Klipne crpke

Kada zupčasta crpka više nije dovoljna

U jedinici o zupčastim i lamelastim crpkama vidjeli smo da se hidraulička energija dobiva tako što crpka zatvara određeni volumen ulja na usisnoj strani i potiskuje ga na tlačnu stranu. Zupčaste crpke su jednostavne, jeftine i neosjetljive, ali imaju dvije granice: brtvljenje između zubi i kućišta ograničava tlak, a radni volumen je zadan geometrijom zupčanika i ne može se mijenjati u radu. Kad sustav traži trajni tlak od 250 do 450 bar, visok stupanj djelovanja ili protok koji se prilagođava potrošnji, posiže se za klipnom crpkom.

Klipna crpka radi kao niz malih cilindara. Svaki klip u svojem provrtu obavlja usisni hod, kad se volumen iza njega povećava i ulje ulazi, i tlačni hod, kad se volumen smanjuje i ulje izlazi prema potrošaču. Klip i provrt izrađeni su s vrlo malom zračnošću (reda veličine nekoliko mikrometara), pa je curenje malo i pri visokom tlaku. Zato klipne crpke dosežu volumetrijski stupanj djelovanja od 0,93 do 0,98 i rade pri tlakovima koje zupčasta crpka ne bi izdržala.

Prema položaju klipova u odnosu na pogonsko vratilo razlikujemo tri osnovne skupine:

• aksijalne klipne crpke — klipovi su paralelni s osi vratila, raspoređeni po kružnici u rotirajućem bubnju; izvode se s kosom pločom ili s kosim blokom,
• radijalne klipne crpke — klipovi su okomiti na os vratila, raspoređeni zvjezdasto; izvode se s unutarnjim ili vanjskim oslanjanjem klipova,
• redne klipne crpke — klipovi stoje u nizu jedan do drugoga i pogoni ih bregasto ili ekscentarsko vratilo, kao kod stare izvedbe pumpe za ubrizgavanje goriva.

Klipne crpke su skuplje i osjetljivije na nečistoću od zupčastih, pa se ne ugrađuju ondje gdje bi zupčasta crpka dobro poslužila. Preša HP-1 iz primjera ovog područja, s radnim tlakom do 160 bar i protokom 22,0 l/min, dobro radi sa zupčastom crpkom 16 cm³/okr. Klipna crpka postaje zanimljiva tek kad bi ista preša trebala viši tlak, dugo držanje sile uz male gubitke ili automatsko smanjenje protoka pri kraju hoda.

Aksijalne klipne crpke: kosa ploča i kosi blok

Kod crpke s kosom pločom vratilo okreće bubanj (blok cilindara) u kojem se nalazi neparan broj klipova, najčešće 7 ili 9. Klipovi se na strani prema kosoj ploči oslanjaju preko kliznih papuča s kuglastim zglobom. Kosa ploča miruje, ali je nagnuta za kut α prema ravnini okomitoj na os vratila. Kad se bubanj okrene za pola okretaja, papuča klizi po nagnutoj ravnini i klip se pomakne za cijeli hod; u drugoj polovini okretaja vraća se natrag. Opruga ili tlačna ploča drže papuče stalno uz kosu ploču.

Na suprotnoj strani bubanj se oslanja na razvodnu ploču. U njoj su dva otvora oblika bubrega: jedan je spojen s usisom, drugi s tlačnim priključkom. Dok klip izlazi iz provrta, njegov provrt prolazi iznad usisnog bubrega i puni se uljem; dok klip ulazi, provrt prolazi iznad tlačnog bubrega i ulje odlazi u sustav. Crpka dakle nema ventila u klasičnom smislu — razvod ulja obavlja sam okret bubnja uz razvodnu ploču. Zbog toga crpka s kosom pločom može raditi i kao hidraulički motor.

Hod klipa ovisi o kutu kose ploče i o promjeru kružnice na kojoj leže osi klipova, Dk. Ako je kut α = 0°, ploča je okomita na os, klipovi se ne pomiču i crpka ne daje protok iako se vrti. Upravo tu leži najveća prednost izvedbe: kut kose ploče može se mijenjati u radu, a time i radni volumen. Kosa ploča je zato uležištena u polukružnim ležajima i zakreće je mali cilindar za podešavanje (upravljački klip), a protiv njega djeluje opruga. Uobičajeni najveći kutovi su od 15° do 20°.

Kod crpke s kosim blokom kosina je obrnuta: pogonsko vratilo ostaje ravno, a cijeli bubanj s klipovima nagnut je za kut prema vratilu. Klipovi su preko klipnjača s kuglastim glavama spojeni s prirubnicom vratila. Kad se vratilo okreće, okreće se i bubanj, a zbog nagiba svaki klip u jednom okretaju izađe i uđe za cijeli hod. Kutovi su veći, 25° do 40°, pa crpka istih vanjskih mjera ima veći radni volumen. Izvedba je vrlo robusna, dobro podnosi tlačne udare i ima visok stupanj djelovanja; zbog toga se kao hidraulički motor češće susreće izvedba s kosim blokom. Promjenjivi volumen ostvaruje se zakretanjem cijelog kućišta bubnja, što je konstrukcijski zahtjevnije nego zakretanje kose ploče.

Radijalne i redne klipne crpke

U radijalnoj klipnoj crpki klipovi su raspoređeni zvjezdasto, okomito na os vratila. Postoje dvije osnovne izvedbe koje se razlikuju po tome na što se klipovi oslanjaju.

Kod unutarnjeg oslanjanja kućište s cilindrima miruje, a u sredini se okreće ekscentar na pogonskom vratilu. Klipovi se oprugama ili tlakom pritišću uz ekscentar. Kad ekscentar prolazi ispod klipa, gura ga prema van (tlačni hod), a kad se udaljava, opruga vraća klip (usisni hod). Hod klipa jednak je dvostrukoj ekscentričnosti, 2e. Svaki cilindar ima vlastiti usisni i tlačni nepovratni ventil, pa je razvod čisto ventilski. Ovakva crpka nema kliznih razvodnih površina pod tlakom i dobro podnosi vrlo visoke tlakove, do 700 bar, ali radni volumen je stalan.

Kod vanjskog oslanjanja okreće se rotor s provrtima u kojima se nalaze klipovi, a oni se centrifugalnom silom i tlakom oslanjaju na unutarnju plohu mirujućeg prstena. Prsten je postavljen ekscentrično prema rotoru. Razvod ulja obavlja nepomični razvodni rukavac (razvodni čep) u sredini rotora. Pomicanjem prstena mijenja se ekscentričnost, a time i radni volumen; kad je prsten centričan, protok je nula. Izvedba je slična lamelastoj crpki promjenjivog volumena, samo što ulogu lamela preuzimaju klipovi.

Redne klipne crpke imaju dva do šest klipova u nizu. Svaki klip pokreće vlastiti brijeg ili ekscentar na zajedničkom vratilu, a brjegovi su međusobno zakrenuti tako da se tlačni hodovi preklapaju i protok bude što ravnomjerniji. Razvod je ventilski. Redne crpke daju male do srednje protoke uz vrlo visoke tlakove i koriste se u ispitnim uređajima, pogonima za hidrauličke alate, prešama za posebne namjene i uređajima za podmazivanje. Posebna je prednost što svaki klip može imati zasebni izlaz: tako jedna crpka opskrbljuje više nezavisnih krugova istim protokom.

Svim crpkama s ventilskim razvodom zajedničko je da ne mogu raditi kao motor i da su osjetljive na brzinu vrtnje: nepovratni ventili trebaju vrijeme da se zatvore, pa takve crpke obično rade pri nižim brzinama od aksijalnih. Zato se radijalne i redne crpke biraju kad je presudan tlak, a aksijalne kad je važan veći protok, promjenjivi volumen i regulacija.

Promjenjivi radni volumen i regulatori

Crpka stalnog radnog volumena daje stalan protok bez obzira na to treba li ga sustav. Kad preša HP-1 stoji na kraju hoda i drži silu, cijeli protok od 22,0 l/min prolazi kroz sigurnosni ventil pri 160 bar, a snaga od oko 5,9 kW pretvara se u toplinu. Crpka promjenjivog radnog volumena taj problem rješava na izvoru: smanji kut kose ploče i daje samo onoliko ulja koliko sustav troši. Radni volumen mijenja se ručno (vijkom ili polugom), električno (proporcionalnim magnetom) ili, najčešće, hidraulički — regulatorom koji mjeri tlak ili protok i sam zakreće ploču.

Tlačni regulator (regulator tlaka, engl. pressure compensator) drži najveći tlak u sustavu. Dok je tlak niži od namještenog, crpka radi s najvećim kutom i daje puni protok. Kad tlak dosegne namještenu vrijednost, mali regulacijski ventil propusti ulje u upravljački cilindar, koji smanji kut sve dok crpka ne daje točno onoliko ulja koliko otječe (curenje i potrošnja). Kad cilindar stoji na kraju hoda, crpka radi gotovo s nultim volumenom, tlak ostaje na namještenoj vrijednosti, a gubici su mali. Sigurnosni ventil i dalje se ugrađuje, ali namješta se nekoliko desetaka bara iznad regulatora i otvara samo pri kvaru ili naglom udaru.

Protočni regulator drži stalan protok bez obzira na tlak opterećenja. Iza crpke se postavi mjerna prigušnica; regulator mjeri pad tlaka na njoj i mijenja kut ploče tako da pad ostane stalan, a time i protok. Zamijenite li stalnu prigušnicu proporcionalnim ventilom, dobili ste crpku kojoj se protok zadaje električnim signalom.

Regulator snage ograničava umnožak tlaka i protoka, dakle hidrauličku snagu. Karakteristika mu je približno hiperbola p · Q = konst.: pri niskom tlaku crpka daje puni protok (brzi hod), a kako tlak raste, protok se smanjuje tako da snaga ne prijeđe snagu elektromotora. Tako se isti elektromotor koristi i za brzi prilaz alata pri malom tlaku i za polagano prešanje pri visokom tlaku.

Load-Sensing (LS, regulacija prema opterećenju) je razvijeniji oblik protočnog regulatora. Od svih potrošača uzima se najviši tlak opterećenja i vodi posebnim upravljačkim vodom do regulatora crpke. Crpka tada održava tlak samo za mali stalni iznos (npr. 15 do 25 bar) viši od tlaka najopterećenijeg potrošača, a protok određuje otvor razvodnika. Gubici su mali, a brzina potrošača gotovo ne ovisi o opterećenju. LS sustavi uobičajeni su u mobilnoj hidraulici (bageri, dizalice, poljoprivredni strojevi); podrobnije se obrađuju uz proporcionalnu hidrauliku.

Visoki tlak, stupnjevi djelovanja i ugradnja

Svaka crpka troši više mehaničke snage nego što je predaje ulju. Gubici se dijele na dvije skupine. Volumetrijski gubici nastaju zbog curenja kroz zračnosti: dio ulja vraća se s tlačne strane na usisnu ili u kućište. Opisuje ih volumetrijski stupanj djelovanja ηv = Q_stv / Q_teor. Hidrauličko-mehanički gubici nastaju zbog trenja u ležajima, papučama i razvodnoj ploči te zbog otpora strujanju; opisuje ih ηhm. Ukupni stupanj djelovanja je umnožak: η = ηv · ηhm.

Q_stv = V · n · ηv     P_pog = p · Q_stv / η     M = V · Δp / (2π · ηhm)

Za aksijalnu klipnu crpku uobičajeno je ηv ≈ 0,95 i ηhm ≈ 0,92, dakle η ≈ 0,87; zupčaste crpke imaju ukupni stupanj djelovanja najčešće 0,75 do 0,85. Razlika se čini mala, ali kod crpke od 50 kW to je nekoliko kilovata topline manje, a time i manji hladnjak i manji račun za struju.

Volumetrijski stupanj djelovanja ovisi o tlaku i viskoznosti: što je tlak viši i ulje rjeđe (toplije), to je curenje veće. Zato se u katalozima stupanj djelovanja daje za određeni tlak i viskoznost, npr. 250 bar i 46 mm²/s. Pri malom radnom volumenu (mali kut ploče) curenje ostaje gotovo isto, a korisni protok je malen, pa se stupanj djelovanja crpke promjenjivog volumena smanjuje pri radu blizu nule.

Curenje unutar klipne crpke odvodi se u kućište, koje mora biti uvijek puno ulja jer ono podmazuje papuče i ležajeve. Zato aksijalne crpke imaju drenažni (propusni) vod koji se vodi zasebno u spremnik, ispod razine ulja, bez filtra s velikim otporom. Tlak u kućištu smije biti tek oko 1 do 2 bar; veći tlak potisnuo bi brtvu vratila ili odignuo papuče. Drenažni vod ne spaja se na povratni vod u kojem tlak može porasti.

Usis klipne crpke osjetljiv je na podtlak. Većina proizvođača traži da apsolutni tlak na usisu ne padne ispod oko 0,8 bar, pa se crpka često postavlja ispod razine ulja (ulje dotječe) ili se usisni vod izvodi kratak i širok. Podtlak na usisu izaziva kavitaciju: iz ulja se izdvajaju mjehurići pare i zraka koji se u tlačnom hodu naglo urušavaju i razaraju površinu razvodne ploče i klipova. Kavitacija se čuje kao oštar, šuškav zvuk, a nakon nekoliko sati vidi se kao hrapavost na razvodnoj ploči.

Usporedba crpki i izbor

Izbor crpke je kompromis između tlaka, protoka, buke, cijene i čistoće ulja koju pogon može osigurati. Tablica daje orijentacijske raspone za industrijske izvedbe; točne vrijednosti za pojedinu crpku uzimaju se iz kataloga proizvođača.

Iz tablice se vide pravila izbora. Za jednostavne strojeve s tlakom do oko 200 bar, bez zahtjeva za regulacijom, zupčasta crpka je najbolji izbor po cijeni i otpornosti. Tamo gdje je važna tišina (strojevi u radionici, alatni strojevi) biraju se unutarnje ozubljene zupčaste ili lamelaste crpke. Za visoke tlakove, regulaciju i uštedu energije bira se aksijalna klipna crpka promjenjivog volumena. Radijalne i redne crpke biraju se za najviše tlakove uz manje protoke.

Osjetljivost na nečistoću izravno određuje filtraciju. Klipne crpke s kliznim papučama i razvodnom pločom traže čistoću ulja oko razreda 18/16/13 prema ISO 4406 ili bolju, dakle fini filtar u tlačnom ili povratnom vodu. Zupčastoj crpki preše HP-1 dovoljan je povratni filtar od 10 µm; da je na preši aksijalna crpka, taj bi filtar trebalo zadržati i uz to redovito pratiti stanje ulja.

Primjer iz prakse. Zamislimo da se preša HP-1 preuređuje za dugo držanje sile od 80,4 kN (npr. lijepljenje pod tlakom). Sa zupčastom crpkom tijekom držanja 5,9 kW grije ulje kroz sigurnosni ventil. Aksijalna crpka s tlačnim regulatorom namještenim na 160 bar za to bi vrijeme smanjila kut ploče gotovo na nulu, a gubitak bi pao na snagu potrebnu za pokrivanje curenja i trenja. Ista bi ušteda mogla opravdati višu cijenu klipne crpke tek ako preša radi u dugim smjenama; za povremeni rad jeftinije je rješenje zupčasta crpka s rasterećenjem kroz razvodnik ili akumulator (jedinica 5.7).

Računski prikaz: protok aksijalne klipne crpke

Jedan klip u jednom okretaju istisne volumen jednak površini klipa pomnoženoj s hodom. Hod je h = Dk · tan α, pa je radni volumen crpke sa z klipova promjera d:

V = z · (π · d² / 4) · Dk · tan α     Q_teor = V · n     Q_stv = V · n · ηv

Uzmimo crpku s 9 klipova promjera 14 mm na diobenoj kružnici Dk = 56 mm i najvećim kutom kose ploče 17°, pogonjenu elektromotorom od 1450 min⁻¹, uz ηv = 0,95. Promijenite broj klipova, promjer, kut i brzinu vrtnje i pratite kako se mijenja protok.

Za zadane vrijednosti površina klipa je 153,9 mm², hod 17,1 mm, a radni volumen 23,7 cm³/okr. Teorijski protok je 34,4 l/min, a stvarni 32,7 l/min. Preša HP-1 treba 22,0 l/min, dakle radni volumen od oko 16 cm³/okr; istu crpku regulator bi za to zakrenuo na oko 11,6°. Vidi se i zašto je kut ploče tako moćan: tan α raste gotovo linearno s kutom u tom području, pa smanjenje kuta s 17° na 8,5° gotovo prepolovi protok, a pri 0° protok potpuno nestaje. Pri 250 bar ova bi crpka uz stupanj djelovanja 0,87 trebala pogonsku snagu od oko 15,6 kW, a moment na vratilu bio bi oko 103 N·m.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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