1
PNEUMATIKA I HIDRAULIKA
prof.dr.sc. Joško Petrić
prof.dr.sc. Željko Šitum
Mihael Cipek, dipl.inž.
j
[email protected]
; soba 309/4; tel. 6168-385
[email protected]
; soba 305; tel. 6168-437
[email protected]
; soba 308/1; tel. 6168-375
www.fsb.unizg.hr/acg
Mehatronika i robotika (3.g.)
Konstrukcijski smjer (meh. i roboti, 4.g.)
Proizvodno inženjerstvo (obr. sustavi, 5.g., 2+2)
Kolegij pruža uvod u Pneumatiku i hidrauliku. Upoznaju se
fizikalne osnove, elementi, njihovi simboli, te jednostavniji sustavi
i svojstva takvih sustava i pojedinih elemenata.
Ciljevi
:
Razumjeti funkcioniranje osnovnih elemenata i jednostavnijih
sustava P&H
Moći odrediti osnovne karakteristike elemenata i sustava
Biti sposoban projektirati jednostavniji pneumatski i hidraulički
sustav
(Analiza i sinteza)
Sadržaj kolegija
HIDRAULIKA
Uvod
Što je pneumatika i hidraulika?
Primjene
Fizikalne osnove
Hidraulički fluidi
Elementi
Crpke
Motori i cilindri
Ventili
Ostali elementi
Hidraulički sustavi
PNEUMATIKA
Uvod
Elementi
Pneumatsko upravljanje
Elektropneumatika
SERVO i PROPORCIONALNI SUSTAVI
Predavanja – četvrtak 11 - 14 h
Vježbe –
auditorne – ponedjeljak 13 – 15 h
laboratorijske
–
FER 3 puta (u poslijepodnevnim terminima)
Laboratorij za automatiku i robotiku, 307, ovdje
2
Pohađanje nastave i ispiti
Za potpis: 75 % pohađanja predavanja i vježbi (zbirno)
3 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni,
+ usmeni (na kraju)
prolaz na kolokviju: 40 % ukupno,
(predviđeno za one koji redovito pohađaju nastavu,
nije predviđen rezervni rok)
redoviti ispit – pismeni i usmeni, prolaz pismenog iznad 50 %,
pismeni vrijedi za dva usmena
Literatura
Nikolić, Pneumatika i elektropneumatika,
Zrinski, 2007.
Koroman i Mirković, Hidraulika i pneumatika,
Šk. knjiga, 1992.
Korbar, Pneumatika i hidraulika, 2007,
www.vuka.hr
Vježbe i predavanja
Web stranice proizvođača i organizacija:
BoschRexroth, Festo, ...
http://www.hydraulicspneumatics.com/
http://fluid.power.net/
Što je pneumatika i hidraulika?
Prijenos energije stlačenim fluidom, principi hidrostatike
pneumatika – stlačeni plin (zrak)
hidraulika – stlačeni tekući fluid (min. ulje, ..)
Primarni izvor energije Izvor en. stl. fluida
Aktuator
Elementi za prijenos, obradu,
pohranu i upravljanje
energijom stlačenog fluida
Hidraulika: (grč.:
hydraulikos, hydraulos
(vodene orgulje),
hydor
(voda) +
aulos
(cijev))
Vodeni sat, navodnjavanje, mlinovi (Mezoptamija, Egipat, Grčka, ..)
Hidrostatika 250 g.p.n.e. (Arhimed, Ktesibios (regulator protoka za vodeni sat))
Heronova
Pneumatica
(skripta o uređajima s povratnom vezom – reg. protoka ..)
Pascal 1651.g: “Bilo koja promjena tlaka u bilo kojoj točki nestišljivog fluida u
mirovanju prenosi se jednako u svim smjerovima”
Projekt hidrauličke preše, Pascal, 17 st.
Izradba preše, Brahm, prijelaz 18 na 19 st.
19 st., pneumatika u industriji (alati, zračni čekići, zračna pošta) i građevinarstvu
20 st., hidrostatički prijenosnici, servo ventili
21 st., optimizacija, integracija s elektronikom, mehatronika, novi materijali i
fluidi, upravljanje, dijagnostika, štednja energije, ekologija, ..
“Fluid Power”: tehnologija korištenja svojstava stlačenog fluida u
generiranju, upravljanju i prijenosu snage.
Jedan jednostavni
hidraulički krug
Hidraulička shema
4
Fizikalne osnove
Princip hidrostatičkog prijenosnika
F
1
F
2
A
1
A
2
p
x
1
x
2
Pitanje:
Redoslijed podizanja?
F
A
1
A
x
A
2
1
m
2
m
2
1
A
mg
A
mg
F
⋅
+
⋅
⟩
1
2 10
A
A
⋅
=
Hidraulički stroj (linearno gibanje)
Q
p
dt
dW
P
dt
Q
p
ds
F
dW
A
v
Q
dt
v
ds
A
p
F
p
p
p
k
k
k
k
k
k
⋅
∆
=
=
⋅
⋅
∆
=
⋅
=
⋅
=
⋅
=
⋅
∆
=
−
=
∆
2
1
Hidraulički stroj (rotacijski sustav)
Q
p
dt
dW
P
n
V
Q
dt
V
n
p
dt
n
V
p
d
T
dW
n
V
p
d
A
p
T
d
A
V
p
p
p
k
⋅
∆
=
=
⋅
=
⋅
⋅
⋅
∆
=
⋅
⋅
⋅
⋅
∆
=
⋅
=
⋅
=
⋅
∆
=
⋅
⋅
∆
=
⋅
⋅
=
−
=
∆
π
π
ϕ
π
ω
π
π
2
2
2
2
2
/
2
/
2
2
1
Hidraulički stroj (rotacijski sustav)
Q
d p
2
1
2
1
2
1
2
1
1
2
2
2
1
1
2
1
)
2
(
V
V
T
T
n
T
T
P
P
P
je
ako
V
V
n
n
n
V
n
V
Q
Q
Q
=
⇒
=
⋅
=
=
=
⋅
=
⋅
=
=
π
ω
1
2
Jednadžba održanja mase
1
m
&
2
m
&
3
m
&
dt
dl
A
A
v
A
v
m
m
m
A
v
Q
m
dV
dt
d
dt
dm
V
3
2
2
1
1
3
2
1
=
−
=
−
=
=
=
∫
&
&
&
&
ρ
ρ
ρ
5
Jednadžba održanja energije
(Bernoullijev teorem)
1
2
h
1
h
2
p
1
p
2
konst
v
h
g
p
=
+
+
2
2
ρ
ρ
Protok kroz blendu (suženi
presjek)
1
2
3
0
Q
ρ
α
ρ
ρ
p
A
Q
p
v
v
p
p
v
v
A
A
k
∆
=
∆
=
+
=
⟩⟩
⇒
⟨⟨
2
2
2
0
3
2
3
3
1
1
3
1
3
Zakon održanja impulsa
)
(
v
m
dt
d
I
dt
d
F
r
r
r
=
=
∑
Gdje su
F
vanjske sile
Sila strujanja
F
str
je jednaka sumi vanjskih sila s
negativnim predznakom:
∑
−
=
F
F
str
r
r
Hidraulički otpor, kapacitet i induktivitet
Q
p
R
H
∆
=
p
Q
C
H
&
=
Q
p
L
H
&
∆
=
Hidraulički otpor, kapacitet i induktivitet
Q
p
R
H
∆
=
p
Q
C
H
&
=
Q
p
L
H
&
∆
=
p
Q
V
p
p
∫
dt
∫
dt
H
R
H
C
H
L
∫
∫
=
⋅
∆
=
V
p
p
p
Qdp
pdV
E
Q
p
P
;
C
H
β
β
0
0
V
C
p
V
dt
V
d
Q
H
kompr
=
⋅
=
∆
=
&
A
p
p
F
⋅
∆
+
=
)
( 0
A
0
0
h
A
V
⋅
=
h
A
V
∆
⋅
=
∆
0
h
h
∆
β
p
V
V
∆
⋅
=
∆
0
β
-
modul stišljivosti (“bulk modulus”), [Pa]
7
Svojstva fluida
Gustoća
f (p, t)
Kompresi-
bilnost
Viskoznost
f (t, p)
Ostala
svojstva
Ostala svojstva:
Stabilnost (toplinska, kemijska, fizikalna)
Pjenjenje (ispuštanje zraka bez formiranja
emulzija)
Podmazivost
Apsorpcija zraka/plinova
Zapaljivost
Svojstva fluida
Viskoznost
: svojstvo fluida, predstavlja otpor
gibanju
č
estica fluida kada su one izlo
ž
ene smi
č
nom
naprezanju (DIN 51550)
A
F
dy
x
d
&
x
&
Prema Newtonovom zakonu (o laminarnom viskoznom te
č
enju iz 1686.):
dinami
č
ka viskoznost je
[Pa s]
F
– sila koja uzrokuje gibanje
A
– kontaktna površna
D
– brzina smicanja
Kinemati
č
ka viskoznost je:
[mm
2
/s] ili [cSt]
dy
x
d
A
F
&
η
=
=
τ
⇒
D
τ
=
η
ρ
η
=
υ
Utjecaj
temperature na
viskoznost
Indeks viskoznosti,
Waltherova formula
Skydrol (phosphate-ester)
(zrakopl. fl.)
8
Primjer,
(crpka
SD 40):
Viskoznost:
Min 7 cSt
Max 1600 cSt
Conti. 12 – 60 cSt
Temperatura:
Min –40
Max 104
Conti. 82
VG prema ISO
klasama
viskoznosti
(ISO 3448)
Utjecaj tlaka na viskoznost
Gubici i viskoznost
G
ub
ic
i s
na
ge
Uslijed
curenja
Uslijed
trenja
Ukupno
Din. viskozitet
Strujanje fluida - Reynoldsov broj
Priroda strujanja ovisi o uvjetima. Kakva su oni,
govori Re broj :
turbulentno strujanje Re > 2320 (kriti
č
ni Re za
cijevi okruglog presjeka
*
)
§
laminarno strujanje Re < 2320
* za zazore, ventile i sl., kriti
č
ni Re broj je znatno manji
ν
d
v
⋅
=
Re
v -
brzina strujanja fluida
d
– promjer cijevi
ν
– kin. viskozitet
Neka druga svojstva fluida:
Svojstvo podmazivanja
Temperaturna stabilnost (nizak indeks viskoznosti)
Kemijska i fizikalna stabilnost
Kompatibilnost (brtve
(NBR, Viton),
boje, elementi,
drugi fluidi..)
Dobra disipacija topline
Visoka kompresibilnost (modul volumena)
Malo upijanje i dobro izdvajanje zraka
Niska spec. gravitacija (omjer gusto
ć
e ulja i
vode)
1 (Te
ž
ak fluid mo
ž
e uzrokovati kavitaciju crpki)
Mala tendencija pjenjenja
Vrelište, ledište
Otpornost zapaljenju
Mali koeficijent ekspanzije
Neotrovnost
Cijena, odr
ž
avanje, dostupnost!
10
Hidrostatičke
(Opis za crpke)
Potiskuju fluid svakim okretom (ili
pokretom) crpnog elementa (zup
č
anika, krila, vijka,
klipa, ..), i to tako da pomi
č
u
ć
i se «
ekspandiraju
»,
stvaraju prostor između crpnih elemenata i «
hvataju
fluid
» u tom prostoru. Rotiranjem crpnih elemenata
taj prostor se zatim reducira i potiskuje fluid izvan
crpke.
Rade dobro za fluide šireg podru
č
ja viskoznosti,
posebno visokih, te podnose (odnosno generiraju)
visoke tlakove, dobar omjer veli
č
ine i snage, efikasne
u širem podru
č
ju rada, dobra volumenska efikasnost,
mogu pokriti široki raspon zahtjeva za brzinom i
tlakom
Hidrodinamičke
(Opis za crpke)
Kineti
č
kom energijom crpe fluid. Daju
velike protoke, manje efikasne za šira podru
č
ja rada
crpki (tlak - protok karakteristika). To su
centrifugalne, te crpke sa aksijalnim i radijalnim
protokom. One su jeftinije, lakše za odr
ž
avanje,
jednostavne i pouzdane.
Moment i snaga hidr. stroja
h
L
r
F
ω
n
r
h
L
p
P
r
h
L
p
T
h
L
p
F
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
⋅
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
π
2
[
]
[ ]
n
r
L
B
I
P
r
L
B
I
T
b
J
h
b
J
I
B
L
B
I
F
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
⋅
⋅
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
⋅
⋅
=
π
α
α
α
2
sin
sin
m
A/m
]
T
[
sin
El.M.
2
h
b
Vrste hidrauličkih strojeva
(© Purdue University)
Povijesni osvrt
(© Purdue University)
Simboli
Crpka
Motor
Crpka - motor
11
Tablica transformacija
T
R
A
N
S
F
O
R
M
A
C
IJ
A
n
-
Q
T
R
A
N
S
F
O
R
M
A
C
IJ
A
T
-
p
Q
Q
n
n
T
T
p
∆
p
∆
D
D
1
D
π
2
π
2
D
D
– jedinični volumen
hidr. stroja [m3/rad]
Značajke hidrauličkog stroja
0
Q
n
const
p
=
0
Q
p
∆
const
n
=
0
T
n
const
n
=
p
∆
0
const
p
=
T
CRPKA
MOTOR
IDEALNO
Stupanj korisnog djelovanja
η
max
/
p
p
1
0
vol
η
hm
η
tot
η
η
max
/
n
n
1
0
vol
η
hm
η
1
1
tot
η
Stupanj korisnog djelovanja, primjer jedne AK crpke
Volumenski gubici, shema
i
Q
1
e
Q
2
e
Q
e
Q
1
Q
2
Q
Q
1
p
2
p
Curenje
13
Klasifikacija motora,
prema rasponu brzina i momenata
Motori za niske brzine (0 – 250 rpm), LS
Motori za visoke brzine, HS
(Motori za srednje brzine (do 800 rpm))
LSHT (low speed – high torque)
Za visoke brzine (zupčasti, AK, krilni)
Za niske brzine (RK)
Usporedba stupnja korisnosti motora
75
150
300
225
n
[rpm]
t
η
1.0
0.9
0.8
0
low speed motor
high speed motor + gear
high speed motor
Usporedba stupnja korisnosti motora, nastavak
LS u prednosti pred HS+reduktorom zbog
boljeg stupnja korisnosti, kompaktnosti, veće
gustoće snage i boljeg ubrzanja (manji
J
)
Važni zahtjevi za crpke i motore:
Učinkovitost u cjelokupnom radnom području
Što manja bučnost
Pouzdanost, čak i u slučaju složenijeg opterećenja
Male dimenzije, mala masa, mali moment tromosti,
niska cijena, povoljno održavanje, laka ugradnja
Mogućnost integracije upravljačkih uređaja
Široko područje viskoznosti
Kontinuirano podešavanje volumena kod jedinica s
promjenljivim volumenom
Niske pulsacije protoka (za crpke), te razvijanje
ravnomjerne brzine i momenta (za motore)
Pulsacije
x
A
1
2
π
π
2
π
3
t
ω
A
x
Q
⋅
=
sr
Q
π
π
2
π
3
t
ω
A
x
Q
⋅
=
sr
Q
1
1
1
1
2
π
π
2
π
3
t
ω
A
x
Q
⋅
=
sr
Q
1
1
2
3
2
Pulsacije: (Q
max
– Q
min
)/Q
sr
4.9
1.5
7.6
2.5
13.4
4.9
29.3
13.4
10
9
8
7
6
5
4
3
# cilindara
14
Izbor crpke i motora
Zahtjevi radnog tlaka u sustavu
Zahtjevi protoka u sustavu
Dopušteni broj okretaja
Relacije – tlak – protok – broj okr.
Promjenljivost volumena crpke
Usisna zna
č
ajka
Stupanj korisnosti
Ubrzanje i reverziranje
Ponašanje na niskim okretajima
Ponašanje pri pokretanju
Izbor crpke i motora, nastavak
Otpornost na kontaminacije, zahtjevi filtracije
Ž
ivotni vijek (vezano sa optere
ć
enjem)
Zna
č
ajke fluida
Buka
Temperatura sustava
Odr
ž
avanje, dijelovi
Tip pogona, smještaj crpke
Kompaktnost
Preciznost izrade (zazori i monta
ž
a)
Cijena i ukupna ekonomska zna
č
ajka
Vrste hidostatičkih
crpki
ROTACIONE
LINEARNE
KLIPNE
MEMBRANSKE
ZUPČASTE
KRILNE
KLIPNE
S VANJSKIM OZUBLJENJEM
S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM
SA ZUPČASTIM PRSTENOM
VIJČANE
RADIJALNO KLIPNE
AKSIJALNO KLIPNE
DRUGE VRSTE
OBIČNE (S POMIČNIM KRILIMA)
S FIKSNIM KRILIMA
Vrste hidostatičkih
crpki, nastavak
RADIJALNO KLIPNE
AKSIJALNO KLIPNE
S EKSCENTRIČNIM BLOKOM
S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM
SA ZAKRETNOM PLOČOM
SA ZAKRETNIM BUBNJEM
KRILNE (OBIČNE)
JEDNOKOMORNE
DVO- ILI VIŠEKOMORNE
Vrste hidostatičkih
motora
ROTACIONI
ZUPČASTI
KRILNI
KLIPNI
S VANJSKIM OZUBLJENJEM
S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM
SA ZUPČASTIM PRSTENOM
OBIČNI(S POMIČNIM KRILIMA)
RADIJALNO KLIPNI
AKSIJALNO KLIPNI
DRUGE VRSTE
S KOTRLJAJUĆIM KRILIMA
S FIKSNIM KRILIMA
Vrste hidostatičkih
motora, nastavak
RADIJALNO KLIPNI
AKSIJALNO KLIPNI
S EKSCENTRIČNIM BLOKOM
S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM
SA ZAKRETNOM PLOČOM
SA ZAKRETNIM BUBNJEM
KRILNI (OBIČNE)
JEDNOKOMORNI
DVO- ILI VIŠEKOMORNI
16
ZUPČASTE S
UNUTARNJIM
OZUBLJENJEM
Prstenaste (Gerotor) crpke
Pomoću posebnih profila zubaca može se postići da unutarnji zupčanik
ima samo jedan zubac manje od vanjskoga, i na taj način se eliminira
razdjeljnik.
Na taj način razlika brzine dva zupčanika je manja, što daje tiše
funkcioniranje, i duži radni i servisni vijek.
PRSTENASTE
PRSTENASTE, Orbit princip
Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti
ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM
Gdje se zahtjeva tišina te mali ugradbeni prostor.
Primjena
FD crpka, FD motor
Najčešća izvedba
80 do 300; 100 do 300
Tlak
(radni, max, [bar])
300 do 1500 – 2000 do 5000
Brzina
(min – max, [rpm])
1 do 5 – 50 do 700
Volumen
(min – max, [cm3])
Jedino fiksnog volumena; skupe.
Nedostaci
Tihe, nepulsirajuće i trajne; mali volumen, velika gustoća
snage; robustne.
Prednosti
Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti
PRSTENASTE
Kao jeftina crpka FD za jednostavnije primjene. Crpka za
hidrauličke upravljačke sustave. Kao sporohodni motor opće
uporabe. U mobilnoj hidraulici.
Primjena
FD crpka, FD motor
Najčešća izvedba
do 200; do 260
Tlak
(radni, max, [bar])
10 do 50 – 200 do 2000
Brzina
(min – max, [rpm])
10 do 50 – 200 do 800
Volumen
(min – max, [cm3])
Jedino fiksnog volumena; razmjerno slaba korisnost
Nedostaci
Male instalacijske dimenzije, velika gustoća snage;
jednostavna konstrukcija; robustne, za teške radne uvjete;
razmjerno velikog volumena, tihe
Prednosti
17
VIJČANE
VIJČANE
Sa tri vijka:
Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti
VIJČANE crpke
Crpka za gorivo (gdje je ulje gorivo), za sustave za
podmazivanje, u hidrauličkim dizalima.
Primjena
FD crpka
Najčešća izvedba
7 do 100; 10 do 210
Tlak
(radni, max, [bar])
– 2000 do 20000
Brzina
(min – max, [rpm])
1 do 5 – 4000 do 70000
Volumen
(min – max, [cm3])
Jedino fiksnog volumena; skupe; za niski tlak i niske gustoće
snage
Nedostaci
Tihe, nepulsirajuće; dugotrajne i pouzdane.
Prednosti
KRILNE
Jednokomorne (“unbalanced”),
Fiksnog i promjenljivog volumena
Dvo- ili više-komorne (“balanced”),
Jedino fiksnog volumena
“Overcenter” princip –
promjena toka fluida bez
promjene smjera okretaja
rotora
Problem: razmjerno veliko
trenje između krilaca
(aksijalno pomičnih) i rotora,
te krilaca i statora
→
ograni
č
en radni tlak (na cca
200 bar)
19
Krilna trikomorna
KRILNA S FIKSNIM KRILIMA
usis
tlak
Nepulsirajući protok pomoću dvije
krilne crpke s fiksnim krilima
KRILNA S ROTIRAJUĆIM KRILIMA
KRILNE VIŠEKOMORNE (FD, inače slične po
svemu kao prethodne)
KRILNE s rotirajućim krilima (FD, visok h-m
eta, te dobre startne karakteristike. Loš
volumenski eta. Ponekad se koriste kao
servo-motor).
KLIPNE
PRINCIP RADA
20
RADIJALNO KLIPNE
S ekscentričnim blokom
(“external piston support”)
S ekscentričnom osovinom
(“internal piston support”)
RADIJALNO KLIPNE
S ekscentričnim blokom
(“external piston support”)
S ekscentričnom osovinom
(“internal piston support”)
RADIJALNO KLIPNE
S ekscentričnim blokom
(“external piston support”)
S ekscentričnom osovinom
(“internal piston support”)
RADIJALNO KLIPNI
RADIJALNO KLIPNI
RADIJALNO KLIPNA S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM
(BOSCH-REXROTH)
22
AKSIJALNO KLIPNE,
PROMJENLJIVI VOLUMEN
AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNOM PLOČOM
Aksijalno klipna crpka s zakretnom pločom (
Vickers
)
AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNOM PLOČOM
Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti
AKSIJALNO KLIPNI SA ZAKRETNOM PLOČOM
Univerzalno primjenljiva za veće zahtjeve: hidrost.
Prijenosnici, poljoprivredni i građevni strojevi, brodogradnja,
alatni strojevi, zrakoplovstvo, testni uređaji.
Primjena
FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motor, crpke s
kompenzacijom tlaka, “load-sensing” crpka, servo crpka
Najčešća izvedba
100 do 450; 600
Tlak
(radni, max, [bar])
5 do 20 – 300 do 18000
Brzina
(min – max, [rpm])
0.1– 500
Volumen
(min – max, [cm3])
Skupe; duže od radijalno klipnih; problemi s trošenjem na
klipovima; razmjerno mali kut zakreta ploče
Nedostaci
Za visoki tlak; VD pogodan za primjene s upravljanjem;
dobra učinkovitost; mali moment inercije; prolazna osovina
Prednosti
23
AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNIM BUBNJEM
AKSIJALNO KLIPNE S ZAKRETNIM BUBNJEM
AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNIM BUBNJEM
AKSIJALNO KLIPNE S ZAKRETNIM BUBNJEM
(VARIJABILNOG VOLUMENA)
Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti
AKSIJALNO KLIPNI SA ZAKRETNIM BUBNJEM
Univerzalno primjenljiva za veće zahtjeve: hidrost.
Prijenosnici, poljoprivredni i građevni strojevi, brodogradnja,
alatni strojevi, zrakoplovstvo, testni uređaji.
Primjena
FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motor
Najčešća izvedba
120 do 450; 500
Tlak
(radni, max, [bar])
5 do 20 – 500 do 8000
Brzina
(min – max, [rpm])
1.5 – 1000
Volumen
(min – max, [cm3])
Skupe; duže od radijalno klipnih; problemi s trošenjem na
klipovima; visoke sile upravljanja kod varijabilnih
Nedostaci
Za visoki tlak; VD pogodan za primjene s upravljanjem;
najbolja učinkovitost; manji problemi s trošenjem; mali
moment inercije; veliki volumeni
Prednosti
25
Malo trenje
Mala masa i volumen, male pulsacije, tiha, jeftina:
Efikasnost:
CILINDRI
Aktuator
F
=
p
x
A
razmjerno dobar
eta
(0.84 – 0.96;
teleskopski 0.74 – 0.86; servo +0.99)
Podjele:
Jednoradni
Dvoradni
Jednoradni
Plunger
(
“uronjeni”
) ili cilindar bez klipa
Bez unutarnjeg vođenja
S unutarnjim vođenjem
Jednoradni
Cilindar s povratnom oprugom
26
Dvoradni
diferencijalni
s prolaznom klipnjačom
Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara
Tandem
Cilindri s brzim hodom (jedno i dvoradni)
Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara
Teleskopski, jednoradni i dvoradni
Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara
Servo-cilindar
Konstrukcija cilindara
s šipkama za učvrščenje (kompaktno rješenje)
Konstrukcija cilindara
s okruglom osnovom (robustno rješenje,
zavareno ili s navojem)
28
RAZVODNICI
Niz funkcija u krugu, ne samo “razvođenje”
fluida
Označavanje
2/2, 3/2, 4/3, 5/3, ...
P, T, A, B, L, X, Y,
Primjeri protoka i upravljanja..
Razvodnici, primjeri protoka i upravljanja
=
Razvodnici, konstrukcija
S razvodnim klipom (klizni)
Sa sjedištem
Razvodnici, sa sjedištem
kugla, stožac, tanjur
Razvodnici, prekrivanja
29
Razvodnici, karakteristike
Kriteriji odabira: priklju
č
ci/br.polo
ž
ja i pokretanje;
prekrivanje; nazivna veli
č
ina; svojstva i podru
č
je
djelovanja (stati
č
ko i dinami
č
ko)
Nazivna veličina NV
NV 6 (40 – 80 l/min)
NV 10 (60 – 120)
NV 16 (100 – 240)
NV 25 ( 160 – 500)
direktno upravljani
posredno upravljani
Razvodnici, karakteristike
Dinamičko ograničenje
Razvodnici, direktno upravljani
do NV 10
Razvodnici, posredno upravljani
NV 16 i više
1 - glavni ventil
2 - pilot ventil
g.v
p.v.
Elektromagneti
suhi (treba ih odvojiti brtvljenjem – trenje, gubici)
ispunjeni uljem (suvremenije rješenje)
Neke značajke:
(uklj. 20 – 100 ms;
isklj. 10 – 60 ms)
Frekvencija i
vrijeme uključivanja
Radna temperatura
(Npr. IP65)
Zaštita
DC 24 V (standard);
DC 12V; AC
Napajanje
NV 6 – 30 W
NV 10 – 50 W
Snaga (potrošnja)
Ugradnja, priključci
Uglavnom pokriveno standardima (npr. DIN 24340)
31
Nepovratni ventili, s deblokadom
deblokiranjem se omogućuje protok u oba smjera
s hidrauličkom deblokadom (
pilot operated check valve
)
s električnom deblokadom (omogućava deblokadu bez rada
crpke)
simbol
Nepovratni ventili, s deblokadom
primjer
Nepovratni ventili, s deblokadom, dvostruki
Nepovratni ventili, za predpunjenje
U naravi su to nep. ventili s hidrauličkom
deblokadom, ali velikih dimenzija (NV 40 –
500)
Služe za predpunjenje velikih cilindara uz
izoliranje glavnog hidrauličkog kruga pod
tlakom, npr kod preša
TLAČNI VENTILI
Zadatak je utjecaj na tlak u hidrauličkom sustavu, ili u nekom
njegovom dijelu. Održavanje konstantnog tlaka u određenom
režimu rada jedan je od najvažnijih zadataka u upravljanju
hidrauličkim krugom. Osim sigurnosne funkcije, time se upravlja
silama i momentima aktuatora.
Osim ventila u tu svrhu mogu se koristiti i crpke promjenljivog
volumena.
Sigurnosna funkcija ograničenja tlaka jednostavno se postiže
ugradnjom tlačnih ventila.
Po konstrukciji mogu biti
Sa sjedištem
Klizni
Po načinu upravljanja su
Direktno upravljani
Posredno upravljani
Tlačni ventili, podjela
TLAČNI VENTILI
ZA OGRANIČENJE
TLAKA
SLIJEDNI
REGULATORI TLAKA
ZA PRAŽNJENJE
32
Tlačni ventili, podjela
Osnovna razlika između funkcija ventila za ograničenje tlaka
(
druckbegrenzung, pressure relief
) i reguatora tlaka
(
druckminder, pressure reducing
):
ventil za ograničenje tlaka
regulator tlaka
P
P
T
A
Ventil za ograničenje tlaka
ograničavaju tlak u sustavu na neki
postavljeni. Ako se nadmaši
postavljeni tlak, višak fluida
odvode u spremnik.
Ventil za ograničenje tlaka, ravnoteža sila
F
=
p•A
Ventil za ograničenje tlaka, izvedbe
Direktni
(sa sjedištem)
Posredno upravljani
(sa sjedištem i
klizni*)
*
Na slici je direktni klizni
Ventil za ograničenje tlaka, posredno upravljani
glavni ventil
pilot ventil
Ventil za ograničenje tlaka, posredno upravljani
Simbol
34
Slijedni ventili, ventili za pražnjenje
Gibanje: desni pa lijevi cilindar (odnosno samo lijevi, ako desni
miruje)
Slijedni ventili, ventili za pražnjenje
Usmjerava se tok fluida na
punjenje akumulatora dok se ne
napuni
Protočni ventili
Utjecajem na protok mijenjajući otvor prigušnog
elementa, protočnim ventilima utječe se na brzinu
gibanja aktuatora
iznimka je razdjeljnik protoka
Protočni ventili, podjela
PROTOČNI VENTILI
PRIGUŠNICE I BLENDE
RAZDJELJNICI PROTOKA
REGULATORI PROTOKA
Prigušnice i blende
prigušnica
Prigušnica: dugi prigušni put (
l
> 100
h
), laminarno strujanje
Blenda (ili fina prigušnica): kratki prigušni put, turbulentno strujanje
blenda
prigušnica
blenda
Prigušnice i blende
Q
h
l
h
l
ρ
α
p
A
Q
v
∆
⋅
⋅
⋅
=
2
b
h
l
uz
p
l
h
b
Q
v
<<
<
∆
⋅
⋅
⋅
⋅
=
;
100
12
3
η
Prigušnica (kvadratni profil)
blenda
35
Prigušnice i blende,
Q
–
dp
karakteristika
A
Q
p
A
Q
∆
⋅
⋅
=
ρ
α
/
2
r
2
l
Q
p
l
r
Q
∆
⋅
⋅
⋅
⋅
=
η
π
8
4
Q
dp
f
(
t
)
Prigušnice i blende,
geometrijske karakteristike
Prigušnice i blende
Jedna blenda, presjek
Prigušnice i blende
prigušno- nepovratni ventil
Prigušnice i blende, ovisnost o
dp
Regulatori protoka
p
1*
A
k
=
p
2*
A
k
+
F
F
A
k
*(
p
1-
p
2) =
F
F
dp
=
F
F
/
A
k
=
const.
simbol
37
Ugradbeni 2/2 ventili
Ugradbeni ili logički ventili (2-
Wege-
Einbauventilen
; (
slip-in
)
Cartridge valve
2/2 ili
logic valve
)
Mogu imati funkciju razvodnika i tlačnih
ventila (također i protočnih ventila)
Izvedba sa sjedištem ili klizna
Ugrađuju se u standardizirane
upravljačke blokove
Početkom 70-tih radi kompaktnosti,
posebno za veće snage
Danas se dosta koriste kod preša,
strojeva za plastiku, te u teškim
strojevima,
Za velike protoke, gotovo se isključivo
koriste oni
Ugradbeni ventili
Mogu se smatrati ventilima “bez tijela”, sve dok ih se ne umetne u kućište
screw-in
cartridges – za manje dimenzije, slično klasičnim (
in-line
) razvodnicima
slip-in
cartridges – ono što se smatra tipičnim ugradbenim (logičkim) ventilima,
obično za velike dimenzije
Ugradbeni 2/2 ventili, kako funkcioniraju
Sile zatvaranja:
p
X
· A
X
+
F
opruge
Sile otvaranja:
p
A
· A
A
i
p
B
· A
B
A
B
X
A
A
A
B
A
x
A
B
X
A
x
A
B
A
A
Ugradbeni 2/2 ventili, kako funkcioniraju
Upravljanje x može se napajati zajednički (spojen s A), ili odvojeno
Primjer: funkcija 3/2 razvodnika i ventila za ograničenje tlaka
A
B
T
p
0
A
B
T
A
B
38
Ugradbeni 2/2 ventili, prednosti
Niz prednosti i funkcija, međutim za njihovo dobro funkcioniranje
potrebno ih je dobro poznavati i razumjeti njihovo funkcioniranje.
Velik raspon protoka
Mogu
ć
nost finih operacija
Kompaktne dimenzije
Minimalni vršni tlakovi
Razne funkcije mo
ž
e vršiti
(također i sa 1 jedinicom)
Dobre zna
č
ajke odr
ž
avanja,
mala osjetljivost na ne
č
isto
ć
u
Malo curenje
Mogu raditi na velikim
tlakovima, i velikim snagama
Vrlo kratko vrijeme
prebacivanja
Standardizirane instalacijske
dimenzije
OSTALI ELEMENTI
AKUMULATORI
FILTERI
SPREMNICI FLUIDA
CJEVOVODI
PRIKLJUČCI, PRIKLJUČNE PLOČE I ARMATURE
BRTVE
IZMJENJIVAČI TOPLINE
MJERNA OPREMA I PRETVARAČI
AKUMULATORI
Pohranjuje hidrauličku energiju
Uloge:
Spremnik energije za krugove koji je kratko koriste (kratki
rad crpki) – velike preše, starteri diesel motora, kota
č
i
zrakoplova, podizni kreveti u bolnicama, poljoprivredni
strojevi, itd.
Pokrivanje potrebe za kratkotrajnom vršnom hidrauli
č
kom
energijom
Operacije u nu
ž
di
Kompenzacije curenja
Amortizacija udara, te neravnomjernosti protoka i tlaka
AKUMULATORI, vrste
S masom
S oprugom
Plinski
klipni
s mijehom
membranski
AKUMULATORI, kako rade
1. Bez predpunjenja
plinom
2. Predpunjen
plinom
3. Fluid
pohranjen
4. Fluid poslan
u krug
p
0
– tlak predpunjenja plina
p
2
– maksimalni radni tlak
p
1
– minimalni radni tlak
p
3
– maksimalni tlak
V
0
=
V
1
–
V
2
korisni volumen akumulatora
Obi
č
no:
p
0
= 0.9
p
1
i
p
3
= 1.1
p
2
(ali ovisi o tipu i primjeni akk.)
Rad:
W
12
=
kp
2
V
1
(
k
izo
=0.368;
k
adb
=0.308)
adijabatsko pražnjenje do 1 min; izotermno pražnjenje više od 3 min
p
1
p
2
p
3
p
0
V
3
p
V
3
2
1
0
W
12
V
1
V
2
V
0
0
0
V
p
1
1
V
p
2
2
V
p
3
3
V
p
40
Primjer: teret 50 t; 8 x
φ
250 mm cilindri; 4 s hod gore ili dole, 20 s
mirovanje
800
Cijena uštede energije
godišnje (USD):
6.000
12.000
Cijena instalacije (cca. USD):
60
90
Tlačni ventil, cijena (USD):
2.400
6.500
Pogon s opremom, cijena:
13
30
Pogon (kW):
2.700
-
Cijena (USD):
50
-
Akumulator (l):
95
340
Cijena ulja (75% vol. spr.):
100
300
Cijena (USD):
100
300
Spremnik (l):
330
5.000
Cijena (USD):
35
120
Pumpa (litre!):
S AKUMULATOROM
BEZ AKUMULATORA
AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi
AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi
AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi
AKUMULATORI, uloge, natezanje kablova
AKUMULATORI, uloge, natezanje prijenosnih
elemenata
41
AKUMULATORI, uloge, prigušenje pulsacija
AKUMULATORI, uloge, prigušenje kod servo ili
proporcionalnih ventila
AKUMULATORI, uloge, opružno djelovanje
Opružno djelovanje, primjer Citroen Activa
Pohrana energije - usporedbe
Ragone plot
Pohrana energije - usporedbe
12000 -
15000
1800 - 7500
≈
500
600-
20000
(+)
220 - 500
Cijena
Eur/kWh
≈
10
0.4 - 3
0.25 - 1
5
1
Gustoća
snage
kW/kg
0.0005 -
0.002
(2)
0.005
0.1 - 0.2
0.05 - 0.13
(0.15 - 17)
0.005- 0.03
(0.15 - 17)
Gustoća en.
kWh/kg
(kWh/m3)
Hidro-pneu.
akumulator
Ultra-
kondenzator
Li-ion
baterije
HS
zamašnjaci
LS
zamašnjaci
Ostala važna pitanja
: broj ciklusa, područje temperature, očitavanje stanja,
ekološka prihvatljivost, sigurnost, samopražnjenje, ...
43
Primjer:
> 14 god.
2 god.
Očekivani radni
vijek crpke
25 kg/god.
4.000 kg/god.
Količina
nečistoće
ISO 16/14/11
ISO 22/21/18
Filteri, smještaj filtera
1.
Povratna linija (1)
2.
Tlačna linija (7)
3.
Usisna linija (3)
4.
Bypass (ili off-line) (8)
Filter ulijevanja (2)
Odušak za zrak (2)
Filteri, smještaj
Tlak filtriranja treba biti dovoljan da “provede” fluid kroz filter (čak i fini),
ali previsoki tlak komplicira konstrukciju filtera i kućišta.
Prevelika brzina strujanja fluida kroz filter nije poželjna (umanjuje
učinkovitost), kao ni pulsacije tlaka i protoka.
Pad tlaka kroz filter (opasnost, povratni tlak ili kavitacija!).
Povratna linija – dobro za mnoge primjene, tipični filter 10
µm, opasnost od
povr. tlaka.
Tlačna linija – visoki tlak, pa su mogući i vrlo fini filteri (2
µm ili manje).
Manje u
č
inkovit, ali tako
đ
er skup (investicija + održavanje).
Usisni filter – mogao bi biti idealan, ali nije – dapa
č
e! Opasnost od kavitacije, te
od ošte
ć
enja elemenata crpke zbog jakog podtlaka (krilne i aksijalno klipne
crpke!)
Off-line – Sve je odli
č
no, osim cijene (investicijske)!
Filteri, zaprljanje i otpor protjecanju fluida
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Kontaminacija [%]
P
a
d
tl
a
ka
[
b
a
r]
Filteri, konstrukcija
Primjer, tlačni filter
SPREMNICI FLUIDA
Osim pohrane fluida slu
ž
i i za njegovu «pripremu»
(hlađenje, ispuštanje zraka, slijeganje ne
č
isto
ć
a,
smirivanje
, ..), zato postoje razne preporuke ili pravila
za njihovo konstruiranje (pregrade, visine i polo
ž
aji
priklju
č
aka, itd.)
Izvedbe lijevane (Al, manji, do 60 l) i zavarene (čelik)
Veličina spremnika
stacionarna hidraulika 3 – 5
Q
[l/min]
mobilna hidraulika 1 –2
Q
[l/min]
zrakoplovna hidraulika 0.5 – 1
Q
[l/min]
44
CJEVOVODI
krute i fleksibilne
optimalni promjer (
Re
broj, tabele), promjeri savijanja
i pravila postavljanja
3 m/s
Povratna linija
0.5 – 1 m/s
Usisna linija
6 - 7 m/s
> 200 bar
5 - 6 m/s
100 - 200 bar
4 - 5 m/s
50 - 100 bar
4 m/s
< 50 bar
Preporučena brzina strujanja fluida
Radni tlak
PRIKLJUČCI, PRIKLJUČNE PLOČE I
ARMATURE
razni standardi (ISO, NPT, NPTF, BSP, ...)
BRTVE
statičke (X, R i O prsten)
dinamičke (brtve klipa i klipnjače)
prsteni-vodilice (trake i krute)
brisači (jednosmjerni i dvosmjerni)
BRTVE, materijali, kompatibilnost s fluidima
IZMJENJIVAČI TOPLINE
MJERNA OPREMA I PRETVARAČI
Mjerenje:
Tlak
Protok
Temperatura
Hod
Brzina
Pretvarači
Tlak-el.signal
46
Planiranje sustava: projektiranje
aktuatora
Definiranje radnog tlaka (uzeti u obzir tra
ž
ene sile, te gubitke.
To je u stvari procjena pada tlaka u sustavu.)
Nominalna sila:
Fn
=
p*A
=
p*Q/v
Mo
ž
e se uo
č
iti da nivo radnog tlaka utje
č
e i na protok i na
dimenzije opreme (
η
, cijena opreme, standardi).
Primjeri uobi
č
ajenih radni tlakovi [bar]: alatni strojevi 50 – 100
(300); preše 250 – 315 (400 – 600+); injekcijsko kalupljenje
150 – 210; kazališta i scene 100 – 150; regulatori parnih turbina
120 – 250; pokretni mostovi, liftovi, ustave i brane 100 – 250;
rudarstvo 200 – 420; poljoprivredni strojevi do 100; tranportni
sustavi, buldo
ž
eri 160 – 250; u pomorstvu 150 – 200 (300); ....
Odabir aktuatora:
Cilindri: brzina, hod, sila, ..
Motori: brzina, moment (vršna i radna, te pokretanja), vrsta
optere
ć
enja, volumen, kutno ubrzanje, bu
č
nost ..
Planiranje sustava: Tok snage i
upravlja
č
kog signala, upravlja
č
ke jedinice
Odabir svih ventila i pribora potrebnog za
pravilno funkcioniranje hidrauli
č
kog sustava.
Osnova je shema funkcioniranja i dijagram
stanja.
Cijena sustava
Ukupna cijena = cijena kupnje + cijena
eksploatacije
Cijena kupnje: troškovi projektiranja, troškovi
komponenata i sustava, troškovi instalacije,
troškovi puštanja u pogon
Cijena eksploatacije: troškovi energije, troškovi
odr
ž
avanja, troškovi skladištenja rezervnih
dijelova
HIDRAULI
Č
KI SUSTAVI , sistematizacija
UPRAVLJANJE
PRIGUŠENJEM
POTISKIVANJEM
N
A
P
A
J
A
N
J
E
S
P
R
E
Z
A
N
JE
T
L
A
K
O
M
S
P
R
E
Z
A
N
JE
P
R
O
T
O
K
O
M
HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta I
pogon napajan crpkom koja
daje konstantni protok. Protok
(odnosno
potrebna koli
č
ina
fluida!
) prema potroša
č
u dozira
se ventilom. Razlika protoka koji
daje crpka, i koji je potreban
potroša
č
u odlazi u spremnik.
Tlak ovisi o optere
ć
enju (teretu)
potroša
č
a.
HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta II
pogon koji ima konstantan tlak,
a protokom (
koli
č
inom fluida
)
potrebnom potroša
č
u upravlja
se prigušenjem. Hidrauli
č
ka
energija stoji uvijek na
raspolaganju s konstantnim
tlakom. Višak energije pretvara
se u toplinu.
47
HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta III
Promjenom potrebnog fluida
(protokom) upravlja se
gibanjem potroša
č
a. Promjenljiv
volumen mo
ž
e imati crpka,
motor, ili oboje. Na
č
elno,
nikakav ventil nije poreban
između. Dostavlja se samo
onoliko energije koliko je
potrebno potroša
č
u (uz
pokrivanje gubitaka).
Hidrostatički prijenosnik snage,
hidrostatička transmisija
HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta IV
«Secondary control» ili «Load
matching», tlak u sustavu je
konstantan, upravlja se
promjenom volumena potroša
č
a
(odnosno motora-crpke (
unit
)).
HIDROSTATIČKI PRIJENOSNIK SNAGE,
tipična shema
M
1
2
3
3
4
5
6
7
HIDROSTATIČKI
PRIJENOSNIK
SNAGE,
karakteristike
2
0.5
1
ϕ
n
2
T
2
P
2
η
1
a)
1
b)
2
ϕ
n
2
T
2
P
2
η
1
1
ϕ
2
ϕ
c)
Pump adjustment
Motor adjustment
n
2
T
2
P
2
d)
1
ϕ
2
ϕ
n
2
T
2
P
2
2
1
1
0
0.5
0
0.5
0
1
1
0
0.5
0.5
0
0
2
1
1
2
HIDROSTATIČKI PRIJENOSNIK SNAGE, power-
split
In
Motor,
V
2
Pump,
V
1
Out
1
θ
2
θ
a
b
c
d
r
s
ca
2
1
/
V
V
+
pl
k
gear
k
V
V
/
1
/
2
1
=
−
n
o
u
t
/
n
in
Out
In
1
θ
2
θ
a
b
d
c
s
ca
r
Motor,
V
2
1
2
/
V
V
+
gear
k
V
V
/
1
/
1
2
=
−
n
o
u
t
/
n
in
pl
k
/
1
