Hidraulički tlačni ventili

Zadaća i podjela tlačnih ventila

Tlačni ventili upravljaju tlakom u hidrauličkom krugu. Rade na istom načelu: tlak ulja djeluje na površinu zatvarača (kuglice, stošca ili klipa) i stvara silu koja se uspoređuje sa silom namještene opruge. Kad sila tlaka nadvlada silu opruge, zatvarač se pomakne i otvori ili prigušuje put ulju. Namještanjem prednapona opruge vijkom namješta se tlak pri kojem ventil djeluje.

Prema osnovnom položaju tlačni ventili dijele se na dvije skupine:

• normalno zatvoreni — u mirovanju ne propuštaju; otvaraju se kad ulazni (ili vanjski upravljački) tlak dosegne namještenu vrijednost. To su sigurnosni, redoslijedni (proslijedni), protuteretni (kočni) i rasteretni ventil;
• normalno otvoreni — u mirovanju propuštaju; prigušuju ili zatvaraju kad izlazni tlak dosegne namještenu vrijednost. To je redukcijski ventil (regulator tlaka).

U simbolu po ISO 1219 tlačni ventil je kvadrat s jednom strelicom. Ako je strelica pomaknuta u stranu od priključaka, ventil je normalno zatvoren; ako spaja priključke u osi, normalno je otvoren. Opruga s kosom strelicom znači da je tlak podesiv, a iscrtkani upravljački vod pokazuje s koje strane ventil „osjeća" tlak — s ulaza (sigurnosni, redoslijedni) ili s izlaza (redukcijski).

Hidraulički tlačni ventili razlikuju se od pneumatskih po tome što ulje koje propuste ne izlazi u okolinu nego se vodom vraća u spremnik, i po tome što u hidraulici svaki bar koji se „odreže" na ventilu pri protoku znači toplinu u ulju. Ta toplina je glavna tema ove jedinice.

Sigurnosni ventil izravnog djelovanja

Sigurnosni ventil (ventil za ograničenje tlaka) ugrađuje se u svaki hidraulički krug s crpkom stalnog protoka, neposredno iza crpke, između tlačnog voda P i povratnog voda T. Zupčasta crpka potiskuje ulje neovisno o otporu; kad bi se tlačni vod zatvorio (cilindar na kraju hoda, zatvoren razvodnik), tlak bi rastao dok ne pukne crijevo, kućište crpke ili dok ne stane elektromotor. Sigurnosni ventil otvara put prema spremniku i ograničava najveći tlak u sustavu.

Kod izravno upravljanog ventila tlak s ulaza djeluje izravno na zatvarač, a suprotstavlja mu se samo opruga. Sila opruge mora biti jednaka sili tlaka: pri 160 bar i sjedištu promjera 8 mm to je 16 N/mm² · 50,3 mm² ≈ 800 N. Zbog toga su izravno upravljani ventili pogodni za manje protoke i manje nazivne veličine; za velike protoke i tlakove opruga bi bila prevelika, a ventil bi bio sklon titranju. Prednost im je vrlo brz odziv: otvaraju se u nekoliko milisekundi, pa dobro prigušuju tlačne udare. Zato se koriste i kao ventili za zaštitu od udara (npr. u križnom spoju motora, jedinica 6.2).

Sigurnosni ventil mora biti dimenzioniran na cijeli protok crpke, jer u najgorem slučaju sve ulje prolazi kroz njega. Kod HP-1 to je 22,0 l/min pri 160 bar. Tlak se namješta pri puštanju u rad uz manometar: cilindar se dovede na kraj hoda, razvodnik se drži uključen, a vijak ventila okreće dok manometar ne pokaže zadani tlak. Vijak se zatim osigura protumaticom ili plombom.

Predupravljani sigurnosni ventil

Za veće protoke koristi se predupravljani (dvostupanjski) sigurnosni ventil. Sastoji se od glavnog stupnja s velikim klipom i slabom oprugom te malog upravljačkog (pilot) stupnja — izravno upravljanog ventila s jakom, podesivom oprugom. Ulje s ulaza P kroz malu prigušnicu (sapnicu) u glavnom klipu dolazi u prostor iznad klipa, pa je glavni klip s obje strane pod istim tlakom i slaba ga opruga drži zatvorenim.

Kad tlak dosegne vrijednost namještenu na pilot-ventilu, pilot se otvori i propusti malu količinu ulja u spremnik. Kroz prigušnicu tada struji ulje, na njoj nastaje pad tlaka i tlak iznad glavnog klipa postane manji od tlaka ispod njega. Razlika tlakova podigne glavni klip, koji otvori veliki put P→T. Tlak u sustavu ostaje gotovo jednak tlaku namještenom na pilotu, neovisno o protoku.

Predupravljani ventil ima još jednu korisnu mogućnost: prostor iznad glavnog klipa izveden je na priključak X. Ako se X spoji s drugim, udaljenim pilot-ventilom, tlak se može namještati daljinski ili birati između dvije razine. Ako se X preko malog elektromagnetskog razvodnika spoji sa spremnikom, glavni klip se otvori već pri nekoliko bar i crpka je rasterećena — tako predupravljani sigurnosni ventil preuzima i ulogu rasteretnog ventila.

Karakteristika p–Q sigurnosnog ventila

Idealan sigurnosni ventil držao bi tlak točno na namještenoj vrijednosti za svaki protok. Stvarni ventil to ne može: da bi propustio veći protok, zatvarač se mora više otvoriti, a to znači više stlačiti oprugu i povećati silu, dakle i tlak. Karakteristika p–Q prikazuje tlak na ulazu ventila u ovisnosti o protoku koji ventil propušta (slika 6.4.3).

• tlak otvaranja p_o — tlak pri kojem ventil počne propuštati prve kapi;
• tlak pri punom protoku — tlak pri kojem ventil propušta cijeli protok crpke; na tu se vrijednost ventil namješta;
• strmina — porast tlaka od p_o do punog protoka; manja strmina znači bolji ventil;
• histereza — pri smanjivanju protoka tlak je nešto niži nego pri povećavanju, zbog trenja zatvarača.

Praktična posljedica je važna. Kod izravno upravljanog ventila na slici, dok žig preše HP-1 pritišće obradak, tlak u cilindru već od oko 140 bar raste sve sporije jer dio ulja počne otjecati preko ventila. Sila prešanja 80,4 kN (pri 160 bar) postiže se tek kad cilindar sasvim stane i sav protok ode preko ventila. Kod predupravljanog ventila taj je „rani gubitak" protoka mnogo manji. Karakteristika se u praksi snima na ispitnoj ploči s protokomjerom i manometrom (vježba „Karakteristika sigurnosnog ventila").

Pri naglom zatvaranju razvodnika tlak kratko prebaci namještenu vrijednost (prekoračenje tlaka) jer zatvarač ima masu i treba mu vrijeme da se otvori. Izravno upravljani ventili zbog brzog odziva imaju manje prekoračenje od predupravljanih.

Redukcijski i redoslijedni ventil

Redukcijski ventil (regulator tlaka) održava na izlazu A stalni tlak niži od tlaka u glavnom vodu P, neovisno o promjenama ulaznog tlaka. Potreban je kad jedan potrošač treba manji tlak od ostatka kruga: stezni cilindar koji ne smije zgnječiti tankostijeni obradak, hidraulički motor posmaka, upravljački krug predupravljanih ventila. Ventil je normalno otvoren; tlak s izlaza vodi se na zatvarač i, kad dosegne namještenu vrijednost, ventil prigušuje dovod dok tlak na A ne ostane na toj vrijednosti.

Dvograni redukcijski ventil (P, A i drenaža) samo prigušuje dovod. Ako vanjska sila potisne cilindar i tlak na A poraste iznad namještenog, dvograni ventil to ne može smanjiti — samo se zatvori. Trograni redukcijski ventil ima i treći put A→T: kad tlak na A poraste iznad namještenog, otvara se prema spremniku i vraća tlak na zadanu vrijednost. Trograni ventil koristi se gdje izvršni element mora držati točno određenu silu i pri vanjskom potiskivanju, npr. kod steznih naprava s toplinskim istezanjem obratka.

Redoslijedni (proslijedni) ventil je građen kao sigurnosni ventil, ali izlaz mu nije spojen sa spremnikom nego s drugim potrošačem. Otvara se kad ulazni tlak dosegne namještenu vrijednost i tada „proslijedi" ulje dalje. Tako se dva cilindra pokreću jedan za drugim bez električnog upravljanja: prvi se giba dok ne naleti na otpor, tlak naraste i redoslijedni ventil propusti ulje drugom. Budući da je izlaz pod tlakom, opružni prostor ventila mora imati vanjsku drenažu (L) u spremnik — inače bi se tlak s izlaza zbrajao sa silom opruge. Za povratni hod ugrađuje se obilazni nepovratni ventil.

Primjer. Uzmimo da se preša HP-1 proširi steznim cilindrom Ø40/22 mm koji prije prešanja pritisne lim. Redukcijski ventil ispred steznog cilindra namjesti se na 40 bar, što daje silu stezanja 4 N/mm² · 1257 mm² ≈ 5,0 kN. Redoslijedni ventil ispred glavnog cilindra namjesti se na 50 bar: dok se stezni cilindar giba, tlak je nizak; kad stegne lim, tlak u vodu P poraste, redoslijedni ventil se otvori i tek tada krene žig preše. Redoslijed „prvo stegni, onda preši" osiguran je hidraulički.

Protuteretni (kočni) i rasteretni ventil

Protuteretni ventil ugrađuje se u izlazni vod cilindra ili motora kad teret djeluje u smjeru gibanja („vuče" izvršni element). Bez njega bi okomiti žig preše pri spuštanju pao brže nego što crpka dobavlja ulje, u prostoru klipa bi nastao podtlak i kavitacija, a teret bi se nekontrolirano ubrzao. Protuteretni ventil drži u izlaznom vodu protutlak nešto veći od tlaka koji stvara teret, pa se teret spušta samo onoliko koliko ga crpka „gura". Za povratni smjer ima obilazni nepovratni ventil.

Kod HP-1 žig s alatom, uzmimo mase 400 kg, visi na klipnjači i u prstenastom prostoru stvara tlak 400 · 9,81 / 3063 mm² = 1,28 N/mm² = 12,8 bar. Protuteretni ventil namješta se okvirno 1,3 puta iznad tlaka od tereta, dakle zaokruženo na 20 bar. Pri prešanju taj protutlak djeluje protiv sile: 20 bar na 30,63 cm² daje 6,1 kN protusile, od čega težina žiga (3,9 kN) nadoknađuje veći dio. Kočni ventil s vanjskim upravljanjem (predupravljani protuteretni ventil) dodatno dobiva upravljački tlak iz dovodnog voda i otvara se kad crpka tlači, pa gubitak pri prešanju bude manji; kod motora vitla i vozila taj se ventil zove kočni ventil (jedinica 6.2).

Rasteretni ventil je normalno zatvoreni tlačni ventil kojim upravlja vanjski tlak (priključak X), a ne tlak na njegovu ulazu. Kad vanjski tlak dosegne namještenu vrijednost, ventil potpuno otvori put crpke prema spremniku, pa crpka radi gotovo bez tlaka. Tipične primjene:

• krug s akumulatorom — kad akumulator dosegne gornji tlak, rasteretni ventil rastereti crpku, a nepovratni ventil drži akumulator pod tlakom (akumulator HP-1 s predtlakom 90 bar iz jedinice 5.7);
• dvije crpke (brzi hod i prešanje) — velika crpka niskog tlaka i mala crpka visokog tlaka zajedno daju brzi prilaz alata; kad tlak naraste (npr. iznad 40 bar), rasteretni ventil rastereti veliku crpku i prešanje nastavlja samo mala crpka, uz manji elektromotor.

Tlačni ventili u krugu HP-1

Pregled tlačnih ventila za prešu HP-1 i njezino moguće proširenje, s namještenim vrijednostima iz primjera ove jedinice (za proširenje su vrijednosti uzete):

Iz tablice se vidi zašto je rasterećenje crpke važno. Ako preša stoji s uključenim razvodnikom ili sa zatvorenim srednjim položajem, svih 22,0 l/min prolazi preko sigurnosnog ventila pri 160 bar. Snaga p · Q tada se u potpunosti pretvara u toplinu ulja, jer ulje ne obavlja nikakav rad.

Računski prikaz: gubitak snage i zagrijavanje ulja

Kad ulje prolazi preko sigurnosnog ventila, cijeli pad tlaka od radnog tlaka na tlak u spremniku pretvara se u toplinu:

P_g = p · Q     ΔT / Δt = P_g / (m · c),   m = ρ · V

Računski prikaz uzima gustoću ulja HLP 46 ρ = 0,87 kg/l i specifični toplinski kapacitet c = 1,88 kJ/(kg·K). Računa se s najnepovoljnijim slučajem: sva toplina ostaje u ulju, bez odvođenja preko stijenki spremnika, cijevi i hladnjaka. Stvarno zagrijavanje je sporije, ali red veličine je točan.

Za HP-1 (22,0 l/min, 160 bar, spremnik 63 l) gubitak snage je 160 · 22,0 / 600 = 5,87 kW (s točnijih 22,04 l/min izlazi 5,88 kW, koliko iznosi i hidraulička snaga crpke). Gotovo cijela snaga elektromotora odlazi u toplinu. Ulje mase 54,8 kg zagrijava se tada oko 3,4 K u minuti: za manje od šest minuta temperatura poraste za 20 K, npr. s 40 °C na 60 °C, a za deset minuta za 34 K. Kad se crpka rastereti optočnim srednjim položajem razvodnika pri, uzmimo, 5 bar, gubitak padne na 5 · 22,0 / 600 ≈ 0,18 kW — tridesetak puta manje. To je najjednostavnija i najjeftinija mjera protiv pregrijavanja ulja.

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:

• V30 Karakteristika sigurnosnog ventila · 2 sata
• V37 Proslijedno tlačno upravljanje s dva cilindra · 2 sata