnika. PoveCanjem priguSenja na prigu3niku, raste tlak i snaga potroSena na hidrauIiEkoj crpki. Tlak na hidrauliEkoj crpki je ograniEen vrijednoSCu koja je podeSena na ventilu za ograniEenje tlaka. Paralelnim prikljuEivanjem jednosmjernih ventila i priguSnika protoka (s1.10.4a) moZe se usmjeriti djelovanje priguSnika za jedan smjer protjecanja hidraulitkog ulja. Promjenom jaEine tlaka koji je posljedica promjene vanjskog opteretenja izvrSnog motora, rnijenja se protok na priguSnom otvoru priguSnika (veliEina protoEnog otvora je konstantna) pa se mijenja brzina hidromotora Sto ograniEava primjenu nafina upravljanja.

HidrauliCki pogoni

SI. 10.5. Upravljanjebrzinom pomoCu (a) serijski i (b) paralelno priklju&nog regulatora protoka

Da bi se dobila konstantna brzina izvrSnog motora, nuino je osigurati konstantni protok. On se moZe dobiti ugradnjom dvogranog ili trogranog regulatora protoka (s1.10.5). TlaEna vaga na priguSnom otvoru regulatora protoka odrtava priblifno konstantnu vrijednost razlike tlaka za projektirano podruEje promjena tlaka pa se promjena opterekenja na hidromotoru ne odraZava na veliEinu protoka kroz prigusnik (poglavije 4.5.2). T o znari da brzina ne ovisi o velitini opteretenja. Regulator protoka moie biti postavljen u hidrauligki sustav, kao i priguSnik paralelno (sl. 10.5a) i serijski (sl. 10.5b).

10.5. Upravljanje tlakorn Upravljanje tlakom u hidraulirkom sustavu obavlja se vdntilom za ogranitenje i ventilom za sniZenje tlaka. Ventilom za ograniEenje tlaka odrZava se i limitira

SI. 10.4. PriguSno upravljanje brzinom: a

- paralelna veza priguSnika

- serijska veza prigusnika, b

vrijednost tlaka ispred ventila. Ventilom za sniZenje tlaka se snifava (reducira) tlak iza ventila. Ti se ventiIi mogu aktivirati daljinski hidraulifkirn ili elektritnim signalima. Daljinsko aktiviranje ventila za ogranitenje i snifenje tlaka omogutava da se hidraulifki sustav upravlja po tlaku prerna zadanorn programu. U hidraulickirn pogonima upravljanjem tlakom najEeSfe se realiziraju ove funkcije: - zaStita hidraulifkog pogona od preopteretenja. - ograniEenje tlaka na viSe razina, - snilalanje tlaka, - hidraulifko blokiranje (drian,je izvrSnih hidromotora 11 zadanom poloiaju).


138

HidrauliEki pogoni

139

10.5.1. ZaStita hidrauliEkog pogona od preopterekenja

10.5.3. Sniiavanje tlaka u hidrauliekom sustavu

Tlak u hidrauliEkom sustavu je funkcija opteretenja. PoviSenje tlaka je posljedica povetanja statitkih opteretenja na izvrSnom hidromotoru i dinamiEkih opteretenja zbog djelovanja sila inercije. Za zaStitu hidraulitkog pogona od statitkog poviSenja tlaka, ugraduje se neposredno ispred hidromotora ventil za ogranitenje tlaka koji kratko spaja tlatni vod s povratnim vodom ili rqzervoarom. HidrauliEki pogoni obavezno imaju ugradeni ventil za ograniEenje tlaka na izlazu hidrauliEke crpke koji ograniEava vrijednost radnog tlaka u instalaciji i crpku Stiti od preopteretenja (sl.lO.la). Osiguranje od ))dinamiEkog preopteretenjacc je neSto sloZenije. Porast tlaka u ovom slutaju moie nastati u toku starta i zaustavljanja pogona bilo zbog prebacivanja klipa razvodnika, bilo zbog koEenja izvrSnog hidromotora ili djelovanjem sile na izvrSni motor kada je klip razvodnika u nultom poloiaju. Hidromotor se i u ovom sluEaju zaStiCuje ventilima za ograniEenje tlaka, koji se ugraduju iza razvodnika neposredno do hidromotora. No to najEeSCe nije dovoljno. Amortizacija trenutnih udarnih poviSenja tlaka zbog dinamitkih preopteretenja u hidrauliEkom sustavu izvodi se hidraulickim akumulatorom koji se ugraduje paralelno s izvrSnim hidromotorom (sl.lO.la). Za onemogutavanje negativnog djelovanja zbog Sirenja fronte tlaka prema osjetljivim korr~ponentamahidrauliEkog pogona ugraduju se jednosmjerni ventili. Oni efikasno Stite hidraulitku crpku i redovito se ugraduju iza nje (sl.lO.la). Ventil za ogranitenje tlaka svojim izlaznim prikljuEkom spaja se na povratni vod sustava i na tom dijelu sustava ne smije biti ugradena slavina ili ventil kojim bi se moglo sprijetiti normalno rasteretenje ventila za ograniEenje tlaka.

Na s1.10.7a prikazan je hidrauliEki pogon koji za upravljanje elektrohidraulitkog razvodnika 413 koristi sniieni tlak. Tlak se snizuje ventilima za sniienje tlaka. HidrauliEki pogon prikazan na s1.10.7b radi sa sniienim tlakom u radnom hodu hidrocilindra 2. U povratnom hodu oba se cilindra napajaju pod istim tlakom.

10.5.2. OgraniEenje tlaka na vise razina

OgraniEenje tlaka na vise razina postize se ugradivanjem viSe ventila za ogranitenje tlaka, kao na s1.10.6. NajviSi tlak se dobiva kad je aktiviran jedan elektromagnet, a najniii kad se ukljute svi elektromagneti.

SI. 10.7. Sniiavanje tlaka u sustavu: a - upravljanje razvodnikom, b - sniiavanje tlaka za pogon hidraulitkog cilindra

10.5.4. Zadriavanje izvrHnih rnotora u zadanorn poloraju

@$

SI. 10.6. Oddavanje tlaka na vise razina

Za drianje tereta u zadanom poloiaju potrebno je onemogutiti istjecanje hidraulitkog ulja iz komore u kojoj vlada tlak izazvan optereienjem. Na sl.10.8. prikazan je primjer upotrebe blokirajutih ventila i hidraulitkih zamki za osiguranje zadanog poloZaja klipnjate hidrocilindra. Blokirajuti ventil se hidraulitki aktivira ilakom (s1.10.8a), pri &mu on postaje protofan. Ako je klip razvodnika 413 u neutralnom poloiaju, nema upravljatkog tlaka i blokirajuti ventil djeluje kao nepropusni ventil sa sjediStem. Za dizanje tereta mqra se prebaciti klip razvodnika 413 i usmjeriti hidrauliEko ulje pod tlakom kroz blokirajuti ventil (djeluje kao jednosmjerni ventil) do hidrocilindra. Za spuStanje tereta klip razvodnika 413 se prebacuje u suprotni poloiaj. Blokirajuti ventil se otvara zbog djelovanja tlaka i omogutava odvodenje ulja iz hidrauliEkog cilindra. HidrauliEka zamka ima dva blokirajuta ventila (sl. 10.8b) koji se naizmjeniCno aktiviraju djelovanjem tlaka iz tlaEnog voda i omogutavaju pomicanje klipa hidrocilindra. *


HidrauliEki pogoni

141

SI. 10.9. Sinhronizacija gibanja (a) mehanitka i (b) hidrauliEka

Za ispravan rad blokirajuteg ventila, srediSnji poloiaj klipnog razvodnika 413 mora imati kratko spojene izlazne kanale (s1.10.8) kako bi se onemoguCilo aktiviranje blokirajuteg ventila nakon zatvaranja razvodnika. Izmedu blokirajufeg ventila i izvrSnog motora (hidrocilindra) hidraulitki sustav je krut i osjetljiv na vanjsko preopteretenje. Za osiguranje sustava od vanjskog preopteretenja moraju se ugraditi ventili za ogranitenje tlaka izmedu blokirajuteg ventila i izvrSnog hidromotora (s1.10.8b).

nje osigurava totnu sinhronizaciju, ali kod nesimetritnog preopterefenja mogu nastati problemi. Hidraulitka sinhronizacija se m o b izvesti na nekoliko natina. Najjednostavniji je serijsko povezivanje hidrauliEkih cilindara (s1.10.9b). To se mote prirnijeniti kod hidraulitkih cilindara sa simetritnom klipnjatom (uvjet je jednak volurnen istisnutoga ulja). Problemi nastaju zbog promjene stlativosti ulja i nesimetritnih gubitaka istjecanja. Totnost sinhronizacije je oko 1%. Za rjeSenje problema sinhronizacije preporutuje se rjeSenje s krutim mehanifkim povezivanjem (s1.10.9a) kad dopustaju uvjeti ugradnje ili ugradnja odgovaraju&g proporcionalnog sustava ili servosustava.

10.6. Sinhronizacija gibanja izvrSnih hidromotora

10.7. Uloga hidrauliCkog akumulatora u sustavu

Sinhronizacija gibanja izvdnih hidromotora sloZen je problem i tehnitke mogutnosti za rjeSenje su ograniEene. Problem sinhronizacije je problem simetrjline raspodjele energije i otpora te izjednatavanje potetnih uvjeta na motorima k2ji se sinhroniziraju (trenje: opteretenje itd.). Apsolutna se sinhronizacija ne moZe postiti, pa se u primijenjenim rjetenjima zadovoljavamo totnoSCu sinhronizacije ispod 2%. Najbolja se totnost moie postiti ugradnjom proporcionalnih i elektrohidraulitkih sustava (poglavlje 11) ako je to njihovom cijenom ekonomski opravdano. Sinhronizacija gibanja izvrSnih .hidraulitkih motora rnoie se izvesti: - mehanitki, - hidraulitki. Najjednostavniji je naEin da se ostvari sinhrono gibanje dviju (ili vise) klipnjaEa hidrocilindara da se one rnedusobno mehanitki poveZu (s1.10.9a). Kruto poveziva-

Ugradnjom hidraulitkog akumulatora u hidraulitki sustav obifno se realiziraju ove funkcije: - pokrivanje kratkotrajnih potreba za vetim protokom, - Stednja energije za pogon hidraulitke crpke, - arnortizacija udara tlaka zbog dinamitkih preoptereeenja, - akumuliranje hidraulitke energije. Karakteristitan je primjer ugradnje akumulatora u hidraulitkom sustavu s viSe hidraulitkih cilindara. Na s1.10.10. prikazana je hidraulitka shema pogona sa tri hidrocilindra. Na dijagramu (s1.10.10b) prikazan je potreban protok Q ulja u sustavu u funkciji vremena t. PovrHina pravokutnika Q - t predstavlja volumen V ( V = Q t). k k o u vremenu t radi samo jedan cilindbr, potrebni protok pumpe bit Ce QI a ako rade sva tri cilindra, potrebni protok pumpe mora biti Q3. Pri projektiranju

51. 10.8. Blokiranje hidraulitkog cilindra u jednom smjeru (a) i dva smjera (b)


SI. 10.10. HidrauliEki sustav s hidrauliEkim akumulatorom

HidrauiiEki pogoni

143

hidrauliEkih pogona nastoji se (iz sasvim razumljivih 'razloga) ugraditi crpka Sto manjeg protoka, odnosno snage. Ugradnjom hidrauliEkog akumulatora korisnog volumena V,, stvorena je rezerva ulja koja je potrebna za pokrivanje trenutno narasle potrebe povekanja protoka. Za obavljanje radnog ciklusa hidrocilindara hidrauliEka crpka osigurava volumen V,, a hjdrayliEki akumulator volumen V,. *a U ovakvom jeSenju akumulator se puni produzenim radom crpke u trenutku kad ne rade cilindri. Za punjenje akumulatora je ugraden razvodnik 212 koji je otvoren kad sustav radi, a zatvoren je kad sustav miruje. Na s1.10.11. prikazana je hidrauliEka instalacija pogona stezne glave. Za vrijeme operacije stezanja hidrauliEka crpka je rasterekena preko hidraulitki upravljanog ventila za ograniEenje tlaka i radi u ~re2imucc(u vjetima) minimalne snage. Potrebni tlak za drZanje kod operacije stezanja daje hidraulitki akumulator. Kad tlak u hidrauliEkom akumulatoru padne ispod zadane vrijednosti, hidrauliEki se aktivira ventil za ograniEenje tlaka i hidrauliEka crpka potiskuje ulje asustav te puni hidraulitki akumulator. HidrauliEka instalacija u kojoj ugradeni hidraulitki akumulator (koristi se akumulator s mijehom) sluii za priguSenje oscilacija tlaka koje se javljaju pri prebacivanju klipa razvodnika prikazana je na sl.lO.la. Na s1.10.12. prikazan je hidrauliEki pogon za pokretanje dizel-motorar Potrebna hidrauliEka energija je akumulirana u hidroakumulatoru. On se puni u normalnim okolnostima hidrauliEkom crpkom, a predvidena je i pomoQa ruEna crpka. TlaEni prekidaE prekida napajanje pogonskog elektromotora crpke kad se postigne zadana vrijednost tlaka u hidraulitkom akumulatoru. UpuCivanje ili start dizel-motora obavlja se hidrauliEkom energijom iz hidrauliEkog akumulatora.

10.8. Hidraulicki crpni agregati HidrauliEki crpni agregati opskrbljuju hidrauliEke sustave hidrauliEkom energijom, pretvarajuti mehaniEku energiju u hidrauliEku. HidrauliEka crpka je srce hidrauliEkog sustava. Vise je moguCnosti za gradnju hidrauliEkih crpnih agregata. KarakteristiEni crpni agregati su: - s crpkom konstantnog radnog volumena, - s crpkom konstantnog radnog volumena i hidrauliEkim akumulatorom, - vise crpki konstantnog radnog v,olumena, - s crpkom promjenljivog radnog volumena. 10.8.1. Agregat 3 crpkgm konstantnog radnog volumena

SI. 10.11. HidrauliEki pogon steznog uredaja

SI. 10.12. HidrauliEki pogon za start diiel-motora

Kod veCine jednoataynih hidrauliEkih sustava upotrebljava se crpka konstantnog radnog volumeha, pogonjena elektromotorom konstantnog broja okretaja (s1.10.13). Crpka daje konstantni protok sve vrijeme rada pogonskog motora. Maksimalna vrijednost tlaka u sustavu je ograniEena ventilom za ogranitenje tlaka. U slubju prekoraEenja tlaka nprelijevanje* protoka crpke obavlja se preko ventila za ograniEenja tlaka, pri tome se hidraulitka energija pretvara u toplinu i temperatura ulja raste. Porast temperature potpuni je energetski gubitak. Crpni agregat s crpkom konstantnog radnog volumena koristi se:

1 44


HidrauliEki pogoni

145

5'1. 10.13. Crpni agregat s crpkorn konstantnog radnog volurnena

a) kod sustava koji rade povremeno (vrijeme stajanja je mnogo dulje od vremena rada), b) kad je izvedeno hidrauliEko rastereknje u rezervoar u praznom hodu crpke, c) kad je gubitak energije na ventilu za ogranicenje tlaka zanemarljiv, d) kad postoje kratke i rijetke operacije pri kojima se pogonski motdr ukljuEujeIiskljuEuje prema potrebi. 10.8.2. Agregat s crpkom konstantnog radnog volumena i hidrauliCkim aku. mulatorom

Crpni agregat s crpkom konstantnog radnog volumena i hidrauliEkim akumulatororn opisan je u odjeljku 10.7 (s1.10.10 i s1.10.11).

10.8.3. Agregat s viSe crpki konstantnog radnog volumena

Kad se u hidrauliEkom sustavu zahtijeva nekoliko razliEitih protoka i tlakova obiEno se kombiniraju dvije crpke ili vise njih konstantnog radnog volumena i razlititih protoka, a ukljutuju se i iskljuEuju prema potrebi. HidrauliEki motor (s1.10.3) moZe imati sedam razliEitih brzina (sedam vrijednosti protoka). Crpni agregat ima tri crpke konstantnog protoka (razlititi radni volumeni). Potrebni protok se dobiva ukljuEivanjem elektromagneta a, b, c koji aktiviraju razvodnike za rasteretenje crpke. HidrauliEki sustav radi na istoj vrijednosti tlaka. Cesto se upotrebljava hidraulitki agregat sa'dvije crpke (s1.10.14a), gdje se izlazni protoci crpki ukljvtuju i iskljuEuju ovisno o tlaku u sustavb.. .'I Crpka A radi na tlaku koji je ograniten ventilom za ograniEenje tlaka C. Crpka B obiEno ima vefi protok od crpke A i radi na mnogo niZem tlaku. Ona se rasteretuje u rezervoaru, uz minimalne gubitke energije, preko hidrauliEki aktiviranog ventila za ograniknje tlaka D. Kad je potrebni tlak u sustavu manji od onoga koji je postavljen na ventilu D, obje crpke stvaraju protok i tlaEe ulje u sustav. Jednosmjerni ventil E spreEava da se crpka A rasterefuje preko ventila D. Sustav omogutuje da se dobije visoki protok pri malom tlaku i visoki tlak pri malorn protoku. Promjena tlaka i protoka ovakvog agregata prikazana je na s1.10.14b.

SI. 10.14. Crpni agregat s dvije crpke (a) i njegove karakteristike protoka i tlaka (b)

TipiEna primjena agregata sa dvije crpke je u pregama za izvlaEenje. Veliki protok pri minimalnom tlaku koristi se za primicanje i odmicanje alata, a visoki tlak s minimalnim protokom za preSanje izratka. Sustav moZe osigurati konstantan tlak, Eak bolje nego sustav s akumulatorom, i postiCi znatne uStede energije u usporedbi sa sustavom koji ima crpku konstantnog radnog volumena. Izbor mogufeg protoka crpke i tlaka definiran je istom snagom pogonskog motora za slutaj niskog i visokog tlaka. Primjer P-10.1. Potrebni protok za rad preIe je 200 Umin za otvaranje alata, pri tome je radni tlak 30 bar. Maksimalni tlak pri kojem se obavlja prcFanje je 400 bar a potrebni protok je od 10 do 20 Umin. Hidraulifka shema pogona prek prikazana je na s1.10.14. Potrebno je odabrati hidraulifke crpkc za pogon prebc. RjeSenje Teorijska snaga potrebna za pogon crpke kod otvaranja alata je:

PoJto se za pogon pre9e koristi isti elektromotori u obavljanju prcsanja, h o ~ se e postaviti jcdnakost:

41f i 1 -

Qp2fi2.

Odnosno, potrebni protok crpkc Qp2

= &z

QPl

4 2

jc:

30 = -200 = 15 Umin.

400

Prema tome, imamo: 1. Crpka s protokom Qpl = 15. Umin i tlakom,ppl = 400. bar. '2. Crpka s protokom Qp2= 200. Umin i tlakom &2 = 30. bar.


146

10.8.4. Agregat

s crpkom promjenljivog radnog volumena

Crpni agregati s crpkom promjenljivog radnog volumena neizbjeino su sloienije konstrukcije i mnogo skuplji od agregata s crpkom konstantnog radnog volumena. U ovisnosti o tome koja je metoda upravljanja upotrijebljena, tlak i protok crpke mogu varirati prema zahtjevima u sustavu (poglavlje 3.6). 10.8.5. Rastereeenje c r p p b praznorn hodu Crpke se mogu pokretati elektromotorom, motorom SUI, pneumatskim ili hidraulitkim motorom. Okretni moment pri malom broju okretaja kod elektromotora i duel-motora vrlo je mali. Stoga je potrebno crpku pri startu rasteretiti. T o se moie uEiniti hidraulitki, aktiviranjem ventila za ograniknje tlaka.

11. ~lektrohidiauli~ki sustavi snage 11.1. Uvod ElektrohidrauliEki sustavi snage razvijeni su za upravljanje objektima velikih snaga, kod kojih se zahtijeva velika toenost pozicioniranja i velika brzina odziva. U ovom Ce poglavlju biti opisani elektrohidrauliEki sustavi snage s:

- on-offelektromagnetima,

- proporcionalnim elektromagnetima, - elektrohidrauliEki servosustavi.

11.2. Opis elektrohidrauliEkog gustava snage

SI. 10.15. Rasterecenje crpke otva-

ranjern odljeva ventila za ogranifenje tlaka

SI. 10.16. RastereCenje crpke preko nultog poloiaja na razvodniku

Na s1.10.15. elektromagnet s razvodnika 212 za rasterekenje ventila za ograniEenje tlaka je spojen u elektriEni krug za start pogonskog elektromotora crpke i iskopEava se sa zadanim vremenskim kdnjenjem kad motor postigne optimalan broj okretaja. Kod dizel-motornog pogona mora se koristiti posebni ventil za ptvaranje ventila za ogranitenja tlaka i njegovo rasterekenje. Najjeftinije i najjednostavnije rjeSenje je rasteretenje crpke preko kratko spojenog nultog poloiaja razvodnika (sl. 10.16).

Razvoj i tehniEka primjena elektrohidraulitkih sustava snage poEeo je s elektrohidrauliEkim servosustavima koji su se u drugome svjetskom ratu koristili za upravljanje razliEitih uredaja ratne tehnike. Primijenjeni sustavi su imali visoka dinamitka svojstva. ali i visoku cijenu za eventualnu industrijsku primjenu. Poslijeratni razvoj elektrohidraulifkih sustava snage bio je usmjeren rjeSenjima koja bi imala zadovoljavajuCa dinamiEka svojstva (za industrijsku primjenu) i prihvatljivu cijenu. ZahvaljujuCi novim tehnologijama, cijena kljuEnih komponenata sustava je znaEajno snijena. Razvijeni su proporcionalni elektromagneti, kao i odgovarajuti elektronitki sklopovi za njihovo upravljanje pa su Siroku tehniEku primjenu naSli elektrohidraulitki sustavi s proporcionalnim i on-offelektromagnetima. Posljednjih godina narotito je izraien razvoj i primjena elektrohidrauliekih sustava s proporcionalnim elektromagnetima, najviSe zbog njihove suStinske veze s klasiEnom hidraulikom, jednostavnosti primjene, visoke pouzdanosti i prihvatljive cijene. OEekuje se da Ce burni razvoj mikroprocesora omoguCiti Siru primjenu elektrohidrauliEkih sustava s on-off elektromagnetima. ElektrohidrauliEki sustav snage (sl.ll.1) ima dva osnovna dijela: elektriEni i hidrauliEki. Sustav za svoj rad iskoriStava elektriEnu energiju u podrutju upravljanja (upravljaEki dio) i IiidrauliEku za obavljanje rada. ElektriEni dio sustava priprerna i obraduje upravljafke signale, kojima se izvodi upravljanje hidrauliEke energije, a hidrauliEki obavlja pretvaranje i odgovarajuke pojaEanje. Snaga signala na ulazu elektriEnog dijela je reda veliEine mW, a snaga izlaznih signala hidrauliEkog dijela je reda veliEine kW, pa je pojaEanje po snazi elektrohidrauliEkih sustava v e k od l x loS.B u d d i da je razvoj elektriEnih strojeva snage d o 3 kW, odnosno 10 kW, u posljednjem desetljedu postigao znaEajne usp'ehe, predvida se da Ce oni u dogledno vrijeme potisnuti odgovarajuke elektrohi rauliEke sustave snage na tom podrutju snaga.

d


v

I

EMP

I I

SI. 11.1. Struktuma shema elektro-

HP

1I 1

!

I f,

I

I I-. -

- .-

. -.

:

- . - . i- . -. - . - . -

~l~klr!Enldin

-.

I !1 -.

bidraulitki dl0

)

hidraulitkog sustava snage: EP elektronitko aoiaEalo. . . . EMP - elektromehanitki pretvomik, HP hidrauliEko pojagalo, HM - hidraulitki motor. SPV - senmr signala povratne veze, EE - izvor elektritne energije, HE izvor hidraulitke energije

-

-

Isto tako, smatra se da su elektrohidraulieki sustavi snage zasad nezamjenljivi kod upravljanja visokim snagama, visinom od 10 kW, kada se zahtgevaju velike brzine odziva i toenost regulacije. KljuEni je sklop elektrohidraulitkih sustava snage elektromehaniEki pretvornik koji ulazni elektriEni signal pretvara 4 mehaniEki kojim se obavlja upravljanje hidrauliEkom energijom. U suvremenoj tehniEkoj primjeni tri su tipa elektromehanitkih pretvornika: - on-off elektromagnet, - proporcionalni elektromagnet, - .elektriEni momentni (torque) motor.

Elektrohidraulitki sustavi snage

149

Na osnovi navedenih triju tipova elektrornehanitkih pretvornika koncipirane su tri osnovne varijante elektrohidrauliEkih sustava snage: - sustavi s on-offelektromagnetima, - sustavi s proporcionalnim elektromagnetima, elektrohidraulitki servosustavi. Njihove su osnovne karakteristike navedene u tablici 11.1.

-

11.3. EleMrohidrauliCki sustavi s on-off elektromagnetima Elektromagnet s pokretnom kotvom najjednostavnijije oblik elektromehanifkog pretvornika. On omoguCuje postavljanje kotve u dva poloZaja ukljuceno-iskljuEeno (on-off). Vrijeme je premjeStanja kotve (ovisno o duljini hoda i rnasi kotve) od 10 do 6 0 . ~ 1 0 " ~ . Pnmjena elektromagneta za aktiviranje klipnih razvodnika je analizirana u poglavlju 4, odjeljak 4.3.1.4. KarakteristiEna konstrukcija elektromagneta je prikazana na s1.11.2. Hod kotve elektromagneta je 0.5 do 3 mm. Sila na kotvi je od 5 do 50 N. Napon napajanja je najEeSCe 24 V q D C ili AC) 220 V DC. Struja u namotajima elektromagneta je od 0.9 do 1.5 A. Snaga elektromagneta je 20-40 W.

Tablica 11.1 Karakteristike elektrohidrauliEkih sustava snage

Karakteristika

Sustavi s on-off elektrornagnetima

,

Sustavi s proporcionalnim elektromagnetima .

Servosustavi

slotenost (konstrukcija)

jednostavna

relativno sloZena

slofena

cijena

jeftini

relativno skupi

skupi

toenost pozicioniranja

mala

dobra

vrlo dobra

dinamitki odziv

mali

dobar

odlihn

odrtavanje

jednostavno

relativno sloZeno

slokno

natin upravljanja (automatizaciia)

otvoreni ili zatvoreni krue.

otvoreni krug

zatboreh hg

koeficijent korisnog djelovanja

dobar

relativno dobar

103

prirnjena

permanentni rad - pozicioniranje

permanentni rad - pozicioniranje

ponaoniranje

upo~eba

stagnira

rate

s t a m

tistda ulia

10-8 m

8-7 um

5-6

S1. 11.2. On-off elektromagnet

-

Upravljanje hidrauliEkih sustava pomoCu elektromagneta temelji se na dva radna stanja elektromagneta: ukljuEeno (ON) i iskljukno (OFF).ElektrohidrauliEki sustav ovog tipa radi u diskretnom podrutju (digitalyo). Osobito je pogodna primjena ovih elektrohidraulizkih sustava za pogon strojeva koji rade u zadanom ciklusu (ukljuEeno, iskljuteno, promjena smjera itd.). Za upravljanje u zatvorenom krugu takvih sustava koristi se elektronitko pojaEalo u kojemu je hardverski definiran slijed ukljuEivanja elektromagneta koji aktiviraju hidrauliEke elemente. Strukturna shema elektrohidrauliEkog sustava s elektromagnetima prikazana je na s1.11.3. IIEE SI. 11.3. S t ~ k t u m ashema elektrohidrauliEkog sustava s o w f f elektromagnetima

llWE

150


Sustav se sastoji od elektroniEkog ili elektriEnog sklopa za upravljanje, on-off elektromagneta, hidrauliEkog razvodnika te izvrSnog hidrauliEkog motora. Sklop za upravljanje sadrfi odgovarajuki generator programa za upravljanje te izlazno prilagodno pojatalo. Program za upravljanje hidrauliEkim sustavom je definiran hardverski za konkretnu instalaciju. On-off elektromagnet aktivira klipni razvodnik i usmjerava hidrauliEku energiju prema izvrSnom h i d r o ~ t o r ukoji na svom izlazu daje potrebni mehaniEki rad. Da bi se povekala fleksibilnost primjene, sklop za upravljanje se gradi kao programhbilni uredaj koji omogukava da se program za aktiviranje elektromagneta softverski definira prema potrebi. U tom sluEaju sklop je graden na osnovi nekog mikroprocesora i mora imati medusklop za aktiviranje elektromagneta. Principijelna shema elektrohidrauliEkog sustava upravljanog pomoku mikroprocesora prikazana je na s1.11.4.

151


TipiEna strukturna shema elektrohidraulitkog sustava s proporcionalnim elektronlagnetima prikazana je na s1.11.5. Karakteristitni sklopovi su: elektronitko pojaEalo, proporcionalni razvodnik ili odgovarajuki proporcionalni ventil te izvrSni hidrauliEki motor.

SI. 11.5. Elektrohidraulitki sustavi s proporcionalnim elektromagnetom

KljuEni sklop ovih sustava je odgovarajuki proporcionalni elektromagnet s pripadajukim elektroniEkim pojaEalom. Koriste se dva tipa proporcionalnih elektromagneta: - proporcionalni elektromagnet za regulaciju sile, - proporcionalni elektromagnet za regulaciju hoda.

11.4.1. Proporcionalni elektromagnet za regulaciju sile na kotvi b

SI. 11.4. Upravljanje elektrohidraulitkim sustavom pomoCu mikroprocesora

Mikroprocesor s memorijom i ulazno/izlaznim sklopom osigurava generiranje zadanog programa za upravljanje stanjem elektromagneta (on-off) koji aktiviraju potrebne komponente hidraulitkog dijela sustava. PoSto energetski nivo signala na izlazu .iz mikroprocesorskog dijela nije dovgljan (SV, 1mA) za aktiviranje elektromagneta (24V, IA), u posebnom se medusklopu obavlja potrebno pojaEanje i prilagodavanje tog signala.

11.4. ElektrohidrauliCki sustavi snage s proporcionalnim elektromagnetima Proporcionalni elektromagneti, za razliku od on-off elektromagneta, omoguCuju regulaciju sile na kotvi elektromagneta ili pozicioniranje kotve (u ovisnosti o strujij, napajaju se istosmjernom strujom. Na osnovi proporcionalnih elektromagneta razvijeni su elektrohidraulitki sustavi snage, jednostavne konstrukcije, visoke pouzdanosti, pogodni su za odrfavanje s prihvatljivom cijenom. Sustav radi bez povratne sprege. Vrijeme odziva je od 0.1 do 1 s, a radne frekvencije su manje od 50 Hz.

Kod proporcionalnog elektromagneta s regulacijom sile (s1.11.6a), sila na kotvi elektromagneta regulira se promjenom jaEine struje koja se vodi kroz upravIjaEke namotaje. Kotva pri tome ima minimalan hod. Povratnom vezom po struji upravljanja u elektroniEkom se pojahlu regulira struja i odriava njezina konstantna vrijednost na upravljaEkim namotajima proporcionalnog elektromagneta, a samim tim i na kotvi. Osnovna karakteristika proporcionalnih elektromagneta za regulaciju sile je pribliino konstantna veliEina sile na kotvi elektromagneta i relativno kratak hod kotve. Hod kotve proporcionalnog elektromagneta s regulacijom sile iznosi oko 1,s mm.

Ftp

$-'

400 11

z

."

5

ZOO .L

SI. 11.6. Proporcionalni elektromagnet s regulacijom sile: a - elektromagnet, b - dijagram promjene sile na kotvi


152

StatiEka karakteristika proporcionalnog elektromagneta s regulacijom sile pokazuje da sila elektromagneta pri istoj struji ostaje konstantna na gotovo Stavoj duljini hoda (s1.11.6b). Nelinearan je dio karakteristike na poEetku i kraju hoda, Sto je posljedica prirode procesa i ne moZe se izbjedi. Dimenzije proporcionalnog elektromagneta s regulacijom sile su relativno male, prije svega zbog kratkog hoda kotve. Proporcionalni elektromagneti s regulacijom sile koriste se kod indirektno upravljanih proporcionalnih razvodnika i ventila za regulaciju tlaka.

L 11.4.2. Proporcionalni e~ektror&~net s regulacijorn hoda kotve Kod proporcionalnog elektrornagneta s reguliranim hodom poloZaj kotve regulira se, preko zatvorenog kruga regulacije, negativnom elektriEnom povratnoh vezom po poloZaju kotve (s1.11.7a). Regulacija se obavlja na cijelom podruEju radnog hoda kotve. Povratnu vezu daje induktivno osjetilo polohja, ugradeno u produZetku kotve.

~lektrohidrauliEki sustavi snage

153

11.4.3. ElektroniEko pojaEalo Za upravljanje proporcionalnim elektromagnetima koriste se dva tipa elektroniEkih pojahla: x - elektroniEko pojaEalo za upravljanje proporcionalnih elektromagneta za regulaciju sile, - elektronitko pojaEalo za upravljanje proporcionalnih elektromagneta za regulaciju hoda. Krug automatske regulacije kod oba 'tipa elektroniEkog pojaEala zatvara se zakljuEno s proporcionalnim elektromagnetom. KarakteristiEni sklopovi u oba tipa elektronitkih pojaEala su: - surnator, - pojaEalo-regulator, - izlazno pojafalo. Elektronitko pojaEalo za upravljanje proporcionalnog elektromagneta s regulacijom sile ima unutraSnju povratnu vezu po struji upravljanja kojom se odrZava zadana velihna struje Sto odgovara reguliranoj velitini sile na kotvi elektromagneta (s1.11.8).

\ ';-------------------^---------------, At A*

1

-

-

SI. 11.7. Proporcionalni elektromagnet s regulacijom hoda: a elektromagnet, b dijagram promjene sile na kotvi

Hod kotve ovog proporcionalnog elektromagneta leZi u podmEju 3-5 mm. Dimenzije proporcionalnog elektromagneta s regulacijom hgda: Fotve povedane su za veliEinu ughdenog induktivnog osjetila poloZaja. PoSto se regulacija hoda kotve obavlja (ivodi) elektritnom povratnom vezom induktivnim osjetilom poloZaja, te zbog prirode magnetskih materijala, moguCa su odstupanja i pogreSke ponavljanja, prije svega zbog djelovanja magnetske histereze. Dio tih odstupanja moguCe je smanjiti odgovarajutim kompenzacijama u elektrienom kmgu, no pokazalo se da je njihov utjecaj lakSe odstraniti izvan tog sklopa. Proporcionalni elektromagnet za regulaciju hoda kotve ima greSku ponavljanja (s1.11.7b). Proporcionalni elektromagneti s reguliranim hodom koriste se za direktno aktiviranje klipnih razvodnika te priguSnika i regulatora protoka.

SI. 11.8. Elektronitko pojatalo proporcionalnih elekiromagneta s regulabjom sile

Da bi se ublaZile posljedice nelinearnih pojava zbog trenja te magnetske histereze kod ovog tipa elektroniEkog pojatala obavlja (izvodi) se generiranje predstruje upravljanja iz posebnog generatora u obliku sinusnog signala konstantne amplitude i frekvencije. Predstruja, kao izmjeniEna komponenta upravljaEkog signala, odrZava u relativnom gibanju sve pomitne dijelove ne samo proporcionalnog elektromagneta vet i dijelove koje on pomik. Elektronsko pojatalo za upravljanje proporcionalnim elektrornagnetima s reguliranim hodom koristi se elektriEnom povratnom vezom po polohju kotve elek-


154

155


11.4.4. Proporcionalni razvodnik

Proporcionalni razvodnik ima tri karakteristitna sklopa: proporcionalni elektromagnet, rnehaniEkohidrauliEki pretvornik, tc klipni razvodnik. Konstrukcijski proporcionalni razvodnici se izraduju kao: - direktno upravljani proporcionalni razvodnik do NP 10, - induektno upl'alvljani proporcionalni razvodnik vise od NP U). Za direktno upravljane proporcionalne razvodnike koristi se proporcionalni elektromagnet s regulacijom hoda, a za indirektno upravljane proporcionalni elektromagneti s regulacijom sile. U ulozi mehaniEkohidrauliEkog pretvomika najEeSCe je: - ventil za sniienje tlaka, - dvostrani razvodnik mlaznica-zaslon. Klipni razvodnik proporcionalnog razvodnika, osin~razvodenja, omogutujc simetriEno priguSivanje struje hidraulickog ulja pa su radni bridovi razvodnog kllpa profilirani.

11.4.5. Direktno upravljani proporcionalni razvodnik 4

SI. 11.9. Elektronitko pojatalo proporcionalnih elektromagneta s regulacijom hoda

L

L

Sf. 11.10. Oirektno upravljani proporcionalni razvodnik

tromagneta (s1.11.10). Na ulaznom dijelu elektroniEkog pojaEala za upravljanje proporcionalnim elektromagnetima ugraden je generator ulaznih signala. Pri velikom broju primjena elektrohidraulitki sustavi s proporcionalnim elektromagnetima odreduju zadanu ulaznu funkciju koja se najEeSCe ponavlja po nekom ciklusu. Tada je korisno imati tu funkciju hardverski definiranu na samom elektroniEkom pojafalu.

Osnovni funkcionalni sklopovi direktno upravljanog proporcionalnog razvodnika (s1.11.10) jesu: tijelo 1u kojem je h h u r a razvodnika, proporcionalni elektromagneti s regulacijom hoda kotve 2, induktivni senzor pomaka kotve elektromagneta 3, klip razvodnika 4 te opruge 5 za drfanje klipa razvodnika u srediSnjem polofaju. Ako proporcionalni elektromagneti nisu aktivirani, klip razvodnika 4 pomoCu opruga 5 drfi se u srediSnjem poloiaju. Klip razvodnika (njegovo pozicioniranje) aktivira se direktno preko odgovarajuteg proporcionalnog elektromagneta 2. Uz klip razvodnika su vezane kotve proporcionalnih elektromagneta 2 i induktivni senzor polofaja 3. Tako se trenutni polofaj klipa razvodnika 4, u odnosu prema Eahuri (tijelu) 1,pretvara u odgovarajuCi elektriEni signal. Klip 4 i Eahura 1 otvaraju ili zatvaraju hidrauliEke kanale P, A, B i R na klipnom razvodniku. Ako se aktivira proporcionalni elektromagnet (lijevi na s1.11.10), on Ce pomaknuti klip razvodnika 4 u desnu stranu. U tom poloiaju klipa 4, u odnosu prema Eahuri 1, hidrauliEki su spojeni kanali P + B i A + R. $to je struja u namotajima proporcionalnog elektromagneta jaEa, to Ce se klip razvodnika vise pomaknuti iz srediSnjeg polofaja, a time Ce se kroz nastale otvore na klipnom razvodniku propustiti veCa kolizina hidrauliEkog ulja. VeCem hodu klipa razvodnika odgovara veCi protok. Lijevi proporcionalni elektromagnet (s1.11.10) vezan je uz induktivni senzor poloiaja 3, kojim g ; f f l a r n i polofaj klipa razvodnika pretvara u odgovarajuti elektriEni signal. On se kao negativna povratna veza vra& u elektronitko pojatalo. Sustav automatske regulacije poloiaja kotve proporcionalnog elektromagneta regulira jaEinu struje koja se vodi na narnotaje elektromagneta sve dok se zadanom toEnoS6u ne poniSti razlika izmedu ulaznog napona i napona povratne veze. Razvodni klip proporcionalnog razvodnika 4 (sl.ll.11) razlikuje se od razvodnih klipova klasiEnog razvodnika. Njegovi razvodni bridovi su najEeSCe izvedeni u obliku trokuta. Neki ga proizvodaEi proizvode i u drugim profilima (polukrugu). Razvodni bridovi na Eahuri razvodnika su ravni i oStri. Razvodni bridovi klipa u

Hiiaulika i pneumatika

156

EleMrohidrauliEki sustavi snage

157

obliku trokuta su u stalnom kontaktu s razvodnim bridovima Eahure na cijeloj duljini hoda klipa. Formirani priguSni otvor je u obliku trokuta. Time je dobivena progresivna promjena protoka s velifinom hoda klipa i omoguteno je odgovarajute prigudivanje. 11.4.6. lndirektno upravljani proporcionalni rasodnik

HidrauliEki indirektno upravljani proporcionalni razvodnik (sl.ll.11) sastoji se od: proporcionalnih elektromagneta za regulaciju sile 1 i 2, ventila za snsenje tlaka 3 s klipom 4, klipnog razvodnika 5 s klipom 6 te opruge 7 za drianje klipa.

SI.1 1 . 1 2 .

SI. 1 1. 1 1. Indirektno upravljani proporcionalni razvodnik

Elektritni signal koji dolazi iz elektroniEkog pojaEala pretvara se u proporcionalnim elektromagnetima 1, odnosno 2 u silu. Razmjerno toj sili na izlazima A i B iz ventila za sniZenje tlaka 3 stvara se odgovarajuCi tlak. P a t o su kanali A i B spojeni s komorama ispred Eela klipa 6, razlika tlaka pomite klip i sabija oprugu 7. Klip se pomiEe sve do momenta uravnotefenja sile u opruzi i kzultantne sile zbog djelovanja tlaka na Eelo klipa. T o znaEi da je hod klipa, a time i veliEina prototnog otvora na klipnom ranodniku, ovisan o tlaku koji se stvara u kanalima A i B ventila za sniZenje tlaka 3. Kako je taj tIak proporcionalan sa silom na kotvi proporcionalnog elektromagneta za regulaciju sile, a ona s upravljafkom strujom, to ovaj proporcionalni razvodnik omogutava pretvaranje elektriEnog signala u hidraulif ki, uz odgovarajute pojafanje. Ventil za snifenje tlaka (s1.11.12) rnehaniEkohidrauliEki je pretvornik (pretvara ulazni mehaniEki signal u hidraulifki). Prednost primjene tog ventila jest to Sto nema nepotrebnog otjecanja hidrauliekog ulja u nultom (sredisnjem) polofaju.

Trograni ventil za snifenje tlaka

Ventil za sniknje tlaka sastbji se od razvodnog klipa 4 i dvaju upravljafkih klipova 5 i 6 , vezanih na kotve proporcionalnih elektromagneta za upravljanje po sili 1 i 2. SrediSnji poloZaj klipa 4 odrZava se oprugama 8 i 9. Kad na kotvi elektromagneta nema sile, klip A zauzima srediSnji polofaj. Ventil za sniZenje tlaka omoguCava upravljanje tlaka u prikljuEcima A i B, proporcionalno ulaznom elektritnom signalu. U sredisnjem poloZaju hidraulitki prikljuEci A i B vezani su s prikljuEkom za rezervoar R, pa u njima nema tlaka. PrikljuEak P je zatvoren. Ako se dovede upravljaBa struja na namotaje proporcionalnog elektromagneta 1, stvorena sila na kotvi djeluje na klip 5 i na razvodni klip 4 i pomite ga udesno. Time su otvoreni protoEni kanali P -, B i A R. Tlak koji se stvara u otvoru B djeluje preko priguSnog otvora na razvodnom klipu 4 na klip. RezultirajuCa sila tlaka djeluje nasuprot sili u kotvi proporcionalnog elektromagneta i pomiEe razvodni klip 4 u smjeru zatvaranja. Pri tome djeluje sila opruge za centriranje. Zbog pomicanja razvodnog klipa 4, veza izmedu otvora P + B se prekida, kao i A -i R. Tlak u kanalu B ostaje konstantan.

lAp.

IObrrcOnfl.

2 A p = 2O bar conrt. 3 A p 50 b n sonat. 5 A~ p p 100 4 -10bncm11. bar cons:.

pralat ralradllkr VaIa St. 11.13. Protoha karakteristika proporcionalnograzvodnika


158

Smanjivanje sile na kotvi elektromagneta kao posljedicu ima povetanje sile na razvodnom klipu 4. Zbog toga se on pornite ulijevo. Preko nastalog otvora R hidrauliEko ulje se vraCa u rezervoar i tako se ostvaruje odgovarajute B sni2enje tlaka. U neutralnom polofaju, koji odgovara nultom elektriEnom signalu, hidraulitki otvori A i B su otvoreni prema R. T o znaEi da hidraulitko ulje mofe nesmetano otjecati prema rezervoaru.

11.4.7. Osnovne karakteristike proporcionalnih razvodnika

Osnovna karakteristika proporcionalnih razvodnika je ovisnost protoka o veliEini ulazne struje Q = f(i) pri konstantnom padu tlaka (p = konst.), s1.11.13. I

YO

a

U

0

3m rm 2.0

m 0

-1

{

.-a

-#

-I -11

110 1w

4- 1;:

I1rwn

-I1

w

'-

-14

w

0

-n -m

E

SI. 11.15. Strukturna shema eleMrohidrauliCkog servosustava

U

sustava s kontinviranim upravljanjem prikazana je na sl.ll.l5~.Sustav tine: elektroniEko pojaEalo EP, elektrohidraulitki servorazvodnik EHS, izvrini hidrauliEki motor HM te davaE signala povratne veze DPV. 11.5.1. ElektroniEko pojaEalo servosustava

ElektroniEk~pojaEalo hardverski definira sve funkcije automatskog upravljanja: prilagodava signal povratne veze, formira signal greSke, definira regulacijsko djelovanje, pojahva i prilagodava signal greSke (razlike) itd. U sklopu elektroniEkog pojatala nalazi se generator sinusnog signala (diter-signal) stalne frekvencije oko 500 Hz s amplitudom od 1 do 2% nominalne vrijednosti signala i z l ~ n o gpojaEala. Taj se signal superponira s izlaznim signalom elektronitkog pojatala i Eini njegovu izmjenitnu komponentu. Pomotu tog signala odriavaju se u stalnom gibanju elementi hidrauliEkog dijela sustava, Sto omogutava smanjenje sile trenja i lijepljenja pbkretnih dijelova (stik-slip efekt). UobiEajeno je da proizvodaEi elektrohidraulitkih servorazvodnika isporuEuju i odgovarajuta elektronska pojaeala, Sto se u praksi potvrdilo kao praktiEno rjeSenje.

m

OJeLO.bo11

1

1 4 5 1 1 1 0

k u t n a frekvencija

SI. 11.14.

159

EleMrohidrauliEki sustavi snage

10

m.0 w

0

Hz

Bode-dijagrarni slabljenja amplitude i faze proporcionalnog razvodnika

Kao pokazatelji dinamitkih karakteristika proporcionalnih razvodnika koriste se odgovarajuti Bode-dijagrami slabljenja amplitude i faze (sl. 11.14).

11.5. ElektrohidrauliCki servosustavi ElektriEni momentni motor je elektromehanitki pretvornik koji omoguCava gotovo linearno pretvaranje elektritnog signala u mehaniEki pomak kotve (translatorni ili luEni), pa je pogodan za upravljanje hidrauliEkorn energijom. Na osnovi momentnog motora razvijeni su elektrohidraulitki servosustavi visokih dinamiEkih karakteristika Eije je vrijeme odziva u granicama 20 do 50 x 10" s (20 d o 30 ms), a gornja granica radnih frekvencija je oko 500 Hz. Sustavi imaju male dimenzije, izrazito visoku pouzdanost i relativno jednostavno odrZavanje. Koriste sc kao izlazni sklopovi razliEitih sustava automatskog upravljanja (visoke dinamitke karakteristike) kad instalirana snaga prelazi 3 - 5 kW. ElektrohidrauliEki servosustavi su sustavi automatskog upravljanja s negativnom povratnom vezom. Mogu raditi u kontinuiranom (analognom) i diskretnom (digitalnom) podrutju signala. KarakteristiEna struktura elektrohidrauliEkog servo-

SI. 11.16.

Elektronitko pojatalo REXROTH

KarakteristiEna konstrukcija elektroniEkog pojaEala elektrohidrauliEkog servosustava prikazana je na s1.11.16. Regulacijsko djelovanje (P, I ili D), pojaEanje elektroniEkog pojaEala i amplituda diter-signala moje se birati prema potrebi.


160

115.2. ElektrohidrauliEki servorazvodnik

EleMrohidrauliEkisustavi snage

SI. 11.18. EleMromehanW pretvornik

ElektrohidrauliEki servorazvodnik je pretvornik i pojaEalo. Pretvara ulazni elektritni signal u hidraulitki i daje mu potrebno pojafanje. ElektrohidrauliEki servorazvodnik omogukava pojaEanje po snazi reda veliEina 10'.

SI. 11.17. Shema mlaznica-zaslon

servorazvodnika

Osnovni funkcionalni sklopovi elektrohidrauliEkog servorazvodnika su: elektrornehanitki pretvornik (elektritni momentni motor) 1, mehaniEkohidraulilSki pretvornik 2 te klipni razvodnik 3 (sl. 11.17). Funkcioniranje elektrohidrauliEkog servorazvodnika pokazat Cemo na primjeru elektrohidrauliEkog servorazvodnika mlaznica-zaslon koji se vrlo Eesto primjenjuje u tehnici. 11.5.2.1. NektrornehaniEki pretvornik

Zadatak elektromehanitkog pretvornika je da ulazni elektriEni signal pretvori u odgovarajuei mehaniEki pomak kotve (pomak zaslona u odnosu prema mlaznicarna) i omoguCi upravljanje hidraulitkom energijom elektritnim signalima. Kod elektrohidrauliEkih servorazvodnika tipa'mlaznica-zaslon primjenjuje se elektromehanieki pretvornik (momentni motor) sa stalnim magnetirna (s1.11.18). Kotva elektromehaniCkog pretvornika je smjeStena izmedu polova stalnog magneta. Njezin donji dio je zaslon dvostranog hidraulickog pojaEala mlaznica-zaslon (1 na s1.11.19). Kotva-zaslon je oslonjena, preko opruge u obliku cjevfice (opruga-cjevEica), na tijelo elektromehaniEkog pretvornika. ElektriEni signal u upravljaEkim namotajima elektromehanitkog pretvornika stvara magnetsko polje koje, zbog djelovanja magnetskog polja stalnih magneta, izaziva neravnoteiu momenata na kotvi-zaslonu (1 na s1.11.19). Djelovanjem rezultantnog rnomcnta dolazi do zakretanja kotve-zaslona i uspostavljanja novog ravnoteZnog stanja zbog otpornog momenta opruge-cjevEice. Tako se pozicionira (narnjeSta) kotva-zaslon, ovisno o veliEini ulaznog elektriEnog signala.

Shema dvosbanog

Prestankom djelovanja rezultantnog momenta magnetskog polja (nema ulaznog elektriEnog signala), moment opruge-cjevEice vraCa kotvu-zaslon u srediSnji polofaj. Time je postignuto da je kotva-zaslon u srediSnjem poloZaju kad je elektriEni signal na ulazu elektromehanickog pretvornika nula. 11.5.2.2. Dvostrano hidrauliCko pojatalo mlaznica-zaslon

Dvostrano poja&lo mlaznica-zaslon ima ulogu pretvornika elementa (mehaniEkohidrauliEki pretvornik) u elektrohidrauliEkom servorazvodniku. Principijelna shema dvostranog pojaEala' mlaznica-zaslon, koji upravlja gibanjem klipa razvodnika 413, prikazana je na s1.11.19. Kroz mlaznice 2 stalno istjeEe


162

163


hidraulidko ulje u dovodnr kanal. Pomicanjem zaslona 1 u desnu stranu, zbog promjene hidrauliEkih otpora u prostoru izmedu mlaznica i zaslona, tlak ispred desne mlaznice i Eela klipa razvodnika 4 veCi je od tlaka ispred lijeve mlaznice i suprotnog Eela klipa razvodnika. Pod djelovanjem razlike tlaka, klip razvodnika se pomiEe ulijevo sve dok se ta sila ne izjednaEi sa silom u opruzi 5. Dvije opruge postavljene ispred Eela klipa razvodnika drZe klip u srediSnjem poloZaju kad nema razlike tlaka. Tako je osigurano da klip razvodnika bude u nultom poloZaju kad nema elektritnog signala n ulazu u elektromehaniEki pretvornik, odnosno kad je zaslon u srediSnjem polo aju, izmedu dviju mlaznica.

!

11.5.2.3. Klipni razvodnik servorazvodnika

Klipni razvodnik elektrohidrauliEkog servorazvodnika je specijalno konstruiran. On ima minimalnu radijalnu zraEnost klipa i Eahure, prekrivanje radnog polja je vrlo blizu nultog i razQodni bridovi su oftri. To zahtijeva preciznu i skupu tehnologiju izrade takvog sklopa. Klipni razvodnik 413 je izvrlfni (izlazni) dio elektrohidrauliEkog servorazvodnika. O n upravlja hidrauliEkom energijom koja se vodi u izvrSni hidromotor. Pomak klipa razvodnika odgovara razlici tlaka, nastaloj pomicanjem zaslona izmedu mlaznica na dvostranom pojaEalu mlaznica-zaslon, a on odgovara ulaznom elektriEnom signalu na elektromehaniEkom pretvorniku. Protok kroz klipni razvodnik je odreden veliEinom pomaka klipa. To znaEi da se ulazni elektriEni signal u elektrohidrauliEki servorazvodnik pretvara u odgovarajuti hidrauliEki (protok iz razvodnika i odgovarajuki pad tlaka). Pri tome se ostvaruje odgovarajute pojaEanje snage. 11.5.2.4. Konstrukcijske izvedbe elektrohidrauliEkog servorazvodnika tipa

mlaznica-zaslon

KarakteristiEne su tri konstrukcije elektrohidraulitkog servorazvodnika tipa mlaznica-zaslon koje se medusobno razlikuju nafinom uspostavljanja unutragnje povratne veze (sl. 11.20) sa: - opruZnim centriranjem klipa razvodnika, - mehanickom povratnom vezom, elektriEnom povratnom vezom. ElektrohidrauliEki servorazvodnik tipa mlaznica-zaslon s oprufnim centriranjem klipa razvodnika (s1.11.20a) veC je opisan. On ima dobre dinamiEke karakteristike ali je, unatoE jednostavnoj konstrukciji, tehnolofki vrlo slofen, Sto se odrafava na njegovoj cijeni, zbog Eega mu je i primjena ograniEena. ElektrohidrauliEki servorazvodnik tipa mlaznica-zaslon s mehaniEkom povratnom vezom ima zaslon povezan s klipom razvodnika i to preko opyuge u obliku iglice (kotva-zaslon je produfena u iglicu koja ima opruZno djelovanje). Vrh iglice je precizno ulefiSten u oslonac na klipu razvodnika. ZahvaljujuCi takvoj vezi i oprufnom djelovanju iglice, uspostavljena je negativna povratna veza ovisna o poloZaju klipa razvodnika (s1.11.20b). ElektrohidrauliEki servorazvodnik tipa mlaznica-zaslon s elektriEnom povratnom vezom (s1.11.20~) ima induktivni davaE poloZaja klipa razvodnika. Tako dobiveni signal vodi se kao povratna veza u elektronitko pojaEalo elektrohidrauliEkog servorazvodnika.

-

SI. 11.20. KaraMeristiEne konstrukcije elektrohidrauliekog se~orwvodnikatipa rnlaznica-zaslon: a - opruino centriranje klipa, b - rnehanitka povratna veza, e - elektritna povratna veza

C

1 1.5.2.5. Osnovne karakteristike elektrohidrauliCkog servorazvodnika

U tehniEkim podacima elektrohidraulickih servorazvodnika navedene su karakteristike: - ovisnost protoka o padu tlaka Q = f @), - ovisnost protoka o struji upravljanja Q = g (i), - Bode-dijagrama slabljenja amplitude i faze.

SI. 11.21. Statitke karakteristike elektrohidrauliEkog se~orazvodnika

164 cmitr Im#lilad I

L

L

k

-

,,


Sf. 11.22. Bode-dijagrami slabljenja amplitude i faze elektrohidraulitkog servorazvodnika

+=

12. Odrlavanje hidrauliekih sustava

12.1. Uvod

U ovom Cemo poglavlju upozoriti na specifiEnosti odrzavanja hidrauliEkih sustava, analizirati osnovne faktore rizika otkaza, navesti prvo puStanje u rad te opisati karakteristitni model tehnizkog odrZavanja tipiEnih hidraulizkih sustava.

11111 LII P

SI. 11.23. StatiEka karakteristika tahogeneratora

OpCi oblik statiEke karakteristike Q = f ( p ) prikazan je na s1.11.21a. PomoCu te karakteristike odreduje se koeficijent pojaEanja protoka u ovisnosti od tlaka (koeficijent gubitaka istjecanja). Ovisnost protoka o stmji upravljanja (pomaka klipa ranodnika) prikazana je na s1.11.21b. Ona se koristi za odredivanje koeficijenta pojaEanja protoka servorazvodnika u ovisnasti od stmje ili u ovisnosti od pomaka klipa. Bodeovi dijagrami slabljenja amplitude i faze pokazatelji su dinamiEkog nponaSanjacc elektrohidrauliEkog servorazvodnika. 115.3. IzvrSni hidraulieki motor

Funkcija izvrSnog hidraulitkog motora je pretvaranje hidrauliEke energije u mehanitku. Izlazni otvori elektrohidrauliEkog servorazvodnika su hidrauliEki spojeni s izvrSnim hidromotorom. 115.4. Senzor signala povratne veze

Senzor signala povratne veze je uredaj koji pretvara pomak k l i ~ hidrocilindra a ili okretaje vratila hidrbtnotora u odgovarajuti elektritni signal koji ,de obraduje kao signal povratne veze. Kao senzor pomaka upotrebljavaju se induktivni senzor, potenciometri itd. Senzori bnine su najEeSCe tahogeneratori. Na s1.11.23 prikazan je o p h oblik ovisnosti izlaznog napona o broju okretaja vratila tahogeneratora U = f (n). PomoCu te karakteristike odreduje se koeficijent pojaEanja povratne veze.

12.2. Osnovni faktori (Einioci) rizika otkaza hidrauliEkih sustava 4

Analize pojave otkaza na hidrauliEkim sustavima u razlifitim podmtjima primjene pokazuju da su osnovni uzroEnici otkaza: - oneEiSCeno hidrauliEko ulje, - nedopuStena radna temperatura, - otopljeni plinovi u hidrauliEkom ulju, - pogrefno rukovanje, - greSke u materijalu, izradi i montaZi hidraulitkii sustava. Prva tri uzroka sudjeluju s prosjeEno 95% i smatra se da su osnovni faktori rizika otkaza hidraulizkog sustava. 12.2.1. OneEiSCeno hidraulieko ulje

HidrauliEko ulje uvijek sadrZi neEistoCe. Netistoke Eine sve Eestice (tvari) koje se mogu izdvojiti iz ulja (tvrde Eestice, smole, voda, kolonije bakterija i produkti njihova metabolizma itd.) a uzrokuju nekljene promjene fizikalno-kemijskih karakteristika ulja. Klasa EistoCe hidrauliEkog ulja u hidraulitkom sustavu zadana je kao konstrukcijska karakteristika i u normalnim okolnostima odrZava se ugradenim filtrima. OneEiSCenja hidrauliEkog ulja teku kontinuirano i potinju joS u toku proizvodnje ulja i hidrauliEkog sustava. Apsolutno Eistog hidrauliEkog ulja nema. Uzroci oneEiS&nja hidrauliEkog ulja su raznovrsni: - prije puStanja hidraulitkog sustava u rad nije obavljeno odgovarajute ispiranje komponenata, rezervoara, cjevovoda itd., - oneGSCen rezervoar u toku intervencija (pogrefke u EifCenju rezervoara), - korozija na unutraSnjim stijenkama rezervoara (lofa zaStita ili nedovoljna koliEina hidrauliEkog ulja u rezervoaru kad sustav dulje vrijeme nije u pogonu), - nije pravodobno u o k n o pojaEano habanje pokretnih dijelova hidrauliEkog sustava, - nije na vrijeme uo&no protjecanje hidrauliEkog ulja mimo filtra preko nepovratnog yentila u povratnom vodu (sustav radi bez filtriranja ulja dulje vrijeme),

166


- hidrauli~kisustav radi u uvjetima intenzivnog one6Sknja, pa neEistoCe prodiru

a

u sustav (brtve klipnjaEe, oduSka i naljevni Eep na rezervoaru), - koristi se neodgovarajuCe hidraulitko ulje pa se zbog temperature intenzivira proces oksidacije Eiji su produkti Evrste Eestice ili viskozni kemijski spojevi, - na dijelovima komponenti nije izvrSena odgovarajuh povdinska zaStita (prevlaka i dr.), pa su u hidrauliEkom ulju oksidi bakra, olova, kadmija, natrija itd., - ugradena je hidraulitka crpka Eije EiSCenje i uhodavanje poslije remonta nije obavljeno na ispitnom stolu. Smatra se da je negatlvan utjecaj Evrstih Eestica neEistoCa na trenje i habanje brtvi jednak kao i utjecaj veliEinom jednakih neravnina na konstrukcijskim dijelovima, koje ostaju kao posljedica mehaniEke obrade. NajEeSCe posljedice Eiji su uzroEnici razliEite neEistoCe u hidrauliEkom ulju jesu: - habanje kliznih povrSina i poveCanje odgovarajukih zraEnosti na njima, - nzaraSCivanjecczraEnosti i zatvaranje malih priguSnih otvora kod razliEitih ventila, - zatvaranje kanala i ot;ora za podmazivanje, - stvaranje brazdi (risova) na povrSinama razvodnih ventila crpki i hidromotora te razvodnika, - poveCanje sila za pokretanje klipova razvodnika ili ventila zbog naljepljivanja smolastih komponenti na klizne povrSine. KarakteristiEno je da su otkazi hidrauliEkih sustava najEeSfi kod novih (ili remontiranih) sustava, gdje uvijek postoji opasnost od Eestica koje nisu mogle doCi u polje djelovanja filtra. U toku uklanjanja kvara da tim sustavima pronalaze se Eestice od strugotme, pijesak ili ~zunderuod odlivaka, .perleu od zavarivanja, dijelovi laka i boje, dijelovi tekstila itd., Sto upozorava na subjektivne greSke koje se mogu izbjeCi paZljivom montaiom. To je naroEito v d n o za rad u specifiEnim uvjetima ugradnje hidraulitkih sustava (brodogradiligta, rudnici, otvorena gradiliSta itd.), s obzirom na Einjenicu da se cjevovodi savijaju na samome mjestu, gdje je prisutno zavarivanje, autogeno rezanje, bruSenje itd.

12.2.2. NedopuStena radna ternperatura Promjena temperatura viSestruko utjeEe na radne karakteristike hidraulickog sustava. Velike promjene temperature uzrokuju otkaz hidraulickog sustava ili, u najboljem slufaju, bitno kvare projektirane karakteristike. Na rad hidrauliEkog sustava negativno utjeEu i visoke i niske temperature. Visoke temperature negativno utjeEu na fizifko-kemijske karakteristike hidraulifkih ulja i materijala brtvi, karakteristike razlifitih rnjernih uredaja i senzora, elektroniEkih pojaEala te na mehaniEka svojstva metala. Posljedica visokih radnih temperatura je poveCanje gubitaka istjecanja, a time i energije. Niske temperature se negativno odraiavaju na gustoh i viskoznost hidrauliEkih ulja te na tvrdoCu i elastitnost materijala brtvi. Posljedica tih promjena je prije svega povetanje potrebne energije za start sustava i najhfte, znaeajno smanjenje podmazivanja pokretnih dijelova. Optimalna radna temperatura hidraulitkog sustava je u podruEju 50 do 70°C. Uredaj za kontrolu radne temperature obavezni je sastavni dio hidrauliEkog sustava, ugraden tako da se kontrolira temperatura hidrauliEkog ulja u rezervoaru. PoviSenje radne temperature iznad propisane vrijednosti u toku rada sustava upozorava na promjene koje vode otkazu sustava. Stoga je kontrola radne temperature obavezna radnja u toku tekuCeg odriavanja. UobiEajeni je postupak da se

Oddavanje hidraullEkih sustava

167

pri poviSenju temperature iznad normale hidrauliEki sustav iskljutuje i uklanja uzrok poviSenju temperature. Nepravodobno saniranje (uklanjanje) uzroka poviSene temperature mote uzrokovati oSteCenja pojedinih dijelova sustava s posljedicama poipunog otkaza. Volumen hidraulitkog ulja ovisi o promjenama temperature. Zagrijavanje hidrauliEkog ulja uzrokuje njegovo Sirenje, pa se ne smije prekoraEiti dopuStena ir razina ulja u rezervoaru. 12.2.3. Zrak i plinovi u hidrauliEkom sustavu

Zbog promjene tlaka otopljeni plinovi u hidrauliEkom ulju izdvajaju se u obliku mjehurika. Mnogobrojni mjehuriCi s uljem Eine nehomogenu smjesu i znaEajno utjeEu na gustoCu, viskoznost i modul elasticnosti ulja. Tako se padom tlaka u sustavu najEeSCe poveCava elastienost volumena hidrauliEkog ulja koja ~sudjeluje<
12.3. Prvo ukljuEivanje u rad hidrauliekog sustava Havarija hidrauliEkog sustava Eesto nastaje pri njegovu prvom ukljuEivanju u rad. Analizom takvih sluEajeva ustanovljeno je da pri havarijama nisu poStovani neki od opCih principa, kao ni propisani slijed izvodenja operacija. 1. Uobitajeno je da prvo ukljuEivanje provodi servisna sluiba proizvodaEa i ono se propisuje garancije. . . uvjetima . 2. Ako pri ukljuEivanju hidraulitkog sustava postoji neposredna opasnost za Ijude, na vidljivo se mjesto moraju postaviti upozorenja, provesti osiguranje i udaljiti sue nepotrebne osobe te provjeriti da li svi sudionici znaju svoje zadatke.

168


3. Provjeriti EistoCu rezervoara. Ako je potrebno, treba ga oEistiti. Napuniti rezervoar odgovarajuCim hidrauliekim uljem (podaci su u dokumentaciji) do predvidene razine. Rezervoar se puni uz obavezno filtriranie - ulia.. 4. 1skljuEiti svu autornatiku za aktiviranje elektrornagneta razvodnika i ventila (odspojiti konektore). Projeriti poloZaj ventila za ograniknje tlaka (ventil sigurnosti, automat praznog hoda, redukcijski ventil). Postaviti ventile u krajnji polotaj (minimalni tlak). 5. Provjeriti u kojem su polotaju izvrSni motori (klipnjaEe i vratila hidromotora). OmoguCiti siguran i bezopasari rad u cijelom podruqu njihova gibanja. Ako je potrebno, inrSiti odgovarajuk mehaniEko osiguranje. 6. RuEno okrenuti vratilo crpke nekoliko vuta. 7. Provjeriti sqjer okretanja pogonskog elektromotora. Ako je potrebno, usmjeriti ga s naznaEenim na crpki. 8. Kratkotrajno ukljuEiti pogonski motor i provjeriti vrijednost tlaka na izlazu iz crpke. 9. Ukljuhti pogon. Pustiti hidrauliEki sustav u rad pri minimalnom tlaku. Projeriti sve spojeve, tj. da li istjek ulje. Ukloniti moguk istjecanje i prebrisati spojeve. 10. Odzrahti sustav. Veliku paZnju treba posvetiti najviSim dijelovima sustava i cjevovoda. Ventili za odnaEivanje pojednostavnjuju izvodenje operacije u toku eksploatacije pa se prepomeuje njihova ugradnja. 11. Provjeriti razinu ulja u rezervoaru, a ako je potrebno doliti ga (samo Eisto ulje). 12. Isprati hidrauliEki sustav prema uputama proizvodaEa. 13. Uspostaviti normalan tlak u hidraulitkom sustavu. 14. UkljuEivanjern razvodnika i ventila provjeriti puni hod izvdnih motora, kao i sve projektirane funkcije sustava.: 15. Provjeriti sve spojeve i odstraniti eventualno curenje ulja. 16. Provjeriti da li se u rezervoaru stvara pjena. Ako ima pjene, to je znak da je povetana koliEina zraka u ulju. Tada se provjerava brtvljenje ulaznog kanala crpke, njegov poloiaj u odnosu prema razini ulja u rezervoaru, kao i brtvljenje vratila crpke. Ako se uzrok ne ukloni, sustav se ne moie ukljuEiti u rad. 17. Podesiti sve znaEajke hidrauliEkog sustava na zadane vrijednosti i pogonske uvjete. 18. UkljuEiti elektroautomatiku. 19. U vrijeme 6tl 1J do 2 sata rada u projektiranim poionskim uvjetima izmjeriti temperaturu ulja. Ako je temperatura visa od dopdtene, provjeriti sustav za hladenje, utvrditi koji se dio sustava prekomjerno grije (crpka, ventili za ograniEenje tlaka, razvodnici itd.) i ukloniti kvar. 20. Provjcriti gubitke u drenaznirn vodovima. 21. Napraviti test snage hidraulitkog sustava. 22. Plombirati podekne ventile. Unijeti odgovarajuk podatke za evidenciju rada sustava.

169

OdrSavanje hidraulickih sustava

12.4. TehniEko odr2avanje hidrauliCkih sustava Odriavanje hidraulickih sustava niz je aktivnosti usmjerenih oEuvanju i produienju perioda eksploatacije uredaja i proistjeEe prije svega iz zahtjeva pouzdanosti rada sustava. Pouzdanost je uobitajeno definirana kao stupanj vjerojatnosti da uredaj ili element obavi projektiranu funkciju, uz dane okolnosti i za odredeno vrijeme. Pouzdanost hidrauliekog sustava moie se znaEajno poveCati pravilnom organizacijom njegovog tehniEkog odrtavanja. U ' toku eksploatacije hidrauliEkih sustava planski se zamjenjuju elementi koji se najviSe troSe (hidrauliEko ulje, elementi filtra, opruge, brtve, elektromagneti itd.). Opseg, vrijeme trajanja te periodiku izvodenja radova tehniEkog odrZavanja i remonta za pojedine hidraulitke sustave definiraju proizvodati u dokumentaciji za tehniEko oddavanje sustava. TehniEko odrZavanje hidraulitkih sustava irna sve karakteristike odrZavanja tehniEkih sustava. Problematika tehnitkog odrZavanja hidrauliEkih sustava ogleda se u: - potrebi za struEnim kadrom specijalista (hidraulitara) razlititih stupnjeva obrazovanj a, - tekuCem odrZavanju, kao i uklanjanju kvarova Sto se moie povjeriti samo posebno (specijalno) obrazovanom kadru, - stupnju zamjenljivosti dijelova i elernenata u sklopu hidrauliEkog sustava koji je relativno nizak, najvire zbog strogih zahtjeva u vezi s toEnoSCu i kvalitetom obrade. T o znaeajno smanjuje moguCnosti popravka i eventualne izrade tih dijelova kod neposrednog korisnika, - standardizaciji, tipizaciji i unifikaciji oblika i veliEina, gabaritnih i ugradnih mjera koje su joS na niskoj razini primjene, Sto smanjuje mogutnosti za b d e i efikasnije intervencije pri otkazu sustava, - cijeni hidrauliekog sustava koja je relativno visoka prije svega zbog tehnoloSke a i konstrukcijske sloZenosti tih sustava te njihovih elemenata. TehniEko odrZavanje hidrauliEkih sustava obuhvaCa: - tekuCe odrZavanje, - preventivno oddavanje, - reviziju (obnovu) elemenata - remont.

-

12.4.1. TekuCe oddavanje

TekuCe odrZavanje podrazumijeva niz svakodnevnih radnji koje struEni rukovalac hidrauliEkim sustavom rnora savjesno provesti: - pravilno rukovanje, - kontrola osnovnih parametara u toku procesa, - provjera razine ulja u rezervoaru, - kontrola radne temperature sustava, - kontrola hidrauliEkog ulja, - proyjera gubitaka ulja na drenainim vodovima, - praCenje brzine gibanja izvdnih organa,

170


- praeenje Sumova (naroEito karakteristiznih Sumova zbog kavitacije i dotrajalih

-

lefaieva). pro;jera gubitaka otjecanja na spojevima, brtvama itd., evidencija vremena rada hidrauliEkog sustava, ulja i filtra.

12.4.2. Preventivno odrhvanje

Na osnovi dosadafnjih pozitivnih iskustava u preventivnom oddavanju hidrauliEkih sustava mogu se preporuhti neka opfa, u praksi potvrdena pravila: - permanentno poduEavati i sustavno osposobljavati kadar koji radi na eksploataciji i tehnickom odrzavanju hidrauliEkih sustava da moZe uoGti pojave koje dovode do kvara, te v ~ uf toj fazi poduzeti sve da se pojave uklone i kvar sprijeEi, - upoznati neposredne korisnikc i rukovaoce hidrauliEkog sustava s mogufim greSkama i njihovim manifestacijama (osigurati konstrukcijom odgovarajufih uredaja da se greSke mogu lako uoEiti vizualno i auditivno, - uz hidrauliEke sustave nufno je osigurati i odgovarajufu dokumentaciju te priruEnike za rukovanje i odrhvanje (obiEno se mogu nabaviti kod proizvodafa), - potrebno je odrediti i osigurati dovoljne koliEine rezervnih dijelova u suradnji s proizvodafem, - osigurati da se svaki nastali kvar na hidraulickom sustavu detaljno ispita te strueno analizira i obavezno evidentira kako bi ta informacija mogla posluZiti za poduEavanje kadrova i odredivanje mjera preventivnog oddavanja, - planirati preventivno odrzavanje hidrauliEkih sustava (izvodenje tehniEkih pregleda u planiranim vrernenskim intervalima), - &urn0 evidentirati vrijeme rada hidrauliEkog sustava (preporuEuje se ugradnja brojila sati rada), - svakih 12 mjeseci (ako ne bude potrebno prije) provjeriti mjerne i kontrolne uredaje (tlakomjere, senzore tlaka, tlaEne prekidaEe, termometre, senzore protoka itd.), - svakih fest mjeseci (ako nije drukfije propisano), provjeriti ventile za ograniEenje tlaka, sniZenje tlaka, regulaciju protoka itd.), - kontrolirati kvalitetu i onetiffenje hidrauliEkog ulja uzimanjem uzoraka s odredenog rnjesta ili iz rezervoara, ovisno o namjeni hidrauliEkog sustava, kao i uvjetima rada (uzorak se uzima poslije 50 do 200 sati rada ili poslije najmanje 3 do 6 mjeseci ako se uredaj ne upotrebljava), - redovito mijenjati uloSke (elemente) filtra, uglavnom nakon 200 d o 300 sati rada (ovisno o uvjetima rada), - obavezno provjeravati hidrauli~keakumulatore kao posude pod visokim tlakom (svakih pet godina), - obavezno oEistiti rezervoar pri zamjeni ulja. Tehnitki pregledi se izvode u planiranim vremenskim razmacima da bi se utvrdilo trenutno tehnifko stanje, uklonile neispravnosti i obavili planirani preventivni radovi. Kao primjer, u tablici 12.1, pregled je osnovnih radova na tehniEkim pregledima kod hidrauliEkih sustava opfe upotrebe.

DTP - svakodnevni tehniEki pregled, izvodi se poslije 6-8 sati rada, TTP - tjedni tehniEki pregled, izvodi se poslije 60-80 sati rada, MTP - mjeseEni tehniEki pregled, izvodi se poslije 240-360 sati rada, KTP - kvartalni tehniEki pregled, izvodi se poslije 720-960 sati rada.

171

Odnavanje hidraulickih sustava Tablica 12.1. Uobibjeni radovi preventivnog odriavanja sad&j radova tehnifkog pregleda

Nomati' [min]

DTp

2

3

1

provjeriti razinu ulja u rezervoaru i po potrebi I' I doliti

5 (30)

provjeriti temperaturn ulja u rezervoaru (opipom), po potrebi podesiti ventil za rastereknje i sustav & hladenje

10 130)

provjeriti EistoCu filtra, po potrebi zamijeniti uloLak filtra

(30

\

KTp

4

5

6

+*,+

+

+

+

+

+ + +

+

,

5

5

provjeriti vrijednosl tlaka u sustavu, po potrebi p~desiti provjeriti tlak u akumulatoru, po potrebi dopuniti akumulator

MTp

(30) '-

5 (30)

'

+

+

+

+

+ +

+

+

+

+

provjeriti curenje ulja na spbjevima (vizualno), po potrebi ukloniti

5 (30)

+

+

+

+

provjeriti Sumove i vibracije u toku rada sustava, po potrebi zamijeniti komponentu

10 (DO)

+

+

+

+

provjeriti zagrijavanje elektromotora, po potrebi ukloniti w o k

5 (30)

+

+ +

+ +

+ +

+

+

+

15

+

+

odrediti maksimalni protok crpke, konstantnog radnog volumena, po potrebi zamijeniti crpku

10 (120)

+

+

odrediti velitinu protoka u povratnom vodu kad su izvdni organi iskljukni, po potrebi zamijcniti defcktnc dijelove

25 (90)

provjeriti gubitke u drenahom vodu

10

provjeriti da li ima pjene u rezervoaru, po wtrebi ukloniti kvar -

-

20

provjeriti fleksibilne cjevovode i spojcve. po potrebi ukloniti kvar

(90)

odrediti snagu praznog hoda crpke, promjenljivog radnog volumena te maksimalni protok na izvdnim organima, po potrebi zamijeniti crpku

10 (120)

podesiti sve ventile

provjeriti sve elemente za osiguranje sigurnog rada. PO potrebi podesiti uzeti uzorak ulja za analizu, po potrebi otistiti rezervoar i zamijeniti ulje otistiti zratni filtar i magnetni hvataE na rczervoaru

+

30 10 (90) 25

Napomena: IJ zagradi je navedeno prosjetno vrijeme (min) potrebno da se ukloni kvar.

+

172


12.4.3. Obnova (revizija) hidrauliEkih sustava

HidrauliEki sustav sadrii niz elemenata i sklopova koji se u toku rada troSe, pa je nuina njihova zamjena radi oEuvanja projektiranih funkcija sustava. Postupak se provodi bez obzira na to Sto u toku garantnog roka na sustavu nije bilo kvarova a na njegovim elernentima vidljivih znakova da je nastala neka promjena. Revizija hidrauliEkog sustava je zahvat koji propisuje proizvodaE na osnovi pouzdanosti i vijeka trajanja pojedinih sastavnih elemenata sustava. Revizija ili obnavljanje hidraulitkog sustava obavlja se radi produZenja vijeka eksploatacije i moie se ponavljati vise puta do remonta sustava. U takvom oddavanju obavljaju se manji popravci na samom sustavu i traju samo nekoliko sati. Obnova (revizija) obuhvaka prije svega zamjenu brtvi i onih sklopova koji su podloini troSenju ili promjeni projektiranih karakteristika (opruge, blende itd.).

12.4.4. Remont hidrauliekih sustava

Remont hidrauliEkih sustava izvodi se poslije isteka vremenskog roka ili poslije odredenog broja popravaka na sustavu, a odreduje ga proizvodaE hidrauliEkog uredaja, ovisno o uvjetima eksploatacije i traZene pouzdanosti sustava. Prosjeho je to kako pokazuju viSegodiSnja iskustva oko 10 000 sati rada (3 do 5 godina). Remont hidrauliEkih sustava obiEno obavljaju proizvodaEi, i to ako je mogu& istodobno kada je i remont stroja. Obzirom na tu Einjenicu, oni zagovaraju i najEeS6e provode agregatni princip remonta. On je, organizacijski i tehnoloSki gledano, opravdan, no cijena mu je dosta visoka. Osim toga, zbog relativno niskog stupnja standardizacije i unifikacije elemenata i sklopova hidrauliekih sustava, proizvodaEi provode agregatni princip remonta samo na svojim proizvodima. Vrsta i broj mogu6ih kvarova na hidrauliEkim sustavima su takvi da nije moguCe za postupak popravka i uklanjanja kvarova preporufiti bilo kakvo pravilo. Pokazalo se da se bez dobrog poznavanja konstrukcije i funkcije hidrauliEkog sustava ili njegovih komponenata ne treba i ne smije upuStati u bilo kakav popravak. Prihvatljiv pristup remontu hidraulitkog uredaja mora imati ove aktivnosti: - dernontafa, EiSCenje i pranje, - defektacija i provjera dimenzija, - izrada novih dijelova i popravak starih (kad je to mogde), - zamjena dotrajalih dijelova (nabavka novih), - montaia (sklapanje sustava), - provjera karakteristika komponenata prije ug~adnje(po moguhosti na ispitnom stolu), - ugradnja hidrauliEk~gsustava, ispiranje i odzraEivanje, - zavrSna ispitivanja hidrauliEkog sustava u sklopu osnovnog uredaja.

12.5. Osnovni principi uklanjanja kvara hidrauliekog sustava PronalaZenje i uklanjanje kvara u hidraulitkom sustavu zahtijeva dobro poznavanje funkcije sustava i svih njegovih komponenata. Prije svega, n d n o je poznavanje slijedekih pet Cinjenica.

Oddavanje hidrauliekih sustava

173

I . Prikazivanje hidraulitkih sustava CETOP-simbolima TehniEka dokumentacija koju isporuEuju proizvodati obavezno sadrii hidrauliEku shemu, pa je za razumijevanje funkcije hidraulitkog sustava nuino poznavanje simbola CETOP. 2 . Prepoznavanje hidraulitkih komponenata prema izgledu Za uspjeSno otkrivanje greSaka i uklanjanje kvarova u hidrauliEkom sustavu nije dovoljno znati samo simbol komponente. Osim toga, nuino je da se na prvi pogled prepozna o kojoj je komponenti rijeE. To se postiie urednim (aiurnim) pratenjem ponude hidraulitkih komponenata razliEitih proizvodaEa te stalnim u k njem i usavrgavanjem. Suvremeni hidrauliEki sustavi se izraduju od komponenata koje proizvode razlititi proizvodafi. 3. Poznavanje funkcije komponente hidraulitkog sustava Nuino je znati kako i Sto radi pojedina komponenta u hidrauliEkom sustavu. To je vrlo bitno pri otkrivanju kvara, jer 6e omoguCiti da se kvar locira ili da se painja usmjeri na bitne dijelovs sustava. 4. Procjena informacija o kvaru hidraulitkog sustava Nikada se ne smije primiti kao potpuno pouzdana informacija o kvaru hidrauIiEkog sustava dobivena od neposrednog korisnika. Ona se rnora detaljno prouEiti i provjeriti. 5. Dobro pozmvanje sustava za upravljanje Za otkrivanje greske u hidraulickom sustavu mora se znati osnovno o elektritnom upravljaEkom krugu. T o je veoma vaZno za otkrivanje kvarova na komponentama koje se aktiviraju elektromagnetima. Cesto se sa sigurnoSCu mote konstatirati da greSka nije u hidraulickom dijelu sustava, pa treba definirati zahtjev za elektriEara ili elektronitara.

12.5.1. Mjere sigurnosti rada pri uklanjanju kvara hidrauliekih sustava

Sigurnost pri radu na otkrivanju greSaka u hidrauliEkom sustavu mora biti stalno prisutna i na prvome mjestu. Mora se steCi navika da je potencijalna opa'snost stalno prisutna i da se nezgoda moZe dogoditi. Mora se raditi razumno. Sve aktivnosti u poslu moraju se prethodno planirati i analizirati. Neprestano se mora pratiti sustav, uohti moguCe opasnosti u radu na otkrivanju greSaka i njihovu uklanjanju. Nije naodmet da se naglasi nekoliko elemenata bitnih za sigurnost rada. L A. Nufno je totno znati koji posao treba obaviti i kakve su opasnosti Ako se radi ekipno, bez obzira na strutnu osposobljenost Elanova ekipe, obavezne su pripreme. Svaki Elan ekipe mora toEno znati Sto se od njega oEekuje i kada. Voda ekipe mora stalno koordinirati i kontrolirati posao. Stalni nadzor rovodenja zadataka je nuran. Potencijalne opasnosti moraju biti svima jahe. hanovi ekipe moraju znati mjesta gdje su u odredenim okolnostima m o y 6 e ozljede te mjesta gdje se radnici ne smiju zadrtavati u vrijeme ispitivanja i traknja greSke. a a n o v i ekipe ne smiju uEiniti niSta bez dopuStanja vode ekipe ili koordinatora. Sve to moZe produljiti posao, ali je vjerojatnost da Ce se zavrSiti sigurno i b e i ozljeda radnika velika.

1 U


B. Postavlpnje upozorenja za potencwne opasnosti Ponekad, kada se radovi na uklanjanju kvara na hidrauliEkom sustavu obavljaju na nepreglednim mjestima i uz moguCu prisutnost nepozvanih osoba, nuZno je na hidrauliEkim motorima postaviti oznake o opasnostima i zabrani kretanja u opasnom podrutju. U takvu slubju treba razmotriti i moguCnost da posao obavi jedan Eovjek. Svaki suradnik bez jasno odredene uloge moZe biti ugroZen ili opasan za druge. Ako nije moguCe postaviti upozorenje, tada se osobno mora provjeravati gibanje izvrSnog motora k6ji moZe biti izvor opasnosti. C. Osigurati izvrfne organe sustava od nekontrolirana gibanja Prije svake demontaZe elemenata u hidraulitkom sustavu mora se provjeriti: - je li iskljuEeno elektritno napajanje, - pokazuju li tlakomjeri da je tlak u sustavu jednak nuli. Korektno izvedeni hidrauliEki sustavi imaju ventile za praZnjenje hidraulitkih akumulatora (plin i ulje). Gibanje izvrSnih motora, koje moZe nastati pri prekidanju veza s upravljaEkim komponentama (na primjer kod odspajanja cijevnih vodova), mora se osigurati Evrstim osloncima. NuZno je aktiviranje razvodnika ruEno i elektritnim natinom, i to nekoliko puta da se sustav oslobodi zaostalog tlaka. Vrijednost tlaka se stalno kontrolira tlakomjerima. D. Hidrauli?kom se sustavu uvijek prilazi s pretpostavkom da je pod tlakom Kad se prilazi hidraulitkom sustavu, uvijek treba postupati kao da su svi vodovi i sve komponente pod tlakom te da izvrSni motori rade u skladu s tim. Ako se moraju aktivirati razvodnici, ventili i slavine, da ~i se otpustili cijevni prikljutci, t9 se obavezno Eini pojedinacno, uz prethodno ispuStanje ulja pod tlakom. Mora se tekati da tlak padne i ulje prestane istjecati. Tek kada ulje prestane istjecati i potnu kapati kapljice, sumo tada je sigurno rastavljanje sustava i odvajanje pojedinih komponenata. Pri demontaZi elemenata ugradenih u blok, ili na prikljuEnu ploEu, spojevi se popuStaju, tako da eventualni mlaz ulja pod tlakom ne ozlijedi radnika (popuStaju se vijci nasuprot radnika). I ovdje se mora Eekati da iscuri sve ulje, do pojave kapljica i tek tada se mogu skidati komponente. E. Posuda za hvatanje ulja mora biti pripremljena Kad god se na hidraulitkom sustavu ieli demontirati neka komponenta ili obaviti odzrafivanje, mora se pripremiti dovoljno velika posuda za hvatanje ulja koje Ce isteti. To uklanja opasnosti od klizavosti i prljanja poda, te smanjuje opasnost od poZara eventualno zapaljivih tekukina. To je, uostalom, gospodarski pristup. Ponovna upotreba tog ulja nije preporuEljiva, a ako nema izbora, nuZno ga je filtrirati prije vraCanja u sustav.

Odriavanje hidraulimh sustava Tablica 12.2. Karakteristitni kvarovi n a hidraulickim sustavima

Pojava

MoguCi kvar

1

2

pjenuJanje ulja

- piska razina ulja u rezervoaru - mala volumen rezervoara - povratni vod nije uronjen u ulje - usisavanje zraka pored semeringa na crpki

- nedovoljno prilegnut prikljutak na usisnorn vodu crpke

- usisni vod porozan

NaEin otklanjanja kvara 3

- dopuniti rezervoar Eistim uljem d o ozza maksimbin - nake ugraditi veCi rezervoar - zamijeniti cijev duljom cijevi

-- zamijeniti semering pritegnuti prikljubk ili ga zamijeniti - zamijeniti usisni vod - ugraditi ventile za odzrativanje

- loge odzritivanje

mehanirke smetnje nedovoljan tlak u sustavu

- l o k ugradena spojka izmedu pogonskog motora i crpke oscilacija cjevovoda

-

- crpka ne potiskuje ulje - pogonski motor ne radi ispravno - l o k podekn ventil za ograniknje tlaka

kolebanje tlaka i protoka smanjen protok

- ne moZe se aktivirati razvodnik - vanjsko curenje - povehna matnost kliznih parova - kavitacija u crpki - neispravan ventil za ograniknje tlaka - prisutnost zraka u sustavu - pjenuSanje ulja

- kavitacija u usisnom vodu crpke

- pogreSan smjer pogona crpke - oSteCenja na crpki - regulator protoka nije podeSen ili ne -

-

visoka temperatura ulja

radi niska razina ulja u rezervoaru visoka viskoznost ulja

- ispravno montirati spojku i provjeriti niveliranjem

- pravilno ugraditi i utvrstiti cjevovod -- provjeriti rad crpke ukloniti kvar na pogonskome motoru - podesiti tlak na ventilu - provjeriti razvodnik - pritegnuti prikljutke (zamijeniti brtve) - zamijeniti istroJene elemente i sklopove - provjeriti crpku - zamijeniti ventil -- odzratiti sustav (vidi pjenuSanje ulja) - ukloniti uzrok kavitacije - promijeniti smjer pogona crpke - remontirati crpku ili je zamijeniti novom - podesiti regulator protoka ili ga zamijeniti

- doliti tisto ulje d o potrebne razine - provjeriti temperaturu ulja - podesiti ili zamijeniti ventile

- ventili za ogranitenje tlaka neispravni - ventil za ogranitenje tlaka nije podeSen - podesiti zahtijevanu vrijednost tlaka - ugraditi nove cijevi s prikljukima potreb- suviSe veliki gubici tlaka u sustavu nog promjera - hladenje ulja nije dobro izvedeno - primijeniti efikasniji sustav hladenja ulja - nedovoljno odvodenje topline - ugraditi veCi rezervoar

12.5.2. Analiza uzroka kvara hidrauliekog sustava

0 rezultatu analize kvara na hidraulitkom sustavu ovisi dalji tok operacije uklanjanja kvara. PogreSna analiza kvara dovodi do nepotrebnih i kompliciranih postupaka rastavljanja sustava. Analizu kvara na hidrauliEkom sustavu stoga mora obaviti najiskusniji i najstruEniji radnik ili ekipa. Za otkrivanje uzroka kvara potrebno je dobro poznavanje hidraulitkih sustava i veliko radno iskustvo.

MetodoloSki pristup u analizi uzroka kvara bi bio:

- vizualno detaljno pregledati instalacije, sluSati Sumove i pratiti mjerne i kontrolne instrumente,

- provjeriti sve moguCe uzroke kvara, - za svaki od moguCih uzroka definirati postupak uklanjanja, - postaviti kriterije kontrole kljuEnih operacija, kaai zavrSne kontrole na sustavu.


176

U toku pregleda hidrauliEkog sustava nuZno je evidentirati:

- stanfe filtra (pregledati element filtra), - temperaturu okolice, - temperaturu ulja na poEetku rada sustava te poslije 30 do 60 minuta rada,

- tlak i protok ulja,

60 minuta rada (obitno se uzima uzorak ulja), - zvuk i Sumove (crpke, hidromotora, ventila i razvodnika), - gibanje izvrSnih organa (klipnjaEe hidrocilindra, vratila hidromotora), - rad rukovaoca hidrauliEkim sustavom. Na osnovi tih podataka, veC se u toj fazi moZe ustanoviti da li je kvar nastao zbog nestNEn0g rukovanja ili je potrebno podeSavanje tlaka ili protoka, zamjena elementa filtra, zamjena ulja ili dotrajalog elementa ili uredaja. U tablici 12.2. opisani su karakteristicni kvarovi, navedeni moguti uzroci i naEin njihova uklanjanja. - stanje EistoCe ulja prije ukljuEivanja sustava te nakon 30 do

13.

Uvod u pneumatske sustave

13.1. Uvod Pneumatski sustav ili pneumatski pogon omogutava prijenos energije stlaEenim plinom. ObiEno se koristi stlateni zrak i to od 3 do 15 bara (u nomalnim industrijskim ujetima za pneumatsko upravljanje tlak je do 7 bara). Korijen rijeEi pneumatika potjeEe od starogrcke rijeti pneuma koja znaEi dah ili daSak (vjetar). Kada danw govorimo o pneumatici, tu podrazumijevamo sustave, naprave i strojeve koji rade pomoCu stlaEenog ili razrijedenog zraka. Pneumatika kao podrutje primjene stlaEenog zraka je relativno mlada tehnika, ali je u osnovi starija od naSeg ratunanja vremena. Vet prije nove ere sastavljeni su opisi pneumatskih uredaja (kovaEki mijeh, npr.). Za razvoj i otkrita uglavnom zahvaljujemo vjerskim i folklornim obiEajima (orgulje, diple) i ratovima (proinodnja omZja). nTehniEka enciklopedija*, koju je 1774. godine izdao Diderot, sadrlti, uz ostale pneumatske naprave, i presjek pneumatske puSke. JoS iz proSlog stoljeCa poznati su, na primjer, pneumatska poSta, pneumatska kdnica, pneumatski Eekit, pneumatska buSilica i drugi pneumatski alati. Uz tramvaj na pneumatski pogon bilo je vise pneumatskih sustava na ZeljezniEkim trafnicama. Moderna pneumatika je uglavnom vezana oz tzv. malu automatizaciju i Siroku primjenu. Poslije 1950. godine trZiStu je ponuden zreo i mnogostruk program koji se dosad burno razvijao, a trend primjene i razvoja i dalje je u usponu.

13.2. Opis pneumatskog sustava Osnovne funkcije pneumatskog sustava su pretvorba, prijenos i upravljanje energijom te njezina regulacija. Principijelna shema pneumatskog sustava prikazana je na sl. 13.1. MehaniEka se energija pretvara u bloku I. u energiju stlazenog zrakl (pretvornik energije je kompresor) te njegovo spremanje u spremnik zraka. Upotreba stlaEenog zraka prikazana je blokom 11. na sl. 13.1. Zrak iz spremnika zraka razvodnom pneumatskom mreZom dolazi u pripremnu grupu gdje se Eisti i zauljiva. OEiSCen i zauljen zrak se vodi u pneumatski sustav, gdje se energija stlatenog zraka pretvara u korisni mehaniEki rad. U pneumatskom su sustavu komponente koje omoguCuju upravljanje smjerom strujanja, protokom i tlakom stlaEenog zraka te ponovnu pretvorbu energije stlaEenog zraka u mehaniElci rad. StlaEeni zrak, osim za prijenos energije u pneumatskim sustavima, Eesto sluZi i kao medij upravljaEkih sustava. PoSto obavi potrebnu funkciju (mehaniEki rad


Uvod u pneumatske sustave

179

- stlalieni zrak je Eist, pa kod eventualnih propuStanja, kao i ispuha u atmosferu, I

I

I

kwr~mw

POgmfi mD'or

prctwbo m

e

spmrik xrako

~ rrwdc c u cmw s-t

L---------------I

P~Wxraka

p r e w ~ ncmgije -s

pnnmotdu -to,

u d u ~W ~ a n tnehd~m ~ ii

I

-------------- J n

SI. 13.1. Sherna principa rada pneumatskog sustava

ili upravljanje), stlateni zrak puSta se u slobodnu atmosferu, pa pneumatski sustavi nemaju povratni vod. Za prikazivanje pneumatskih sustava koriste se simboli CETOP koji uglavnom odgovaraju onima Sto se koriste za hidraulitke sustave (prilog Bl).

13.3. TehniCke prednosti i nedostaci pneumatskih sustava Pneumatski sustavi imaju vrlo Siroku primjenu u industriji - od jednostavnih alata do pogona i upravljanja sloZenim proizvodnirn linijama. U usporedbi s hidraulitkim sustavima pneumatski sustavi se koriste za manje sile i zakretne momente. S tlakom zraka od 6 - 7 bara mogu ostvariti sile do 1,5 x lo4 N, s prihvatljivim okvirnim dimenzijama (gabaritima) komponenata sustava. Ako se usporede hidraulitki, pneumatski, fluidiEki, elektriEni i elektronitki sustavi, onda vrijedi opCenito pravilo: - kada se u sustavu prenose velike sile i zakretni momenti, koriste se hidraulitki sustavi, - za prijenos manjih sila i zakretnih momenata, uz moguCnost upravljanja, koriste se pneumatski i elektrifni sustavi, - za prijenos informacija i upravljanje koriste se fluiditki i elektronitki sustavi. Glavne prednosti pneumatskih sustava jesu: - nema opasnosti od eksplozije sustava (osim eventualno eksplozije spremnika) ili od poiara, pa su vrlo pogodni za primjenu u industriji za obradu drva, nafte, boja i lakova, eksploziva itd., - optimalne brzine strujanja zraka su oko 40 d s , ali mogu dostiCi i brzinu zvuka bez posljedica za sustav, dok su standardne brzine klipnjate cilindra 1 - 2 d s , a kod posebnih izvedbi udarnih cilindara i do 10 mls, - moguC je, relativno jednostavan, prijenos pneumatske energije na veCe udaljenosti, - neosjetljivost na preoptereCenje, pa se pneumatski elementi mogu opteretiti do zaustavljanja, a da pri tome ne nastanu nikakva oSteCenja, - pneumatski elementi mogu raditi od - 20 OC do + 70 OC, a kod posebnih izvedbi i do 200 OC,dok fluiditki elementi mogu raditi od - 50 OC do otprilike 1 000 OC, - nisu osjetljivi na radijaciju, magnetsko i elektriEno polje, te na druge oblike onetiSCenja vanjske atmosfere, - omoguCuju neprekidnu promjenu brzine izvrsnih motora, kao i duljine hoda klipnjate kod cilindara,

ne oneEiSCava uredaje ni okoliS pa je pogodan za upotrebu u prehrambenoj industriji, - pneumatski sustavi nemaju povratnih vodova, - jednostavno odrZavanje i laka zamjena dijelova, s obzirom na standardne elemente, I I - mala teiina (komponente su IakSe od elektrienih za istu sniiu), - komponente su robusne i otporne na vibracije. Osim navedenih prednosti, pneumatski sustav ima i nedostataka: - zbog stlaEivosti zraka, sile na klipnjaEi su ograniEene, - stlateni je zrak, kao medij, skuplji od ekvivalentnog medija za isti proizvodni rad ostvaren elektritnom energijom ili uljem u hidraulitkom sustavu. U prosjeku se raruna da treba oko 0,12 k w h elektriEne energije za dobivanje 1 mi (normalnog metra kubnog) zraka stlaEenog do 6 bara, - pri ekspanziji zraka u atmosferu, nakon obavljenog rada stvara se znatna buka, - zbog stlativosti zraka nije moguCe postiCi male i konstantne brzine klipa, - prijenos signala na velike udaljenosti nije moguC. Navedeni nedostaci mogu se ublaiiti ili ukloniti raznim konstrukcijskim rjeSenjima i upotrebom drugih medija u kombinaciji sa stlaEenim zrakom. Na primjer, za veCe sile koriste se pneumohidrauliEki sustavi, gdje se kombinacijom pneumatskog i hidrauliEkog cilindra razliEitih povrSina dadu sile znatno multiplicirati. Pneumohidraulitki sustavi koriste se takoder za vrlo finu i bestupnjevitu regulaciju hoda klipa. Za spretavanje buke na ispuSnoj strani ventila ili cilindra ugraduju se priguSivaEi. Kad je potrebno upravljanje na veCim udaljenostima, kao i kod sloienih upravljatkih zahtjeva, uglavnom se koriste upravljaEki signali u elektritnom podrutju, a za obavljanje mehaniEkog rada stlaEeni zrak. To su tzv. pneumoelektritni sustavi. J(ao Sto je spomenuto, dobivanje stlaEenog zraka je skupo. Medutim, kada postoji kompresor i razvodna mreia zraka, dakle kada je energija stlaEenog zraka na raspolaganju, analize pokazuju da je tada pogonska energija pneumatske brusilice 40 % jeftinija od elektriEne energije potrebne za pogon elektriEne brusilice istih karakteristika. Ako se joS dodaju troSkowi odriavanja, prednost pneumatskih uredaja je ofita.

13.4. 0pis stanja pneumatskog sustava Karakteristike radnog procesa pneumatskog sustava proistjeEu iz karakteristika stlatenog zraka, a obuhvataju: - dobivanje stlaEenog zraka, - strujanje zraka u cjevovodima, - ekspanziju zraka na priguSnim otvorima, - rad zraka u radnim komorama izvrSnog motora. Za opis procesa u toku prijenosa energije koriste se: jednadiba kontinuiteta protoka


zakon' kolifine gibanja (uz pofetne baine v = 0)

uvod u pneumatske sustave

Rad ekspanzije W2 i pri politropskom procesu je:

zakon o oEuvanju energije jednadiba stanja plina za 1 kg plina

Rad ekspanzije W2 pri izotermitkom procesu je jednak: v 2

(13-8)

W2 = pl V, In -[I] Vl

pv= RT, Q [kg/m3] - gustota plina, A,, A2 [m2] - povrJina protofnog otvora, - brzine strujanja, cl, q [ d s ] ml, m2 [kg] - masa plina, - promjena unutrasnje energije, A u[J] Q [Jl - toplinska energija, w[Jl - rad, P [p!k - tlak, v[m g] - specifibi volumen, R [Jl(kgK)] - plinska konstanta zraka [R = 287 J/(kgK)], T[KI - temperatura. U termodinamici su iz jednadtbi (13-1) i (13-4) izvedene jednadibe ekspanzije plina za strujanje bez trenja:

gdje su:

U procesu prigusivanja struje zraka dolazi do njegove ekspanzije s paralelnim adijabatskim toplinskim procesom i pretvorbom rada vanjskih sila u kinetiEku energiju struje zraka.

Uvodenjem relacije (13-5), dobiva se izraz za brzinu strujanja zraka na priguSnom otvoru:

Pri odnosu tlakova mlp 1 0.528, u najuZem presjeku prigugnika, brzina strujanja zraka jednaka je brzini zvuka. Pri kritiCnom tlaku pr, = 0.528 m bnina strujanja je:4

=

G

Ilk

Za strujanjc s trenjem ulnjesto cksponenta k inla~lloeksponent m. Vrijednost eksponenta rn kod procesa ekspanzije zraka u elementima pneumatskog sustava je u granicama 1 2 m 2 1,41, gdje m = 1 odgovara ekspanziji zraka s potpunim odvodenjem topline (izoterma) (karakteristicno za strujanje zraka kroz dugaEke cijevi), a m = 1,41 odgovara procesu Jirenja zraka'bez izmjene topline (adijabata) (karakteristitno za priguSne otvore).

13.5. Pneumatski rad Za pneumatski sustav karakteristitna su dva rada:

- rad kompresije, - rad ekspanzije plina. Rad kompresije WI je jednak: WI = pl VI, pri Eemu je V, [m3] ukupni poEetni volumen.

(13-10)

,

gdje je: 4 [ d s ] f i [P;k vk [m g]

- kritiEna brzina strujanja zraka, - kritirni tlak,

- specifithi kritiihi volumen zraka, = 1.41. -. Osnovne pneumatske veliEine su: tlak p i brzina strujanja zraka c, odnosno protok Q. Jedinica za mjerenje . [Pa], . . odnosno [bar], a za brzinu strujanja [mls] - tlaka je te protok [m3/s]. . --t

'

13.6. Pad tlaka zbog otpora trenja

\

Pad je tlaka Ap stlaknog zraka, koji struji kroz cjevdvod pri turbulentnorn strujanju, zbroj padova tlaka kroz qevovod razlicitog presjeka ZAP, i zbroj padova tlaka zbog skretanja mlaza stlaknog zraka kroz koljena razlicitog radijusa savijanja te ventila ZAP,: (13-1 1) Ap = ZAP, + ZAPm . Pad tlaka zbog strujanja zraka kroz cilindritne cijevi dan je izrazom:


Uvod u pneumatske sustave Tablica 13.1. KarakteristiEne vrijednosti koeficijenta otpora

10000

2Om

30000

MOOD

SOW

Reynoldsovu broju Re

gdje su: Ap, [Pa] - pad tlaka, 1 - koeficijent trenja, I [m] - duljina cijevi, d - promjer cijevi, e kg/m3] - gustoCa stlaEenog zraka, c [mls] - brzina strujanja. VeliEina koeficijenta trenja A ovisi o hrapavosti unutraSnjih povrSina cijevi te vrijednosti Reynoldsova broja Re (vidi 1.8). Na s1.13.2. dana je ovisnost koeficijenta A o Reynoldsovu broju Re. Koeficijent trenja 1 moZe se odrediti i raEunski prema izrazu:

p]

1= 0.02d4," , (13-13) gdje je: d [m] - promjer cjevovoda. Kod naglih promjena brzine strujanja po velitini i po smjeru dodaje se pad tlaka koji je neovisan o gubicima zbog trenja: Apt"=

cL f;-Q7

2 gdje je: Ap,,, [Pa] - pad tlaka, f - koeficijent otpora, c Im/s] - srednja brzina strujanja na mjestu gubitaka, Q [kg/m3] - gustoCa zraka na mjestu gubitaka.

(13-14)

Vrijednosti koeficijenta otpora C za tipiEne sluEajeve dane su u tablici 13.1.

t

-

Q

.-.-

.

.-.

-.-.

L -

ni I v

I

S1. 13.3. Odredivanje ukupnog pada tlaka

184


Ukupni pad tlaka za cijev oblika kao na s1.13.3. odreduje se ovako:

gdje prva tri Elana odreduju zbroj gubitaka zbog trenja na ukupnoj duiini, a ~ a d n j a dva odreduju gubitke zbog nagle promjene brzine strujanja. Pretpostavlja se da je gustota stlaEenog zraka za prikazani dio cijevi konstantna, a srednja brzina strujanja u svakom presjeku ima jedno odredeno vrijeme konstantnu vrijednost. U praksi ukupni je pad tlaka od tlaEne posude do potroSaEa oko 5% od radnog tlaka, pri srednjim brzinama strujanja u cjevovodu do 10 m/s.

14. Pneumatski uredaji za pretvorbu energije 14.1. Uvod

b uredaje za pretvorbu energije ubrajaju se kompresori razliEitih tipova i veliEina, koji mehaniEku energiju pretvaraju u energiju stlaEenog zraka, zatirn pneumatski motori, linearni i rotacijski, koji energiju stlaEenog zraka pretvaraju u mehaniEki rad. 14.2. Kompresori Energija stlaEenog zraka dobiva se pretvorbom iz mehaniEke energije. Uredaji se nazivaju kompresori. Karakteristiku svakog kompresora Eine: koliEina dobave izrdena u m>min (nonnalni metar kubni po minuti) i postignuti tlak (omjer kompresije). Zadatak kompresora je da usisni zrak pod nonnalnim atmosferskim tlakom stlaEi na potrebni radni tlak (5 do 8 bara za industrijske sustave) i tako dovedenu mehaniEku energiju pretvori u energiju stlaEenog zraka. Kapacitet kompresora odreduje se dobavaim volumenom zraka m>h na usisu pri stalnom atmosferskom tlaku i normalnoj temperaturi. Kompresor ima odgovarajuCe mehanizme za tlaEenje i razvodenje zraka. TlaEni mehanizam tlaEi zahvaCenu kolifinu zraka. Mehanizam za razdvajanje razdvaja podruEje niskog tlaka od podruqa sa stlaEenim zrakorn. Niz je razliEitih kompresora sasvim odredenih karakteristika i namjene.

- Klipni kompresori

jednostupnjeviti jednoradni

vertikalni

vigestupnjeviti

horizontalni

I

- Rotacijski kompresori -

radijalni aksijalni

dvoradni turbo

krilni vijEani

14.2.1. Klipni kompresori

U tehniEkoj praksi najvige se upotrebljavaju klipni kompresori (~1.141)kod kojih je tlaEni mehanizam klip s cilindrom, a mehanizam za razvodenje dva ventila sa sjedigtem.


Pneumatski uredaji za pretvorbu energije

187

usisavanje se nastavlja, ali zbog otpora u usisnim cijevima i samom usisnom ventilu, stvarni usisni tlak je niti od teorijskoga. Zbog navedenih razloga u cilindar ude manja koliEina zraka od teorijski moguCe. - Stvarni proces tlaEenja od A do B i proces istiskivanja od C do D, zbog termodinamiEkih pojava u cilindru i otpora strujanja u tlatnom ventilu i tlatnom vodu, takoder se razlikuje od teorijskoga. Rad koji se utroE za tlaEenje od B do C dan je izrazom: n-l . w=- n pl3vEi[(:)"-l] [fig]. n-1

SI. 14.1. shema principa rada klipnog kompresora a - jedno-

Politropski koeficijent n prema iskustvu iznosi 1.2 do 1.3. Kapacitet kompresora ovisi o dimenziji cilindra i broju okretaja, te za jednoradni kompresor iznosi:

radni, b - dvoradni

Klipni kompresori upotrebljavaju se za dobave do 4 000 m h . Jednoradni klipni kompresori (s1.14.la) postiZu maksimalni tlak zraka do 4 bara pri 160 do 300 o/min. Usisavanje i tlaEenje zraka obavlja se sarno s jedne strane klipa. Rad kompresora se odvija ciklifno. Hod klipa prema dolje s otvorenim usisnim ventilom je usisavanje, a hod klipa prema gore sa zatvorenim ventilima je tlaknje. Na kraju tlaEenja otvara se tlaEni ventil. Dvoradni klipni kompresori usisavaju i tlaEe zrak s obje strane klipa (s1.14.lb). Klip se podmazuje uljem. PotroSnja ulja kod klipnih kompresora je prosjeEno 50 do 100 g ulja na 1 000 m&. Rad kompresora moZe se prikazati u pvdijagramu, sl.l.1.2. Na slici je prikazan teorijski rad plina punorn crtorn, i to usisavanje od toEke A do B, tlaEenje od B do C i istiskivanje stlaknog zraka iz cilindra C do D. Stvarni rad razlikuje se od teorijskoga, Sto je prikazano isprekidanorn crtom na s1.14.2. Kao Sto se sa slike vidi, stvarni rad kompresora (isprekidana crta) i teorijski rad (puna crta) ne poklapaju se, i to iz vise razloga. - U rnomentu istiskivanja stlaeenog zraka iz cilindra, dok je otvoren tlaEni ventil, nije moguCe sav stlateni zrak istisnuti iz cilindra. Dio zraka ostane u cilindru koji u prvome momentu usisavanja ekspandira. Pomicanjem klipa od A prema B

stvarni dijagrm teaeWd dlbarn

s

I

SI. 14.2.

Prikaz rada kompresora u pvdijagramu

gdje su: Q [m3/min] - kapacitet kompresora, x - stupanj punjenja, D [rn] - promjer klipa, L [m] - hod klipa, n [olmin] - broj okretaja u minuti. Stupanj punjenja x koeficijent je koji je uvijek manji od jedinice a posljedica je nepotpunog iskoriStenja volumena cilindra kompresora, pada tlaka kroz usisni vod, kao i razlike teorijskih i stvarnih termodinamitkih procesa. Njegova se vrijednost moZe raEunski odrediti izrazom:

gdje je: x - koeficijent punjenja, /? - koeficijent koji obuhvaCa gubitke u ventilima, vlaZnost zraka, promjene temperature itd. (/?= 0,9 do 0,96), y - odnos neiskoriStenog volumena prema ukupnom volumenu cilindra (y = 0,02 do 0,06), a - koeficijent kojim se uzimaju u obzir gubici zbog prigdivanja pri usisavanju i kompresiji (a = 1,05 do 1,08), p, - poktni tlak, fi - konaEni tlak, n - eksponent promjene stanja Klipni komprqqqyi korjste se redovito za tlakove niie od l0'bara. Za dobivanje stlatenog zraka pod viSim tlakovima koriste se visestupnjeviti klipni kompresori (dva i tri stupnja). Tlak pojedinog stupnja odreden je ternperaturom stlaEenog zraka. BuduCi da se kompresori podmazuju uljem, konaEna temperatura zraka zbog temperature zapaljenja ulja ne moie biti visa od 140 O C . StlaEeni zrak iz prvog stupnja kornpresora uvodi se u hladnjak. Odvodenjem topline stlatenom se zraku sniiava temperatura a time i volumen. Tako je volumen cilindra drugog stupnja manji od Jolumena cilindra prvog stupnja.


188

Industrijski tlak zralia koji se uglavnom i koristi (tlaka do 6 bara), dobiva se jednostupnim kompresorom pa se viSestupni kompresori neCe detaljnije obradivati.

pneumatski uredaji za pretvorbu energije '

189

Kapacitet kornpresora mora biti:

14.2.2. Rotacijski kompresori Krilni kompresori (s1.14.3) koriste se za relativno velike dobave pri tlaku niiem od 8 bara. Pogodni su za stalan rad s malim brojem ukljutivanja (maks. do 30 ukljuEivanja i iskljucivanja na sat).

a

tl - t2 gdje je: O = -. t2

Izraz pokazuje odnos vremena punjenja rezervoara prema radnom periodu sustava. Primjer P-14.1.

SI. 14.3. Shema principa rada klipnog kornpresora

Zrak se tlaEi na raEun smanjenja volumena izmedu dvaju krilaca te rotora i statora kompresora u toku rotacije rotora. Zbog trenja krilaca o stijenke statora (kuCiSta) kompresora, kompresori irnaju relativno veliku potrognju ulja. Postoje konstrukcije krilnih kompresora s krilcima od teflona koji se koriste za dobivanje Eistog stlatenog zraka (bez ulja). VijCani kompresori imaju veliku dobavu. Koriste neSto viSe snage za istu koliEinu stlaEenog zraka (20%) nego klipni kompresori. Velika im je prednost dugi vijek trajanja, mali troSkovi odrZavanja te relativno male koliEine ulja u stlaEenom zraku. Zrak se kod vijEanih kompresora tlaEi pomoCu dvaju spregnutih vijaka (kao kod vijEaste hidrauliEke crpke) koji se okreCu u suprotnim smjerovima.

Treba odrediti kapacitet jednostupnjevitog dvoradnog klipnog kompresora ako su zadani ovi podaci: promjer cilindra Dc a 120 mm, L = 160 mm, - hod klipa - broj okretaja n = 350 olmin, - odnos krajnjeg i poEetnog tlaka d p , = 3

-

Kapacitet jednoradnog kornpresora dan je izrazom (14-2). Kapacitet Q dvoradnog kompresora iznosi:

pri k m u se iz iskustva uzima da je 2 0 ' - d2 = 1.96 D 2(gdje je d - promjer klipnjak). Koeticijent punjenja I je dan izrazom (14-3). gdje je uzeto da je y = 0,04,a = 1,06 i eksponent politrope n = 1 3 , pa sliiedi:

= 0,93 te

Turbo-kompresori se grade kao radijalni ili aksijalni. Zbog svojih karakteristika, kao i zbog jednostavnog odritavanja, najviSe se upotrebljavaju od svih kornpresora. NajviSe se primjenjuju u procesnoj'industriji. Zrak, nakon tlafenja, ne sadrZi ulje jer se, osim osovine i lefaja, drugi dijelovi kompresora ne podmazuju. 14.2.3. Rad I kapacitet kompresora

Kompresori rade s intermitencijom: kad se dostigne zadana razina tlaka u tlaEnoj posudi, proces tlaknja se prekida a zrak iz tlaEne posude se troSi, zbog Eega opada tlak u tlaEnoj posudi pa se kompresor ponovo ukljutuje. UkljuEenje tlaEenja zraka odvija se tlahim sklopkama. Tlak ukljutivanja i iskljuEivanja moie se podeSavati. Vrijeme rada kdthpresora u intermitencijskom pogonu mdze ,de odrediti iz ovog odnosa, uz uvjet da je GI > Gz:

gdje je: ~ , [ r n ~ / h ]kapacitet kompresora, ~ ~ [ m ~-/ potroSnja h] stlaknog zraka, t,[h] - vrijeme rada kompresora, tz[h] - ukupno vrijeme.

Kapacitet kompresora iznosi:

odnosno Q = 64.8 m3h.

BuduCi da je gustob zraka pri normalnim uvjetima p = 1.29 kg/m3, slijddi:

G = Q p = 64.8

X

1.29

= 83.59 k@h.

Po izlasku iz kompresora stlaEeni zrak se uvodi u hladnjak. Odvodenjem topline stlaEenom zraku pada temperatura i smanjuje se volumen, Eime se stvaraju povoljni uvjeti za izdvajanje vlage iz zraka. Kondenzat se izdvaja u posebnim odvajaeima prije odvodenja zraka u tlaEnu posudu. Prema vaZeCim propisima, temperatura zraka na izlazu jednostupnjevitog kompresora ne smije biti visa od 140 O C , a za dvostupnjeviti 120 OC.


14.3. Kompresorska stanica

191

sor se ponovo ukljuEuje kada tlak u tlaEnoj posudi padne na donju vrijednost zadane vrijednosti tlaka. Broj ukljuEenja u toku jednog sata je ograniEen na najviSe 15, kako se ne bi oStetili uputni uredaji i pogonski motor. U tom sluEaju volumen V tlaEne posude moie se odrediti po iskustvenom izrazu: (14-6) V = 0,9 Q [m3]

Tri su moguCnosti za dobivanje stlaEenog zraka:

- iz srediSnje kompresorske stanice,

- iz vise kompresorskih stanica, - opskrba svakog potroSaEa posebno. Dobivanje stlatenog zraka iz centralne kompresorske stanice oEituje se lakltim odrZavanjem i boljim koeficijentom korisnog djelovanja te uStedama energije. Kompresorske stanibe grade se unutar tvorniEkog kruga kao zasebna postrojenja koja bi trebala biti smjeStena (locirana) tako da su podjednako udaljena od svih bitnih tvorniEkih potroSaEa. Uz kompresorsku stanicu ugraduje se tlaEna posuda. U kompresorskoj su stanici (s1.14.4) kompresori, hladnjaci i odvajaEi vlage (separatori). Usisni vod je postavljen izvan stanice s obaveznim filtrom. Trebalo bi ga postaviti tako da se usisavanje obavlja s najhladnijeg mjesta (sjeverna strana) i gdje nema Eestica neEistoCa u zraku.

SI. 14.4. Stacionarno kompresorsko postrojenje


..

gdje je: Q [m3/min]l- kapacitet kompresora. Drugi naEin regulacije je sa stalno ukljuhnim pogonskim motorom, a povremenim iskljuEivanjem kompresora. Kod postizanja odredenog tlaka u rezervoaru, prekida se dobava stlaEenog zraka iz kompresora i on radi nna praznocc (usisni ventil je stalno otvoren). Zbog toga je dopuSteno viSe ukapEavanja (do 100 na sat). Tada volumen V tlaEne posude iznosi pema iskustvenom izrazu:

V = 0,4 Q [m3],

(14-7)

gdje je: Q [m3/min] - kapacitet kompresora. Ako kompresorska stanica ima vise kompresora, tada se veliEina tlaEne posude odreduje prema kapacitetu najveCeg kompresora. Na ulaznom dijelu tlaEne posude postavljaju se prepreke, tako da se naglim skretanjem struje stlaEenog zraka izdvajaju Eestice ulja i kondenzata. TlaEne posude se mogu postaviti uspravno ili vodoravno, uz uvjet da su pristupaEne sa svih strana (s1.14.5).

.

14.4. TlaCne posude Funkcija tlaEne posude smjeStene iza kompresora je viSestruka:

- ublaiavanje neravnomjernosti rada kompresora, - regulacija rada kompresora prema potroSnji,

- izdvajanje vode i ulja iz stlaEenog zraka.

Ako se tlatna posuda koristi samo za ublaiavanje neravnomjernosti rada klipnog kompresora, dovoljno je da njezin volumen bude 20 do 50 volurnena posljednjeg. stupnja - - kompresora. Kad se tlaEna posuda koristi za regulaciju rada kompresora, odredivanje volurnena je sloienije. Zasebni uredaj kompresora iskljuEuje rad pogonskog motora kad se postigne prethodno zadana vrijednost tlaka u tlacnoj posudi. Kompre-

SI. 14.5. TlaCna posuda: 1 - ulazni prikljuEak, 2 - izlazni prikljutak, 3 - ventil sigurnosti, 4 - tlakomjer, 5 - slavina za ispustanje kondenzata, 6 - otvor za EisCenje. 7 - slavina i 8 - tlaCna sklopka

Svaka tlaEna posuda (s1.14.5) mora imati: -- prikljuEni otvor za dovod stlaEenog zraka 1, prikljuEni otvor za odvod stlaEenog zraka 2,

- prikljuEne otvore za vezu s regulatorom,

- ventil za ograniEenje tlaka (ventil sigurnosti) 3 koji se aktivira kad tlak u rezervoaru preraste radni tlak za lo%,

- tlakomjer 4, - slavinu za ispuStanje kondenzata ili automatski odvajaE kondenzata 5, - otvorza EiSCenje unutraSnjosti rezervoara 6,

192


- ventil (slavinu) za isklhtenje rezervoara iz mreie 7, - tlaEni ~rekidaE8.

193

pneumatski uredaji za pretvorbu energije

TlaEne posude ve& od 10 dm3 podlijeZu propisima za posude pod tlakom i moraju imati odgovarajuti atest.

14.5. Razvodna mreZa stlaCenog zraka Mreiu stlatenog zraka Eine vodovi koji, polazeCi od tlaEne posude, fiksno poloieni i h r s t o spojeni, dovode stlaEeni zrak do rnjesta potroSnje (s1.14.6).

SI. 14.7. Sherna principa rada prstenaste razvodne mreie stlatenog zraka

14.6. Priprema stlaEenog zraka

SI.14.6. Razvodna mreia stlabnog zraka

Cvrsto poloieni vod stlaEenog zraka mora biti pristupaEan sa svih strana, tako da se ornoguCi provjeravanje nepropusnosti cijevne mrefe. Vodoravno (horizontalno) vodeni vodovi stlaEenog zraka rnoraju se polagati s padom 1-2% u smjeru strujanja. Glavni vodovi, koji idu prema dolje, ne srniju se zavrSavati na prikljuEku za potroSaE, nego se vode neSto dalje. U protivnome bi kondenzat, koji se izdvojio u rnreii, dospio do potroiata. Kondenzat se skuplja i ispuSta u najnibj t d k i razvodne mreie. Cijevna mreia pqenstveno se izvodi s EeliEnirn cijevima i zavartpim spojevima. Zavareni Sav je nepropusniji od bilo koje spojke. PotroSaEi se prikljuhju pomoCu brzorazdvojivih spojki i preko priprernne grupe zraka. Za opskrbljivanje stlahnim zrakom radioniEkog pogona ili hale, preporutuje se postavljanje prstenastog voda (s1.14.7) s ugradenirn meduspremnikom. Opskrbljivanje zrakom kod prstenastog razvoda je ujednafenije, a kolebanja tlaka se znatno smanjuju. MreZa stlaEenog zraka podijeljena je na odjele. Tako se pri odrhvanju i popravljanju ne mora odzraEiti cijela mesa. Velifine odjela odreduju se prerna prikljuEenim potroSaEima.

Stlafcni zrak poslije izlaska iz kornpresora nije potpuno Eist. On sad* razne nepoZeljne sastojke pa se bez prethodnog EiSCenja ne mote koristiti u pneumatskim sustavima. NajEeSCi su nepoZeljni sastojci u stlatenom zraku: - voda u tekutem ili plinovitom stanju, - ulje u obliku emulzije, kapljica ili uljne magle (ulje dospijeva u stlateni zrak iz kompresora gdje podmazuje pokretne dijelove), krute neeistoke, sitne atrnosferske netistoke, produkti korozije i troSenja pokretnih dijelova. Voda koja se kondenzira iz pneumatske mreZe ispugta se na unaprijed predvidenim mjestima za odvod kondenzata. Na istorn se rnjestu mogu odstraniti i Eestice ulja ili emulzija ulja. Krute Eestice odstranjuju se iz sustava filtrima koji se obavezno moraju ugraditi u razvodnu mreZu stlafeno~zraka.

-

14.6.1. Vlainost stlaEenog zraka i stvaranje kondenzata

U stlaEenom zraku nalazi se odredena koliEina vodene pare. KoliEina vodene pare ovisi o relativnoj vlasnosti usisanog zraka u kompresor. VlaZni zrak je onaj zrak koji u sebi sadrZi vodenu paru. KoliEina vodene pare u zraku izralava se apsolutnom ili relativnom vlaZnoSCu. Apsolutna vlaZnost je odnos mase vodene pare m, prema masi suhog zraka mzu totalnoj masi zraka: x=%, mz

195 Hidraulika i pneumatika

Pneumatski uredaji za prehrorbu energije

- apsolutna vlaZnost,

gdje je: x

m,, [kg] - masa vodene pare, m, [kg] - masa suhog zraka.

Relativna vlainost zraka je priblizno jednaka odnosu mase vodene pare m, prema masi vodene pare m,", koja zrak dovodi u zasitenje:

gdjc jc: cp

rn [k m : '

fkgl

- relativna vla2nost. - masa vodene pare koja zrak dovodi u zasitenje.

- masa vodene pare,

Relativna vlainost moZe se izraziti parcijalnim tlakovima: vla111d z r ~ l a

SI. 14.8. I1rlkazvlafnosti zraka & u wisnosti o tempelaturi i relativnoj vlainosti cp

Maksimalna koliEina vodene pare do zasitenja zraka dobiva se iz izraza

- relativna vlainost, gdje su: cp p [Pa] - stvarni parcijalni tlak za vodenu paru za danu temperaturu, pl[Pa] - moguCi parcijalni tlak vodene pare za zadanu temperaturu xd - apsolutna vlainost zraka, x' - vlaZnost zasitenog zraka. PribliZna jednakost izraza (14-8) dobro se podudara za niZe temperature stlaEenog zraka kakve su uglavnom kod pneumatskih sustava. KoliEina vlage u vlaZnorri zraku za razlicite temperature i stupanj relativne vlafnosti dana je u dijagramu na s1.14.8. U tablici 14.1. dane su numeriEke vrijednosti za koliEinu vlage u vlaZnom zraku kod 1 bara uz cp = 100%.

gdje je: x' [kg vode/m3 zraka] - vlahost zasiknja, tj. maksimalna koliEina vodene pare koju zrak moZe pri odredenoj temperaturi apsorbirati (saddavati) bez kondenzacije, ukupni pad tlaka vlaZnog zraka, PO [Pal stvarni parcijalni tlak za vodenu paru za danu P [Pal temperaturu, moguEi parcijalni tlak vodene pare za zadanu P' [Pal temperaturu, - gusto& zraka pri tlaku i radnoj 1bar temperaturi. 4n [kglm31

Tablica 14.1. Vlafnost zasikenog zraka

vrijc(l~~ost Y ' [gr/m3] pri tlaku I bar

0 "C -20 10 0 +10 +20 +30 +40 +50

+60 +70

0

+1

+2

+3

+4

+5

+6

+7

+8

+9

0,90 2,16 4,90 9,50 17,3 30.4 50,9 82,7 130.1 197,9

0,99 2.34 5.20 10,O 18.3 32.0 53,6 86,7 136,7 205.8

1.08 2,512 5.60 10.7 19.4 33,7 56.5 90.8 141.7 214,O

1.18 2,72 6,OO 11.4 20.6 35.5 58.3 95,l 148,O 225.0

1,29 2.94 6,40 12.1 21.8 37,4 62.2 99.6 154,3 234,l

1,41 3,17 6,80 12,8 23,l 39,4 65.2 104.3 161.1 241.6

1.53 3.41 7.30 13.7 24.5 41,s 68,4 108.9 168.0 250.7

1,67 3.68 7.80 14,5 25,8 43.7 71,7 113.8 175,l 260,O

1.83 3.96 8.20 15,4 27.3 46,O 75,2 119,l 182,5 270.7

1,99 4,26 8,80 16,3 283 48,4 78,9 124,4 190.1 281.3

.

0

10

50

, 100

11 VI~III

150

par~/m'zr~k~

SI. 14.9. Prikaz izdvajanja kondenzata ovisno o temperaturi i tlaku stlatenog zraka


196

Pri razliEitim vrijednostima tlaka i temperature, razliEite su vrijednosti maksimalnih kolitina vodene pare u zraku. Te vrijednosti su to veCe Sto je temperatura visa i tlak niii. Na s1.14.9 vrijednosti su za vlainost zasiCenja u ovisnosti o tlaku i temperaturi. Iz dijagrama proistjeEe da je izdvajanje kondenzata to veCe Sto je viSi tlak i niia temperatura. Otuda i proistjeEe potreba da se stlaEeni zrak po izlasku iz kompresora, kada ima najveCi tlak, ohladi u hladnjaku na najniiu moguCu temperaturu. Time se ostvaruju najpogodniji uvjeti za kondenzaciju, odnosno izdvajanje vlage iz zraka. Kada bi se u hladnjacima uspjela sniziti temperatura ispod one koja se moie pojaviti u pogonima, tada ne bi bilo opasnosti od pojave kondenzata u pneumatskim uredajima. U potpunosti to nije moguCe postiCi jer se zrak i u mreii hladi. Sto vise kondenzata nastoji se izdvojiti iz stlatenog zraka u tlaEnoj posudi, koja se obiEno postavlja na najhladnijem dijelu kompresorskop postrojenja. Citava se pneumatska mreZa stlaEenog zraka mora graditi tako da je omoguCeno slijevanje kondenzata i izluEenog ulja, na vise mjesta. Prije radnih komponenata ugraduju se filtri (odnosno pripremna grupa), gdje se, osim mehaniEkih Eestica, izdvajaju voda i ulje.

14.7. Filtar Osnovna funkcija filtra je odvajanje mehaniEkih neEistoCa iz struje stlaEenog zraka. Poznato je da zrak sad& znaEajne koliEine krutih Eestica koje bi u struji stlaEenog zraka mogle dospjeti u pneumatski sustav. Grubi filtar se ugraduje na ulazu u kompresor, a fini na njegovom izlaznom dijelu. Ulazni filtar je napravljen tako da ima minimalne otpore strujanja, kako bi se osiguralo dobro usisavanje u kompresor. Fini filtar je uredaj (s1.14.10) kod kojega se za EiSCenje stlaEenog zraka koristi viSe efekata. Zrak se usmjerava tangencijalno na stijenke sabirne posude 1. Zbog centrifugalne sile, veCe se Eestice neEistoCe, kao i kondenzat, slivaju niz stijenku posude. KoristeCi se promjenom smjera strujdnja zbog inercionih sila, veCe Eestice i kondenzat padaju na zvonasti Stitnik 2, a odatle na donji dio sabirne posude. PomoCu uloSka filtra 3, odvajaju se najsitnije Eestice koje su i dalje u struji zraka. UloEak- filtra je izraden od sinterirane bronce ili mesinga i ima oblik zvona ili

Filtar: 1 - sabirna (slivna)posuda, 2 - zv0nasti Gtitnik. 3 - uloiak filtra i 4 slavina SI. 14.10.

-

Pneumatski uredaji za prehrorbu energije

197

krnje piramide. Tijelo filtra je od aluminijske legure ili bronce, a slivna posuda (tafica) od polikarbonata (providna je), tako da se moie kontrolirati sadriaj neEistoCa.

Pokretni elementi pneumatskog sustava podmazuju se ugradnjom zauljivata (mazalica) ispred pneumatskih uredaja ili u instalaciju pneumatskog sustava koji osiguravaju zauljivanje struje stlaknog zraka. VeCina zauljivaEa radi na principu Venturijeve mlaznice s1.14.11a. Padom tlaka u suienom presjeku usisava se ulje u struju zraka. Regulacijskim vijkom regulira se potrebna koliEina ulja mjerena obiEno brojem kapi u minuti, koje kapaju u kontrolnoj posudi. Opisani zauljivaE je tzv. obiEni zauljivat kod kojega varijacije u potroSnji zraka uzrokuju promjene brzine, zbog Eega je na izlazu smjesa zraka i ulja nejednoliEna. Struja zraka odnosi i veCe kapljice ulja koje se taloZe u rakama i koljenima cjevovoda te elementima. Pri maloj potroSnji zraka brzina strujanja nije dovoljna da osigura potrebnu koliEinu uUa. Prema tome, obiEni zauljivah nisu prikladni za podmazivanje pneumatskih sustava, vet se mogu koristiti za podmazivanje zupEanika, lefaja, lanEanika itd. Za podmazivanje pneumatskih sustava potrebna je smjesa najfinijih Eestica uljne magle rasprSenih u stlaknom zraku. Takvu finu uljnu maglu daju mikrozauljivati. Oni osiguravaju finu uljnu maglu, rasprgenu u stlatenom zraku pri svim uvjetima rada (pri maloj i velikoj potroSnji stlatenog zraka). Na s1.14.11. shematski je prikaz mikrozauljivaEa P 93 Tvornice ~ V l a d obag at^. StlaEeni zrak ulazi u Venturijevu cijev mikrozauljivaEa i dijeli se na tri dijela a, b i c.

SI. 14.11.

i 3 - ulje

ZauljivaE: 1 - Venturijeva cijev, 2 - cjevEica

Pneumatski uredaji za pretvorbu energije 198

199

Hiiraulika i pneumatika

SI. 14.12.

- osigurava konstantno dotjecanje ulja u prostor D, bez obzira na razinu ulja u

EaSici ,

- osigurava rezervu ulja kratko vrijeme kad nestane ulja u EaSici. Regulacija kapi ulja obavlja se preko regulacijskog vijka, a vizuelno promatra kroz kontrolnu,kapp kapalice. fl , Mjerenjem je ustanovljeno da samo 3 do 4% koliEine ulja koje dospije u formiraE smjese odlazi u obliku najfinije uljne magle do potrofab. Na s1.14.13. prikazana je koliEina ulja (broj kapi u ovisnosti o protoku stlaEenog zraka za obiEni zauljivaE i mikrozauljivaE). ZauljivaE se obavezno ugraduje u paru s odgovarajuCim filtrom. Nikada se ne zauljuje neeisti zrak jer bi to bilo pogubno za klizne parove pneumatskih uredaja. Za zauljivanje se koriste rijetka mineralna ulja viskoznosti 10-50 mm21s pri ' 20 O C otporna na koroziju i oksidaciju.

14.9. Regulator tlaka

a) Glavnina stlaEenog zraka prolazi kroz Venturijevu cijev iz prostora A u prostor B i taj dio zraka joS nije zauljen. b) Dio stlaEenog u a k a prolazi kroz ulaz H u C, svojim strujanjem uvlaEi Eestice ulja iz prostora D. Tako se formira bogata smjesa ulja i zraka u prostoru B. Zbog naglog skretanja prema gore, veCe i teZe Eestice ostaju na stijenci EaSice, a samo fina uljna magla dolazi u prostor E i mijeSa se sa strujom zraka oznaEenom a. T c) Neznatan dio stlaEenog zraka koji struji cjevEicom do dna uljne EaSice ima zadatak da stalno, stvarajuCi lagani uzgon, puni rezervnu posudu za ulje. Rezervna posuda za ulje ima viSestruku namjenu: - onemoguCava dolazak eventualnog taloga iz EaSice u struju zraka,

Regulator tlaka (s1.14.14) nuZna je komponenta pneumatskih sustava a osnovna mu je funkcija odrZavanje konstantnog tlaka na izlazu. Tlak na ulazu u regulator mora biti viSi od izlaznog tlaka. Izlazni tlak (s1.14.14) podeSava se vijkom 3, Eiji se pomak preko opruge 2 prenosi na membranu 1. Izlazni tlak djeluje na membranu s gornje strane a opruga s donje. Ako je sila u opruzi veCa, membrana preko zatika pomiEe ventil sa sjediStem 4, i time propuSta veCu koliEinu zraka u prostor iznad membrane i prema izlazu ventila. Porastom

-

S1. 14.14. Regulator tlaka: 1 membrana. 2 i 5 - opruga, 3 - vijak. 4 - ventil sa sjediStem i 6 - otvor za spoj s almosferom

SI. 14.13. Prikaz kolitine ulja u ovisnosti o kolitini stla6 e n 0 ~zraka

tlaka na izlazu regulatora, raste sila na membrani s gornje strane koja tlaEi oprugu regulacijskog vijka i smanjuje se otvor na ventilu sa sjediStem, odnosno smanjuje se koliEina zraka na ulazu. U sluEaju naglog porasta tlaka na izlazu (udar tlaka), membrana se i dalje pomiEe i tlaEi oprugu, otvara se prolaz 6 , te stlaEeni zrak iz izlaznog dijela regulacijskog ventila odlazi u atmosfqru. To uzrokuje pad tlaka u izlaznom dijelu. Tako se kontinuirano regulira i odrZava tlak na izlazu.


200


201

14.10. Pripremna grupa zraka U tlaEni se vod pneumatskog sustava, prije potroSaEa, obiEno ugraduje sklop koji sadrii filtar, regulator tlaka i zauljivaE (s1.14.15). Sklop se naziva pripremna grupa.

SI. 14.17. Krilni pneumatski m o b

SI. 14.16. ZupEasti pneurnatski motor

SI. 14.15. Priprernna grupa zraka

karakteristike pripremne grupe odgovaraju karakteristikama regulatora tlaka ugradenih u njih. Pripremna se grupa izabire prema prikljutnoj dimenziji. Tako definirani protok zraka mora biti u skladu sa stvarno potrebnim protokom., Ako je izabrana pripremna grupa s prevelikom prikljuEnom dimenzijom, brzina strujanja zraka neCe biti dovoljna da osigura pravilan rad zauljivata te postoji mogufnost stvaranja siromaSne smjese. Izbor male prikljuEne dimenzije osigurava bogatu smjesu ali Ce smanjiti maksimalno mo@i protok zraka, Sto moZe imati negativne posljedice na rad pneumatskog uredaja. Pripremna grupa se mora postaviti Sto bliZe potrolaEu (do 5 cm) kako bi uljna magla mogla dospjeti do klimih povrSina. Prevelika udaljenost omoguCava da se uljna magla izdvoji i natalo? na stijenke.

14.11. Pneumatski motori Pneumatski se rnotori konstruiraju kao: - rotacijski pneumatski motori, - pneumatski cilindri,

stlaCeni zrak. Tlak zraka djeluje na botne povrline rneduzublja, koje su u n e p r e d nom dodiru. Zbog razliEite veliEine povrSina (odredene toEkom dodira) dolazi d o rezultantne sile koja zupEanike rotira nasuprot struji ulaznog zraka. Nailaskom meduzublja na boEni otvor na kuCiStu, zrak odlazi izvan prostora motora. Kod pneumatskih motora primjenjuju se zupEanici s ravnim, kosim i strelastim ozubljenjem. ZupEasti pneumatski motor radi bez ekspanzije stlaEenog zraka. Ovi s e motori reverziraju jednostavnom promjenom smjera napajanja. Pneumatski zuphsti motori imaju visok moment inercije rotirajutih dijelova i koriste se za pogon mehanizama s neravnomjernim optereCenjem, rijetkim promjenama smjera okretanja i za rad bez Eestih zaustavljanja. Motori s kosim zubima primjenjuju se za reverzibilne pogone, a motori sa strelastim zubima za nereverzibilne. . Krilni pneumatski motor (s1.14.17) ima rotor smjeSten ekscentritno u odnosu prema kuCiStu. Na rotoru su smjeStena krilca koja se mogu pomicati radijalno u kanalima rotora. S donje strahe krilca imaju opruge koje ih potiskuju prema kuCiStu motora. Tako se formira radni prostor izmedu dvaju krilaca te rotora i statora. Zbog rotacije rotora taj se prostor povekava, odnosno smanjuje. Na krilca na ulaznom dijelu djeluje tlak struje zraka i kao rezultat toga javlja se sila i obrtni moment koji zakrete rotor. Krilni motor radi s djelomiEnom ekspanzijom zraka. Krilni pneumatski motori imaju mali moment inercije rotirajukih dijelova i relativno jednostavnu konstrukciju. Da bi se smanjila mogutnost zaklinjavanja krilaca, ona se naginju u smjeru rotacije. Posljedica toga je da su motori uglavuom jednosmjerni.

14.12. Pneumatski cilindri Pneumatski cilindar prikazan principnom shemom na s1.14.18, sastoji se od: prikljuEaka 1 i 2, prednjeg 6 i straZnjeg poklopca, klipa. 4, klipnjaEe 5 i tijela cilindra 7. Pneumatski se cilindri grade s jednom klipnjaEom ili dvije, te za jednosmjerno ili dvosmjerno gibanje (s1.14.19). Pneumatski cilindri za luEno gibanje (obrtni pneumatski cilindri) takoder mogu biti jednoradni ili dvoradni.

- udarni pneumatski cilindri.

Rotacijski pneumatski motori obitno su zupfasti ili krilni.

Zuptarti pneunlntski netor (s1.14.16) irna dva zupfanika u zahvatu, smjeltena u zajednitko kutilte. U prostor izlaska zuba iz zahvata (meduzublje) dovodi se

SI. 14.18. Sherna principa rada pneumatskog cilindra: 1 i 2 prikljuCni otvori, 3 i 6 poklopac, 4 klip, 5 klipnjata i 7 tijelo

-

-

-

-

-


202

Pneurnatski uredaji za pretvorbu energije

203

14.12.1. Jednoradni pneumatski cilindri

a

b

Jednoradni (jednosmjerni) pneumatski cilindri obavljaju koristan rad samo u jednom smjeru. StlaEenim zrakom se napaja s jedne strane. VraCanje klipnjafe u polazni poloiaj izvodi se oprugama, djelovanjem neke vanjske sile ili pod djelovanjem vlastite teiine ,(s1.14.22).

C

,

SI. 14.19. Konstrukcijski oblici pneurnatskih cilindara

I

Osim klipnih cilindara, u pneumatici ima i membranskih (s1.14.20). Kod njih se pneumatska energija pretvara u mehaniEku gibanjem membrane pod djelovanjgm tlaka stlaEenog zraka. Membranski jednoradni cilindri obiEno se konstrukcijski izvode u dva oblika: s tanjurastom membranom (s1.14.20a) i rputujufom~membranom (s1.14.20b).

SI. 14.22. Jednoradni pneurnatski cilindar

Sila na klipnjaEi jednoradnog cilihdra je:

F = A, pn - A2.n - F, - Fo,

SI. 14.20. Mernbranski pneurnatski cilindar (a) i cilindar s putujubrn rnembranorn (b)

b

Karakteristike membranskih cilindara su vrlo velike sile, mali hodovi i mala frekvencija rada. Kod membranskih cilindara s tanjurastom membranom hodovi se izvode obiEno do 80 mm, a kod cilindara s putujuCom membranom ti su hodovi mnogo veCi, i d o 200 mm, pa Eak i vise. Klipni pneumatski cilindar gibanjem klipa ostvaruje koristan rad. NaEin na koji ostvaruje to gibanje i rad koji obavlja na tom putu osnovna su odlika pneumatskog cilindra. U usporedbi s odgovarajufim uredajima u elektrotehnici, gdje translatorno gibanje obavljaju elektromagneti za istu snagu, pneumatski cilindar je mnogo manji. Dodavanjem jednostavnih mehaniEkih elemenata, translatorno se gibanje lako pretvara u ~njihajukccili ogranikno kruZno (s1.14.21).

(14-10) gdje je: A1 i A2 [m2]- povrSina klipa, - tlak napajanja (djeluje na povrSinu A l ) , p, [Pa] - tlak u prostoru s oprugom (djeluje na povrSinu A2), pz [Pa] - sila trenja, F, [Nl - sila u opruzi. F o [NI Sila trenja ima pribliinu vrijednost:

Sila u opruzi Fomijenja se (ovisno o hodu) linearno, te se moie raEunski odrediti formulom:

gdje je: Foax [N] - maksimalna sila u opruzi kad je ona stlaEena d o kraja, Fo [N] - sila prednapona opruge, L [m] - ukupna duljina opruge, xk [m] - trenutna duljina stlaEene opruge (odgovara hodu klipa). Kod jednoradnog cilindra moie se zanemariti vrijednost produkta A2 p2 jer je vrijednost tlaka relativno mala. KonaEni izraz za raEunsko odredivanje slle na klipnjaEi jednoradnog pneumatskog cilindra ima oblik:

1

b

SI. 14.21. Protvaranje translatornog gibanja

Pneumatski cilindri izraduju se s maksimalnim hodom do 2 500 mm (postoje konstrukcije bez klipnjaEe s hodovima veCim od 2 500 mm) i brzinama od 1 do 2 d s , a maksimalno do 10 d s . Koeficijent korisnog djelovanja pneumatskog cilindra 71, iznosi 0,7 do 0,9.

F= kAlpn-Fo[N1, gdje je k = 0,8 - 0,9 (empiriEki koeficijent).

(14-12)

Kada cilindar promatramo statifki (klipnjaEa zaustavljena u krajnjem polotaju), a to je ujedno i osnovna namjena ovih cilindara (stezanje npr.), formula za silu glasi:.


204

14.12.2. Dvoradni pneumatski cilindri

Dvoradni pneumatski cilindri obavljaju koristan rad u oba smjera gibanja klipnjate, hodu naprijed i nazad, s1.14.23.

Pneumatski uredaji za pretwrbu energije

205

Pri odabiranju odgovarajuteg pneumatskog cilindra treba uzeti u obzir ove karakteristike: - potrebnu silu, - potrebni hod. - potrebnu brzinu, - konstrukcijsko rjeSenje cilindra (naEin pritvrYenja, zavrSetak klipnjate, prikljuEke itd.). Zbog sloienosti proratuna karakteriititnih velitina potrebnih za izbor pneumatskog cilindra u tehnitkoj se praksi koriste nomogrami (sl. A-9, prilog A).

SI 14.21 Dvoradni pneumatski cilindar

14.12.3. Udarni pneurnatski cilindri

Za gibanje u zadanom smjeru mora se ispred klipa dovesti stlakni zrak, istovremeno se prostor iza klipa spaja s atmosferom. Za drugi smjer gibanja obavlja se napajanje suprotne strane klipa i odgovarajute odzraEivanje. Sila na klipnjah u smjeru prema naprijed je: Fi = A l p - A z n - F , a u smjeru prema nazad:

Pneumatski motor udarnog djelovanja (sl. 14.24) sastoji se od slobodnog klipa 1, izlaznog kanala 2, ulaznog ventila 3 i cilindra. Klip na kraju hoda udara na odgovarajuti dIZaE alata i predaje mu znatajnu energiju.

[W,

FZ= Azpn-AI PI - f i [N], gdje je: Al i Az [mZ]- aktivna povrSina klipa, p,, [Pa] - tlak napajanja, pl i rn [Pa] - tlak u komori koja se spaja s atmosferom, F, [nl - sila trenja. Moie se uzeti da je otpor nastao zbog ostatka zraka u komori s druge strane kiipa: A I PI = Azrn = (0,3 - 0 4 ) A pn , a sila trenja iznosi:

F, = (0,l - 012) A . pn, te je sila na klipnjaci dvoradnog cilindra

F = k p, A [N] ,

(14- 14)

gdje je: k = 0,4 - 0,6 (iskustveni koeficijent) A [mZ] - korisna povrSina klipa. Statitka vrijednost sileena klipnjati je:

F = A p, [N]

.

St. 14.24. Shematski prikaz udarnog pneumatskog cilindra: 1 - klip, 2 ispuSni kanal, 3 ventil i 4 kanal

-

-

Start udarnog motora nastupa otvaranjem ventila 3. StlaEeni zrak dolazi u lijevu komoru iza klipa i Siri se. Klip se ubrzava i postiZe brzinu 5 do 8 mls. Prelaskom klipa preko izlaznog kanala 2, tlak iza klipa naglo opada. Istovremeno tlak u desnoj komori (ispred klipa) poEinje rasti. Neposredno poslije udara klipa o nosaE alata, pod djelovanjem tog tlaka, premjeSta se pokretni dio ventila 3 i usmjerava stlateni zrak u desnu komoru, koji potpomaEe vratanje klipa u potetni polofaj. U toku povratnog hoda klip otvara izlazni kanal gdje astupa odzraEivanje desne komore. Istovremeno, stlakni zrak ispred klipa u lije oj komori premjegta razvodni ventil i usmjerava stlalieni zrak u lijevu komoru. Tako se ciklus stalno ponavlja. Vrijeme otvaranja ventila, kao i hod klipa te njegova masa, tako je dimenzionirano da se udarom klipa o drZaE alata dobije maksimalno moguCa mehanifka energija. Kod nekih konstrukcija udarnih motora postoji mogutnost podeSavanja sile udara. Udarni pneumatski motori imaju energiju udara do 150 N d s , frekvenciju udara do 50 11s i udarnu snagu do 7 kW, potroSnja stlaEenog zraka je 1.2 - 1.5 m$ (kW min).

f

(14-15)

Pri izbom cilindra prema potrebnoj sili treba uzeti u obzir Einjenicu da i konstrukcijsko jeSenje utjeEe na totnu vrijednost sile. Varijacije tlaka napajanja izravno utjetu na vrijednost ile. To zahtijeva da se pri izboru odaberu veCe vrijednosti promjera cilindra, kako bi se zadovoljila traZena veliEina sile. Postizanje sasvim toEne sile zahtijeva posebno paZljiv izbor i proraliun, kao i odgovarajuta mjerenja u stvarnim uvjetima rada. Vrlo dugatke klipnjate potrebno je provjeriti na izvijanje prema poznatom obrascu (3.32). ProraEun sile izvijanja izvodi se na uobitajeni naEin.

-


206

Tablica 14.2. PotroSnja zraka

14.1 3. PotroSnja stlaeenog zraka PotroSnja stlaknog zraka ovisi o volurnenu cilindra (motora), njihovom broju i broju radnih ciklusa. Osim toga, izvjestan gubitak stlaEenog zraka nastaje na prikljukima mrtvog prostora u prednjem i zadnjem poklopcu itd. Za odredivanje ukupne potroSnje stlaEenog zraka u jednom cilindru polazi se od specifiEne potrolinje, tj, potroSnje svedene na 1 crn hoda klipa i svedene na stanje po = 1,032 5 bara i\ternperature t = 20 OC, odnosno T = 293 K. U tehniEkoj praksi potroSnja zraka moZe se odrediti tako da se s po, Vo i To oznaEi stanje atmosferskog zraka (p, = 1.013 25 bara i To 293 K), a s p, V i T odgovarajuk stanje stlaEenog zraka u cilindru pa se iz odnosa

v

P

Po

-c

T

vo

To

207

Pneumatski uredaji z a pretvorbu energije

bar1 Radni tlak ra(== , 8

Prornjcr cilindra D (mm)

2 I '

3 I

4

5

6

7

potrognja zraka (litlcm hoda)

8

9

10

",

Vo = -To V . Po T

dobiva

Temperatura stlaEenog zraka u cilindru je neSto viSa od temperature atrnosferskog zraka, ali se kod proraEuna potrolinje moZe uzeti da je T = To, Sto je za praksu dovoljno toEno. Tim pojednostavnjenjima jednadiba (14-16) dobiva oblik:

Vo= a V ,

(14-17)

gdje je:

14.14. Pneumatsko-hidraulieki pogoni pri Eemu je p [bar] tlak stlaEenog zraka.

Primjer P-14.2. Kolika Ce biti potroSnja stlatenog zraka za jedan hod u cilindru promjera d = 50 rnm i hoda h = 4 crn ako radi na tlaku od 5 bara. RjeJenje

PovrSina klipa:

StlaEivost zraka je nedostatak pneumatike koji djeluje rnanje ili viSe samo za upravljanja ovisna o putu i za polagane pomake. Kod polaganih pomaka klipa, koji se ostvaruju priguSivanjem struje stlaknog zraka, zbog stlaEivosti zraka i djelovanja trenja (stick - slip), nastaju trzaji klipa. Zbog stlaEivosti zraka ne moie se odrZavati konstantna brzina pomaka od p o k t k a do kraja hoda klipa. Kombiniranjem pneumatike i hidraulike navedeni se problemi mogu ukloniti. Pri tome se razlikuju tri osnovna sustava: - pretvaraE tlaEnog medija, - uljni koEioni cilindar, - multiplikator tlaka. 14.14.1. PretvaraC tlaCnog medija

Potrebni volumen stlatenog zraka za jedan cm hoda klipa je: V=A

.I

= 19.635 cm3 = 0,019 6 2 U 1 crn hoda.

Za tlak od 5 bara spccifiEna potroJnja Cc biti:

V, = a . V =

p

+ 1.013 25

=

1.013 25

PretvaraE tlaEnog medija, prikazan principijelnom shemom na s1.14.25, tlak zraka pretvara u jednako visoki tlak hidrauliEkog ulja. U cilindru se giba klip bez klipnjaEe koji odvaja prostor sa zrakom (pneumatika) od prostora s uljem (hidraulika). Ako se u prostoru sa zrakom podigne tlak, klip se giba udesno, tlaEi i potiskuje ulje, stvarajuki u njemu isti tlak. PoSto je hidraulitko ulje praktiEki nestlahvo, koristi se za lagane pomake i male brzine.

25 0.019 63 = 0.116 Ulcm. 1.013 25

+

Za ukupni hod od 4 cm potroSnja Ce biti:

V, = V h =0,46 Uhod.

Da bi se olakSalo izratunavanje potroSnje stlatenog zraka za standardne pogone pneumatskih cilindara, moic posluZiti tablica 14.2.

a SI. 14.25. Shema principa rada PretvaraCa tlatnog medija


Pneurnatski uredaji za pcetvorbu energije

209

Primjeri upotrebe uljnih cilindara za kotenje su prikazani na s1.16.28. KoEenje s prigugivanjem kod izvlaEenja klipnjate prikazano je na s1.14.28a. Reguliranje brzine hoda naprijed i nazad prikazano je na s1.14.28b.

-

b-

a

SI. 14.26. Primjeri upotrebe pretvarata tlatnog medija

Na s1.14.26. prikazane su sheme pogona s pretvaraEem tlaEnog medija za upravljanje gibanjem klipa cilindra. Hod klipa naprijed izveden je hidrauliEki (s1.14.26a) i regulira se prigugnikom, a povratni hod je pneumatski. Gibanje klipa u hodu prema naprijed veoma je ovisno o optereknju. Regulacija hoda naprijed i nazad (s1.16.26b) izvedena je hidraulitlci, pomoCu prigulnika. Gibanje klipa je lagano i ravnomjerno te relativno malo ovisno o vanjskom opteretenju jer je klip upet u ulju. HidrauliEki dio mora biti popunjen uljem i bez zraka. Novije konstmkcije pretvaraEa tlaEnog medija imaju automatsko odzracivanje. U toku eksploatacije uredaja obavlja se redovita kontrola i dolijevanje ulja. 14.14.2. Uljni koEioni cilindar

Uljni koEioni cilindar prikazan je hidrauliekom shemom na s1.14.27. Izmedu komora cilindra postavlja se pngugnik koji omoguCava podelavanje brzine premjeStanja klipa. Uljni koEioni cilindar se mehaniEkom polugom veZe za pneumatski cilindar prema vrsti primjene.

SI. 14.28. Prirnjeri upotrebe uljnog cilindra za koCenje

I

14.14.3. Multiplikator (pojaEalo) tlaka

Multiplikator ili pojaEalo tlaka prevodi postojeti tlak stlatenog zraka u viSi tlak hidraulitkog ulja. Shema principa rada prikazana je na s1.14.29. Multiplikator tlaka sastoji se od dvaju tlaEnih prostora razlititih povrsina, presjeka i volumena. VeCi tlaEni prostor je pneumatski a manji hidraulitki. UmnoZak tlaka i povrSine klipa jednak je na pneumatskom i hidraulitkom dijelu. Za multiplikaciju tlaka v a n je omjer povrgina, pri Eemu se,mora uzeti u obzir i gubitak energije zbog trenja.

SI. 14.29. Shema principa djelovanja multiplikatoratlaka

1

b

SI. 14.27. Shema principa rada uljnog cilindra za kotenje

C

Multiplikatori tlaka se grade s prijenosnim omjerima 1:4 do 1:80. MoguCnosti pnmjene multiplikatora tlaka su slitne onima kod pretvarata tlaEnog medija (~1.1430). Multiplikator tlaka omoguCava, osim veCe sile po jedinici povrSine, i

15. Uredaji za upravljanje energijom i njezin prijenos 15.1. Uvod

1

b

$1. 14.30. Primjeri upotrebe multiplikatora tlaka

relativno toEnu regulaciju hoda, pri Eemu je veliEina hoda ogranitena volumenom hidrauliEkog dijela multiplikatora.

UpravljaEki uredaji omoguCuju pokretanje, zaustavljanje i promjenu smjera pneumatskih motora, zatim regulaciju protoka te ograniEenje tlaka i osiguranje od pieoptereCenja. U pneumatskom sustavu ti uredaji imaju ulogu prijenosnika energije i prijenosnika informacija. Prema funkciji obiEno se dijele na pet osnovnih grupa: - razvodnici, - zaporni ventili, - tlaEni ventili, - protoEni ventili, - cijevni zatvarafi.

15.2. Razvodnici Osnovna funkcija razvodnika je usmjeravanje struje stlaknog naka. Oni omoguCuju prolaz, zatvaranje i promjenu smjera struje stlaEenogzraka. Razvodnici omoguCuju start, promjenu smjera i zaustavljanje pneumatskog motora. Osnovne karakteristike pneumatskih razvodnika su: - broj radnih poloiaja, - broj prikljufaka, - funkcija radnog poloiaja, - naEin aktiviranja, - nazivni protoEni otvor. Te su karakteristike identiEne s onima kod hidrauliEkih razvodnika. NaEine aktiviranja razvodnika moiemo podijeliti prema vrsti signala kojim se obavlja aktiviranje te prema naEinu na koji se izvodi, s1.15.1. Izravno aktiviranje obavlja se na sarnom ventilu i moZe biti mehanifko, daljinsko eIektriEno ili pneumatsko s padom ili porastom tlaka. U pneumatskim shemama tlaEni vod se oznaEava slovom P, oduSni vod slovom R, a radni vodovi (vodovi za spoj cilindara ili motora) slovima A, B, C..., a upravljaEki vodovi X, Y, 2. UobiEajene konstrukcijske izvedbe pneumatskih razvodnika su: - razvodnici sa sjediltem, - klipni razvodnici, - ploEasti razvodnici, - kombinirani razvodnici.


Uredaji za upravljanje energijom i njezin prijenos

213

Razvodnici s kuglicom su vrlo jednostavni, ali nemaju kvalitetno brtvljenje, pa se manje upotrebljavaju, s1.15.2. Na s1.15.3. prikazan je razvodnik 312 s tanjurom i prekrivanjem faze. To zna6 da su u jednome momentu svi otvori razvodnika otvoreni. Tada je tlatni vod P spojen istodobno s izlazom A i odzraeivanjem R. Pri polaganom pomicanju sjediSta ventila gubici stlatenog zraka su veliki. Da bi se izbjegli, izraduju se ventili bez faze prekrivanja, s1.15.4.

n

fl A

SI. 15.2. Razvodnik s kuglicorn: a

b - kvodnik 312

- razvodnik 212,

Sl. 15.3. Razvodnlk 3/2 s tanjuribm i prekrivanjem faze

-

1 C

-

SI. 15.1. AMiviranje razvodnika: a moguknosti aktiviranja razvodnika, b - primjeri RziEkog naEina aktiviranja, c - prirnjeri mehanitkog natina aktiviranja

15.2.1. Razvodnici sa sjedigtem

Razvodnici sa sjediStem imaju vrlo kratko vrijeme aktiviranja (otvaranje ili zatvaranje). Odlikuju se dobrim brtvljenjem jer je relativno velika povrSina nalijeganja sjediSta i pokretnog dijela. Neosjetljivi su na netistote iz zraka. Konstrukcijski se izvode s kuglicom, konusom ili tanjurom. Rijetko se grade s vise od dva prikljutka i dva radna poloiaja. Brtvljenje i podmazivanje se moie rijeSiti na zadovoljavajuCi natin.

-

SI. 15.4. Razvodnik 3/2 s tanjurikern bez prekrivanja faze: a spojeni kanali A i R, b svi prolazi su zatvoreni, spojeni kanali P i A, d spojeni kanali P i A,'.-svi prolazi su zatvoretLf -spojeni kanali A i R

-

Pri prebacivanju razvodnika iz nultog polo2aja, s1.15.4;a, najprije se prekida strujanje zraka iz cilindra A u oduSnik R, zatim se spaja tlatni vod P sa A. Kod takve izvedbe nema gubitaka zraka. Na s1.15.4. prikazan je razvodnik 3/2 s otvorenim nultim poloihjem, i to u polobju a nulti polofaj, b medupolofaj, c polotaj ukljuEivanja. Razvodnik sa zatvorenim nultim poloZajem prikazan je na s1.15.4d, e, i f, i to poloZaj d gdje su spojeni tlatni vod P i vod A, e zatvoreni su svi kanali i f spojen je kana1 A i R. Razvodnik s kaSnjenjem preklapanja ili nazvan joS i pneumatski vremenski rele, prikazan je na ~1115.5.


21 4

$1. 15.5. Razvodnik 312 s vremenskim kasnjenjem: 1 - jednosmjerni priguSni ventil. 2 - spremnik, 3 - klip ventila

215


zrak posebnim kanalom vodi ispod sjediSta ventila indirektno upravljanog razvodnika. Elektromagnet obavlja aktiviranje kotvc direktno aktiviranog razvodnika, Eime omogukava prolaz stlaEenog zraka kroz kanal A u prostor iznad klipa razvodnika. StlaEeni zrak djeluje na klip glavnog razvodnika, Eime obavlja aktiviranje. PNO se zatvara prolaz zraka iz povratnog kanala A u oduSni vod R, a zatim se otvara prolaz iz tlaEnog voda P u kanal A. Takvim se postupkom sile na elektromagnetu', zndtno smanjuju. Na primjer, kod standardfi'og razvodnika 312 veliEine 118"i tlaka 6 bara sila aktiviranja iznosi 13.5 N, a kod istog takvog razvodnika s indirektnim aktiviranjem iznosi 1.8 N 15.2.2. Klipni razvodnici

Zapravo, to je 312 tlaEni razvodnik s pneumatskim aktiviranjem. Zrak Z za aktiviranje upravljanja dovodi se posebnim kanalom preko jednosmjernog priguSnog ventila 1 u spremnik razvodnika 2. Ovisno o podeSenosti priguSnog ventila 1, u spremnik dolazi vise ili manje zraka u jedinici vremena. Tek kad je postignut nuZni upra\ljaEki tlak, koji djeluje na klip ventila 3, slijedi alctiviranje. PodeSeno vrijeme potrebno za punjenje spremnika vrijeme je kaSnjenja od ulaska signala do aktiviranja. PodruEje vrernena kaSnjenja iznosi od 1d o 30 sekundi. . regulacije Za povratni poloZaj ventila mora se odzraEiti povratni vod. Zrak iz spremnika slobodno izlazi kroz jednosmjerni priguSni ventil u odzraEni vod. Elektromagnetskog aktiviranja moZe biti direktno ili indirektno. Pomicanjem kotve elektromagneta izravno se otvara, odnosno zatvara prolaz struje zraka, Eime se ostvaruje direktno aktiviranje. Takav naEin upravljanja moguCe je primijeniti samo kod malih protoka, jer bi u protivnom elektromagneti morali biti veliki. Na s1.15.6. prikazan je razvodnik s elektromagnetom i indirektnim aktiviranjem. Kako se na slici vidi, stlaEeni se

Klipni razvodnici imaju, kao element za razvodenje stlaEenog zraka, razvodni klip koji se pomitk u profiliranoj Eahuri (kao kod hidrauliEkih razvodnika) lijevo ili desno i omogutava odgovarajuke spajanje prikljuEnih otvora P i R sa otvorima A, B (s1.15.7).

SI. 15.7. Klipni razvodnik

I

b

Osnovna je prednost klipnih razvodnika jednostavnost izrade, velik izbor naEina aktiviranja te siguran rad u gotovo svim polotajima. Sila aktiviranja je relativno mala jer treba svladati samo unutrdnje otpore i eventualno silu povratne ' opruge. Veliki nedostatak klipnih razvodnika je problem brtvljenja, podmazivanje pokretnih dijelova, habanje pokretnih dijelova te gubici istjecanja. S obzirom na te probleme, brojne su konstrukcije klipnih razvodnika koje vise ili manje uspjeSno rjeSavaju neki od problema. Klipni su razvodnici najSiru primjenu naSli u pneumatskim sustavima. 15.2.3. PloEasti razvodnici

QdCik

SI. 15.6. Elekiromagnetski razvodnik 312 indirektno aktiviran

PloEasti razvodnici se izvode sa tri i Eetiri radna poloZaja i tri prikljuEka (s1.15.8). Razvodenje je omogukno zakretanjem razvodne ploEe po ravnoj ploEi i odgovarajufim spajanjem prikljuEnih otvora. Takvom je konstrukcijom omogu.keno dobro brtvljenje i zadrZavanje zadanih polohja. PloEasti se razvodnici aktiviraju najEeSte ruEno. Na s1.15.9. prikazan je razvodnik 412 s klipom i ploEastim razvodnikom pneumatski aktiviran.


Uredaji z a upravljanje energijorn i njezin prijenos

217

jako dugi, problem otpora u vodovima, u smislu njegova utjecaja na nazivni prototni otvor razvodnika, moie zanemariti. Dijagramom sl. A-10 (prilog A), moZe se birati velitina nazivnog protoEnog otvora pneumatskog razvodnika za dani promjer cilindra, optereCenje i potrebnu brzinu klipa. Dijagram je raden za tlak zraka od 6 bara. Primjer P-15.1 Pneumatski cilindar ima promjer 70 mm, opteretenje na klipnjati je l.kN, bnina klipa 150 mmls. Potrebno je odrediti nazivni prototni otvor razvodnika.

m m m

SI. 15.8. PloEasti razvodnik

Kada se zadane vrijednosti uvrste u dijagram na s1.A-10, ofita se d a je brzina klipa za ramodnik 118" jednaka 45 m d s , a za 114" je 180 mmls. Odabire se razvodnik s nazivnim protdnim otvororn 114", a naknadnom ugradnjom jednosmjemog prigusnog ventila u sklop regulatora bnine podelava se brzina klipa na trafenu velitinu.

15.3. Zaporni veniili

SI.15.9. Razvodnik 412 s klipom i p l b s t i m razvodnikom pneumatski akliviran

Osnovna funkcija zapornih ventila je zatvaranje protoka struje stlatenog zraka u jednom i slobodno propuStanje u suprotnom smjeru. Konstrukcijski je ta funkcija potpomognuta odgovarajuCom razlikom tlaka. Zaporni se ventili obiEno dijele na: - nepovratne ventile, - izmjenitno zaporne ventile, - brzoodzraEne ventile, - uvjetno zaporne ventile. 15.3.1. Nepovratni ventili

15.2.4. lzbor razvodnika

Izbor pneumatskog razvodnika jest zapravo odredivanje njegova nazivnog protoEnog otvora, tako da se dobije zahtijevano gibanje izvrSnog pneumatskog motora (cilindar ili motor). S obzirom na poznate Bnjenice da se procesi u toku prijenosa i pretvorbe pneumatske energije ne mogu na zadovoljavajuCi naEin opisati, izbor nazivnog protdnog otvora je otefan. i obavlja se na osnovi iskustvenih normi i podataka koje daju proizvodaEi.

Nepovratni ventili zatvaraju protok struje stlatenog zraka u jednom smjeru a slobodno propuStaju u suprotnoin smjeru (djeluju kao dioda u elektritnom krugu). Osnovna konstrukcija nepovratnih ventila je na s1.15.10.

v.

Za pravilan izbor nazivnog protoEnog otvora razvodnika veoma su vafne ove velitine:

SI. 15.10. Zaporni ventil (a) s kugllcom i (b) sa sjediStern i oprugom

.+

4m-

- promjer cilindra (specifitni volumen pneumatskog motora),

- optere6enje, - potrebna brzina klipa cilindra (kutna brzina vratila motora). Duiina vodova takoder utjete na izbor nazivnog prototnog otvora razvodnika zbog otpora strujanja, ali se u podrutjima uobitajenih primjena, kada vodovi nisu

Dva su tipa nepovratnih ventila: nepovratni ventil sa zatvorenim protokom ako je tlak na izlaznoj strani vet5 nego na ulaznoj (sl.lS.lOa), i nepovratni ventil s protokom zatvorenim kada je tlak na izlaznoj strani nepovratnog ventila veCi ili jednak 'tlaku na ulaznoj strani (s1.15.10b).

Hiraulika i pneurnatika

218


219

15.3.2. IzmjeniEno zaporni ventil

15.3.4. Uvjetno zaporni ventil

IzmjeniEno zaporni ventil, prikazan shemom na s1.15.11, propuSta signal na izlaz, zatvarajuti istovremeno vezu s drugim ulaznim kanalom. Funkcija izmjeniEno zapornog ventila je identiEna s logitkom funkcijom ILL

Uvjetno, zaporni ventil - prikazan shemom na s1.15.13. - daje signal na izlazu, uz uvjet da postoje dva signala na ulazu i da on odgovara IogiEkoj funkciji B I ~ .

SI. 15.13.Uvjetno zaporni ventil

S/.15.ll. IzmjeniCno zapomi ventil

15.3.3. BnoodzraEni ventil

&

Djeluje li tlak samo s jedne strane klip se pomiEe i zatvara prolaz. Tek kada djeluje tlak i s druge strane, zrak'prolazi pakraj klipa na izlaz. Ako postoje oba tlaka, tada je signal na izlazu jednak nifem tlaku.

15.4. TlaEni ventili

BrzoodzraCni ventil omoguCava ispuStanje stlaknog zraka u atmosferu, poSto je obavio rad, direktno iz voda Eim je tlak u tlaEnom vodu pao, tako da ne prolazi kroz razvodnik (s1.15.12a). Cilj toga ispuStanja je smanjenje otpora pri istjecanju zraka, Eime se razlika tlaka na klipu pneumatskog cilindra povetava, Sto izravno utjeEe na poveCanje brzine klipa (s1.15.12b).

U grupu tlaEnih ventila ubrajamo:

- ventile za regulauju tlaka (regulatori tlaka),

- ventil za ograniknje tlaka (ventili sigurnosti i prosljedni ventili)

15.4.1. Ventili za regulaciju tlaka

Ventili za regulaciju tlaka konstrukcijski se izvode kao: - ventil za regulaciju tlaka bez korekcije prekoracenja tlaka u odvodu, Sto znaEi

da on ostvaruje regulaciju tlaka u odvodu neovisno o varijacijama (viSim od izlaznog tlaka) na ulazu (s1.15.14a). - ventil za regulaciju tlaka s korekcijom prekoracenja tlaka u odvodnom kanalu, kod kojega se, osim regulacije tlaka na izlazu, podeSava tlak na zadanu vrijednost kod eventualnog porasta tlaka u odvodnom kanalu. Taj se ventil koristi za regulaciju tlaka u sklopu pripremne grupe i njegov rad je veC opisan (odjeljak 14.9 i sl. 14.14).

SI.15.12.BrzoodzraCni ventil: a - shematski prikaz ventila, b brrine klipa, c - shema spajanja

- prikaz.

.

Dovodenjem zraka iz voda P, zatvara se prolaz za odzraknje R. Zrak slobodno struji kroz izlazni kanal A. U momentu kada prestane dovod zraka kroz kanal P, zbog djelovanja tlaka iz kanala A, otvara se kanal za odzraEenje R, a zatvara kanal P i odzraEuje se kanal A izravno u atmosferu. Pneumatska shema spajanja brzoodzraEnog ventila je na s1.15.12.c.

SI. 15.14. Ventil za regulaciju tlaka:

a - redukcijski ventil.

b - ventil sigurnosti

Pneumatsko upravljanje

16. Pneumatsko ypravljanje 16.1. Uvod Pod pojmom ~pneumatskoupravljanjeu razumijeva se sustav vodovima medusobno povezanih uredaja namijenjenih pretvorbi i upravljanju pneumatskom energijom, koja obavlja zadanu funkciju. Ovo poglavljc obuhvata: - osnovnc pncumatskc pogonc, - osnovne oblike pneumatskog upravljanja, - pneumatske logitke sklopove, - fluidiku.

223

Kod pneumatskog upravljanja obitno je upravljatki lanac otvorenog tipa. Tok informacija je od osjetila prema pneumatskim motorima (radnim elementima) i uvijek je isti, bez obzira na to kojim je elementima rijeSen upravljacki sklop. Kod pneumatskog upravljanja energetski dio, u vetini slutajeva, ima istu razinu tlaka, od 6 do 8 bara, a upravljaEki moie biti istog ili niieg tlaka. Upravljatki dio sklopa istog tlaka, konstrukcijski se izvodi odgovarajutim ventilima i razvodnicima. Kod nekih kompleksnih upravljaEkih sustava koriste'*se u upravljaEkom dijelu digitalni fluidiEki elementi. q a k stlaEenog zraka je mnogo niii i rijetko prelazi 2 bara.

16.3. Osnovni pneumatski pogoni Z a razliku od hidraulitkog pogona koji je izrazito krut (zahvaljujuti maloj stlaEivosti radne tekdine), pneumatski sustav je elastican (plinovi imaju veliku stlafivost). Pneumatski sustavi se stoga ne koriste za pozicijska upravljanja gdje je krutost pogona uvjet. U usporedbi s hidrauliEkim sustavima, snaga je viSestruko manja. Tendencija primjene ovih sustava je u podruEju malih snaga (manjih od 1 kW) te za relativno visoke brzine odziva.

16.3.1. Upravljanje gibanjem izvrsnih motora

16.2. Osnovne karakteristike pneumatskog upravljanja Jedna od vatnih karakteristika suvremene automatizacije je tendencija da se Eovjek, koji je ranijim razvojem tehnike veC rastereten od teSkog fiziEkog rada, sada oslobada neposrednih intervencija u upravljaEkim i regulacijskim procesima. Ta je teZnja diktirala razvoj i neprestano usavrSavanje takvih tehnitkih sredstava koja Ce moCi preuzeti bar neke od vainih funkcija u procesu upravljanja Sto ih je dosad obavljao Eovjek. Takva tehnitka sredstva, dakle, moraju imati osobine karakteristitne za Eovjeka ukljutenog u proces upravljanja, a to su: - detekcija. - memoriranje (pamtenje), diskriminacija, - logitnu obradu primljenih informacija. Upravo pneumatski sustavi u punoj mjeri zadovoljavaju navedene zahtjeve. To su pneumatski sustavi za mehanizaciju i prijenos energije, pneumatski senzori koji prikupljaju informacije, pneumatski IogiEki elementi kojima je mogute realizirati sve IogiEke funkcije i, napokon, pamknje nekih stanja. Pneumatskim upravljanjem rjeSavaju se problemi upravljanja koriStenjem pneumatskih (digitalnih) elemenata. Kod svakog upravljaEkog sklopa razlikuju se dva dijela: - inforrnacijski (upravljatki) dio i - energetski (izvrSni) dio.

Upravljanje gibanjem pneumatskog motora ostvaruje se usmjeravanjem struje stlaEenog zraka. Ispred pneumatskog motora postavlja se razvodnik s potrebnim brojem radnih poloiaja i definiranim funkcijama radnih poloiaja. Kod jednoradnog pneumatskog cilindra (motora) koristan se rad obavlja samo u jednom smjeru, pa je za njegov rad potrebno dovesti stlaEeni zrak samo u jednu radnu komoru. Na s1.16.1. prikazana je pneumatska shema upravljanja gibanjem jednoradnog pneumatskog cilindra pomotu razvodnika 313. Povratni hod jednoradnog pneumatskog cilindra omoguten je zahvaljujuti opruzi.

-

Energetski dio sastoji se od pneumatskih motora i pripadajuCih elemenata koji ga opskrbljuju energijom. Osnovna funkcija energetskog dijela je pretvorba pneumatske energije u koristan rad. Informacijski (upravljaEki) dio skup je elemenata koji primaju, obraduju i daju (u pogodnom obliku) infonnaciju (signal) pneumatskim motorima.

SI. 16.1. Upravljanje smjerom gibanja jednoradnog pneumatskog cilindra

SrediSnji poloiaj razvodnika 313, omogutava zaustavljanje gibanja klipnjaEe pneumatskog cilindra. Za upravljanje gibanjem dvoradnog pneumatskog cilindra potrebni su razvodnici sa Eetiri prikljuEka te sa dva ili tri radna poloiaja, ovisno o tome ieli li se upravljati samo jednim smjerom gibanja ili s oba (s1.16.2).


224


225

16.4. Osnovni oblici pneumatskog upravljanja

SI. 16.2. Upravljanje smjerom gibanja dvoradnog pneumatskog cilindra

16.3.2. Upravljanje brzinom gibanja pneumatskog motora

Brzina klipa jednoradnog pneumatskog cilindra moZe se smanjiti prigugnikom (s1.16.3a, b, c).

U pneumatskom upravljanju niz je jednostavnih osnovnih oblika upravljanja pa se prema tome razlikuju: a) Prema naEinu upravljanja cilindrom pneurnatsko se upravljanje dijeli na: - upravljanje ovisno o volji, - upravljanje ovisno o putu, - upravljanje ovisno o vremenu. b) Po natinu djelovanja impulsa, tj. naEinu aktiviranja razvodnika, pneumatsko se upravljanje dijeli na: - pozitivno ili porastom tlaka, - negativno ili padom tlaka. c) Prema naEinu odvijanja radnje (tok informacija) pneurnatsko se upravljanje diieli na: - slijedno upravljanje, - programsko upravljanje.

SI. 16.5. Direktno aktiviranja pneumatskog razvodnika

a

b

.

c

SI. 16.3. Upravljanje brzinom gibanja jednoradnog pneumatskog cilindra

Upravfjanje ovisno o volji je upravljanje pneumatskim cilindrom koje izravno ovisi o volji rukovaoca. Kod tog se upravljanja razvodnik za gibanje cilindra aktivira jednim od naEina fiziEkog aktiviranja. Rukovalac aktivira razvodnik rukom, nogom ili dijelom tijela. Pneumatska instalacija rnoZe biti takva da se aktiviranje obavlja izravno (sl. 16.5a) ili posredno (sl. 16.6). Pozitivno upravljanje ili upravljanje porastorn tlaka prikazano je na s1.16.16a. Aktiviraniem liievog razvodnika 3/2 stvara se tlak u u~ravliatkomvodu Z i stlaEeni zrak predacuj~klifglavnog razvodnika. Na pneum&skii shemama se pozitivno upravljanje prikazuje strelicama koje su usmjerene prema yravljanorn razvodniku.

b

SI. 16.4. Upravljanje brzinom gibanja dvoradnog pneumatskog cilindra

Ugradnjom brzoodzratnog ventila (s1.16.3d) moZe se poveCati brzina povratnog hoda jednoradnog pneumatskog cilindra. Smanjenje brzine (s1.16.4) klipa dvoradnog cilindra postiie se prigugivanjem struje zraka u dovodnom ili odvodnom kanalu.

Negativno upravljanje ili upravljanje padom tlaka obi)jeZava se strelicom usmjerenom od glavnog razvodnika (s1.16.6b). Kao razvodnici za daljinsko upravljanje koriste se razvodnici 2/2, Cija je uloga iskljuEivo odzraEenje upravljaEkog voda. Takav naEin upravljanja, u usporedbi s onim s porastom tlaka, jeftiniji je (u2razvodnici su jeftiniji od 312 razvodnika), ali zato imaju druge nedostatke (ogranikna duljina voda za odzraEenje i mogutnost nepoZeljnog aktiviranja kod ogtetenja cijevi). Upravljanje ovisno o putu je karakteristitno po aktiviranju upravljafkog razvodnilka. KlipnjaEa izvrSnog cilindra na svom putu izvlaEenja ili uvlaEenja aktivira


Pneurnatsko upravljanje

SI. 16.8. Upravljanje ovisno o vremenu

b

I

SI. 16.6. lndirektno aktiviranje pneumatskog razvodnika

i sigurnost da se slijedeCa radnja, uvjetovana prethodnom, neCe obaviti ako prethodna nije obavljena. VeCina problema pneumatskog upravljanja ima znaEajke slijednog odvijanja radnji. Programsko upravljanje se odvija prema unaprijed utvrdenom programu. Dvije su vrste pneumatskog programskog upravljanja: - s vanjskim (ekstertlim) programom, - s unutraSnjim (internim) programom. Programsko upravljanje s vanjskim programom pretpostavlja postojanje programa na bregastom vratilu, buSenoj kartici ili vrpci tako da se program moie Euvati izvan pneumatskog upravljaEkog sustava. Osnovu unutraSnjeg programa kod pneumatskog upravljanja h n e razvodnici s kaSnjenjem signala, odnosno namjeStene vrijednosti priguSenja i veliEie ugradenih volumena. U toEno odredenim vremenima izvode se odredene radnje, i tako odvija namjeSteni program.

8

6

16.7. upravljanje ovisno 0 putu

razvodnike koji direktno ili posredno upravljaju gibanjem klipnjaEe (s1.16.7). Razvodnici se aktiviraju nekim od naEina mehaniEkog aktiviranja. Aktiviranje upravIjaEkog razvodnika moZe se izvesti odgovarajutim gibanjem izvrSnog dijela radnog stroja (nosaE alata, klizni st01 itd.). Upravljanje ovisno o vremenu (s1.16.8) koristi se razvodnikom s kdnjenjem signala. Tako se moZe postiCi gibanje klipnjaEe cilindra s podesivim zadrZavanjem u krajnjim polofajima. Klip cilindra poEne se gibati kad se dovede stlakni zrak, ovisno o polofaju glavnog razvodnika. Od tog vremena preko upravljaEkog voda dolazi stlakni zrak na odgovarajuti blok s kaSnjenjem signala, gdje prebacivanje razvodnika 3/2 u novi polo2aj kasni zbog ugradenog jednosmjernog ventila s priguSnikom i volumena waka u vodovima. Nakon odredenog vremena (koje se mo2e'podesiti na priguSniku) daje se impuls na stranu Y, odnosno 2,upravljaEkog razvodnika. Klip cilindra se pohnje gibati u suprotnu stranu, i od tog trenutka teEe vrijeme aktiviranja drugog razvodnika s kaSnjenjem koji Ce na kraju prebaciti razvodnik u prethodni polotaj. Prebacivanje se ciklitki ponavlja i moZe se podeSavanjem priguSenja upravljati. Slijedno upravljunje je vrsta upravljanja kod kojega se slijedeCa radnja moie zapoEeti tek kada je prethodna obavljena. Slijedno odvijanje programa ukljuEuje

16.5. Pneumatski IogiEki sklopovi Osnovne logiEke funkcije I (AND), ILI (OR) i NE (NOT), kao i kombinirane funkcije NI (NAND) i NIL1 (NOR), te vremenska funkcija (TIME) i memorijska funkcija (FLIP-FLOP) mogu se realizirati pomoCu osnovnih elemenata za upravljanje pneumatskom energijom. I-funkcija (AND) ostvarena je onda kada postoje svi ulazni signali X (XI, Xz do X,), tada se ostvari izlazni signal Y. Ako izostane jedan od ulaznih signala X, onda nema izlaznog signala Y. I-funkcija (konjunkcija) se realizira serijski

SI. 16.9. I-funkcija


228

spojenim pneumatskim razvodnicima 312 (s1.16.9). Ako izostane kod n-Elanova samo jedan ulazni signal, izostat Ce izlazni signal Y. I-funkcija sa dva ulaza i jednim izlazom moie se ostvariti i s uvjetno zapornim ventilom. I-funkcije se koriste preteino kao sigurnosni sklopovi.


229

SI. 16.12. Nl-funkcija

NE-funkcija (NOT). Kod NE-funkcije postoji izlazni signal Y samo onda ako ne postoji ulazni signal X (s1.16.10). Ta se funkcija jednostavno ostvaruje razvodnikom 312, koji je upotrijebljen kao ventil za zatvaranje. Kada ne postoji ulazni signala X (razvodnik nije aktiviran), onda postoji izlazni signal Y (zrak prolazi kroz razvodnik). Ta se funkcija naziva i negacija. Govori se i o inverziji kod NE-funkcije, jer X, odnosno Y, postoji samo onda ako jedan od njih ne postoji, Sto znaEi, ako je jedan istinit, drugi mora biti neistinit. Kada ne postoji X, tada postoji Y, i obratno, kada postoji X, tada ne postoji Y.

6

SI. 16.10. NE-funkcija

SI.16.13. ~11-l-funkcija

6

ILI-funkcija (OR) ostvarena je samo onda ako od vise moguCih postoji barem jedan ulazni signal X(s1.16.11). ILI-funkcija (disjunkcija) moZe se takoder profiriti na n Elanova. Ta se funkcija moZe objasniti i ovako: mora postojati ulazni signal XI ili Xz (ili vise u isto vrijeme) da postoji izlazni signal Y. ILI-funkcija se ostvamje jednostavno izmjenicno zapornim ventilom.

SI. 16.14. Vremenska funkcija

6

SI. 16.11. ILI-funkcija

NI-funkcija (NAND) ima znaEajku da postoji izlazni signal Y samo onda ako ne postoji nijedan od ulaznih signala X (s1.16.12). U pneumatskom upravljanju ta se funkcija moie ostvariti pomoCu dvaju razvodqika 312 (koji su u nultom poloZaju otvoreni) i jednog izmjenitno zapornog ventila. Ako se aktivira samo razvodnik 1 ili 2, tada jof uvijek postoji izlazni signal Ypreko onog neaktiviranog razvodnika. Kada su aktivirana oba razvodnika, odmah nastaje izlazni signal. NI-funkcija takoder moZe imati n Elanova. U tom se sluhju razvodnici spajaju paralelno, a njihovi izlazi se spajaju preko n-1 izmjenitno zapornih ventila, tako se na kraju dobije samo jedan izlaz. NILI-funkcija (NOR) postiZe se serijskim spojem razvodnika 3/2 s otvorenim nultim poloZajem (s1.16.13). Ova funkcija moie imati n Clanova. Svojstvo NILI-funkcije je da postoji izlazqi signal Y samo onda kada nije dan ulazni signal XI ni ti X2 (X,,) .

Vremenrka funkcija (TIME) postiZe se unutar odredenih granica pomotu ventila s kafnjenjem. Dva su naltina: 1. kod danog signala X s kafnjenjem se pojavi signal Y (sl. 16.14a), 2. kod danog signala X s kaSnjenjem se gasi signal Y (s1.16.14b). Menlorijsku filllkciju (FLIP-FLOP) prebacivanje je,nezavisno od vremena. U pneumatskom upravljanju razvodnik odgovara memoriji kdja ne ovisi o vremenu (s1.16.15), jer se svaki put razvodni poloZaj zadrZi tako dug0 dok se ne pojavi I

SI. 16.15. Memorijska funkcija

xlT!@ x2


230

Pneurnatsko upravljanje

231

suprotni signal. Razvodnik se mora impulsno prebacivati pa se uz pneumatsko koristi i elektritno aktiviranje. Ovisno o upotrijebljenom razvodniku (312 ili 412), nastaju razliEite funkcije.

16.6. Fluidika FluidiEki elementi i sklopovi omogutuju realiziciju logitkih funkcija i sklopova koji su funkcionalno identeni s odgovarajutim elektronitkim sklopovima (pojatavaEi, oscilatori, pretvarati, osjetila itd.) u opsegu radnih frekvencija do 2 000 Hz. Treba naglasiti da se ti elementi koriste pneumatskom energijom pa su se razvijali za potrebe upravljanja pneumatskim i hidraulitkim sustavima, Sto je svakako znaEajna prednost. UspjeSni razvoj elektronike, kao i odgovarajute tehnologije izrade elektronskih sklopova, niska cijena sklopova i njihova relativno visoka pouzdanost, gotovo je zakotio razvoj i primjenu fluiditkih elemenata i sklopova za potrebe upravljanja pneumatskim sustavima. Danas se fluidiEki elementi koriste za specijalne namjene gdje je primjena elektronike nemoguta zbog, na primjer zratenja, opasnosti od poiara i eksplozije, u humanoj medicini te proizvodnji lijekova itd. Dvije su osnovne grupe fluidiEkih elemenata: - elementi bez pokretnih mehaniEkih dijelova, - elementi s pokretnim mehaniEkim dijelovima. S obzirom na njihove karakteristitne razlike, navest &mo njihov kratki opCeniti prikaz.

SI. 16.17. Uzajarnno djelovanje mlaza i stijenke

mlaza na tok njegova strujanja. Na tom principu rade fluidiEki pdjatava~isa skretanjem mlaza, pojaEavaEi Eiji se napojni mlaz niodulira sudarom ili turbulentni pojatavati. Uzrrju~lrr~o djelovanje ~~ilrrza i sfijenke je pojava koja se manifestira lijepljenjem mlaza na stijenke (tzv. Coanda efekt). Odvajanje napojnog mlaza od zakrivljene stijenke podeSava s e (s1.16.17) radijusom zakrivljenosti. Fluid prati krivinu sve dok je utjecaj gradijenta tlaka veCi od utjecaja koliEine gibanja napojnog mlaza. Kada radijus zakrivljenosti stijenke dostigne odredenu vrijednost (smanji se znatno u usporedbi s poEetnom vrijednosti), u nekoj toEki nizvodne struje prevladava utjecaj koliEine gibanja i struja napojnog mlaza se odvaja od stijenke.

16.6.1. FluldiEkl elementi bez pokretnih mehaniEkih dijelova

FluidiEki elementi bez pokretnih mehaniEkih dijelova obiEno se koriste jednim od ovih pojava dinamike fluida: - medusobno djelovanje mlazova, - uzajamno djelovanje mlaza i stijenke, - vrtloZno strujanje. Medusobno djelovanje mlazova je poznata pojava koja se manifestira u skretanju mlaza ili premjegtanju mjesta sudara dvaju mlazova (s1.16.16). Kod fluiditkih elemenata, koji rade na principu medusobnog djelovanja mlazova, moduliranje napojnog mlaza (izvornog mlaza) ostvaruje se izravnim djelovanjem upravljaEkog

It

napajni MIIZ

SI. 16.16. Medusobno djelovanje mlazova

SI. 16.18. Vrtloino strujanje

a

b

Vrtloino strujanje fluida odvija se u cilindriEnoj komori, obiEno male visine. Napojni mlaz se uvodi radijalno, s minimalnim otporom struje kroz komoru i istjeEe na odvodnu cijev napolje (s1.16.18a). UpravljaEki mlaz ulazi u komoru tangencijalno (s1.16.18b) i zajedno s napojnim mlazom formira rezultirajufi zavojni mlaz, oblik spirale ovisi o koliEini kretanja napojnog i upravljaEkog mlaza. Na tom principu rade vrtloini pojafavafi. Ako upravljaEkog mlaza nema vet se inercija napojnog mlaza kombinira s rotacijom komore oko vlastite uzduine osi (0s odvodne cijevi), ostvareno vrtloino polje koristi se kao senzor za registriranje kutne brzine okretanja (princip fluiditkog vrtloinog iiroskopa).

232


16.6.2. FluidiEki elementi

FluidiEki element je blok izraden od Evrstog materijala s unutraSnjom mreZom kanala za prolaz zraka ili nekog dmgog fluida (s1.16.19). Konstrukcijski su kanali tako definirani da fluidiEki element obavlja odredene IogiEke funkcije ili funkcije pojaEanja.


233

FluidiEki IogiEki elementi koriste se trirna osnovnirn funkcijarna: I, ILI i NE. Osim njih, koriste se: NE-ILI, NE-I ili ILI-iskljuEivo. Sedma funkcija je npamknjecc (mernorija). Analogni elementi (s1.16.20b) mijenjaju kontinualno svoj izlazni signal u ovisnosti o ulaznom signalu upravljanja (proporcionalno upravljanje). Ti elementi su konstmirani i svoj rad zasnivaju na principu medusobnog djelovanja mlazova i vrtloZnom strujanju. Aktivni fluidiEki elementi mogu se koristiti kao pojaEala, senzori i pretvaraei. Poja~alasu elementi u kojima se malirn energijama signala upravljanja ostvamju velike prornjene signala na izlazu. Signal na izlazu je obiEno na veCoj energetskoj razini, pa se moZe govoriti o pojaEanju. Senzori su elementi osjetljivi na prornjene radnih uvjeta (tlak, temperaturu, polofaj, brzinu, ubrzanje) pa irn izlaz varira ovisno o tirn promjenarna. Razvijeni su senzori tlaka, fluiditki Ziroskop, akustiEki senzor itd. Pretvornici su elementi koji signal iz jednog oblika energije pretvaraju u dmgi. Tako, na primjer, fluidiEko-elektriEni pretvornik prima signal tlaka i pretvara ga u strujni signal.

VeCina fluidiEkih elemenata irna Eetiri osnovna funkcionalna dijela: napajanje, izlaz, jedan ili viSe upravljaEkih ulaza i prostor uzajamnog djelovanja (s1.16.19). Prerna naEinu napajanja zrakom fluidiEki elernenti mogu biti aktivni i pasivni. Akrivtri fluiditki clol~etrtje onaj kod kojega je napojna rnlaznica (rnlaznica za opskrbu fluidifkog elementa), stalno pod djelovanjem tlaka izvora zraka.

Pasivni'fluidiEki elementi grupa su' elernenata (kapaciteti, konstantni otpori, podesivi prigusnici, cijevi, prikljuki itd.) koji ornoguCuju prijenos pneumatske energije i stvaranje fluidiEkih krugova. Zrak sarno povremeno prolazi kroz njih. Aktivni fluiditki elementi se grade kao digitalni i analogni. Digitalni elernenti (ON-OFF) imaju dva izlaza i protok zraka postoji sarno na jednom ili samo na drugom izlazu u zavisnosti od prisutnosti ili odsutnosti signala upravljanja (s1.16.20a). Protok se nikad ne razdjeljuje na dva izlaza, on je uvijek samo na jednom ili na drugom izlazu. VeCina digitalnih fluidiEkih elemenata koristi se uglavnom principom medusobnog djelovanja mlazova te principom uzajamnog djelovanja mlaza i stijenke.

n

16.6.3. Fluidieki elementi

s pokretnim mehanickim dijelovirna

FluidiEki elernenti s pokretnim mehaniEkim dijelovima, prerna vrsti pokretnih dijelova, dijele se u Eetiri osnovna tipa: - elemente s kuglicom, - elemente s folijom, - elemente s polugom, - elemente s membranom ili klipom. Elementi s kuglicom. Izvedba IogiEke funkcije NE s kuglicom prikazana je shematski na s1.16.21. Kanali 1i 4 napajaju se iz mreZe. Ako je kana1 3 zatvoren i nema signala, oko kuglice struji zrak iz voda 1 i 4 i na izlazu 2 postoji neki tlak. . Ako postoji tlak u vodu 3, on prebacuje kuglicu i ona zatvara otvor 2 i u izlaznorn kanalu 2 nema tlaka. 1 1

3

SI. 16.21. Shematski prikaz fluldlEkog elementa s kugliwm

V

J. J\

SI. 16.22. Shematski prikaz fluidiEkog elementa s folijom

.u I

2

I'


234


235

Elementi s kuglicom su minijaturni. Promjer vodova iznosi 0,2 mm, a promjer kuglice 0,s mm, pa je moguC relativno visok stupanj integracije (prema USA navodima, u bloku volumena jednog kubnog incha stane od 2 000 do 4 000 elemenata). Potrebni tlak napajanja je oko 7 bara.

moguknost uklapanja u pneumatski sustav bez pretvorbe energije daju elementima s membranom ili klipom znaEajnu prednost u procesirna proizvodnje lijekova, agresivnih kemikalija, eksploziva itd.

Elementi s folijom. Shematski prikaz logiEke funkcije negacije u izvedbi elementa s folijom dan je n s1.16.22. Ako nema tlaka u vodu 1, struja zraka iz mre2e u kanalu 2 podiie oliju te zatvara ulaz 1, a na izlazu 3 postoji tlak. U sluEaju da postoji signal x, tj. tlak u vodu 1, folija zatvara ulaz 2 i 3, te nema izlaznog signala u kanalu 3.

16.7. Primjena pneumatskih sustava

4

d I/

SI. 16.23. Shematski prikaz fluiditkog elementa s polugom

I:

I

IzvrSii elementi pneumatskog upravljanja prije svega su 'Glindri, pa iz toga proizilaze i funkcije linearnog pogona: To je glavna prednost pneumatike - jednostavnost izvodenja pravocrtnih gibanja bez posrednika. Primjena pneumatskih linearnih pogona ograniEena je medutim i odredenim zahtjevima u vezi s cilindrom: silom na klipu, brzinom klipa i duiinom hoda. Sila na klipu pneumatskog cilindra ovisi o tlaku i aktivnoj povriini odnosno promjeru klipa. EkonomiEna primjena pneumatskih linearnih pogona za sada je ograniEena tlakom zraka (15 bar) i promjerom klipa (250 mm), kako je to prikazano na s1.16.25. Svrsishodna primjena pneumatskih sustava je ako su sile na klipu manje od 30 kN.

bar

15

I4

Elementi s polugom. Shematski prikaz karakteristicne izvedbe elemenata s polugom je prikazan na s1.16.23. za realizaciju logiEke funkcije I. Djelovanjem tlaka u kanalu 1 pomiEe se dvokraka poluga i otvara kana1 2, tj. ako postoje signali u kanalu 1 i 2, postoji i izlaz u kanalu 3. To je element koji omoguCava realiziranje viSe logitkih funkcija.

I

b

SI. 16.24. Shematski prikaz (a) i sirnbol (b) fluiditkog elementa s membranom

Elementi s membranom ili klipom. NajznaEajniji predstavnik ove grupe je dvomembranski element DRELOBA, shematski prikazan na s1.16.24. Sastoji se od dvije membrane medusobno povezane spojnom Sipkom tako da jedna membrana prenosi svoj pokret na dmgu. Jedan element ovoga tipa omoguCava realiziranje, odgovarajuCim spajanjem funkcionalnih kanala, vise 10giEkih funkcija Sto smanjuje broj elemenata u sustavu. Relativno niska cijena elemenata, zadovoljavajuCa dinamika rada (vrijeme prebacivanja 1 ms), neosjetljivost na okolinu, promjenu tlaka i temperature te

SI. 1 6 . S OgraniEenje primjene pneumalike u ovisnosti o radnom llaku, prornjeru cilindra i traienoj sili na klipu

Brzine klipa pneumatskih cilindara su izmedu 2 i 60 d m i n . Pneumatski sustavi ispunjavaju zahtjeve za veCim brzinama bolje nego neki drugi mediji. Zahtjevi za jog manjim brzinama mogu se ispuniti pridodavanjem hidrauliEkih elemenata, tako da se postigne pribliino i do 0.2 d m i n . Na s1.A-9 u Prilogu A prikazana je brzina klipa koja se moie postiCi u ovisnosti o promjeru klipa, opteretenju, i nazivnoj vrijednosti ventila. Dodavanjem priguSnih ili brzoispusnih ventila moie se smanjiti . odnosno poveCati bnina klipa do izvjesnih granica. Duiine hoda klipnjafe pneumatskih cilindara su standardizirane u zavisnosti od promjera klipa i klipnjate. Maksimalna je duiina hoda otprilike 1 200 mm.


236


Posebnorn izvedborn klipa s feromagnetskirn svojstvirna ornoguCava se duiina hoda do 10 m. PolazeCi od funkcije gibanja irnarno sljedeCe serijske pneumatske elernente: Pravocrtno gibunje: cilindri stupnjevani prema promjeru od 10 N tlaEne sile do pribliino 30 kN, pri tlaku zraka od 6 bara, jedinke za posmak i pneumohidrauliEke jedinke. Pruvocrttlo gibanje u tuktu: uredaji za posmak s ugradenirn upravljanjem za razlitite i podesive ogranitene hodove koji se ponavljaju. Zakretno gibanje: zakretni cilindri sa zakretom do 180°, 290' ili b k 3o0°, ovisno o izvedbi. Okretno gibanje u taktu: okretni stolovi s izborom podjele od 3 do 24 takta u punom krugu. . RotirajuCe gibanje: zraEni motori do pribliino 18 kW. Uredaji i elementi mogu imati nadogradene ili ugradene potrebne upravljaEke elemente, ali je uvijek moguC i slobodan izbor druge vrste upravljanja, odnosno postoji uvijek mogutnost kombinacije sustava upravljanja.

Sf.16:27. Pneumatska stezna naprava (a)i pneumatska shema (b)

16.7.1. Stezanje

Pneumatski stezaEi obiEno se opremaju jednoradnim cilindrima. Svrsishodnije je primijeniti jednoradne cilindre koji imaju ugradenu povratnu oprugu. Za stezanje su obiEno potrebni kratki hodovi. Zato su pogodni mernbranski i kratkohodni normalni cilindri. Dvoradni se cilindri uvijek upotrebljavaju za stezanje onda kada je i za otpuJtanje potrebna sila. To je uvijek slutaj kod samokoEnih steznih naprava. Na s1.16.26. prikazana je stezna naprava s koljenastim steznim mehanizrnom, kojim se postiZe relativno velika stezna sila. Posebne stezne naprave mogu se opremiti i dodatnim funkcijama. Takav je sluEaj s primjerom na s1.16.27. Pneumatsko je upravljanje izvedeno tako da najprije

cilindri 1 i 2 krenu jedan za drugim i na taj natin fiksiraju, u ovom slutaju tankostijeni odljevak u zadani polofaj. Tek se zatim aktiviraju stezni cilindri 3, 4 i 5 koji Evrsto steZu radni predmet preko polufnog rnehanizrna u fiksiranom poloiaju. 16.7.2. Okretni radni stol

Okretni radni st01 koristi se pri buSenju otvora, rezanju unutragnjeg navoja, izradi Zlijebova. NaroEito tam0 gdje otvori moraju biti na toEnoj razdaljini jedan od drugoga najpogodnija je primjena okretnog stola. Slika 16.28. prikazuje vertikalno postavljeni okretni st01 koji pomoCu pneumatskog cilindra radi u taktu. S gornje strane stola probijh se otvor na dnu limene kutije. Kutije se postavljaju rutno. Obradene kutije ispadaju s okretnog stola s donje strane. 16.7.3. Transport

Sf.16.26.Pneumatski stezaE s koljenastim polufnim mehanizmom

Pneumatski sustavi omoguCavaju da se problemi transporta radnih predmeta rijeSe na jednostavan i djelotvoran naEin. Na s1.16.29. prikazana je primjena pneurnatskog cilindra pri skidanju radnih predmeta s transportne trake. Sustav je automatiziran, ugradeni senzori aktiviraju pneumatski cilindar kad su ispred njega dospjtla dva izratka.

Hidraulika i pneumatika SI. 16.28. Vertikalno postavljeni okretni st01

17. Odrlav~njepneumatskih sustava 17.1. Uvod Ovo poglavlje obraduje karakteristizne probleme odriavanja pneumatskih sustava. Govorit Ce se o osnovnim uvjetima rada i o karakteristicnim Eimbenicima (faktorima) rizika otkaza, a prikazat Ce se i karakteristiEni model odriavanja (preventivno).

17.2. Uvjeti rada pneumatskih sustava

SI. 16.29. Primjena pneurnatskog cilindra pri transportu

r

r

Pneumatski sustavi rade pouzdano pri pravilnoj eksploataciji. U procesu eksploatacije pneumatskih sustava mora se imati na umu veliEina tlaka stlaEenog zraka, radna temperatura, EistoCa filtra i ispravan rad zauljivaEa i uredaja za odvajanje kondenzirane vode. Ako je tlak stlaEenog zraka viSi od dopuStenoga, poveCava se njeguva potroSnja, poveCava se optereCenje izvrSnih motora i znatno se smanjuje vijek trajanja pneumatskog sustava. To posebno vrijedi za pneumatske udarne motore. Tlak se lako moie podeSavati odgovarajukim ventilima i ugradnjom priguSnika protoka. Posljedica sniienja tlaka stlaknog zraka jest smanjenje snage pneumatskog motora. NaroGto su osjetljivi na smanjenje tlaka pneumatski udarni motori. Tlak u tih sustava pada ponajprije zbog lose instalacije za dovod stlaEenog zraka, kad su gubici istjecanja kroz spojeve veliki. Gubici zraka uvelike utjeEu na troSkove eksploatacije pneumatskog sustava. Stoga je nuino voditi brigu da oni budu u predvidenim granicama. PoveCanje radne temperature negativno utjeEe na ulje koje se upotrebljava za podmazivanje pokretnih dijelova u pneumatskom sustavu. Zbog povekanja temperature sniZava se njegova viskoznost i opada njegova sposobnost podmaziva.nja, Sto izravno utjeEe na trenje pokretnih dijelova i moie izazvati otkaz sustava. Stoga se ulje za zauljivanje zraka mora birati prema radnoj temperaturi. Pri radnim temperaturama otprilike 0 OC,postoji opasnost od kristalizacije kondenzirane vode naroEito kod izvrSnih motora koji rade s ekspanzijom zraka. Druga je opasnost od ulja za podmazivanje kome se viskoznost poveCava. Stoga se za rad pri ternperaturama niiim od 0 O C pneumatski sustavi moraju toplinski izolirati na odgovarajuCi nafin. S obzirom na tu Einjenicu pneumatski sustav se malokad projektira za rad pri niskim temperaturama. Pravilna eksploatacija pneumatskih sustava zahtijeva redovito ispuStanje kondenzirane vode (postoje automatski ventili), redovito EiSCenje elementa filtra, kao i upotreba odgovarajuCeg ulja za zauljivanje. Svako neuobiEajeno povetanje sile na izvrSnom motoru, njegovo zagrijavanje, kao i promjena zvuka, upukuju na poEetak kvara, pa je potreban odgovarajuCi pregled. Instalacije za prijenos stlacenog zraka moraju biti ispravne i svako propuitanje zraka mora se ukloniti.

240


17.3. Odrravanje pneumatskih sustava Strutno odrZavanje pneumatskih sustava i uredaja ne obuhvah samo uklanjanje kvarova, vet je to ponajprije planska aktivnost kojom se treba maksimalno smanjiti broj kvarova na najmanju mjeru i produZiti vijek trajanja tih sustava i uredaja, odnosno osigurati njihovu trajnost u predvidenim granicama. Odriavanje ima svoju cijenu koja se mora platiti. Nema uSteda na odrZavanju. Uklanjanje kvarova viSestruko je skuplje. RazliEiti uredaji i sklopovi podlijeiu odredenim propisima odriavanja Sto su ih izdali njihovi proizvodaEi i odnose se na preventivno i teku& odrZavanje. TehniEko odriavanje pneumatskih sustava izvodi se planski: - tekutim odriavanjem i - preventivnim odriavanjem. Tekute odrtavanje podrazumijeva niz svakodnevnih radnji koje mora obaviti neposredni rukovalac pneumatskog sustava ili sustava u koje je ugraden pneumatski sustav. To su: - pravilno mkovanje i upravljanje - kontrola osnovnih parametara u toku procesa - kontrola kondenzata u filtru - kontrola razine ulja u zauljivaEu (kad je minimalna razina ulja, treba doliti svjeZe ulje) - podmazivanje svih predvidenih sklopova pneumatskog sustava prema shemi podmazivanja - pregled vodova i instalacija pneumatskog sustava (provjera propuStanja zraka) - kontrola brzine gibanja izvrSnih organa, kontrola zagrijavanja i Sumova - pregled i provjera kliznih sklopova i brtvenih spojeva. Preventivno odriavanje je skup aktivnosti koje se planski provode da bi se osigurala pravilna eksploataaja pneumatskog sustava. Te aktivnosti propisuje proizvodaE i svode s e uglavnom na sljedeee: - osigurati od proizvodah sve potrebne upute za mkovanje i odriavanje te osnovnu konstmkcijsku i remontnu dokumentaciju - obutiti sve sudionike u lancu eksploatacije pneumatskog sustava da mogu uotiti kvar joS u fazi njegova nastanka i da mogu poduzeti odgovarajute mjere da se on na vrijeme ukloni - organizirati da se svaka pojava kvara svestrano ispita i stmEno obradi, a rezultati analize dostave korisnicima uredaja, i to zabiljeZiti kako bi se moglo ubuduCe koristiti kao preventivna mjera - planirati aktivnosti preventivnog odriavanja prema vrsti pneumatskih sustava - definirati i osigurati dovoljne koliEine rezervnih dijelova alata i pribora te odgovarajutu tehniEku i remontnu dokumentaciju - za svaki pneumatski$ustav voditi evidenciju o efektivnom vremenq rada (ugraditi brojaE vremena) - jednom u toku tjedan dana obaviti kontrolu: zauljivab (na primjer 5 kapi u minuti), redukcijskog ventila te ispitati spojeve pneumatske instalacije na propuStanje - jednom u toku mjesec dana ispitati: sve ventile na propugtanje, oEistiti filtar, kontrolirati i zamijeniti sve brtve na spojevima instalacije, ispravnost svih ventila za ograniEenje tlaka te odvajaEa kondenzata i njihovo brtvljenje - jednom godiSnje kontrolirati: istroSenost vodilica klipnjaEa i po potrebi zamijeniti istroSene elemente, kontrolirati snagu, propuStanje i mehaniEku funkciju uredaja i sklopova, obnoviti uloSke za priguSenje buke te baZdariti sve kontrolnt tlakomjere.

18. Mjerenje osnovnih veliCina u hidraulici i pneumatici 18.1. Uvod Ovo poglavlje obuhvaCa mjerenje osnovnih veliEina u hidrauliEkim i pneumatskim sustavima: tlak, protok, temperaturu, razinu ulja u rezervoaru te stupanj oneEiSCenja hidraulirkog ulja.

18.2. Mjerenje tlaka Osnovna uvedba instrumenta za mjerenje tlaka u hidraulitkim i pneumatskim sustavima su tlakomjeri s Bordonovom cijevi, koji se grade za tlakove viSe od 1 bara. Gornja granica je vise od 4 000 bara. Za mjerenja relativno niskih tlakova, Sto je sluEaj u pneumatskim sustavima, primjenjuju se konstrukcijski jednostavniji tlakomjeri s membranom. Za veoma precizna mjerenja tlakova koriste se U-tlakomjeri. Konstmkcija i glavni sastavni dijelovi tlakomjera s Bordonovom cijevi prika2 zani su na sl. 18.1. -

SI. 18.1. Tlakomjer s Bordonovom cijevi: 1 - prikljuEak, 2 - Bordonova cijev, 3 - poluga, 4 nazubljeni segment, 5 kazaljka

-

-

.-.

I

Tlakomjer se prikljuEuje na mjerno mjesto cijevnim prikljuEkom 1 a tekukina (ili plin) potpuno popurijava Bordonovu cijev. Radijus Fakrivljdnja Bordonove cijevi 2 ovisi o tlaku koji vlada u tekukini ili plinu. Porastom tlaka, Bordonova se cijev nastoji izravnati, Sto se manifestira pomicanjem njezinog slobodnog kraja.. Preko poluge 3 i nazubljenog segmenta 4 gibanje slobodnog dijela Bordonove cijevi se prenosi na kazaljku 5. Tako se promjena tlaka u Bordonovoj cijevi pretvara u odgovarajuti otklon kazaljke. Mjerna ljestvica (skala) postavljena je ispod kazaljke i bddarena u odgovarajutim mjernim jedinicama. U ovisnosti o toEnosti koja se zahtijcva, razlikuju se tri klase tlakomjera prema veliEini dopuStene greSke % najvete vrijednosti ljestvice. - Klasa 0,6, s dopuStenom greSkom od 0,6%, koristi se za precizna laboratorijska mjerenja.

+

242


Mjerenje osnovnih veliEina u hidraulici i pneumatici

A

- Klasa 1,0, s dopuStenom greSkom + 1% ,koristi se za toEna pogonska mjerenja.

- Klasa 2,0, s dopuStenom greSkom -+ 2%, s obzirom na visoku netoEnost mjerenja tlaka, moZe se koristiti samo kao okvirni pokazivaE tlaka. Tlakomjer s Bordonovom cijevi je dinamiEki sklop i podloian je oscilatornom radu, Sto se manifestira oscilacijama kazaljke. Za normalnu upotrebu oscilacije kazaljke moraju biti eliminirane. T o se postiZe ugradnjom konstantnog ili promjenljivog priguSnika u dovodfoj cijevi i potapanjem kazaljke zajedno s mjernom ljestvicom u tekukinu. PriguSnik mora biti tako dimenzioniran i podeSen da kazaljka tlakomjera ne oscilira pri normalnom radu hidraulitkog sustava. Iskustva pokazuju da su oscilacije to manje St0 je veCi volumen dijela cijevi od priguSnika do tlakomjera. Za mjerenja dinamitkih promjena tlaka u hidrauliEkim sustavima, kao i za prijenos informacije o tlaku na vete udaljenosti, koriste se osjetila tlaka koja visinu tlaka pretvaraju u odgovarajuki elektriEni signal. Osjetila tlaka koriste se piezoelektriEnim efektom kristala ili deformacijama mjerne membrane koje pretvaraju u elektriEni signal pomoCu induktivnog osjetila, potenciometra ili mjerne vrpce. Dobiveni elektriEni signal ima malu energetsku razinu i nuZno je njegovo pojaknje, pa se uz osjetila tlaka gotovo redovito upotrebljavaju i odgovarajuda mjerna pojaEala. Kod jednostavnijih izvedbi osjetila tlaka tlakom se aktivira mikroprekidaf, relej ili sliEna naprava koja daje strujni signal. Koriste se, na primjer, u sustavima za podmazivanje SUI-motora kao indikatori odredene visine tlaka. Za jednostavna mjerenja tlaka upotrebljavaju se klipni tlakomjeri s oprugom. TipiEna je njihova primjena kod tlaEnog prekidaEa (sl. 4.35). Pomak klipa 2 odgovara vrijednosti tlaka. Kod tlatnog se prekidaEa opruga 3 dimenzionira tako da se klip moZe pomaknuti samo kad tlak dostigne odredenu vrijednost. U tom slutaju klip tlaEi oprugu i aktivira mikroprekidac 4, ukljuEen u strujno kolo dojave. Za grubu procjenu visine tlaka na izvrSnim motorima hidrauliEkog sustava koristi se Einjenica da je sila, odnosno moment proporcionalan s visinom tlaka i aktivnom povrlinom, odnosno specifiEnim volumenom. Mjerenjem sile ili momenta moguCe je ratunski odrediti vrijednost tlaka.

18.3. Mjerenje protoka Protok se najtoEnije moie izmjeriti mjerenjem volumena tekutine menzurnom EaSom te odgovarajutim rnjerenjem vremena. To se redovito radi na probnim i ispitnim stolovima i laboratorijskim mjerenjima. Mjerenje protoka u hidraulitkom sustavu je neSto kompliciranije jer se instrument za mjerenje mora ugraditi u protoEni otvor. Od tehnickih jesenja spomenut kemo mjerenje protoka padom tlaka, rotametar i turbinsko osjetilo protoka. Posljedica promjene brzine strujanja (protoka) u strujnoj cijevi poznatih dimenzija je promjena visine tlaka u struji. Principijelna shema uredaja za mjerenje protoka tekutine prikazana je na sl. 18.2. Mjerni priguSnik 2 smjeSten je u ravnu cijev. Ispred i iza priguSnika postavljeni su tlakomjeri koji daju informaciju o vrijednosti tlaka. Razlika vrijednosti tlaka je proporcionalna s vrijednoSCu protoka prema relaciji (4.4) za laminarni retim strujanja. Fizikalno-kemijske karakteristike tekutine ovise o temperaturi i tlaku, Sto ima velik utjecaj na toEnost mjerenja protoka, i osnovni je nedostatak ovih uredaja.

, .

I -

.

2

. I

b

-3

SI. 18.2. Shema mjerenja protoka: 1 - djev, 2 prigusnik, 3 - cijev

SI. 18.3. Shema rotametra: 1 - cijev, 2

- rnjerni plovak

A

Shema principa rada rotametra prikazana je na sl. 18.3. Unutar cijevi 1 postavljen je mjerni plovak 2. Protjecanje tekuCine kroz rotametar je jednosmjerno. Teiina mjernog plovka i sila, zbog dinamiEkog tlaka struje tekuCine (djeluje prema gore), pri odredenom su protoku i poloZaju plovka u ravnoteti. Polotaj plovka za odredeni fluid kod odredene viskoznosti i gustote odgovara velirini protoka. Mjerna ljestvica mote biti gravirana na prototnoj cijevi, naravno mora biti providna. MoguCe je koriStenje istog rotametra za razlicite fluide uz odgovarajute baidarene mjerne Ijestvice. Osnovni nedostatak protokomjera tipa rotametar jest relativno mala toEnost mjerenja protoka i ovisnost tornosti mjerenja o promjeni temperature, zatim o fizikalno-kemijskim karakteristikama fluida te glomaznost konstrukcije. Rotametri se uglavnom koriste u procesnoj industriji. 1 -

$1. 18.4. shema turbinskog protokomjera: 1 2 - mjerna turbina, 3 induktivno osjetilo

-

- cijev.

).

3 --

7

--


244

Turbinski protokomJer (osjetilo protoka), prikazan shemom na sl. 18.4, sastoji se od cijevi 1, u kojoj je veoma precizno, s praktiEno zanemarljivim trenjem, uletiSten rotor s krilcima 2. Rotor ima veoma malu inerciju, pa se mote smatrati da je njegov broj okretaja u svakom trenutku direktno proporcionalan s protokom kroz njega. Svaki prolaz pojedinog krilca ispod induktivnog ili nekog dmgog elektriEnog osjetila 3 daje po jedan impuls pa se odgovarajutim elektrorlskim brojanjem impulsa u jedinici vremena mote mjeriti protok. Zbroj ukupnog broja impulsa je ukupan (integralni) protok za odredeno vrijeme. VeliEina protoka se moie izravno prikazati na displeju digitalnog brojaEa impulsa. U hidraulitkirn se sustavima protok u izvrSnom hidrauliEkom motoru Eesto izratunava na osnovi mjerenja brzine klipnjaEe ili broja okretaja vratila motora. Pri tome se koristi Einjenica da je protok u hidromotor ili hidrauliEki cilindar proporcionalan s brojem okretaja, odnosno brzinom klipnjaEe, i specifiEnim volumenom, odnosno aktivnom poMSinom klipa.

18.4. Mjerenje temperature Raznovrsne su izrade termometara koji se mogu koristiti u hidrauliEkim uredajima. Najjednostavniji, najjeftiniji i dovoljno toEan je obiEan Zivin toplomjer ili termometar. No on nije otporan na mehaniEke udarce i zahtijeva oEitovanje iz neposredne blizine, Sto ogranibva njegovu primjenu. TlaEni toplomjer prikazan na sl. 18.5. radi na pnncipu mjerenja tlaka izolirane tekuCine u metalnoj kapilari s msjetilomcc. Mjerno osjetilo 1ispunjeno je tekutinom i savitljivom cijevi (kapilarom) 2, vezano je uz tlakomjer s Bordonovom cijevi 3.

Mjerenje osnovnih veliCina u hidraulici i pneumatici

245

Plinski toplomjer je vanjskim izgledom potpuno identiEan iivinom. Osjetilo temperature je napunjeno tekutinom koja lako hlapi (npr. eter), poSto tlak pare ovisi o temperaturi, mjerenjem tlaka izravno se mjeri temperatura. Izvedba je jeftinija od one sa iivom ali ima nedostatak Sto je ljestvica nelinearna i kad se pregrije, mote se oStetiti: Za mjerenje temperature ulja, gdje se ne zahtijeva velika totnost i gdje nema opasnosti od pregrijavanja, plinski toplomjeri se mogu koristiti bez veCih problems. Za specijalne izvedbe hidraulitkih sustava, pogotovo u mobilnoj hidraulici, zrakoplovima itd., Eesto se koriste elektriEni otporni termometri i termometri s termoelementima (bimetalni) jer je s mjernog mjesta na mjesto oEitanja jednostavnije voditi strujni elektritni signal. Instrument za pokazivanje temperature tada je miliampermetar, a kod nekih milivoltmetar. Osim toplomjera, za aktiviranje hladnjaka ili grijata te odgovarajubeg alarma itd., koriste se razliEite izvedbe termostata koji rade na sliEnim principima kao elektriEni termometri. Razlika tlaka, odnosno elektriEnog napona, u termostatima ne djeluje na kazaljku nego na odgovarajuti mikroprekidaf, relcj ili sliEnu napravu koji stvara odgovarajuti strujni signal.

18.5. PokazivaEi razine Svaki hidrauliEki rezervoar mora biti opremljen odgovarajuCim pokazivatem razine ulja. O b i h o je to izvedeno pomoCu staklene cijevi. Kod mobilnih uredaja i u kompleksnim sustavima, gdje pogonski uvjeti zahtijevaju trajnu kontrolu razine ulja, a pristup je rezervoarima ulja oteZan ili nemoguC, osim pokazivaEa sa staklom, ugraduju se joS elektriEni pokazivaEi razine. Izvedbe takvih pokazivaEa sliEne su izvedbama pokazivaEa koliEine goriva u rezervoarima motornih vozila. ObiEno se sastoje od plovka koji je mehaniEki vezan uz potenciometar. VeliEina napona na potenciometru odgovara razini tekutine u rezervoaru pa se kao pokazivaE koristi voltmetar.

18.6. Metode kontrole EistoCe hidraulickog uljz

-

SI. 18.5. Shema tlaCnog toploGera: 1 osjetilo, 2 -savitliiia cijev, 3 tlakomjer s Bordonovomcijevi

-

Najpoznatije su izvedbe sa Zivom, opmZnom cijevi te plinski toplomjer. Prornjena temperature uzrokuje promjenu volumena i tlaka u tekuCini, Sto se manifestira otklonom kazaljke. Na ljestvici tlakomjera su upisane odgovarajuke vrijednosti temperature. U termometrima sa Zivom, u osjetilu temperature, tj. capilarnoj cijevi i tlakomjeru pod tlakom zatvorena je Ziva koja se s promjenom temperature Sin ili skuplja, pri Eemu se mijenja tlak proporcionalno s temperaturom Sto se na ljestvici izravno oEitava.

Kako su pouzdanost i vijek trajanja hidraulitkih uredaja usko vezani sa stupnjem zaprljanosti hidrauliEkog ulja, v e h a proizvodaEa hidrauliEkih uredaja propisuje klasu EistoCe hidrauliEkog ulja. Za odredivanje klase EistoCe najEeSfe se koriste ove metode: - Gravimetrijska metoda, daje podatak o kolitini ne&f&a u mg na litru hidrauIiEkog plja. Postupak je sljedea: testice netistota izdvajaju se iz hidrauliEkog ulja preko dvije membrane, od kojih je gornja osnovna i na njoj se zadrZavaju Eestice neEisto&, dok je donja kontrolna. Masa membrana je unaprijed izmjerena. Razlika u masi osnovne membrane prije i poslije uzimanja uzorka ulja predstavlja masu izdvojenih neEistoCa, a razlika u masi kontrolne membrane sluZi za korekciju mase osnovne membrane. Nedostatak je ove metode Sto ne daje podatak o distribuciji, tj. koliEini i velitini Eestica neEistoCa. Dobra je strana u tome Sto se njome moZe odrediti stupanj zaprljanosti ulja i Eesticama ispod 5-10 pm Sto je metodom brojanja teSko odrediti.

248


27. Belenkov, J. A. i drugi, Nadeinost ob'jemnih gidroprivodov i ih elementov, MaSinostroenie, Moskva, 1977. 28. Harazov, A. M., Tehniteskaja diagnostika gidroprivodov mafin, MaSinostroenie, Moskva, 1979. 29. Petrov, 1. V., Obsluiivanie gidravliteskih ipnevmatiteskih privodov doroino-stroitel'nih maSin, Transport, Moskva, 1985. 30. Pippenger, J. I., Hicks, T. G., Industrial hydraulics, McGraw-Hill Book Co., 1980. 31. Pinches, J. M., Ashby, J. G., Power hydraulics, Prentice Hall, International (UK), Ltd., 1989. 32. REXROTH, Hidraulik trener, RYU 0030118.80, G.L. Rexroth GmbH, Lohr am Main, 1980. 33. BOSCH-HYDRAULIK INFORMATIONEN, 1973174, BOSCH GmbH, Stuttgart, 1974. 34. StuSek, A., Hidraulitki i pneumatski uredaji, 11, DSNO, MornariEka uprava, 1969.

Prilog A: Nomogrami

SI. A-1. Nomogram txBdvanja Reynoldsova broja u praktitnim proratunima

Hidraulika i pneumatika 2

0

0

Llq.

..1 ::-7 ...5

-..4 -- .3

...2

-.I. 1: .07

-..05

..,113 -..02

...01 1:. 007

.. .OD5 ..,003 SI. A-3. Nomogram odredivanja pada tlaka u protdnim kanalima i cjevovodima SI. A-2. Nomogram odredivanja pada tlaka u protdnim kanalima i cjevovodima

Hidraulika i pneumatika I

bar

550 300 250 ZOO

I_

II

so

1507

-

-

=I50 100 10 60 50

100 7 P

bar

r

I/:

a0

-60 50,

2

40 30

I

y 15

-- 12

. -10

15

-I -

=-

-6

SI. A-4. Nomogram odredivanja veliCina protdnih olvora

SI. A&.

Nomogram odredhranja debljlna stijenke cijevi

SI. A-5. Nomogram odredivanja promjera protdnog olvora

Hidraulika I pneumatika

,,l,,,I,aln

I

1.1lll1kl t11,1l

l

.i..ll

SI. A-7. Nomogram dimenzioniranja savitljivih cjevovoda

Tablica A-1. Brojbni odnosi razliEitih jedinica tlaka

SI.A-8. EkonomiCnaprimjena linearnih pogona u ovisnosti o brzini klipa, opterekenju i nazivnoj veliCini ventila


Nariv

Simbol

prikljufak na hidrauliEki vod

+*

Prilog B B1 Pregled upotrijebljenih i hidraulitkih simbola prema standardima JUS.L.Nl.001 d o JUS.L.Nl.OOB

Naziv

Simbol *

Osnovni elementi

-

vratila, poluge

radni vod

upravljafki vod

-

priguSnik s blendom drenafni vod

-------

elektrifni vod

smjer okretanja - - - -

savitljivi vod simbol za promjenu (upravljanje, regulacija)

radni vodovi medusobno spojeni

kriknje vodova (nisu medusob;~ spojeni)

hidraulitki vod razdvojen

+ + *

elementi u bloku

r .-,-.-7

!

I

I !_._._._,

zatvoreni radni volumen :

manometar

0 0

258


I

Naziv

izvor tekuCine pod tiakom

Simboi

0-

Naziv

jednosmjerna jedinica crpka-motor konstantnog (promjenljivog) radnog volumena

elektromotor jednosmjerni hidrostatifki prijenosnik s crpkom promjenljivog radnog volumena motors unutarnjim izgaranjem

mehanitka spojka

dvosmjerni hidrostatitki prijenosnik s crpkorn i motorom promjenljivog radnog volumena

qnk

Hidnauliilre opke jednoradni hidraulifki cilindar hidraulitka crpka s jednim smjerom tlaknja konstantnog (promjenljivog) radnog volumena dvoradni hidraulitki cilindar hidraulirka crpka sa dva smjera tlaknja konstantnog (promjenljivog) radnog volumena

dvoradni hidraulitki cilindar s

teleskopski hidraulifki cilindar jednosmjerni hidraulifki motor konstantnog (promjenljivog) radnog volumena

dvosmjerni hidraulitki motor konstantnog (promjenljivog) radnog volumena

prikazivanje radnih pololaja

prikazivanje hidraulitkih prikljufaka hidraulitki uredaj s konstantnim (a) i promjenljivim (b) radnim volumenom u jednom smjem radi kao crpka, a u drugom kao motor

prikazivanje funkcije radnog pololaja

Simboi

260

Naziv


Simbol

Simbol

Naziv

prikazivanje aktiviranja razvodnika Primjeri razvodnik 412 (fetiri prikljuEka i dva radna polohja) elektrornagnetski aktiviran

blokirajuti polotaj

razvodnik 413 s elektrornagnetskirn aktiviranjem i oprutnirn drfanjern srediSnjeg poloZaja

poloZaj - otvoreno

elektrohidraulitki servorazvodnik 413

poloZaj - otvoreno - invermo

Q

nulti polohj otvoreno

I

poloZaj kratko spojeno i prekinuto

nulti polohj zatvoreno

El ventil za ogranitenje tlaka

'i*'"""

Aktiviranje razvodnika ~ f n aktiviranje 0

,

VfJ

vcntil za smanjcnjc tlaka

hidraulifko aktiviranje promjenljivi ventil za ograniknje tlaka s vanjskim hidraulifkim upravljanjem pneumatsko aktiviranje promjenljivi ventil za smanjenje tlaka s vanjskim hidraulifkim upravljanjem elektrornagnetsko aktiviranje

aktiviranje oprugom

L

indirektno upravljani ventil za ogranifenje tlaka


Naziv

Simbol

Naziv

Simbol

tlaltni prekidar

hladnjak

Protohi ventili promjenljivi p r i g u S ~ k

gnjat priguJnik s blendom

--@-

I

hidraulitki akumulator promjenljivi priguSnik s jednosmjernim ventilom

regulator protoka

82 Pregled upotrijebljenih i uobiEajenih pneumatskih simbola prema DIN24300 Naziv

Simhnl

razdjeljivar protoka

Osnovni elementi izvor tlaka jednosmjemi ventil

-----6radni vod jednosmjerni ventil s oprugom

+'+-

upravljatki vod

------

vod za 3duarivanje

---------

blokirajuti ventil

Ostali elementi bidmuli&og sustava

uokvireno polje linijom crta-tofka prikazuje vise elemenata zdmZenih u blok ili montatnu jedinku smjer strujanja

v


264

Naziv

Simbol

bez cijevnog nastavka

Naziv

spremnik

I$ s cijevnim nastavkom

Y

Simbol

€3

filtar

priguSivaP zvuka odvajaE vode s rufnim ispultanjem

PrikljuEa odvajaE vode s automatskim ispuStanjem zatvoreni brtvenim vijkom

--jC

spojeni prikljuEnim vodom

+X-

-9-Q-

filtar s odvajakm vode

--

spojeno, bez nepovratnih ventila oduzimar vlage spojeno, s mehaniEki otvorenim nepovratnim venti~om -

.

+++

-

razdvojeno,\vod otvoren

razdvojeno, vod zatvoren nepovratoim ventilom cijevni zatvaraf

* -W-

Rotacijski spoj s jednim prolaznim vodom

sa tri prolazna voda

garnitura za pripremu zraka (filtar, regulator tlaka i zauljivaf)

e

+

garnitura za pripremu zraka (pojednostavljenoprikazivanje)

A

26b

Naziv


Sirnbol

hladnjak s ucrtanim vodovima za rashladnu tekuCinu

Simbol

Naziv

-

-

Pneumatski moton s okrctanjem u jednofr) smjeru

McluniUd elernenti

s okretanjem u dva smjera

vratilo okretno u jcdnome smjeru (okretno u dva smjera)

s ograniknim podrutjem okretanja element za pozicioniranje uredaja

It

+

P~~emunatski dlindri element za blokiranje uredaja jcdnoradni (hod natrag pomofu

mchanizam za prebacivanje dvoradni (s klipnjabm na jednoj strani)

+=? dvoradni (s prolaznom klipnjabm)

zglobni spojevi

dvoradni (s podesivim priguknjem) Prehrnnje energije

dvoradni (za automatski rad) kompresor

I

multiplikator tlaka vakuum-sisaljka

I

izmjenjivat tlahog medija

*

270

Hidrauli i pneumatika --

--

Naziv ventil s blendom

Jednosmjerni ventili nepovratni ventil

podesivi priguSni ventil izmjenibo zaporni ventil

& priguSni ventil mehaniEki aktiviran s ticalom i kotatikm te oprugom za vrafanjc

jednosmjerno prigdni ventil s podcsivim primivanjem

L-

bmispusni ventil

uvjetnezaporni ventil

'

sigurnosni ventil

I

proslijedni tlaEni ventil

regulator tlaka b u otvora za odzrarivanje

regulator tlaka s otvorom za odzraEivanje

I

Prototni ventili

priguJni ventil

I

--.

Stnbol

268

Hidraulika 1 pneumatika

Naziv

Simbol

-

-

-

Naziv

Simbol

autornatska posrnifna jedinka s uljnim cilindrom za kdenje

Razvodnid

2L? razvodnik (u nultom polohju P -r A zatvoreno)

ticalom

dZ

2R razvodnik (u nultom polo2aju P -r A otvoreno) 3f2 - rarrodnik (u nultom polofaju

P -r A otvoreno) 3t2 - razvodnik (u nultom ~ o l o h i u

P + A otvoreno)

.

.

oprugom

JwC

3t2- razvodnik (u nultom polohju

svi su vodovi zatvoreni)

elektromagnetom

Q E

4/2 - razvodnik

pomdu magneta i posrednog ventila 413 - razvodnik (u nultom polofaju

d

svi su vodovi zatvoreni) pomdu porasta d a b 4 0 - razvodnik (u nultom polotaju su radni vodovi B i A odzrateni, a dovod

P zatvoren)

,*

pomdu pada tlaka

pomdu razlike sila

--+c

270

Naziv


Stnbol

ventil s blendom

Jednoqjeloi venlili nepovratni ventil

umjeniEno zaporni ventil

* dB & --..

uvjetno zaporni ventil

I

#

l l a a ventili sigumosni ventil

proslijedni tlaEni ventil

regulator tlaka bez otvora za odvaEivanje

I_, I

regulator tlaka s otvorom za odzrativanje

.LA

1

Protolni ventili

priguJni ventil

podesivi priguSni ventil

priguSni ventil mehanitki aktiviran s ticalom i kotaEi&m te oprugom za vrahnje

jednorrnjerno prigugni ventil s podcsivirn priguitivanjem b~zoispusniventil

Naziv

-5

Simbol

a-


Oznake i jedinice

Prilog C Pregled JUS-standarda Pregled JUS-standarda koji reguliraju osnovne velitine, nazive i simbole u hidraulici i pneumatici Oznaka

JUS

godina

4

6 4

3 1 2 1 1 1

1 1

1

Jedinica -

Hidraulifki i pneumatifki sistemi. Grafifki simboli. Osnovni funkcionalni elementi. Hidraulifki i pneumatifki sistemi. Grafifki simboli. PretvaraEi energije. Hidraulitki i pneumatifki sistemi. Grafifki simboli. Upravljafki ventili. Hidraulifki i pneumatifki sistemi. Grafifki simboli. PrenoSenje i o d h v a n j e energije (kondicioniranje). Hidraulifki i pneumatifki sistemi. Grafifki simboli. Hidraulifki i pneumatifki sistemi. Dopunski uredaji. Uljna hidraulika. Osnovne velitine. Nazivni pritisci. Uljna hidraulika. Osnovne velifine. Nazivni protofni otvori. Uljna hidraulika. Osnovne velifine. Nazivni prellnici. Uljna hidraulika. Osnovne velifine. Nazivne zapremine. Uljna hidraulika. Osnovne velifine. Nazivni brojevi obrtaja. Uljna hidraulika. Osnovne velifine. Navoji za spajanje. Ulina hidraulika. Osnovne velifine. Nazivni protohi otvori.

-

Naziv

- -

m / d m2

Broj strana

5

Simbol

ubrzanje povdina izlazni hidraulitki prikljufak na razvodniku povdina klipa modul stlativosti tekufina izlami hidraulifki prikljufali na ratvodniku brdna rmka mlsec koeficijent istjecanja promjcr cijevi hidraulifki promjer promjer promjena promjera modul elastitnosti J energija J promjena energijc N sila promjena sile ubnanje sile zemljiie t d e gravitacijska sila visina visina stupca tekuCine inercijska sila apsolutna hrapavost duljina slobodna duljina e j a n j a duljina hoda klipa kg masa kglsec protok mase u ~ k u n d i Nm moment dmin broj okretaja vratila kW snaga nazivna velitina protofnog otvora m opseg Pailibar tlak Pa ili bar promjena tlaka N sila Uaka hidrauliElri prikljuEak apLe na razvodniku J toplinska energija m31sec ili l/min volumenski protok m3/min kapaatet kompresora m3/sec promjena volumenskog protoka


Simbol

Jedinica

mm scc

sa N "Cili K 1 J m/sa mlscc

m3 cm310 m3 J

Pas mlIsu:

Naziv

hidraulitlci prikljutak rezervoua na razvodniku Reynoldsov broj debljina stijenke cijevi vrijeme promjena vremena sila trenja temperatura unutrdnja energija prornjena unutrasnjc energije b d n a stmjanja prornjena bmne volumen specifihri radni volumen (geometrijski v o l p e n ) promjena volumena rad prikljueak za intemo upravljanjc na razvodniku prikljuhk za ekstemo upravljanje na razvodniku m d u l volumenskog Lirenja tekucina beta faktor koeficijent korisnog djelovanja koeficijent dinamitke viskomosti koeficijent kinematske viskomosti koeficijent trenja koeficijent lokalnih otpora koeficijent punjenja koeficijent neravnomjernosti piotoka dopuJteno naprezanje materijalacijevi parametar upravljanja

lzdavatko poduzefe KNJIGA* Zagreb, Masarykova 28

PSKOLSKA Za izdavafa

rnr. MIUENKO

ZAGAR

Grafifki urednik ZEWKO TOMUANOVIC Korektor STANK0 SOKOL

Hidraulika.pdf

Recommend Documents