Actionarea hidraulica

 

 

ACTIONAREA HIDRAULICA

Cap.I. ARGUMENT

Actionarea hidraulica a utilajelor si a masinilor consta in transmiterea energiei mecanice de la elementul motor ( de regula un motor electric) la elementul actionat printr-un sistem hidraulic, sub forma de energie a unui lichid (ulei) sub presiune. In ultima vreme, actionarea hidraulica a capatat o raspandire tot mai larga in constructia masinilor unelte, a preselor, a masinilor agricole, a utilajelor forestiere, a masinilor de transportat, in aviatie, in industria utilajelor pentru constructii etc. Folosirea pe scara larga a actionarii hidraulice rezida din calitatile remarcabile pe care le prezinta fata de sistemele mecanice de actionare.

Mediul hidraulic, agentul motor sau lichidul de lucru sunt denumiri atribuite frecvent fluidului utilizat in sistemele hidraulice de actionare. Acest fluid este supus, in timpul functionarii sistemului, unor conditii de lucru deosebit de grele pentru transmiterea miscarii si efortului, cum sunt: variatia intr-un domeniu larg a temperaturii, presiunii si vitezelor de lucru, conditii in care trebuie sa-si mentina propietatile fizico-chimice si mecanice pe o perioada determinata.

Conditiile grele de lucru expuse ridica restrictii deosebit de severe si impun o selectare riguroasa a categoriilor de fluide care sa corespunda la majoritatea cerintelor ce se impun acestora. Dintre cele mai importante cerinte care se impun si pe baza carora se aleg aceste lichide de lucru, se mentioneaza urmatoarele:

bune propietati lubrifiante si inalta rezistenta mecanica a peliculei de lichid;

inalta rezistenta si stabilitate chimica si termica spre a preveni oxidarea, descompunerea si degradarea acestuia;

variatie minima a vascozitatii cu temperatura;

sa nu degaje vapori la temperaturi obisnuite de functionare si sa nu contina impuritati care sa faciliteze degajare de vapori;

sa nu contina, sa nu absoarba si sa nu degaje aer peste cantitatea admisa de prescriptiile tehnice;

sa nu provoace corodarea si deteriorarea elementelor de etansare;

sa aiba un punct ridicat de inflamabilitate si cat mai scazut de congelare;

continut minim de impuritati mecanice si tehnice.

Lichidele care corespund cel mai bine la aceste cerinte si care au capatat o larga raspandire sunt uleiurile minerale. In afara de acestea se folosesc si o serie de lichide de sinteza precum si alte medii, in conditii speciale de functionare.

Cap.II. ACTIONAREA HIDRAULICA

Actionarea hidraulica a utilajelor si a masinilor consta in transmiterea energiei mecanice de la elementul motor ( de regula un motor electric) la elementul actionat printr-un sistem hidraulic, sub forma de energie a unui lichid (ulei) sub presiune. In ultima vreme, actionarea hidraulica a capatat o raspandire tot mai larga in constructia masinilor unelte, a preselor, a masinilor agricole, a utilajelor forestiere, a masinilor de transportat, in aviatie, in industria utilajelor pentru constructii etc. Folosirea pe scara larga a actionarii hidraulice rezida din calitatile remarcabile pe care le prezinta fata de sistemele mecanice de actionare.

Dintre avantajele pe care actionarea hidraulica le prezinta se mentioneaza :

posibilitatea obtinerii cu usurinta a unor circuri de lucreu automatizate;

realizarea unor forte mari cu mecanisme hidraulice simple si de gabarit redus;

posibilitatea obtinerii unei variatii continue a vitezei;

inversarea usoara a sensului de miscare;

functionarea linistita, fara zgomot si vibratii;

uzura mica a organelor de masini;

protectia contra suprasarcinilor.

Pe langa avantajele enumerate, actionarea hidraulica prezinta totusi si o serie de neajunsuri, si anume:

pierderi de presiune proportionale cu patratul vitezei de curgere, fapt ce limiteaza viteza admisibila de curgere a lichidului in conducte la 9 - 10 m/s;

pierderi de lichid prin elementele de etansare;

influenta temperaturii asupra vascozitatii lichidului care modifica viteza de curgere;

tehnologia de fabricatie a aparaturii relativ complicate.

Sistemele de actionare hidraulica a masinilor si a utilajelor constau din elemente hidraulice legate intre ele dupa o schema bine determinata, denumita schema de actionare hidraulica.

Circuitul hidraulic realizeaza legatura dintre generatorul de presiune (pompa) si motorul hidraulic care la randul sau transforma energia lichidului sub presiune in energie mecanica. Functional, circuitele hidraulice sunt analoage cu circuitele electrice unde energia electrica produsa de un generator pune in miscare un motor electric.

In figura este reprezentata o schema simpla de actionare hidraulica unde pompa hidraulica P_H aspira lichidul de lucru prin conducta l si il refuleaza, sub presiune, prin conductele 2 si 4 spre motorul hidraulic (cilindru-piston) M_H. In acest caz, organul actionat al masinii (masa M ) se misca spre stanga, in sensul sagetii V₁. iar lichidul de lucru din camera stanga a motorului este evacuat prin conductele 5, 6 si 7 in rezervorul R .

Schimbarea sensului de miscare a motorului se realizeaza cu ajutorul distribuitorului 3 , care trimite lichidul sub presiune din conducta 2 in conducta 5 si face legatura intre conductele 4 si 7.

Aceasta schema are o larga raspandire in actionarea hidraulica a masinilor-unelte, a preselor, a utilajelor pentru prelucrarea materialelor de constructii, prelucrarea lemnului su altele.

Viteza de deplasare a pistonului si odata cu aceasta a mesei de lucru este data de expresia:

V= [m/min],

in care :

Q este debitul de lichid ce trece prin conducta de refulare, in 1/min;

A- aria pistonului , in mm^2.

In sisitemele hidraulice ale masinilor si utilajelor, ca mediu hidraulic de transmitere a energiei de la pompa la motor se folosesc uleiurile minerale care indeplinesc o serie de conditii ca:

mentinerea constanta a vascozitatii sau variatia ei minima, la modificarea temperaturii

sa nu degajeze vapori la temperaturile si presiunile de lucru

sa nu contina aer si apa;

sa nu aiba proprietati lubrifiante;

sa nu aiba actiune nociva asupra celor care vin in contact cu aceasta.

Cap.III. POMPELE SI MOTOARELE HIDRAULICE

Pompele folosite la actionarea hidraulica a utilajelor difera radical de cele din instalatiile folosite in hidrotehnica sau irigatii atat ca principiu de functionare cat si din punctul de vedere al parametrilor constructivi. Pompele pentru actionari hidraulice ale caror principiu de functionare consta in transportarea unui anumit debit constant de lichid din camera de aspiratie in cea de refulare se numesc pompe volumice.

Spre deosebire de pompele folosite in instalatiile de hidroamelioratii, hidrotehnica sau in sistemele utilitare care debiteaza lichid in cantitati mari, dar la presiuni reduse, pompele pt actionarea hidraulica a utilajelor se caracterizeaza prin debite relativ reduse si presiuni ridicate, fapt pentru care acestea din urma se mai numesc si pompe hidrostatice.

Din punct de vedere al posibilitatilor de reglare a debitului de ulei refulat, pompele hidrostatice se impart in doua grupe:

a)     pompe cu debit constant;

b)     pompe cu debit reglabil.

Dintre pompele cu debit constant fac parte :

pompele cu roti dintate;

pompele cu surub;

pompele cu palete cu dubla actiune s.a.

In constructia unei masini au o larga utilizare sistemele de actionare hidraulica, iar dintre acestea cea mai mare raspandire o au: pompele cu roti dintate cu angrenare interioara si exterioara, cu suruburi, cu palete, cu pistoane axiale si radiale.

Debitul pompelor cu pistoane axiale cu bloc inclinat este:

, unde:

Q_g debitul mediu teoretic al pompei;

D_d - diametrul discului de antrenare;

z - numarul de pistoane;

n_p - turatia de antrenare a pompei;

α - unghiul de inclinare al pompei.

P_abs necesara antrenarii pompei :

, unde:

Q_r - debit real;

η_T - randamentul total al pompei (0,7085)

III.1. Pompe cu pistoane axiale

Pompele cu pistoanele axiale reprezinta o alta varianta a pompelor cu piston in care pistoanele sunt dispuse axial, deci paralel cu axa de rotatie a rotorului (blocului), miscarea activa a pistoanelor realizandu-se fie de un disc inclinabil sau fix, fie de o cama frontala.

Dispunerea in acest fel a pistoanelor are marele avantaj de a reduce mult gabaritul pompei si a obtine in acelasi timp un moment de inertie constant, prin simetria maselor de rotatie, ceea ce permite functionarea acestora la viteze unghiulare mult superioare altor tipuri.

Avand in vedere aceste calitati, la care se adauga o buna stabilitate a miscarii la turatii joase, precum si usurinta reglarii volumului activ, se acorda prioritate acestora, fiind cele mai raspandite tipuri de masini volumice utilizate in actionarea hidraulica, lucru valabil si pentru sistemele de actionare a masinilor-unelte.

Parametrii principali ai acestor tipuri de pompe sunt: presiuni cuprinse intre 150 si 500 de bar si chiar mai mari, momente pana la 800 - 900 daN m, puteri pana la 3500 kW, debite pana la 900 l/min, turatii maxime la pompe pana la 3000 - 4000 rot/min.

III.2. Pompe cu pistoane radiale

Pompele cu pistoane radiale sunt pompe de debite si presiuni mari, iar motoarele de momente si puteri ridicate. Acestea se folosesc pentru presiuni pana la 300 bar, debite pana la 8000 l/min, momente pana la 5000 daNm, puteri pana la 4000 kW, motoare cu actiune multipla putand functiona la turatii stabile sub 1 rot/min.

De mentionat ca acest tip de pompe au facut obiectul primelor modele de masini hidraulice volumice rotative cu piston, ca intre timp au aparut pompele cu pistoane axiale, ca varianta imbunatatita a primelor si care s-au extins mai mult decat pompele cu pistoane radiale. In prezent, insa, se constata o revitalizare a acestora, nu numai la puteri si cupluri mari, unde raman metodele de baza, dar si pentru parametri obisnuiti. Cauzele acestor reconsiderari constau in aparitia unor modele noi imbunatatite, cu gabarite reduse (inertie mica) in special, cu actiune multipla, cu pistoane cilindrice sau sferice.

La constructiile obisnuite, debitul se regleaza deplasarea relativa (manual sau automat cu servovalva) a statorului fata de rotor.

La modele noi, cu actiune multipla, aceasta reglare se face discret, prin una din metodele:

variatia sectiunii active a pistonului

variatia numarului active de pistoane

variatia numarului de randuri de pistoane

De remarcat ca, prin aceasta, pompele cu actiune multipla nereglabila pana acum se transforma in sisteme reglabile, asa-zisa reglare comutativa.

Considerand ca la inceputul miscarii pistonul se afla in pozitia A, iar dupa o rotire in sens orar cu unghiul j, ajungand in punctul B, se va deplasa inspre axa de rotatie O₂, in raport cu rotorul cu distanta x, care reprezinta diferenta dintre segmentul O₂A-R=e+l-R.

Deci:

x=e+l-R

Avand in vedere ca R=e cosj+l cosb, atunci:

x=(l+e)-(e cosj+l cosb

dar sinb=sinj T cosb= =

III.3. Pompele cu palete

Sunt compuse dintr-un stator, rotor, palete si axul central. Axa rotorului este excentrica in raport cu axa statorului, fapt ce permite ca prin rotirea rotorului, paletele care mentin contact permanent cu peretii statorului sa antreneze o cantitate de lichid din camera de aspiratie si sa o transporte in camera de refulare.

Din punctual de vedere constructiv si al functionarii, problema cea mai importanta consta in realizarea etanseitatii intre palete si carcasa, etanseitate care limiteaza presiunea maxima sub care poate debita uleiul acestui tip de pompa.

In general aceste pompe se folosesc pentru debite mari ( Q= 150-1500 l/min) si presiuni reduse ( p= 10- 20 daN/cm²).

Motoarele hidraulice transforma energia potentiala a lichidului primita de la generator in energie mecanica cu care actioneaza apoi elementul final in miscare de rotatie, de translatie sau oscilanta (alternativa). Deci, forma acestor motoare va fi, dupa traiectoria miscarii pe care o realizeaza:

circulare (rotative)

liniare (rectilinii)

oscilante (alternative)

Motoare circulare (rotative)

Exista motoare circulare (rotative) cu reglare primara si cu reglare secundara. Acestea pot fi reversibile sau ireversibile, cum sunt restul sistemelor; pot fi de asemenea nereglabile sau reglabile, restul sistemelor. Variatoarele pot avea o structura complexa cu masini pompa-motor cu capacitate variabila PMcv si motor-pompa cu capacitate constanta MPcc si invers, cand cuplul rezistent devine activ, realizandu-se astfel un sistem de franare. In structura acestora intra diverse blocuri functionale.

Motoare liniare

Motoarele hidraulice liniare sau rectilinii sub denumirea curenta de cilindri hidraulici au o mare raspandire in sistemele hidraulice de actionare. Acestea sunt compuse din cilindrul C, pistonul P si tija T. Principal, motoarele liniare pot fi cu actiune:

a)          simpla, in care readucerea in pozitia initiala a pistonului nu se face pe cale hidraulica;

b)          dubla

c)          cu tija bilaterala

d)          cu tija unilaterala

Din punct de vedere a structurii, motoarele hidraulice pot fi mono, bi sau multicilindri, cu piston, cu plunje sau mixte, cu cursa variabila sau constanta. Reglarea marimii cursei poate fi obisnuita (telescopica), in care succesiunea se asigura prin introducerea lichidului in ordinea dorita in fiecare cilindru sau automat, la capatul cursei unui piston, prin supapele de succesiune.

Interes prezinta reglarea cursei pe cale mecanica sau hidraulic. Astfel, variatia cursei bratului mecanic M se realizeaza prin reglarea distantei dintre cele doua pistoane, din interiorul cilindrului 1, cu ajutorul bucsei canelate. Rotind axul canelat care, de fapt, reprezinta tija filetata a pistonului, acesta se insurubeaza sau desurubeaza in piulita solidara cu pistonul, variind distanta x si, deci, cursa bratului.

Motorul este prevazut cu sistem de franare la capete de cursa. Reglarea cursei x pe cale hidraulica se face cu bucsele-opritoare conform circulatiei lichidului indicata cu sageti.

Cap.IV. APARATAJUL HIDRAULIC

Comanda sistemelor hidraulice prezinta o mare importanta, deoarece aceasta asigura realizarea programului stabilit de functionare a masinii, conform procesului tehnologic de prelucrare. Aparatajul de comanda poate fi impartit astfel:

aparataj de distributie (distribuitoare, inversoare, supape, robinet, etc.), care dirijeaza lichidul de lucru inspre diversele mecanisme ale sistemului si evacueaza in rezervor lichidul folosit. Acest aparataj asigura in acelasi timp succesiunea de lucru a diverselor mecanisme.

aparataj de reglare si control (supape, drosele, stabilizatoare, relee, etc.), care asigura presiunea necesara, viteza lichidului de lucru, deplasarea, viteza si acceleratia necesara a mecanismelor sistemelor hidraulice.

Aparatajul de comanda rational construit asigura regimuri de lucru optime, o productivitate si un randament maxima, poate asigura, de asemenea, automatizarea procesului tehnologic, creeaza posibilitatea deservirii mai multor masini de catre muncitor si construirea linilor automate. Acest aparataj trebuie sa indeplineasca o serie de conditii tehnice pentru a corespunde cerintelor care se impun sistemelor hidraulice, dintre care:

simplitate si siguranta in exploatare

cost redus

rezistente locale si pierderi prin frecare minime

comanda usoara, fara eforturi si deplasari mari

sensibilitate mare la schimbare regimului de lucru sau la abaterea acestuia de la programul stabilit

Pentru micsorarea pierderilor de lichid si a frecarii, aparatajul de comanda este construit din materiale rezistente la uzura, tratate termic si este prelucrat cu mare precizie.

Aparatajul de comanda poate fi actionat manual sau automat, prin deplasare axiala sau de rotatie, sau pot fi realizate ansambluri complexe care sa functioneze prin combinarea celor doua miscari.

Dimensiunile aparatajului sunt impuse de debitul pompei si presiunea din sistem, iar forma aparatajului trebuie sa fie astfel aleasa incat sa asigure micsorarea fortelor necesare conectarii si deconectarii, deci o sensibilitate marita, avand in vedere ca in prezent se foloseste din ce in ce mai mult actionarea automata a acestuia prin electromagneti, hidraulic, pneumohidraulic, etc. Forma canalelor si a fantelor interioare are o mare importanta pentru micsorarea rezistentelor interioare si pentru marirea sensibilitatii aparatajului de comanda.

IV.1.Aparatajul de distributie

Prin definitie, aparatajul de distributie sau directional indeplineste, in special, functia de asigurare a alimentarii motorului hidraulic de actionare a organului activ (ax principal, masa, sanie de avans, scula, etc.) cu fluid in cantitatea si la presiunea necesara pentru o functionare optima a acestuia la parametri de efort si miscare programata. In consecinta, acest aparataj trebuie sa asigure nu numai alimentarea sau intreruperea acestuia, miscarea intr-un sens sau altul (inversarea), ci si transformarea miscarii ca marime, deci reglarea acesteia dupa o anumita lege. Desigur ca aceasta din urma functie poate fi realizata si de un aparataj specializat.

Aparatajul de distributie, prin urmare, din punctul de vedere a caracteristicii miscarii poate fi subimpartit in aparataj de distributie pentru functionarea discreta sau continua.

Din prima categorie fac parte distribuitoarele propriu-zise cu una, doua, trei sau mai multe pozitii, avand, deci, doua, trei sau mai multe canale de legatura.

Distribuitoarele cu functionare continua, care capata o raspandire din ce in ce mai mare in ultima vreme, au aparut sub denumirile de servo-distribuitoare, servo-valve sau elemente proportionale, utilizandu-se in special in sistemele de reglare automate.

La distribuitoarele discrete o mare raspandire o au cele cu trei pozitii si cinci canale, care asigura o gama larga de posibilitati de stare a organului activ in pozitie mediana (0) si apoi prin comutare pe celelalte doua pozitii. De regula, rezervorul se leaga la un canal comun, acesta putand fi considerate sisteme.

Distribuitoarele discrete pot fi clasificate, la randul lor, dupa forma constructiva a elementului activ (sertarului) in:

rotative

rectilinii cu sertar cilindric

plane

cu supape

De mentionat ca distribuitoarele plane au o constructie simpla din punct de vedere tehnologic, usor de executat si mai ales de controlat, spre deosebire de cele rectilinii cu sertar circular, la care executia si mai ales controlul sunt extrem de dificile.

Distribuitoarele cu supape, actionate de o maneta cu parghii sau de un ax cu came, se utilizeaza in cazul unor presiuni inalte (prese) sau a unor debite mari ( peste 200 l/min.).

Dupa caracterul comenzii, distribuitoarele sunt cu comanda:

manuala

mecanica (parghii, came, etc.)

pneumatica

hidraulica

electrica

IV.2.Aparatajul de reglare a debitului (vitezei)

Reglarea vitezei motoarelor hidraulice se realizeaza prin variatia cantitatii de lichid care trece prin motor in unitatea de timp. Variatia cantitatii de lichid (a debitului) se poate face prin doua metode:

a)metoda volumica, constand din modificarea debitului pompei la presiunea variabila in functie de sarcina

b)reglare rezistiva (sau prin dorsel) care se realizeaza prin variatia rezistentei locale

in conducta de alimentare sau evacuare din motor, la presiune constanta, utilizand o rezistenta hidraulica variabila

Reglarea volumica:Reglarea debitelor pompelor sau capacitatii motoarelor rotative se realizeaza manual sau automat. Cele mai simple sisteme de reglare automata sunt cele de mentinere constanta a debitelor (vitezei) sau reglarea acestuia dupa o anumita lege, utilizand sisteme mecano-hidraulice elementare.

Reglarea rezistiva: Pentru reglarea debitului de alimentare a motorului hidraulic, la presiune constanta, si prin aceasta viteza de rotatie sau de deplasare, se utilizeaza fie elemente simple de strangulare (rezistente hidraulice reglabile), fie regulatoare de debit, care pe langa drosel mai contin si un element de stabilizare, deci de mentinere constanta a valorii debitului reglat indiferent de variatia sarcinii (presiunii).

Dorselul este un aparat de reglare a carui constructie se apropie de cea a unor robinete sau sertare care permit variatia sectiunii de trecere a lichidului, prin aceasta micsorand sau marind rezistenta de trecere a lichidului si o data cu aceasta debitul prin fanta dorselului.Exista mai multe criterii de clasificare a droselelor, cel de baza fiind forma fantei de reglare (tronconica, circulara, inelara,dreptunghiulara, elicoidala).

Dupa modul de montare in instalatie, ele pot fi:

Drosele de traseu care se monteaza direct pe conductele schemei hidraulice si pot fi cu sau fara supapa de sens. Modificarea fantei de trecere a agentului (b), se realizeaza prin insurubarea mansonului (2) pe corpul droselului (1). In interiorul corpului este prevazuta supapa (3), presata pe scaunul ei de catre resortul (5).

Drosele de panou se monteaza pe panoul de comanda al instalatiei hidraulice si sunt insotite de obicei de supape de sens unic. Spre deosebire de droselele de traseu, droselele de panou asigura o reglare mai sensibila a debitului de trecere pe conducta pe care acestea sunt montate.Droselul de panou din figura realizeaza modificarea suprafetei de trecere a fantei de droselare prin deplasarea axiala a plunjerului (4), care constituie elementul de reglare, fata de corpul (3). D Dorselul este prevazut cu o supapa de sens unic (5), care permite circulatia libera a agentului hidraulic in sens contrar celui controlat de drosel.

Supapele, numite si valve sau ventile, au scopul de a crea sau limita anumite presiuni de lucru in circuitul hidraulic si de a mentine stabila si constanta valoarea presiunii impuse de regimul de lucru al utilajului. Supapele prin constructia lor, se afla intotdeauna sub actiunea unor forte ca:

greutatea proprie;

forta elastica a unui arc;

fortele de frecare;

presiunea activa a lichidului de lucru etc.

Dupa functia ce o au in circuitul hidraulic, pe de o parte, precum si dupa principiul lor constructiv, pe de alta parte supapele se pot imparti in :

supape de siguranta, destinate mentinerii in sistem a unei anumite presiuni pentru care a fost reglata si pentru care a fost calculat intregul sistem hidraulic;

supape de deversare, folosite in cazul reglarii vitezei prin dorsel si trimiterii spre rezervor a cantitatilor de lichid suplimentare, rezultate din variatia sectiunii active a dorselului;

supape de retinere (de sens unic), care au rolul de a permite trecerea lichidului de lucru intr-un singur sens;

supape de contrapresiune, similare celor de sens unic, folosite pentru crearea unei anumite contrapresiuni in conducta de evacuare, contribuind la obtinerea unei miscari uniforme a motorului hidraulic;

supape de reductie, destinate obtinerii unor presiuni mai mici, pe anumite ramuri ale instalatiei hidraulice, fata de presiunea prin conducta principala;

supape de umplere, folosite in constructia preselor si utilizate pentru umplerea fortata a motorului hidraulic, iar la deplasarea traversei in gol pana in pozitia de presare, spre a mari viteza de deplasare in gol si prin urmare si productivitatea presei.

Supapa simpla de blocare cu arc

- de traseu

- de panou

Supapa simpla de blocare fara arc

- de traseu

- de panou

Supapa de blocare cu comanda hidraulica de deblocare

- fara arc

- cu arc

Supapa de presiune normal inchisa

Supapa de presiune normal deschisa

Supapa de presiune cu comanda diferentiala

Supapa de siguranta (limitator de presiune cu actiune directa)

Supapa de deversare (de descarcare)

BIBLIOGRAFIE