Bezpieczne układy hydrauliki

siłowej

Wykład przygotowany przez pracownika

Instytutu Technik Wytwarzania PW Wojciecha

Kramarka

Zależność pomiędzy poziomem

bezpieczeństwa

a kategoriami bezpieczeństwa

Kategorie bezpieczeństwa ( oś pozioma)
Poziom bezpieczeństwa (oś pionowa)

Zagrożenia nieodłącznie związane z siłowymi

układami hydraulicznymi

Obecność siłowych układów hydraulicznych w obiekcie jest związana

z hazardem. Zagrożenie stanowią ruchome elementy maszyny

napędzane hydraulicznie. Następną przyczyną hazardu są:
-czynnik roboczy stosowany pod wysokim ciśnieniem (zazwyczaj od

150 do 450 bar),
-wysokie temperatury pracy czynnika roboczego oraz rozgrzanych

elementów grożące poparzeniami,
-możliwość zapłonu czynnika roboczego, którym najczęściej jest olej

mineralny,
-zakumulowana energia w elementach prowadząca do rozrywania

przewodów lub wyrzucania elementów układu hydraulicznego,
-prowadzenie obsługi układów w sytuacji istniejącego ciśnienia lub

niepełnego rozładowania ciśnienia w układzie,
-pęknięcia przewodów mogące prowadzić do niekontrolowanego

przemieszczenia zespołów pod wpływem grawitacji,
-wdychanie oparów oleju roboczego (wysokie temperatury oleju

prowadzą do wzrostu toksycznych czynników w powietrzu) bądź

dłuższy kontakt oleju ze skórą, który może prowadzić do reakcji

alergicznych.

Przykłady wypadków: poparzenia

Skóra ludzka ulega oparzeniu przy temperaturze 48 stopni C. w
czasie kontaktu trwającego od 1 do 2 minut. Ponieważ przeciętna
temperatura pracy oleju w układzie hydraulicznym wynosi około60
stopni C, poparzenie może nastąpić przy kontakcie oleju ze skórą
trwającym w granicach jednej sekundy.

Pożar oraz eksplozja oleju

Temperatura samozapłonu oleju wynosi od 260 do 400 stopni C. W
przypadku pęknięcia przewodu ciśnieniowego cząsteczki oleju w
postaci drobin są rozrzucane w zasięgu kilkunastu metrów. Jeśli
będą miały kontakt ze źródłem ognia może powstać pożar, może
również nastąpić eksplozja mgły olejowej.

Działanie oleju na ciało ludzkie

Olej pod wysokim ciśnieniem może wniknąć w ciało

ludzkie, co może doprowadzić do poważnych obrażeń ciała,
infekcji, gangreny a nawet amputacji

Rola szkoleń

Główną przyczyną wypadków zaistniałych w układach

hydrauliki siłowej jest brak wiadomości związanych z tymi

napędami oraz brak odpowiedniego szkolenia.

Główny nacisk w szkoleniach powinien być położony

nie na podstawy teoretyczne (aczkolwiek nie można

pomijać ich roli), ale głównie na hazard tkwiący w

systemach hydraulicznych.

Wymagania bezpieczeństwa dla

siłowych układów hydraulicznych

Wymagania bezpieczeństwa dla siłowych układów

hydraulicznych związane z potencjalnie hazardowymi
przemieszczeniami elementów maszyny w zależności od
wymaganej kategorii bezpieczeństwa

KATEGORIA B : Układ hydrauliczny musi być odporny

na działanie spodziewanych zakłóceń, np. drgań lub
temperatury, elementy powinny być dobrane w zgodności z
odpowiednimi normami

KATEGORIA 1: Należy stosować rozdzielacze z blokadą

w pozycji raz odpowiednim przekryciem. Zanik sygnału
sterującego powinien skutkować ustawieniem suwaka
sterującego w pozycji środkowej przy pomocy sprężyn
rozdzielacza

Wymagania bezpieczeństwa dla

siłowych układów hydraulicznych (c.d)

KATEGORIA 2: Warunek dodatkowy: w układach

sterowania przemieszczeniem zespołów należy wprowadzić
kontrolę położenia tych zespołów przez przekazanie
informacji do PLC lub mikroprocesora.

KATEGORIA 3: Potencjalnie niebezpieczne ruchy

zespołów wymagają zastosowania podwójnego
(redundancyjnego) układu rozdzielaczy.

KATEGORIA 4: Dodatkowe wymaganie: Rozdzielacze

powinny mieć układ monitoringu położenia suwaków.
Położenie suwaków jest nadzorowane przez układ sterujący.

Kategoria bezpieczeństwa 1

Opis funkcjonalny układu

Przemieszczenia elementów wykonawczych

potencjalnie niebezpieczne są kontrolowane przez jeden
rozdzielacz hydrauliczny WV, który jest dobrze
przetestowany pod względem poprawnych zachowań
( wykonywania poleceń sterujących).

Błędne zadziałanie rozdzielacza może prowadzić do

utraty funkcji bezpieczeństwa. Błąd układu jest zależny od
niezawodności działania rozdzielacza hydraulicznego. W
układzie nie ma systemu wykrywania powstania błędu.

Cechy konstrukcyjne i zastosowania układu

Rozdzielacz hydrauliczny WV jest elementem z blokowanymi

położeniami suwaka, z przekryciami w pozycji środkowej, z

suwakiem centrowanym sprężynami. Bezpieczny stan w

układzie hydraulicznym jest osiągany przy zaniku sygnału

sterującego. Producent rozdzielacza powinien gwarantować

odpowiednią niezawodność elementu sterującego.
Aby zwiększyć niezawodność pracy rozdzielacza powinien

być zastosowany ciśnieniowy filtr DF umieszczony w linii

tłoczenia oraz powinny być zastosowane środki

ograniczające dostęp brudu z tłoczysk do wnętrza siłowników

(np., przez zastosowanie zgarniaczy w siłownikach).
Przedstawiony powyżej układ może być stosowany w

przypadkach występowania niskiego ryzyka, gdy jest

ograniczony dostęp do strefy niebezpiecznej oraz w

sytuacjach, gdy hazard jest ograniczany przy pomocy innych

metod.

Kategoria bezpieczeństwa 2

Opis funkcjonalny układu

Przemieszczenia elementów wykonawczych potencjalnie

niebezpieczne są kontrolowane przez jeden rozdzielacz

hydrauliczny WV, który jest dobrze przetestowany pod

względem poprawnych zachowań ( wykonywania poleceń

sterujących).
Błędne zadziałanie rozdzielacza może prowadzić do utraty

funkcji bezpieczeństwa. Błąd układu jest zależny od

niezawodności działania rozdzielacza hydraulicznego. W

układzie nie ma systemu wykrywania powstania błędu.
Należy przeprowadzać co pewien czas obowiązkowe badania

funkcji bezpieczeństwa omawianego układu. Jeśli w trakcie

wykonywania testu nastąpi stwierdzenie uszkodzenia

rozdzielacza, decydującego o bezpieczeństwie układu, wówczas

maszyna powinna zostać wyłączona.
Sposób przeprowadzenia testu nie powinien być nie powinien

być zakłócony błędnym działaniem rozdzielacza.

Niepowodzenie testu nie powinno prowadzić do awarii

rozdzielacza.

Cechy konstrukcyjne i zastosowania układu

Rozdzielacz hydrauliczny WV jest elementem z

blokowanymi położeniami suwaka, z przekryciami w pozycji

środkowej, z suwakiem centrowanym sprężynami.

Bezpieczny stan w układzie hydraulicznym jest osiągany

przy zaniku sygnału sterującego. Producent rozdzielacza

powinien gwarantować odpowiednią niezawodność

elementu sterującego.

Testowanie układu można przeprowadzać porównując

określając długość wybiegu niebezpiecznego elementu

maszyny w stosunku do podawanego na cewki rozdzielacza

sygnału sterującego. Decyzja o prawidłowości działania

powinna być podjęta przez sterownik logiczny.

Przedstawiony powyżej układ może być stosowany w

przypadkach występowania niskiego ryzyka, gdy jest

ograniczony dostęp do strefy niebezpiecznej oraz w

sytuacjach, gdy hazard jest ograniczany przy pomocy

innych metod.

Kategoria bezpieczeństwa 3

Opis funkcjonalny układu

Przemieszczenia elementów wykonawczych

potencjalnie niebezpieczne są kontrolowane przez dwa
rozdzielacze hydrauliczne WV1 oraz WV2, który są dobrze
przetestowane pod względem poprawnych zachowań
( wykonywania poleceń sterujących). Błędne zadziałanie
jednego rozdzielacza nie prowadzi do utraty funkcji
bezpieczeństwa. Obydwa rozdzielacze są sterowane
jednocześnie.

Brak funkcji wykrywania błędów. Niektóre błędy są

wykrywane przy realizacji cyklu pracy. Nagromadzenie
błędnych działań elementów prowadzi do utraty funkcji
bezpieczeństwa.

Cechy konstrukcyjne i zastosowania

układu

Obydwa rozdzielacze hydrauliczne WV1 oraz WV2 są
elementami z blokowanymi położeniami suwaka, z
przekryciami w pozycji środkowej, z suwakiem centrowanym
sprężynami. Bezpieczny stan w układzie hydraulicznym jest
osiągany przy zaniku sygnału sterującego, kiedy suwaki
powracają przesuwane sprężynami do położeń
początkowych. Producenci rozdzielaczy powinni
gwarantować odpowiednią niezawodność elementów
sterujących.
Przedstawiony powyżej układ może być stosowany w
przypadkach występowania średniego do wysokiego ryzyka,
gdy występuje częsty dostęp obsługi do stref
niebezpiecznych oraz w sytuacjach, gdy hazard jest
ograniczany przy pomocy innych metod.

Kategoria bezpieczeństwa 4

Opis funkcjonalny układu

Przemieszczenia elementów wykonawczych

potencjalnie niebezpieczne są kontrolowane przez dwa
rozdzielacze hydrauliczne WV1 oraz WV2, który są dobrze
przetestowane pod względem poprawnych zachowań
( wykonywania poleceń sterujących). Błędne zadziałanie
jednego rozdzielacza nie prowadzi do utraty funkcji
bezpieczeństwa. Obydwa rozdzielacze są sterowane
jednocześnie.

Układy wykrywania błędnego położenia suwaka

rozdzielacza są zastosowane do obydwu sterujących
elementów. Błędne położenia suwaków są wykrywane.

Jeśli powstanie błąd sterowania rozdzielacza następuje

zatrzymanie kolejnego cyklu pracy układu hydraulicznego.

Opis funkcjonalny układu (cd)

Obydwa rozdzielacze hydrauliczne WV1 oraz WV2 są
elementami z blokowanymi położeniami suwaka, z
przekryciami w pozycji środkowej, z suwakiem centrowanym
sprężynami. Rozdzielacze posiadają także system
monitoringu określającego położenie suwaka rozdzielacza.
Bezpieczny stan w układzie hydraulicznym jest osiągany
przy zaniku sygnału sterującego, kiedy suwaki powracają
przesuwane sprężynami do położeń początkowych.
Producenci rozdzielaczy powinni gwarantować odpowiednią
niezawodność elementów sterujących.
Określanie poprawnego położenia suwaka przez układ
monitoringu odpowiada wymaganiom układu w sprawie
powstawania niebezpiecznego działania.

Zastosowania układu

Przedstawiony powyżej układ powinien być stosowany

w przypadkach występowania wysokiego ryzyka, gdy
występuje częsty dostęp obsługi do stref niebezpiecznych
oraz w sytuacjach, gdy trudno jest ograniczyć hazard przy
pomocy innych metod.

Bezpieczeństwo w prasach

hydraulicznych

Prasy hydrauliczne obsługiwane ręcznie przez

Dyrektywę Maszynową są traktowane jako maszyny

wyjątkowo niebezpieczne. Wprowadzenie ich na rynek

związane jest ze spełnieniem szeregu przepisów.

W rozwiniętych technicznie krajach istnieją normy,

które opisują jak powinny być projektowane bezpieczne

układy sterujące stosowane w prasach. Można tutaj podać

jako przykłady:
-United States: ANSI B11.2 “Hydraulic Power Presses —

Safety Requirements for Construction, Care and Use”
-Canada: Z142-02 “Code for Power Press Operation: Health,

Safety and Guarding Requirements”
-Europe: EN 693 “Safety — Hydraulic Presses”.

Norma europejska EN 693 jest nakierowana na

zapewnienie bezpieczeństwa w hydraulicznych układach

napędowych pras hydraulicznych.

Wymagania do układu prasy

Układ hydrauliczny powinien być zgodny z następującymi

wymaganiami:

-w układzie występują minimum dwa niezależnie sterowane

elementy (układ redundancyjny) decydujące o ruchu potencjalnie

niebezpiecznych zespołów,

-kiedy elementy sterujące są w neutralnej (niesterowalnej)

pozycji, nie powinno być możliwości narastania ciśnienia nad

tłokiem ani możliwości spadku ciśnienia w komorze odtłoczyskowej

( rozważamy w tym momencie prasy górnotłoczyskowe),

-musi być zastosowany monitoring położenia suwaków

rozdzielaczy,

-po zrealizowaniu każdego cyklu pracy układ sterujący musi

określać, czy bezpieczne pozycje neutralne rozdzielaczy zostały

osiągnięte. Brak potwierdzenia osiągnięcia pozycji musi skutkować

zablokowaniem kolejnego cyklu.

- w układzie musi występować zabezpieczenie przed

niezamierzonym wzrostem ciśnienia w komorach odtłoczyskowych

.

Wymagania do układu prasy (cd)

We wszystkich normach wspomnianych powyżej

przyjęto założenie, że prawdopodobieństwo równoczesnego
uszkodzenia, w czasie cyklu pracy, dwóch niezależnie
sterowanych elementów decydujących o bezpiecznej pracy
maszyny, jest bardzo małe. Jeśli układ sterujący prasy
wykrywa pojedyncze uszkodzenie rozdzielacza lub innego
elementu decydującego o ruchu niebezpiecznym, suwak
prasy powinie zostać zatrzymany i nie powinno być
możliwości rozpoczęcia następnego cyklu pracy.

Ze względu na możliwość wystąpienia niezamierzonej

intensyfikacji ciśnienia w układzie siłowników powinny być
zastosowane sztywne metalowe przewody zamiast
przewodów elastycznych ( w obszarach wysokiego
ciśnienia).

Wyłączenia z wymagań

Bezpieczny układ sterujący, odpowiadający powyżej

przedstawionym zasadom, nie jest wymagany w

następujących zastosowaniach pras:

-prasy kuźnicze oraz inne, w których materiał nie jest

podawany ręcznie,

-prasy zautomatyzowane z zabezpieczonym dostępem

do strefy niebezpiecznej (aczkolwiek bezpieczny układ

sterujący może być wymagany przy serwisowaniu oraz

nastawach maszyny),

-prasy, w których prędkość przemieszczenia suwaka

jest mniejsza niż 10 mm/sec.,

-jeśli skok prasy jest mniejszy niż 6 mm.

Standardowy bezpieczny układ

przeznaczony do pras hydraulicznych

Opis układu

W schemacie przedstawionym powyżej rozdzielacz 110

jest wyposażony w czujniki położenia suwaka rozdzielacza.
Rozdzielacz ten steruje ruchem suwaka prasy w dół oraz w
górę, jest także pierwszym elementem decydującym o
bezpieczeństwie ruchu suwaka prasy. Rozdzielacz 120 jest
drugim elementem bezpiecznego sterowania ( obydwa
zawory tworzą redundancyjny układ z samonadzorem).

Zawór 730 zabezpiecza dolną komorę siłownika przed

niezamierzoną intensyfikacją ciśnienia.

Opis układu

Neutralna (bez sygnału sterującego) pozycja

rozdzielacza 110 odcina dopływ oleju podawanego przez

pompę, natomiast neutralna pozycja rozdzielacza 120

zapewnia bezciśnieniowy stan w górnej komorze siłownika.

Wypływ oleju z dolnej komory siłownika do zbiornika jest

blokowane przez dwa rozdzielacze umieszczone na drodze

przepływu. Dopóki te rozdzielacze nie zostaną

przesterowane niemożliwy jest wzrost ciśnienia w komorze

górnej ani spadek ciśnienia w komorze dolnej. W przypadku

błędnego zadziałania obydwu rozdzielaczy jednocześnie, co

jest bardzo mało prawdopodobne, inne elementy układu

przejmą funkcje bezpieczeństwa.

Błędne ustawienie (lewe) suwaka

głównego rozdzielacza 110

Błędne ustawienie (lewe) suwaka

głównego rozdzielacza 110

Komora górna siłownika jest w dalszym ciągu

połączona ze zbiornikiem przez rozdzielacz 120 dlatego jest
niemożliwy wzrost ciśnienia w tej komorze i niebezpieczny
ruch siłownika. Wypływ oleju z komory dolnej jest
blokowany, niemożliwy jest spadek ciśnienia w tej komorze,
co doprowadziłoby do niebezpiecznego ruchu siłownika,
bowiem na drodze przepływu umieszczony jest rozdzielacz
120, odcinający przepływ.

Błędne ustawienie (prawe) suwaka

głównego rozdzielacza 110

Błędne ustawienie (prawe) suwaka

głównego rozdzielacza 110

Mimo że jest możliwy przepływ oleju na drodze P-A

przez rozdzielacz 110, nie nastąpi wzrost ciśnienia nad
tłokiem bowiem komora górna siłownika jest połączona ze
zbiornikiem przez rozdzielacz 120. Wypływ oleju z komory
dolnej jest w dalszym ciągu blokowany, niemożliwy jest
spadek ciśnienia w tej komorze, co doprowadziłoby do
niebezpiecznego ruchu siłownika, bowiem na drodze
przepływu umieszczony jest rozdzielacz 120, odcinający
przepływ.

Nieprawidłowe, (prawe) w stosunku do sygnału

sterującego, położenie suwaka rozdzielacza 120.

Nieprawidłowe, (prawe) w stosunku do

sygnału sterującego, położenie suwaka

rozdzielacza 120

Błędne ustawienie suwaka pomocniczego rozdzielacza

120 przy prawidłowym położeniu suwaka rozdzielacza 110
nie spowoduje spadku ciśnienia w komorze dolnej siłownika
ani wzrostu ciśnienia komorze górnej, która nie ma
połączenia ze źródłem ciśnienia. Układ hydrauliczny spełnia
warunki istnienia redundancji.

Wymagania stawiane bezpiecznym zaworom

i rozdzielaczom

Przepisy bezpieczeństwa stawiają szczególne

wymagania elementom hydraulicznym decydującym o

bezpieczeństwie układów. Rozdzielacze hydrauliczne

powinny posiadać odpowiednie dodatnie przekrycie oraz

powinny być centrowane sprężynami o odpowiedniej

trwałości.

Zawory ciśnieniowe zabezpieczające przed

intensyfikacją ciśnienia w komorze dolnej siłownika powinny

być zaworami bezpośredniego działania, plombowane i w

ten sposób zabezpieczone przed zmianą nastaw

bezpieczeństwa. Ze względu na możliwość pęknięcia

sprężyny w zaworach lub rozdzielaczach odległość

pomiędzy zwojami sprężyn powinna być mniejsza od

grubości drutu sprężyny, aby zmniejszyć efekt awarii.

Bezpieczne rozdzielacze muszą być wyposażone w czujniki

położenia suwaków wskazujące ich aktualne położenie.

Wymagania dotyczące czujników położenia

rozdzielaczy

Czujniki położenia zastosowane w rozdzielaczach są

najczęściej typu indukcyjnego z dwoma granicznymi
wyjściami. Zanim końcowa monitorowana pozycja zostanie
osiągnięta jeden stan czujnika jest wysoki, drugi niski.
Oznacza to, że jedno wyjście jest wyjściem NO (normalnie
otwartym) drugie zaś jest wyjściem NC (normalnie
zamkniętym). Rysunek poniżej przedstawia zasadę logiczną
przełączania.

Przebiegi sygnałów z czujników

Przebieg sygnałów z czujników położenia jako funkcji położenia

suwaka rozdzielacza: stan 10 z czujników- lewe położenie suwaka, stan
11- położenie środkowe, stan 01- prawe położenie suwaka