Hidraulički cilindri

Uloga i podjela hidrauličkih cilindara

Hidraulički cilindar je izvršni element koji hidrauličku energiju (tlak i protok ulja) pretvara u mehanički rad pravocrtnog gibanja. Tlak djeluje na površinu klipa i daje silu F = p · A, a protok ispunjava prostor cilindra i određuje brzinu v = Q / A. Te dvije jednostavne jednadžbe objašnjavaju gotovo sve što se s cilindrom događa u pogonu: sila ovisi samo o tlaku i površini, brzina samo o protoku i površini. Cilindar sam po sebi ne „zna" koliku silu treba dati — tlak u njemu raste točno onoliko koliko teret zahtijeva, sve do tlaka namještenog na sigurnosnom ventilu.

Za razliku od pneumatskih cilindara, hidraulički rade s tlakovima od nekoliko desetaka do 350 bar i više, pa su pri istom promjeru i do pedeset puta jači. Ulje je praktički nestlačivo, zato se klip može zaustaviti u bilo kojem položaju i držati teret, a brzina je gotovo neovisna o opterećenju. Cijena toga su masivnija izvedba (debele stijenke cijevi, jake glave i vijci), fina obrada površina i osjetljivost na nečistoće u ulju.

Cilindri se dijele prema tome na koju stranu tlak može djelovati:

• jednoradni — ulje djeluje samo na jednu stranu, povrat obavlja vanjska sila (težina tereta, opruga, drugi cilindar);
• dvoradni — ulje se naizmjence dovodi na obje strane klipa, pa cilindar daje silu u oba smjera;
• posebne izvedbe — teleskopski, tandem-cilindri, cilindri s mjernim sustavom položaja, cilindri s blokadom klipnjače.

Jednoradni cilindri: klipni, plunžerni i teleskopski

Jednoradni klipni cilindar ima klip s brtvom i klipnjaču, ali se ulje dovodi samo s jedne strane. Druga strana spojena je s odušnikom ili s povratnim vodom (drenaža), da ulje koje procuri kroz brtvu klipa ne stvori protutlak. Povrat obavlja težina tereta ili ugrađena opruga. Opruga se u hidraulici rjeđe koristi jer bi za velike sile trebala biti prevelika; njezina je uloga uglavnom vratiti prazan klip u početni položaj.

Plunžerni cilindar (cilindar s potisnim klipom) nema zasebnog klipa: klipnjača je ujedno i klip, a brtvi se samo na glavi cilindra. Unutarnja stijenka cijevi ne mora biti fino obrađena jer je klipnjača ne dodiruje, pa je izvedba robusna i jeftinija za velike promjere i duge hodove. Djelujuća površina je presjek plunžera. Tipična primjena su dizala, dizalice za vozila, preše s gravitacijskim povratom i podizanje sanduka kipera kod manjih visina.

Teleskopski cilindar ima nekoliko cijevi uvučenih jedna u drugu. Kad se izvuče, hod je višestruko veći od ugradne duljine — to je glavni razlog njegove primjene (kiperi, dizalice, platforme). Stupnjevi se izvlače redom od najvećeg prema najmanjem jer najveća površina pri istom tlaku daje najveću silu: prvi krene stupanj koji treba najmanji tlak. Posljedica je da se pri stalnom protoku brzina povećava, a raspoloživa sila smanjuje kako se izvlače sve manji stupnjevi. Teleskopski cilindri su najčešće jednoradni, a postoje i dvoradne izvedbe.

Dvoradni cilindri i omjer površina φ

Dvoradni cilindar s jednostranom klipnjačom najčešća je izvedba u industrijskoj hidraulici. Na strani klipa (priključak A) djeluje puna površina A₁ = π · D² / 4, a na strani klipnjače (priključak B) samo prstenasta površina A₂ = π · (D² − d²) / 4. Zbog toga se cilindar pri istom tlaku i protoku ponaša različito u dva smjera: izvlači se jače i sporije, a uvlači slabije i brže. Takav cilindar zove se i diferencijalni cilindar.

Odnos površina opisuje se omjerom

φ = A₁ / A₂ = D² / (D² − d²)

Za cilindar preše HP-1 (Ø80/50 mm) je A₁ = 50,27 cm², A₂ = 30,63 cm², pa je φ = 1,64. Omjer izravno kaže tri stvari: sila uvlačenja je φ puta manja od sile izvlačenja, brzina uvlačenja φ puta veća, a pri uvlačenju iz prostora klipa izlazi φ puta više ulja nego što crpka dobavlja. Kod HP-1 crpka daje 22,0 l/min, a pri uvlačenju iz strane klipa istječe 22,0 · 1,64 = 36,1 l/min. Na taj protok moraju biti dimenzionirani razvodnik, povratni vod i povratni filtar — česta pogreška je da se filtar odabere prema protoku crpke pa se začepljuje ili otvara premosni ventil. Pri izvlačenju je obrnuto: iz strane klipnjače izlazi samo 22,0 / 1,64 = 13,4 l/min.

Normirani nizovi cilindara nude nekoliko omjera φ za isti promjer (npr. 1,25; 1,4; 1,6; 2). Veći φ znači deblju klipnjaču — bolju otpornost na izvijanje, ali manju silu uvlačenja. Omjer φ = 2 koristi se za diferencijalni spoj (obrađuje se u jedinici 6.8), kod kojega su brzine izvlačenja i uvlačenja jednake.

Dvoradni cilindar s dvostranom klipnjačom ima klipnjaču s obje strane klipa, pa su obje djelujuće površine jednake prstenaste površine. Sila i brzina jednake su u oba smjera, a volumen ulja koji ulazi jednak je volumenu koji izlazi. Zato se koristi za pogon stolova alatnih strojeva, upravljanje kotačima vozila i u servosustavima gdje je simetrično ponašanje važno za regulaciju.

Prigušenje u krajnjim položajima

Klip mase nekoliko kilograma s teretom od stotinu kilograma ili više, koji udari u dno ili glavu cilindra brzinom 0,1–0,5 m/s, stvara udarac koji oštećuje glave, vijke i brtve, a tlačni udar putuje kroz cijeli krug. Zato se cilindri s većim brzinama izrađuju s prigušenjem u krajnjim položajima. Pred kraj hoda prigušni čep (tuljak na klipnjači ili nastavak na klipu) ulazi u provrt u glavi, odnosno u dnu cilindra, i zatvara glavni izlaz ulja. Preostalo ulje može izaći samo kroz uski kanal s vijkom prigušenja, pa u zatvorenom prostoru raste tlak koji koči klip na zadnjih 15–40 mm hoda.

Da cilindar pri kretanju iz krajnjeg položaja ne bi morao ulje gurati kroz isti uski kanal, uz vijak prigušenja ugrađen je nepovratni ventil: u suprotnom smjeru ulje slobodno ulazi pod cijelu površinu klipa i klip kreće punom brzinom.

Prigušenje se namješta pri puštanju u rad: vijak se otvara ili zatvara dok klip ne dolazi mirno, bez udarca i bez „puzanja" na kraju. Prejako prigušenje produljuje ciklus i u prigušnom prostoru stvara tlak znatno veći od radnog (kod diferencijalnog cilindra na strani klipnjače i do φ puta veći) — to je čest uzrok propuštanja brtve glave.

Brtve i vođenje

Brtve određuju vijek trajanja cilindra više nego bilo koji drugi dio. Razlikuju se prema mjestu ugradnje:

• brtva klipa — odvaja prostor A od prostora B; kod dvoradnih cilindara djeluje u oba smjera (npr. kompaktna brtva s PTFE prstenom i elastomernim prednaponskim prstenom);
• brtva klipnjače — najvažnija brtva prema okolini, drži puni tlak strane B i ne smije propuštati kap ulja po hodu; često se ugrađuje u dva stupnja (primarna i sekundarna);
• brisač (strugač) — na vanjskom rubu glave; ne brtvi tlak, nego sprječava da klipnjača pri uvlačenju unese prašinu i strugotinu u cilindar;
• statičke brtve — O-prstenovi između cijevi i glava, u priključcima;
• vodilice (vodeće trake) — na klipu i u glavi; preuzimaju bočne sile da se metal ne bi dodirivao s metalom.

Materijal brtve bira se prema radnoj tekućini, temperaturi i brzini: NBR za mineralna ulja do oko 90–100 °C, FKM za više temperature i neke teško zapaljive tekućine, PU za dobru otpornost na trošenje, PTFE s punilima za malo trenje i jednoliko kretanje pri malim brzinama. Klipnjača je tvrdo kromirana i polirana; ogrebotina na klipnjači za nekoliko sati uništi brtvu klipnjače.

Cilindar nije predviđen za preuzimanje bočnih sila. Ako teret na klipnjaču djeluje koso, vodilice se brzo troše, brtve postaju ovalne i cilindar počne propuštati. Teret se zato vodi vlastitim vodilicama stroja, a cilindar se spaja zglobom koji dopušta mali kut.

Načini pričvršćenja i izvijanje klipnjače

Cilindar se na stroj pričvršćuje prirubnicom (na glavi ili na dnu), nogama, stražnjim okom (zglobom), zakretnim osovinicama (čepovima) na sredini ili krajevima cijevi te okom ili navojem na klipnjači. Izbor ovisi o tome giba li se teret pravocrtno ili po luku i koliko je cilindar dug. Kruta pričvršćenja (prirubnica, noge) traže točno poravnanje s vođenjem tereta. Zglobna pričvršćenja (oko, osovinice) dopuštaju zakretanje cilindra kad teret opisuje luk, kao kod grane ili poklopca.

Izvučena klipnjača opterećena tlačnom silom ponaša se kao vitki štap: pri određenoj sili izvija se u stranu. Kritična sila izvijanja računa se po Euleru

F_k = π² · E · I / L_k²    I = π · d⁴ / 64

gdje je E modul elastičnosti čelika (210 000 N/mm²), I aksijalni moment tromosti presjeka klipnjače, a L_k slobodna duljina izvijanja. L_k ovisi o načinu oslanjanja (slika 6.1.3): kod cilindra učvršćenog prirubnicom kojemu je vrh klipnjače bočno slobodan L_k = 2 · L, kod zglobnog pričvršćenja na oba kraja L_k = L, kod upetog dna i zglobno vođenog vrha L_k ≈ 0,7 · L, a kod obostrano upetog i vođenog L_k = 0,5 · L. L je razmak oslonaca pri potpuno izvučenoj klipnjači. Dopuštena sila je F_k podijeljena s faktorom sigurnosti S, za koji se u hidraulici obično uzima 2,5 do 4 (npr. S = 3,5).

Primjer HP-1. Klipnjača Ø50 mm ima I = π · 50⁴ / 64 = 306 796 mm⁴. Uzmimo da je razmak oslonaca pri izvučenoj klipnjači L = 800 mm. Ako je cilindar spojen zglobovima na oba kraja (slučaj 2, L_k = 800 mm), F_k = 9,87 · 210 000 · 306 796 / 800² ≈ 994 kN, što je 12,4 puta više od sile prešanja 80,4 kN — sigurnost je dovoljna. Ako bi isti cilindar bio učvršćen prirubnicom, a alat na vrhu klipnjače ne bi bio bočno vođen (slučaj 1, L_k = 1600 mm), F_k pada na ≈ 248 kN i faktor sigurnosti na 3,1 — ispod preporučenih 3,5. Pri istom cilindru i istom tlaku odlučuje, dakle, samo vođenje alata. Rješenje je vođenje žiga u stupovima preše ili deblja klipnjača.

Odzračivanje i puštanje cilindra u rad

Zrak u cilindru je stlačiv i u hidrauličkom krugu se ponaša kao neželjena opruga: klip se giba trzajima, zaustavljanje nije točno, tlak raste sporo, a zrak otopljen u ulju pri naglom padu tlaka izlazi u mjehurićima i uzrokuje kavitacijska oštećenja i pjenjenje. Pri stlačivanju mjehurića zraka u ulju zbog naglog porasta temperature može doći i do izgaranja ulja (tzv. dizelski efekt), koji ostavlja crne tragove na brtvama.

Postupak odzračivanja pri prvom puštanju u rad ili nakon zamjene cilindra:

1. ulje u spremniku napuniti do oznake, cijevi prema cilindru prethodno napuniti ako je moguće;
2. tlak na sigurnosnom ventilu smanjiti na najmanju vrijednost koja pokreće klip bez tereta;
3. klipnjaču polagano izvući i uvući po cijelom hodu više puta (5–10 hodova), tako da ulje iz cilindra potisne zrak u spremnik;
4. ako cilindar ima vijke za odzračivanje na najvišim točkama, otpustiti ih pri malom tlaku dok ne poteče ulje bez mjehurića, pa ih zategnuti;
5. nadoliti ulje u spremnik jer se razina smanjila za volumen napunjenog cilindra i cijevi (HP-1: 50,27 cm² · 30 cm ≈ 1,5 l samo za stranu klipa);
6. namjestiti radni tlak i prigušenje u krajnjim položajima, provjeriti curenje na glavi i priključcima.

Računski prikaz: sila, brzine i vrijeme hoda

Pomoću računskog prikaza mijenjajte promjer klipa i klipnjače, hod, tlak i protok te pratite kako se mijenjaju sila i brzine u oba smjera. Računa se s teorijskim vrijednostima (bez trenja brtava i bez gubitaka u vodovima); stvarna sila je zbog trenja manja za nekoliko posto, a stvarna brzina malo manja zbog propuštanja.

F₁ = p · A₁    F₂ = p · A₂    v₁ = Q / A₁    v₂ = Q / A₂    t = s / v

Za zadane vrijednosti HP-1 (Ø80/50, hod 300 mm, 160 bar, 22,0 l/min) dobiva se sila izvlačenja 80,4 kN i sila uvlačenja 49,0 kN, brzina izvlačenja 73 mm/s i brzina uvlačenja 120 mm/s. Hod prešanja traje 4,1 s, povratni hod 2,5 s, pa sam cilindar treba oko 6,6 s po ciklusu. Ako se promjer klipa poveća na 100 mm, sila naraste na 126 kN, ali brzina izvlačenja pada na 47 mm/s — pri istoj crpki veća sila uvijek znači manju brzinu, jer je hidraulička snaga p · Q ograničena crpkom i elektromotorom.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V28 Proračun hidrauličkog sustava · 2 sata
• V31 Hidrauličko upravljanje jednoradnim cilindrom · 2 sata