DIPLOMSKI RAD sveučilišnog diplomskog studija

Transcription

1 SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU DIPLOMSKI RAD sveučilišnog diplomskog studija Mislav Ramljak Slavonski Brod, 2016.

2 SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU DIPLOMSKI RAD sveučilišnog diplomskog studija Mislav Ramljak Mentor prof.dr.sc.antun Stoić Slavonski Brod, 2016.

3 I. AUTOR Ime i prezime: Mislav Ramljak Mjesto i datum rođenje: Bjelovar, Adresa: Zagreb STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU II. DIPLOMSKI RAD Naslov: Hidrauličke i pneumatske instalacije na obradnim strojevima Naslov na engleskom jeziku: Hydraulic and pneumatic installation on the machine tool Ključne riječi: hidraulika, pneumatika, instalacije, obradni strojevi Ključne riječi na engleskom jeziku: hydraulic, pneumatic, installation, machine tool Broj stranica: 56 slika: 62 tablica: 1 priloga: 0 bibliografskih izvora: 18 Ustanova i mjesto gdje je rad izrađen: STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU Stečen akademski naziv: magistar inženjer strojarstva Mentor rada: prof.dr.sc. Antun Stoić Obranjeno na Strojarskom fakultetu u Slavonskom Brodu dana Oznaka i redni broj: 25/2016.

4

5 I Z J A V A Izjavljujem da sam diplomski rad izradio samostalno, koristeći se vlastitim znanjem, literaturom i provedenim eksperimentima. U radu mi je pomogao savjetima i uputama mentor diplomskog rada prof.dr.sc.antun Stoić te mu iskreno zahvaljujem. I na kraju se zahvaljujem obitelji, prijateljima, kolegama na pruženoj potpori tijekom dosadašnjeg studija.

6 SAŽETAK Prijenos energije fluidima koja je potrebna za gibanje pokretnih dijelova ima značajnu primjenu u strojevima (radnim ili obradnim) i industrijskim postrojenjima. Primjena fluida u prijenosu energije omogućila je mnoge promjene na obradnim strojevima i sustavima. Primjenu hidrauličko upravljanih i vođenih strojeva i sustava omogućile su povećanje učinkovitosti strojeva i instalacija. Korištenje tekućine pod pritiskom za prijenos snage i kontroliranje složenih gibanja je relativno moderan pristup i svoj najveći razvoj ima u posljednja dva do tri desetljeća. Hidraulički sustavi postepeno nalaze primjenu u praktički svim područjima. Međutim sve stroži ekološki zahtjevi koji se povezuju uz primjenu ulja, te potreba za ekonomičnim poslovanjem zahtijevaju sve efikasnije strojeve. Pri tom je ključno da cijena proizvoda sa hidrauličkim instalacijama ostane konkurentna. Razvoj hidrauličkih sustava obilježen je razvojem svih komponenti sustava, te sustava u cjelini. Primjenjuju se novi materijali (npr. za brtve) i tehnologije obrade s ciljem poboljšanja brtvljenja, te istodobno smanjenje hidro-mehaničkog trenja (radi poboljšanja stupnja korisnog djelovanja strojeva). Radi ekoloških zahtjeva koriste se novi fluidi. Konstrukcije komponenti poboljšavaju se intenzivnim korištenjem programa za simulaciju dinamike fluida (CFD). Intenzivno se koristi elektronika, mikroprocesori, te umrežavanje komponenti radi boljeg vođenja sustava, te radi praćenja rada i dijagnostike. U radu je potrebno prikazati hidrauličke i pneumatske instalacije koji se nalaze na obradnim strojevima. Pokazati namjenu i mogućnosti te elemente sustava.

7 ABSTRACT Energy transfer of fluids required for the movement of movable parts has a significant application in machines (working or machining) and industrial systems. The application of fluid power transmission enabled many changes to the machine tool and systems. The application of hydraulic managed and controlled machines and systems have allowed an increase in the efficiency of machines and installations. Using fluid under pressure to transfer power and controlling complex movements is relatively modern approach and its greatest development has in the past two to three decades. Hydraulic systems gradually are used in virtually all areas. However, more stringent environmental requirements that are associated with the use of oil, and the need for cost-effective operations all require efficient machines. For this it is essential that the price of products with hydraulic installations remain competitive. The development of hydraulic system marked by the development of all components of the system, and the system as a whole. Apply new materials (eg. for seals) and processing technology to improve sealing, and at the same time reducing the hydro-mechanical friction (to improve the pumping efficiency of machines). In order to environmental requirements using new fluids. Structures of components improve the intensive use of the program to simulate fluid dynamics (CFD). Intensively used electronics, microprocessors and networking components for better management systems, and to monitor the operation and diagnostics. In this work is necessary to show the hydraulic and pneumatic installations that are on the machine tool. Show purpose and possibilities and elements of the system.

8 S A D R Ž A J Stranica PREGLED VELIČINA, OZNAKA I JEDINICA 1 UVOD HIDRAULIČKI I PNEUMATSKI SUSTAVI NAMJENA SUSTAVA ELEMENTI HIDRAULIČKIH I PNEUMATSKIH SUSTAVA I NJIHOVA PRIMJENA KOD OBRADNIH STROJEVA AKTUATORI Pneumatski aktuator Hidraulički aktuator SUSTAVI STEZANJA ODRŽAVANJE SUSTAVA PRORAČUN INSTALACIJA SHEMA INSTALACIJA UPRAVLJAČKI ELEMENTI HIDRAULIČKI I PNEUMATSKI SIMBOLI ELEMENTI SUSTAVA 44 5 ZAKLJUČAK LITARATURA 55

9 PREGLED VELIČINA, OZNAKA I JEDINICA Oznaka, Jedinica, Značenje A [m 2 ] površina F [N] sila h [m] visina L [m] duljina p [Pa] tlak P [W] snaga Q [m3/s] volumni protok R e - Reynoldsov broj T [Nm] moment V [m3] volumen v [m//s] brzina ω [rad/s] kutna brzina β [Pa] modul stlačivosti ρ [kg/m3] gustoća μ [Pas] dinamička viskoznost η - stupanj iskoristivosti

10 1 UVOD Hidraulički i pneumatski sustavi poznati su čovječanstvu od davnina. Riječ hidraulika dolazi od grčke riječi hydraulikos (koji pripada vodenom stroju (hidr-) + aulos = cijev). Prve upotrebljive pumpe, koje su bile najvažniji uvjet razvoja hidraulike, pojavljuju se tijekom 19. stoljeća. Ipak važno je spomenuti da se različite konstrukcije hidrostatičkih pumpi pojavljuju znatno prije. Johannes Kepler, inače čuven kao astronom i matematičar, izumio je zupčanu pumpu oko godine. Talijanski izumitelj Agostino Ramelli koji je živio u 16.stoljeću zaslužan je za izume mnogih pumpi. Krilna i aksijalno-klipne pumpe koje je izumio Ramelli, vrlo su slične današnjim modelima po principu konstrukcije. Ipak, izrađene su od drva, a brtve su bile od kože. Glavne primjene pumpi toga doba bile su za pumpanje vode iz bunara, iz rudnika, ili npr. za prskanje vode u fontanama. Na slici 1.1 prikazane su Keplerova zupčasta pumpa (a), Ramellijeva krilna pumpa (b), te njegova aksijalno-klipna pumpa. [1] Iznimno značajan hidraulički izum bila je preša Josepha Bramaha. Ona je izumljena godine, tijekom industrijske revolucije u Engleskoj, iako je prve ideje za hidrauličku prešu dao još Pascal oko 150 godina ranije. Bramahova preša prikazana je na slici 1.2. Tijekom 19. stoljeća dolazi do šire uporabe hidrauličkih strojeva, prvenstveno u vitlima, dizalima, kovačkim prešama, te strojevima za bušenje stijena. Razvojem električnih strojeva na prijelazu 19. u 20. stoljeće oni zamjenjuju hidrauličke. [1] Ulje kao hidraulički medij prvi put je korišteno godine u hidrostatičkom prijenosniku Williama i Janneya (prikaz na slici 1.3), koji se koristio za upravljanje vatrom topova na ratnim brodovima. Početkom 20. stoljeća, razvoj tehnologija obrade metala omogućio je razvoj pumpi, koje su omogućavale veći tlak u sustavu, i time znatno bolje karakteristike. Tako se tijekom II svj. rata dogodio značajni napredak hidraulike, te početak značajnije primjene u zrakoplovstvu (već tada omjer težine i snage za hidrauličke strojeve dostizao je 0.3 kg/kw). Hans Thoma, njemački inženjer, dao je značajan doprinos izumom aksijalno-klipne pumpe s bubnjem godine. Iz tog doba potječu i servo-ventili (izumi Vickersa, zatim Mooga). Druga polovica 20.stoljeća donosi značajan napredak hidraulike u smislu daljnjih poboljšanja karakteristika, povećanjem radnog tlaka, smanjenjem veličine komponenti, te povećanjem stupnja korisnog djelovanja. Zanimljiv osvrt na razvoj hidraulike dao je prof. Backéu [2]. U razdoblju od 50.-tih godina prošlog stoljeća omjer snage i mase (dakle, gustoća snage) nekih ključnih hidrauličkih komponenti porasla je 10 do 20 puta! Trend smanjenja nastavlja se i dalje, međutim znatno sporije. a) b) c) Slika 1.1 Razne pumpe s kraja renesanse: a) Keplerova zupčana; b) Ramellijeva krilna; c) Ramellijeva aksijalno klipna [1] 1

11 Slika 1.2 Bramahova hidraulička preša iz godine [1] Slika 1.3 Hidrostatički prijenosnik Williama i Janneya iz god. prvi koji koristi ulje [1] Hidraulika postepeno nalazi primjenu u praktički svim područjima (kao što pokazuje slika 2.6). Sve stroži ekološki zahtjevi, te potreba za ekonomičnim poslovanjem zahtijevaju sve efikasnije strojeve. Pri tom je ključno da cijena proizvoda koji koriste hidrauličke sustave ostane konkurentna. Razvoj hidraulike obilježava evolucija svih komponenti, te sustava u cjelini. Primjenjuju se novi materijali (npr. za brtve) i tehnologije obrade s ciljem poboljšanja brtvljenja, te istodobno smanjenje hidro-mehaničkog trenja (radi poboljšanja stupnja korisnog djelovanja strojeva). Radi ekoloških zahtjeva koriste se novi fluidi. Konstrukcije komponenti poboljšavaju se intenzivnim korištenjem programa za simulaciju dinamike fluida (CFD). Intenzivno se koristi elektronika, mikroprocesori, te umrežavanje komponenti radi boljeg vođenja sustava, te radi praćenja rada i dijagnostike. Ključne tehnologije za koje se može smatrati da će obilježiti budućnost hidraulike su upravljanje protokom, digitalni ventili i strojevi, te hibridni hidraulički sustavi. Upravljanjem izlaznih veličina sustava (pomak, brzina, sila) pomoću promjene volumena ili(i) brzine vrtnje pumpe (dakle upravljanje protokom protokom) bitno se smanjuju gubici sustava u odnosu na upravljanje prigušenjem (pomoću ventila) [3]. Digitalne pumpe/motori omogućavaju upravo kvalitetno upravljanje promjene volumena pumpe ili motora, što znači dobru dinamiku promjena, te dobar stupanj korisnog djelovanja i onda kada pumpa ili motor rade s djelomičnim kapacitetom. Poznati patent digitalne pumpe Artemis Intelligent Power Ltd. dan je u [4], a drugačija verzija digitalne pumpe prikazana je npr. u [5]. 2

12 Otežavajuća okolnost primjene su svakako visoka cijena upravljačkih ventila koji bi bili namijenjeni digitalnim hidrauličkim pumpama i motorima (odgovarajuća usporedba su brizgaljke na modernim diesel motorima). Dobar pregled stanja digitalne hidraulike dan je u [6]. Hibridni hidraulički sustavi koriste hidropneumatske akumulatore za kratkotrajnu pohranu energije, te na taj način također štede energiju i omogućavaju čišći okoliš. Hibridni hidraulički sustavi naročito su pogodni za komercijalna vozila [7], [1] koja rade u režimima stani kreni, poput vozila za odvoz smeća, gradskih dostavnih vozila, i slično. Dakle, najbitniji ciljevi napretka su smanjenje potrošnje energije, poštivanje ekoloških zahtjeva, povećanje funkcionalnosti (dobra dinamika, lakše vođenje, dijagnostika..), uz zadržavanje prihvatljive cijene proizvoda. Mogućnosti ostvarivanja tih ciljeva daljnjim razvojem definirati će i budućnost hidraulike. Svakako treba naglasiti da se zastoj razvoja, te postepeno odumiranje hidraulike i pneumatike predviđalo već prije tridesetak godina [1]. Međutim, unatoč tome, razvoj vjerojatno nikada nije bio življi, a tržište hidraulike i pneumatike praktički neprekidno raste. Prema očekivanjima, tako bi se trebalo i nastaviti. 3

13 2 HIDRAULIČKI I PNEUMATSKI SUSTAVI Prema definiciji iz [1], hidraulički i pneumatski sustavi su dio pogonske tehnike gdje se rješenje raznih pogonskih zadataka izvršava pomoću pretvorbe, upravljanja, regulacije i prijenosa energije putem tekućeg ili plinovitog stlačenog medija. Hidraulika se bavi prijenosom energije i informacija putem stlačene tekućine (kapljevine), a može se podijeliti na hidrodinamiku i hidrostatiku. U hidrodinamici energija se prvenstveno prenosi kinetičkom energijom fluida u strujanju, dok se u hidrostatici energije prenosi prvenstveno tlakom fluida. Stoga hidrodinamičke sustave karakterizira razmjerno niski tlak i visoka brzina strujanja, dok hidrostatičke sustave određuju razmjerno visoki tlakovi i niže brzine strujanja fluida. Osnovni princip rada hidrostatičkih strojeva i sustava zasnovan je na Pascalovom zakonu iz 1651 godine, koji tvrdi slijedeće (slobodno interpretirano): U fluidu u mirovanju tlak se širi jednoliko u svim smjerovima [8]. Obično se Pascalov zakon ilustrira hidrostatičkim prijenosnikom, kao na slici 2.1. Slika 2.1 Hidrostatički prijenosnik [1] Tlak u prijenosniku sa slike 2.1. iznosi p F F = 1 2 A = 1 A (2.1) 2 To znači da je moguće je prenositi sile koristeći tlak fluida, a tlak p u sustavu predstavlja omjer sile koja djeluje na fluid (F) i pripadajuće površine (A). Predmet proučavanja i edukacije onoga što na hrvatskom jeziku zovemo hidraulika su u pravilu sustavi, strojevi i uređaji koji rade na principu hidrostatike. Sve češći pojam koji 4

14 objedinjuje hidrauliku i pneumatiku postaje fluid power. Prikladan hrvatski prijevod, koji bi zadržao efektnost i sažetost originala (npr. tehnika fluida), nije udomaćen niti prepoznat, pa je hrvatski sinonim za fluid power u pravilu hidraulika i pneumatika. Dobra i sažeta definicija za hidrauliku i pneumatiku (odnosno fluid power) jest: to je tehnologija korištenja svojstava stlačenog fluida u stvaranju, upravljanju i prijenosu snage. Radi cjelovitosti definiranja područja, potrebno je spomenuti i pneumatiku (engl. pneumatics, njem. Pneumatik), gdje se energija i informacija prenose stlačenim plinom, najčešće stlačenim zrakom. Osnovna razlika u odnosu na hidrauliku jest u stlačivosti medija, odakle slijede određene prednosti i nedostaci u međusobnoj usporedbi. Ipak, hidraulika i pneumatika nisu međusobno konkurentne tehnologije, nego je bolje reći da se one nadopunjuju. Pneumatika se često vezuje uz pojam male automatizacije (Low-Cost-Automation), jer se dobar dio primjena odnosi na jednostavne automate za rukovanje u industriji. Prikaz toka energije kroz hidraulički sustav dan je na shemi na slici 2.2. Na shemi se može uočiti da na početku postoji izvor mehaničke energije (u pravilu elektromotor ili motor s unutarnjim izgaranjem daju okretni moment koji pokreće pumpu), te na kraju niz pretvorbe energije završava ponovo mehaničkom energijom (hidraulički motor ili cilindar daju okretni moment ili silu koja pogoni neki teret). Stoga je očito da hidraulički sustav ima ulogu prijenosnika energije, koji svoju primjenu nalazi zbog niza dobrih svojstava koje pri tom prijenosu energije ima. Prednosti i nedostaci hidrauličkih sustava biti će navedeni nešto poslije u tekstu.[1] Slika 2.2 Prikaz toka energije kroz hidraulični sustav [1] Pretvorba mehaničke energije u hidrauličku i obrnuto obavlja se u hidrostatičkim strojevima, odnosno hidrauličkim pumpama i motorima. Hidrostatičke pumpe rade tako da uhvate određeni volumen fluida u nekom prostoru tijekom ciklusa usisavanja, prenose ga dalje raznim elementima (klipovima, zupčanicima, vijcima, krilcima,..), a zatim se prostor u koji je fluid uhvaćen smanjuje tijekom ciklusa tlačenja. Fluid se šalje dalje u hidraulički sustav, a tlak u sustavu ovisi o otporima unutar hidrauličkog sustava. Ciklusi usisavanja i tlačenja neprestano se izmjenjuju i preklapaju (npr. ako se zamisli više klipova koji su u različitim fazama). Hidrostatički motori rade naprosto obrnut proces stlačeni fluid gura mehaničke elemente motora (opet su to klipovi, zupčanici, krilca,..) koji onda obavljaju neki rad. Za takav princip rada kojim rade hidrostatički strojevi postoji engleski pojam, koji je razmjerno čest, positive displacement machines. Taj pojam dobro ilustrira volumenski princip rada hidrostatičkih strojeva. [1] 5

15 Jedan osnovni hidraulički sustav ili hidraulički krug, koji je ipak kompletan, funkcionalan i sadržava sve važne elemente dan je na slici 2.3. Do njega, na slici 2.4., prikazana je pripadajuća hidraulička shema, nacrtana pomoću simbola. Na prikazanom sustavu može se steći prvi dojam o izgledu jednog hidrauličkog sustava, elementima koji ga sačinjavaju, te vezi sustava s prikazom pomoću sheme sa simbolima. Hidraulički sustav sastoji se od zupčaste pumpe na dnu slike, te hidrauličkog cilindra na vrhu slike 2.3. Između njih postoje različiti ventili i ostali elementi koji služe da bi se moglo upravljati gibanjem klipnjače cilindra. To je razvodnik, čiji se klip pomicanjem ručke pomiče u jedan od tri položaja, i na taj način usmjerava gibanje tekućine, odnosno gibanje klipnjače cilindra. Također postoji ventil za ograničenje tlaka, kojim se namješta maksimalni dozvoljeni tlak u sustavu. Postoji i prigušnica, kojom se prigušuje protok tekućine, i na taj način se podešava brzina gibanja klipnjače. Uz to, tu su obvezni i filter, spremnik tekućine, cjevovodi, te nepovratni ventil. [1] Slika 2.3 Jedan hidraulički sustav [1] Slika 2.4 Pripadajuća hidraulička shema [1] Osnovna prednost hidraulike koja se redovito naglašava jest gustoća snage njenih strojeva. Gustoća snage predstavlja snagu koju daje neki stroj po jedinici volumena (volumenska gustoća snage) ili po jedinici mase (masena gustoća snage). Jednostavnije rečeno, to govori o veličini i masi stroja, a što je on manji i lakši za istu snagu, to bolje. Slika 2.5. objašnjava gustoću momenta, odnosno snage jednog hidrauličkog stroja, odnosno motora u ovom slučaju. [1] 6

16 Slika 2.5. Pojednostavljeno razmatranje momenta i snage jednog a) hidrauličkog motora; b) električnog motora [1] Sila F, moment T i snaga P hidrauličkog motora pojednostavljeno prikazanog na slici 2.4. su dane slijedećim izrazima: F = p L h (2.2) T = F r = p L h r (2.3) P = T ω= p L h r ω (2.4) Gdje je p tlak stlačenog fluida, L, h i r su geometrijske karakteristike motora, a ω je kutna brzina vrtnje motora. Prednosti: Gustoća snage Jednostavna realizacija linearnog gibanja Dobre mogućnosti upravljanja Dobra dinamika (male inercije) Jednostavno osiguranje od preopterećenja Dobro podmazivanje i odvođenje topline putem fluida Nedostaci: Slabija korisnost (zbog trenja i gubitaka curenjem) Povećana potreba za održavanjem (zbog nečistoća i trošenja komponenti) Osjetljivost s ekološkog gledišta (buka, curenje, opasnost od požara, nedovoljno podmazivanje [1] 7

17 2.1 NAMJENA SUSTAVA U suvremenom industrijskom svijetu, snaga fluida, posebno u grani hidraulike je značajna za prijenos energije. Primjena fluida uzrokuje mnoge pozitivne promijene. Primjena hidrauličko upravljanih i vođenih sustava rezultira novim dizajnom i poboljšanim učinkovitostima na strojevima i instalacijama. Korištenje tekućine pod pritiskom za prijenos snage i kontroliranje složenih kretanja je relativno moderan pristup i svoj najveći razvoj ima u posljednja dva do tri desetljeća. Hidraulički pogonski sustavi omogućuju brzo gibanje u jadnom smjeru svoje dužine, a sporo u drugom. Druga velika prednost hidrauličkih sustava je što niti jedan drugi medij osim ulja ne posjeduje ovakvu kombinaciju točnosti, fleksibilnosti, održavanja mogućnosti za prijenosom maksimalne snage. Prvenstveni cilj nekih od hidrauličkih proizvoda se koristi u industriji u različitim primjenama. Primjena hidraulike vrlo je raznolika, i sveprisutna, što se najbolje može vidjeti na slici 2.6. Upravo zbog prisutnosti hidraulike (i pneumatike) kako u industriji tako i u transportu, stanje tržišta hidraulike i pneumatike u nekoj zemlji, ili na nekom području, dobar je indikator ukupnog stanja gospodarstva, te se trendovi razvoja gospodarstva mogu uočiti iz tržišnih trendova hidraulike i pneumatike. [1] 8

18 Slika 2.6 Područja primjene hidraulike [1] Jedna od najčešćih primjena hidrauličkih sustava na obradnim strojevima je za izmjenu alata ili obradaka. S ciljem skraćivanja putanje i izmjene alata konvencionalni strojevi su opremljeni sa automatiziranom izmjenom alata kojim postaju obradni centri. Skraćivanjem vremena izmjene s promjenom izratka u strojnoj obradi podrazumijeva postojanje drugog stola tj. paleta na kojem se nalazi izradak, dok na radnoj površini stroja se proizvodi drugi proizvod. Sa širokom automatizacijom proizvodnje u metalnoj industriji primjena obradnih centra postaje sve veća. Numerički upravljana kontrola omogućava brojne operacije i postavke te obradne centre prilagodljive kako kod malih tako i srednje i velikih serija proizvodnje. Vremenske postavke za alate i izratke su vrlo važno pitanje koje proizvođači alatnih strojeva moraju uzeti u obzir. Za te svrhe obradnih centara opremljeni su spremnici alata, mehanizam automatskog mijenjanja. Prednosti obradnog centra koji zahtijevaju složene te velike i brojne strojne operacija. Automatski mehanizam paleta rotira pomoću hidrauličkog cilindra za automatsko mijenjanje paleta u komori. Glavne komponente su (Slika 2.7) kako slijedi, ruka za izmjenu paleta (1), ekscentritet (2), pozicioniranje igle (3), nožica za sigurnost (4), klip (6), automatski mjenjač ruke 9

19 u smjeru kazaljke na satu i obrnuto (7), automatski mjenjač ruke u horizontalnom položaju u smjeru gore ili dolje (8). [11] Slika 2.7 Automatski mehanizam paleta [11] 2.2 ELEMENTI HIDRAULIČKIH I PNEUMATSKIH SUSTAVA I NJIHOVA PRIMJENA KOD OBRADNIH STROJEVA Na Slici 2.8 prikazan je obradni centar sa hidrauličkim i pneumatskim sustavom 10

20 Slika 2.8 Obradni centar sa hidrauličkim i pneumatskim sustavom [13] Hidraulički sustavi imaju: bolji omjer snaga/masa (težina) u odnosu na elektro pogon zbog čega kod istih snaga imaju višu rezonantnu frekvenciju bolju krutost u odnosu na elektro pogon pa imaju bolju točnost i bolja dinamička svojstva mirniji rad kod manjih posmičnih brzina i mogu se koristiti za šire područje brzina rada bez ikakvih dodatnih upravljačkih petlji dobre uvjete hlađenja pa se toplinski efekti prepoznaju kao problem Namjena hidrauličkog medija (ulja): 1) transformacija i prijenos pritiska i energije 2) smanjenje trošenja i trenja u pokretnim dijelovima 3) odvođenje topline 4) ispiranje prljavštine, te produkata trošenja i starenja 5) zaštita površine od korozije Svojstva ulja su: 1. Odgovarajuća viskoznost koja utječe na: - formiranje uljnog filma, viši viskozitet (lakše formiranje uljnog filma i veća nosivost) - unutarnji i vanjski količinski gubitci ulja, viši viskozitet - radnju trenja, niži viskozitet 2. Odgovarajuća svojstva trenja (adhezijske i kohezijske sile) 3. Konstantnost svojstva, kod promjene radnih uvjeta brzine i temperature 4. Stlačivost Viskoznost je svojstvo tekućina i plinova, kojim se definira veličina unutarnjeg trenja između čestica te drugih među-molekularnih sila. velika viskoznost gubitak mehaničke energije i razlika u brzini strujanja fluida viskoznost ovisi o: temperaturi, brzini, pritisku i gustoći fluida (opada porastom temperature, a raste povećanjem brzine, pritiska i gustoće) ulje visoke viskoznosti pružaju veliki otpor strujanju, ulja srednje i male viskoznosti su znatno pokretljivija viskoznost hidrauličkog ulja: dovoljno visoka da se procurivanje u sustavu smanji na minimum, ali ne previsoka (kako ne bi uzrokovala velike gubitke energije) Iskazivanje viskoznosti 11

21 a) apsolutna viskoznost ili dinamička mjera otpornosti tekućine prema tečenju ili plina prema gibanju. b) kinematički koeficijent viskoznosti predstavlja odnos koeficijenta i gustoće fluida Stlačivost ulja dv/dp = -V/K (2.5) gdje su V volumen, p tlak i K volumenski modul elastičnosti gdje je β modul stlačivosti K=1/β (2.6) Fizikalna svojstva ulja: specifična težina (gustoća) viskozitet kod 40 C ISO (ili 50 C) plamište, uljne pare se pale na 150 C dok je temperatura samozapaljenja na 350 C faktor kompresije, stlačivost temperaturne dilatacije koeficijent toplinske vodljivosti Hidraulički sustavi se koriste za: 1. pogon gibanje (cilindri, motori) glavno i posmično 2. upravljanje procesima (ventili) 3. stezanje alata i obradaka Pogon svladavanje otpora (sila) gibanja F, pomoću tlaka ulja p. Prijenos sile, jednadžba javnoteže: F p = (2.7) A pri čemu p= pritisak [Pa] F= sila [N] A= površina na koju pritisak djeluje [m 2 ] Za hidrauličke sustave važno je svojstvo hidrauličkih ulja, a to je njihova mala stlačivost. To je ujedno i osnovna razlika između hidraulike i pneumatike. Nestlačivost znači da se sila koja djeluje na stap u cilindru tj. ulje manje-više direktno prenosi, bez prethodnog komprimiranja medija, kao što je to slučaj kod pneumatike. Tipični pritisci u hidraulici su do oko 200 bar-a iako su i viši pritisci mogući. Na primjer na sistemima za ubrizgavanje goriva dizela, upotrebljavaju se pritisci i do 2000 bar-a. 12

22 Slika 2.9 Prikaz hidrauličkih elemenata [13] Hidraulički pogon se primjenjuje radi ostvarenja: velike sile, brzine i ubrzanja male, jednolične pomake i brzine visoke točnosti pozicioniranja u međupoložajima Slika 2.10 Osnovna shema hidrauličkog pogona [13] ( 1 i 2 hidraulički cilindar, 3 i 4 stap, 5 sigurnosni ventil ) 13

23 Laminarno i turbulentno strujanje Slika 2.11 Dinamika hidrauličkog sustava [13] Da bi se riješio kompleksni problem strujanja fluida kroz cjevovode ili različite druge profile, koriste se kriteriji sličnosti, ili bezdimenzionalne značajke. Pomoću tih značajki dobivaju se jednostavniji izrazi. Jedna od tih značajki je Reynoldsova (ili Reynoldsov broj Re ([2]): R e ρ v L = (2.8) µ Gdje su ρ gustoća fluida, v brzina strujanja, L je karakteristična linearna dimenzija, a μ je dinamička viskoznost. Bezdimenzionalni Reynoldsov broj daje mjeru omjera između inercijskih (ρ v2) i viskoznih sila (μ v/l) koji djeluju na fluid u strujanju. Za niske Reynoldsove brojeve prevladavaju viskozne sile, a strujanje je laminarno (u paralelnim slojevima, laminama). Za visoke Reynoldsove brojeve prevladavaju inercijske sile fluida, a strujanje je turbulentno. [1] - Problem hidrauličkog sustava u prigušnicama, razvodnicima, kapilarama - Hidraulički otpor Slika 2.12 Laminarno i turbulentno strujanje [13] 14

24 Kavitacija u sustavu Kavitacija se spominje ovdje kao odvojeno potpoglavlje u sklopu poglavlja o svojstvima radnih fluida naprosto zbog njenog značaja i posljedica koje može imati na rad i životni vijek hidrauličkog sustava. Kavitacija može smanjiti stupanj korisnog djelovanja stroja, pojavljuju se značajnije vibracije i buka. Još opasnija je kavitacijska erozija hidrauličkih komponenti. Pojavu kavitacije nije lako otkriti na vrijeme, obzirom da se pojavljuje lokalno. Kavitacija opisuje proces koji uključuje začetak, rast i imploziju (urušavanje u sebe) parnih ili plinskih mjehurića koji se javljaju u tekućini [14]. Javlja se na mjestu na kojem unutar hidrauličkog sustava tlak padne na razinu tlaka isparavanja (zasićenja) tekućine. Kada nakon pojave isparavanja fluid ponovo dođe u područje viših tlakova, dolazi do implozije mjehurića, i na tim mjestima se može pojaviti vrlo visoki tlak. Naime, kada lokalni tlak tekućine padne dovoljno, otopljeni (rastvoreni) zrak se pojavljuje i ulazi u mjehuriće. Ako lokalni tlak dalje pada, nastaje isparavanje tekućine, i mjehurići se ispunjavaju parom. Ponovnim porastom tlaka, mjehurići prvo prestaju rasti, a zatim počnu nestajati. Njihovo nestajanje uzrokuje otapanje zraka i kondenzacija pare. Ako se mjehurić koji je pretežno ispunjen parom podvrgne naglom porastu tlaka, tada je njegova implozija vrlo nagla, te nastaju vrlo veliki lokalni tlačni špicevi (mogu iznositi i više tisuća bar). U slučaju da je mjehurić pretežno ispunjen zrakom, onda je njegova implozija manje intenzivna i manje štetna. Mjehurić će biti pretežno ispunjen zrakom, ako je njegovo stvaranja sporije. Kada mjehurić implodira blizu stijenke pumpe, ventila, ili cjevovoda onda je njegovo urušavanje asimetrično, okolni fluid ispunjava prazninu u obliku mikro-mlaznica, koje mogu oštetiti materijal pumpe ili ventila. Oštećenja su karakteristična, s točkastom ili brazdastom erozijom (engl.pitting). Na slici 2.13 može se vidjeti mehanizam implozije mjehurića blizu stijenke [14], koji ide s lijeva na desno. Slika 2.13 Mehanizam impulzije mjehurića [1] - Problem hidrauličkog sustava jer se stvaraju zračni jastučići koji se pune uljem kada tlak poraste - Povećano trošenje u hidrauličkom sustavu osobito na konektorima Slika 2.14 Kavitacija u aksijalnoj pumpi [13] 15

25 Problemi hidrauličkog sustava: 1. gubitak (pad) tlaka može se pojaviti na pumpi ili na ostatku hidrauličkog sustava 2. gubitak protoka može se pojaviti da je strujanje fluida u smjeru najmanjeg otpora Problemi na pumpama: 1. Gubitak tlaka i protoka 2. Visoka buka 3. Pregrijavanje 4. Propuštanje pumpe Problemi na aktuatorima: 1. Cilindri problem je brzina, nema gibanja, mala sila 2. Hidromotori problem je brzina, nema gibanja, mali moment Prednosti hidrauličkih sustava: velike sile mala inercija moguće pokretanje pod punim teretom jednostavno i kontinuirano podešavanje brzine, sile i momenta moguće velike brzine; moguće ekstremno niske brzine precizno pozicioniranje jednostavna zaštita od preopterećenja mogućnost akumulacije energije jednostavno podmazivanje i odvođenje topline visoka pouzdanost u radu visoka ekonomičnost u radu Nedostaci hidraulike su: potrebni su povratni vodovi relativno visoka cijena uređaja i elemenata specifičnost i preciznost izvedbe ograničene brzine strujanja ulja promjena karakteristike ulja s temperaturom i tlakom relativno nečist pogon Hidraulički strojevi pretvaraju mehaničku energiju u hidrauličku (pumpe), i obrnuto (motori). Raspoznajemo dvije vrste hidraulike: hidrodinamika i hidrostatika. U hidrodinamici energija se prvenstveno prenosi kinetičkom energijom fluida u strujanju, dok se u hidrostatici energije prenosi prvenstveno tlakom fluida. Stoga hidrodinamičke sustave karakterizira razmjerno niski tlak i visoka brzina strujanja, dok hidrostatičke sustave određuju razmjerno visoki tlakovi i niže brzine strujanja fluida. Isto tako razlikuju se dvije vrste hidrauličkih strojeva, hidrostatički i hidrodinamički. Hidrostatički strojevi, odnosno pumpe u ovom slučaju, rade tako da uhvate određeni volumen fluida u nekom prostoru tijekom ciklusa usisavanja, prenose ga dalje raznim elementima (klipovima, zupčanicima, vijcima, krilcima,..), a zatim se prostor u koji je fluid uhvaćen smanjuje tijekom ciklusa tlačenja. Fluid se šalje dalje u hidraulički sustav, a tlak u sustavu ovisi o otporima unutar hidrauličkog sustava. Ciklusi usisavanja i tlačenja neprestano se izmjenjuju i preklapaju. 16

26 Hidrostatički motori rade naprosto obrnut proces stlačeni fluid gura mehaničke elemente motora (opet su to klipovi, zupčanici, krilca,..) koji onda obavljaju neki rad. [1] Osnovna podjela hidrostatičkih strojeva upravo je prema konstrukciji, odnosno na koji način oni prenose fluid, pa se tako razlikuju zupčaste, vijčane, krilne i klipne pumpe ili motori, sa čitavim nizom različitih izvedbi. Podjela pumpi prema konstrukciji prikazana je shemom na slici 2.15, dok je podjela motora dana na slici [1] Slika 2.15 Vrste hidrostatičkih (volumenskih) pumpi [1] 17

27 Slika 2.16 Vrste hidrostatičkih (volumenskih) motora [1] Osim osnovne podjele po konstrukcijskoj izvedbi, važna podjela je prema varijabilnosti volumena pumpe ili motora. Dakle, pumpe i motori mogu biti: Nepromjenljivog (fiksnog) volumena Varijabilnog (promjenljivog) volumena Mogućnost varijabilnosti volumena pumpe ili motora značajna je u mnoštvu primjena. Naime, kontinuiranom promjenom volumena može se kontinuirano mijenjati radna karakteristika momenta i brzine vrtnje. Dakle, nekakav kontinuirani varijabilni prijenosnik (CVT) lako se može realizirati na taj način. Uz to, promjenom volumena dobava pumpe može se prilagođavati potrebama opterećenja, pa se mogu realizirati energetski efikasni pogoni ili prijenosnici. Nisu sve vrste pumpi ili motora pogodne za izvedbu sa varijabilnošću volumena. Uglavnom se krilne jednokomorne, te aksijalno klipne pumpe i motori rade u izvedbama sa varijabilnim volumenom. Mehanizmi koji mijenjaju volumen pumpi ili motora mogu biti mehanički pogonjeni (npr. ručnom polugom), hidraulički pogonjeni (npr. hidrauličkim cilindrom kojim se upravlja ventilima), elektro-hidraulički (npr. hidrauličkim cilindrom kojim se upravlja ventilima posredstvom elektrike i elektromagneta), te elektro-mehanički (npr. polugom, ili polužjem kojima se upravlja posredstvom elektrike, elektromagneta i/ili elektromotora). Jasno je da mogućnost varijabilnog volumena znatnije poskupljuje pumpu ili motor. Može se reći (vrlo površno) da jedan hidraulički stroj varijabilnog volumena košta od 30% pa na više, u odnosu na identičan stroj fiksnog volumena. Važno je napomenuti da se promjena dobave pumpe može mijenjati i promjenom broja okretaja kojom se pumpa okreće. Prema konfiguraciji hidrauličkog kruga pumpe i motore mogu se podijeliti na one namijenjene radu u otvornom krugu i one namijenjene radu u zatvorenom krugu. Radi objašnjenja pojmova, na slici 2.17 prikazani su vrlo pojednostavljeni otvoreni (a) i zatvoreni (b) hidraulički krug. U otvorenom krugu fluid iz aktuatora odlazi u spremnik, dok pumpa usisava fluid iz spremnika. U zatvorenom krugu fluid koji izlazi iz aktuatora direktno ulazi u pumpu. 18

28 Slika Otvoreni (a) i zatvoreni (b) hidraulički krugovi [1] Jedno općenito objašnjenje režima rada, koje se može podijeliti na rad hidrauličkog stroja kao pumpe i na rad kao motora dano je na slici Slika 2.18 Režimi rada hidrauličkih strojeva [1] Idealni hidraulički stroj (pumpa ili motor) služi da se jednostavnije prikaže njegov rad, te kao model (referencija) za usporedbu. Idealni znači da nema trenja, nema curenja fluida, dijelovi su apsolutno kruti, a prijelazi za vrijeme izmjena su bez kašnjenja. Također, ako idealni stroj radi sa idealnim fluidom, to znači da stišljivost fluida se ne uzima u obzir. Ovdje će se transformacija protok Q brzina okretanja n, te moment T tlak p, za pumpu i motor prikazati na slici 2.19 pomoću blok algebre. V predstavlja volumen ili obujam (to jest jedinični volumen ili obujam) pumpe ili motora. Vrijednost V jest volumen koji predstavlja razliku između maksimalnog i minimalnog radnog volumena pumpe ili motora tijekom jednog okretaja njihove osovine. Mjeri se u m 3 /okr., ali najčešće je u katalozima ili sličnim podacima definiran u cm 3 /okr (napominje se da je n = ω/2 ). 19

29 Slika 2.19 Karakteristika idealne pumpe [1] Prethodno su razmatrane karakteristike idealnih hidrauličkih strojeva. Značajan utjecaj imaju gubici tih strojeva, koji se mogu podijeliti na dvije grupe: volumenske gubitke i hidrauličko mehaničke gubitke. Volumenski gubici odražavaju se na protok hidrauličkog stroja, tj. protok stvarnog stroja biti će manji od protoka idealnog stroja za iznos volumena fluida koji je izgubljen u nekom vremenskom intervalu. Isto tako hidrauličko-mehanički gubici predstavljaju sve gubitke uslijed trenja, bilo mehaničkih trenja dva kruta tijela, bilo viskoznih trenja fluida koji teče kroz cjevovode i prigušna mjesta. Hidrauličko-mehanički gubici odražavaju se na gubitak momenta nekog stvarnog hidrauličkog stroja, u odnosu na moment idealnog stroja. To znači da bi hidraulički motor dao manji okretni moment u odnosu na njegovog idealnog dvojnika za iznos hidrauličko-mehaničkih gubitaka trenjem. S druge strane, pumpa bi za isti radni tlak trebala biti pogonjena većim momentom u odnosu na idealnu pumpu, upravo za iznos hidrauličko mehaničkih gubitaka. Kako umnožak pada tlaka (na kojeg se odražavaju hidrauličko-mehanički gubici) i protoka (na kojeg se odražavaju volumenski gubici) daje snagu, tako i umnožak navedenih gubitaka (volumenskih i hidrauličko-mehaničkih) predstavlja u konačnici gubitak snage. Svi gubici snage u hidrauličkom sustavu odražavaju se na povećanje temperature fluida i sustava, koju onda treba odvoditi na neki način. Volumenske i hidrauličko-mehaničke gubitke nije jednostavno precizno odrediti ili matematički izraziti modelom. Vjerojatno jedno od najkvalitetnijih opisa i matematičkog definiranja gubitaka 20

30 u hidrauličkim strojevima dano je u [12]. U istoj literaturi dani su i vrlo detaljni i kvalitetni konstrukcijski aspekti hidrauličkih strojeva, koji se temelje na vlastitim istraživanjima, te na klasičnoj, vrijednoj literaturi s tog područja (npr. [13]) Volumenski gubici Volumenski gubici još se nazivaju curenja iako nisu svi volumenski gubici posljedica curenja. Volumenski gubici definirani su normom DIN ISO Kao što je prethodno rečeno, volumenski gubici odražavaju se na protok, tj. protok stvarnog stroja Q ef biti će manji od protoka idealnog stroja Q th za iznos volumena fluida koji je izgubljen u nekom vremenskom intervalu Q L : Q ef = Q th - Q L (2.9) Volumenski gubici Q L mogu se podijeliti na vanjske gubitke curenjem Q e i unutarnje gubitke curenjem Q i, te na gubitke zbog stišljivosti fluida Q k, i na gubitke zbog nepotpunog punjenja komora hidrauličkog stroja Q f : Q L = Q e + Q i + Q k + Q f (2.10) Gubici curenjem fluida događaju se na svim zazorima unutar nekog stroja gdje postoji razlika tlaka. Uz to, postoji i gubitak fluida zbog njegovog prianjanja za površine koje se pomiču (to je tzv. Couette-ov protok). Ilustracija vanjskih i unutarnjih gubitaka na primjeru hidrauličkog motora dana je na slici Kako je kod motora u pravilu tlak p2 < p1, tada bi Q e1 trebao biti znatno veći od Q e1. Slika 2.20 Vanjski i unutarnji gubici curenjem [1] Stišljivost fluida također uzrokuje gubitak volumena. Naime, gubitak volumena fluida koji se stisnuo zbog njegove stišljivosti dan je sa (jednadžba (2.11)): V 0 V = p (2.11) K Ako pumpa načini n ciklusa u nekom vremenskom intervalu (npr. okretaja/minuti), onda će gubitak protoka uslijed kompresibilnosti biti: Q k = n ΔV (2.12) 21

31 Ako se sagleda energetska bilanca, može se reći da će se protok koji se izgubio stišljivošću fluida u pumpi, nadoknaditi ekspanzijom u motoru (makar teoretski), te stoga i nije pravi gubitak. Ipak, poštujući normativnu definiciju, Q k se uzima u obzir u ukupnom računu volumenskih gubitaka. Gubici protoka uslijed nepotpunog punjenja komora hidrauličkog stroja Q f kao što im naziv dovoljno jasno ukazuje, nastaju tako što se teoretski volumen stroja naprosto ne popuni potpuno s fluidom. Ti gubici prvenstveno se odnose na pumpe, a ovise o brzini rotacije. Nakon neke određene brzine vrtnje pumpe, njene komore se više ne mogu dovoljno puniti. Ako se razmotri nanovo pitanje protoka kroz zazore (laminarno strujanje), protoci su proporcionalni razlici tlaka, visini zazora (na treću potenciju), ili radijusu, ili ekscentricitetu, a obrnuto su proporcionalni viskozitetu. Slično je i kod turbulentnog strujanja (proporcionalno korijenu razlike tlakova, a viskoziteta nema u relaciji. Dakle, protoci ne bi trebali ovisiti o brzini vrtnje strojeva. Ipak, praktična ispitivanja pokazuju određenu zavisnost [12], vjerojatno zbog utjecaja brzine vrtnje na viskozitet fluida (preko izmjene topline) u određenim režimima, te također zbog nepotpunog punjenja komora pumpe, koje je ovisno o brzini vrtnje te iste pumpe. Na slici 2.21 dana je kvalitativna slika ovisnosti stvarnog protoka o tlaku, te o brzini vrtnje za pumpu i za motor. Kod pumpe je stvarni izlazni protok manji od idealnog (Q th ), za iznos gubitaka protoka. Kod hidrauličkog motora je stvarni protok veći od idealnog. To znači da je za postizanje idealnog protoka kroz motor potrebno na njegov ulaz dovesti stvarni protok koji će biti veći od idealnog za gubitke protoka. Gubici protoka pumpe i motora ponešto se razlikuju, prvenstveno zato što gubitke uslijed stišljivosti se motoru ne računaju, a i nepotpuna ispunjenost komora također se motoru načelno može zanemariti. Slika 2.21 Protok u ovisnosti o tlaku i brzini vrtnje pumpe i motora [1] Hidrauličko mehanički gubici Kao što je na početku napisano, hidrauličko-mehanički gubici predstavljaju sve gubitke uslijed trenja. To sadrži mehanička trenja dva kruta tijela u dodiru, te viskozna trenja fluida koji teče kroz cjevovode i prigušna mjesta. Moment hidrauličko-mehaničkih gubitaka T hm umanjuje moment idealnog stroja T th, tako da je moment stvarnog stroja (efektivni moment) T ef slijedeći: Gubici momenta mogu se podijeliti na četiri grupe (prema [18]): - ovisni o kvadratu brzine, - proporcionalni brzini, - proporcionalni tlaku, - neovisni o radnim parametrima. T ef = T th - T hm (2.13) Stoga je moment hidrauličko-mehaničkih gubitaka T hm suma navedene četiri grupe gubitaka: 22

32 T hm = Tv 2 +Tv +Tp +To (2.14) Gubici momenta ovisni o kvadratu brzine Tv 2 uglavnom su posljedica trenja uslijed turbulentnog strujanja fluida, te momenta potrebnog za promjenu količine gibanja. Također posljedica su ležaja koji se kotrljaju ispunjeni uljem, te posljedica rotirajućih dijelova pumpi ili motora unutar kućišta ispunjenih uljem (bućkanje). Gubici momenta proporcionalni brzini Tv nastaju uslijed viskoznog trenja (strujanje u laminarnom području). Gubici momenta proporcionalni tlaku Tp pojavljuju se uglavnom u ležajima, ili drugdje gdje se suho trenje može pojaviti. U tim slučajevima sila trenja proporcionalna je normalnoj sili, a ona je proporcionalna tlaku. Gubici momenta neovisni o radnim parametrima To posljedica su npr. prednaprezanja opruga, naprezanja koja djeluju na brtve, i slično. Navedeni gubici konstantni su za neki hidraulički stroj, a pretežno ovise o kvaliteti izradbe stroja. Za kvalitetnije strojeve gotovo su zanemarivi. Na slici 2.22 dana je kvalitativna slika ovisnosti stvarnog momenta o tlaku, te o brzini vrtnje za pumpu i za motor. Kod pumpe je stvarni momet manji od idealnog (Tth), za iznos gubitaka momenta. Kod hidrauličkog motora je stvarni moment veći od idealnog, što znači da je za postizanje idealnog momenta motora potrebno da stvarni moment bude veći od idealnog za iznos gubitaka momenta. [12] [13] Slika 2.22 Moment u ovisnosti o tlaku i brzini vrtnje pumpe i motora [1] Utjecaj viskoziteta na gubitke Već je prethodno ustanovljeno da je viskozitet fluida njegovo najvažnije svojstvo što se tiče primjene u hidraulici. Utjecaj viskoziteta fluida na gubitke vrlo je značajan. Pojavljuje se i u volumenskim gubicima, a logično je da se curenja smanjuju povećanjem viskoziteta, međutim ta veza nije linearna (zbog otpora kod punjenja pumpe, dakle za motor bi bilo nešto drugačije). Također viskozitet se pojavljuje i u hidrauličko mehaničkim gubicima, kod gubitaka momenta proporcionalno ovisnim o brzini. Veza tih gubitaka (trenja) i viskoznosti je linearna. Na slici 2.23 dana je kvalitativna slika ovisnosti gubitaka o viskoznosti. Vidi se da postoji optimalno područje viskozitetu fluida, na kojem će gubici snage biti najmanji. 23

33 Stupanj korisnog djelovanja Slika 2.23 Gubici ovisno o viskozitetu [1] Stupanj korisnog djelovanja hidrauličkog stroja, ili općenito sustava, nastavak je razmatranja o njihovim gubicima. Stupanj korisnog djelovanja jedan je od najvažnijih podataka za neku pumpu ili motor, a pogotovo je naglasak dan na to u novije doba. Definicije stupnja korisnog djelovanja mogu se razlikovati. Prema DIN ISO 4391 normi ukupni stupanj korisnog djelovanja za pumpu η tp omjer je hidrauličke snage na izlazu iz pumpe i mehaničke snage na ulazu u pumpu: η tp Q p Q p = T ω (2.15) Gdje su sa indeksom 1 označeno stanje na ulazu, a sa 2 na izlazu iz pumpe. U slučaju da pumpa ima vanjski (dodatni) priključak za fluid koji je izgubljen uslijed vanjskog curenja Qe, tada je Q 1 =Q 2 + Qe, pa se jednadžba (2.15) može napisati kao: Q2 ( p2 p1) Qe p1 ηtp = (2.16) T ω Za motor vrijedi ista definicija, ali dakako invertirana. Dakle, ukupni stupanj korisnog djelovanja hidrauličkog motora η tm jest omjer mehaničke snage na izlazu iz motora i hidrauličke snage na ulazu u njega: η tm T ω = Q p Q p (2.17) Ukupni stupanj korisnog djelovanja ηt, bilo pumpe ili motora, može se promatrati kao umnožak volumenskog ηv i hidrauličko-mehaničkog stupnja korisnog djelovanja ηhm, kao što su se i gubici podijelili: ht = hv hhm (2.18) Volumenski stupanj korisnog djelovanja pumpe ηvp omjer je stvarnog (efektivnog) protoka koji pumpa daje Qe i idealnog (teoretskog) protoka Q th (koji je umnožak broja okretaja pumpe np i volumena pumpe Vp): 24

34 Q Q e e h vp = = Qth np Vp (2.19) Kod hidrauličko-mehaničkog stupnja korisnog djelovanja pumpe potrebno je uzeti omjere idealnog (teoretskog) momenta T th (koji je umnožak Δp i volumena pumpe Vp) i stvarnog (efektivnog) momenta T e : h hmp T pv th p 1 = = (2.20) T 2p T e e Za hidrauličke motore (indeks m u donjim izrazima) vrijede iste relacije, međutim invertirane zbog invertiranja procesa pretvorbe energije: h vm Q n V Q Q th m m = = (2.21) e e Te 2p h hmm = = T (2.22) e T pv th Vrlo općenita, kvalitativna slika ovisnosti stupnja korisnog djelovanja hidrauličkog stroja dana je na slici Ukupni stupanj korisnog djelovanja ηt, volumenski ηv i hidrauličko-mehaničkog stupnja korisnog djelovanja ηhm prikazani su u ovisnosti o tlaku i brzini vrtnje (broju okretaja). m Slika 2.24 Stupnjevi korisnog djelovanja u ovisnosti o tlaku i brzini vrtnje [1] 25

35 2.3 AKTUATORI Aktuator je mehanička naprava koja pomiče ili upravlja nečim. Aktuator je pretvarač energije u kretanje. To je tipično mehanička naprava koja uzima energiju - obično energiju zraka, tekućine, električnu energiju i pretvara je u neku vrstu gibanja. Aktuator je električni, hidraulični ili pneumatski uređaj koji upravlja tokom materijala ili energije. [9] Pneumatski aktuatori Fizikalni procesi pneumatskih pogona su podložni zakonima plina. Zakoni plina su skup zakona koji opisuju odnos između termodinamičke temperature (T), tlaka (P) i volumena (V) plina. Tri od tih zakona, Boyleov zakona, Charlesov zakon i Gay-Lussacov zakon, mogu biti kombinirani da tvore kombinirani zakon plina p1 V1 p2 V2 = (2.23) T T 1 2 koji s dodatkom Avogadrova zakona kasnije čini jednadžba stanja idealnog plina. Drugi važan plinski zakon je Daltonov zakon parcijalnih tlakova. Kinetička teorija plinova, Grahamov zakon objašnjava kako pojedine molekule djeluju na plin i njihov odnos prema tlaku, volumenu i temperaturi. Plin koji se pokorava tim zakonima plinova je znan kao idealni plin. No idealni plin ne postoji, međutim, neki plinovi slijede zakone u većoj mjeru od ostalih za standardne uvjete. Najvažniji zakon plina je jednadžba stanja idealnog plina, u kojem se navodi da je: PV = NRT Također je moguće primijeniti Boltzmannove analize radi utvrđivanja daljnjih informacija u vezi plinova, sa jednadžbom 1 3 mc k T (2.24) Detaljne informacije o brzinama atoma u plinu, kinetičkoj energiji i temperaturnim uvjetima pod kojima oni postoje. [9] Skup uređaja u jednom ili više pneumatskom motoru, koji su određeni za pokretanje mehanizama ili nekih drugih objekata pomoću tlaka radnog zove se pneumatski aktuator. Uređaji namijenjeni za transformaciju potencijalne i kinetičke energije komprimiranog plina u mehaničku energiju izlazne veze koja može biti npr. šipka klipa, osovina turbine itd. Svi pneumatski pogoni mogu se podijeliti na sljedeće vrste: dijafragma pneumatski pogoni pneumatski cilindri snage plinski motor pneumatski pogoni turbina pneumatski pogoni mlazni potok pneumatski pogoni pneumatski mišići kombinirani pneumatski aktuatori 26

36 Princip transformacije potencijalnog ili kinetičke energije strujanja plina u mehaničku energiju pružaju osnovu za podjelu na tipove. Slika 2.25 Pneumatski cilindar [9] Zračni, ili pneumatski cilindri (Slika 2.25) su uređaji koji pretvaraju snagu komprimiranog zraka u mehaničku energiju. Ta mehanička energija proizvodi linearno ili kružno gibanje. Slika 2.26 Pneumatski mišići [9] Pneumatski mišići (Slika 2.26) su linearni pneumatski uređaji koji mogu reproducirati gibanje vrlo slično gibanju prirodnog mišića. U usporedbi sa pneumatskim cilindrom razvijaju velike početne napore za iste radne karakteristike. 27

37 Slika 2.27 Elektro pneumatski aktuator [9] Elektro pneumatski aktuatori smatraju se kombiniranim pogonom. Prednosti pneumatskih pogona su: jednostavnost realizacije sofisticirani mehanizmi nisu potrebni niska cijena visoka brzina kretanja jednostavnost pri povrata vrijednosti pokreta tolerancija na preopterećenja, do punog stajališta visoka pouzdanost rada eksplozija i sigurnost od požara ekološka čistoća sposobnost akumulacije i transporta. Nedostaci pneumatskih aktuatora: kompresibilnost zraka nemogućnost primati ujednačenu i konstantnu brzinu pokreta radnih tijela teškoće u rada pri maloj brzini ograničenim uvjetima - korištenje komprimiranog zraka je korisno do određene vrijednosti tlaka komprimirani zrak zahtijeva dobru pripremu. 28

38 Shema pneumatskog centra za obradu s rotacijskim stolom prikazan na slici Slika 2.28 Shema pneumatskog obradnog centra [9] Pneumatski obradni centar obavlja slijedeće funkcije: - korak po korak rotaciju uz pomoć rotacijskog stola - dijelovi za rezanje uz pomoć alata (2)-(7) (bušenje, brušenje); - prijem, pozicioniranje i fiksiranje detalja uz pomoć bloka 1; - dostava uz pomoć bloka (8). Na rotacijskom stolu se mogu izvršiti razni procesi rezanja. [9] 29

39 2.3.2 Hidraulički aktuatori Hidraulički aktuatori su pogonski dijelovi hidrauličkih sustava tj. dio sustava koji omogućava gibanje. Najčešće korišteni hidraulički aktuator za pravocrtno gibanje je hidraulički cilindar. U nastavku su prikazani neki od tipova: Slika 2.29 Hidraulički cilindar [9] Hidraulični cilindar jednostranog djelovanja (Slika 2.29.a) ima klip (1), potaknut od snage tekućine s jedne strane. Povratno gibanje klipa je napravljeno pod djelovanjem vanjske sile F ako djeluje kontinuirano ili opruge (2). Jedinstvena vanjska kondenzacija od klipa se sastoji od (3) i (4) kondenzacijskih elemenata. Hidraulični cilindar dvostranog djelovanja (Slika 2.29.b) ima klip (5) s palicom (7), skraćeno za unutarnje (6) i vanjsko (8) brtvilo. Zbog razlika između površine S i prstena S područja klipa ostvaruju se različite brzine gibanja pri istom tlaku p pri kretanju na lijevo i na desno ako je vanjska sila F je konstantna. [9] Slika 2.30 Hidraulički cilindar sa kočnicom i zaštitnom šipkom [9] U mnogim slučajevima hidraulički cilindri rade u teškim uvjetima, kada se iznenada mijenjaju opterećenja i nepovoljni klimatski uvjeti. Za zaštitu od vlage i prljavštine osiguravaju dvostruku 30

40 vanjsku konsolidaciju (primjerice, 3 i 4) konsolidaciju (2) i (5), (Slika 2.30), u potpunosti zatvarajući šipku. Završni kočioni uređaji su osnovani za zaštitu od udaranja klipa na hidraulični cilindar. Varijabilni hidraulički aktuatori se koriste kao pogoni alatnih strojeva, valjaonice, za prešanje i ljevaonica oprema, izgradnju cesta i strojeva, transport i poljoprivredne strojeve, itd. uz niz prednosti u odnosu na mehaničke i električne, objašnjava njihovu široku primjenu: [9] Prednosti i nedostaci hidrauličkih aktuatora: Hidraulička kontrola mjenjača od omjera u širokom rasponu i prilika za stvaranje velikog omjera prijenosa male specifične težine mogućnost jednostavne i pouzdane zaštite motora od preopterećenja mala tromost od rotirajućih dijelova, pružajući brzu promjenu načina rada (pokretanje, disperzija, zaustavljanje) jednostavnost transformacije rotacionog kretanja prilika za pozicioniranje hidraulički motor na uklanjanju (udaljenost) iz izvora energije i slobodu u izradi konfiguraciju. Također je potrebno računati s nedostacima hidrauličkog aktuatora uvjeti rada s hidrauličkim pogonom (temperatura) utječu na njegova svojstva Učinkovitost hidrauličkim pogonom je malo smanjena u procesu iscrpljivanja njegova resursa zbog povećanja protureakcija i povećanje odljeva tekućine osjetljivost na zagađenja radne tekućine 31

41 2.4 SUSTAVI STEZANJA Sustavi za stezanje drže izradak u određenom položaju u radnom prostoru alatnog stroja. Stoga, greške pozicioniranja izravno utječu na ponašanje i rezultate obrade. Oko 40% neispravnih proizvoda nastaju kao posljedica greška u dimenzijama koje se pripisuju lošem učvršćenju. Upotreba komprimiranog zraka ograničena je jer se za velike sile stezanja moraju koristiti veliki promjeri cilindara. Zato se za velike sile stezanja (do N) koriste hidraulični sustavi s tlakom od 80 bara naviše. Cilindri su standardizirani pa ih lako kombiniramo s raznim alatima za stezanje. [18] Glavni zadatak hidrauličkih steznih elemenata je pretvoriti hidrauličku energiju u mehaničku silu stezanja. Slika 2.31 Hidrauličke stezne naprave [18] Prednosti upotrebe hidrauličkih steznih naprava su: jednostavna regulacija i velike sile stezanja promjeri cilindara od mm omogućavaju kompaktnu konstrukciju radni medij je ulje stoga nije potrebno dodatno podmazivanje nema kondenzacije vode niti štetnih posljedica korozije elastično stezanje točnost stezanja je veća nego kod pneumatskih steznih naprava Nedostaci upotrebe hidrauličkih steznih naprava: visoka cijena potreban prostor za hidraulični agregat potrebni povratni vodovi za odvod hidrauličnog medija ulje je zapaljivo, a zbog starenja je potrebna cesta zamjena 32

42 Slika 2.32 Hidrauličke stezaljke za pričvršćenje [18] Slika 2.33 Hidrauličke stezaljke za povezivanje [18] 33

43 Pneumatski elementi imaju sve veći udio u izradi steznih naprava budući omogućavaju automatizaciju te lakši i brži rad. Osnovni dio jest pneumatski cilindar s jednostranim ili dvostranim djelovanjem. Primjeri pneumatskih steznih naprava prikazani su na slici Slika 2.34 Pneumatske stezne naprave [18] Prednosti upotrebe pneumatskih steznih naprava [18]: jednostavna upotreba i održavanje, dobro stezanje sa silama i do N kod radnog tlaka od 6 bara. brzo stezanje i otpuštanje (40-70 m/s) u kratkom vremenu (10 ms), uz veliku frekvenciju ukljucivanja (50 Hz). Velika izdržljivost (106 do 108 ukljucivanja i iskljucivanja). Jednostavna regulacija brzine i sile stezanja, veliki hod klipa (do 2000 mm). mogucnost ugradnje u modularni sustav stezne naprave, mogucnost linearnog i kružnog gibanja. Nedostaci upotrebe pneumatskih steznih naprava: za relativno veliku silu stezanja potrebni su veliki promjeri cilindara. velika trenutna dobava zraka iz zracnog sustava. netocnost steznog hoda zbog stlacivosti zraka. 34

44 2.5 ODRŽAVANJE INSTALACIJA Problemi sa hidrauličkom opremom mogu se grupirati u osam kategorija, poput greški na pumpi ili viška toplinske energije. [10] U tablici 2.1 prikazat ćemo neke od problema, uzroke i postupke uklanjanja za održavanje instalacija. Tablica 2.1 Održavanje instalacija [10] Problem Uzrok Uklanjanje - smjer vrtnje nije točan - osovina pumpe se ne - uvjeriti se da je smjer ispravan okreće - provjeriti i prilagoditi - usisni filter je začepljen - zrak u usisnom vodu vratilo i spojku - popraviti cijev -radni fluid je previše - zamijeniti tekućinu ili je viskozan za pumpu grijati grijačem - pumpa je postavljena - smanjiti visinu usisavanja 1. Pumpa ne prazni radni previsoko - brzina rotacije pumpe na fluid - brzina rotacije pumpe je određenoj brzini preniska - dodati tekućinu na - nedovoljna količina preporučenu razinu tekućine u spremniku - provjeriti i ispraviti - varijabilna pumpa je podešavanja, popraviti ili neispravno prilagođena zamijeniti dijelove - dijelovi su istrošeni ili oštećeni 2. Pumpa proizvodi buku (kavitacija) 3. Pumpa proizvodi buku (aeracija) - usisni vod je začepljen - usisni vod je preuzak ili predug - nedovoljan kapacitet usisnog filtera - previsoko postavljena pumpa - brzina vrtnje pumpe je izvan zadane razine - začepljeno odzračivanje zraka u spremniku - labava usisna cijev - pjene u spremniku - zrak curi kroz brtve vratila. - postoje mjehurići u liniji - pritisak je izvan određene razine - spojka proizvodi buku. - dijelovi pumpe su istrošeni ili oštećeni. - ukloniti začepljenja - zamijeniti cijevi - zamijeniti filter s novim - smanjiti visinu usisavanja - popraviti ili zamijeniti pumpu - zamijeniti tekućinu - brzina vrtnje pumpe na zadanoj razini - očistiti odušak za zrak - popraviti vezu - razina ulja niska : dodajte radnog fluida na preporučenu razinu. - zamijeniti brtvu vratila - pokrenuti sustav u praznom hodu dok se u potpunosti ne isprazni zrak - popraviti osovinu ili zamijeniti spojku - popraviti ili zamijeniti dijelove 35

45 Tablica 2.1 Održavanje instalacija (nastavak) [10] 4. Generiranje viška topline 5. Neispravno postavljen ventil smjera 6. Kontrolni ventil pod pritiskom nije u ispravnom stanju 7. Aktuator (cilindar) nije u radnom stanju - povećanje unutarnjeg curenja pumpe - povećanje unutarnjeg curenja ventila - povećanje unutarnjeg curenja aktuatora - nedovoljna količina radne tekućine u spremniku - nedovoljna voda za hlađenje u spremniku - termostat nije u ispravnom stanju - grijač nije u ispravnom stanju - automatski vodoopskrbni ventil nije u ispravnom stanju - prekidač pritiska nije u ispravnom stanju - greška zbog prašine - previsok ili prenizak napon - neuspjela izolacija zbog vode - zbog viška toka greška na kontroli smjera - pad tlaka ispod razine podešavanja - ventil nije pravilno postavljen - otvor pun prašine - oštećena opruga ventila - radna tekućina sadrži zrak - pretjeran protok - kucanje uzrokovano zrakom u radnom fluidu - nedovoljan tlak - unutarnje curenje uzrokuje smanjenje potiska - popraviti ili zamijenite ventil ili pogon - popraviti ili zamijeniti pumpu - dodati tekućinu ili veći spremnik - provjeriti temperaturu vode - provjeriti i popraviti grijač i termostat - ispraviti postavke tlaka - remont hladnjaka i uklanjanje napetosti vode i drugih štetnih tvari - postaviti napon na odgovarajućoj razini i zamijeniti zavojnicu - podesiti brzinu protoka na odgovarajućoj razini - ugraditi ili zamijeniti postojeći filter - remont ventila ili zamjena - remont ventila - zamijeniti ventil - ukloniti zrak iz tekućine - zamijeniti oprugu ventila - podesiti protok na odgovarajućoj razini ili staviti veći ventil - ukloniti zrak iz tekućine - nanijeti premaz za klip - popraviti cijevi 8. Održavanje i upravljanje hidrauličkim sustavom Izvedite sljedeće aktivnosti za održavanje i hidrauličkog sustava 1. Držite radni fluid čist 2. Provjerite jesu li radni uvjeti točni 2.1. Zasićenje temperature u spremniku 2.2. Ulazna snaga na maksimalnom opterećenju 2.3. Razina buke crpke 36

46 3. PRORAČUN INSTALACIJA 2.4. Odredite cijenu za zapremninu pumpe Postoje tri važna faktora pri projektiranju hidrauličkog kruga i analize. Oni su kako slijedi : - sigurnost željene funkcije - obavljanje željene funkcije - učinkovitost rada Na slici 3.1 prikazan je konvencionalni tokarski stroj. Slika 3.1 Konvencionalni tokarski stroj [17] U osnovi, postoje dva tipa pumpi, dinamična i s pozitivnim pomakom. Pumpe s pozitivnim pomakom dalje se dijele na tri tipa: prijenosne, krilne i klipne. [17] Slika 3.2. Mjere krilne pumpe [17] 37

47 Prema sljedećoj jednadžbi (3.1) T = ( V p )/2p T D_ p Dobijemo izlazni tlak pumpe Korisnost pumpe se izračunava: η = Q / Q (3.2) v A T Odluka da li se radi o laminarnom ili turbulentnom strujanju donosi se na iznosi Reynoldsovog broja koji je bezdimenzionalan. Na temelju izračuna gubitka u glavi ventila i cijevi između pumpe i klipa cilindra dobijemo snagu proširenja i uvlačenja cilindra. Da bismo dobili funkciju prijenosa cilindra klipa i ventila (3.3) 2 2 { ξ s ωn ω n } G1 () shs () = K/ s1 + (2 1 /,1) + ( s /,1) Pri kretanju cilindra klipa od ventila, pretpostavlja se da je prijenos snage maksimalan. 1/2 { } ωn,1 = KW(1 P1 ) / ( Lm,1 C 1/2 (3.4) Da bismo dobili prijenosnu funkciju hidrauličkog motora (3.5.) { } 1/2 G2() shs () = KW(1 P1 ) / T1 () s Lm,2 /(2 RV) T2 () s Za funkciju prijenosa razvodnika 2 2 GV( s) = 1/ 1 + (2 ξ2 s / ωn,2 ) + ( s / ωn,2 ) (3.6) 38

48 3.1 SHEMA INSTALACIJA Dijagram hidrauličnog kruga u CNC tokarskom stroju prikazan na slici 3.3 U ovoj operaciji, krilna pumpa je dužna dostaviti fluid pod tlakom kojeg kontrolira pogon hidrauličkog motora preko razvodnika; 4/3. Protok kontrolira ovaj ventil, a zatim šalje na hidraulički motor koji je spojen na trošilo. Klip cilindra kontrolira položaj alata izmjenjivača preko razvodnog ventila; 4/2 način, kako bi se stegnuo ili nestegnuo. U uvjetima obrade - rotacije radnog komada, cilindar koji upravlja gibanjem alata mora biti u fiksnom položaju. S druge strane, cilindar koji upravlja gibanjem alata mora biti slobodan kada se mijenja željeni položaj alata. [16] Slika 3.3 Hidraulički krug na CNC obradnom stroju [16] 39

49 Slika 3.4 Hidraulički dijagram sa mjerama [16] U ovom krugu, petlja se koristi u cilju kontrole brzine hidrauličkog motora i klipa cilindra. Potrebna je kontrola zbog bolje preciznosti. Motor i cilindar ne rade u isto vrijeme. Cilindar funkcionira samo pri promjeni položaja alata. Nakon promjene alata, cilindar je postavljen da bude stegnut. Stoga je potrebno podijeliti ovaj krug na dva dijela; naime, dio s cilindrom definira put 1 i položaj s motorom definirano kao put 2. Također svaki dio mora imati svoju funkciju prijenosa. Ova funkcija prijenosa prvo je izvedena pred modeliranje i simulaciju kontrole hidrauličkog kruga. Slika 3.5 Putanja 1 s cilindrom [17] Slika 3.6 Blok dijagram za put 1 [16] 40

50 Slika 3.7 Put 2 s motorom [16] Slika 3.8 Blok dijagram za put 2 [16] 41

51 4 UPRAVLJAČKI ELEMENTI Simboli i elementi upravljačkih sustava vrlo su bitni za prikaz sustava ili strojeva sa hidrauličkim i pneumatskim dijelovima. U nastavku su prikazani neki elementi za čitanje i razumijevanje hidrauličkih i pneumatskih dijagrama. Standardi Komponente moraju biti razmjenjive i izvoditi se prema poznatim standardima. To uključuje aktuatore, ventile i spojeve za cijevi. Simboli moraju biti tumačeni na isti način od bilo koje obučene osobe tako da bez poteškoća svi mogu pratiti dijagrame i ispravno ih instalirati. Izgled crteža i simbola mora biti tumačen na isti način od bilo koje obučene osobe. Postoji još mnogo drugih standarda koji se odnose na sigurnost hidrauličkih instalacija i filtera. Postoje mnoge organizacije posvećene izradi i proizvodnji standarda na tom polju. [10] Primjeri nekih od organizacija na tom polju su: BS (British Standards) ISO (International Standards Organisation) CETOP (Comite Des Transmissions Oleohydrauliques et Pneumatiques or Europen Hydraulic and Pneumatics Committee) 42

52 4.1 HIDRAULIČKI I PNEUMATSKI SIMBOLI U nastavku na slici 4.1 prikazani su neki od osnovnih hidrauličkih i pneumatskih simbola koji se koriste. [10] 43

53 Slika 4.1 Prikaz osnovnih hidrauličkih i pneumatskih simbola [10] 44

54 Slika 4.1 Prikaz osnovnih hidrauličkih i pneumatskih simbola (nastavak) [10] 4.2. ELEMENTI SUSTAVA Pretvarači energije Pumpe: - konst. kapaciteta b) dvosmjerne a) jednosmjerne b) dvosmjerne - promjenjivog kapaciteta Rotacijski motori: - konst. kapaciteta a) jednosmjerni a) jednosmjerne b) dvosmjerni - promjenjivog kapaciteta 45

55 a) jednosmjerni b) dvosmjerni Slika 4.2 Prikaz pretvarača energije [12] Cilindri: Hidraulički cilindri omogućavaju vrlo jednostavnu i razmjerno efikasnu pretvorbu hidrauličke energije u linearno gibanje. Ta mogućnost koju pružaju cilindri predstavlja i jednu od značajnih prednosti hidraulike (i pneumatike). Hodovi koji postižu mogu biti od nekoliko milimetara do više metara (i do 20-tak metara, pa i više). Sile također mogu biti izvanredne (do nekoliko stotina tisuća kn što je ekvivalent masi od nekoliko desetaka tisuća tona!). Hidraulički cilindri jednostavni su elementi. Sastoje se od košuljice (cijevi, plašta), klipa, klipnjače, brtvi, te dvaju poklopaca koji mogu biti pričvrščeni zavarivanjem ili navojem za košuljicu (robusnija konstrukcija), ili međusobno šipkama (manje čvrsta konstrukcija). Postoji više načina pričvrščenja cilindara za podlogu, te klipnjače za predmet koji se pomiče. Neke vrste pričvrščenja su normirane. [1] Prema načinu proizvodnje cilindri se mogu podijeliti na - standardne - serijske - specijalne Cilindri se prema djelovanju sile, odnosno korisnog rada koji obavljaju, dijele na: a) jednosmjerni b) dvosmjerni Slika 4.3 Prikaz cilindra prema djelovanju sile [12] a) jednosmjerni b) dvosmjerni Elementi upravljanja Razvodnici: 46

56 Razvodnici su ventili koji otvaraju, zatvaraju i usmjeravaju fluid ( razvode ga). Razvodnici se prvenstveno označavaju brojem hidrauličkih priključaka i brojem razvodnih položaja. Na primjer, 3/2 razvodnik ima 3 priključka i 2 razvodna položaja. U simbolu razvodnika jedan razvodni položaj označen je jednim kvadratom u kojem su strjelicama nacrtani mogući smjerovi gibanja fluida prema priključcima. Priključci se označavaju velikim slovima: P (pumpa, tlak), T (spremnik, povrat), A,B (radni priključci, potrošači), L (curenje), X,Y,Z (upravljački priključci), ili brojkama (1, 3, 5, 2, 4, 12, 14,..). Simboli načina pokretanja razvodnika dodaju se sa strana kvadrata koji prikazuju razvodne položaje. [1] Slika 4.4 Razvodnici a) 2/2 b) 3/2 c) 4/2 d) 4/3 e) sa dva razvodna položaja, upravljan elektromagnetom i oprugom [1] Tlačni ventili: Kao što i naziv sugerira, tlačni ventili ograničavaju ili podešavaju tlak u hidrauličkom sustavu, ili u nekom njegovom dijelu. Prema konstrukciji mogu biti sa sjedištem ili klizni, prema načinu upravljanja neposredno ili posredno upravljani. Prema funkciji osnovna podjela jest na: ventil za ograničenje tlaka regulator tlaka Ventili za ograničavanje tlaka limitiraju maksimalni tlak u sustavu (ili u nekom njegovom dijelu), i na taj način efikasno štiti sustav od preopterećenja. Regulator tlaka ima zadatak ograničiti, smanjiti i održavati konstantnim radni tlak u nekom daljem dijelu sustava, odnosno smanjiti tlak nekog podsustava u odnosu na tlak glavnog dijela sustava (npr. ograničiti radni tlak nekog aktuatora). Ventili za ograničavanje tlaka u žargonu se često naziva i sigurnosni ventil, jer često ima tu funkciju, dok se regulator tlaka često naziva reducir-ventil. 47

57 Tlačni ventili imaju još neke funkcije (prema [15]): Pražnjenje sustava (ventili za pražnjenje, odnosno ventili za punjenje akumulatora) Rasterećenje sustava (ventil za rasterećenje) Tlačno uravnoteženje sustava (ventil za regulaciju razlike ili omjera tlakova) Sekvencijalno uključenje dijelova sustava (proslijedni ili sekvencijalni ventil) Svi nabrojeni ventili građeni su slično kao i ventil za ograničenje tlaka ili regulator tlaka, međutim imaju različite hidrauličke spojeve, premosnice, i/ili omjere površina, tako da je njihovo otvaranje i zatvaranje specifično za svaku funkciju. Ventil za pražnjenje sustava omogućava preusmjeravanje protoka iz pumpe u spremnik uz održavanje radnog tlaka. Ventil za rasterećenje obavlja istu funkciju, ali bez održavanja radnog tlaka Način aktiviranja ventila može biti: a) ručno b) mehanički Električno: Tlačno: Slika 4.5 Način aktiviranja ventila [12] a) zaporni ventil b) tlačni ventil c) protočni ventil Slika 4.5 Način aktiviranja ventila (nastavak) [12] Protočni ventil: Protočni ventili utječu na protok u hidrauličkom sustavu. Na taj način utječu na brzinu gibanja aktuatora. 48

58 Mogu se podijeliti na nekoliko osnovnih vrsta: prigušnica blenda regulator protoka razdjelnik protoka Prigušnica (ili laminarna prigušnica), i blenda (ili fina prigušnica) u osnovi su vrlo slične. One predstavljaju otpor protjecanju fluida, te na taj način usporavaju njegov protok. [1] a) b) Slika 4.6 a) prigušnica i b) blenda [1] Protok kroz prigušnicu i blendu ovisi o tlaku, odnosno padu tlaka na prigušnom mjestu (Δp). Kod prigušnice ta ovisnost je linearna, dok je kod blende ta ovisnost nelinearna. Često je takva ovisnost nepoželjna, to jest često je poželjno imati protok konstantan bez obzira na varijacije tlaka ispred ili iza prigušnog mjesta. [1] Nepovratni ventil: Nepovratni ventili načelno omogućavaju protok fluida u jednom smjeru, a u suprotnom smjeru ga onemogućavaju. Mogu se smatrati i kao specifična vrsta razvodnika, ali ipak zbog raznih uloga, bolje ih je promatrati kao posebnu vrstu ventila. Koriste se za zatvaranje jednog smjera protoka fluida, zatim za realizaciju različitih paralelnih tokova te za dobivanje određenog pretlaka u nekom dijelu hidrauličkog kruga. Nepovratni ventili konstrukcijski su uvijek izgrađeni kao ventili sa sjedištem, tako da zatvaraju krug bez propuštanja. Osnovna podjela je na: Nepovratni ventil (obični) Nepovratni ventil s deblokadom Uz to mogu se još spomenuti i slijedeći ventili kojima je osnova nepovratni ventil: Prigušno-nepovratni ventil Nepovratni ventil za predpunjenje Naizmjenično zaporni ventil 49

59 Slika 4.7 Nepovratni ventil, presjek i simbol [1] a) s oprugom, b) bez opruge Nepovratni ventil s deblokadom može se deblokirati, dakle može se omogućiti protok fluidu ne samo u jednom smjeru, nego i u suprotnom u slučaju da na pilot priključku postoji hidraulički signal (tlak), ili električni signal. Slika 4.8 Nepovratni ventil s hidrauličkom deblokadom [1] Regulator tlaka: Regulator tlaka prikazan je shematski na slici 4.9 a) ventil je klizni po konstrukciji, te neposredno (direktno) upravljan. Jedan pojednostavljeni primjer primjene regulatora tlaka dana je na slici 4.9 b). Porastom tlaka sa strane cilindra (npr. uslijed preopterećenja klipa cilindra), regulator tlaka zatvara dotok fluida iz pumpe (klizni klip ventila pomiče se ulijevo), te na taj način tlak se neće povećavati. Dakle, ovim ventilom tlak fluida sa strane aktuatora može se reducirati. [1] 50

60 a) b) Slika 4.9 Regulator tlaka, neposredno upravljen [1] a) shematski prikaz, b) primjer primjene Hidraulički elementi, pumpe i elementi kao što je prikazano na slici (Slika 4.10) imamo: Slika 4.10 Hidraulički elementi [13] (zapčanici, zupčaste pumpe) Postoje dva glavna tipa zapčastih pumpi, a to su: a) pumpa s vanjskim ozubljenjem b) pumpa s unutrašnjim ozubljenjem Slika 4.11 Pumpa s vanjskim ozubljenjem [12] Slika 4.12 Pumpa s unutrašnjim ozubljenjem [12] 51

61 Prvi tip pumpe ima vanjsko ozubljenje na oba zupčanika, a kod drugog tipa, jedan ima vanjsko, a drugi unutrašnje ozubljenje. Osim po izvedbi, ova dva tipa se razlikuju i po količini fluida za koju se izvode. Tip zupčaste pumpe s vanjskim ozubljenjem se izvodi za sve količine fluida i sve brzine okretanja, od najmanje, do najveće, dok se pumpa s unutrašnjim ozubljenjem izvodi samo za manje količine i manji broj okretaja.[13] Slika 4.13 Prikaz konstrukcijskih elemenata pumpe [12] U nastavku ćemo prikazati neke od osnovnih izvedbi hidrauličkih pumpi a) zupčaste b) krilne c) vijčane a) b) c) Slika 4.14 Prikaz osnovnih izvedbi hidrauličkih pumpi [13] Tlačne pumpe s rotirajućim elementima a) redne klipne b) aksijalne klipne c) radijalne klipne 52

62 a) b) c) Slika 4.15 Prikaz tlačnih pumpi s rotirajućim elementima [12] Hidro motori Prema brzini vrtnje razlikuju se : sporohodni (do 1000 o/min) i brzohodni motori. Budući da je snaga motora jednaka umnošku momenta i brzine vrtnje(p M = M ω), za istu snagu motora mora se uz smanjenje brzine povećavati moment. Zato sporohodni motori često zahtijevaju veliki moment (tzv. LSHT-motori) [13] Slika 4.16 Prikaz hidromotra [15] Prema konstrukcijskoj izvedbi hidro motor može bit (slika 4.17): a) zupčanički b) klipni c) krilni d) orbitalni 53

63 a) b) c) d) Slika 4.17 Prikaz konstrukcijskih tipova hidromotora [12] Zakretni hidraulički sustav Slika 4.18 Elementi zakretnog hidrauličkog sustava [12] 54

64 Slika 4.19 Zakretni hidraulički sustav na stroju [12] U hidrauličkom sustavu nalazi se još niz elemenata koji su potrebni za pravilno funkcioniranje. Tako se mogu nabrojiti slijedeći elementi: Akumulatori Spremnici Filteri Cijevi i crijeva Priključci, priključne ploče i armature Brtve Izmjenjivači topline i grijala Mjerni uređaji 55