ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ενότητα 2.4 ΥΔΡΑΥΛΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας αυτής θα μπορείτε: Να περιγράφετε την αρχή λειτουργίας ενός υδραυλικού αυτοματισμού. Να εξηγείτε τη λειτουργία ενός υδραυλικού κυλίνδρου. Να διακρίνετε τη λειτουργία των βασικών στοιχείων και οργάνων ελέγχου, των υδραυλικών αυτοματισμών. 2.4.1 Εισαγωγή Τα υδραυλικά συστήματα χρησιμοποιούν ρευστό, που βρίσκεται σε υψηλή πίεση, για τη μετάδοση και τον έλεγχο κινήσεων και δυνάμεων. Το ρευστό αυτό είναι συνήθως ορυκτέλαιο («υδραυλικό υγρό» ή «λάδι») και βρίσκεται στο εσωτερικό των υδραυλικών στοιχείων από τα οποία αποτελείται το υδραυλικό σύστημα. Λόγω των υψηλών πιέσεων του υδραυλικού υγρού, τα υδραυλικά συστήματα μπορούν να μεταφέρουν μεγάλες δυνάμεις χρησιμοποιώντας στοιχεία και εξαρτήματα με μικρό όγκο. Επίσης, συγκριτικά με ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα τα υδραυλικά συστήματα επηρεάζονται λιγότερο από εξωτερικούς παράγοντες, όπως είναι η υγρασία και οι θερμοκρασιακές μεταβολές. Ακόμη ο σχεδιασμός και η κατασκευή των υδραυλικών συστημάτων γίνονται εύκολα διότι πολλά στοιχεία είναι τυποποιημένα και εναλλακτά. Χάρη δε στο υδραυλικό υγρό, όλες οι συνδεδεμένες διατάξεις λιπαίνονται συνεχώς και χωρίς την ανάγκη πρόσθετης εξωτερικής λίπανσης. Με κατάλληλο συνδυασμό απλών υδραυλικών στοιχείων (αντλιών, βαλβίδων, κινητήρων) είναι εφικτή η κατασκευή σύνθετων υδραυλικών συστημάτων ικανών να πραγματοποιούν πολύπλοκες κινήσεις και να αναπτύσσουν μεγάλες δυνάμεις. Χρησιμοποιώντας σωλήνες υψηλής πίεσης, μπορούμε να μεταφέρουμε την υδραυλική ισχύ σε μεγάλες αποστάσεις από την πηγή της (την αντλία). Με εύκαμπτους δε σωλήνες, μπορούμε να μεταφέρουμε υδραυλική ισχύ σε κινούμενα μέρη, όπως είναι ο βραχίονας ενός σκαπτικού. -1-
2.4.2 Λειτουργία ενός απλού υδραυλικού αναβατόριου Ένα απλό αναβατόριο αποτελείται από ένα μεταλλικό φορείο επάνω στο οποίο τοποθετούνται εμπορεύματα, για να ανυψωθούν από μια υπόγεια αποθήκη σε ένα υψηλότερο σημείο στο επίπεδο του δρόμου, όπως στο σχ. 2.4.1. Μια ομάδα αποθηκαρίων τοποθετεί τα εμπορεύματα στη επιφάνεια του φορείου, όταν αυτό βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο (δηλαδή στην αποθήκη). Όταν το φορείο γεμίσει ή όταν δεν υπάρχουν άλλα εμπορεύματα για ανύψωση, το προσωπικό απομακρύνεται από το φορείο και ένας χειριστής πιέζει το πλήκτρο ενός υδραυλικού χειριστηρίου, που βρίσκεται στην αποθήκη. Σχ. 2.4.1 Αναβατόριο Το φορείο με τα εμπορεύματα ανυψώνεται έως το επίπεδο του εδάφους και σταματά. Εκεί, μια άλλη ομάδα απομακρύνει τα εμπορεύματα, για να τα μεταφορτώσει π.χ. σε ένα φορτηγό όχημα. Όταν το φορείο αδειάσει, ειδοποιείται ο χειριστής του αναβατόριου να ανοίξει μια στρόφιγγα με περιστροφή, που βρίσκεται επίσης στο χειριστήριο. Το άδειο πλέον φορείο κατεβαίνει έως το επίπεδο της αποθήκης όπου και σταθμεύει. Όταν το φορείο φθάσει κάτω και η κίνησή του σταματήσει, ο χειριστής περιστρέφει ξανά τη στρόφιγγα στην αντίθετη όμως κατεύθυνση (αυτή τη φορά την κλείνει). Στο σημείο αυτό το αναβατόριο είναι έτοιμο, για να επαναλάβει τον κύκλο λειτουργίας του, δηλαδή φόρτωση, ανύψωση, εκφόρτωση, επιστροφή. -2-
2.4.3 Όργανα δράσης του υδραυλικού συστήματος - ο κύλινδρος. Το αναβατόριο είναι ένα απλό ανυψωτικό σύστημα, που χρησιμοποιεί την υδραυλική κίνηση. Κάτω από το φορείο βρίσκεται ένας κατακόρυφα τοποθετημένος υδραυλικός κύλινδρος. Το σχ. 2.4.2 απεικονίζει έναν τέτοιο κύλινδρο. Στο εσωτερικό του κυλίνδρου βρίσκεται το έμβολο, ένα κινητό διάφραγμα που χωρίζει τον κύλινδρο σε δύο διαμερίσματα. Το ένα διαμέρισμα διαθέτει θυρίδα από την οποία μπορεί να διοχετεύεται υδραυλικό υγρό (λάδι). Ανάμεσα στο έμβολο και το λείο εσωτερικό τοίχωμα του κυλίνδρου παρεμβάλλεται ειδικό στεγανοποιητικό παρέμβυσμα (τσιμούχα), έτσι ώστε το υδραυλικό υγρό να παραμένει εγκλωβισμένο στο ένα διαμέρισμα και να μη διαρρέει προς το άλλο. Ταυτόχρονα, το παρέμβυσμα μπορεί να ολισθαίνει, επομένως το έμβολο μπορεί να κινείται κατά την κατεύθυνση του άξονα του κυλίνδρου. Σχ. 2.4.2 Ο υδραυλικός κύλινδρος Εάν στη θυρίδα του κυλίνδρου διοχετευθεί υγρό υψηλής πίεσης, το υδραυλικό υγρό στο εσωτερικό του κυλίνδρου ωθεί το έμβολο προς τα έξω. Το έμβολο είναι μόνιμα συνδεδεμένο με το βάκτρο, ένα μεταλλικό στέλεχος το οποίο μεταφέρει την κίνηση του εμβόλου έξω από τον κύλινδρο. Το φορείο του αναβατόριου είναι τοποθετημένο στην κορυφή του βάκτρου και επομένως ανεβοκατεβαίνει μαζί με το έμβολο. Το σχ. 2.4.3 παρουσιάζει τη συμβολική απεικόνιση του υδραυλικού κυλίνδρου. -3-
Σχ. 2.4.3 Συμβολική απεικόνιση του υδραυλικού κυλίνδρου 2.4.4 Όργανα ελέγχου της ροής - η βαλβίδα Όταν ο χειριστής πιέζει το πλήκτρο στο χειριστήριο, ενεργοποιεί μια υδραυλική βαλβίδα. Η βαλβίδα είναι τοποθετημένη σε σωλήνα, που μεταφέρει προς τον κύλινδρο υδραυλικό υγρό υψηλής πίεσης. Ειδικότερα, το πλήκτρο συνδέεται με το κύριο στοιχείο της βαλβίδας, το σύρτη, όπως δείχνει το σχ. 2.4.4. Ο σύρτης ακολουθεί την κίνηση του πλήκτρου και -ανάλογα με τη θέση του- είτε φράζει είτε επιτρέπει τη δίοδο του υδραυλικού υγρού δια μέσου της βαλβίδας. Στην τελευταία αυτή περίπτωση, ο κύλινδρος τροφοδοτείται με υδραυλικό υγρό υψηλής πίεσης και επομένως το έμβολο (και μαζί του το φορείο) ανεβαίνει. Σχ. 2.4.4 Απλή υδραυλική βαλβίδα -4-
Όταν το φορείο φθάσει στο ύψος του εδάφους, ενεργοποιεί ένα διακόπτη ο οποίος σταματά την κίνηση του εμβόλου. Συγκεκριμένα, το φορείο πιέζει ένα τροχίσκο (ρόλλερ) στερεωμένο σε ένα μοχλό, όπως στο σχ. 2.4.5. Ο μοχλός περιστρέφεται και μεταδίδει κίνηση στο σύρτη μιας βαλβίδας, όμοιας με εκείνη του πλήκτρου. Όμως, η κίνηση του μοχλού παρασύρει το σύρτη της βαλβίδας στην κλειστή θέση, δηλαδή εκεί όπου φράζει τη δίοδο του υδραυλικού. Τότε, η τροφοδοσία του κυλίνδρου διακόπτεται και το φορείο ακινητοποιείται. Σχ. 2.4.5 Διακόπτης Γενικότερα η μετατόπιση του σύρτη, δηλαδή η ενεργοποίηση της βαλβίδας, μπορεί να γίνεται με τροχίσκο, όπως στο παράδειγμα ή με ένα πλήκτρο, με μοχλό (λεβιέ) ή ακόμη και με την πίεση που ασκεί μια άλλη γραμμή υδραυλικού υγρού. -5-
2.4.5 Όργανα ελέγχου της πίεσης - η εκτονωτική βαλβίδα Για να κατεβάσει το φορείο, ο χειριστής περιστρέφει τη στρόφιγγα μιας ρυθμιζόμενης εκτονωτικής υδραυλικής βαλβίδας, όπως στο σχ. 2.4.6. Η βαλβίδα είναι τοποθετημένη σε σωλήνα, η μια άκρη του οποίου καταλήγει στο εσωτερικό του κυλίνδρου από την πλευρά της πίεσης και η άλλη σε μια ανοικτή δεξαμενή. Η στρόφιγγα παρασύρει ένα κωνικό διάφραγμα το οποίο απομακρύνεται από την έδρα του στο σώμα της βαλβίδας. Έτσι, δημιουργείται μια δίοδος μέσα από την οποία το υδραυλικό υγρό διαφεύγει λίγο-λίγο προς τη δεξαμενή. Όσο περισσότερο στρέφεται η στρόφιγγα, τόσο ανοίγει η δίοδος, το υδραυλικό διαφεύγει ευκολότερα και το έμβολο (μαζί με το φορείο) κατέρχεται. Σχ. 2.4.6 Εκτονωτική βαλβίδα -6-
Το σχ. 2.4.7 παρουσιάζει τη συμβολική απεικόνιση της εκτονωτικής βαλβίδας για την περίπτωση της χειροκίνητης ρύθμισης (όπως στο παράδειγμα) και για ρύθμιση με ηλεκτρικό τρόπο. Σχ. 2.4.7 Συμβολική απεικόνιση της εκτονωτικής βαλβίδας 2.4.6 Η προπαρασκευή και η διανομή του υδραυλικού υγρού. Το αναβατόριο που περιγράφηκε ανωτέρω αποτελεί ένα παράδειγμα υδραυλικού συστήματος, που εκμεταλλεύεται την υδραυλική πίεση. Η πίεση αυτή παράγεται από κατάλληλο πιεστικό συγκρότημα (αντλία), που κινείται με ηλεκτρισμό ή άλλη παροχή ισχύος. Το υδραυλικό υγρό συμπιέζεται και κατόπιν διανέμεται με σωληνώσεις σε όλα τα σημεία, όπου πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Έτσι σχηματίζεται το υδραυλικό κύκλωμα. Ένα μέρος του υδραυλικού υγρού οδηγείται από την έξοδο της αντλίας στον υδραυλικό συσσωρευτή (accumulator), όπου αποθηκεύεται σε υψηλή πίεση. Ένας κοινός τύπος υδραυλικού συσσωρευτή αποτελείται από ένα δοχείο, στο οποίο αποθηκεύεται το υδραυλικό υγρό και το οποίο περιέχει επίσης μια μεμβράνη (φούσκα) με πεπιεσμένο αέρα. Ανάλογα με τον όγκο του αποθηκευμένου υγρού και τη ζήτηση ο συσσωρευτής τροφοδοτεί το κύκλωμα για κάποιο χρονικό διάστημα, επιτρέποντας έτσι στην αντλία να λειτουργεί διακοπτόμενα. Ταυτόχρονα, ο συσσωρευτής λειτουργεί και ως αποσβεστήρας, δηλαδή εξομαλύνει τυχόν απότομες διακυμάνσεις της πίεσης στο κύκλωμα. -7-
Σχ, 2.4.8 Υδραυλικός συσσωρευτής και φίλτρο υδραυλικού υγρού Το υγρό λειτουργεί και ως λιπαντικό για όλα τα κινούμενα, ολισθαίνοντα, περιστρεφόμενα κλπ. μέρη του κυκλώματος, επομένως πρέπει να διεισδύει ανάμεσα στα τμήματα που παρουσιάζουν τριβή. Ακόμη, το υδραυλικό υγρό διέρχεται από στενές διόδους (π.χ. στην εκτονωτική βαλβίδα), οι οποίες πρέπει να διατηρούνται ελεύθερες και να μη φράζονται από σκόνη ή άλλο σώμα που εμποδίζει τη ροή. Για αυτούς τους λόγους, το κύκλωμα περιλαμβάνει ειδικές συσκευές καθαρισμού, τα φίλτρα, που συγκρατούν τα ξένα σώματα και το νερό. Ένας συνηθισμένος τύπος φίλτρου αποτελείται από δικτυωτά πλέγματα τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο. Το υδραυλικό υγρό αναγκάζεται να ακολουθήσει μια πολύπλοκη διαδρομή μέσα από τα πλέγματα τα οποία κατακρατούν τους ρύπους. -8-
ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Τα υδραυλικά συστήματα χρησιμοποιούν ρευστό, που βρίσκεται σε υψηλή πίεση για τη μετάδοση και τον έλεγχο κινήσεων και δυνάμεων. Πλεονεκτούν σε εφαρμογές όπου απαιτούνται μεγάλες δυνάμεις με στοιχεία μικρού όγκου. Τα υδραυλικά συστήματα επηρεάζονται λιγότερο από εξωτερικούς παράγοντες και δε χρειάζονται πρόσθετη λίπανση. Η πίεση για τη λειτουργία των υδραυλικών συστημάτων παράγεται από αντλίες, αποθηκεύεται σε υδραυλικούς συσσωρευτές και διανέμεται με σωληνώσεις σε όλα τα σημεία, όπου πρόκειται να χρησιμοποιηθεί. Η ροή του υδραυλικού υγρού στα διάφορα τμήματα του υδραυλικού συστήματος ελέγχεται με βαλβίδες, που διακόπτουν ή περιορίζουν τη δίοδο του υγρού. Ο βασικότερος υδραυλικός κινητήρας είναι ο υδραυλικός κύλινδρος, που μετατρέπει τη ροή του υδραυλικού υγρού σε ευθύγραμμη κίνηση. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Αναφέρατε τα κύρια πλεονεκτήματα των υδραυλικών συστημάτων και παραθέστε ενδεικτικές εφαρμογές τους. 2. Αναφέρατε τα κύρια μέρη ενός υδραυλικού συστήματος και περιγράψτε τη λειτουργία που επιτελεί το καθένα. 3. Εξηγήσατε, στο παράδειγμα του αναβατόριου, για ποιο λόγο ο χειριστής περιστρέφει τη βαλβίδα, όταν το φορείο επιστρέψει στην κατώτερη θέση. 4. Περιγράψατε -στο παράδειγμα του αναβατόριου- τι θα συμβεί, εάν ο χειριστής ξεχάσει την εκτονωτική βαλβίδα μονίμως ανοικτή. -9-