Generalitati privind sistemele hidraulice de actionare Definitie. Prin sistem hidraulic de actionare se intelege acel sistem in care transmiterea energiei de la sursa la consumator se realizeaza prin intermediul unui curent de lichid sub presiune. Clasificare. Dupa ponderea energiei potentiale sau a celei cinetice in cadrul energiei totale, exista: -sisteme hidrostatice - la care predomina energia potentiala datorata presiunii statice; ele prezinta o caracteristica mecanica rigida si au o larga utilizare in actionarea masinilor si utilajelor industriale; -sisteme hidrodinamice - la care predomina energia cinetica; ele prezinta o caracteristica mecanica elastica si au o utilizare redusa in industrie. Structura generala. Un sistem hidrostatic se compune din urmatosrele elemente: ME - sursa primara de energie mecanica; GH generator hidraulic; MHR - motor hidraulic rotativ (sau linear MHL); ACR - aparataj de comanda si reglare; AA - aparataj auxiliar; OL - organul de lucru antrenat. Mediul hidraulic Mediul hidraulic este suportul material prin prin care se transmite energia hidraulica de la sursa la consumator. Deoarece el vine in contact cu masinile hidraulice, cu aparatajul si cu personalul de deservire, iar in timpul functionarii instalatiei este supus unor variatii importante de presiune, temperatura si viteza, el trebuie sa raspunda urmatoarelor cerinte generale: - stabilitate ridicata a proprietatilor fizico-chimice, in special a vascozitatii, in domeniul temperaturilor normale de lucru (30-70 C) si la variatii ale presiunii (0- x100 bar.); - sa nu fie coroziv sau toxic; - sa aiba un cost cat mai redus. 1
Masini hidraulice Masinile hidraulice sunt convertizoare de energie, care transforma energia mecanica in energie hidraulica (generatoare hidraulice, sau pompe), sau energia hidraulica in energie mecanica (receptoare hidraulice, sau motoare), ele fiind in general masini reversibile. Clasificare Dupa tipul energiei hidraulice produse (sau consumate), se deosebesc: - masini hidrostatice, sau volumice, la care predomina energia potentiala datorata presiunii lichidului; - masini hidrodinamice, sau centrifuge, la care predominanta este energia cinetica a lichidului. In actionarile hidrostatice se utilizeaza masinile volumice, care realizeaza debitul prin transportul unor cantitati determinate de lichid cu o anumita frecventa, ca urmare a variatiei controlate a volumului unor camere de pompare, rezultand o caracteristica mecanica rigida de actionare; Caracteristicile generale ale pompelor volumice: a)debitul mediu teoretic: QT = V.z.i.n, in care: V este variatia volumului camerelor de pompare; z- numarul camerelor de pompare; i-numarul de actiuni (cicluri absorbtie refulare la o rotatie a axului pompei); n-turatia de antrenare a pompei; b)debitul real: QR = QT - Q Q -pierderea interioara la trecerea lichidului prin pompa; c)pulsatia debitului: variatia acestuia in timp datorata actiuniii succesive a camerelor de pompare in camera de refulare si variatiei neliniare in timp a debitului pompat, caracterizata prin frecventa pulsatiei, f p = z.i.n, si gradul de neuniformitate, δ= ( Qmax-Qmin) / Qmed ; d)presiunea nominala, p n ; e)puterea hidraulica, N h = Q. p ; f)randamentul total: η t = η v. η p. η m, ca produs al randamentelor partiale: volumic, de presiune si mecanic. Pompe volumice-clasificare 2
Pompe simple: Pompe cu roti dintate cu angrenare exterioara Principiul constructiv si functional 1-corpul pompei; 2- rotor conducator; 3- rotor condus; 4- capace laterale; 5-lagare; 6-garnitura de etansare; 7-capac; A- camera de absorbtie; B- R- camera de refulare; n -turatia de antrenare; Caracteristici : simplitate constructiva; cost redus; debite medii (x1-x10 l/min); presiuni mici-medii (x1-150 bar); debit constant. Pompe cu pistoane axiale 3
a) - cu bloc inclinat si distribuitor frontal; b) - cu disc inclinat si distribuitor frontal; c) - cu disc fulant si distribuitor frontal; d) - cu disc fulant si distributie prin ventile de sens. 1 - blocul pistoanelor; 2 - disc de actionare a pistoanelor; 3 - distribuitor frontal; 4 - biele sau arcuri de antrenare a pistoanelor; 5 - sistem de rotire si actionare axiala a elementului condus; ά - unghi de inclinare; n - turatia de antrenare a pompei; Va - ventile de absorbtie ; Vr - ventile de refulare. Pompe cu pistoane radiale Au pistoanele dispuse perpendicular pe axa de rotatie a pompei. Dupa modul de circulatie a lichidului, pot fi: -cu circulatie interioara (fig. 3.30 si fig.3.33 a ), cu circulatie exterioara (fig. 3.32 si fig.3.33 b ); Actionarea pistoanelor se face cu: stator excentric (fig.3.30), cu excentric (fig 3.32), sau cu cama (interioara-fig.3.33 a, sau exterioara- fig.3.33 b ). Separarea fazelor se face cu distribuitor (fig. 3.30, fig. 3.32 a si fig. 3.33 a ), sau prin ventile de sens (fig.3.32 b si fig. 3.33 b ). 4
1) Pompa cu pistoane radiale cu circulatie interioara si separarea fazelor prin distribuitor ( Q- constant, sau Q- variabil ), fig. 3.30; 2) Pompe cu pistoane radiale cu excentric ( Q-constant), fig. 3.32; 3) Pompe cu pistoane radiale cu came ( Q- constant), fig. 3.33; Pompe cu palete La pompele cu palete camerele de pompare (fig.3.48 ) sunt delimitate de statorul 1, rotorul 2, doua palete radiale alaturate mobile 3 deplasabile in rotor, si capacele laterale 4. Clasificare: dupa numarul de actiuni, se cunosc pompe: cu simpla actiune, cu dubla actiune si cu multipla actiune; 5
dupa modul de circulatie a lichidului: cu circulatie exterioara, sau interioara; dupa reglabilitate: de debit constant, reglabil sau reversibil. - Figura 3.48- pompa cu simpla actiune, cu circulatie exterioara, de debit reglabil ( prin reglarea excentricitatii e); - Figura 3.49- pompa cu simpla actiune, cu circulatie interioara, de debit reglabil; - Figura 3 63- pompa cu dubla actiune, de debit constant. Debitul pompelor cu simpla actiune se calculeaza cu o formula de forma: Q=4.п.e.Rs.b.n ; Debitul pompelor cu dubla actiune se calculeaza cu o relatie de forma: Q=2.п.b (Rs2 Rs1).n. Motoare hidrostatice Sunt masini hidraulice volumice care realizeaza conversia energiei hidraulice ( Q; p ) in energie mecanica (M; n, sau F ; v ), conform cerintelor de actionare impuse de masina antrenata. Clasificarea motoarelor hidrostatice: 6
Motoare hidrostatice pentru rotatie continua Sunt destinate antrenarii organelor de lucru intr-o miscare de rotatie continua (pe un unghi nedeterminat). Motoarele hidrostatice pentru turatii normale ( n = x100-x1000 rot/min ) deriva, datorita reversibilitatii masinilor hidraulice, din pompele de acelasi tip (conform tabelului 3.3). Turatia lor se calculeaza cu o relatie de forma: n = Q /V1, in care V1 este volumul specific (cilindreea, sau volumul corespunzator unei rotatii). V1 poate fi constant (motoare de turatie constanta), sau reglabil (motoare de turatie reglabila). Motoarele lente ( n = x1-x100 rot/min ) sunt in general constructii speciale bazate insa pe aceleasi principii functionale ca si motoarele normale. Simbolizarea motoarelor pentru rotatie continua (fig. 3.68): a) motor unisens, de cilindree constanta ; b)- motor dublu sens, de turatie constanta ; c)- motor unisens, reglabil ; d)- motor dublu sens, reglabil e,f)- unitati de lucru (pompa si motor) Motoare hidrostatice oscilante Sunt destinate realizarii miscarii de rotatie pe un unghi limitat, determinat, constant sau reglabil. Constructiv, pot fi realizate:- cu paleta (simpla, dubla, sau multipla), fig.3.73, sau cu piston (simplu, dublu, sau multiplu),. 7
Marimi caracteristice pentru motoarele cu paleta Pentru motoarele cu piston: Simbolizare: a)- motor oscilant de unghi constant; b)- motor oscilant de unghi reglabil. Motoare hidraulice pentru realizarea miscarii de translatie Realizeaza deplasarea liniara pe o anumita cursa l, cu o anumita viteza v, dezvoltand o anumita forta F. Principiul constructiv si functional al motoarelor liniare este redat in figura urmatoare, si cuprinde: 8
A si B-camere de lucru (activa si pasiva); 1- cilindru; 2 element mobil de separatie a camerelor (piston sau membrana); 3 tija de actionare; 4 capace de inchidere a camerelor de lucru. Cele mai raspandite sunt motoarele cu piston. Clasificarea motoarelor liniare monocilindru cu piston: a) cu simplu efect si tija unilaterala mobila b) cu dublu efect si tija unilaterala mobila c) cu dublu efect si tija unilaterala fixa; d) cu dublu efect si tije bilaterale mobile; e) cu dublu efect si tije bilaterale fixe; f) cu simplu efect, cu plunjer. Cele mai utilizate sunt motoarele cu dublu efect cu tija unilaterala Motoarele multicilindru se folosesc in scopul: - reducerii gabaritului radial (b) sau axial (a, d, e ); - realizarii mai multor viteze de deplasare (c); - cresterii fortei dezvoltate (b). a) motoare jumelate (reduc gabaritul axial); b) motoare in tandem (maresc forta); c) motor compus cu trei viteze; d) motor telescopic cu simplu efect; e) motor telescopic cu dublu efect (reduce gabaritul axial). 9
Motoare cu membrane Realizeaza curse mici si forte reduse a) cu simplu efect; b) cu dublu efect. Franarea motoarelor liniare Reduce timpul si socul la oprire, mareste precizia a) franare constanta la capatul din stanga cursei; b) franare constanta la ambele capete ale cursei; c) franare reglabila la ambele capete ale cursei Calculul motoarelor hidraulice liniare Presupune determinarea dimensiunilor principale ale motorului, mai ales a diametrului pistonului D si al tijei d, si stabilirea parametrilor hidraulici-p si Q, necesari pentru realizarea parametrilor functionali- v si F. Schema fortelor care apar la un motor hidraulic liniar este redata in figura urmatoare: Fa -forta rezistenta exterioara (data initiala de proiectare); G -greutatea organului mobil; Fi -forta de inertie, Fi= m. a); Ffg -forta de frecare in ghidaje, Ffg = μe (G.cos ά + Fa.sin β); Fft -forta de frecare la tija, functie de tipul etansarii; Fref -forta hidraulica de refulare (Fref = pref. Sref ); Ffp -forta de frecare la piston, functie de tipul etansarii; Fp -forta hidraulica activa pe piston (Fp = p. Sep ); Frt -forta rezistenta la tija, Frt = G.sin ά + Fa.cos β ± Fi + Ffg 10
p, Q-presiunea si debitul de alimentare; v, F-viteza si forta de deplasare a organului mobil. Ecuatia de echilibru a fortelor este: Fp = Frt + Fft + Ffp + Fref. In principiu, succesiunea de calcul este urmatoarea: Diametrul tijei d se calculeaza din solicitarea de flambaj, considerand fortele exterioare aplicate tijei. Presiunea de actionare p se alege in functie de forta rezistenta, gabaritul disponibil si minimizarea costului, in principiu fiind recomandate valori mari. Diametrul cilindrului D se determina din expresia fortei active pe piston Fp, prin explicitarea suprafetei efective Sep. Pentru D si d se adopta in final valori normalizate, pe baza carora si a lungimii cursei se alege din cataloage motorul potrivit aplicatiei date. Aparatajul hidraulic Este necesar pentru transmiterea si adaptarea parametrilor energiei hidraulice furnizate de pompa la cerintele motorului, prin indeplinirea unor functiuni de: comanda, reglare, protectie, legatura si masurare. Clasificarea aparatajului hidraulic se face dupa functia indeplinita in urmatoarele grupe: - aparataj de comanda si reglare, indeplinind si functiii de protectie, cunoscut sub denumirea generica de ventile; - aparataj auxiliar, care indeplineste functii diverse, de: stocare (rezervoare de lichid), filtrare, racordare si legatura, termostatare, etc; - aparataj de masurare si control al parametrilor mediului hidraulic. Aparataj hidraulic de comanda(distribuitoare) 11
Au rolul dirijarii circulatiei lichidului pe diferitele circuite ale instalatiei, in scopul realizarii unor functiuni precum: pornirea-oprirea miscarii, inversarea sensului de deplasare, trecerea de la o faza de lucru la alta, etc. Sunt elemente de comutatie (inchid si deschid total trecerea lichidului), cu mai multe pozitii si un anumit numar de cai. Clasificarea ditribuitoarelor se face dupa mai multe criterii: 1. dupa principiul constructiv si functional, pot fi: - cu sertar (circular de translatie, rotativ, si plan) - cu supape; 2. dupa numarul de pozitii, pot avea: - doua, - trei, mai multe pozitii; 3. dupa numarul de cai: - cu doua, - trei,- patru, sau mai multe cai; 4. dupa modul de comanda, care poate fi: - manuala ( cu maneta sau pedala), - mecanica (cu arcuri) - electrica (cu electromagneti sau cu motoare), hidraulica, pneumatica, pilotata (electrohidraulica). Distribuitoarele cu sertar circular de translatie sunt cele mai raspandite, datorita avantajelor: -Echilibrare hidrostatica axiala si radiala totala -tehnologicitate ridicata -simplitate constructiva -cost redus. Principiul constructiv si functional, precum si simbolurile conventionale sunt redate in figura urmatoare: 12
Distribuitoare rotative -comuta circuitele printr-o miscare de rotatie Distribuitoare cu supape -muchiile active sunt inlocuite cu supape de sens comandate Distribuitoare pilotate. Sunt prevazute cu dubla comanda, in general electrohidraulica, care imbina avantajele comenzii electrice cu ale celei hidraulice. Se folosesc la puteri mari Ventile de retinere (supape de sens). Permit trecerea lichidului numai intr-un sens, cu exceptia celor deblocabile care permit trecerea si in sens invers. 13
Principiul constructiv si functional este redat in figura urmatoare, in care : 1- element de inchidere-deschidere a trecerii lichidului; 2- arc de compresiune; 3- corpul supapei; 4- inel de sprijin. Arcul 2 este dimensionat la o forta mica, necesara doar pentru inchiderea supapei, astfel incat cand lichidul circula de la dreapta spre stanga supapa se deschide la o presiune mica permitand trecerea lichidului (R 0). In sens invers supapa se inchide automat, blocand trecerea (R= ); La supapele deblocabile deschiderea se realizeaza fortat printr-o comanda externa.la orificiul x,lichidul putand sa circule si de la B la A. Supapele duble deblocabile sunt constructii monobloc, cele doua supape fiind cuplate intre ele, decuplandu-se astfel reciproc. Cand lichidul sub presiune vine pe conducta A el comanda deblocarea celeilalte supape astfel ca acesta poate circula si de la B1 la B, si reciproc. O aplicatie frecvent intalnita a supapelor de sens duble deblocabile este pentru mentinerea in repaus a motoarelor hidraulice liniare, atunci cand asupra acestora actioneaza forte R destabilizatoare, sau la deplasarea sarcinilor pe verticala. Ele pot realiza acest lucru deoarece prezinta o etansare mult mai buna decat distribuitoarele hidraulice prin care sunt comandate miscarile. Aparataj hidraulic pentru reglarea debitului Reglarea debitului Q in circuitele hidraulice este necesara pentru reglarea vitezei v, care depinde de debit prin relatiile: - pentru rotatie: n = Q/V1 V1 este volumul unitar (cilindreea) al motorului rotativ; - pentru translatie: v = Q/S, in care S este suprafata activa a pistonului motorului liniar. Principial, se cunosc doua metode de reglare a debitului; a)reglarea volumica, direct din pompa, utilizand pompe de debit reglabil; metoda are randament ridicat, dar este scumpa, motiv pentru care se aplica la circuitele de putere mare; 14
b) reglarea rezistiva, utilizata la circuitele de puteri mici alimentate de pompe de debit constant. a)reglarea volumica a debitului se realizeaza in principiu conform schemei urmatoare P - pompa de debit reglabil; Sm- Supapa maximala si de siguranta, pentru limitarea presiunii maxime de lucru; DHS- distribuitor hidraulic cu sertar, pentru inversarea sensului miscarii; Mh- motor hidraulic. Debitul Q necesar realizarii vitezei dorite se regleaza din pompa P si acesta intra integral in motor, supapa maximala Sm avand doar rolul limitarii presiunii in caz de suprasarcina (supapa de siguranta). Pompa furnizeaza direct puterea necesara la motor, astfel incat randamentul actionarii este maxim si cheltuielile de exploatare sunt minime. Dezavantajul metodei provine din faptul ca pompele de debit reglabil sunt mai scumpe decat cele de debit constant, astfel incat utilizarea lor se justifica economic numai la circuitele de putere mare. In unele aplicatii se pot folosi divizoarele volumice de debit (bazate pe principiile pompelor volumice cu mai multe etaje legate in paralel), utile atunci cand de la o singura pompa, de regula de debit constant, trebuie alimentate doua motoare simultan. b)reglarea rezistiva a debitului. Metoda este foarte raspandita si se aplica la circuitele de puteri mici-mijlocii, care sunt alimentate de pompe de debit constant, si consta in introducerea in circuit a unor rezistente hidraulice urmand principiile semipuntilor si al puntilor hidraulice. Un astfel de circuit este reprezentat simplificat in figura, si contine: o pompa de debit constant ( Qo = ct ), rezistentele hidraulice corespunzatoare supapei maximale ( RHV ), motorului hidraulic-rhm o rezistenta reglabila pentru reglarea debitului ( RHR ). Debitul pompei Qo se inparte in cele doua debite QM si QV in raport invers proportional cu rezistentele celor doua circuite, astfel incat putem scrie relatiile: QO = QM + QV 15
QM / QV = RHV / RHR + RHM. Pentru o anumita sarcina la motor RHM =ct. si pentru un anumit reglaj al supapei RHV = ct, prin reglarea RHR se obtine reglarea QM, deci a vitezei motorului v = QM / S. Practic, in vederea reglarii, pot fi utilizate urmatoarele elemente: - rezistente fixe, atunci cand reglajul se schimba la intervale mari de timp; - rezistente reglabile (drosele), cand reglajul se schimba frecvent; - divizoare rezisive de debit, utilizate la alimentarea simultana a doua motoare cu vitezele aflate intr-un raport constant. Dupa forma si caracteristici rezistentele hidraulice pot fi de doua tipuri: de tip diafragma si tip interstitiu Rezistente hidraulice reglabile (drosele) Sunt aparate hidraulice in care lichidul este obligat sa treaca printr-o rezistenta locala, unde datorita vascozitatii apare o cadere de presiune care determina valoarea debitului tranzitat conform relatiei: Qdr k.. Sdr. pdr Sectiunea de drosare Sdr poate avea diferite forme in functie de care avem diferite tipuri de drosele, reglarea marimii ei realizandu-se prin modificarea cotei h. Tipuri de drosele 16
Drosel cu crestatura axiala Drosel cu fanta transversala Drosel cu crestatura circulara Droselele permit reglarea debitului prin reglarea sectiunii de drosare, dar nu asigura stabilizarea acestuia la valoarea reglata in cazul variatiei sarcinii la motor, datorita variatiei caderii de presiune pe drosel cu sarcina. Regulatoare de debit (sau stabilizatoare de viteza). Sunt aparate hidraulice pentru reglarea debitului care permit reglarea acestuia si asigura stabilizarea lui la variatiile sarcinii la motor, fiind alcatuite dintr-un drosel de reglare si o supapa stabilizatoare a caderii de presiune pe draosel. Dupa modul de legare a celor doua elemente componente, regulatoarele de debit pot fi: - cu doua cai, avand in serie cu droselul o supapa normal deschisa (cele mai utilizate); - cu trei cai, avand in paralel cu droselul o supapa normal inchisa. Regulatoare de debit cu doua cai In figura b este prezentata schema functionala a regulatorului cu doua cai, din care se observa ca supapa regulatoare S este comandata de caderea de presiune pe droseul Dr, astfel incat rezistenta supapei compenseaza variatia rezistentei motorului mentinand astfel constanta caderea de presiune pe drosel, deci si debitul. In figura c este prezentat simbolul conventional simplificat al regularorului de debit cu doua cai, la unele regulatoare droselul functionand si ca o supapa de sens permitand trecerea libera a lichidului in sens invers. 17
Regulatoarele de debit cu doua cai pot fi montate in atat pe circuitul de intrare cat si pe cel de iesire din motor. Regulatoare de debit cu trei cai. Sunt alcatuite dintr-un drosel de reglare Dr si o supapa regulatoare S de tip normal inchisa legata in paralel cu droselul, conform figurii alaturate. Prin cel de al treilea orificiu supapa deverseaza permanent o cantitate de lichid la rezervor, astfel incat randamentul regulatoarelor cu trei cai este mai redus decat al celor cu doua cai. Regulatorul cu trei cai se poate monta numai pe circuitul de intrare in motor, iar pentru a functiona corect, el trebuie alimentat la debit constant (conditie mai greu de indeplinit), avand in consecinta o utilizare mai redusa. Figura c prezinta simbolurile conventionale ale regulatoarelor cu trei cai. Divizoare de debit rezistive. Sunt aparate hidraulice realizate pe baza teoriei puntilor utilizate la impartirea unui debit in doua debite care trebuie sa fie mentinute intr-un raport constant, independent de variatiile de presiune. In principiu ele sunt alcatuite din doua regulatoare de debit cuplate intre ele, devenind astfel interdependente. Divizor de debit pe circuitele de refulare 18
Divizor de debit pe circuitele de intrare Q = Qs + Qd Aparataj hidraulic pentru reglarea presiunii (supape) Supapele sunt aparate hidraulice utilizate in scopul controlului presiunii in circuitele hidraulice. Clasificare. - Dupa functia specifica indeplinita, ele pot fi clasificate in urmatoarele grupe principale: -supape pentru limitarea presiunii (de siguranta); - supape de reducere a prsiunii; - supape de comutatie; etc. - Dupa pozitia normala, pot fi : - normal inchise; normal deschise. - Dupa modul de comanda, acesta poate fi interna sau externa, directa sau pilotata. (la puteri mari). Supape pentru limitarea presiunii. Principiul constructiv si functional este redat in figura alaturata, in care: 1 corpul supapei, prevazut cu orificii de racordare de un anumit Dn; 2 scaunul supapei, putand avea diferite forme: a- tronconic fara ghidare; b- tronconic cu ghidare (pentru evitarea vibratiilor transversale); c- sferic; d- plan; 3- element de inchidere-deschidere a sectiunii de trecere a lichidului; 4- arc de compresiune (constant sau reglabil); 5- capac de inchidere. Supapele de limitare a presiunii sunt supape normal inchise, cu comanda interna directa (a), sau cu comanda pilotata (b si in figura). 19
O supapa pilotata se compune din supapa principala, de Dn mare, si o supapa pilot, de Dn mic, care comanda hidraulic supapa principala, cu urmatoarele avantaje fata de comanda directa: - arc principal de dimensiuni reduse; - reglare usoara si comoda; - gabarit redus; - dinamica superioara. Supapele de limitare a presiunii se monteaza intotdeauna imediat dupa ponpele volumice pentru protectia acestora si a intregului circuit. Supape de reducere a presiunii. Se utilizeaza in scopul alimentarii dintr-un circuit principal de presiune variabila a unui circuit secundar la presiune constanta. Ele sunt supape normal deschise, cu comanda directa sau pilotata realizata din circuitul de iesire, cu drenare dx externa. Supape de comutatie. Se utilizeaza in scopul comutarii circuitelor la o comanda externa, indeplinind functii de comanda, ca si dstribuitoarele hidraulice. Dupa tipul comutarii, pot fi : - supape de conectare; sunt supape normal inchise care la o comanda externa conecteaza circuitele; - supape de deconectare; sunt supape normal deschise care la o comanda exterioara deconecteaza circuitele. Ambele tipuri pot fi cu comanda directa (a), sau cu comanda pilotata (b); cu sau fara supapa de sens. 20
Comanda externa se aplica la orificiul pc. Supapele de comutatie sunt frecvent utilizate ca supape de succesiune a fazelor unui ciclu de lucru automat. Ventile care influenteaza debitul si presiunea Sunt aparate hidraulice evoluate care cumuleaza functia de comanda cu cea de reglare. In principiu ele sunt distribuitoare cu comanda pilotata electrohidraulica, comanda primara fiind realizata cu electromagneti proportionali ( care dezvolta o forta proportionala cu curentul de comanda )- diferentiali (care lucreaza in opozitie ), permitand astfel reglarea continua a pozitiei sertarului si deci reglarea continua a debitului. Ele poarta denumirea de distribuitoare proportionale sau de servovalve electrohidraulice. Simbol conventional servovalva 21
Servovalva electrohidraulica Aparatajul auxiliar Cuprinde alte grupe de aparate hidraulice necesare realizarii instalatiei: -rezervoare de lichid; -aparataj de filtrare; - elemente de racordare si legatura; - schimbatoare de caldura; etc. Rezervoare de lichid. Au rolul stocarii cantitatii de lichid necesare bunei functionari a instalatiei si asigura mentinerea temperaturii lichidului in limitele admise. Dupa presiunea lichidului din rezervor, acestea pot fi: - rezervoare deschise, in care lichidul se afla la presiunea atmosferica; - rezervoare inchise, sub presiune, sau acumulatoare hidraulice. Rezervoarele deschise sunt alcatuite din urmatoarele elemente componente: 1- corpul rezervorului ( carcasa exterioara), prevazut cu pereti interiori 2 de compartimentare si picioare de distantare a fundului rezervorului 3 fata de pardoseala in vederea circularii aerului de racire; 4- capac superior de inchidere; 22
5- capac de vizitare, prevazut cu gura de umplere 6,indicatorul de nivel 7 si busonul de aerisire 8; 9- capac de golire si curatare; 10- grupul de pompare ( motor electric si pompa); 11- conducta de retur a lichidului in rezervor; 12- gura de golire; 13- filtre de absorbtie (sorb). Volumul rezervorului se calculeaza in functie de cantitatea de caldura disipata in instalatia hidraulica, astfel incat sa sa asigure un timp de stationare a lichidului in rezervor suficient de mare pentru racire prin radiatie directa catre mediul inconjurator: reprezinta puterea pierduta in sistem ( functie de puterea pompei, de randamentul pompei si al motorului, de pierderile de presiune si cele pe elementele de reglare. Acumulatoare hidraulice Sunt rezervoare sub presiune montate in circuit in scopul maririi randamentului energetic, reducerii costurilor, sau pentru amortizarea pulsatiilor debitului, ele fiind analoage volantului din sistemele mecanice. Eficienta lor maxima apare la ciclurile de lucru avand faze cu viteze mult diferite, utilizarea lor facand posibila alegerea unei pompe de debit mediu pe ciclul de lucru. Clasificare. Dupa principiul constructiv si functional: - mecanice (gravitationale, sau cu arcuri); - pneumohidraulice (cu piston, sau cu membrana, cilindro- sferice, sau sferice). Dupa presiune, pot fi: - de presiune constanta (cele gravitationale), - de presiune variabila (celelalte tipuri). Gazul utilizat poate fi: aer, azot, sau gaze inerte. Diagrama debitului pe faze 23
Volumul de ulei necesr de acumulat se calculeaza din diagrama debitelor, in functie de debite si timpii pe faze, cu relatia generala: V = Q.t. Volumul acumulatorului se calculeaza in functie de volumul de ulei necesar de acumulat si de presiunile necesare pe faze, aplicand legile transformarii gazelor. Montarea acumulatoarelor in circuite se face de regula imediat dupa pompa, prin intermediul unei supspe de sens pentru incarcare si al unui drosel pentru descarcare. Aparataj de filtrare. Are rolul mentinerii puritatii lichidului de lucru, prin retinerea impuritatilor mecanice care pot cauza uzura sau blocarea aparatajului hidraulic si modificarea parametrilor functionali prin infundarea orificiilor mici din acesta. Se cunosc mai multe metode de filtrare: - mecanica, prin utilizarea unui material poros (cea mai utilizata); - magnetica, pentru retinerea impuritatilor dure metalice foarte fine ; - centrifugala, pentru lichide puternic poluate cu impuritati de densitate mare; - electrostatica, pentru impuritati izolatoare electric. Filtrarea mecanica, pentru a se evita colmatarea rapida a filtrului, se realizeaza in mai multe etape: 1. prin sita metalica amplasata in gura de umplere a rezervorului; 2. cu filtru sorb, montat pe conducta de absorbtie a pompei; 3. cu filtru fin de presiune, montat pe conducta de refulare din pompa; 4. cu filtru fin de joasa presiune, pe retur. 24
Alegerea filtrului se face in functie de: finetea de filtrare, de marimea debitului filtrat si de caderea de presiune admisa pe filtru, cu relatia: S = Q / ά. Δpf ά este capacitatea specifica de filtrare, functie de materialul cartusului filtrant ( hartie de filtru, sita metalica, pasla lamele, materiale sinterizate) Alaturat se prezinta o schema hidraulica in care s-au prevazut cele trei filtre cu finetea de filtrare ceruta in mod curent, pentru o filtrare suplimentara amplasanduse filtre extrafine pe anumite portiuni de circuit sau chiar in interiorul unor aparate pretentioase cum sunt servovalvele. Elemente de legatura si racordare Elementele de legatura. Asigura curgerea lichidului intre aparatele si masinile hidraulice din instalatie. Ele pot fi: - conducte metalice rigide, din teava trasa (rugozitate interioara mica) din otel, alama sau cupru; au rigiditate mare, sunt ieftine, si se folosesc pentru transmiterea lichidului la distanta, intre elemente fixe. Pentru legaturi la distanta variabila se pot folosi cunducte rigide articulate plan sau spatial; - conducte flexibile (furtunuri) din cauciuc sau mase plastice, cu unul sau mai multe straturi de insertie, textila sau metalica, in functie de presiune, folosite pentru legaturi la distante mici intre elemente mobile; Elementele de racordare. Asigura racordarea elementelor de legatura intre ele si a acestora cu aparatele hidraulice. - pentru racordarea conductelor rigide: nipluri (a), reductii, coturi, teuri, etc; - pentru racordarea conductelor flexibile; racorduri cu schimbare rapida (pentru standurile de proba); - placi de legatura pentru montarea aparatelor hidraulice interschimbabile; - placi modulare, pentru montarea mai multor aparate care formeaza un modul functional 25
a) Aparate de masura si control Servesc la masurarea parametrilor principali ai mediului hidraulic: - temperatura, - presiunea, si - debitul. In instalatiile de cercetare se masoara in plus si alte marimi precum: deplasarea, viteza, cuplul sau forta, turatia,etc. Temperatura. a) b) Influenteaza parametrii functionali ai instalatiei prin vascozitate si prin dilatare termica. Se masoara cu termometre (a), cu traductoare de temperatura (care afisaza digital valoarea masurata), sau utilizand instalatii de termostatare prevazute cu schimbatoare de caldura (b). Presiunea. c) d) e) Este o marime foarte importanta care determina forta dezvoltata de motor si randamentul instalatiei. Se masoara cu manometre care se conecteaza succesiv in diferitele puncte de masurare cu ajutorul unor distribuitoare speciale (c), cu relee de presiune (d) care emit un semnal electric la atingerea unei anumite valori a presiunii, sau cu traductoare de presiune (e). Debitul. Este necesar sa fie masurat pentru determinarea vitezei, dar mai ales la instalatiile de testare sau la cele de cercetare. Pot fi cu turbina axiala (f), cu turbina tangentiala sau de tip volumice cele mai precise. f) Scheme hidraulice 26
Prin instalatie hidraulica se intelege o reuniune de masini si aparate hidraulice interconectate in scopul realizarii unor sarcini de actionare. O instalatie hidraulica contine mai multe circuite hidraulice, fiecare circuit indeplinind o sarcina simpla specifica. Instalatia hidraulica se reprezinta grafic prin schema hidraulica, utilizand in acest scop simboluri conventionale. Clasificarea circuitelor hidraulice se poate face dupa mai multe criterii: 1. dupa modul de circulatie a lichidului: circuite deschise (cu rezervor), circuite inchise ( fara rezervor); 2. dupa marimea reglata: circuite pentru reglarea vitezei (debitului), pentru reglarea fortei (presiunii), combinate; 3. dupa complexitate: circuite simple (cu o pompa si un motor), circuite complexe (cu mai multe motoare); 4. dupa destinatie: pentru miscarea principala, pentru miscari de avans, pentru miscari auxiliare; 5. dupa natura miscarii: pentru miscarea de rotatie, pentru translatie; 6. dupa modul de comanda :cu comanda manuala, cu comanda automata, de reglare automata; 7. dupa natura fluidelor utilizate: circuite pur hidrauluce circuite pneumohidraulice Caracterizare generala. - Circuitele pentru miscarea principala sunt in general de putere mare, astfel incat, pentru randamente ridicate si costuri reduse, se recomanda alimentarea lor de la pompe de debit reglabil sau reversibil prin care se realizeaza si reglarea vitezei si a sensului miscarii. Actionarile hidraulice se folosesc mai putin la realizarea miscarii principale de rotatie si mai frecvent la realizarea miscarii principale de translatie pentru puteri mari. - Circuitele pentru miscarile de avans sunt in general de mica putere si cel mai frecvent necesita realizarea unei miscari de translatie pe curse medii, cu viteze reduse si precizie ridicata. Pentru reducera costurilor,se utilizeaza mai ales motoare hudraulice liniare alimentate de la pompe de debit constant, reglarea vitezei realizandu-se prin metoda rezistiva. La viteze de avans liniare foarte mici si precizie foarte ridicata se recomanda utilizarea motoarelor rotative impreuna cu mecanisme surub-piulita pentru transformarea naturii miscarii. - Circuitele pentru miscarile auxiliare sunt in general pentru miscarea de translatie, pe curse scurte, si necesita puteri mici, fiind alimentate de regula din circuitele principale sau de avans. Circuite inchise Se caracterizeaza prin aceea ca nu au rezervor de lichid, lichidul refulat de pompa intra in motor, iar cel refulat din motor este direct absorbit de pompa si reintrodus in circuit, astfel ca instalatia are gabarit si cost minim. Pentru randament maxim si incalzire minima a lichidului se utilizeaza masini hidraulice de debit reglabil, prin care se realizeaza si reglarea vitezei si inversarea sensului miscarii. Un astfel de circuit, care permite reglarea turatiei in ambele sensuri, este prezentat in figura si este alcatuit din urmatoarele elemente: 27
PDR - pompa de alimentare de debit reglabil si reversibil; MHR motor hidraulic dublu sens de antrenare, de cilindree reglabila; PDC pompa de debit constant pentru compensarea pierderilor volumice din circuitul principal; VM1 si VM2 ventile de siguranta pentru limitarea valorii maxime a presiunii pe cele doua ramuri ale circuitului; VS1 si VS2 ventile de sens pentru compensarea pierderilor volumice alternativ pe cele doua circuite; VM3 supapa maximala pentru circuitul de compensare; RC radiator de caldura pentru racirea lichidului; D distribuitor pentru cuplarea automata a celor doua circuite la circuitul de racire prin RC; F filtru, montat pe circuitul de compensare a pierderilor. Pentru utilizarea la capacitate maxima a PDR si a MHR, ele sunt de acelasi tip (din aceiasi grupa).aceste circuite mai poarta denumirea si de variatoare hidrostatice de turatie. Circuite deschise Sunt prevazute cu rezervor care stocheaza o cantitate de lichid de cateva ori mai mare decat cea necesara umplerii instalatiei, astfel incat lichidul stationeaza un timp in rezervor inainte de a fi reintrodus in circuit, realizandu-se racirea naturala a acestuia. Sunt cele mai raspandite tipuri de circuite pentru puteri mici-mijlocii. Circuite pentru reglarea vitezei cu drosel. Cele mai simple circuite de acest tip sunt cele pentru deplasare stangadreapta cu reglaj dependent al vitezelor, reprezentate in figurile (c)- cu drosel pe iesire, si (d)- cu drosel pe intrare 28
In figurile (a) si (b) sunt prezentate doua circuite pentru deplasare stanga-dreapta cu viteze reglabile independent prin intermediul doua drosele decuplate de supape de sens PDC- pompa de debit constant; VM- ventil maximal; D- distribuitor cu sertar pentru pornirea-oprirea miscarii si inversarea sensului; Dr1, Dr2- drosele pentru reglarea debitului; VS1, VS2- ventile de sens de decuplare a droselelor; MHL- motor hidraulic liniar. Montarea droselului pe circuitul de iesire din motor, figurile (a) si (c), si cat mai aproape de acesta este favorabila realizarii unei stabilitati mai bune a vitezei reglate la variatiile sarcinii la motor, contrapresiunea pe circuitul de refulare realizata de drosel reprezentand o reactie negativa la tendinta de rupere a coloanei de lichid, mai ales in cazul unor sarcini negative. Reglarea vitezelor prin drosele este o metoda simpla si ieftina, dar care nu asigura stabilizarea vitezei la variatiile sarcinii la motor, fiind recomandata la curcuitele care nu necesita o precizie ridicata de reglare a vitezei. Circuite pentru reglarea vitezei cu regulatoare de debit. Sunt mai performante privind stabilitatea vitezei dar mai scumpe decat cele cu drosel, fiind recomandate la realizarea vitezelor mici (de avans) de precizie ridicata. 29
a) b) In figura (a) este prezentata o schema pentru deplasare cu viteza reglabila spre dreapta si intoarcere rapida, cu regulatorul RD montat pe intrarea in motor. In figura (b) este prezentata o schema pentru realizarea ciclului de lucru: apropiere rapida (AR) ( la dreapta) avans tehnologic (AT) retragere rapida (RR), cu regulator de debit montat pe conducta de iesire din motor. In faza de apropiere rapida regulatorul este decuplat cu ajutorul distribuitorului D2, iar la retragere rapida de catre ventilul de sens VS legat in paralel. c) In figura (c) sunt prezentate doua variante de circuite pentru realizarea ciclului: apropiere rapida (AR) avans tehnologic 1, (AT1) avans tehnologic 2, (AT2) retragere rapida (RR). La ambele variante, AT1 se realizeaza cu regulatoarele inseriate iar AT2 numai cu regulatorul RD1. La schemele din figurile (a) si (b) distribuitorul D pe pozitia centrala asigura realizarea fazei de stop si descarcarea libera a pompei la rezervor, consumul de energie electrica fiind astfel minim. La schema din figura (c) in faza de stop pompa refuleaza la rezervor prin ventilul maximal VM, deci la presiunea maxima, consumand energie inutil. Utilizarea unui astfel de distribuitor se justifica numai daca in faza de stop mai trebuie alimentat un alt circuit care necesita presiune. Circuite cu doua pompe. 30
a) b) Se folosesc atunci cand un motor trebuie sa realizeze mai multe viteze care difera mult intre ele, in scopul asigurarii unui randament ridicat al actionarii. In figura (b) este prezentata o schema pentru realizarea ciclului de lucru tipic: (AR) - (AT) (RR), pentru care in figura (a) sunt date diagramele debitului si presiunii pe faze: faza (AR) - necesita debitul QAR mare la presiunea par mica; faza (AT) - debitul QAT mic la presiunea pat mare; faza (RR) debitul QRR > QAR la presiunea prr mica. Daca alimentarea se face de la o singura pompa de debit constant, aceasta ar trebui sa fie o pompa de presiunea maxima pat si debitul maxim QRR, deci scumpa, care nu ar fi utilizata eficient in nici una din faze, obtinand un randament energetic redus. Solutia consta in utilizarea a doua pompe: P1 de debit mare si presiune mica, activa numai la deplasarile rapide, P2 de debit mic si presiune mare corespunzator cerintelor fazei tehnologice. La aceasta schema, pentru deplasarile rapide debitele celor doua pompe se insumeaza automat prin deschiderea supapei VS, iar in faza tehnologica pompeaza in circuit numai pompa P1, presiunea mare delucru blocand ventilul VS si comandand deschiderea ventilului de deversare VD,astfel ca pompa P1 refuleaza liber la rezervor. Prin inserarea in punctul a din circuit a circuitului alaturat, in faza tehnologica se poate regla viteza prin regulatorul de debit RD, surplusul de debit de la pompa P2 fiind deversat la rezervor prin supapa maximala VM. Circuite cu mai multe pompe. Se utilizeaza atunci cand trebuie realizate mai multe viteze constante, care pot fi obtinute prin insumarea combinativa a debitelor mai multor pompe de debit constant, fara utilizarea unor aparate de reglare continua a debitului. 31
In figura alaturata se prezinta o schema cu trei pompe care permite realizarea a sapte viteze avand valorile intr-o serie aritmetica cu ratia Q. Debitele pompelor se stabilesc in sistem binar astfel: QP1 =Q ; QP2 = 2 Q ; QP3 = 4 Q, prin combinarea carora se pot obtine debitele: Q1 = QP1 = Q ; Q2 = QP2 =2Q; Q3 = QP1 + QP2 = 3Q ; Q4 = QP3 = 4Q ; Q5 = QP1+ QP3 = 5Q; Q6 = QP2 + QP3 = 6Q ; Q7 = QP1 + QP2 + QP3 = 7Q. Pompele active se selecteaza prin comanda distribuitoarelor D1, D2, D3, iar separarea de circuit a pompelor inactive se realizeaza automat prin supapele de sens VS1, VS2, VS3. Circuite cu acumulatoare. Se folosesc pentru asigurarea unor debite instantanee mari in anumite faze ale ciclului de lucru, pentru mentinerea presiunii la oprirea accidentala a pompei, sau pentru amortizarea pulsatiilor debitului. Schema din dreapta serveste la actionarea unei prese care necesita mentinerea pentru un 32
anumit timp a fortei de presare, dupa coborarea culisorului. Circuite cu ventile de reducere a presiunii. Se utilizeaza atunci cand doua motoare lucrand la presiuni diferite sunt alimentate de la o singura pompa si trebuie asigurata independenta vitezelor fata de sarcinile rezistente care variaza. Motorul MHL1 lucreaza la presiunea p1 limitata de ventilul maximal VM, iar motorul MHL2 la presiunea p2 < p1, p2 = ct. obtinuta din p1 cu ajutorul ventilului de reducere VR. Prin aceasta se reduc costurile fata de varianta de alimentare cu doua pompe. Circuite pneumohidraulice. Nu sunt dotate cu grup hidraulic de pompare, sursa de energie fiind aerul comprimat din reteaua sectiei de productie. Actionarea pur pneumatica nu se utilizeaza la realizarea miscarilor de avans precise, deoarece datorita compresibilitatii aerului apar variatii ale vitezei de deplasare la variatiile sarcinii la motor. Pentru uniformizarea miscarii actionarea pneumatica se combina cu un circuit hidraulic de reglare. Transferul energiei de la aerul comprimat la lichid se poate face in diferite moduri, in motor sau prin rezervoare inchise pneumohidrauluice. In figura este prezentata o schema simpla cu transferul energiei prin motor in timpul deplasarilor spre dreapta, si prin rezervor la deplasarea la stanga. Reglarea vitezei de avans la dreapta se face printr-un drosel sau un regulator Dr. 33
Deoarece presiunea utila a aerului comprimat este pama in 10 [barr], actionarile pneumohidraulice cu transferul direct al presiunii (fara amplificatoare de presiune) se utilizeaza la puteri de actionare mici, sub 1 [KW]. Circuite hidraulice automate Structura tip a unui sistem de reglare automata este redata in figura alaturata: PA este procesul automatizat; i-marimea de intrare de referinta (programabila); e- marimea de iesire (reglata); C-element comparator(sumator); r- marimea de reactie; Xe = i r - eroarea de reglare; R- regulatorul; Xc- marimea de comanda; Xm-marimea de executie; Z- marimea perturbatoare; EI-element de identificare (traductorul de reactie) prin care este supravegheata continuu marimea de iesire e. Cele mai raspandite sisteme automate hidraulice sunt cele de urmarire, la care marimea de iesire trebuie sa urmareasca cu fidelitate marimea de intrare. Astfel de sisteme sunt dispozitivele hidraulice de copiat, ca sisteme de reglare cu bucla de reactie unitara (fara traductor). Dupa numarul axelor de urmarire, ele pot fi: dispozitive de copiat dupa o axa sau dupa doua axe (pentru copierea curbelor plane) si dupa trei axe (pentru copierea suprafetelor spatiale. In figura alaturata este prezentat un dispozitiv de copiere dupa o axa inclinata pentru strunjire, care se compune din: S- sablon,care materializeaza marimea de intrare; P- palpator; SU- sertar de urmarire; MHC- motor hidraulic de copiere; R- rezistenta hidraulica; VM- ventil maximal; D-drosel; PDC- pompa de debit constant; P- piesa de prelucrat; 34
Vt = ct.- viteza de transport; Vc-viteza de copiere; β- unghiul de inclinare a axei de copiere. Dispozitivele cu axe perpendiculare pot copia unghiuri de panta pana la 60 in ambele sensuri, dar prin inclinarea cu unghiul β =30 se pot copia unghiuri de pana la 90 intr-un sens, cu scaderea unghiului de panta la 30 in sens invers. 35