Hidraulički protočni ventili

Zadaća protočnih ventila i fizika prigušnog mjesta

Crpka s konstantnim radnim volumenom daje uvijek približno isti protok — kod preše HP-1 to je 22,0 l/min. Da bi se brzina cilindra ili hidrauličkog motora mogla mijenjati, protok prema izvršnom elementu treba smanjiti, a višak ulja vratiti u spremnik. Upravo to rade protočni ventili: na mjestu ugradnje stvaraju suženje presjeka i time određuju koliki dio protoka prolazi prema potrošaču. Tlačni ventili iz prethodne jedinice upravljaju tlakom, razvodnici smjerom, a protočni ventili brzinom.

Osnova svih protočnih ventila je prigušno mjesto: kratko suženje kroz koje ulje ubrzava, a zatim se iza njega vrtloži i gubi dio energije. Za kratko suženje oštrih bridova vrijedi izraz izveden iz Bernoullijeve jednadžbe i jednadžbe kontinuiteta:

Q = α · A · √(2 · Δp / ρ)

gdje je Q protok u m³/s, A površina otvora u m², Δp pad tlaka na prigušnom mjestu u Pa, ρ gustoća ulja (za mineralno ulje HLP 46 uzmimo 870 kg/m³), a α koeficijent protoka kojim se obuhvaćaju suženje mlaza i trenje. Za oštre bridove α se obično kreće oko 0,6 do 0,7; za zaobljeni ulaz može biti i veći.

Iz izraza se odmah vide tri praktične posljedice. Prvo, protok raste s površinom otvora linearno — dvostruko veći otvor daje dvostruko veći protok pri istom padu tlaka. Drugo, protok raste samo s korijenom pada tlaka: da bi se protok udvostručio, pad tlaka mora porasti četiri puta. Treće, i za upravljanje najvažnije, protok ovisi o padu tlaka, a pad tlaka ovisi o opterećenju. Ako se na klipnjaču doda teret, tlak u cilindru poraste, pad tlaka na prigušnici se smanji i cilindar uspori, iako nitko nije dirao vijak prigušnog ventila.

Energija koju ulje izgubi na prigušnom mjestu ne nestaje: pretvara se u toplinu. Snaga gubitka jednaka je umnošku pada tlaka i protoka, P = Δp · Q. Kod hidraulike to nije sitnica — 20 bar pada tlaka pri 8,3 l/min znači gotovo 0,3 kW topline samo na prigušnici, a mnogo veći dio, kao što će se vidjeti u nastavku, odlazi kroz sigurnosni ventil.

Prigušnica i zaslon: utjecaj viskoznosti i temperature

Prigušna mjesta dijele se po obliku na dvije skupine. Prigušnica u užem smislu je dugo i usko suženje — na primjer uski prstenasti raspor oko igle ili dugi kanal malog promjera. U njoj prevladava trenje uz stijenke, strujanje je blizu laminarnog i protok približno raste s padom tlaka linearno, a opada s viskoznošću: Q ~ Δp / ν. Zaslon (sapnica, blenda) je kratko suženje oštrog brida, dulje tek koliko je debljina lima. Kod njega prevladava ubrzanje mlaza, vrijedi izraz s korijenom iz prethodnog odjeljka, a viskoznost na protok gotovo ne utječe.

Razlika postaje vidljiva kad se ulje zagrije. Viskoznost ulja HLP 46 na 40 °C iznosi 46 mm²/s, a na 60 °C otprilike je upola manja. Kod duge prigušnice protok bi pri istom padu tlaka tada porastao gotovo dvostruko, pa bi preša koja je ujutro, s hladnim uljem, radila mirno, poslijepodne išla primjetno brže. Kod zaslona oštrog brida promjena je tek nekoliko postotaka.

Temperaturna kompenzacija kod regulatora protoka postiže se na dva načina. Prvi je upravo izvedba mjernog mjesta kao zaslona oštrog brida, čiji protok gotovo ne ovisi o viskoznosti. Drugi je mehanički: element od materijala s velikim toplinskim istezanjem (npr. štapić ili bimetal) pri porastu temperature malo zatvara mjerni otvor i tako nadoknađuje smanjenje viskoznosti. U katalozima proizvođača takvi regulatori nose oznaku da su temperaturno kompenzirani, uz podatak o odstupanju protoka u zadanom rasponu temperature.

Prigušni i prigušno-nepovratni ventil

Prigušni ventil je podesivo prigušno mjesto. Najčešća je izvedba s iglom: konusni vrh igle ulazi u sjedište i vijkom se namješta širina prstenastog raspora. Za finije namještanje i veće protoke upotrebljavaju se izvedbe sa zasunom s utorom trokutastog presjeka ili s rotacijskim čahurama koje se okretanjem djelomično poklapaju. Dobra izvedba ima dug hod namještanja (više okretaja vijka od potpuno zatvorenog do potpuno otvorenog), skalu i mogućnost blokiranja protiv neovlaštene promjene.

Prigušni ventil prigušuje u oba smjera. U većini sklopova to nije poželjno: brzina se želi ograničiti, na primjer, samo pri izvlačenju, dok se u povratnom hodu ulje treba slobodno vratiti. Zato se prigušnom mjestu paralelno dodaje nepovratni ventil i dobiva se prigušno-nepovratni ventil. U jednom smjeru nepovratni ventil je zatvoren i ulje mora kroz prigušnicu; u suprotnom se kuglica ili stožac odižu i ulje prolazi gotovo bez otpora.

Prigušno-nepovratni ventili ugrađuju se kao zasebni ventili u vod, kao ploče u slogu ventila (sendvič izvedba ispod razvodnika) ili kao ugradbeni uložci u blok. Kod sendvič izvedbe često se u istom kućištu nalaze dva prigušno-nepovratna ventila, po jedan za vod A i vod B, pa se brzina može zasebno namjestiti za oba smjera gibanja.

Pri crtanju sheme vodite računa o smjeru nepovratnog ventila. Na simbolu slobodan protok ide od vrha stošca prema kuglici, odnosno u smjeru u kojem ulje odiže kuglicu sa sjedišta. Zamijenjeni smjer ugradnje česta je greška na montaži: cilindar se tada prigušuje u pogrešnom smjeru, a u drugom smjeru ide punom brzinom.

Regulator protoka: dvograni i trograni

Da bi protok ostao stalan neovisno o opterećenju, pad tlaka na mjernom prigušnom mjestu mora biti stalan. To osigurava tlačna vaga (tlačni kompenzator): klizni zasun kojeg s jedne strane opterećuju opruga i tlak iza mjerne prigušnice, a s druge strane tlak ispred nje. Zasun se sam namješta tako da razlika tih dvaju tlakova uvijek bude jednaka sili opruge podijeljenoj s površinom zasuna — tipično 4 do 10 bar, ovisno o izvedbi. Kada opterećenje poraste, tlak iza mjerne prigušnice raste, zasun se pomakne i otvori više, pa se pad tlaka na mjernoj prigušnici vrati na zadanu vrijednost.

Dvograni regulator protoka ima dva priključka, ulaz i izlaz. Tlačna vaga u njemu spojena je u seriju s mjernom prigušnicom i višak tlaka jednostavno „prigušuje“ na sebi. Višak protoka koji ne prođe regulatorom mora otići kroz sigurnosni ventil. Dvograni regulator može se ugraditi na ulaz, na izlaz ili u obilazni vod, a u sendvič izvedbi često ima i paralelni nepovratni ventil za slobodan povratni tok.

Trograni regulator protoka ima i treći priključak, prema spremniku. Tlačna vaga u njemu spojena je paralelno i višak protoka propušta izravno u spremnik, i to pri tlaku koji je tek za pad tlaka na mjernoj prigušnici viši od tlaka opterećenja. Crpka zato ne radi na tlaku sigurnosnog ventila, nego na tlaku koji je potreban u tom trenutku, pa su gubici znatno manji. Trograni regulator smije biti samo na ulazu, izravno iza crpke, jer ga mora protjecati cijeli protok crpke. U jednom sustavu s jednom crpkom može upravljati samo jednim potrošačem u isto vrijeme.

Slika 6.5.3 pokazuje bitnu razliku. Ispod najmanjeg pada tlaka (Δp min) regulator se ponaša kao obična prigušnica, jer tlačna vaga nema što regulirati — potpuno je otvorena. Iznad te granice protok ostaje gotovo stalan. Zato proizvođači za svaki regulator navode najmanji potrebni pad tlaka na cijelom ventilu, npr. 6 do 12 bar; ako ga sustav ne može osigurati, regulator neće regulirati. Pri odabiru se provjerava i najmanji stabilni protok: pri vrlo malim protocima mjerno mjesto je toliko usko da se lako začepljuje, pa se za puzne brzine traži čišće ulje i manji regulator.

Spojevi: na ulazu, na izlazu, u obilaznom vodu

Isti prigušni ventil ili regulator protoka može se u sklop ugraditi na tri načina. Svaki ima svoje mjesto u praksi i svaki se ponaša drukčije kad se opterećenje promijeni ili promijeni predznak.

Prigušenje na ulazu (primarno prigušenje) smješta prigušnicu u dovodni vod prema cilindru. Crpka radi na tlaku sigurnosnog ventila, dio protoka prolazi prigušnicom, a višak odlazi preko sigurnosnog ventila. Prostor klipnjače je rasterećen prema spremniku. Takav spoj je jednostavan i dobro radi dok teret pruža otpor gibanju. Ako teret počne „vući“ klipnjaču (vučno ili negativno opterećenje — na primjer vertikalni cilindar koji spušta teret), klip može pobjeći naprijed brže nego što ulje dotječe; u klipnom prostoru tada nastaje podtlak i ulje se odvaja od otopljenog zraka (kavitacija).

Prigušenje na izlazu (sekundarno prigušenje) smješta prigušnicu u odvodni vod iz cilindra. Klip je tada „uklješten“ između punog tlaka s jedne strane i protutlaka pred prigušnicom s druge. Gibanje je mirnije, cilindar ne može pobjeći ni pod vučnim teretom, a toplina koja nastaje na prigušnici odlazi izravno u spremnik, ne kroz cilindar. Zato je to najčešći spoj kod alatnih strojeva i preša. Nedostatak je pojačanje tlaka: pri izvlačenju prigušenom na strani klipnjače, tlak u prostoru klipnjače može narasti do umnoška tlaka crpke i omjera površina. Za HP-1 taj omjer iznosi 50,27 / 30,63 ≈ 1,64, pa bi pri neopterećenoj klipnjači i sigurnosnom ventilu na 160 bar tlak u prostoru klipnjače mogao doseći oko 263 bar. Brtve, cijevi i prigušni ventil na toj strani moraju to podnijeti.

Prigušenje u obilaznom vodu (paralelno prigušenje) odvodi dio protoka crpke kroz prigušnicu izravno u spremnik, a ostatak ide cilindru. Crpka radi na tlaku opterećenja, sigurnosni ventil je zatvoren i služi samo kao zaštita, pa su gubici najmanji od sva tri spoja. Međutim, brzina cilindra jednaka je razlici protoka crpke i protoka kroz prigušnicu, a oba ovise o tlaku: protok kroz prigušnicu ovisi o tlaku opterećenja, a stvarni protok crpke o volumetrijskom stupnju djelovanja. Točnost je zato najslabija, a cilindar ne može biti zaštićen od vučnog tereta.

Gubici snage i zagrijavanje ulja

Upravljanje brzinom prigušivanjem je jednostavno i jeftino, ali energetski rastrošno. Crpka s konstantnim radnim volumenom daje uvijek pun protok; ako je cilindru potrebna tek trećina, preostale dvije trećine, kod prigušenja na ulazu ili izlazu, prolaze kroz sigurnosni ventil pri punom tlaku. Sva ta snaga pretvara se u toplinu u ulju.

Uzmimo prešu HP-1 s prigušenjem na ulazu, namještenim tako da prigušnica propušta 8,3 l/min pri padu tlaka 20 bar. Crpka daje 22,0 l/min pri 160 bar, dakle hidrauličku snagu 160 · 22,0 / 600 ≈ 5,87 kW. Tlak u cilindru iznosi 160 − 20 = 140 bar, a korisna snaga cilindra 140 · 8,3 / 600 ≈ 1,94 kW. Razlika od oko 3,93 kW — dvije trećine snage crpke — odlazi u toplinu: približno 3,65 kW na sigurnosnom ventilu i 0,28 kW na prigušnici.

Koliko to zagrijava ulje? Spremnik HP-1 od 63 l s uljem gustoće 870 kg/m³ i specifičnog toplinskog kapaciteta oko 1,9 kJ/(kg·K) ima toplinski kapacitet oko 104 kJ/K. Bez ikakvog odvođenja topline 3,93 kW podiglo bi temperaturu ulja za oko 2,3 °C u minuti, odnosno za dvadesetak minuta rada za oko 45 °C. U stvarnosti spremnik i cijevi dio topline predaju okolini, no to je upravo razlog zbog kojeg sustavi s dugim prigušenim hodovima dobivaju izmjenjivač topline (jedinica 6.7) ili se preuređuju na povoljniji spoj.

Mjere za smanjenje gubitaka, redom od najjednostavnije: prigušenje u obilaznom vodu tamo gdje točnost nije presudna; trograni regulator protoka umjesto dvogranog; rasterećenje crpke u mirovanju (razvodnik s optočnim srednjim položajem); dvije crpke ili dvostruka crpka za brzi i spori hod; te na kraju crpka s promjenjivim radnim volumenom i regulacijom po opterećenju, koja daje upravo onoliko ulja koliko je potrebno.

Računski prikaz: protok kroz prigušnicu i brzina cilindra HP-1

Računski prikaz računa protok kroz kružni otvor promjera d pri padu tlaka Δp i koeficijentu protoka α, uz gustoću ulja 870 kg/m³. Za odabrani spoj izračunava brzinu izvlačenja cilindra HP-1 (Ø80/50 mm, crpka 22,0 l/min, sigurnosni ventil 160 bar), protok koji odlazi kroz sigurnosni ventil i ukupni gubitak snage. Kod obilaznog voda Δp je jednak tlaku opterećenja, jer prigušnica spaja tlačni vod izravno sa spremnikom.

Za zadane vrijednosti (otvor 2 mm, Δp = 20 bar, α = 0,65, prigušenje na ulazu) protok kroz prigušnicu je oko 8,3 l/min, a brzina izvlačenja oko 27,5 mm/s — tek nešto više od trećine brzine koju cilindar postiže punim protokom crpke (73 mm/s). Kroz sigurnosni ventil odlazi 13,7 l/min, a ukupni gubitak iznosi oko 3,9 kW. Isti otvor na izlazu iz prostora klipnjače daje veću brzinu (oko 45 mm/s), jer prstenasta površina od 30,63 cm² istiskuje manje ulja po milimetru hoda. U obilaznom vodu, uz tlak opterećenja od 20 bar, gubitak pada na oko 0,28 kW — ali brzina će se promijeniti čim se promijeni teret. Promijenite promjer na 3 mm i promatrajte kako višak protoka i gubici padaju, a točnost namještanja postaje sve grublja.

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:

• V39 Upravljanje ovisno o putu i brzini · 2 sata