Primjena hidraulike

Što je hidraulika

Hidraulika je tehnika prijenosa energije, sila i gibanja pomoću tekućine. U strojarskoj praksi ta je tekućina gotovo uvijek ulje, a sustav se sastoji od crpke koja mehaničku energiju elektromotora ili motora s unutarnjim izgaranjem pretvara u energiju tekućine pod tlakom, od ventila koji tom energijom upravljaju i od izvršnih elemenata — cilindara i hidrauličkih motora — koji je ponovno pretvaraju u mehanički rad. Tekućina pritom služi kao „kruta“ poveznica između izvora i potrošača, jer se pri uobičajenim tlakovima stlačuje vrlo malo.

Unutar hidraulike razlikuju se dva bitno različita načina prijenosa energije. U hidrostatici energija se prenosi prvenstveno tlakom: brzine strujanja su male (nekoliko metara u sekundi), a tlakovi visoki (desetci do nekoliko stotina bara). Crpka ne „baca“ ulje nego ga istiskuje iz zatvorene komore, pa protok gotovo ne ovisi o otporu u krugu. Takvi su gotovo svi industrijski i mobilni hidraulički sustavi o kojima se govori u ovom području — preše, strojevi za brizganje, bageri, dizalice.

U hidrodinamici energija se prenosi prvenstveno kinetičkom energijom tekućine: rotor pumpnog dijela ubrzava ulje, a ono predaje energiju turbinskom kolu. Tlakovi su razmjerno niski, a brzine strujanja velike. Tipični primjeri su hidrodinamička spojka i hidrodinamički pretvarač momenta u automatskim mjenjačima vozila i u pogonima teških transportera. Hidrodinamički sustavi ne omogućuju precizno pozicioniranje niti držanje tereta u mirovanju, pa se u tehnici upravljanja ne koriste; u ovom području bavimo se isključivo hidrostatikom, a riječ „hidraulika“ dalje znači hidrostatička hidraulika.

Prednosti hidrauličkih sustava

Glavni razlog zašto se hidraulika upotrebljava tamo gdje električni i pneumatski pogoni ne mogu jest velika gustoća snage. Budući da se sila dobiva kao umnožak tlaka i površine, pri tlaku od 160 bar svaki kvadratni centimetar klipa daje 1 600 N. Cilindar promjera 80 mm tako razvija silu veću od 80 kN, a njegovo je kućište tek nešto veće od šake. Hidraulički motor iste snage kao elektromotor u pravilu je višestruko lakši i manji, što je presudno kod mobilnih strojeva i ruku robota za teške terete.

• Velike sile i momenti s malim elementima. Tlakovi od 100 do 350 bar uobičajeni su u industriji i mobilnoj hidraulici, pa izvršni elementi ostaju kompaktni.
• Fina i kontinuirana regulacija. Brzina se mijenja promjenom protoka (prigušni ventil, crpka promjenjivog radnog volumena), a sila promjenom tlaka (tlačni ventil). Obje veličine mogu se mijenjati kontinuirano, i tijekom gibanja.
• Gibanje gotovo neovisno o opterećenju. Ulje se malo stlačuje, pa se klipnjača pod promjenjivim teretom giba ravnomjerno, a pri zaustavljanju drži položaj bez „propadanja“ kakvo poznajemo kod pneumatike.
• Jednostavna zaštita od preopterećenja. Sigurnosni ventil ograničava najveći tlak, a time i najveću silu. Cilindar se može zaustaviti na krutom graničniku i pod punom silom, bez oštećenja pogona.
• Samopodmazivanje. Radna tekućina istodobno podmazuje crpku, ventile i brtve te odvodi toplinu iz mjesta trenja, pa hidraulički elementi imaju dug vijek trajanja.
• Brza promjena smjera i dobar odziv. Zbog male mase pokretnih dijelova i male stlačivosti ulja hidraulički pogon može brzo mijenjati smjer i reagirati na upravljački signal, što se koristi u servohidraulici.
• Jednostavan prijenos energije na udaljena mjesta cijevima i crijevima, bez mehaničkih vratila, zupčanika ili lanaca.

Nedostaci i opasnosti

Iste osobine koje hidrauliku čine moćnom donose i ograničenja. Svaki projektant i serviser mora ih poznavati, jer se na njima temelje pravila održavanja i sigurnosti.

• Curenja. Visok tlak traži kvalitetne brtve i spojeve. Svaka propusnost znači gubitak ulja, onečišćenje okoliša i sklizak pod. Vanjsko curenje vidi se odmah, a unutarnje (kroz zazore crpke, razvodnika i klipa) očituje se kao pad brzine i zagrijavanje.
• Opasnost od požara. Mineralno ulje je zapaljivo. Mlaz ulja koji pod visokim tlakom izbije iz oštećenog crijeva raspršuje se u fine kapljice koje se na vrućoj površini lako zapale. U ljevaonicama, kovačnicama, rudnicima i na strojevima za tlačni lijev zato se koriste teško zapaljive tekućine.
• Ovisnost o temperaturi. Viskoznost ulja jako se mijenja s temperaturom: hladno ulje je gusto i povećava gubitke i opterećenje crpke, a pregrijano ulje postaje rijetko, pojačava unutarnja curenja i brže stari. Radna temperatura se zato održava u uskom području, obično između 40 i 60 °C.
• Osjetljivost na onečišćenje. Zazori u razvodnicima i crpkama iznose svega nekoliko mikrometara. Čestice prljavštine, voda i zrak u ulju glavni su uzrok kvarova hidrauličkih sustava. Filtracija i čistoća pri montaži nisu preporuka nego uvjet rada.
• Gubici energije. Svako prigušivanje protoka pretvara dio tlačne energije u toplinu. Hidraulički sustavi zato često trebaju hlađenje, a ukupni stupanj djelovanja od motora do klipnjače rijetko prelazi 0,7 do 0,8.
• Povratni vod i spremnik. Za razliku od pneumatike, gdje se zrak ispušta u okolinu, ulje se mora vratiti u spremnik. To znači dodatne vodove, filtre i agregat uz svaki stroj.
• Buka. Crpke, osobito zupčaste, i prigušna mjesta proizvode buku koja se prenosi cijevima na konstrukciju stroja.

Područja primjene

Hidraulika se primjenjuje posvuda gdje su potrebne velike sile, veliki momenti pri malim brzinama vrtnje ili precizno upravljanje teškim teretima. Uobičajeno se dijeli na stacionarnu (industrijsku) i mobilnu hidrauliku.

Primjer koji prati ovo područje je hidraulička preša HP-1. Zupčasta crpka radnog volumena 16 cm³ pri 1 450 min⁻¹ daje oko 22 l/min ulja, sigurnosni ventil ograničava tlak na 160 bar, a cilindar Ø80/50 mm s hodom 300 mm razvija silu prešanja od 80,4 kN. Isti bi zadatak električnim vretenom ili pneumatikom zahtijevao znatno veći i skuplji pogon.

Struktura hidrauličkog sustava

Bez obzira na veličinu i namjenu, svaki hidraulički sustav sastoji se od istih funkcionalnih cjelina. Energija u njemu teče u zatvorenom krugu: od pogonskog motora preko crpke u tekućinu, kroz upravljačke elemente do izvršnog elementa i konačno, kao ulje niskog tlaka, natrag u spremnik.

Agregat je izvor hidrauličke energije. Čine ga spremnik ulja, pogonski elektromotor, crpka, sigurnosni ventil, usisni i povratni filtar, pokazivač razine i temperature, a po potrebi hladnjak i akumulator. Agregat se detaljnije obrađuje u jedinici 5.6, a crpke u jedinicama 5.4 i 5.5.

Upravljački elementi određuju kamo ulje teče, pod kojim tlakom i kolikim protokom. Razvodnici određuju smjer gibanja, tlačni ventili ograničavaju ili reduciraju tlak (a time silu), protočni ventili određuju protok (a time brzinu), a nepovratni ventili dopuštaju protok samo u jednom smjeru. U suvremenim sustavima ventili se ugrađuju na zajedničku ploču ili u upravljački blok, a pokreću ih elektromagneti.

Izvršni elementi pretvaraju hidrauličku energiju u mehanički rad: cilindri daju pravocrtno gibanje i silu, hidraulički motori vrtnju i moment, a zakretni motori ograničeni zakret.

Povrat odvodi ulje iz izvršnog elementa, preko razvodnika i povratnog filtra, natrag u spremnik. U spremniku se ulje smiruje, iz njega izlazi zrak, talože se čestice i odvodi se toplina. Uz vodove se razlikuju tlačni vod (oznaka P), povratni vod (T), radni vodovi prema potrošaču (A, B) i odvodni vod za procurjelo ulje (L).

Na slici 5.2 vidi se da se simbol izvora tlaka u hidraulici crta kao krug s punim trokutom, dok je u pneumatici trokut prazan. Puni trokut označava tekućinu, prazni plin. To je prvo pravilo koje treba zapamtiti pri čitanju hidrauličkih shema.

Usporedba hidraulike i pneumatike

Hidraulika i pneumatika koriste isti princip — energiju fluida pod tlakom — i iste vrste elemenata, pa se sheme obiju tehnika crtaju istim simbolima. Razlike proizlaze iz svojstava radnog medija: zrak je lako stlačiv, jeftin i ispušta se u okolinu, a ulje je gotovo nestlačivo, skupo i mora se vratiti u spremnik.

Vrijednosti u tablici su orijentacijske i služe za prvi izbor. U praksi se tehnike često kombiniraju: na istoj proizvodnoj liniji pneumatika preuzima brze pomoćne radnje, a hidraulika glavnu radnu operaciju. Uz njih se sve češće razmatra i električni pogon (servomotor s vretenom), koji je čist i precizan, ali za vrlo velike sile postaje velik i skup.

Računski prikaz: ista sila, različiti tlakovi

Sila koju cilindar razvija jednaka je umnošku tlaka, površine klipa i stupnja djelovanja: F = p · A · η. Kada je sila zadana, potrebna površina je A = F / (p · η), a promjer klipa D = √(4A/π). Prikaz uspoređuje promjer hidrauličkog i pneumatskog cilindra za istu silu. Tlak u barima pretvara se u N/mm² množenjem s 0,1.

Za silu prešanja preše HP-1 od 80,4 kN pri 160 bar i idealnom stupnju djelovanja potrebna je površina klipa od oko 5 025 mm², odnosno promjer od 80 mm — upravo cilindar Ø80 mm koji preša ima. Da bi se ista sila dobila pneumatikom pri 6 bar, površina klipa morala bi biti 26,7 puta veća (160 / 6), a promjer bi iznosio oko 413 mm. Takvi pneumatski cilindri izrađuju se rijetko, troše golemu količinu zraka i gibaju se elastično. Za usporedbu, cilindar B naprave SL-3 promjera 50 mm pri 6 bar teorijski daje samo 1 178 N. Kada se u prikaz upiše stupanj djelovanja 0,9, oba promjera narastu oko 5 %, jer je potrebna površina obrnuto razmjerna stupnju djelovanja.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.