9. Integrált végrehajtó elemek különféle energia hordozóval, hidraulika
1.5. Egy hidraulikus berendezés felépítése
A hidraulikus berendezéseket elemekből építik fel. A hidraulikus elem a berendezés legkisebb műszaki, kereskedelmi egysége, amely meghatározott hidraulikai feladat teljesítésére képes. A hidraulikus elemek funkciójuk szerint csoportosíthatók:
• Energia átalakítók:
• Mechanikai munkát a munkafolyadék nyomásává, illetve az áramló munkafolyadék nyomását mechanikai munkává alakítják át. Ez a szivattyúk és a hidromotorok gyűjtő elnevezése. A szivattyúk, a forgó és lengő-forgató hidromotorok és munkahengerek tartoznak ebbe a csoportba. (9.2. ábra)
• Irányítóelemek:
• A munkafolyadék nyomását, térfogatáramát és az áramlás útját határozzák meg. Ezek a nyomás- és térfogatáram-irányítók, és az útváltók.
• Munkafolyadék-kondicionálók:
• A folyadék minőségi jellemzőit és állapotát hozzák létre. Szűrők, fűtők, hűtők, légtelenítők alkotják ezt a csoportot.
• Munkafolyadék-tárolók
• Ebbe a csoportba a tartályok, hidroakkumulátorok tartoznak.
• Hidraulikus vezetékek:
• A hidraulikus elemek között vezetik a munkafolyadékot. Ezek csővezetékek, csőkötések, alaplapok.
• Mérő-, kapcsolóelemek:
• A munkafolyadék, vagy a hidraulikus elem jellemzőit mérik. [9.3], [9.4]
9.2. ábra. Az energia átalakítása egy hidraulikus berendezésben
1.5.1. Hidraulikus munkafolyadék
Midnenképp említést kell tenni a munkafolyadékokról, hisz a hidraulikus berendezések szerves részét képezik.
Alapvetően nyomóenergia átvitelére a folyadékok széles sprektruma alkalmas volna, mert a hidraulikus berendezések munkafolyadékaitól megkövetelünk egyéb tulajdonságokat is, ezért ez jelentősen korlátozza a szóba jöhető folyadékok számát.
A víz jelentős problémákat vet fel mint munkafolyadék alkalmazása, a forráspont, fagyáspont, a korrózió, a kenőképesség és a hígfolyósság miatt. Az ásványolaj bázisú folyadékok – amelyeket hidraulika olajnak nevezünk – megfelelnek a normál követelményeknek.
Azokban a hidraulikus berendezésekben, ahol magas a tűzveszély, például kőszénbányákban, kovácssajtóknál, erőművi turbinák szabályozó berendezéseinél, nyomás alatti öntőgépeknél a nehezen gyúlékony munkafolyadékok alkalmazása a szükséges. Fennáll a veszélye a fenti alkalmazásoknál, hogy az ásványolaj
bázisú folyadékok vezetéktörések, sérülések miatt felgyulladnak az erősen felmelegedett fémrészeken. Ezekben az esetekben az ásványolaj bázisú olajtermékek helyett szintetikus olajokkal, vagy vízzel alkotott olajkeverékeket használnak.
A hidraulikus rendszerben a folyadék, mint energiaközvetítő elem szerepel, ugyanakkor a folyadékot számos igénybevétel éri és érheti. A hidraulikus rendszerek üzemeltetésekor a legfontosabb szempont, hogy az előírt minőségű és mennyiségű folyadékot használják, illetve azt a megadott üzemidő vagy elhasználódás után cseréljék ki.
A hidraulikus rendszerekben alkalmazott folyadékokkal szemben az alábbi követelmények fogalmazhatók meg:
• jó kenőképességgel rendelkezzen,
Különböző feladatokat kell teljesíteni a hidraulikus berendezésekben használt munkafolyadékoknak:
• nyomásátvitel;
• mozgó géprészek kenése;
• hűtés, energiaátalakulásból (nyomásveszteség) keletkező hő elvezetése;
• a nyomáscsúcsok okozta lengések csökkentése;
• korrózióvédelem;
• levált anyag részecskék eltávolítása;
• jelátvitel.
1.5.3. A munkafolyadék fajtái
Különböző tulajdonságokkal rendelkező munkafolyadék fajták vannak a hidraulikaolajok és a nehezen gyúlékony munkafolyadékok mellett. A kis mennyiségű adalékanyag és az alapfolyadék határozza meg a tulajdonságokat.
1.5.4. Nehezen gyulladó hidraulikafolyadékok
Megkülönböztetünk a nehezen gyulladó hidraulika folyadékoknál szintetikus, víztartalmú és vízmentes folyadékokat. A szintetikus folyadékok olyan kémiai összetétellel rendelkeznek, hogy a gőzeik nem éghetőek.
1.5.5. Néhány szó a viszkozitásról
A folyadék belső súrlódásáról nyújt felvilágosítást a viszkozitás, tehát arról az ellenállásról, amit le kell küzdenünk ahhoz, hogy elmozdítsunk egymástól két szomszédos folyadékréteget.
Tehát annak a mértéke a viszkozitás, hogy egy folyadék milyen könnyen „önthető”. A túl kicsi viszkozitás (hígfolyósság) megnöveli a résveszteségeket. a kenőfilm vékony, könnyebben leszakad, ezért a kopásvédelem csökken. Ennek ellenére előnyben részesítik a hígfolyós olajat a sűrűbbel szemben, mert a csekélyebb súrlódás csökkenti a nyomás és teljesítményveszteséget. Növekvő viszkozitással a folyadék belső súrlódása, nő és a hőfejlődés okozta nyomás és teljesítményveszteség nagyobb lesz.
A nagy viszkozitás következménye a megnövekedett súrlódás, amely különösen a fojtási helyeken nagymértékű nyomásveszteséget és melegedést okoz. Ezáltal a hidegindítás és a légbuborékok kiválasztása nehezebbé válik, és fokozódik a kavitáció.
1.5.6. A hidraulikus rendszerek
A különféle elemekből, egységekből összeállított körfolyamatot nevezzük hidraulikus rendszernek. A hidraulikus rendszerek fő jellemzője, hogy folyadék cirkulál benne. A szivattyún keresztül energiát vesz fel, melyet a hidromotoron ad át. A szivattyút és a hidromotort a rendszeren belül energia-átalakítónak nevezzük. A hidraulikus energiát a szivattyú és a hidromotor között irányító készülékekkel befolyásolhatjuk. A rendszeren belül változtatható a nyomás, az áramlás erőssége és útja. A rendszer fő egységeit összekötő, többi elemét kiegészítő elemeknek nevezzük.
9.3. ábra.
9.4. ábra. A hidrosztatikus rendszerek osztályozása
A hidraulikus rendszerek lehetnek nyitott vagy zárt körfolyamatúak, ezen belül egyenáramú vagy váltóáramú felépítésűek. A nyitott hidraulikus körfolyamatnál a tartályon keresztül végez körforgást a folyadék. A felépíthető körfolyamatok közül ez a legegyszerűbb.
A körfolyamban fojtással, vagy a hidromotor esetleg a szivattyú folyadékszállításának változtatásával lehet elérni mechanikai energiaváltoztatást. Ha egy egyszerű kivitleben készült a nyitott körfolyamat, akkor a szállított mennyiség, a hidromotor kimenő és a szivattyú bemenő fordulatszáma mind állandó és a hatás ekkor egyirányú. Ha forgás- ill. mozgásirányváltást szeretnénk elérni, akkor útszelep beépítésével ezt elérhetjük a nyitott körben.
9.5. ábra. Nyitott hidraulikus rendszer (Zetor 25 tip. traktorblokk hidraulikája)
1.5.7. A nyitott körfolyamat jellemzői
• a szivattyút a tartály mellett vagy a tartály alatt kell elhelyezni, mivel a bemenő fordulatszámot a szívómagasság befolyásolja;
• egy szivattyúról több fogyasztó is működtethető;
• az útszelepek névleges méreteit a maximálisan átfolyó folyadékmennyiségtől függően kell megválasztani;
• a szűrők és hűtők méreteit is az átfolyó folyadékmennyiség határozza meg;
• a tartály mérete a szivattyú maximális szállítási mennyiségének többszöröse is lehet (dm3-ben);
• a szívóvezetékek nagy átmérővel és kis hosszúságban építhetők be;
• alkalmazása: széles körben elterjedt mind a mobil, mind a stabil hidraulikus rendszerekben.
Nem rendelkeznek visszacsatolással a nyitott szabályozási láncú körfolyamok. (a kialakult állapot a körfolyamat végén nem hat a körfolyamat elejére).
A zárt hidraulikus rendszerekben a hidromotorból visszaáramló folyadék közvetlenül a szivattyú szívócsonkjához áramlik vissza. Ebben a körfolyamban a szivattyú és a hidromotor is állítható kivitelű. A szivattyú csak egy irányban forog, azonban a hidromotor mindkét irányban foroghat. Beépített nyomáshatároló szelepek segítségével biztosítható a hidraulikus körfolyamban a maximálisan megengedett nyomás értéke.
Nyomó oldalanként egy-egy (pl. két forgásirány esetén két darab) állítható nyomáshatároló szelep kerül beépítésre a rendszerbe.
1.5.8. A zárt körfolyamat jellemzői
• az elrendezés és a beépítési helyzet tetszőleges;
• a szivattyú „nulla” helyzete miatt a meghajtás teljes egészében megfordítható;
• a teher megtartása a meghajtó motoron keresztül lehetséges, ugyanakkor a fékezéskor az energia visszanyerhető;
• az útszelepek kis névleges méretekkel rendelkeznek, főleg az elővezérlésre alkalmazhatók;
• a szűrők és hűtők méreteinél kis átfolyási keresztmetszetekkel és építési méretekkel kell számolni;
• öblítő szelepek alkalmazásával a folyadék hűtése egyszerűsíthető;
• a tartály mérete kicsi, a rendszer teljes térfogatával kell összehangolni;
• alkalmazása: elsősorban forgó mozgásoknál, haladó-, forgató- és csörlőhajtásoknál.
Az állandó térfogatáramú körök kialakításánál az útváltó központi, vagy semleges helyzetében a teljes térfogatáramot visszavezeti a tartályba, ezzel tehermentesíti a szivattyút. A körfolyamot egy állandó folyadékszállítású szivattyú működteti, amelyet párhuzamosan kötünk egy nyomáshatárolóval. Az útváltó elmozdításakor megindul a folyadékáram, és ezzel együtt növekszik a rendszer nyomása. A nyomásnövekedés mindaddig tart, amíg a folyadék nyomásából származó nyomóerő le nem győzi a mechanikai terhelést, vagy a nyomáshatároló ki nem nyit. A változtatható térfogatáramú körök megvalósíthatók állandó fajlagos szállítású szivattyúval is. Ebben az esetben alkalmazni kell tehermentesítő szelepet és egy akkumulátort. A másik megoldásban egy változtatható folyadékszállítású nyomásszabályozós szivattyút alkalmaznak.
1.5.9. Nyomás- és térfogatáram-szabályozású rendszerek
A szivattyú tartozéka egy ún. nyomáskülönbség-állandósító szelep (NKA szelep), amely szabályozza a vezérlőolaj belépését az axiáldugattyús szivattyú löketszabályozó mechanizmusába. A példaként bemutatott 9.6.
ábra baloldalán ha a szelep „B” jelű csatlakozási pontja lezárt, akkor a körfolyam úgy viselkedik, mint egy közönséges nyomásszabályzott rendszer készenléti nyomással.
Az NKA szelep „B” pontja azonban egy nyomásközvetítő vezetéken keresztül összeköttetésben van az útváltók csatlakozási pontjai- val. Ha valamelyik útváltó tolattyúja nyit, akkor a fogyasztót működtető nyomás rákerül az NKA szelep „B” pontjára és hozzáadódik a szelepen beállított rugóerőhöz. Következésképpen a szelep „A”
oldali nyomása magasabb lesz, mint amire a fogyasztónak aktuálisan szüksége van. Ugyanez a nyomáskülönbség hat az útváltók előtt található szabályozható fojtókra is. Ez a rendszer mindaddig kiküszöböli a szekvenciális hatást, amíg az aktív fojtókon beállított térfogatáram kisebb, mint a szivattyú legnagyobb szállítási kapacitása.
9.6. ábra.
A hidroakkumulátorral kiegyenlített rendszer alkalmazása is közkedvelt a mobil hidraulikában. A rendszer egy kisteljesítményű, állandó fajlagos szállítású szivattyút tartalmaz, amely azokban a hosszabb periódusokban, amikor nincs szükség hidraulikus energiára, feltölti a hidroakkumulátort. Amikor az akkumulátor elérte a megkívánt munkanyomást, a tehermentesítő szelep nyit és a szivattyú térfogatárama szabadon visszajut a tartályba. A rendszer sajátos tulajdonsága, hogy a feltöltött akkumulátor révén akkor is képes energiát szolgáltatni korlátozott ideig, amikor a belső égésű motor nem üzemel.