Elektrohidraulički sustavi i razvodnici

Struktura elektrohidrauličkog sustava

Elektrohidraulički sustav sastoji se od dva dijela koji rade različitim energijama. Upravljački dio je električni: tipkala, granične sklopke, senzori, releji ili programirljivi logički upravljač (PLC) obrađuju signale na niskom naponu, najčešće 24 V istosmjerno. Energetski dio je hidraulički: agregat s crpkom, sigurnosnim ventilom i spremnikom, razvodnici, protočni i tlačni ventili te izvršni elementi — cilindri i motori. Sučelje među njima je elektromagnet razvodnika: struja od nekoliko desetaka vata snage pokreće klip razvodnika, a razvodnik usmjerava hidrauličku snagu od nekoliko kilovata do nekoliko stotina kilovata.

Načelno je isto kao u elektropneumatici: signal nastaje električno, obrađuje se logički i djeluje na razvodnik. Razlike su u fizici radnog medija. Hidrauličko ulje je praktički nestlačivo, radni tlakovi su deset do pedeset puta viši nego u pneumatici, a na klip razvodnika djeluju tlačne i strujne sile koje rastu s tlakom i protokom. Zato hidraulički elektromagneti moraju razvijati veće sile, zato se veliki razvodnici ne pokreću izravno magnetom nego predupravljanjem, i zato nagla prebacivanja razvodnika izazivaju tlačne udare koje u pneumatici ne primjećujemo.

Prednost električnog upravljanja u hidraulici ista je kao i drugdje: signali se prenose kabelom na veliku udaljenost bez kašnjenja, logika se lako mijenja (preslagivanjem releja ili izmjenom programa), a granične sklopke, tlačne sklopke i senzori daju upravljanju podatke o stanju stroja. Na preši HP-1 električni dio odlučuje kada počinje brzo primicanje, kada se prelazi na prešanje, koliko traje zadržavanje pod tlakom i kada klipnjača ide natrag.

Elektromagneti hidrauličkih razvodnika

Elektromagnet razvodnika sastoji se od svitka, magnetskog kruga i pomične kotve. Kad svitkom poteče struja, kotva se privuče i preko potisne igle pomakne klip razvodnika nasuprot sili opruge. Kad struja nestane, opruga vrati klip u osnovni položaj. Po izvedbi razlikujemo dvije skupine.

Suhi elektromagnet ima kotvu u zraku, a potisna igla prolazi iz ulja u magnet kroz brtvu. Brtva na igli uzrokuje trenje, s vremenom se troši i propušta ulje u magnet. Takvi se magneti danas susreću uglavnom na starijim strojevima. Mokri elektromagnet ima kotvu u tlačno otpornoj cijevi koja je spojena s prostorom ulja razvodnika, najčešće s priključkom T. Kotva se kreće u ulju, nema dinamičke brtve, trenje je malo, a ulje hladi i prigušuje kotvu, pa je prebacivanje mirnije i tiše. Svitak je nataknut na cijev i drži ga matica, pa se može zamijeniti bez otvaranja hidrauličkog kruga. Posljedica izvedbe: tlak u povratnom vodu opterećuje cijev magneta, pa katalog proizvođača navodi najveći dopušteni tlak na priključku T.

Po vrsti struje razlikujemo istosmjerne (DC) i izmjenične (AC) elektromagnete. Kod istosmjernog magneta struja ovisi samo o naponu i otporu svitka: I = U / R. Ona je jednaka u trenutku uklapanja i u privučenom položaju, pa magnet ne može pregorjeti zbog toga što kotva nije privučena. Uklapanje traje dulje jer struja raste postupno, ovisno o induktivitetu svitka. Kod izmjeničnog magneta struju ograničava impedancija svitka, a ona ovisi o zračnom rasporu u magnetskom krugu. Dok je kotva odmaknuta, raspor je velik, induktivitet malen, a struja uklapanja višestruko veća od struje držanja. Kad se kotva privuče, raspor se zatvori, induktivitet naraste i struja padne na nazivnu vrijednost.

Pregaranje izmjeničnog magneta je tipičan kvar. Ako se klip razvodnika zaglavi zbog nečistoće ili lakoga zapečenja, kotva se ne može privući do kraja, raspor ostaje otvoren i kroz svitak trajno teče povećana struja. Svitak se zagrijava i nakon kraćeg vremena izolacija popusti. Zato se AC magnet koji je pregorio ne smije jednostavno zamijeniti novim: najprije treba provjeriti pomičnost klipa i čistoću ulja, inače će i novi svitak pregorjeti. Istosmjerni magnet u istom slučaju samo ne prebaci razvodnik, a kvar se očituje kao izostanak gibanja.

Kad se isklopi istosmjerni svitak, magnetsko polje nestaje i u svitku se inducira napon suprotnog polariteta, koji može biti mnogo veći od napona napajanja. Taj prenapon oštećuje kontakte releja i izlaze PLC-a. Zato utikači magneta ili izlazni moduli imaju zaštitni sklop — diodu za gašenje, varistor ili RC-član — a često i svjetleću diodu koja pokazuje da je napon prisutan. Kad se AC mreža mora iskoristiti za DC magnet, upotrebljava se ispravljački utikač: magnet je istosmjeran, a ispravljač je ugrađen u utikač.

Direktno i predupravljano upravljani razvodnici

Kod direktno upravljanog razvodnika elektromagnet izravno pomiče klip. To je jednostavno, brzo i jeftino, ali je ograničeno silom magneta. Na klip razvodnika ne djeluje samo opruga: kad ulje struji kroz upravljačke bridove, nastaju strujne sile koje nastoje zatvoriti otvor, a rastu s protokom i padom tlaka. Kod velikih protoka i visokih tlakova te sile premaše ono što magnet može svladati, pa razvodnik ne prebaci ili se vrati sam od sebe. Zato katalozi navode granicu učinka razvodnika: dijagram dopuštenog protoka ovisno o tlaku za svaki raspored klipa.

Direktno upravljani razvodnici uobičajeni su u nazivnim veličinama NG6 i NG10. Za NG10 postoje i direktna i predupravljana izvedba, a od NG16 naviše razvodnici se gotovo isključivo izvode kao predupravljani. Predupravljani razvodnik ima dva stupnja. Gornji, mali upravljački stupanj je obični direktno upravljani razvodnik NG6 s elektromagnetima. On ne vodi radni protok, nego šalje upravljačko ulje na jednu ili drugu čeonu površinu klipa glavnog stupnja. Glavni klip je velik, ali ga pomiče hidraulička sila, koja je višestruko veća od sile bilo kojeg magneta.

Upravljačko ulje može se dovoditi unutarnje (iz priključka P glavnog stupnja) ili vanjsko (posebnim priključkom X), a odvoditi unutarnje (u T) ili vanjsko (priključkom Y izravno u spremnik). Vanjski odvod bira se kad u povratnom vodu T mogu nastati tlačni udari ili povišen tlak, jer bi taj tlak djelovao na čeone površine glavnog klipa. Predupravljani razvodnik treba najmanji upravljački tlak, reda veličine nekoliko bar do desetak bar prema katalogu. Ako glavni stupanj ima središnji položaj s rasterećenjem crpke (P spojen s T), tlak u P pada gotovo na nulu i razvodnik se ne bi mogao prebaciti. Rješenje je predtlačni nepovratni ventil s oprugom u vodu prema spremniku ili vanjski dovod upravljačkog ulja iz posebnog izvora.

Brzina prebacivanja glavnog stupnja može se usporiti prigušnim umetkom ili pločom s prigušnicama između upravljačkog i glavnog stupnja. Sporije prebacivanje znači blaže ubrzanje i kočenje velikih masa i manje tlačne udare u vodovima. Isto se postiže i jednostavnim prigušenjem, ali tada razvodnik reagira s kašnjenjem koje treba uračunati u vrijeme ciklusa.

Ručno pomoćno aktiviranje

Gotovo svaki elektromagnet hidrauličkog razvodnika ima ručno pomoćno aktiviranje: iglu ili gumb na kraju cijevi magneta kojim se kotva, a time i klip, može gurnuti mehanički, bez struje. Izvedbe su različite: jednostavna igla koja se pritisne tankim alatom, gumb zaštićen gumenom kapom, zakretni gumb koji se može zaključati u aktiviranom položaju. Na predupravljanim razvodnicima ručno aktiviranje obično djeluje na upravljački stupanj, pa i ono traži upravljački tlak.

Ručno aktiviranje služi za puštanje u pogon, odzračivanje cilindara i vodova te za dijagnostiku: ako se cilindar pomakne pri ručnom aktiviranju, a ne pomakne se kad upravljanje uključi magnet, kvar je u električnom dijelu (napon, utikač, svitak). Ako se ne pomakne ni ručno, kvar je u hidrauličkom dijelu (tlak, klip razvodnika, cilindar, blokirani vod).

Elektrohidraulička shema preše HP-1

Preša HP-1 ima cilindar Ø80/50 mm s hodom 300 mm, zupčastu crpku 22,0 l/min i sigurnosni ventil namješten na 160 bar. Glavni razvodnik je 4/3 s dva elektromagneta i središnjim položajem u kojem su A i B zatvoreni, a P je spojen s T. U mirovanju crpka tjera ulje u spremnik gotovo bez tlaka, pa se ne troši snaga, a klipnjača stoji. Dodatni razvodnik 3/2 s magnetom Y3 služi za diferencijalni spoj: kad je aktiviran, ulje iz prstenastog prostora ne ide u spremnik, nego se vraća u vod A i pridružuje ulju crpke.

Radni ciklus ima četiri faze. Pri brzom primicanju uključeni su Y1 i Y3: cilindar radi u diferencijalnom spoju, djelotvorna površina je samo površina klipnjače (19,63 cm²), pa je brzina velika, a sila mala. Kod graničnog položaja B1, nakon 250 mm, Y3 se isključuje i počinje prešanje s punom površinom klipa (50,27 cm²), brzinom 73 mm/s i silom do 80,4 kN pri 160 bar. U donjem položaju B2 počinje zadržavanje pod tlakom, koje ovdje mjeri vremenski relej. Nakon isteka vremena uključuje se Y2 i slijedi povrat brzinom 120 mm/s do gornjeg položaja B0.

Relejna shema na slici 7.1.2 ostvaruje taj ciklus s tri releja. Strujni put 1 napaja relej K1 preko mirnog kontakta STOP-tipkala S0, radnog kontakta START-tipkala S1 i gornje granične sklopke B0 — ciklus se može pokrenuti samo kad je klipnjača gore. Strujni put 2 je samodržanje: radni kontakt K1 premošćuje S1 i B0, pa K1 ostaje privučen i kad klipnjača napusti B0. Mirni kontakt K2 u putu 1 prekida K1 kad počne povrat. Putovi 3 i 4 uključuju Y1 i Y3; u putu 4 je mirni kontakt B1, koji isključi Y3 kad alat dođe do mjesta prelaska na prešanje. Put 5 uključuje vremenski relej KT kad alat dođe na B2. Putovi 6 i 7 čine relej povrata K2 sa samodržanjem, a mirni kontakt B0 ga isključi kad se klipnjača vrati gore. Put 8 uključuje Y2.

Upravljanje ovisno o putu i brzini

Upravljanje ovisno o putu znači da prijelaz iz jednog koraka u drugi određuje položaj izvršnog elementa. Signal daju granične sklopke: mehaničke s valjčićem, induktivni senzori ili, na novijim strojevima, mjerni sustav položaja s programski zadanim točkama. Na HP-1 sklopka B1 mora ostati aktivirana cijelim putom od 250 do 300 mm, primjerice dugačkom letvom na nosaču alata. Kad bi B1 bila kratka kvrga, sklopka bi se nakon prolaza vratila u mirni položaj i ponovno uključila Y3 usred prešanja. Druga je mogućnost da signal B1 postavi pomoćni relej sa samodržanjem.

Upravljanje ovisno o brzini na HP-1 postiže se promjenom djelotvorne površine. S istim protokom crpke brzina je obrnuto razmjerna površini: v = Q / A. U diferencijalnom spoju djelotvorna je površina klipnjače 19,63 cm² pa je brzina 187 mm/s, u normalnom izvlačenju 50,27 cm² i 73 mm/s, a pri povratu prstenasta površina 30,63 cm² i 120 mm/s. Cijena velike brzine je sila: pri 160 bar diferencijalni spoj daje najviše 31,4 kN, a puna površina 80,4 kN. Za brzo primicanje, kad alat još ne dodiruje lim, velika sila nije ni potrebna.

Drugi način mijenjanja brzine je protočni ventil (6.5) kojeg magnetni razvodnik 2/2 premošćuje ili uključuje u krug. Tada crpka ne mijenja protok, a višak ulja odlazi preko sigurnosnog ventila, pa se dio snage pretvara u toplinu. Diferencijalni spoj je energetski povoljniji, ali daje samo dvije brzine. Kad je potrebna kontinuirano promjenjiva brzina s blagim ubrzanjem i kočenjem, prelazi se na proporcionalnu hidrauliku (7.3).

Prijelaz s brzog primicanja na prešanje treba izvesti prije nego alat dotakne obradak. Između uključenja i isključenja magneta i stvarnog pomaka klipa razvodnika prolazi vrijeme prebacivanja, a za to vrijeme alat pri 187 mm/s prijeđe nekoliko milimetara. Zato se točka B1 postavlja s razmakom od površine obratka, a kod preciznijih strojeva kočenje se izvodi rampom. Isto vrijedi za dolazak u krajnji položaj: bez prigušenja u krajnjem položaju cilindra ili pravodobnog usporenja nastaje udar koji opterećuje cilindar, nosač alata i vodove.

Vrijedi zapaziti i energetsku posljedicu zadržavanja. Za vrijeme zadržavanja Y1 ostaje uključen, klipnjača stoji, a cijeli protok crpke odlazi kroz sigurnosni ventil pri 160 bar — to je 5,88 kW hidrauličke snage koja se pretvara u toplinu. Upravljanje koje prekida prešanje tlačnom sklopkom i drži tlak zapornim ventilom, umjesto vremenskog releja, obrađuje se u jedinici 7.2.

Računski prikaz: vrijeme ciklusa preše HP-1

Vrijeme ciklusa zbroj je vremena pojedinih faza. Brzine se računaju iz protoka crpke i djelotvornih površina cilindra Ø80/50 mm: v = Q / A. Hod brzog primicanja je ukupni hod umanjen za hod prešanja. Broj ciklusa na sat je 3600 s podijeljeno s vremenom ciklusa. Vrijeme prebacivanja razvodnika, reda veličine desetak do stotinjak milisekundi po prebacivanju, ovdje se zanemaruje.

Za zadane vrijednosti (22,0 l/min, hod 300 mm, prešanje posljednjih 50 mm, zadržavanje 2 s, umetanje i vađenje 6 s) dobiva se: brzo primicanje 250 mm pri 187 mm/s traje 1,34 s, prešanje 50 mm pri 73 mm/s traje 0,69 s, povrat 300 mm pri 120 mm/s traje 2,51 s. Vrijeme ciklusa je 12,53 s, odnosno oko 287 ciklusa na sat. Bez diferencijalnog spoja cijelo izvlačenje traje 4,11 s, ciklus 14,62 s i oko 246 ciklusa na sat. Diferencijalni spoj dakle skraćuje ciklus za oko 14 %, bez veće crpke i bez većeg elektromotora. Uočite i da najdulju pojedinačnu stavku čini ručno umetanje i vađenje — povećanje produktivnosti često više ovisi o posluživanju nego o hidraulici.

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