POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA, MECHANIKI I PETROCHEMII INSTYTUT INŻYNIERII MECHANICZNEJ

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA, MECHANIKI I PETROCHEMII INSTYTUT INŻYNIERII MECHANICZNEJ NAPĘDY I STEROWANIE HYDRAULICZNE I PNEUMATYCZNE Wykład 30 godz. studia stacjonarne 10 godz. studia niestacjonarne dr inż. Jerzy Pietrzyk 2. WIADOMOŚCI WSTĘPNE 2.1. Podstawowe pojęcia Napęd hydrauliczny - zespół mechanizmów i urządzeń służący do zamiany dowolnego rodzaju energii na energię cieczy, która jako nośnik służy do ponownej zamiany tej energii na energię mechaniczną. Napęd hydrostatyczny - napęd, w którym wykorzystywana jest energia ciśnienia cieczy. Napęd hydrokinetyczny - napęd, w którym wykorzystywana jest energia kinetyczna cieczy. Analogicznie można sformułować definicję napędu pneumostatycznego i pneumokinetycznego gdzie nośnikiem energii jest powietrze. Istota napędu hydraulicznego i pneumatycznego wynika z równania Bernouliego: 1

p g h 2 v const 2g (2.1) gdzie: h - wysokość położenia, v - prędkość, - ciśnienie, g - przyśpieszenie ziemskie. Postać energetyczna tego równania jest następująca: 2 v g h V pv V const 2 (2.2) energia potencjalna energia ciśnienia energia kinetyczna gdzie: V- objętość cieczy. Do podstawowych podzespołów i elementów najczęściej spotykanych układów hydraulicznych i pneumatycznych zalicza się następujące urządzenia: pompy hydrauliczne (źródła energii), akumulatory hydrauliczne (dodatkowe źródło zgromadzonej wcześniej energii lub tłumik drgań cieczy), urządzenia wykonawcze (siłowniki i silniki hydrauliczne), zawory (regulacja ciśnienia, odcinanie dopływu cieczy, zabezpieczanie przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, wymuszenia przepływu), rozdzielacze (kierowanie przepływem), wzmacniacze hydrauliczne (moc robocza jest wielokrotnie większa od mocy sygnału sterującego), filtry (oczyszczanie cieczy roboczej z zanieczyszczeń), zbiorniki (gromadzenie cieczy, odpowietrzanie, odprowadzanie ciepła, oczyszczanie), połączenia (przewody giętkie, rurki, szybkozłącza, łączniki itp.). 2

2.2. Zasada funkcjonowania napędu hydrostatycznego Na rysunku 2.1 pokazano ogólny schemat blokowy układu hydraulicznego, obrazujący przekazywanie poszczególnych form energii, mianowicie: dostarczanie energii mechanicznej do układu przez silnik elektryczny, cieplny lub za pomocą napędu ręcznego, zamianę energii mechanicznej na energię ciśnienia lub energię kinetyczną, nazywaną inaczej energią hydrauliczną, zamiana ta zachodzi w pompie hydraulicznej, przekazywanie energii hydraulicznej za pomocą przewodów i elementów sterujących, reagujących na zewnętrzne lub wewnętrzne sygnały sterujące pracą układu, sygnały te mogą mieć różny charakter fizyczny: elektryczny, mechaniczny, hydrauliczny lub pneumatyczny, zamianę energii hydraulicznej na mechaniczną, zamiana ta zachodzi w hydraulicznym silniku obrotowym lub siłowniku hydraulicznym, przekazywanie energii mechanicznej do elementów maszyny roboczej, wykonujących pracę użyteczną. Rys. 2.1. Ogólny schemat blokowy układu hydraulicznego. 2.3. Porównanie napędu hydraulicznego z innymi rodzajami napędów. Obecnie napędy hydrauliczne i pneumatyczne stosowane są powszechnie w wielu dziedzinach techniki. Tak wielka popularność tego rodzaju napędu wynika przede wszystkim z jego zalet, do 3

których należy zaliczyć: dużą wydajność energetyczną z jednostki masy lub objętości. Przykładowo w przekładniach wielotłoczkowych osiowych osiąga ona 4 6 [kw/kg] i przewyższa pod tym względem wszelkie znane rodzaje napędów, np. silnik hydrauliczny w porównaniu z silnikiem elektrycznym o tej samej mocy i prędkości obrotowej jest 14 razy lżejszy i zajmuje ok. 26 razy mniejszą przestrzeń, dużą łatwość sterowania podstawowymi parametrami ruchowymi, znacznie wyższą niż układach mechanicznych, a w tym możliwość łatwego uzyskania bardzo dużych wysoko sprawnych przełożeń zmiennych w sposób ciągły, a także dużą łatwość zamiany ruchu obrotowego na prostoliniowy, bardzo małą bezwładność układu, umożliwiającą dokonywanie częstych i gwałtownych zmian prędkości i obciążenia przy dobrych właściwościach tłumienia procesów przejściowych, np. silnik hydrauliczny ma moment bezwładności około 72 razy mniejszy od momentu bezwładności porównywalnego silnika elektrycznego, samo smarowność. W charakterze cieczy roboczej wykorzystuje się najczęściej różne rodzaje olejów, które są jednocześnie czynnikiem smarującym. Odrębnym zagadnieniem jest zastosowanie emulsji, a nawet wody jako czynnika roboczego, łatwość bezpośredniej i ciągłej kontroli obciążenia, a także łatwość ograniczenia tego obciążenia, dużą łatwość przestrzennego usytuowania elementów tworzących układy, wynikającą z możliwości wykonania połączeń za pomocą dowolnie ułożonych przewodów sztywny chlub elastycznych, możliwość komponowania układów przeznaczonych do różnych maszyn i różnych celów z ograniczonej i zunifikowanej liczby elementów typowych, produkowanych przez wyspecjalizowane firmy, łatwość automatyzacji lub zdalnego sterowania, uzyskiwania na drodze elektrohydraulicznej czy elektroniczno-hydraulicznej. Układy hydrostatyczne nie pozbawione są również wad. Do najważniejszych należą: 4

duża podatność na zanieczyszczenia cieczy roboczej, prowadząca w następstwie do uszkodzeń. Z tego względu układy hydrostatyczne wymagają odpowiedniego zaprojektowania i wykonania oraz obsługiwania przez pracowników o odpowiednich kwalifikacjach, zmiany właściwości statycznych i dynamicznych, spowodowane zmianami lepkości cieczy roboczej pod wpływem temperatury, duża hałaśliwość wzrastająca wraz z ciśnieniem, poziom hałasu przekracza niejednokrotnie 90 [db] wystarczająco prostych i skutecznych sposobów tłumienia hałasu na razie nie opracowano, trudności w uzyskaniu dokładnej synchronizacji ruchów silników lub siłowników obciążonych w zróżnicowany sposób, występowanie nieuniknionych i brudzących wycieków cieczy roboczej, które są szkodliwe dla środowiska naturalnego i trudne do neutralizacji, duże straty energetyczne (spadki ciśnienia) na długości przewodów (straty liniowe) i w wyniku miejscowych zmian przekroju (straty miejscowe), niebezpieczeństwo w użytkowaniu i mała odporność przeciwpożarowa. 2.3. Przykłady układów hydraulicznych Na rysunku 2.2 przedstawiono przykład układu hydrostatycznego z silnikiem obrotowym, nazywanego inaczej przekładnią hydrostatyczną. Rys. 2.2. Schemat konstrukcyjny układu z silnikiem obrotowym (przekładni hydrostatycznej). 5

Oznaczenia do rys. 2.2: 1 - pompa, 2 silnik hydrauliczny, 3 - płyta przyłączeniowa pompy, 4 - płyta przyłączeniowa silnika, 5 - wałek napędowy pompy, 6 - wałek odbiorczy silnika, 7 - zbiornik, 8 - blok elementów sterujących, 9 - zawory maksymalne, 10 filtr spływowy, 11 - rozdzielacz, A-P - przewód tłoczny pompy, B1-B - przewód tłoczny silnika, A-A1 przewód spływowy silnika, T1 - przewód spływowy układu, T2 - przewody odprowadzenia przecieków, S przewód ssawny pompy. Funkcjonowanie przekładni przedstawia się następująco: Pompa 1 napędzana jest za pomocą wałka 5 i zasysa ciecz przewodem ssawnym S ze zbiornika 7. Jednocześnie z innej części pompy ciecz pod wysokim ciśnieniem podawana jest do przyłącza A i przewodem tłocznym A-P do bloku elementów sterujących 8. Rozdzielacz 11 kieruję tę ciecz do przyłącza B1. Następnie ciecz płynie przewodem tłocznym B1-B do silnika hydraulicznego 2. Rozdzielacz 11 kieruję tę ciecz do przyłącza B1. Następnie ciecz płynie przewodem tłocznym B1-B do silnika hydraulicznego 2. Silnik funkcjonuje na odwrotnej zasadzie niż pompa i powoduje, że wałek 6 może pokonać zewnętrzny moment obciążenia z odpowiednią prędkością obrotową. Ciecz, która oddała swoją energię elementom silnika 2 płynie do przyłącza A i wraca przewodem spływowym A-A1 do bloku sterującego 8, a z niego przewodem spływowym T1 przez filtr 10 do zbiornika 7. Zadaniem zaworów maksymalnych 9 jest zabezpieczenie układu przed przeciążeniem, jakie może wystąpić na wałku 6 silnika 2. Działanie zaworów 9 zależne jest od kierunku obrotów silnika, czyli od obecności cieczy pod ciśnieniem w przyłączu B1 lub A1 zawsze działa tylko jeden z zaworów 9 i upuszcza nadmiar cieczy z przewodu tłocznego do spływowego, na przykład z B1 do A1. Zadaniem rozdzielacza 11 jest zmiana kierunku obrotów silnika 2 przez podanie cieczy z przyłącza P do przyłącza A1. Jest to możliwe po przesterowaniu suwaka rozdzielacza 11 za pomocą zewnętrznego sygnału sterującego. 6

Takim sygnałem może być przykładowo wychylenie dźwigni sterującej pracą rozdzielacza (nie pokazanej na rysunku), wywołane działaniem operatora sterującego maszyną roboczą. Części elementów układów hydrostatycznych zawsze wykonywane są bardzo precyzyjnie, stosuje się tutaj zawężone tolerancje wykonania, indywidualną selekcję części i w związku z tym w wielu przypadkach rezygnuje się ze stosowania typowych uszczelnień (nie zawsze stosowanie uszczelnień jest możliwe). W takiej sytuacji nieznaczne ilości cieczy wydostające się ze szczelin między współpracującymi częściami tworzą przecieki, które przewodami T2 odprowadzane są do zbiornika 7. Na rysunku 2.3 przedstawiono przykład układu z siłownikiem tłokowym. Funkcjonowanie układu można opisać następująco: Pompa 1 zasysa ciecz ze zbiornika 2 i przez zawór zwrotny 3 podaje ją do rozdzielacza 6. Przewód łączący pompę 1 z rozdzielaczem 6 jest przewodem tłocznym układu. Przewód ten posiada odgałęzienie prowadzące do zaworu maksymalnego 4. Rys. 2.3. Schemat konstrukcyjny układu z siłownikiem tłokowym: 1 - pompa, 2 - zbiornik, 3 - zawór zwrotny, 4 - zawór maksymalny, 5 - siłownik tłokowy, 6 - rozdzielacz, 7 zawór dławiący. 7

W sytuacji pokazanej na rysunku rozdzielacz 6 odcina przepływ z pompy 2 do siłownika 5 i wobec tego cała wydajność pompy kierowana jest do zaworu maksymalnego 4, zabezpieczającego układ przed przeciążeniem prowadzącym do uszkodzenia. Ponadto rozdzielacz 6 odcina całkowicie połączenie siłownika 5 z pompą i zbiornikiem, więc tłok siłownika jest unieruchomiony. Jeżeli dźwignia rozdzielacza 6 zostanie wychylona w prawo, to suwak tego rozdzielacza zostanie przesunięty w lewo i spowoduje połączenie lewej komory siłownika 5 z pompą a prawej komory ze zbiornikiem. Tak więc ciecz pod ciśnieniem wytworzonym przez pompę 1 spowoduje wysuw tłoczyska siłownika 5. Jednocześnie ciecz z prawej komory siłownika 5 pod niskim ciśnieniem zostanie odprowadzona do zbiornika 2. Przesterowanie dźwigni rozdzielacza 6 w lewo spowoduje przesunięcie suwaka tego rozdzielacza w prawo i zmianę połączeń siłownika 5 z pompą 1 i zbiornikiem 2, a więc zmianę kierunku ruchu tłoka i związanego z nim tłoczyska. Między lewą komorą siłownika 5 a rozdzielaczem 6 znajduje się zawór dławiący 7. Zadaniem tego zaworu jest nastawianie prędkości ruchu tłoka z tłoczyskiem siłownika 5, mianowicie: w trakcie wysuwu tłoka zawór dławiący 7 przepuszcza do lewej komory siłownika 5 ciecz o natężeniu przepływu wynikającym (między innymi) z nastawienia powierzchni przekroju przepływowego w dławiku tego zaworu, od nastawionego natężenia przepływu zależy prędkość ruchu tłoka; taki sposób usytuowania zaworu dławiącego 7 nosi nazwę dławienia na dopływie lub inaczej na wlocie, w trakcie ruchu powrotnego tłoka zawór dławiący 7 ogranicza wypływ z lewej komory siłownika 5 do wartości nastawionej na dławiku, od nastawionego natężenia przepływu zależy prędkość ruchu tłoka taki sposób usytuowania zaworu dławiącego 7 nosi nazwę dławienia na wypływie lub inaczej na wylocie. Zawór dławiący 7 może tylko zmniejszyć prędkość tłoka w porównaniu z układem bez tego zaworu w takim układzie cała. 8

wydajność pompy jest wykorzystywana do wytworzenia prędkości ruchu tłoka. Zatem pompa 1 w układzie z zaworem dławiącym 7 musi dysponować nadwyżką wydajności w stosunku do potrzeb siłownika 5, nadwyżka ta jest odprowadzana do zbiornika za pomocą zaworu maksymalnego 4. Z dotychczasowego opisu działania układu wynika, że zarówno w trakcie bezruchu jak i w trakcie ruchu siłownika, przez zawór maksymalny 4 odprowadzana jest cała wydajność pompy lub jej część. Zawór maksymalny odprowadzający ciecz w sposób ciągły przez cały czas pracy pompy lub część tego czasu nosi nazwę zaworu przelewowego. W układzie znajduje się również zawór zwrotny 3. Zawór ten w trakcie pracy pompy jest zawsze otwarty i praktycznie nic nie wnosi do funkcjonowania układu. Jego rola może uwidocznić się podczas prac remontowych, na przykład gdy zachodzi konieczność podłączenia silnika elektrycznego na kierunek obrotów wymagany przez pompę 1 w przypadku niewłaściwego podłączenia zawór 3 zapobiegnie wysysaniu cieczy z układu, czyli zapobiegnie zapowietrzeniu układu. Tworzenie schematów konstrukcyjnych jest bardzo pracochłonne i czasochłonne z uwagi na zbyt dużą liczbę szczegółów nie zawsze istotnych dla opisu funkcjonowania układów. W związku z tym stosuje się umowne symbole graficzne elementów, analogiczne do symboli używanych na przykład w elektronice. Symbole te pozbawione są szczegółów konstrukcyjnych, a ich celem jest wyłączne przedstawienie cech funkcjonalnych elementów. Stosując zapis symboliczny układu z rysunku 2.3 otrzymamy znacznie prostszy i czytelniejszy schemat funkcjonalny pokazany na rysunku 2.4. 9

Rys. 2.4. Schemat funkcjonalny (symboliczny, ideowy) układu z siłownikiem tłokowym: 1 - pompa, 2 - zbiornik, 3 - zawór zwrotny, 4 - zawór maksymalny, 5 - siłownik tłokowy, 6 - rozdzielacz, 7 - zawór dławiący. 4. OPORY PRZEPŁYWU CIECZY Straty hydrauliczne w układzie napędowym powstają na skutek oporów przepływu w przewodach prostoliniowych - straty na długości oraz na skutek oporów miejscowych (zawory, kolana, zwężenia przekroju itp.) - straty miejscowe. 4.1. Straty na długości Spadek ciśnienia przy założeniu, że jest to przepływ laminarny (uwarstwiony) można wyznaczyć według następującego wzoru: 2 L v p d 2g (4.1) gdzie: p - spadek ciśnienia, - bezwymiarowy współczynnik oporu, L - długość przewodu, d - średnica wewnętrzna przewodu, v - średnia prędkość przepływu, g - przyśpieszenie ziemskie, - ciężar właściwy cieczy. 10

Współczynnik oporu zależy od liczby Reynoldsa, którą wyznacza się według następującego wzoru: gdzie: - lepkość kinematyczna. R e v d (4.2) Dla przepływu laminarnego (R e <2300) współczynnik oporu wyznacza się według następującego wzoru: 64 R e (4.3) Dla przepływu burzliwego (R e >2300) współczynnik oporu można wyznaczyć według wzoru: 0,3164 0,25 R e (4.4) Dla bardzo dużych liczb Reynoldsa współczynnik oporu zależy tylko od stopnia szorstkości ścianek przewodu. 4.2. Straty miejscowe Urządzenia wchodzące w skład instalacji i ich elementy są charakteryzowane z punktu widzenia oporów przepływu współczynnikami wyznaczonymi doświadczalnie. Miejscowe opory przepływu wywołane są przez lokalne odkształcenia i zmiany prędkości strumienia przepływającej cieczy. Miejscowe spadki ciśnienia określić można według zależności: p v 2 2 (4.5) gdzie: - bezwymiarowy współczynnik strat miejscowych, - gęstość cieczy, v - średnia prędkość przepływu. Wartość współczynnika strat miejscowych zależy od rodzaju przeszkody miejscowej związanej z przewodem lub z elementem sterowania albo regulacji układu napędowego. Przykładowe wartości współczynników strat miejscowych dla trójników podano na rys. 4.1. 11

Rys. 4.1. Współczynniki oporu dla trójników. 4.3. Szeregowe łączenie oporów Przy szeregowym łączeniu oporów linowych natężenie przepływu czynnika jest wartością stałą, a całkowita strata energetyczna - przy założeniu całkowitej szczelności wyrazi się sumą spadków ciśnienia dla poszczególnych odcinków przewodu, wyznaczonymi według równania: p n i1 p i (4.6) Ponieważ w układzie występują także różnego rodzaju przeszkody miejscowe, to zakładając niezmienność średnicy przewodu w linii równej średnicy nominalnej elementów - można zapisać: p d l i j v 2 2 (4.7) 4.4. Równoległe łączenie oporów Przy równoległym łączeniu oporów, którego przykładem może być rozgałęzienie przewodu dopływowego, natężenie przepływu w przewodzie dopływowym jest równe sumie natężeń przepływu w obu przewodach odpływowych. Sumaryczny opór hydrauliczny można obliczyć według następującej zależności: 1 p n i1 1 p i (4.8) gdzie: p spadek ciśnienia na przewodzie głównym, [MPa], p i spadki ciśnień na przewodach równoległych, [MPa]. 12

4.4. Sprawność hydrauliczna instalacji Na rys. 4.2 przedstawiono schemat prostej przekładni hydrostatycznej z naniesionymi spadkami ciśnień na poszczególnych odcinkach przewodów łączących poszczególne elementy układu. Rys. 4.2. Rozkład ciśnień w układzie przekładni hydrostatycznej. Skuteczna wartość ciśnienia p s, którą silnik może wykorzystać do napędu maszyny roboczej lub mechanizmu, jest różnicą ciśnienia tłoczenia p g ograniczonego zaworem maksymalnym i sumy strat w przewodach, a więc: ps pg p (4.9) gdzie: p - suma spadków ciśnienia w poszczególnych odcinkach przewodu i na przeszkodach miejscowych, [MPa]. Sprawność hydrauliczną instalacji przewodowej można zdefiniować jako: R p p g s p 1 p g (4.10) Im wyższe ciśnienie w instalacji tym sprawność jej jest większa. 5. ELEMENTY NAPĘDÓW I STEROWANIA HYDRAULICZNEGO 5.1. Pompy 5.1.1. Ogólna charakterystyka pomp Podstawowym elementem każdego układu hydrostatycznego jest pompa wyporowa. Jej zadaniem jest zamiana energii mechanicznej 13

dostarczonej z zewnątrz na energię ciśnienia cieczy roboczej. Zasada funkcjonowania pompy wyporowej polega na przetłaczaniu dawek cieczy z przestrzeni ssawnej do przestrzeni tłocznej za pomocą elementów wyporowych. Wielkość dawki określona jest wymiarami komory wyporowej. Warunkiem koniecznym prawidłowego funkcjonowania pomp wyporowych jest szczelne oddzielenie przestrzeni ssawnej i tłocznej oraz szczelność między komorą a elementem wyporowym. Pompy stosowane w napędach hydrostatycznych powinny spełniać następujące wymagania: uzyskiwanie wysokich ciśnień przy możliwie dużych sprawnościach, uzyskiwanie wysokich i niezmiennych w czasie wydajności, zdolność do samozasysania cieczy roboczej ze zbiornika. Pompy można klasyfikować w różnorodny sposób, na przykład ze względu na: rodzaj ruchu elementów wyporowych, możliwość zmiany wydajności, według liczby niezależnych strumieni cieczy roboczej. Powszechnie przyjętą systematykę pomp przedstawiono poniżej. 5.1.2. Podział pomp W zależności od rodzaju ruchu elementów wyporowych: rotacyjne, tłoczkowe. W zależności od rodzaju napędu: napędzane silnikiem elektrycznym, napędzane silnikiem spalinowym, z napędem ręcznym. Według liczby strumieni: jednostrumieniowe, wielostrumieniowe. W zależności od sposobu łączenia jednostopniowe, wielostopniowe. Pompy wielostrumieniowe służą do niezależnego zasilania różnych obwodów hydraulicznych lub do zasilania tego samego obwodu w celu uzyskania stopniowanej zmiany prędkości roboczych silnika hydraulicznego lub siłownika. 14

Wydajności poszczególnych sekcji mogą być jednakowe lub zróżnicowane. Charakterystyczną cechą pomp wielostrumieniowych jest ich napęd za pomocą jednego silnika i przekazywanie tego napędu między jednostkami. Ze względu na wydajność: o stałej wydajności, o zmiennej wydajności. Na zagadnienie zmiany wydajności można spojrzeć także z innego punktu widzenia dopuszczając zmianę prędkości obrotowej silnika napędzającego pompę. Biorąc pod uwagę stosunkowo łatwą zmianę prędkości obrotowej silników elektrycznych sterowanych falownikami, z każdej pompy możemy w praktyce uczynić jednostkę o zmiennej wydajności. Jest to dopuszczalne pod warunkiem, że zmiana prędkości obrotowej będzie się odbywała w zakresie określonym przez producenta i podawanym w katalogu firmowym. Na rys. 5.1 przedstawiono systematykę podziału pomp wyporowych stosowanych w napędach hydrostatycznych. Rys. 5.1. Systematyka podziału pomp wyporowych. 15

Symbole wyrażają funkcje, jakie pompa może spełniać w układzie, nie podając żadnych informacji dotyczących jej konstrukcji. Ta sama zasada odnosi się do wszystkich elementów, z których są zestawiane układy. Tabela 5.1. Wybrane symbole graficzne pomp wyporowych. c.d. tabeli 5.1. 5.1.6. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych pomp wyporowych i zasady ich funkcjonowania Pompy zębate Pompę zębatą tworzą najczęściej dwa zazębione ze sobą czołowe, śrubowe lub daszkowe koła zębate, z których jedno jest napędzane od silnika. Podczas obracania się kół zębatych w kierunku roboczym (rys. 5.4 i 5.5), w komorze ssawnej ciecz wypełnia między zębne wnęki kół i jest przymusowo przemieszczana do komory tłocznej. 16

Rys. 5.4. Schemat pompy zębatej o zazębieniu zewnętrznym: 1 - korpus, 2 koło zębate czynne, 3 - koło zębate bierne, 4 - komora między zębna. Rys. 5.5. Przekrój pompy zębatej: 1 - wałek napędowy, 2 - pokrywa przednia, 3 - kadłub, 4 - pokrywa tylna, 5 - koło zębate czynne, 6 - łożysko, 7 koło zębate bierne, 8 śruba. Komorę tłoczną ograniczają ścianki korpusu i zęby współpracujących kół zębatych. Nadciśnienie w komorze tłocznej utrzymuje się wskutek wyciskania cieczy spomiędzy zazębiających się zębów kół. Jednocześnie w wyniku napływania cieczy pomiędzy zęby kół wyzębiające się w komorze ssawnej i jednoczesnego unoszenia z niej cieczy do komory tłocznej, w komorze ssawnej panuje podciśnienie. Podczas pracy pompy zębatej, wskutek istniejącej różnicy ciśnień przemieszczana ciecz częściowo powraca z komory tłocznej poprzez szczeliny pomiędzy wewnętrznymi ściankami korpusu oraz czołami i wierzchołkami zębów do komory ssawnej. Prawidłowe wypełnienie komory ssawnej uzyskuje się tylko wówczas, gdy panujące w niej ciśnienie bezwzględne wynosi co najmniej 300 mm słupa rtęci. Niskociśnieniowe pompy zębate mają na ogół łożyska ślizgowe, a pompy wysokociśnieniowe łożyska tłoczne. Charakterystyczne cechy wysokociśnieniowych pomp zębatych to: wąskie koła, grube wałki, łożyska igłowe oraz łożysko osiowe na wale pędnym. Typową pompę zębatą układu hydraulicznego pokazano na rys. 5.6. 17

Rys. 5.6. Pompa zębata z kompensacją luzów osiowych. Podczas pracy pompy olej między zębami kół ulega sprężaniu, wskutek czego ich łożyska są silnie obciążone i łatwo się przegrzewają, co grozi uszkodzeniem pompy. W celu odciążenia łożysk zastosowano kanaliki odciążające, łączące przestrzeń, w której ciecz jest odcinana między zębami, ze stroną tłoczną pompy. Ze względu na rozszerzalność cieplną materiałów kół zębatych i korpusu między kołami zębatym i a korpusem powinny istnieć odpowiednie luzy osiowe, co najmniej około 0,02 mm. W celu ograniczenia strat spowodowanych przeciekami przez luzy i zmniejszających sprawność pompy, stosowane są urządzenia do samoczynnego zmniejszania luzów osiowych. Pompa zębata może składać się nie tylko z dwóch, lecz także z trzech lub więcej kół zębatych. Pompy zębate wykonywane są również jako bliźniacze (kilka par kół zębatych) w jednej obudowie, zwykle blokowej. Pompy wielostopniowe i z wieloma kołami zębatymi. W celu zwiększenia ciśnienia cieczy stosowane są wielostopniowe pompy zębate. Dzięki szeregowemu lub równoległemu połączeniu w jednym korpusie kilku par kół zębatych można uzyskać wzrost ciśnienia lub kilka autonomicznych linii zasilania albo zwiększyć wydajność. Na rys. 5.7 przedstawiono konstrukcję i schemat trójstopniowej pompy zębatej z szeregowym połączeniem. 18

Rys. 5.7. Zębata pompa trójstopniowa. W celu odprowadzenia nadmiaru cieczy każdy stopień ma zawór przelewowy, wyregulowany na odpowiednie ciśnienie. Stosując dwu- i trójstopniowe pompy można praktycznie dwukrotnie lub trzykrotnie zwiększyć ciśnienie, jednakże wówczas obniża się współczynnik sprawności pompy. W celu zwiększenia wydajności lub uzyskania kilku linii zasilania stosowane są również pompy z trzema lub więcej (do siedmiu) kołami zębatymi, rozmieszczonymi naokoło centralnego koła pędnego. Na rys. 5.8 przedstawiono pompę zębatą z trzema kołami zębatymi. Pompy zębate stosowane są zwykle do zasilania układów hydraulicznych o ciśnieniach roboczych do około 100 kg/cm 2. Pompy o samoczynnym ograniczaniu luzów mogą pracować z ciśnieniami roboczymi dochodzącymi do 200 kg/cm 2. Dopuszczalne prędkości obrotowe kół pomp zębatych przeważnie sięgają 2000 obr/min lub rzadziej są jeszcze wyższe, a wydajności zwykle zawierają się w zakresie od kilku do 100 1/min i więcej. Rys. 5.8. Pompa z trzema kołami zębatymi. 19

W porównaniu z innymi pompami podobnego przeznaczenia, pompy zębate cechują się prostotą budowy, łatwością obsługi i napraw oraz małymi rozmiarami. Najbardziej zwarte konstrukcyjnie są pompy zębate o uzębieniu wewnętrznym (rys. 5.9). Ważną zaletą tych pomp jest symetryczne usytuowanie wału pędnego względem korpusu. Jednak z uwagi na dość kłopotliwe technologicznie wykonanie i trudności w utrzymaniu należytej szczelności, pompy o uzębieniu wewnętrznym są rzadko stosowane. Rys. 5.9. Pompa zębata (o uzębieniu wewnętrznym). 5.2. Akumulatory hydrauliczne Akumulatory hydrauliczne (zwane też zasobnikami hydraulicznymi) przeznaczone są do gromadzenia (akumulowania) energii potencjalnej w postaci cieczy pod ciśnieniem. Energię te wykorzystuje się do uruchamiania roboczych urządzeń układu hydraulicznego podczas jego normalnej lub awaryjnej pracy, a ponadto do pokrywania krótkotrwałego zwiększonego zapotrzebowania cieczy pod odpowiednim ciśnieniem Dla ilustracji tego zadania weźmy pod uwagę wykres zapotrzebowania na ciecz układu z pompą o stałej wydajności, pokazany na rysunku 5.35. Z wykresu wynikają dwa spostrzeżenia: w przypadku stacji zasilającej bez akumulatora wydajność pompy musi być dostosowana do wartości szczytowej Q max, występującej stosunkowo krótko. W pozostałych taktach cyklu wydajność ta nie będzie wykorzystana i stanie się przyczyną dużych strat energetycznych. 20

w przypadku stacji z akumulatorem wydajność pompy powinna być dostosowana do wartości średniej Q śr. Jeżeli zapotrzebowanie na ciecz będzie mniejsze od wartości średniej, to nadwyżka wydajności zostanie wykorzystana do ładowania akumulatora. Natomiast w przeciwnym wypadku niedobór wydajności zostanie uzupełniony wskutek rozładowania akumulatora. Rys. 5.36. Bilans zapotrze-bowania na ciecz kilku układów hydraulicznych pracujących w różnych taktach cyklu roboczego maszyny, zasilanych z jednej stacji. Dzięki zastosowaniu akumulatorów hydraulicznych układ może być zasilany przez pompę o stosunkowo małej wydajności. Akumulatory mogą spełniać następujące funkcje w układach hydraulicznych: funkcję zasobnika cieczy pod ciśnieniem, funkcję kompensatora przecieków cieczy, funkcję tłumika pulsacji ciśnienia, funkcję tłumika uderzeń hydraulicznych. 5.2.1. Zasada funkcjonowania i podział akumulatorów Ciecz robocza gromadzona jest w komorze cieczowej akumulatora pod ciśnieniem, które musi być zrównoważone oddziaływaniem zewnętrznym na ruchomą przegrodę zamykającą komorę cieczową. W zależności od sposobu realizacji tego oddziaływania rozróżniamy: 1. Akumulatory ciężarowe. 2. Akumulatory sprężynowe. 3. Akumulatory gazowe. 21

Akumulatory ciężarowe mają postać specyficznego siłownika hydraulicznego, którego tłok jest obciążony masą. W akumulatorach sprężynowych tłok siłownika jest obciążony siłą sprężyny. W akumulatorach gazowych ciśnienie cieczy jest zrównoważone ciśnieniem sprężanego gazu. Z charakterystyk statycznych akumulatorów p=f(v) wynika, że najlepsze właściwości mają akumulatory ciężarowe, gdyż odznaczają się stałością ciśnienia. Mimo to nie znajdują one obecnie zastosowania ze względu na dużą masę i wymiary. Akumulatory sprężynowe mają nieco gorsze charakterystyki od ciężarowych i jednocześnie lepsze od gazowych. Akumulatory te również nie są one stosowane ze względu na niskie ciśnienia robocze i małe pojemności. Obecnie stosuje się prawie wyłącznie akumulatory gazowe, mimo, iż odznaczają się największą zmiennością ciśnienia. Ich powszechne zastosowanie spowodowane jest małymi wymiarami i masą oraz możliwością uzyskiwania dużych pojemności. Do napełnienia przestrzeni gazowej stosuje się najczęściej azot jako czynnik Wszystkie typy akumulatorów stosuje się w zasadzie do ciśnień roboczych sięgających 350 kg/cm2. Przeważnie akumulatory tłokowe mają stosunkowo duże objętości (do 100 l i więcej), a pęcherzowe i przeponowe - małe i umiarkowane. Akumulatory tłokowe Swobodny tłok w akumulatorze tłokowym dzieli jego cylinder na dwie komory-gazową i hydrauliczną. Komory te powinny być od siebie szczelnie oddzielone ponieważ inaczej gaz przenika do cieczy roboczej i układ hydrauliczny ulega tzw. zapowietrzeniu. Wymaganą szczelność tłoka w cylindrze uzyskuje się zaopatrując tłok w gumowe pierścienie uszczelniające - zwykle typu "O", czyli o przekroju okrągłym (rys. 5.38a). Często stosuje się również uszczelnienia złożone, składające się z pierścieni kołnierzowych typu V oraz typu O, (rys. 5.38b). Denka cylindra akumulatora tłokowego na ogół mocuje się stalowymi pierścieniami rozprężnymi. Na rysunku 37c pokazano akumulator którego tłok ma wbudowany zawór tłumiący, stanowiący jednocześnie urządzenie uszczelniające (zamykające). 22

Rys. 5.38. Hydrauliczne akumulatory tłokowe. Na rys. 5.38e pokazano akumulator, po rozładowaniu którego w abszarze zamknięcia hydraulicznego wytwarza się ciśnienie wyższe niż ciśnienie powietrza. W tym celu ciecz jest doprowadzana do kanału pierścieniowego na tłoku, umieszczonego między pierścieniem uszczelniającym i pomocniczym tłokiem różnicowym, podlegającym wypadkowemu oddziaływaniu sprężyny i ciśnienia cieczy. Stosowanie takiego akumulatora jest szczególnie celowe w urządzeniach pracujących w niskich temperaturach otoczenia. Akumulatory tłokowe obarczone są istotnymi wadami, jak dość znaczne opory tarcia przeciwstawiające się przesuwaniu tłoka w cylindrze oraz niezupełna szczelność tłoka. Niedogodności wynikające z tych wad pogłębiają się w niskich temperaturach otoczenia. Przykładem konstrukcji akumulatora tłokowego jest akumulator pokazany na rysunku 5.39. 23

Rys. 5.39. Akumulator tłokowy: 1 - cylinder, 2 - tłok, 2.1 - pakiet uszczelniający, 3 pokrywa górna, 4 - pokrywa dolna, 5 - przyłącze cieczowe, 6 - przyłącze zaworu gazowego, 7, 8 - tuleje mocujące. W cylindrze 1 o dokładnie obrobionej powierzchni wewnętrznej przesuwa się tłok 2 oddzielający przestrzeń gazową od cieczowej. Wybranie tłoka 2, wykonywanego często ze stopów lekkich, znajduje się po stronie gazowej w celu zwiększenia jej objętości. Cylinder 1 zamykają szczelnie pokrywy 3 i 4 mocowane za pomocą gwintowanych tulei 7 i 8. W pokrywie dolnej 4 znajduje się przyłącze cieczowe 5, w pokrywie górnej 3 jest natomiast przyłącze 6 zaworu gazowego. Pakiet uszczelniający 2.1 ma decydujące znaczenie dla poprawnej pracy akumulatora, musi on bowiem realizować dwa sprzeczne wymagania: zapewnienie wysokiej szczelności, minimalizację oporów tarcia. W związku z tym spotyka się dwie odmiany konstrukcyjne tłoka i pakietu uszczelniającego: tłok i pakiet dostosowany do typowych warunków pracy, realizujący w tylko wymaganie pierwsze, 24

tłok i pakiet dostosowany do pracy beztarciowej i dużych prędkości oraz dużej częstotliwości włączeń, realizujący wymaganie drugie za cenę ewentualnych nieznacznych przecieków cieczy do komory gazowej. Wymienione wady nie występują w akumulatorach membranowych. Typowy akumulator gazowo-hydrauliczny pokazano na rys. 5.40. Stosunek sprężania gazu wynosi zwykle 5:1, a ciśnienie robocze 210 kg/cm 2 lub niekiedy do 350 kg/cm 2. Akumulatory przeponowe mają objętości do 40 l. Membrana (grubości 1,5 do 3 mm) powinna mieć taki kształt i rozmiary, aby nie fałdowała się i nie ulegała nadmiernym odkształceniom w przypadku całkowitego rozładowania akumulatora. Dotyczy to zwłaszcza akumulatorów użytkowanych w niskich temperaturach otoczenia, kiedy wydatnie zmniejsza się elastyczność gumy. Rys. 5.40. Akumulatory membranowe: a) - spawany, b) - skręcany, 1 przyłącze zaworu gazowego, 2 - zbiornik ciśnieniowy, 2.1 - obejma, 3 - membrana, 4 - zawór płytkowy, 5 - przyłącze cieczowe 25

W akumulatorach przeponowych bardziej celowe jest stosowanie azotu niż powietrza, ponieważ wówczas warunki pracy przepony gumowej są znacznie korzystniejsze. Dość szeroko rozpowszechnione są kuliste akumulatory przeponowe, odznaczające się zwartą konstrukcją i stosunkowo małym ciężarem. Akumulator o ciśnieniu roboczym 100120 kg/cm 2 składa się zwykle z dwóch jednakowych członów półkolistych, pomiędzy którymi mocuje się przeponę. Akumulator przeponowy o bardzo wysokim ciśnieniu roboczym ma zwykle kulistą obudowę dzieloną nie w przekroju największym, lecz w mniejszym (rys. 5.41a). Rys. 5.41. Akumulatory hydrauliczne wysokiego ciśnienia: a - kulisty, b - z przegrodą w postaci mieszka Membrana i jej mocowanie powinny być wykonane w taki sposób, aby odkształcała się ona bez przeginania, przy czym zmniejszające się promienie krzywizny powinny być jak największe. Z tego względu często stosuje się przepony o zmiennej grubości, najcieńsze w środku, albo też przepony usztywnione dzięki zgrubieniu na powierzchni wewnętrznej - zwykle w postaci pierścieniowego paska gumowego, który jest przyklejony do przepony lub tworzy z nią jedną całość. Jako element oddzielający gaz od cieczy w niektórych konstrukcjach akumulatorów cylindrycznych przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach stosowane są przepony w postaci mieszka sprężystego z nierdzewnej stali (rys. 5.41b). Jednak zastosowanie takiej przegrody powoduje zwiększenie ciężaru i gabarytów akumulatora, a wówczas także obniżenie jego żywotności, która określana jest okresem pracy mieszka sprężystego. Na rys. 5.42 przedstawiono akumulator hydropneumatyczny z tłokiem, przeznaczony do pracy w zakresie temperatur od -40 do +180 C przy ciśnieniu 280 kg/cm 2. 26

Rys. 5.42. Schemat akumulatora hydropneumatycznego przeznaczonego do pracy w niskich temperaturach. W celu zmniejszenia wpływu temperatury na węzeł uszczelniający tłoka, cylinder jest oddzielony od korpusu akumulatora. Minimalne ciśnienie w akumulatorze powinno zapewnić zakończenie suwu roboczego najbardziej obciążonego urządzenia wykonawczego układu. Sprężanie lub rozprężanie powietrza w gazowej komorze akumulatora przebiega według politropy zgodnie z zależnością: p m m 1 v1 p2 v2 Jeżeli ładowanie lub wyładowanie akumulatora jest szybkie, jak to przeważnie ma miejsce w rzeczywistości, wówczas politropa ma charakter adiabaty o wykładniku m = 1,4. Kiedy natomiast sprężane lub rozprężanie powietrza w akumulatorze jest powolne, wówczas politropa upodabnia się do izotermy, czyli m = 1. Akumulatory pęcherzowe Spośród akumulatorów gazowych najczęściej stosowane są akumulatory pęcherzowe. Przykładem tego typu konstrukcji jest akumulator pokazany na rysunku 5.43. Butla 1 wykonana jest ze stali odpornej na korozję. Wewnętrzną powierzchnię butli poddaje się bardzo dokładnej obróbce gładkościowej dla zminimalizowania tarcia pęcherza 2. Pęcherz 2 wykonany jest z akronitrylowego tworzywa sztucznego. W górnej części pęcherza 2 wtopiony jest korpus zaworu napełniania gazem 3. W przyłączu cieczowym 4 znajduje się zawór talerzowy 5, utrzymywany w górnym położeniu za pomocą sprężyny. Zadaniem tego zaworu jest zamknięcie wylotu komory cieczowej 6 podczas 27

Rys. 5.43. Akumulator pęcherzowy: 1 - butla (zbiornik ciśnieniowy), 2 - pęcherz, 3 zawór napełniania gazem, 4 - przyłącze cieczowe, 5 zawór talerzowy, 6 - komora cieczowa, 7 - zaślepka przyłącza manometru kontrolnego 28