Zespół Szkół Górniczo-Energetycznych
im. Stanisława Staszica w Koninie
Temat: Budowa układu hydraulicznego
Klasa I ZM
Nr.7 Krzysztof Jankowski
Układy hydrauliczne mogą się bardzo różnić pod względem budowy. Wszystkie jednak składają się z takich samych podstawowych elementów.
Obecnie największe znaczenie ma tzw. hydraulika siłowa, która zajmuje się głównie opracowywaniem i wykorzystaniem układów hydraulicznych. Układem hydraulicznym jest zespół wzajemnie połączonych części, których zadaniem jest przekazywanie energii lub sterowanie za pośrednictwem cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem, w układzie zamkniętym. Działanie układu hydraulicznego opiera się na wymuszonym i sterowanym przepływie cieczy hydraulicznej, która wykonuje pracę. Ruch cieczy jest tu wymuszany przez pompę, natomiast energia jest odbierana przez siłowniki hydrauliczne (albo cylindry hydrauliczne - zmieniające energię strumienia cieczy w ruch prostoliniowy albo silniki hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy na ruch obrotowy). Podstawowe części większości układów hydraulicznych to m.in.:
zbiornik z cieczą hydrauliczną,
zawór zwrotny,
pompa hydrauliczna,
filtry
zawór regulujący dopływ cieczy hydraulicznej do silnika hydraulicznego,
silnik hydrauliczny,
zawór regulujący dopływ cieczy hydraulicznej do siłownika hydraulicznego,
siłownik hydrauliczny,
odpowietrzanie.
Wzrost popularności układów hydraulicznych jest szczególnie duży od czasu II wojny światowej. W przypadku urządzeń przemysłowych, rolniczych, budowlanych czy górniczych systemy te skutecznie współzawodniczą z ich mechanicznymi lub elektrycznymi odpowiednikami. Główną ich zaletą jest wszechstronność i wydajność oraz łatwość sterowania i dokładność (szybka reakcja na czynności wykonywane przez operatora). Są one zdolne do wytwarzania sił sięgających od kilku gramów do tysięcy ton.
Systemy hydrauliczne są bardzo ważnym źródłem przekazywania energii m.in. w nowoczesnych samolotach (hamulce, wypuszczane podwozie), samochodach (układ kierowniczy, ciężarówki wywrotki).
W agregacie hydraulicznym ciśnienie oraz strumień objętości generuje pompa. Przy zbyt dużym ciśnieniu otwiera się zawór przelewowy kierujący strumień objętości z powrotem do zbiornika. Energia mechaniczna zostaje zamieniona na energię ciśnienia.
Dalszy przebieg strumienia objętości ma wpływ mają zawory drogowe zwane też rozdzielaczami. Rozdzielacze określają kierunek ruchu siłowników oraz kierunek obrotów silników hydraulicznych.
Siłę generowaną przez siłownik określają zawory ciśnieniowe. Im wyższe jest ciśnienie tym większa jest również siła. Zaworami przepływu zmienia się prędkość napędu. Zawory odcinające zapewniają przepływ strumienia tylko w jednym kierunku. Oddziaływanie dławików można dzięki temu ograniczyć do jednego kierunku przepływu.
Siłowniki ostatecznie zamieniają energie ciśnienia znowu na energię mechaniczną.
Rodzaje napędów hydraulicznych
Układy hydrauliczne zawierają ciecz hydrauliczną (zwaną również cieczą roboczą, olejem hydraulicznym lub płynem hydraulicznym), przekazującą energię z generatora do jednego lub kilku odbiorników i ewentualnie pewnej liczby elementów sterowania i regulacji. Do przekształcenia energii, przekazywania i ponownego jej przekształcania we właściwe dla potrzeb użytkownika, różnego rodzaju ruchy urządzeń wykonawczych, służą napędy. W układach hydraulicznych wyróżnia się dwa podstawowe typy napędów:
Napędy hydrokinetyczne, w których jest wykorzystywana energia kinetyczna cieczy:
sprzęgła hydrokinetyczne,
przemienniki hydrokinetyczne, przekładnie hydrokinetyczne, zmienniki momentu.
Napędy te, składające się zasadniczo z wirnika silnika i wirnika odbiornika, zamontowanych we wspólnej obudowie, wypełnionej cieczą hydrauliczną, noszą nazwę układów hydrokinetycznych.
Napędy hydrostatyczne, w których energia jest przekazywana poprzez zmiany ciśnienia, bez dużych zmian prędkości cieczy roboczej. Przykładem układu hydrostatycznego jest prasa hydrauliczna, formuła matematyczna jej działania jest opisywana wzorem:
F1 : S1 = F2 : S2
gdzie:
F1 - siła na wejściu,
F2 - siła na wyjściu,
S1 - powierzchnia tłoka napędu,
S2 - powierzchnia tłoka roboczego.
Są to napędy, które nazywa się najczęściej układami hydraulicznymi, układami hydrostatycznymi lub obwodami hydraulicznymi. W układach tych elementem generującym jest pompa, a elementami odbierającymi są siłowniki hydrauliczne, które w zależności od wykonywanego ruchu dzielą się na:
cylindry hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy w ruch prostoliniowy,
silniki hydrauliczne zmieniające energię strumienia cieczy na ruch obrotowy.
Poszczególne elementy układów hydraulicznych są połączone między sobą przewodami hydraulicznymi, w których przepływa ciecz hydrauliczna. W niniejszym opracowaniu przedstawiono jedynie specyficzną grupę cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych.
Rola cieczy hydraulicznej
Ponieważ układy hydrauliczne znalazły liczne efektywne zastosowania, między innymi w przemysłach: samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, zbrojeniowym, tworzyw sztucznych, w automatyce, w obrabiarkach, w rolnictwie, w budownictwie, w robotach publicznych i wielu innych; technika ta dokonuje postępu wielkimi krokami. Obecnie stosowane technologie wymagają spełnienia ściśle określonych i coraz ostrzejszych kryteriów w zakresie:
niezawodności i trwałości stosowanych materiałów konstrukcyjnych,
optymalnych parametrów cieczy hydraulicznych,
łatwego dostosowania układów hydraulicznych do różnych maszyn i innych technologii (na przykład elektroniki),
coraz większych przekazywanych mocy (na przykład moc rzędu 1000 kW w napędach wiertniczych),
coraz mniejszego stosunku masy układów hydraulicznych do przenoszonej mocy,
uproszczenia metod kontroli, przy jednoczesnym zwiększeniu ich precyzji,
łatwej i szybkiej konserwacji.
Wszystkie wymienione czynniki stawiają przed cieczą hydrauliczną wymagania, coraz trudniejsze do spełnienia.
Funkcje cieczy hydraulicznych
Ciecz hydrauliczna ma za zadanie przenieść energię z napędu hydraulicznego (najczęściej pompy hydraulicznej) do odbiorników (elementów wykonawczych), takich jak: cylindry i silniki hydrauliczne, wykonujących czynności wymagane przez użytkownika. Musi ona również smarować i chronić przed korozją elementy układu hydraulicznego, a także odprowadzać ciepło. W związku z tym, ciecz hydrauliczna w układach hydraulicznych spełnia następujące cztery podstawowe funkcje:
przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
smarowanie powierzchni ruchomych,
odprowadzanie ciepła,
uszczelnianie układu. oraz następujące funkcje dodatkowe:
zmniejszanie zużycia części układu hydraulicznego,
ochrona przed korozją,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem wody,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem powietrza.
Funkcje te należy uwzględnić przy wyborze cieczy hydraulicznej. Celem zapewnienia poprawności działania, trwałości i niezawodności układu hydraulicznego, ciecz hydrauliczna musi posiadać pewne podstawowe właściwości, niezbędne dla przekazywania energii, smarowania i ochrony, tj.:
odpowiednią lepkość,
możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury (wysoki wskaźnik lepkości),
wymaganą pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania,
małą ściśliwość (na przykład: skłonność do wchłaniania powietrza zwiększa ściśliwość),
brak skłonności do pienienia,
szybkie wydzielanie powietrza,
dobre właściwości przeciwzużyciowe,
dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne,
stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na: utlenianie, ścinanie i degradację termiczną.
Pierwszą używaną cieczą hydrauliczną była woda. Powodowała ona wiele niedogodności: korozję, osadzanie się kamienia kotłowego, odparowywanie, miała zbyt małą lepkość, złe właściwości niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak niezbędnych właściwości smarnych i przeciwzużyciowych. Aktualnie, jedynie w niewielu pracujących instalacjach przemysłowych jako cieczy hydraulicznej używa się jeszcze wody; generalnie, z dodatkami przeciwkorozyjnymi. Przeważająca większość układów hydraulicznych, stacjonarnych lub przewoźnych, jest napełniona cieczą hydrauliczną, najczęściej będącą uszlachetnionym olejem mineralnym. Jednakże, w niektórych szczególnych przypadkach, kiedy ciecz hydrauliczna musi być trudnopalna, używa się specjalnych cieczy syntetycznych, w niektórych przypadkach z określoną zawartością wody.
Siłownik hydrauliczny
(znany także pod nazwą cylinder hydrauliczny), silnik hydrostatyczny o ruchu posuwistym.
Organem roboczym siłownika mogą być: tłok (1), nurnik (2) lub membrana (3) - umieszczone w cylindrycznym korpusie (4). Do przestrzeni roboczej (5) wtłaczana jest ciecz, która przesuwa tłok lub nurnik, lub odkształca membranę. Powoduje to ruch posuwisty tłoczyska (6). Siłowniki hydrauliczne dzielą się na:
jednostronnego działania - suw roboczy odbywa się tylko w jednym kierunku
dwustronnego działania - suwy robocze odbywają się w obu przeciwstawnych kierunkach
Siłowniki hydrauliczne jednostronnego działania wymagają wymuszenia powrotu tłoka do pozycji wyjściowej oraz usunięcia z komory roboczej cieczy. Może to być zrealizowane za pomocą sprężyny ściskanej w czasie suwu roboczego, która gdy siłownik pozostaje w spoczynku, zapewnia powrót tłoka. Niekiedy ciężar tłoczyska, urządzenia roboczego lub zewnętrznego obciążenia wystarcza do wykonania tej pracy.
Zasięg suwu roboczego siłownika hydraulicznego jest limitowany długością tłoczyska. Ze względu na niebezpieczeństwo wyboczenia długość ta jest ograniczona. W celu zwiększenia zasięgu suwu roboczego stosuje się siłowniki teleskopowe.
W niektórych zastosowaniach konieczne jest łagodne zakończenie suwu roboczego. W takich przypadkach w siłowniku instaluje się hamulec końca suwu, którym jest zazwyczaj zawór dławiący, uruchamiany przy końcu suwu siłownika.
Silnik hydrauliczny
Silnik hydrauliczny jest to silnik zamieniający energię potencjalną lub / i kinetyczną cieczy w energię mechaniczną. Zasada jego działania jest odwrotnością pracy pompy hydraulicznej - zamienia on wysokie ciśnienie na siłę mechaniczną w ruchu obrotowym. Elementy robocze są takie same jak w pompie hydraulicznej, dlatego też stosowane są silniki hydrauliczne zębate i wielotłoczkowe. Konstrukcja silnika pozwala na wykorzystanie go jako urządzenia zasilającego. Wytwarza on wtedy ciśnienie niezależnie od kierunków obrotów wałka napędowego.
Silniki hydrauliczne dzielą się na:
silniki hydrostatyczne, w których na energię mechaniczną zamieniana jest energia potencjalna (ciśnienia) cieczy:
silniki o ruchu posuwistym - siłowniki hydrauliczne
silniki hydrostatyczne obrotowe- którego organ roboczy wykonuje ruch obrotowy. Silniki hydrostatyczne obrotowe mogą mieć różne konstrukcje lecz każdy jest w niewielki sposób zmodyfikowaną pompą:
silnik wielotłoczkowy - zobacz pompa wielotłoczkowa; Silnik tłokowy
silnik zębaty - zobacz pompa zębata
silnik łopatkowy - zobacz pompa łopatkowa
silniki hydrokinetyczne, w których na energię mechaniczną zamieniana jest energia kinetyczna (przepływu) cieczy.
Silnikami hydrokinetycznymi są:
koło wodne
turbina wodna
Bibliografia:
Kotnis G., Budowa i eksploatacja układów hydraulicznych w maszynach, Wydawnictwo KaBe.
Mariusz Olszewski (red.), Podstawy mechatroniki Podręcznik dla uczniów średnich i zawodowych szkół technicznych, Warszawa 2009, Wydawnictwo REA.
http://www.zero.waw.pl/strony/linki/strony/pliki/rea_5s.pdf.
0
Schemat blokowy hydraulicznego systemu regulacji
Siłownik dwustronnego działania, poniżej sposoby uszczelnienia
Schematy sterowania siłowników
Schemat siłownika mieszkowego
Wyszukiwarka