Hidraulički zaporni ventili

Zadaća zapornih ventila i nepovratni ventil

Zaporni ventili propuštaju protok u jednom smjeru, a u suprotnom ga zapiru. U hidraulici se gotovo uvijek izvode kao sjedišni ventili: zaporni element (kuglica, stožac ili pločica) naliježe na sjedište i tlak ga sam pritišće na brtvenu površinu. Što je tlak veći, to je brtvljenje bolje. Po tome se bitno razlikuju od razvodnika s klipnim zasunom, kod kojih između zasuna i kućišta uvijek postoji mali zazor od nekoliko mikrometara i kroz njega stalno procuri malo ulja.

Nepovratni ventil najjednostavniji je zaporni ventil. Kad je tlak na ulazu A veći od tlaka na izlazu B, zaporni element se odiže sa sjedišta i ulje prolazi. Kad se tlakovi izjednače ili tlak na strani B postane veći, zaporni element se vraća na sjedište i zatvara. Kuglica je jeftina i samocentrirajuća, ali se pri velikim brzinama strujanja može rotirati i trošiti sjedište. Stožac s vođenjem ima mirniji rad, bolje brtvljenje i manji pad tlaka pri istom promjeru, pa se primjenjuje kod većih protoka i tlakova.

Većina nepovratnih ventila ima oprugu koja zaporni element drži na sjedištu i kad nema tlaka. Sila opruge određuje tlak otvaranja — najmanju razliku tlakova koja će ventil otvoriti. Za običnu primjenu to je 0,3 do 0,5 bar. Jače opruge, npr. 3 do 5 bar, namjerno se biraju kad ventil treba stvarati predtlak: u povratnom vodu, da cilindar ne ostane prazan i ne usisava zrak, ili kao obilazni ventil uz povratni filtar, koji se otvori tek kad začepljeni uložak stvori prevelik otpor.

Tipične primjene nepovratnih ventila su: zaštita crpke od povratnog toka kad se zaustavi; odvajanje dviju crpki koje rade na isti vod; slobodan povratni tok uz prigušni ventil (jedinica 6.5); zaobilaženje filtra ili izmjenjivača topline pri hladnom pokretanju te punjenje akumulatora bez njegova pražnjenja natrag prema crpki. U svakom od tih slučajeva provjerava se smjer ugradnje: na simbolu slobodan protok ide od vrha sjedišta prema kuglici, a na kućištu ga označava strelica.

Deblokirajući nepovratni ventil i omjer deblokiranja

Deblokirajući nepovratni ventil (hidraulički upravljani nepovratni ventil) u slobodnom smjeru radi kao običan nepovratni ventil. U zapornom smjeru se može namjerno otvoriti tlakom na upravljačkom priključku X. Taj tlak djeluje na upravljački klip koji je znatno veći od sjedišta i preko potiskivača odiže stožac, pa ulje može teći natrag, iz cilindra prema razvodniku.

Da bi se stožac odignuo, sila na upravljačkom klipu mora nadvladati silu kojom tlak iz cilindra i opruga drže stožac na sjedištu. Uz zanemarenu silu opruge i tlak na priključku A blizu nule vrijedi:

pX · AX ≥ pB · A1   ⇒   pX ≥ pB / φ,   gdje je φ = AX / A1

Omjer površina φ zove se omjer deblokiranja i kataloški se navodi kao 1 : φ, na primjer 1 : 3 ili 1 : 5. Za uobičajene izvedbe kreće se između 1 : 3 i 1 : 5. Kad tlak na priključku A nije zanemariv (protutlak prema razvodniku i spremniku), on kod izvedbe s unutarnjim odvođenjem djeluje i na stražnju stranu upravljačkog klipa, pa potreban tlak raste:

pX ≥ pB / φ + pA · (1 − 1/φ)

Ako je protutlak na strani A velik ili promjenjiv, bira se izvedba s vanjskim odvođenjem: prostor iza upravljačkog klipa ima vlastiti priključak Y koji se zasebnim vodom spaja sa spremnikom. Tada protutlak u vodu A gotovo ne utječe na otvaranje.

Kod velikih tlakova i volumena u zatvorenom prostoru naglo otvaranje glavnog stošca uzrokuje tlačni udar: stlačeno ulje u cilindru i crijevima (jedinica 5.2, stlačivost) odjednom se rastereti. Zato postoje izvedbe s predrasterećenjem (dekompresijom). Potiskivač najprije otvori mali pomoćni stožac u glavnom stošcu, tlak u cilindru se polagano snizi, a tek zatim se odiže glavni stožac. Takve izvedbe imaju i znatno veći omjer deblokiranja za pomoćni stožac, npr. 1 : 10 ili više, pa se ventil otvara već pri malom upravljačkom tlaku.

Dvostruki deblokirajući nepovratni ventil

Dvostruki deblokirajući nepovratni ventil u jednom kućištu ima dva deblokirajuća nepovratna ventila, po jedan za svaki radni vod cilindra, i zajednički upravljački klip između njih. Tlak u vodu A otvara ventil u vodu B i obrnuto. Kada razvodnik šalje ulje u klipni prostor, taj tlak istodobno otvara izlaz iz prostora klipnjače; pri obrnutom smjeru događa se suprotno. U mirovanju su oba voda zatvorena i klip je hidraulički uklješten između dvaju stupaca ulja (jedinica 6.8).

Uvjet za pouzdano zatvaranje je da u srednjem položaju razvodnika oba radna voda budu rasterećena prema spremniku. Razvodnik 4/3 sa zatvorenim srednjim položajem ovdje nije dobar izbor: ulje koje kroz zazor zasuna procuri iz priključka P u vod A ili B može podignuti upravljački tlak toliko da se ventil djelomično otvori, a cilindar tada polagano klizi. Pravilan izbor je srednji položaj u kojem su A i B spojeni s T, a P je zatvoren ili spojen s T (optočni položaj).

Držanje tereta bez propuštanja: primjer preše HP-1

Pretpostavimo da je cilindar preše HP-1 ugrađen okomito, s klipnjačom prema dolje, i da o njemu visi pomični stol s alatom mase 1500 kg. Težina od 14,7 kN djeluje na ulje u prostoru klipnjače s prstenastom površinom 30,63 cm², pa u tom prostoru vlada tlak od oko 48 bar i kad crpka ne radi. Ako se stol drži samo razvodnikom, a zasun uz taj tlak propušta, uzmimo, 5 cm³/min, stol će se spuštati oko 1,6 mm u minuti, odnosno gotovo 10 cm na sat. Za prešu kojoj se u stanci mijenja alat to je neprihvatljivo.

Rješenje sa slike 6.6.3 je deblokirajući nepovratni ventil u vodu B, s upravljačkim priključkom X spojenim na vod A. Pri podizanju stola ulje iz razvodnika slobodno prolazi kroz ventil u prostor klipnjače. U srednjem položaju razvodnika oba su voda rasterećena, ventil zatvara i stol stoji. Pri spuštanju razvodnik šalje ulje u vod A; tlak u klipnom prostoru i u upravljačkom vodu raste dok ne otvori ventil, a zatim stol počinje silaziti.

Ovdje se krije važna pojedinost. Kad tlak raste u klipnom prostoru, on potiskuje klip prema dolje i time dodatno tlači ulje zatvoreno u prostoru klipnjače. Tlak ispod stošca više nije 48 bar, nego raste zajedno s upravljačkim tlakom, i to s omjerom površina cilindra 50,27 / 30,63 ≈ 1,64. Ventil se zato otvara tek pri znatno višem tlaku nego što bi dala jednostavna formula, a ako je omjer deblokiranja manji od omjera površina cilindra, ne otvara se nikada. Točan iznos daje računski prikaz ove jedinice.

Drugi problem je trzanje pri spuštanju. Čim se ventil otvori, stol krene, tlak u klipnom prostoru padne jer ga crpka ne stiže puniti, upravljački tlak nestane i ventil se zatvori; zatim sve kreće ispočetka. Zato se kod vučnih tereta u vod B, između ventila i razvodnika, dodaje prigušni ventil na izlazu, koji održava protutlak i upravljački tlak. Za veće i brže terete bolje je rješenje protuteretni ventil (jedinica 6.4), koji spuštanje regulira tlakom, a ne samo otvara i zatvara.

Ispunski ventil kod preša

Velike hidrauličke preše imaju cilindre promjera nekoliko stotina milimetara. Cilindar promjera 300 mm koji se spušta brzinom 200 mm/s treba u klipni prostor oko 850 l/min ulja; crpka takvog protoka bila bi golema, a u radnom hodu, kada su brzine male, bila bi gotovo sve vrijeme neiskorištena. Zato se za brzi spust koristi težina pomičnog dijela preše i ispunski ventil (ventil za punjenje).

Ispunski ventil je veliki deblokirajući nepovratni ventil između gornjeg spremnika, smještenog iznad cilindra, i klipnog prostora. Pri brzom spustu stol pada pod vlastitom težinom, u klipnom prostoru nastaje blagi podtlak i ispunski ventil se otvara u slobodnom smjeru, pa ulje iz gornjeg spremnika velikim presjekom dotječe u cilindar. Kad alat dodirne obradak, crpka podiže tlak u klipnom prostoru, ispunski ventil se zatvara i prešanje se odvija punim tlakom. Pri povratnom hodu upravljački tlak iz voda prema prostoru klipnjače otvara ispunski ventil u zapornom smjeru i istisnuto ulje vraća se u gornji spremnik.

Preša HP-1 iz primjera ovog područja nema ispunski ventil jer su joj protok i promjer mali, ali princip je isti kao kod diferencijalnog spoja iz jedinice 6.8: brzi hod s malom silom, a zatim spori hod s punom silom, uz crpku koja je dimenzionirana samo za radni hod.

Kuglasta slavina i dvoputni ugradbeni ventili

Kuglasta slavina je ručni zaporni ventil s kuglom kroz koju je izbušen provrt; zakretom ručice za 90° provrt se postavi uzduž ili poprijeko voda. U hidraulici služi za odvajanje dijelova sustava pri održavanju: u usisnom vodu ispod spremnika, ispred akumulatora, na mjernim i ispusnim vodovima. Otvorena slavina ima vrlo mali pad tlaka jer je provrt jednak unutarnjem promjeru cijevi. Slavina nije prigušni ventil: u djelomično otvorenom položaju mlaz oštećuje brtve kugle i ona prestaje brtviti. Slavine u usisnom vodu opremaju se kontaktom koji ne dopušta pokretanje crpke dok je slavina zatvorena.

Dvoputni ugradbeni ventili (logički ventili, ventili u izvedbi uloška) sastoje se od uloška koji se ugrađuje u normiran provrt upravljačkog bloka i poklopca s upravljačkim kanalima. Zaporni element je stožac s tri djelatne površine: površinom A na sjedištu, prstenastom površinom B i površinom X na stražnjoj strani, koja je jednaka zbroju prvih dviju. Omjer površina A i X tipično je između 1 : 1,1 i 1 : 2, ovisno o namjeni. Ako se prostor X rastereti, tlak na A ili B otvara ventil; ako se u X dovede tlak, ventil ostaje zatvoren.

Ovisno o tome kako se poklopcem i malim pilot ventilom upravlja prostorom X, isti uložak radi kao nepovratni, razvodni, tlačni ili, s graničnikom hoda, kao prigušni ventil. Ugradbeni ventili brtve bez propuštanja, imaju vrlo kratka vremena prebacivanja i male padove tlaka pri protocima od nekoliko stotina do više tisuća litara u minuti. Zato su standard u velikim prešama, strojevima za lijevanje pod tlakom i brizganje plastike. Za malu prešu kao što je HP-1 blok s ugradbenim ventilima obično nije isplativ.

Računski prikaz: potreban tlak deblokiranja

Računski prikaz računa tlak kojim teret mase m opterećuje ulje u zatvorenom prostoru cilindra Ø80/50 mm i upravljački tlak potreban za otvaranje deblokirajućeg nepovratnog ventila zadanog omjera deblokiranja. Ako se upravljački tlak uzima iz drugog radnog voda istog cilindra, kao na slici 6.6.3, uzima se u obzir i porast tlaka u zatvorenom prostoru zbog omjera površina. Sila opruge je zanemarena.

Za stol mase 1500 kg obješen na prostoru klipnjače statički tlak iznosi oko 48,0 bar. Da je upravljački tlak doveden iz zasebnog izvora, uz omjer deblokiranja 1 : 3 bilo bi dovoljno 16,0 bar. U spoju sa slike 6.6.3, međutim, tlak u klipnom prostoru istodobno tlači zatvoreno ulje, pa se ventil otvara tek pri upravljačkom tlaku od oko 35,4 bar, kad tlak u prostoru klipnjače naraste na oko 106 bar. Uz omjer 1 : 5 potreban je upravljački tlak od samo oko 14,3 bar, a tlak u prostoru klipnjače pri otvaranju iznosi oko 71,5 bar. Postavite omjer na 1,5 i vidjet ćete da se ventil u tom spoju ne može otvoriti — zato proizvođači za takve primjene nude izvedbe s većim omjerom.

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:

• V33 Deblokirajući nepovratni ventil i razvodnik 4/3 · 2 sata