Diferencijalni spoj, uklješten klip i sinkronizacija

Diferencijalni spoj: princip

U uobičajenom spoju dvoradnog cilindra ulje iz prostora klipnjače pri izvlačenju odlazi kroz razvodnik u spremnik. U diferencijalnom spoju (regenerativnom spoju) taj se prostor umjesto sa spremnikom spaja s tlačnim vodom. Oba prostora cilindra tada su pod istim tlakom, a ulje istisnuto iz prostora klipnjače ne odlazi u spremnik, nego se pribraja protoku crpke i zajedno s njim ulazi u klipni prostor.

Brzina se izvodi iz bilance protoka. U klipni prostor ulazi protok crpke Q i protok iz prostora klipnjače QR = v · AR. Klipni prostor pri brzini v prima v · AK, pa vrijedi Q + v · AR = v · AK. Budući da je razlika klipne i prstenaste površine upravo površina presjeka klipnjače (AK − AR = AS), dobiva se:

v = Q / AS     F = p · AK − p · AR = p · AS

Diferencijalni spoj ponaša se kao da je cilindar zamijenjen cilindrom promjera jednakog promjeru klipnjače: brzina je onoliko puta veća koliko je puta klipna površina veća od površine klipnjače, a sila je onoliko puta manja. Snaga ostaje ista, jer je umnožak sile i brzine i dalje jednak p · Q.

Za cilindar HP-1 (Ø80/50 mm) površina klipnjače iznosi 19,63 cm², a klipna površina 50,27 cm²; omjer je 2,56. Uz protok crpke 22,0 l/min i tlak 160 bar dobiva se:

Iz tablice se vidi i nešto što se često zaboravi: u diferencijalnom spoju kroz vod prema klipnom prostoru teče 56,3 l/min, više od dva i pol puta više nego što daje crpka. Taj vod, i razvodnik ako se spoj ostvaruje u njemu, moraju se dimenzionirati za taj protok, inače pad tlaka pojede velik dio sile.

Primjena: brzo primicanje i prebacivanje na radni hod

Kod preša, steznih naprava i posmičnih jedinica velik dio hoda prolazi se bez otpora: alat se primiče obratku. Tek na zadnjim milimetrima potrebna je puna sila. Diferencijalni spoj omogućuje da se taj prazni hod prijeđe velikom brzinom, a zatim se cilindar prebaci u normalni spoj i preša punom silom. Crpka se pritom dimenzionira za radni hod, a ne za brzo primicanje.

Uzmimo radni ciklus HP-1: 250 mm brzog primicanja, 50 mm prešanja i povratni hod od 300 mm. U normalnom spoju ciklus traje 4,1 s izvlačenja i 2,5 s uvlačenja, ukupno oko 6,6 s. S diferencijalnim spojem za prvih 250 mm (1,34 s) i normalnim za zadnjih 50 mm (0,69 s) izvlačenje traje oko 2,0 s, a cijeli ciklus oko 4,5 s — oko 32 % kraće, bez veće crpke i većeg elektromotora.

Diferencijalni spoj ostvaruje se na nekoliko načina:

• razvodnikom 4/3 s diferencijalnim položajem, u kojem su P, A i B međusobno spojeni, a T je zatvoren; jedan položaj razvodnika daje brzo primicanje, drugi normalni hod;
• dodatnim razvodnikom 2/2 ili 3/2 koji prostor klipnjače prebacuje s tlačnog voda na spremnik, uz nepovratni ventil koji sprječava da ulje iz tlačnog voda ode u spremnik;
• automatski, tlačnim ventilom: redoslijedni ventil ili ventil za rasterećenje (jedinica 6.4) pri porastu tlaka iznad namještene vrijednosti otvori prostor klipnjače prema spremniku, pa se spoj prebaci sam kad alat dodirne obradak.

Pri odabiru točke prebacivanja treba znati da diferencijalni spoj troši više tlaka za istu silu. Ako za brzog primicanja cilindar mora nadvladati otpor od, recimo, 20 kN (vođenje, strugači, težina alata kod okomite preše koja se podiže), u diferencijalnom spoju za to treba oko 102 bar, a u normalnom tek oko 40 bar. Tlak prebacivanja mora zato biti dovoljno iznad tlaka praznog hoda, a dovoljno ispod tlaka sigurnosnog ventila: iznad 31,4 kN otpora diferencijalni spoj HP-1 više ne može gibati klip ni pri 160 bar.

Hidraulički uklješten klip

Hidraulički uklješten klip je cilindar kojemu su oba radna voda zatvorena sjedišnim ventilima, najčešće dvostrukim deblokirajućim nepovratnim ventilom izravno na cilindru. Klip je zarobljen između dvaju stupaca ulja; vanjska sila, bila tlačna ili vlačna, ne može ga pomaknuti, jer ulje nema kamo otići. Takav se sklop primjenjuje kod steznih naprava koje moraju držati obradak i kad se isključi crpka, kod podiznih platformi i dizalica, kod naslona i potpornih nogu mobilnih strojeva te svuda gdje cilindar mora zadržati položaj pod promjenjivim opterećenjem.

Djelovanje je opisano u jedinici 6.6: tlak u vodu A preko unutarnjeg upravljačkog klipa otvara ventil u vodu B i obrnuto, a u srednjem položaju razvodnika, u kojem su A i B spojeni sa spremnikom, oba ventila zatvaraju. Uz dobro održavan cilindar i sjedišne ventile klip može zadržati položaj satima.

Uklješteni klip nije savršeno krut. Ulje je stlačivo, a crijeva se pod tlakom šire, pa se stupac ulja ponaša kao vrlo kruta opruga. Krutost jednog stupca iznosi c = K · A² / V, gdje je K modul stlačivosti ulja, A površina klipa, a V volumen zatvorenog ulja. Za HP-1 na polovici hoda, s po 50 cm³ ulja u vodovima između ventila i cilindra i, uzmimo, K = 1400 N/mm², oba stupca zajedno daju krutost oko 70 N/µm. Dodatna vanjska sila od 10 kN pomaknut će klipnjaču za oko 0,14 mm. S dugim crijevima i zrakom u ulju krutost je višestruko manja; zato se ventili ugrađuju izravno na cilindar, a sustav se pažljivo odzračuje.

Zanimljivo je što se događa s unutarnjim propuštanjem preko brtve klipa kod diferencijalnog cilindra. Kad bi ulje prelazilo iz jednog prostora u drugi, klip bi se, zbog različitih površina, morao pomaknuti tako da se jedan prostor smanji za drugi volumen nego što se drugi poveća, što kod gotovo nestlačivog ulja nije moguće. Propuštanje zato mijenja tlakove, a položaj klipa gotovo ne. Kod cilindra s obostranom klipnjačom, s jednakim površinama, to ne vrijedi: unutarnje propuštanje ondje izravno omogućuje klizanje.

Sinkronizacija više cilindara

Kad dva ili više cilindara zajedno podižu ili potiskuju isti dio — stol preše, platformu, vrata peći — moraju se gibati istodobno i jednako brzo. Ako su samo spojeni paralelno na isti vod, to se neće dogoditi: ulje ide putem najmanjeg otpora, pa se najprije giba cilindar s najmanjim teretom ili trenjem. Stol se nagne, vođenja se zaglave, a u krajnjem slučaju nastaju oštećenja. Sinkronizacija je skup mjera koje osiguravaju jednako gibanje.

Mehanička sinkronizacija povezuje cilindre krutom konstrukcijom: čvrstim stolom s dugim vođenjima, zupčastim letvama i zupčanicima na zajedničkom torzijskom vratilu ili polužjem. Hidraulika tada daje samo silu, a konstrukcija drži istodobnost. Rješenje je jednostavno i vrlo pouzdano, ali za velike razmake i sile konstrukcija postaje teška.

Razdjelnik protoka dijeli dolazni protok na dva ili više jednakih dijelova. Zupčasti razdjelnik sastoji se od dvaju ili više zupčastih motora jednakog radnog volumena na zajedničkom vratilu: budući da se okreću jednako, svaki propušta isti volumen. Točnost je obično nekoliko postotaka i ovisi o razlici opterećenja, jer se pri većoj razlici tlakova mijenja unutarnje propuštanje motora. Ventilski razdjelnik protoka radi s dvama mjernim prigušnim mjestima i tlačnom vagom koja izjednačuje padove tlaka; jeftiniji je, ali manje točan i s većim gubicima.

Serijski spoj spaja prostor klipnjače prvog cilindra s klipnim prostorom drugoga. Ulje koje istisne prvi cilindar puni drugi, pa se oba gibaju jednako ako je prstenasta površina prvog jednaka klipnoj površini drugog. Za prvi cilindar Ø80/50 mm s prstenastom površinom 30,63 cm² drugi bi morao imati promjer klipa 62,45 mm — mjeru koje nema u nizu normiranih promjera. S najbližim cilindrom Ø63 mm (31,17 cm²) drugi bi cilindar na 300 mm hoda zaostao za oko 5,2 mm. Serijski spoj zato traži cilindre izrađene po mjeri ili cilindre s obostranom klipnjačom. Tlakovi se u serijskom spoju zbrajaju: ako svaki cilindar nosi 20 kN, u drugom cilindru vlada oko 64 bar, a u prvom oko 79 bar.

Regulatori protoka u svakom vodu najjednostavnije su rješenje: svaki cilindar dobiva regulator namješten na jednaku brzinu. Točnost ovisi o točnosti namještanja i o regulatorima, a pogreška se zbraja kroz cijeli hod. Proporcionalna tehnika i servohidraulika (modul 7) mjere položaj svakog cilindra mjernim sustavom puta i elektronički ispravljaju razliku u zatvorenoj petlji. To je najtočnije rješenje, s točnošću od desetinke milimetra i boljom, ali i najskuplje.

Pogreške sinkronizacije i njihovo izjednačavanje

Nijedan hidraulički način sinkronizacije nije savršen, jer se volumeni ne mogu izjednačiti apsolutno. Glavni izvori pogreške su:

• tolerancije promjera cilindara i radnih volumena razdjelnika;
• unutarnje propuštanje razdjelnika, ventila i brtvi klipa, koje raste s tlakom i temperaturom;
• stlačivost ulja pri nejednakom opterećenju: cilindar s većim teretom ima viši tlak i njegovo se ulje više stlači;
• zrak u ulju i elastičnost crijeva, koji povećavaju učinak stlačivosti;
• temperaturne razlike između grana sustava.

Primjer stlačivosti: ako su u dva jednaka cilindra Ø80 mm po 800 cm³ ulja, a zbog nejednakog tereta tlakovi se razlikuju za 50 bar, razlika volumena zbog stlačivosti iznosi oko 2,9 cm³, odnosno oko 0,57 mm hoda. Mnogo veća pogreška dolazi od razdjelnika: pogreška od 2 % na hodu od 300 mm iznosi 6 mm, a stol širok 1 m nagnut će se za 6 mm po metru.

Pogreška se pri svakom ciklusu može i nakupljati, osobito kod serijskog spoja, gdje ulje koje procuri preko brtve klipa iz zatvorenog međuprostora nitko ne nadoknađuje. Zato se predviđa izjednačavanje na kraju hoda: na krajnjem položaju oba cilindra dođu na mehanički graničnik, a mali obilazni kanal ili nepovratni ventil u klipu, odnosno poseban ventil za dopunjavanje, izjednači volumene prije sljedećeg ciklusa. Kod razdjelnika protoka ugrađuju se sigurnosni ventili u svaku granu, jer cilindar koji prvi stigne na kraj hoda inače bi zbog krute veze motora podigao tlak u drugoj grani iznad dopuštenog.

Računski prikaz: brzina i sila u diferencijalnom spoju

Računski prikaz za zadani protok crpke, promjere klipa i klipnjače, tlak i hod računa brzinu izvlačenja, najveću silu, protok koji ulazi u klipni prostor i vrijeme hoda, i to za diferencijalni ili normalni spoj. Gubici tlaka u vodovima i trenje brtvi su zanemareni.

Za cilindar HP-1 (Ø80/50 mm) u diferencijalnom spoju, uz 22,0 l/min i 160 bar, brzina izvlačenja iznosi oko 187 mm/s, a najveća sila oko 31,4 kN; hod od 300 mm traje oko 1,6 s, a u klipni prostor ulazi oko 56,3 l/min. Prebacite na normalni spoj: brzina pada na oko 73 mm/s, a sila raste na 80,4 kN. Promijenite zatim promjer klipnjače na 56 mm: brzina u diferencijalnom spoju pada na oko 149 mm/s, a brzina uvlačenja takvog cilindra, Q / AR, iznosi oko 143 mm/s — uz omjer površina blizu 2 : 1 one su gotovo jednake.

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:

• V34 Diferencijalno upravljanje · 2 sata
• V35 Hidraulička sinkronizacija · 2 sata
• V36 Hidraulički uklješten klip · 2 sata