Moduł 6. Hydrauliczne i elektrohydrauliczne układy napędu i sterowania

Transkrypt

1 Moduł 6 Hydrauliczne i elektrohydrauliczne układy napędu i sterowania 1. Podstawy fizyczne działania układów hydraulicznych 2. Struktura funkcjonalna hydraulicznych i elektrohydraulicznych układów napędu i sterowania 3. Budowa i działanie podstawowych elementów układów hydraulicznych 4. Wytwarzanie i przygotowanie sprężonej cieczy roboczej, budowa stacji olejowej 5. Układy hydrostatyczne i hydrokinetyczne 6. Elektrohydrauliczne układy sterowania 7. Zasady bezpieczeństwa podczas użytkowania układów hydraulicznych i elektrohydraulicznych 8. Bibliografia

2 1. Podstawy fizyczne działania układów hydraulicznych Hydraulika dziedzina techniki zajmująca się elementami napędowymi, sterującymi i regulującymi maszyn, w których za pośrednictwem cieczy pod ciśnieniem wytwarza lub przenosi siły oraz momenty sił. PODSTAWOWE PARAMETRY CIECZY Ciężar właściwy jest to stosunek ciężaru cieczy G do jej objętości V G N 3 V m Zwykle w układach hydrulicznych stsoswane są ciecze o ciężarach właściwych wynoszących N/m 3. Gęstość jest to stosunek masy ciała m do jego objętości V m kg 3 V m Gęstość cieczy hydraulicznych wynosi [kg/m 3 ]. Lepkość jest to właściwość cieczy pozwalająca na przenoszenie sił stycznych. Miarą lepkości jest współczynnik zwany współczynnikiem lepkości dynamicznej. Średnia lepkość dynamiczna cieczy hydraulicznych wynosi: Pa s. Często zamiast lepkości dynamicznej używa się pojęcia lepkości kinematycznej: m 2. s Średnia lepkość kinematyczna cieczy hydraulicznych wynosi: m 2 s Oprócz wyżej wymienionych jednostek określających lepkość są przez producentów sprzętu i cieczy hydraulicznych stosowane jednostki nie należące do układu SI, a mianowicie: lepkość dynamiczna 1 puaz; 1P = 10 1 N s 2 m lepkość kinematyczna 1 stokes; 1St = 1 [cm 2 /s] =10 4 [m 2 /s] lub 1 centystokes = 1 cst = 10 2 St = 10 6 [m 2 /s] = 1[mm 2 /s] Niezależnie od tych jednostek używa się też pojęcia lepkości względnej - lepkości określanej przez porównanie danej cieczy, np. z wodą, wyrażana jest w stopniach Englera [ 0 E]. Lepkość cieczy maleje wraz z jej temperaturą. Wpływ temperatury na lepkość cieczy określa tzw. wskaźnik lepkości zwany indeksem wiskozowym. Ściśliwość jest to własność cieczy polegająca na zmianie objętości pod wpływem zmian ciśnienia. Ciecze hydrauliczne podobnie jak wszystkie inne ciecze są mało ściśliwe. Rozszerzalność cieplna jest to zjawisko polegające na zmianie objętości na skutek zmian temperatury. W przypadku cieczy hydraulicznych zmiany te są stosunkowo niewielkie. Ciśnienie cieczy jest to siła, z jaką ciecz naciska na jednostkę powierzchni ścianek naczynia. Jednostką ciśnienia jest Pascal: F p 2 S N m, 1 Pa = 1 N 2 m 2

3 Pascal jest niewielką jednostką, dlatego w praktyce stosuje się jego wielokrotności megapaskal [MPa] 1MPa = 10 6 Pa oraz 1bar (10 5 Pa). Do opisu jakościowego i ilościowego zjawisk dotyczących zachowania się cieczy w układach hydraulicznych wykorzystywane są prawa i metody h y d r o m e c h a n i k i (zwłaszcza hydrostatyki oraz hydrokinetyki). Hydrostatyka zajmuje się opisem zjawisk zachodzących w cieczy pozostającej w spoczynku, natomiast hydrokinetyka opisuje zjawiska zachodzące w cieczy będącej w ruchu. Dla zrozumienia działania układów hydraulicznych konieczna jest znajomość następujących zjawisk i praw dotyczących statyki cieczy: Rys Ilustracja praw hydrostatyki: a) prawa Pascala, b) zasady przekazywania siły. [opracowanie własne] Prawo Pascala Jeżeli na ciecz nieściśliwą działają tylko siły powierzchniowe, to w każdym jej punkcie panuje jednakowe ciśnienie (rys. 6.1). Przekazywanie siły Istotę zjawiska przekazywania siły sprowadzić można do dwóch sformułowań: Siły F1 i F2działające na powierzchnie nurnikόw A1 i A2 są proporcjonalne do ich przekrojόw. Mała siła działająca na dużym przemieszczeniu s1,może być przyczyną wytworzenia dużej siły działającej na małym przemieszczenius2. Przykład: Obliczyć wartość siły F1 prasy hydraulicznej jeżeli: F2 = 100 [N], A1 = 10-3 [m 2 ], A2 = 10-2 [m 2 ]. F1 / F2 = A1/A 2 to F1 = A1/A 2 x F 2 = 10-3 / 10-2 x 100 =10 [N] Przekazywanie ciśnienia Podczas przekazywania ciśnienia wartości ciśnień są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni, na które działają. Rόwnanie ciągłości strugi Przepływ cieczy przez rurociąg w postaci strugi charakteryzują następujące parametry: prędkość v [m/s], ciśnienie p [Pa], natężenie przepływu (strumień objętości) Q = v A, 3

4 gdzie: Q natężenie przepływu [m 3 /s], A pole powierzchni przekroju strugi [m 2 ]. Średnie prędkości przepływu cieczy nieściśliwej w ruchu ustalonym są odwrotnie proporcjonalne do odpowiednich przekrojów strugi. Q= v1a1= v2a2= const. W miejscach węższych rury lub koryta ciecz płynie z większą prędkością, a w miejscach szerszych z mniejszą prędkością. Rys Ilustracja podstawowych zasad hydrauliki: a) zasada przekazywania ciśnienia, b) zasada ciągłości strugi. [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Prawo zachowania energii (p r a w o B e r n o u l l i e g o) W ruchu ustalonym cieczy doskonałej całkowita energia 1 kg cieczy, która stanowi sumę energii kinetycznej energii ciśnienia i energii położenia jest jednakowa w każdym punkcie tej samej strugi. 2 v p g * h1 const 2 Rys Ilustracja prawa Bernoulliego [opracowanie własne] W poziomym ruchu ustalonym cieczy doskonałej suma ciśnienia dynamicznego i statycznego jest wielkością stałą. W szerokich miejscach poziomej rury, gdzie prędkość cieczy jest mała, ciśnienie dynamiczne jest też małe, a statyczne duże. Odwrotnie jest w wąskich miejscach rury. Bezpośrednio przejawia się i oddziałuje na ścianki rury tylko ciśnienie statyczne. 4

5 Tarcie i straty przepływu Przepływ cieczy hydraulicznej w przewodzie nie może odbywać się bez strat. Straty wynikająz tarcia cieczy o powierzchnię przewodu, tarcia wewnętrznego cieczy oraz lepkości. Tarciu towarzyszy wydzielanie się ciepła. Efektem tarcia jest spadek ciśnienia (rys. 6.3). Rys. 6.3.Straty tarcia podczas przepływu cieczy [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Straty tarcia podczas przepływu cieczy hydraulicznej w przewodzie zależą od: 1) długości przewodu, 2) przekroju poprzecznego przewodu, 3) chropowatości powierzchni przewodu, 4) ilości zagięć przewodu, 5) lepkości cieczy. Straty przepływu występujące w układach hydraulicznych dzieli się na dwa rodzaje: straty miejscowe występujące w miejscach lokalnych zaburzeń przepływu, takich jak: zawory, dysze, złączki, kolanka, rozgałęzienia, nagłe zmiany przekroju przepływu itp. straty liniowe, występujące w przewodach, których długość jest wielokrotnie większa od średnicy. Typy przepływu cieczy hydraulicznej Zależnie od ułożenia linii prądu strugi cieczy hydraulicznej wyróżnia się: przepływ uwarstwiony (laminarny) jeżeli linie prądu cieczy są wzajemnie do siebie równoległe, ten rodzaj ruchu występuje przy niewielkich prędkościach, przepływ burzliwy (turbulentny) występuje przy większych prędkościach przepływu, charakteryzują go drobne ruchy poboczne cząstek i wzajemne się ich mieszanie. Zależnie od zmian w czasie prędkości miejscowej i ciśnienia rozróżniamy: przepływ zmienny (prędkość miejscowa i ciśnienie w każdym punkcie cieczy zmieniają się w czasie, zmienia się też strumień objętości), przepływ ustalony (prędkość miejscowa i ciśnienie w każdym punkcie cieczy nie zmieniają się w czasie, strumień objętości nie zmienia się). W zależności od rodzaju sił wywołujących ruch cieczy: przepływ swobodny (występuje, gdy struga cieczy nie zwilża całego obwodu przewodu, w którym płynie, a więc gdy w przewodzie istnieje zwierciadło cieczy), przepływ wymuszony cieczy (mamy z nim do czynienia, gdy struga całkowicie wypełnia przewód). 5

6 Opory ruchu burzliwego są znacznie większe niż przepływu laminarnego. Średnią prędkość przepływu, po której przekroczeniu następuje przejście z ruchu laminarnego do burzliwego nazywamy prędkością krytyczną Vkr. Energia, jaką układ hydrauliczny przekazuje, np. na tłok siłownika, jest iloczynem siły F na tłoku i jego przemieszczania s. Odpowiada to iloczynowi ciśnienia p w siłowniku i wpływającej objętości V cieczy: W = F s = p A s = p V. Moc wyraża się zależnością: P = Q p, gdzie: Q objętościowe natężenie przepływu, p ciśnienie cieczy roboczej. 2. Struktura funkcjonalna hydraulicznych i elektrohydraulicznych układów napędu i sterowania Rys Struktura funkcjonalna układu hydraulicznego [opracowanie własne] Układ hydrauliczny w zależności od funkcji składa się z następujących urządzeń: a) źródła energii, b) hydrostatycznej maszyny pompowej (źródło ciśnienia), c) urządzeń regulujących i sterujących, d) hydrostatycznej maszyny silnikowej (siłowniki i silniki hydrauliczne) rys. 6.4). Zadania poszczególnych grup elementów są następujące: a) źródło energii silnik elektryczny (lub spalinowy) dostarcza energię mechaniczną w celu napędzania hydrostatycznej maszyny pompowej, b) hydrostatyczna maszyna pompowa zamienia energię mechaniczną dostarczoną przez źródło energii na energię hydrauliczną (energię sprężonego oleju), c) urządzenia sterujące i regulujące: nastawiają oraz regulują wartości ciśnienia w poszczególnych gałęziach układu oraz ilość przepływającego oleju, 6

7 kierują olej w odpowiednim momencie do odpowiedniego siłownika (silnika) i odprowadzają olej odpływający, przetwarzają informacje i sygnały wewnętrzne i zewnętrzne w celu realizacji zadań z pkt. 1 i 2, d) hydrostatyczna maszyna silnikowa zamienia energię hydrauliczną na energię mechaniczną (siłownik lub silnik hydrauliczny). Ponadto w skład układu hydraulicznego wchodzą jeszcze inne elementy pełniące rolę pomocniczą nie wpływając bezpośrednio na sposób pracy urządzenia hydraulicznego (tzw. osprzęt): 1) elementy przewodzące i gromadzące ciecz roboczą; są to wszelkiego rodzaju przewody rurowe umożliwiające przepływ energii między poszczególnymi elementami napędu oraz zbiorniki służące do gromadzenia cieczy roboczej; 2) elementy umożliwiające zachowanie odpowiednich właściwości cieczy roboczej; zalicza się do nich filtry utrzymujące czystość cieczy oraz chłodnice i nagrzewnice zapewniające właściwą temperaturę cieczy; 3) elementy służące do gromadzenia energii hydraulicznej, zwane akumulatorami hydraulicznymi; 4) elementy pomiarowe: mierniki ciśnienia (manometry), temperatury, natężenia przepływu itp., służące do kontrolowania pracy napędu. Do pracy napędu hydraulicznego niezbędna jest również odpowiednia ciecz robocza. Zasadę działania najprostszych układów hydraulicznych przedstawiają rysunki 6.5 i 6.6. Rys Schemat napędu o ruchu obrotowym Rys Schemat napędu hydrostatycznego o ruchu liniowym 1) pompa wyporowa łopatkowa, 2) silnik hydrauliczny, 3) zbiornik cieczy hydraulicznej, 4) rura ssawna, 5) rura łącząca pompę z silnikiem, 6) rura odpływowa silnika, 7) pompa hydrauliczna, 8) zawόr sterujący, 9) siłownik hydrauliczny Energia mechaniczna jest doprowadzana do wału wejściowego pompy i w niej przekształcana na energię hydrauliczną. Strumień cieczy pod ciśnieniem doprowadzany jest przewodem rurowym do silnika hydraulicznego lub siłownika, gdzie jego energia jest przekształcana na energię mechaniczną (moment obrotowy i prędkość wału silnika lub siłę i prędkość tłoczyska siłownika. 7

8 3. Budowa i działanie podstawowych elementów układów hydraulicznych POMPY HYDRAULICZNE Zadaniem pompy jest zamiana energii mechanicznej na energię hydrauliczną. Rys Zasada pracy pompy hydraulicznej [opracowanie własne] Ze względu na budowę pompy dzielimy na następujące grupy: zębate, łopatkowe, wielotłoczkowe, śrubowe, gerotorowe. Pompa zębata zbudowana jest z dwóch zazębiających się kół 1 oraz 2. Do jednego z kół doprowadzony jest napęd mechaniczny. Rys. 6.8.Zasada działania i budowy pompy zębatej [ W czasie wyzębiania się zębów w części 3 zwanej ssawną, objętość między zębami zwiększa się, wytwarza się podciśnienie, olej zostaje zassany. Następnie w przestrzeniach międzyzębnych olej jest przenoszony do części 4, zwanej tłoczną. Tutaj następuje zazębianie się 5 kół, przestrzenie między zębami obu kół maleją, wzrasta ciśnienie oleju, olej zostaje wytłoczony na zewnątrz. Podczas pracy pompy olej między zębami kół ulega sprężeniu do wysokiej wartości ciśnienia, łożyska są silnie przeciążone i łatwo się przegrzewają jest to stan niekorzystny dla pompy w celu odciążenia łożysk stosuje się kanaliki odciążające (rys. 6.8). Pompy zębate stosowane są zwykle do zasilania układόw hydraulicznych o ciśnieniach roboczych do 10 MPa (pompy z kasowaniem luzόw do 25 [MPa]. Prędkości obrotowe dochodzą do 2000 [1/min] wydajności do 100 [l/min] Pompy zębate cechują się prostotą budowy, łatwością obsługi i napraw oraz niewielkimi wymiarami. 8

9 Pompa łopatkowa Budowę i zasadę działania pompy łopatkowej przedstawiono na rysunku 6.9. Łopatki (3) osadzone są w wirniku (2), który jest umiejscowiony mimośrodowo wewnątrz korpusu (1) pompy. Łopatki są rozpierane w kierunku korpusu za pomocą sprężyn (4). W czasie obrotu wirnika, łopatki zagarniają ciecz z komory ssawnej do przestrzeni międzyłopatkowej, przenosząc ją do komory tłocznej pompy. Pompy łopatkowe nie mają dużego zastosowania w układach napędu hydraulicznego ze względu na niewielką wartość ciśnienia sprężania. Stosowane są w układach smarujących maszyny i urządzenia. Rys. 6.9.Zasada działania i budowy pompy łopatkowej [ Pompy wielotłoczkowe mogą być promieniowe (rys. 6.10a) i osiowe (6.10b). W pompach promieniowych ruch tłoczków 1 odbywa się prostopadle do osi wirnika 2. W pompie promieniowej przez pół obrotu wirnika wysuwające się tłoczki 1 zasysają olej poprzez układ rozrządu do objętości pod tłoczkami, przez następne pół obrotu wsuwające się tłoczki wytłaczają olej. Ograniczenie ruchu tłoczków zapewnia mimośrodowy pierścień 3. Olej zasysany jest z przewodu ssawnego 5 wykonanego w wałku rozdzielczym 4 i tłoczony do przewodu tłocznego 6. Pompa promieniowa jest pompą o zmiennej wydajności i maksymalnym ciśnieniu na wyjściu do 63 [MPa]. Pompy wielotłoczkowe osiowe budowane są jako pompy z wychylną tarczą 3 bądź z wychylnym wirnikiem. W pompach osiowych poprzez zmianę kąta wychylenia tarczy jest zmieniana wydajność pompy. Obrotowy ruch tarczy wymusza ruch posuwistozwrotny tłoczków co powoduje zasysanie z przewodu ssącego 5 i tłoczenie cieczy do przewodu tłocznego 6. Maksymalne ciśnienie na wyjściu wynosi 45 [MPa]. 9

10 Rys Schemat budowy pomp tłoczkowych: a) promieniowej, b) osiowej [ Pompy śrubowe (rys. 6.11) składają się z dwóch (lub więcej) śrub napędzanych wspólną przekładnią zębatą wykonujących obroty przeciwbieżne z taką samą prędkością obrotową. Zasysany olej przetłaczany jest wzdłuż wykonujących obroty przeciwbieżne z taką samą prędkością obrotową. Zasysany olej przetłaczany jest wzdłuż śrub jakby był nieruchomą nakrętką. W celu odciążenia wirników od sił osiowych doprowadza się ciśnienie do czopów śrub od strony przeciwnej śruby niż przestrzeń tłoczenia lub śruby ze zwojami lewymi, na jednej stronie śruby oraz prawymi na drugiej stronie śruby. Pompy śrubowe odznaczają się dużą równomiernością tłoczenia, dużą sprawnością, cichobieżnością, dużą wydajnością (do l/min) i dużymi ciśnieniami roboczymi (do 20 [MPa]). Rys Schemat budowy pomp tłoczkowych: a) promieniowej, b) osiowej [Szydelski Z.: Napęd i sterowanie hydrauliczne. WKiŁ, Warszawa 1993] Pompa gerotorowa (rys. 6.12) składa się z posiadającego zewnętrzne uzębienie wirnika wykonującego ruch wewnątrz uzębionego wewnętrznie wieńca posiadającego o jeden ząb mniej niż wirnik. Wirnik jest zamocowany mimośrodowo w stosunku do wieńca i ruch wirnika odbywa się w tym samym kierunku, lecz wolniej. Wszystkie zęby wirnika znajdują się w ciągłym styku z zębami wieńca. Pomiędzy wieńcem, a wirnikiem powstaje układ komόr o objętościach zmieniających się w zależności od kąta obrotu wirnika, ale suma objętości komόr pozostaje stała. Ważną cechą pomp gerotorowych jest niewielki rozmiar, wysoka sprawność, wydajność zmienna w szerokich granicach, a ciśnienie robocze osiąga 15 [MPa]. 10

11 Rys Schemat budowy i działania pompy gerotorowej [Lipski J., Zwolak E., Białas W.: Hydrauliczne urządzenia środków transportu. WKŁ, Warszawa 1980] SILNIKI HYDRAULICZNE Rys Zasada pracy silnika hydraulicznego [opracowanie własne] Silniki hydrauliczne zamieniają energię sprężonej cieczy roboczej na ruch obrotowy wału silnika. Są one odwrotnością odpowiednich pomp hydraulicznych i dlatego nie będziemy omawiać ich budowy i zasad działania. W układach hydraulicznych najczęściej stosowane są silniki: 1) zębate, 2) łopatkowe, 3) tłoczkowe, 4) gerotorowe. Najczęściej stosowane są silniki tłoczkowe ze względu na możliwość uzyskiwania bardzo małych stabilnych prędkości obrotowych (1 2 [obr/min]) oraz dużych momentόw obrotowych (do [Nm]). SIŁOWNIKI HYDRAULICZNE Siłowniki są to urządzenia przekształcające energię cieczy hydraulicznych na energię mechaniczną. Są one łącznikiem pomiędzy układem hydraulicznym, a napędzaną maszyną. Zamieniają energię hydrauliczną na przemieszczenie liniowe lub obrotowe elementu napędzanego. Wartość siły F powstającej na tłoczysku siłownika o przekroju tłoka A wykonującego ruch w wyniku podania cieczy hydraulicznej o ciśnieniu p wynosi: F = p A. 11

12 Rys Klasyfikacja siłownikόw hydraulicznych [opracowanie własne] Siłownik nurnikowy (rys. 6.15) przez sprężony olej wytwarzana jest tylko siła wypychająca nurnik. Wsuwanie nurnika następuje pod wpływem obciążenia zewnętrznego. Rys Siłownik nurnikowy [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Siłownik tłokowy jednostronnego działania (rys. 6.16) siła przepychająca tłoczysko wytwarzana jest przez sprężony olej, natomiast powrόt tłoczyska następuje pod wpływem siły sprężyny. Rys Siłownik tłokowy jednostronnego działania [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Siłownik dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem (rys. 6.17) ruch tłoczyska następuje w wyniku podawania sprężonego oleju kolejno z obu stron tłoka, siła wysuwająca ma wartość większą niż siła wsuwająca tłoczysko. Rys Siłownik tłokowy dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] 12

13 Siłownik dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem (rys. 6.18) ruch tłoczyska następuje w wyniku podawania sprężonego oleju kolejno z obu stron tłoka, jeżeli przekroje tłoczysk z obu stron są jednakowe to siła wysuwająca jest rόwna sile wsuwającej tłoczysko. Rys Siłownik tłokowy dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Siłownik tandem (rys. 6.19) na jednym tłoczysku znajdują się dwa tłoki, siła przekazywana na tłoczysko jest dwukrotnie większa niż w siłownikach dwustronnego działania. Rys Siłownik tłokowy dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Na rys oraz 4.39 przedstawiono zasadę działania siłowników teleskopowych dwustronnego oraz jednostronnego działania. Rys Siłownik tłokowy dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] 13

14 Rys Siłownik tłokowy dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Siłownik z tłokiem obrotowym w korpusie siłownika na wale zamocowany jest tłok obrotowy, który dzieli przestrzeń korpusu na dwie komory. Podając sprężony olej do poszczególnych komór powodujemy obrót tłoka obrotowego i wałka, na którym tłok jest osadzony. Rys Siłownik z tłokiem obrotowym [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology:Mannesmann Rexroth AG, 1991] Siłownik z tłokami równoległymi tłoki osadzone na wale mają możliwość przemieszczania się w równoległych komorach. Podając sprężony olej do poszczególnych komór powodujemy przemieszczanie się tłoków wzdłuż osi komór i obrót wałka, na którym tłoki są osadzone. Rys Siłownik z tłokami równoległymi [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology:Mannesmann Rexroth AG, 1991] Siłownik z zębatką tłok stanowi zębatkę współpracującą z kołem zębatym osadzonym na wałku wyjściowym siłownika. 14

15 Rys Siłownik z zębatką [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Elementy sterujące przepływem cieczy roboczej Elementami sterującymi przepływem płynów są zawory. Podstawowy podział zaworów: a) zawory sterujące ciśnieniem zawory bezpieczeństwa, zawory przelewowe, zawory redukcyjne, b) zawory sterujące natężeniem przepływu dławiki, c) zawory sterujące kierunkiem przepływu zawory rozdzielające, zawory zwrotne. ZAWORY STERUJĄCE CIŚNIENIEM Zawory sterujące ciśnieniem stosowane są w układach hydraulicznych w celu ograniczenia ciśnienia cieczy roboczej w układzie lub określonej gałęzi układu. Stosowane są trzy podstawowe rodzaje zaworόw sterujących ciśnieniem: zawory przelewowe, zawory bezpieczeństwa, zawory redukcyjne. Zawór przelewowy stosuje się w układach, w których podczas normalnej pracy tylko część czynnika powinna dopływać do zbiornika, reszta musi być odprowadzona do zbiornika lub do innej gałęzi układu. Zawόr przelewowy otworzy przepływ cieczy hydraulicznej o ciśnieniu pe do zbiornika (lub przewodu o niższym ciśnieniu pa) wtedy, gdy: Fhyd> FF + pa A. Rys Zasada działania zaworu przelewowego. [The Hydraulics Trainer, Volume 1: Basic Principles and Components of Fluid Technology: Mannesmann Rexroth AG, 1991] Zawór bezpieczeństwa stosowany jest w przypadkach konieczności natychmiastowego zadziałania w momencie nagłego wzrostu ciśnienia. Budowa oraz zasada działania zaworu bezpieczeństwa jest analogiczna jak zaworu przelewowego, z tą rόżnicą, że zawόr bezpieczeństwa musi otworzyć przepływ do zbiornika natychmiast po wzroście ciśnienia. Zawór redukcyjny stosowany jest w celu utrzymania stałej wartości ciśnienia za zaworem niezależnie od zmian ciśnienia przed zaworem. 15

16 Rys Zasada działania zaworu redukcyjnego h=84ec16cf25&type=98 Tłoczek 1 zaworu utrzymywany jest w położeniu otwarcia przez sprężynę. Ciecz bez przeszkόd przepływa od pompy P do siłownika A. Jeżeli ciśnienie p wzrośnie do wartości granicznej wynikającej ze wstępnego napięcia sprężyny to tłoczek zostanie przesunięty w lewo zmniejszając dopływ oleju z pompy. Przy spadku ciśnienia p następuje działanie odwrotne. Nadmiar oleju spływa do zbiornika kanałem T. ZAWORY STERUJĄCE NATĘŻENIEM PRZEPŁYWU Do zmiany (ustawiania) natężenia przepływu cieczy roboczej stosowane są zawory dławiące oraz dławiąco- zwrotne. Rys Schemat budowy zaworu: a) dławiącego, b) dławiąco- zwrotnego. [ Zawór dławiący umozliwia dławienie w obu kierunkach przepływu. Ciecz hydrauliczna trafia przez boczne otwory (3) do dławika (4). Jest on tworzony pomiędzy obudową (2), a regulowaną tuleją (1). Obracając tuleję (1) można bezstopniowo zmieniać przekrój dławika (4). Zawór dławiąco-zwrotny umożliwia dławienie w jednym kierunku, przepływ bez dławienia w kierunku przeciwnym. Przy przepływie cieczy przez zawór w kierunku dławienia sprężyna (6) i ciecz hydrauliczna naciskają grzybkiem (5) na gniazdo odcinając połączenie. Przez otwory boczne (3) ciecz hydrauliczna przepływa do dławika (4) utworzonego pomiędzy obudową (2), a regulowaną tuleją (1). W kierunku przeciwnym ciśnienie działa na powierzchnię czołową grzybka (5), podnosi go z gniazda i umożliwia przepływ. Ciecz hydrauliczna przepływa swobodnie przez zawór. Regulator przepływu Dwudrogowym regulatorem przepływu (rys. 6.28) można wpływać na zmianę prędkości elementów wykonawczych. Zawór różnicowy utrzymujący stały spadek ci- 16

17 śnienia na nastawialnej kryzie połączony jest z zaworem dławiącym. Regulatory prędkości zapewniają stałą prędkość ruchu tłoka mimo zmieniającego się obciążenia. Rys Schemat regulatora przepływu. [Lipski J., Zwolak E., Białas W.: Hydrauliczne urządzenia środków transportu. WKŁ, Warszawa 1980] ZAWORY STERUJĄCE KIERUNKIEM PRZEPŁYWU: Zawory odcinające stosowane są w celu zamykania i otwieranie przepływu czynnika przez dany przewód. Zawory zwrotne umożliwiają przepływ cieczy roboczej w jednym kierunku, zapobiegają przepływowi w kierunku przeciwnym. Typowe rozwiązania zaworόw zwrotnych przedstawione są na rys Rys Zawory zwrotne: a) kulkowy ze sprężyną, b) płytkowy, c) bez sprężyny. [Lipski J., Zwolak E., Białas W.: Hydrauliczne urządzenia środków transportu WKŁ, Warszawa 1980] Zawory rozdzielające kierują ciecz roboczą do pracujących przestrzeni roboczych urządzeń hydraulicznych, umożliwiając jednocześnie swobodny odpływ oleju z przestrzeni niepracujących. Zawory rozdzielające doprowadzają ciecz roboczą do urządzeń w taki sposób, aby wykonywały one ruch w pożądanym kierunku. Zaletami zaworów rozdzielających są: prosta konstrukcja, 17

18 niewielkie siły sterujące, wysoka przenoszona moc, niewielkie straty przepływu. Najczęściej stosowane są zawory suwakowe oraz obrotowe. Zasadę działania zaworów rozdzielających przedstawiono na rysunku Rys Podstawowe rodzaje zaworów rozdzielających: 1) dwudrożne, 2) trójdrożne, 3) czterodrożne, a) obrotowe, b) suwakowe [Lipski J., Zwolak E., Białas W.: Hydrauliczne urządzenia środków transportu. WKŁ, Warszawa 1980] Rozdzielacz jest zbudowany z ruchomego suwaka z dołączonymi do niego tłoczkami. Porusza się w cylindrycznym korpusie. Tłoczki są ustawione w szczelinie wewnątrz cylindra tak, że ruch tłoka stopniowo zmienia rozmiar szczelin i zmienia różnicę przepływu oleju pomiędzy dwoma sterowanymi przyłączami. Na rysunku 6.31 przedstawiono sposób pracy typowego zaworu rozdzielającego. Przyłącza są ponumerowane symbolami P (zasilanie), T (zbiornik) oraz A i B (lokalne przyłącza sterowania). Pozycja suwaka wskazuje przemieszczenie o małą odległość (xv) w rezultacie działania zadanej siły (FV) na jednym końcu. Strzałki przy każdym z przyłączy wskazują kierunek przepływu cieczy roboczej. Przesuwanie suwaka w tulei powoduje zmianę schematu połączeń pomiędzy przyłączami P, T, A i B. Rozdzielacz pozwala na realizację trzech schematów. Przy braku siły zadanej (Fv=0) w układzie nie ma przepływu, suwak jest ustawiony centralnie i wszystkie przyłącza są zamknięte przez tłoczki (schemat 1). Przesunięcie suwaka w kierunku K powoduje realizację połączenia P A, B T (schemat 2). Przesunięcie suwaka w kierunku K z położenia, w którym wszystkie połączenia są odcięte, spowoduje realizację schematu połączeń P B, A T (schemat 3). 18

19 Rys Sposób działania zaworu rozdzielającego. [ 1?start=1#.UiD7PtJK8as] 4. Wytwarzanie i przygotowanie sprężonej cieczy roboczej, budowa stacji olejowej Budowa stacji olejowej (zespołu zasilania hydraulicznego) Zadaniem zespołu zasilania hydraulicznego jest wytworzenie i przygotowanie energii ciśnienia cieczy roboczej wykorzystywanej przez układ elektrohydrauliczny. Ciecz robocza podawana do urządzenia hydraulicznego powinna spełniać następujące wymagania: nie zawierać zanieczyszczeń mechanicznych, nie zawierać pęcherzyków powietrza ani wody, mieć odpowiednią temperaturę oraz lepkość, mieć odpowiednie ciśnienie. Obecnie stosuje się w napędach hydrostatycznych, w zależności od miejsca pracy i przeznaczenia napędzanego urządzenia, następujące rodzaje cieczy roboczych: oleje mineralne spreparowane z produktów destylacji ropy naftowej, będące cieczami palnymi, ciecze trudno palne i niepalne w postaci emulsji oleju w wodzie lub wody w oleju oraz roztworów glikoli w wodzie, bezwodnych cieczy syntetycznych, a także wody. Podstawowe właściwości cieczy roboczych odpowiednia lepkość, możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury (wysoki wskaźnik lepkości), wymagana pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania, mała ściśliwość, brak skłonności do pienienia, szybkie wydzielanie powietrza, dobre właściwości przeciwzużyciowe, dobre właściwości przeciwkorozyjne, 19

20 stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na: utlenianie, ścinanie i degradację termiczną. Bardzo ważną rolę w stacji olejowej odgrywa zbiornik cieczy roboczej (rys.6.32), gdyż umożliwia on: 1) gromadzenie wymaganej ilości cieczy roboczej wpływającej/wypływającej do siłowników i silników hydraulicznych, 2) wymianę ciepła pomiędzy cieczą roboczą, a otoczeniem, 3) oddzielenie zanieczyszczeń mechanicznych i wody, 4) wydzielenie zawartego w cieczy roboczej powietrza. Pojemność zbiornika cieczy roboczej powinna być 2 do 8 razy większa niż łączna wydajność pomp zainstalowanych w stacji olejowej. Zbiornik zaopatrzony powinien być w filtr wlewowy oleju, wskaźniki poziomu oleju, filtr powietrzny (aby nie powstawało podciśnienie w zbiorniku). Rys Schemat budowy stacji olejowej [FLUID SIM H] W skład stacji olejowej wchodzą zwykle następujące elementy i urządzenia: 1) zbiornik cieczy roboczej, 2) zespół silnik pompa, 3) urządzenia do kontroli: poziomu cieczy roboczej, temperatury cieczy roboczej, ciśnienia cieczy roboczej, 4) filtry, 5) chłodnice, 6) podgrzewacze, 7) zawory ograniczające ciśnienie, 8) zawory kontrolne, 9) akumulatory. 20

21 Od warunków pracy układu zależy, które z wymienionych elementów wystąpią w stacji olejowej. FILTRY W układach hydraulicznym występują zanieczyszczenia stałe oleju. Zanieczyszczenia te usuwane są za pomocą filtrów. Ze względu na zasadę działania filtry dzielimy na: 1) filtry mechaniczne, 2) filtry siłowe. Rys Zasada działania filtrów: a) mechanicznego [Jędrzykiewicz Z., Pluta J., Stojek J.: Napęd i sterowanie hydrauliczne. AGH, WIMiR, Kraków, 2004], b) magnetycznego, c) odśrodkowego [Lipski J., Zwolak E., Białas W.: Hydrauliczne urządzenia środków transportu. WKŁ, Warszawa 1980] W filtrach mechanicznych oczyszczanie odbywa się na zasadzie przepuszczania cieczy przez wkład filtrujący z odpowiednio dobranymi kanalikami zatrzymującymi zanieczyszczenia. W filtrach siłowych wykorzystuje się działanie sił magnetycznych, elektrycznych, grawitacyjnych, odśrodkowych powodujących wydzielanie zanieczyszczeń ferromagnetycznych oraz cząsteczek zanieczyszczeń o większym ciężarze właściwym, niż ciecz robocza. 21

22 AKUMULATORY HYDRAULICZNE Akumulatory stosuje się najczęściej w układach, w których może wystąpić chwilowe zapotrzebowanie na energię hydrauliczną. Pozwala to na wyeliminowanie z układu pompy o większej wydajności, która podczas normalnej eksploatacji układu pracowałaby w dużej mierze na przelew do zbiornika, a tylko w krótkich okresach czasu występowałoby zapotrzebowanie na pełną wydajność pompy. Zadaniem akumulatora jest gromadzenie energii hydraulicznej. Ze względu na konstrukcję dzielą się na trzy podstawowe grupy: gazowe, ciężarowe, sprężyste. W zależności od konstrukcji energia jest gromadzona w postaci energii gazu, energii potencjalnej obciążnika lub energii ciała sprężystego. Rys Schemat budowy akumulatorów hydraulicznych: a) akumulator z przegrodą pęcherzowy gazowy, b) akumulator ze stałym ciężarem, nurnikowy, c) akumulator sprężynowy nurnikowy [Lipski J., Zwolak E., Białas W.: Hydrauliczne urządzenia środków transportu. WKŁ, Warszawa 1980] 5. Układy hydrostatyczne i hydrokinetyczne Napędy hydrokinetyczne (hydrodynamiczne) - napęd hydrauliczny wykorzystujący do przenoszenia ruchu przede wszystkim energię kinetyczną cieczy roboczej energię przenoszą rozpędzone cząsteczki cieczy roboczej. Napędy hydrokinetyczne umożliwiają uzyskanie ruchu obrotowego o określonej prędkości obrotowej. Napędy hydrokinetyczne są zbudowane z dwóch głównych elementów: wirnika silnika i wirnika odbiornika, zamontowanych we wspólnej obudowie, wypełnionej cieczą hydrauliczną jak to przykładowo pokazano na rysunku Elementy wirnika wałka napędzającego (silnika) 1 i 2 oddziałują na olej hydrauliczny 6 wprawiając go w ruch, olej oddziałuje na elementy wirnika wałka napędzanego(odbiornika) 3 i 5, przekazując ruch pochodzący od wirnika silnika. 22

23 Rys Zasada działania napędu hydrokinetycznego [TOTAL Ciecze do układów hydraulicznych] Napędy hydrostatyczne są to napędy, które do przenoszenia ruchu wykorzystują energię sprężonej cieczy roboczej (wykorzystują energię ciśnienia statycznego cieczy roboczej). Rys Zasada działania napędu hydrostatycznego [TOTAL Ciecze do układów hydraulicznych] Tabela 6.1. Symbole wybranych elementów układów hydraulicznych [opracowanie własne] Nazwa Symbol Nazwa Symbol Przewód połączeniowy Zawόr rozdzielający 2/2 Źródło energii hydraulicznej Zawόr rozdzielający 4/2 Stacja olejowa Zawόr rozdzielający 4/3 23

24 Zespół akumulatora hydraulicznego Regulator przepływu Pompa hydrauliczna o stałej wydajności Manometr Pompa hydrauliczna o zmiennej wydajności Silnik hydrauliczny o stałej chłonności Miejsce odprowadzenia przecieków wewnętrznych albo powrót Filtr Silnik hydrauliczny o zmiennej chłonności Chłodnica Siłownik dwustronnego działania Zawόr odcinający Zawόr bezpieczeństwa, przelewowy Zawόr dławiąco- -zwrotny Strukturę układów hydraulicznych przedstawia się na rysunkach w postaci schematów, na których poszczególne elementy układów przedstawione są za pomocą symboli. Schematy pokazują precyzyjnie sposób łączenia poszczególnych elementów układów i pozwalają na odczytanie sposobu działania układów hydraulicznych. Sposób oznaczania elementów układu przedstawiono na rys. 6.37: kolejne elementy wykonawcze (siłowniki) oznaczane są cyframi 1.0, 2.0,, pozostałe elementy współpracujące z danymi siłownikami oznaczane są odpowiednio 1.1, 1.2, 1.3.,, 2.1, 2.2,, źródło zasilania, np. stacja olejowa oznaczana jest numerem 0.1, 0,2, 0,3, urządzenia towarzyszące stacji olejowej (zawory bezpieczeństwa, akumulatory itp.) 24

25 punkty pomiaru ciśnienia- manometry M1, M2, Rys Sposόb oznaczania elementów na schematach układów hydraulicznych [opracowanie własne] Poniżej zostaną przedstawione niektóre (podstawowe) rodzaje układów sterowania hydraulicznego: układy nastawiające i regulujące prędkość ruchu tłoczyska siłownika (lub wału silnika), układy nawrotne (zmieniające kierunek ruchu tłoczyska), układy hamowania. UKŁADY NASTAWIAJĄCE I REGULUJĄCE PRĘDKOŚĆ Prędkość organów wykonawczych urządzeń hydraulicznych można nastawiać i regulować poprzez: a) zmianę wydajności pompy, b) stopniowanie (przyłączanie lub odłączanie pomp o stałej wydajności), c) zmianę chłonności silnika, d) dławienie, e) zastosowanie regulatorów przepływu (regulatory prędkości), Nastawianie oraz regulacja prędkości siłowników(silników) hydraulicznych odbywa się poprzez dawkowanie (dostarczanie) odpowiedniej ilości cieczy roboczej. Układy ze zmienną wydajnością pompy Na rys przedstawiono układ ze zmienną wydajnością pompy. Dawkowanie odbywa się na wlocie, a urządzeniem określającym ilość podawanej cieczy roboczej jest pompa. Ciecz robocza podawana przez pompę dostarczana jest do siłownika. Zawór przelewowy ma za zadanie zabezpieczenie układu przed ewentualnym przeciążeniem i w warunkach normalnej pracy układu pozostaje zamknięty. Dlatego w układzie nie ma strat hydraulicznych. Układy ze zmienną wydajnością pompy nadają się do realizacji ruchów szybkich urządzeń o dużych mocach. 25

26 Rys Układ ze zmienną wydajnością pompy [opracowanie własne] Układy ze stopniowaniem (przyłączanie lub odłączanie pomp o stałej wydajności). Pompy mają rόżne wydajności. Dzięki zaworowi rozdzielającemu można z siłownikiem łączyć poszczegόlne pompy i dzięki temu dawkować olej do siłownika, uzyskując określone wartości prędkości. Rys Układ ze stopniowaniem. [opracowanie własne] Układ ze zmienną chłonności silnika Zmiana prędkości odbywa się przy stałej ilości cieczy roboczej dopływającej do silnika, a zmianie ulega ilość cieczy roboczej pochłaniana przez silnik na jeden obrót lub na przesunięcie tłoczyska o jednostkę długości. Rys Zasada zmiany prędkości tłoczyska poprzez zmianę chłonności siłownika. [opracowanie własne] Układy z dławieniem Dawkowanie cieczy roboczej za pomocą dławienia polega na przepuszczaniu jej przez dławik. Dławik może być włączany: a) na wlocie do siłownika, b) na wylocie, c) na odgałęzieniu. Układ z dławikiem włączonym na wlocie część cieczy roboczej podawanej przez pompę poprzez dławik dostaje się do komory siłownika powodując ruch tłoczyska siłownika z określoną prędkością, pozostała część cieczy roboczej powraca do zbiornika przez zawór przelewowy. Nadwyżka ciśnienia podawanego przez pompę (w stosunku do ciśnienia w siłowniku) jest przyczyną strat energetycznych oraz wydzielania ciepła w dławiku. Włączenie dławika na wlocie ma jeszcze tę wadę, że nie wytwarza 26

27 w siłowniku przeciwciśnienia co ujemnie wpływa na równomierność ruchu tłoczyska siłownika. Rys Zasada zmiany prędkości tłoczyska poprzez zmianę chłonności siłownika [opracowanie własne] Układ z dławikiem włączonym na wylocie siłownika ciśnienie w komorze siłownika jest równe ciśnieniu wytwarzanemu przez pompę i ustalone przez zawór przelewowy odprowadzający nadmiar cieczy roboczej do zbiornika (p1 = constans). Do zalet włączania dławika na wylocie zaliczyć należy: powstawanie przeciwciśnienia, odprowadzenie cieczy roboczej nagrzanej w dławiku wprost do zbiornika, ograniczenie możliwości zapowietrzenia siłownika w przypadku zmniejszenia prędkości ruchu tłoczyska. Układ z dławikiem włączonym na odgałęzieniu pompa wytwarza takie ciśnienie, jakie panować powinno w komorze siłownika. Zawór przelewowy zabezpiecza układ przed przeciążeniem i normalnie jest całkowicie zamknięty. Część cieczy roboczej podawanej przez pompę dopływa do siłownika, a pozostała część poprzez dławik wypływa do zbiornika. Ujemnymi cechami włączenia dławika na odgałęzieniu jest brak przeciwciśnienia oraz zależność prędkości od rzeczywistej wydajności pompy (od obciążenia oraz stanu zużycia pompy). Natomiast do zalet należy zaliczyć mniejsze straty energetyczne, ponieważ pompa wytwarza tylko takie ciśnienie, które jest niezbędne do pokonania aktualnego obciążenia tłoczyska siłownika. Układ ten stosowany jest w urządzeniach dużej mocy oraz przy niewielkim zakresie prędkości. Układ z regulatorem przepływu Zastosowanie regulatora przepływu umożliwia utrzymanie stałej wartości natężenia przepływu cieczy roboczej, a w związku z tym uniezależnia prędkość ruchu tłoczyska siłownika od zmian obciążenia. Dokładność utrzymania stałego spadku ciśnienia ma bezpośredni na stałość prędkości ruchu tłoczyska siłownika przy zmiennym obciążeniu. UKŁADY ZMIANY KIERUNKU RUCHU ORGANU WYKONAWCZEGO (UKŁADY NAWROTNE) Zmiana kierunku ruchu, czyli nawrót elementu napędzanego odbywać się może w dwojaki sposób: w wyniku sterowania ręcznego, 27

28 po dojściu tego elementu do zderzaka (czujnika położenia) ruchomego lub stałego. Układy ręcznego sterowania zmiany kierunku ruchu Wysuwanie tłoczyska siłownika następuje wtedy, gdy zawór 4/3 za pomocą dźwigni przesterowany jest w lewe położenie. Przesterowanie zaworu w położenie środkowe powoduje odcięcie dopływu cieczy roboczej do cylindra i silne hamowanie ruchu tłoczyska, dzięki czemu można uzyskać zatrzymanie tłoczyska. Po przesterowaniu zaworu w położenie prawe następuje wsuwanie tłoczyska siłownika. Rys Układ ręcznego sterowania zmiany kierunku ruchu tłoczyska [opracowanie własne] Układy sterowania zmiany kierunku ruchu za pomocą pilota. Rys Układ sterowania zmiany kierunku ruchu za pomocą pilota [opracowanie własne] Samoczynna zmiana kierunku ruchu siłownika, następuje w momencie przesterowania suwaka zaworu 1.2 (pilota) przez tłoczysko siłownika. UKŁADY HAMOWANIA RUCHU TŁOCZYSKA SIŁOWNIKA Przesterowanie zaworu rozdzielającego do położenia środkowego (zamykającego dopływ i odpływ cieczy roboczej w siłowniku) może prowadzić do chwilowych niebez- 28

29 piecznych wzrostów ciśnień spowodowanych bezwładnością ruchomych elementów. Aby tego uniknąć do komory wylotowej siłownika podłącza się zawór przelewowy zapobiegający nadmiernemu wzrostowi ciśnienia. Rys Układ hamowania ruchu tłoczyska siłownika [opracowanie własne] 6. Elektrohydrauliczne układy sterowania Rys Schemat funkcjonalny układu elektrohydraulicznego [opracowanie własne] W układach elektrohydraulicznych wyróżnić można dwie części funkcjonalne: A. hydrauliczną zawierającą urządzenia, zespoły, elementy uczestniczące w wytwarzaniu i przekazywaniu energii hydraulicznej zmagazynowanej w sprężonej cieczy roboczej oraz realizujące ruchy robocze (siłowniki i silniki hydrauliczne, zawory sterujące kierunkiem, ciśnieniem i natężeniem przepływu cieczy roboczej, zespół zasilania hydraulicznego), 29

30 B. elektryczną zawierającą elementy i urządzenia elektryczne, ktόrych zadaniem jest sterowanie urządzeń części hydraulicznej, a także elementy umożliwiające generowanie sygnałόw niezbędnych do realizowania zadań sterowniczych. Na rys przedstawiony jest schemat układu elektropneumatycznego, zapewniający wysunięcie tłoczyska siłownika wtedy, gdy wciśnięty jest przycisk elektryczny S1. Gdy przycisk nie jest naciskany tłoczysko wsuwa się (lub pozostaje w położeniu wsunięty). Y1 +24V Y1 0V Rys Schemat prostego układu elektrohydraulicznego [opracowanie własne] Elementy i urządzenia części elektrycznej oddziałują na strumień energii przepływający przez elementy i urządzenia części hydraulicznej za pomocą zaworόw sterowanych elektrycznie. Zawory te mogą oddziaływać bezpośrednio na strumień główny energii hydraulicznej lub mogą realizować sterowanie pomocnicze zaworów hydraulicznych, sterujących strumieniem energii. Stosowanie zaworów z pomocniczym elektrycznym sterowaniem sprzyja zmniejszeniu ciężaru i wymiarów zaworów, a także zwiększeniu szybkości i niezawodności ich działania. Elektryczny układ sterujący przyjmuje sygnały generowane przez czujniki rozmieszczone w różnych miejscach hydraulicznej części układu dostarczające informacje o: 1) położeniu tłoczyska siłowników hydraulicznych, 2) gotowości układu do działania, 3) wartości parametrów (ciśnienia, prędkości ruchu). W układach elektrohydraulicznych zawory rozdzielające sterowane są sygnałem elektrycznym. Rozdzielacz składa się z obudowy (1), dwóch elektromagnesów (2), suwaka sterującego (3). W stanie beznapięciowym, suwak jest utrzymywany w centralnej pozycji przez sprężyny 4. Suwak sterujący jest uruchamiany przez rdzeń elektromagnesu typu mokrego komora ciśnieniowa rdzeni elektromagnesów jest wypełniona cieczą roboczą. Siła elektromagnesu (2) działa poprzez popychacz (5) na suwak sterujący i przesuwa go z pozycji spoczynkowej do pozycji końcowej. Osiąga się w ten sposób zadany kierunek przepływu cieczy roboczej z P do A i z B do T lub z P do B i z A do T (rys. 6.47). 30

31 Rys Konstrukcja elektrohydraulicznego zaworu rozdzielającego [katalog elementów hydraulicznych BOSCH] W układach hydraulicznych dużej mocy stosowane są zawory rozdzielające ze wspomaganiem (rys. 6.46). Suwak (2) zaworu głównego utrzymywany jest w położeniu środkowym dzięki sprężynom (3.1) i (3.2). Przesterowanie suwaka (2) w lewo lub w prawo jest możliwe dzięki dopływowi do komór (6) lub (8) strumienia cieczy roboczej z zaworu-pilota (4). Zawór-pilot (4) sterowany jest sygnałami elektrycznymi podawanymi do cewek (5.1) oraz (5.2). Pokrętłami nastawczymi (9) można wstępnie ustalać położenie tłoka (10) zaworu pilota. Rys Konstrukcja elektrohydraulicznego zaworu rozdzielającego ze wspomaganiem hydraulicznym: a) schemat konstrukcyjny, b) widok [katalog elementów hydraulicznych BOSCH] Z punktu widzenia funkcji pełnionej przez zawόr rozdzielający w układzie hydraulicznym istotna jest ilość drόg sterowanych (ilość kanałόw uzyskujących połączenia pomiędzy sobą) oraz ilość położeń (pozycji, ktόre może zajmować suwak umożliwiających realizację innego układu połączeń sterowanych drόg). A, B, P, T sterowane drogi, każdy kwadrat zawarty w symbolu oznacza położenie suwaka. W zależności od potrzeb stosowane są różne rodzaje zaworów rozdzielających, których symbole przedstawione są na rys. 6.49, a) b) c) Rys Ogόlne oznaczenie zaworόw rozdzielających: a) 4/2, b) 4/3, c) 4/5 [opracowanie własne] 31

32 a) b) Rys Przykłady oznaczania sposobόw sterowania zaworόw: zawόr monostabilny, zawόr bistabilny [opracowanie własne] Serwonapędy elektrohydrauliczne (serwomechanizmy) stanowią istotny element różnych urządzeń przemysłowych. Stosowane są zwłaszcza tam, gdzie istotne jest uzyskanie równocześnie bardzo dużych sił, bardzo wolnych przesunięć oraz precyzji pozycjonowania rzędu mikrometrów. Znajdują zastosowanie w obrabiarkach, prasach i maszynach do przetwórstwa tworzyw sztucznych oraz w różnorodnych pojazdach. Do interesujących zastosowań należą aplikacje w budownictwie czy teleskopach i antenach, gdzie ważna jest precyzja przy przesuwaniu bardzo dużych mas. Rys Schemat poglądowy serwomechanizmu elektrohydraulicznego [ Serwomechanizm jest układem regulacji (położenia, prędkości). Sygnałem wyjściowym jest położenie lub prędkość tłoczyska siłownika, a sygnałem sterującym jest przesunięcie suwaka rozdzielacza, które zależy od prądu zadawanego przez regulator. Przetwornikami pomiarowymi są elektryczne sensory położenia, siły, prędkości. ZASADY MONTAŻU I UŻYTKOWANIA UKŁADÓW HYDRAULICZNYCH Montaż układów hydraulicznych Podstawą montażu układów hydraulicznych jest schemat. 32

33 Wszystkie elementy i urządzenia używane do montażu powinny być starannie oczyszczone i zabezpieczone przed zabrudzeniem. Wszelkie otwory powinny być chronione zatyczkami, aż do momentu ich ostatecznego połączenia i innymi elementami lub przewodami. Wszelkie połączenia powinny być wykonywane niezwykle starannie, aby uniknąć nieszczelności i wycieków. Należy korzystać z instrukcji montażu producentόw urządzeń hydraulicznych. Bezpieczeństwo i niezawodność działania układu hydraulicznego w dużej mierze zależą od właściwego wykonania sieci przewodόw rurowych. Ogólnie przewody dzieli się na: sztywne, służące do łączenia elementów nie zmieniających położenia względem siebie, giętkie, służące do łączenia elementów ruchomych względem siebie. Montowanie przewodόw układu hydraulicznego powinno przebiegać w warunkach uniemożliwiających początkowe zanieczyszczenie układ (czyste otoczenie, ochrona przed pyłem i innymi zanieczyszczeniami). Końcόwki przewodόw powinny być zabezpieczone zatyczkami, aż do momentu ich rzeczywistego podłączenia. Przed wykonaniem przyłączenia należy sprawdzić czystość przyłączy i powierzchni przyłączeniowej. Zasady montażu przewodów rurowych 1. Ustalić trasę przewodόw rurowych. 2. Umieścić konstrukcje wsporcze oraz zaciski mocujące. 3. Uwzględnić położenie elementόw zmniejszających drgania i wydłużenia termiczne przewodόw rurowych (wkładek gumowych, kompenstorόw, przewodόw elastycznych, wydłużalnikόw). 4. Przejścia przez przegrody powinny posiadać elastyczne oprawy z gumowymi elementami sprężystymi. 5. Montować przewody bez naprężeń. 6. Przewody rurowe należy montować z lekkim spadkiem w kierunku zbiornika. 7. Unikać styku przewodόw rurowych z innymi elementami mogącymi powodować korozję. 8. Przewody powinny być układane w sposób prosty i przejrzysty. Podczas ich montażu należy uwzględnić ewentualność rozbudowy systemu w przyszłości 33

34 Rys Przykład montażu hydraulicznych przewodόw rurowych [Vademecum hydrauliki, tom 3: Projektowanie i konstruowanie układów hydraulicznych Mannesmann Rexroth AG, 1992] Rys Przykłady prawidłowego ułożenia przewodόw giętkich. [Instrukcja Service Basic Training firmy KARCHER] 34

35 Obsługa techniczna układów hydraulicznych Obsługa techniczna układόw hydraulicznych polega na wykonywaniu następujących czynności: 1. uzupełnianiu cieczy roboczej (dodawać taką samą ciecz roboczą jaką układ jest napełniony), 2. wymiany cieczy roboczej (wymienić należy ciecz z całego układu hydraulicznego, przepłukać zbiornik, wlewanie cieczy roboczej powinno odbywać się poprzez filtr dokładniejszy niż filtry stosowane w układzie), 3. oczyszczania filtrόw (kontrolować stan wskaźnikόw zanieczyszczenia filtrόw, wymieniać wkłady filtrόw na nowe), 4. kontroli stanu wyregulowania zaworόw ograniczających ciśnienie i redukujących ciśnienie. 5. usuwaniu przeciekόw w instalacji (wymiana uszczelek), 6. zachowaniu czystości układu, 7. obsłudze technicznej zbiornikόw ciśnieniowych (akumulatorόw), 8. wymianie części ulegających zużyciu. Najczęściej popełniane błędy przy uruchamianiu układów hydraulicznych: 1. zaniedbanie sprawdzenia czystości zbiornika cieczy roboczej, 2. napełnienie zbiornika nie filtrowaną cieczą roboczą, 3. niesprawdzenie poprawności wykonania połączeń rurowych, 4. zaniedbanie odpowietrzenia elementów układu, 5. nastawienie zaworów ograniczających ciśnienie ze zbyt małym nadmiarem ponad ciśnienie robocze, 6. nastawienie regulatorów ciśnienia pomp hydraulicznych na wartość wyższą lub równą wartości, na którą nastawiono zawór ograniczający ciśnienie, 7. niedotrzymanie wymaganego czasu przepłukiwania układu z serwozaworami, 8. niezareagowanie na emitowanie przez pompę nadmiernego hałasu (kawitacja, nieszczelności przewodu ssawnego, nadmiar powietrza w cieczy roboczej), 9. nadmierne poprzeczne obciążenie tłoczysk siłowników, 10. uszkodzenie uszczelnień siłowników, 11. nieprecyzyjne zamocowanie wyłączników krańcowych, 12. brak napełnienia pomp i silników hydraulicznych cieczą roboczą przed uruchomieniem. 7. Zasady bezpieczeństwa podczas użytkowania układów hydraulicznych i elektrohydraulicznych W układach hydraulicznych wykorzystywana jest ciecz robocza sprężona do wysokich ciśnień (z reguły kilkadziesiąt bar, ale możliwe są ciśnienia ponad 1000 bar). W związku z tym wymagana jest szczególna uwaga podczas ich eksploatacji, napraw i obsługi. Dlatego należy przestrzegać następujących zasad: kontrolować stan przewodów wysokociśnieniowych, połączeń rozłącznych przewodów, ogólny stan układu, czynności obsługi, demontażu, montażu wykonywać tylko wtedy, gdy ciśnienie cieczy roboczej jest zredukowane do minimum, 35