Hidraulički agregat

Što je hidraulički agregat

U pneumatici je izvor energije kompresor sa spremnikom i pripremnom grupom, a zrak se nakon rada ispušta u okolinu. U hidraulici se radna tekućina ne ispušta nego kruži: crpka je uzima iz spremnika, potiskuje prema potrošačima, a ona se kroz povratni vod vraća natrag. Sve što je potrebno da se ulje pripremi, stlači, zaštiti i ohladi objedinjuje se u jednu sklopnu cjelinu — hidraulički agregat (engl. hydraulic power unit).

Tipičan industrijski agregat sastoji se od ovih dijelova:

• spremnik ulja s poklopcem, pregradom, otvorom za čišćenje i ispusnim vijkom,
• elektromotor, najčešće trofazni asinkroni, s elastičnom spojkom i nosačem crpke (zvonom) koji osigurava souosnost vratila,
• crpka — zupčasta, lamelasta ili klipna, stalnog ili promjenjivog radnog volumena (jedinice 5.4 i 5.5),
• sigurnosni ventil koji ograničava najveći tlak u sustavu,
• manometar s ventilom za isključivanje ili tipkalom i prigušenjem,
• filtri: usisni, tlačni i povratni, te ulazni filtar zraka (odzračni filtar) na otvoru za punjenje,
• pokazivač razine ulja, često spojen s termometrom, te po potrebi tlačna i temperaturna sklopka,
• hladnjak ulja (zračni ili vodeni) i grijač za hladna okruženja.

Na poklopac spremnika ili na posebnu ploču obično se postavlja i upravljački blok s razvodnicima. Takav se agregat isporučuje kao gotova cjelina: potrošači se na njega spajaju samo s dva voda, tlačnim P i povratnim T. Preša HP-1 iz ovog područja ima upravo takav agregat: spremnik 63 l, elektromotor 7,5 kW, zupčastu crpku 16 cm³/okr pri 1450 min⁻¹, sigurnosni ventil namješten na 160 bar, ulje HLP 46 i povratni filtar 10 µm.

Spremnik: volumen, pregrada i priključci

Spremnik nije samo posuda za ulje. On ima pet zadaća: čuva zalihu ulja za sve potrošače, omogućuje da se iz ulja izdvoji zrak koji se u njemu otopio ili ga je povukao, omogućuje taloženje krutih čestica i vode, odvodi toplinu kroz stijenke i izjednačava promjenu volumena kad se cilindri izvlače i uvlače.

Za stacionarne strojeve uvriježeno je pravilo da volumen spremnika bude 3 do 5 puta veći od protoka crpke u minuti:

V_spr ≈ (3 … 5) · Q [l/min] · 1 min

Za HP-1 s protokom 22,0 l/min dobiva se 66 do 110 l. Odabran je normirani spremnik od 63 l, dakle omjer od oko 2,9, na donjoj granici preporuke. To je prihvatljivo jer preša radi s prekidima, ali znači da će temperatura ulja biti osjetljivija na duge faze pod tlakom (vidi računski prikaz). Kod mobilnih strojeva, gdje su masa i prostor ograničeni, spremnici su znatno manji (često 1 do 2 × Q/min), pa hladnjak postaje obavezan.

Iznad razine ulja ostavlja se zračni prostor od oko 10 do 15 % volumena. On prima toplinsko širenje ulja i razliku volumena cilindara. Za HP-1 razlika između izvučenog i uvučenog cilindra Ø80/50 s hodom 300 mm iznosi oko 0,59 l (volumen klipnjače), a pri zagrijavanju s 20 °C na 60 °C ulje od 63 l proširi se za oko 1,8 l (uz koeficijent širenja 0,0007 K⁻¹). Pri prvom punjenju sustava cilindar još uzme oko 1,5 l na strani klipa i 0,9 l na prstenastoj strani, pa se nakon odzračivanja ulje mora nadoliti.

Unutrašnjost spremnika uređuje se tako da ulje od povrata do usisa prijeđe što dulji put. Tome služi pregrada (smirujuća stijena), obično visoka oko dvije trećine razine ulja. Toplo, zapjenjeno ulje iz povrata mora prijeći preko pregrade, a za to vrijeme mjehurići zraka izlaze na površinu, krute čestice tonu na dno, a ulje predaje dio topline stijenkama. Vrijeme zadržavanja ulja u spremniku je približno V_spr / Q; za HP-1 to je 63 / 22,0 ≈ 2,9 min.

Za priključke u spremniku vrijede ova pravila:

• povratni vod završava ispod najniže razine ulja, najmanje 2 do 3 promjera cijevi iznad dna, s kosim rezom od 45° okrenutim prema stijenci — tako ulje ne pjeni i ne podiže talog,
• usisni vod je na suprotnoj strani pregrade, također ispod najniže razine i dovoljno visoko iznad dna,
• drenažni vod klipnih crpki i motora vodi se zasebno, ispod razine ulja,
• dno je nagnuto prema ispusnom vijku, a na boku ili poklopcu je otvor za čišćenje dovoljan da se spremnik obriše iznutra,
• unutrašnjost se zaštićuje premazom otpornim na ulje ili se spremnik izrađuje od nehrđajućeg čelika ili aluminija.

Pogon crpke i zaštita od previsokog tlaka

Crpku najčešće pogoni trofazni asinkroni elektromotor s 4 pola (oko 1450 min⁻¹ pri 50 Hz). Snaga motora određuje se iz hidrauličke snage i ukupnog stupnja djelovanja crpke. Za HP-1 je p · Q = 160 bar · 22,0 l/min ≈ 5,88 kW, uz stupanj djelovanja 0,8 potrebno je 7,35 kW na vratilu crpke, pa se bira najbliži veći normirani motor od 7,5 kW. Motor se ne smije birati „tijesno“ ako crpka dugo radi pri najvećem tlaku, jer bi se pregrijao.

Motor i crpka spajaju se elastičnom spojkom (npr. kandžasta spojka s elastičnim umetkom) koja prigušuje udare i dopušta vrlo male pogreške poravnanja. Oba se dijela montiraju u nosač crpke, šuplji ljevani dio u obliku zvona koji centrira prirubnicu motora i prirubnicu crpke, pa vratila ostaju souosna bez naknadnog poravnavanja. Između nosača i poklopca spremnika stavljaju se gumeni prigušni elementi koji smanjuju prenošenje buke na spremnik, koji bi inače djelovao kao rezonator.

Crpka se može postaviti na tri načina: na poklopac spremnika (crpka usisava iz spremnika ispod sebe — najčešća izvedba), uronjena u ulje unutar spremnika (tiša izvedba, ali teže održavanje) ili ispod spremnika ili uz njega, tako da ulje dotječe na usis (preporučeno za klipne crpke osjetljive na podtlak).

Odmah iza crpke nalazi se sigurnosni ventil (tlačni ventil za ograničenje tlaka). On je normalno zatvoren, a kad tlak dosegne namještenu vrijednost, otvara i propušta ulje u spremnik. Kod crpke stalnog radnog volumena to je jedini element koji sprječava da tlak raste bez granice kad cilindar dođe na kraj hoda. Na HP-1 je namješten na 160 bar i u fazi držanja sile propušta gotovo cijeli protok crpke. Iza crpke se često ugrađuje i nepovratni ventil koji sprječava da ulje pod tlakom (npr. iz akumulatora) okreće crpku unatrag kad motor stane.

Manometar pokazuje tlak iza crpke. Budući da tlak u hidraulici brzo i jako titra, manometar ima prigušni vijak ili je punjen glicerinom, a često se spaja preko ventila za manometar koji ga uključuje samo kad se tlak očitava. Mjerno područje manometra bira se tako da radni tlak bude u zadnjoj trećini skale; za HP-1 prikladan je manometar s područjem 0–250 bar.

Filtri, nadzor i temperatura ulja

Većina kvarova hidrauličkih sustava posljedica je onečišćenog ulja. Agregat zato ima više filtara, a svaki ima svoju zadaću i svoju finoću:

Povratni i tlačni filtri imaju obilazni ventil (by-pass) i pokazivač zaprljanosti. Kad se uložak zaprlja, pad tlaka raste, pokazivač promijeni boju ili uključi električni kontakt, a pri daljnjem rastu otvara obilazni ventil kako se uložak ne bi raspuknuo. Obilazni ventil štiti filtar, ali ne i sustav — kroz njega prolazi nefiltrirano ulje. Zato se uložak mijenja čim se pokazivač aktivira, a ne tek pri redovitom servisu. Pri hladnom startu pokazivač se može kratko aktivirati zbog visoke viskoznosti; mjerodavno je stanje pri radnoj temperaturi.

Pokazivač razine je prozirna cijev ili prozorčić na boku spremnika s oznakama najmanje i najveće razine, često s ugrađenim termometrom. Na većim agregatima dodaju se plovna sklopka razine, koja isključuje motor kad razina padne ispod dopuštene, i temperaturna sklopka.

Sva snaga koju crpka primi, a sustav ne pretvori u koristan rad, pretvara se u toplinu: gubici u crpki, trenje u cilindrima i motorima, otpor strujanju u cijevima te prije svega prigušivanje u sigurnosnom, prigušnom i tlačnim ventilima. Kad ulje pri 160 bar prolazi kroz sigurnosni ventil, cijeli umnožak p · Q pretvara se u toplinu. Mineralno ulje najbolje radi pri 40 do 55 °C; iznad oko 60 °C brže stari, viskoznost pada, curenje raste, a brtve se brže troše.

Ako stijenke spremnika ne mogu odvesti svu toplinu, ugrađuje se hladnjak. Zračni hladnjak (ulje–zrak) je saćasti izmjenjivač s ventilatorom, obično na povratnom vodu; jednostavan je i ne treba vodu. Vodeni hladnjak (ulje–voda) je cijevni ili pločasti izmjenjivač; manji je i djelotvorniji, ali traži rashladnu vodu i nadzor nad propusnošću, jer voda u ulju je težak kvar. Hladnjak se uključuje termostatom. Za hladne pogone ili agregate na otvorenom ugrađuje se grijač (električni grijač uronjen u ulje) koji ulje prije pokretanja zagrije na barem 15 do 20 °C, kako crpka ne bi usisavala pregusto ulje.

Shema i simbol agregata

Na hidrauličkoj shemi agregat se crta ili potpuno, sa svim elementima unutar okvira nacrtanog crta-točka ili iscrtkanom crtom, ili pojednostavljeno, samo crpkom s motorom i spremnikom unutar okvira s priključcima P i T. Potpuni prikaz koristi se u dokumentaciji agregata i pri održavanju, a pojednostavljeni u shemama upravljanja, gdje je važniji rad potrošača nego unutrašnjost izvora.

Pri čitanju sheme pratite tok ulja: iz spremnika (1) kroz usisni filtar (2) do crpke (4) koju pogoni motor (3); iza crpke sigurnosni ventil (5) povezan je upravljačkim vodom s tlačnim vodom i kad tlak dosegne namještenu vrijednost otvara prema spremniku; manometar (6) i tlačni filtar (7) su na tlačnom vodu prema priključku P. Ulje se s potrošača vraća kroz T, povratni filtar (8) i hladnjak (9) u spremnik. Grijač (10) je uronjen u ulje. Hladnjak se crta kao romb sa strelicama prema van (toplina se odvodi), grijač kao romb sa strelicama prema unutra (toplina se dovodi), a filtar kao romb s iscrtkanom crtom okomitom na tok.

Puštanje agregata u rad

Prvo puštanje u rad presudno je za vijek trajanja crpke i ventila. Postupak se provodi prema uputama proizvođača, a opći redoslijed je ovaj:

1. Provjera čistoće. Spremnik i sve cijevi moraju biti čisti, bez ostataka pijeska, strugotina, kudelje i sredstava za brtvljenje navoja. Cijevi se prije montaže ispiru ili nagrizaju i zatvaraju čepovima.
2. Punjenje ulja kroz filtar. Ulje se nikad ne ulijeva izravno iz bačve, nego se puni preko agregata za punjenje s filtrom (npr. 10 µm) do oznake najveće razine. Novo ulje iz bačve često nije dovoljno čisto za klipne crpke.
3. Punjenje kućišta crpke. Kod klipnih crpki kućište se napuni uljem kroz drenažni priključak; usisni vod mora biti pun ulja.
4. Rasterećenje. Sigurnosni ventil se otpusti na najniži tlak, a razvodnici su u neutralnom položaju, tako da crpka pri pokretanju ne radi pod tlakom.
5. Provjera smjera vrtnje. Motor se uključi kratkim impulsom i provjeri se smjer vrtnje prema strelici na crpki. Pogrešan smjer kod trofaznog motora ispravlja se zamjenom dvaju faznih vodiča. Crpka koja se vrti u krivom smjeru ne usisava i brzo se ošteti.
6. Odzračivanje. Crpka radi bez tlaka nekoliko minuta dok ne počne tiho raditi. Zatim se cilindri nekoliko puta izvuku i uvuku punim hodom pri malom tlaku, uz otvorene odzračne vijke na najvišim točkama, dok ulje ne izlazi bez mjehurića. Zrak u sustavu prepoznaje se po pjenjenju u spremniku, šumu crpke i trzajućem, „elastičnom“ kretanju cilindra.
7. Nadolijevanje i podešavanje tlaka. Nakon odzračivanja ulje se nadolije do oznake, a sigurnosni ventil postupno se podigne na radni tlak uz praćenje manometra i provjeru propusnosti spojeva.
8. Ispiranje. Kod novih ili popravljenih sustava provodi se ispiranje: ulje kruži pri većem protoku kroz fini filtar dok se ne postigne tražena čistoća. Nakon prvih 50 do 100 radnih sati mijenja se filtarski uložak jer tada zadrži najviše čestica s montaže.

Računski prikaz: toplinski gubitak i zagrijavanje ulja

Toplina koja nastaje u sustavu procjenjuje se iz snage na vratilu crpke i korisne snage. Uz pretpostavku da crpka cijelo vrijeme radi pri tlaku p, gubitak u crpki je p · Q · (1/η − 1). U udjelu vremena u kojem crpka tlači kroz sigurnosni ventil (držanje sile na kraju hoda) i cijela hidraulička snaga p · Q postaje toplina:

P_g = p · Q · (1/η − 1) + u · p · Q

Ako se toplina ne odvodi, ulje mase m = ρ · V (ρ ≈ 0,87 kg/l, specifični toplinski kapacitet c ≈ 1,9 kJ/(kg·K)) zagrijava se brzinom ΔT/Δt = P_g / (m · c). Stijenke spremnika odvode toplinu P = k · A · ΔT, gdje je za mirni zrak k ≈ 12 W/(m²·K), A površina spremnika, a ΔT razlika temperature ulja i okoline. Uz dopušteni porast od 30 K (npr. okolina 25 °C, ulje 55 °C) sve što spremnik ne odvede mora preuzeti hladnjak.

Za HP-1 (22,0 l/min, 160 bar, η = 0,8, spremnik 63 l mjera oko 500 × 420 × 380 mm, površine oko 1,1 m²) i bez držanja kroz sigurnosni ventil, gubitak je oko 1470 W. Ulje bi se bez hlađenja grijalo 0,85 K/min, dakle za 30 K u oko 35 minuta, a sam spremnik može odvesti samo oko 400 W pri 30 K razlike. Pri trajnom radu na 160 bar potreban bi bio hladnjak od oko 1,1 kW. Ako bi preša 10 % vremena držala silu kroz sigurnosni ventil, gubitak bi porastao na oko 2050 W, a pri stalnom držanju ulje bi se za 30 K zagrijalo za samo oko 7 minuta. U stvarnom ciklusu prilaz i povrat idu pri niskom tlaku: uz srednji tlak ciklusa od 60 bar gubitak pada na oko 550 W, pa je potreban hladnjak malen ili nepotreban. Zaključak je praktičan: dugo držanje sile na sigurnosnom ventilu treba izbjegavati, a ne hladiti.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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