VJEŽBA V30 · MODUL 6 · HIDRAULIČKI IZVRŠNI I UPRAVLJAČKI ELEMENTI

Vježba V30 · 2 sata

Karakteristika sigurnosnog ventila

Sigurnosni ventil ne drži tlak savršeno stalnim: počinje otvarati ispod namještene vrijednosti, a tlak raste s protokom koji kroz njega prolazi. U vježbi se snima karakteristika p–Q izravno upravljanog sigurnosnog ventila pri rastućem i padajućem protoku.

Moći ću:

spojiti ispitni krug u kojem se protok kroz ispitivani sigurnosni ventil mijenja prigušnim ventilom u paralelnoj grani
izmjeriti tlak otvaranja, tlak pri punom protoku i tlak zatvaranja
nacrtati karakteristiku p–Q za rastući i padajući protok i odrediti histerezu
izračunati porast tlaka od otvaranja do punog protoka i toplinsku snagu na ventilu
obrazložiti posljedice karakteristike za namještanje sigurnosnog ventila u stroju

O vježbi

Vježba V30Trajanje: 2 sataModul 6

Prije vježbe proći gradivo: 6.4 Hidraulički tlačni ventili.

Pitanja i zadaci na ovoj stranici su bez odgovora. Rješenje s postupkom otvara se gumbom Prikaži rješenje ispod svakog pitanja, a upute za nastavnika nalaze se na dnu stranice.

Zadatak

Za agregat preše treba provjeriti izravno upravljani sigurnosni ventil V1 prije ugradnje. Ventil je namješten tako da pri punom protoku crpke od 22 l/min drži približno 110 bar. Treba izmjeriti:

tlak otvaranja p_otv — tlak pri kojem kroz ventil počne teći mjerljiv protok (dogovorno 0,2 l/min);
najveći tlak p_max — tlak kad kroz ventil teče cijeli protok crpke;
tlak zatvaranja p_zat — tlak pri kojem ventil pri smanjivanju protoka ponovno zatvori;
cijelu karakteristiku p–Q pri rastućem i pri padajućem protoku.

Protok kroz ventil mijenja se prigušnim ventilom spojenim paralelno ispitivanom ventilu. Kad je prigušni ventil otvoren, cijeli protok odlazi kroz njega uz nizak tlak i V1 je zatvoren. Pritvaranjem prigušnog ventila tlak raste, V1 se otvara i preuzima sve veći dio protoka, dok pri potpuno zatvorenom prigušnom ventilu kroz V1 ne teče cijeli protok. Zaštitu sustava preuzima drugi sigurnosni ventil namješten na 140 bar.

Oprema i pribor

hidraulički agregat s crpkom stalne istisnine (oko 22 l/min) i zaštitnim sigurnosnim ventilom namještenim na 140 bar;
ispitivani izravno upravljani sigurnosni ventil V1 s vijkom za namještanje i kontramaticom;
podesivi prigušni ventil, manometar 0–160 bar (razred točnosti 1,0), protokomjer 0–30 l/min u izlaznom vodu ventila V1;
mjerna posuda 0,5 l s podjelom i zaporni sat za male protoke;
termometar ulja, crijeva s brzim spojnicama, ključevi, posuda za ulje i krpe.

Sigurnost pri radu

Pažnja

Dok cijeli protok crpke teče kroz sigurnosni ventil, sva hidraulička snaga pretvara se u toplinu: ventil, izlazni vod i ulje brzo se zagrijavaju. Mjerenja pri punom protoku izvodite brzo i ne dirajte ventil golom rukom. Vijak za namještanje ne odvijajte do kraja — opruga i vijak mogu izletjeti pod tlakom. Namještanje izvodite samo uz zaštitni sigurnosni ventil u krugu i uz stalno praćenje manometra. Crijeva spajajte samo kad agregat ne radi i manometar pokazuje 0 bar.

Shema

Slika V30.1 — Ispitni krug: crpka, zaštitni sigurnosni ventil 140 bar, manometar p, prigušni ventil u paralelnoj grani i ispitivani sigurnosni ventil V1 s protokomjerom Q u izlaznom vodu.

U izravno upravljanom ventilu tlak na ulazu djeluje na površinu zapornog elementa (kuglice, stošca ili klipa) protiv sile opruge. Ventil otvara kad sila tlaka nadvlada prednapetost opruge. Da bi propustio veći protok, zaporni element mora se više podići, opruga se dodatno sabija i za to je potreban viši tlak — zato karakteristika raste s protokom. Trenje zapornog elementa i sile strujanja uzrokuju da pri smanjivanju protoka tlak bude niži nego pri povećavanju — to je histereza.

Postupak

Spojite ispitni krug prema slici V30.1. Prigušni ventil potpuno otvorite. Provjerite da je zaštitni sigurnosni ventil namješten na 140 bar.
Pokrenite agregat i ugrijte ulje na oko 40 °C s otvorenim prigušnim ventilom.
Rastući protok. Polako pritvarajte prigušni ventil. Izlaz ventila V1 promatrajte preko mjerne posude: tlak pri kojem protok dosegne 0,2 l/min (100 ml za 30 s) zapišite kao p_otv.
Nastavite pritvarati prigušni ventil u koracima tako da protok kroz V1 bude redom oko 2, 5, 9, 13,5 i 18 l/min; pri svakom koraku zapišite p i Q.
Potpuno zatvorite prigušni ventil i zapišite p_max pri punom protoku. Ne zadržavajte se u toj točki dulje od potrebnog.
Padajući protok. Postupno otvarajte prigušni ventil kroz iste razine protoka i zapišite p i Q. Tlak pri kojem protok kroz V1 padne ispod 0,2 l/min zapišite, a zatim i tlak pri kojem istjecanje potpuno prestane (p_zat).
Ponovite obje serije još jednom i zapišite temperaturu ulja na početku i na kraju.
Otvorite prigušni ventil, isključite agregat i pričekajte da tlak padne na 0 bar. Nacrtajte karakteristiku p–Q za obje serije.

Mjerni zapis (primjer)

Vrijednosti su primjer mjerenja izravno upravljanog ventila pri temperaturi ulja 40–45 °C; vaše upisujete u istu tablicu.

Q kroz V1 / (l/min)	p, rastući protok / bar	p, padajući protok / bar
0 (zatvaranje)	—	92
0,2	95	93
2,0	98	96
5,0	101	99
9,0	104	102
13,5	107	105
18,0	110	108
22,0 (puni protok)	112	111

Slika V30.2 — Karakteristika p–Q iz primjera mjernog zapisa: gornja krivulja pri rastućem, donja pri padajućem protoku. Razmak među krivuljama je histereza.

Pitanja i zadaci

1. Računski zadatak: iz primjera odredite tlak otvaranja, najveći tlak i porast tlaka od otvaranja do punog protoka, u barima i u postotku tlaka otvaranja.

Prikaži rješenje

p_otv = 95 bar, p_max = 112 bar. Porast Δp = 112 − 95 = 17 bar, odnosno 17 / 95 ≈ 0,18 = 18 %. Nagib karakteristike je oko 17 bar / 22 l/min ≈ 0,77 bar po l/min.

2. Računski zadatak: kolika je histereza pri protoku 9 l/min i kolika je razlika tlaka otvaranja i tlaka zatvaranja? Što uzrokuje histerezu?

Prikaži rješenje

Pri 9 l/min: 104 − 102 = 2 bar. Između otvaranja (95 bar pri 0,2 l/min) i potpunog zatvaranja (92 bar) razlika je 3 bar. Histerezu uzrokuju trenje zapornog elementa i brtvi, koje se uvijek suprotstavlja smjeru gibanja, te sile strujanja na zapornom elementu. Ventil s velikom histerezom teže drži stalan tlak i može pobuđivati titranje.

3. Računski zadatak: kolika se snaga pretvara u toplinu na ventilu pri punom protoku? Koliko brzo raste temperatura 63 l ulja (ρ = 0,87 kg/l, c = 1,9 kJ/(kg·K)) ako se toplina ne odvodi? Koliko traje zagrijavanje za 20 K?

Prikaži rješenje

P = p · Q / 600 = 112 · 22 / 600 ≈ 4,11 kW. m = 63 · 0,87 ≈ 54,8 kg. ΔT/Δt = 4,11 / (54,8 · 1,9) ≈ 0,039 K/s ≈ 2,4 K/min. Za 20 K potrebno je oko 20 / 2,4 ≈ 8,5 min. Zato se točka punog protoka mjeri brzo, a u stroju sigurnosni ventil ne smije trajno propuštati cijeli protok.

4. Dopunite dijagram na slici V30.2: ucrtajte očekivanu karakteristiku predupravljanog (dvostupanjskog) sigurnosnog ventila namještenog na isti tlak pri punom protoku. Po čemu se razlikuje?

Prikaži rješenje

Predupravljani ventil ima gotovo vodoravnu karakteristiku: glavni stupanj otvara uz malu promjenu tlaka jer njime upravlja mali predupravljački ventil, a glavna opruga je slaba. Za isti p_max = 112 bar otvarao bi npr. oko 106–108 bar, dakle porast od nekoliko bara umjesto 17 bar. Histereza je također manja. Predupravljani ventili koriste se za veće protoke i gdje je potreban stalan tlak.

5. Sigurnosni ventil preše HP-1 treba ograničiti tlak na 160 bar. Kad bi imao istu relativnu karakteristiku kao V1 (otvaranje 18 % ispod p_max) i bio namješten na 160 bar pri punom protoku, pri kojem bi tlaku počeo otvarati? Što bi to značilo za prešanje?

Prikaži rješenje

p_otv ≈ 160 / 1,18 ≈ 136 bar. Iznad 136 bar dio protoka crpke odlazio bi kroz sigurnosni ventil umjesto u cilindar, pa bi se brzina prešanja na kraju hoda smanjivala, a ulje grijalo. Ako preša mora postizati punu silu uz stalnu brzinu, bira se ventil s ravnijom karakteristikom ili se razmak između radnog tlaka i namještenja sigurnosnog ventila povećava (radni tlak niži od tlaka otvaranja).

6. Zašto se tlak otvaranja ne određuje kao tlak pri kojem protokomjer „prvi put pokaže nešto“? Zašto je za male protoke bolja mjerna posuda?

Prikaži rješenje

Protokomjeri imaju donju granicu mjernog područja, često oko 5–10 % gornje granice; ispod nje pokazuju nulu ili nepouzdanu vrijednost, pa bi „tlak otvaranja“ ovisio o protokomjeru, a ne o ventilu. Zato se dogovara mali, mjerljiv protok (ovdje 0,2 l/min), koji se najpouzdanije mjeri volumenom u posudi i vremenom: 0,2 l/min = 100 ml za 30 s.

7. Zašto se u ispitnom krugu koristi drugi sigurnosni ventil na 140 bar? Što bi se dogodilo kad bi se vijak ventila V1 slučajno pritegnuo do kraja, a zaštitnog ventila ne bi bilo?

Prikaži rješenje

Ispitivani ventil nije pouzdana zaštita jer se upravo on namješta i ispituje. Kad bi vijak V1 bio pritegnut do kraja i prigušni ventil zatvoren, crpka stalne istisnine tlačila bi u zatvoreni vod i tlak bi rastao dok nešto ne popusti — crijevo, brtva, kućište ili vratilo crpke. Zaštitni ventil na 140 bar ograničava tlak neovisno o ispitivanom ventilu.

8. Kako biste namjestili ventil V1 tako da pri punom protoku drži točno 110 bar? Opišite postupak.

Prikaži rješenje

Zatvoriti prigušni ventil tako da cijeli protok teče kroz V1, otpustiti kontramaticu i vijkom za namještanje polako mijenjati prednapetost opruge dok manometar ne pokaže 110 bar (pritezanje povisuje, otpuštanje snižava tlak). Zatim pritegnuti kontramaticu, otvoriti i ponovno zatvoriti prigušni ventil te provjeriti da se vrijednost ponavlja. Namještenje uvijek vrijedi za zadani protok i temperaturu, pa ih treba zapisati.

Za nastavnika

Otvori upute za nastavnika

Priprema

Prije sata namjestite zaštitni sigurnosni ventil na 140 bar i ispitivani ventil tako da pri punom protoku drži oko 110 bar. Provjerite da protokomjer stoji u izlaznom vodu ispitivanog ventila, a ne u tlačnom vodu crpke. Pripremite mjernu posudu s podjelom za male protoke. Ako je na raspolaganju i predupravljani ventil, pripremite ga za usporednu seriju mjerenja (zadatak 4 tada se rješava mjerenjem). Prethodno znanje: jedinica 6.4 i vježba V29.

Tijek sata

Uvod: građa izravno upravljanog ventila, sile na zapornom elementu, pojmovi otvaranja, zatvaranja i histereze (15 min).
Spajanje ispitnog kruga i provjera zaštitnog ventila (15 min).
Prva serija, rastući i padajući protok (20 min).
Druga serija, po mogućnosti s predupravljanim ventilom (15 min).
Dijagram p–Q, računski zadaci, rasprava o namještanju u stroju (15 min).
Rastavljanje i čišćenje (10 min).

Očekivani rezultati

Karakteristika izravno upravljanog ventila raste približno linearno s protokom, porast tlaka od otvaranja do punog protoka iznosi 10–20 % tlaka otvaranja, a histereza nekoliko bara. Obje serije daju slične vrijednosti (do ±2 bar). Računski: Δp = 17 bar (18 %), histereza 2 bar pri 9 l/min, toplinska snaga ≈ 4,1 kW, zagrijavanje ≈ 2,4 K/min, za HP-1 tlak otvaranja ≈ 136 bar. Studenti znaju objasniti zašto se sigurnosni ventil ne namješta „na radni tlak“.

Česte pogreške

Protokomjer spojen u tlačni vod crpke, pa uvijek pokazuje isti protok neovisno o ventilu.
Prigušni ventil se pritvara prebrzo i točke se očitavaju prije smirivanja tlaka.
Padajuća serija se ne mjeri, pa histereza ostaje neodređena.
Točka punog protoka drži se predugo i ulje se pregrije, pa se druga serija mjeri pri drugoj temperaturi.
Tlak otvaranja određuje se kao prva vrijednost koju protokomjer pokaže.

Vrednovanje

Kriterij	Bodovi
Ispravno spojen i zaštićen ispitni krug	4
Potpun mjerni zapis za rastući i padajući protok s temperaturom	4
Uredna karakteristika p–Q s označenim p_otv, p_max, p_zat	4
Točni računski zadaci (porast tlaka, histereza, toplina)	4
Obrazloženje posljedica za namještanje ventila u stroju	2
Sigurnost i čistoća radnog mjesta	2
Ukupno	20