VJEŽBA V31 · MODUL 6 · HIDRAULIČKI IZVRŠNI I UPRAVLJAČKI ELEMENTI
Vježba V31 · 2 sata
Hidrauličko upravljanje jednoradnim cilindrom
Jednoradni hidraulički cilindar diže teret tlakom ulja, a spušta se pod djelovanjem tereta. U vježbi spajate krug s ručnim razvodnikom 3/2, mjerite tlak dizanja i vrijeme hoda te provjeravate zašto takav krug ne može zadržati teret u međupoložaju.
- nacrtati i spojiti hidraulički krug s jednoradnim cilindrom, razvodnikom 3/2, sigurnosnim ventilom i manometrima
- izmjeriti tlak potreban za dizanje tereta i usporediti ga s izračunatim
- izmjeriti vrijeme dizanja i spuštanja te izračunati brzinu klipnjače
- objasniti ulogu sigurnosnog ventila kad je priključak P zatvoren
- predložiti dopunu sheme za kontrolirano spuštanje i zadržavanje tereta
O vježbi
Prije vježbe proći gradivo: 6.1 Hidraulički cilindri, 6.3 Hidraulički razvodnici.
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
U radionici za montažu reduktora radnik postavlja kućište na podizni stol i diže ga na visinu koja mu odgovara. Stol nosi jedan uspravni jednoradni (plunžerni) cilindar: ulje ga diže, a teret stola ga vraća dolje kad se vod cilindra spoji sa spremnikom. Stvarni stol ima plunžer promjera 50 mm i s teretom mase 400 kg traži tlak od oko 20 bar. Na didaktičkom stolu isti zadatak rješavamo u umanjenom mjerilu.
Na raspolaganju je jednoradni cilindar s klipom promjera 25 mm i hodom 100 mm, postavljen uspravno i opterećen silom od 1,0 kN (uteg ili opružni uređaj za opterećenje). Agregat daje stvarni protok od oko 2,0 l/min, a sigurnosni ventil namješten je na 50 bar. Cilindrom se upravlja ručnim razvodnikom 3/2 s povratnom oprugom: dok radnik drži ručicu, stol se diže; kad je pusti, stol se spušta.
Zadatak: nacrtajte shemu, spojite krug, izmjerite tlak i vrijeme dizanja, izmjerite vrijeme spuštanja i pokušajte zaustaviti stol u sredini hoda. Na kraju odgovorite na pitanja i predložite poboljšanje sheme.
Oprema i pribor
- didaktički hidraulički stol s agregatom: elektromotor, zupčasta crpka stalnog volumena (stvarni protok oko 2,0 l/min), spremnik ulja, povratni filtar, ulje HLP 46;
- sigurnosni ventil agregata (0V1), namješten na 50 bar;
- dva manometra 0–100 bar s glicerinskim prigušenjem (0Z1 na tlačnom vodu, 1Z1 na vodu cilindra) i T-razdjelnici;
- ručni razvodnik 3/2 s povratnom oprugom (1V1), u mirnom položaju A spojen s T, P zatvoren;
- jednoradni cilindar Ø25 mm, hod 100 mm (1A), uspravno ugrađen, s uređajem za opterećenje 1,0 kN;
- hidraulička crijeva s brzim samozatvarajućim spojkama, razdjelni blok prema spremniku;
- štoperica, ravnalo ili pomično mjerilo, mjerni list, zaštitne naočale i krpa za ulje.
Sigurnost pri radu
Pažnja
Hidraulički krug radi pod tlakom do 50 bar, a ulje pod tlakom može probiti kožu i kroz vrlo mali otvor. Crijeva i spojke spajajte i odspajajte samo kad je agregat isključen i tlak ispušten: isključite motor, pomaknite ručicu razvodnika nekoliko puta u oba položaja i provjerite da oba manometra pokazuju 0 bar. Nikad ne tražite mjesto propuštanja prstima — koristite komad kartona. Teret na stolu mora biti osiguran od pada, a ruke se ne stavljaju ispod ploče stola ni uz klipnjaču dok je agregat uključen.
Prije uključivanja provjerite da su sve brze spojke do kraja utaknute (povucite crijevo — ne smije izaći) i da crijeva nisu presavijena ni napeta. Proliveno ulje odmah obrišite: sklisko je, a u dodiru s kožom duže vrijeme može izazvati nadražaj. Ako ulje pod tlakom prodre pod kožu, ozljeda izvana izgleda bezazleno, ali traži hitnu liječničku pomoć. Nosite zaštitne naočale cijelo vrijeme rada na stolu.
Shema
U mirnom položaju razvodnika (kvadrat uz oprugu) vod cilindra A spojen je sa spremnikom, pa teret istiskuje ulje iz cilindra i stol se spušta. Priključak P je tada zatvoren i cijeli protok crpke prolazi kroz sigurnosni ventil pri tlaku njegova otvaranja. Kad se ručica pritisne, P se spaja s A i cilindar se izvlači. Tlak koji tada pokazuje 1Z1 određen je teretom, a ne namještenjem sigurnosnog ventila — tlak raste samo koliko je potrebno da se svlada opterećenje.
Postupak
- Nacrtajte shemu u mjerni list i označite sve elemente (0P1, 0V1, 0Z1, 1V1, 1Z1, 1A). Provjerite s nastavnikom da ste razvodnik nacrtali u mirnom položaju.
- Uz isključen agregat spojite crijeva po shemi: P agregata na P razvodnika, A razvodnika preko T-razdjelnika s 1Z1 na priključak cilindra, T razvodnika na povratni blok. Odzračni priključak cilindra ostaje slobodan.
- Provjerite namještenje sigurnosnog ventila: uključite agregat bez pritiskanja ručice i očitajte 0Z1. Treba pokazivati 50 bar (± 2 bar). Ne dirajte vijak sigurnosnog ventila bez odobrenja nastavnika.
- Stol bez tereta: pritisnite ručicu i držite je dok klipnjača ne dođe do kraja hoda. Nekoliko puta dignite i spustite stol da izađe zrak iz cilindra i crijeva.
- Postavite opterećenje 1,0 kN. Pritisnite ručicu i za vrijeme dizanja očitajte tlak na 1Z1 i 0Z1. Zapišite obje vrijednosti. Očitajte i tlak kad klipnjača stigne do graničnika.
- Izmjerite štopericom vrijeme dizanja cijelog hoda (100 mm) tri puta i izračunajte srednju vrijednost.
- Pustite ručicu i izmjerite vrijeme spuštanja cijelog hoda pod teretom, također tri puta.
- Dignite stol do polovice hoda i pustite ručicu. Zapišite što se dogodilo. Pokušajte zadržati stol na polovici hoda djelomičnim pomakom ručice i opišite koliko je to pouzdano.
- Isključite agregat, ispustite tlak i provjerite manometre (0 bar), tek tada odspojite crijeva. Obrišite spojke i vratite elemente na mjesto.
Pitanja i zadaci
1. Koju ulogu u krugu imaju sigurnosni ventil 0V1, razvodnik 1V1 i manometar 1Z1? Zašto bi krug bez 0V1 bio opasan?
Prikaži rješenje
0V1 ograničava najveći tlak u krugu na 50 bar. Crpka stalnog volumena tjera ulje bez obzira na otpor; kad je P zatvoren ili je cilindar na graničniku, ulje nema kamo nego kroz 0V1 u spremnik. Bez njega bi tlak rastao dok ne pukne crijevo, spojka ili kućište crpke. 1V1 određuje smjer toka: P→A (dizanje) ili A→T (spuštanje). 1Z1 pokazuje tlak u samom cilindru, dakle tlak koji stvarno drži teret.
2. Izračunajte tlak potreban za dizanje tereta od 1,0 kN cilindrom Ø25 mm. Koliki tlak očekujete na 1Z1 ako trenje brtvi traži dodatnih 5 % sile?
Prikaži rješenje
A = π · 25² / 4 = 490,9 mm². Bez trenja: p = F / A = 1000 N / 490,9 mm² = 2,04 N/mm² = 20,4 bar. S trenjem: p = 1050 N / 490,9 mm² = 2,14 N/mm² ≈ 21,4 bar. Očitanje na 1Z1 za vrijeme dizanja treba biti oko 21–23 bar; nešto više zbog otpora u crijevima i razvodniku.
3. Koliko traje dizanje cijelog hoda od 100 mm ako crpka daje 2,0 l/min? Kolika je brzina klipnjače? Zašto je izmjereno vrijeme obično malo dulje?
Prikaži rješenje
V = A · s = 4,909 cm² · 10 cm = 49,1 cm³. Q = 2,0 l/min = 33,3 cm³/s. t = V / Q = 49,1 / 33,3 = 1,47 s. v = s / t = 100 mm / 1,47 s = 67,9 mm/s. Izmjereno vrijeme je dulje jer dio protoka propušta crpka (unutarnje propuštanje raste s tlakom), jer se ulje i crijeva malo stlače i šire dok tlak ne naraste, i zbog reakcije mjeritelja sa štopericom.
4. Stol stoji dolje, ručica je puštena, a agregat radi. Koliku snagu crpka pretvara u toplinu? Za koliko bi se bez hlađenja zagrijalo 10 litara ulja za 10 minuta (ρ = 0,87 kg/l, c = 1,9 kJ/(kg·K))?
Prikaži rješenje
Sav protok ide kroz 0V1 pri 50 bar: P = p · Q = 50 · 10⁵ Pa · (2,0 / 60 000) m³/s = 167 W. Za 10 minuta: E = 167 W · 600 s = 100 kJ. m = 10 · 0,87 = 8,7 kg. ΔT = E / (m · c) = 100 / (8,7 · 1,9) ≈ 6 K. Zato se u industriji koriste razvodnici s rasterećenjem crpke u mirnom položaju ili crpka s regulacijom, a ne „kuhanje ulja“ preko sigurnosnog ventila.
5. Dopunite shemu: stol se mora spuštati polagano i jednoliko, bez obzira na to koliko je težak teret, a dizanje ne smije biti usporeno. Koji element dodajete, gdje i kako je okrenut?
Prikaži rješenje
U vod A, između 1V1 i 1A, ugrađuje se prigušno-nepovratni ventil. Nepovratni ventil propušta slobodno od razvodnika prema cilindru (dizanje punom brzinom), a pri spuštanju zatvara, pa ulje iz cilindra mora proći kroz prigušnicu. Prigušuje se izlazni tok, što je za vučni (spuštajući) teret jedino ispravno. Ako se traži brzina neovisna o teretu, umjesto obične prigušnice stavlja se tlačno kompenzirani regulator protoka s nepovratnim ventilom.
6. Što se dogodilo kad ste pustili ručicu na polovici hoda? Zašto ovaj krug ne može zadržati teret u međupoložaju i koji bi razvodnik to omogućio?
Prikaži rješenje
Stol se spustio do dna, jer razvodnik u mirnom položaju spaja A s T. Razvodnik 3/2 ima samo dva položaja: „diži“ i „spuštaj“. Za zadržavanje treba treći položaj u kojem je A zatvoren — razvodnik 3/3 sa zatvorenim srednjim položajem ili 4/3 u kojem se koristi samo priključak A. Budući da klipni razvodnik uvijek malo propušta, za dugo držanje tereta u vod A dodaje se nepovratni ventil sjedišne izvedbe (deblokirajući, vidi vježbu V33).
7. Po čemu se hidraulički jednoradni cilindar razlikuje od pneumatskog? Čemu služi odzračni priključak na gornjoj strani cilindra?
Prikaži rješenje
Pneumatski jednoradni cilindar gotovo uvijek ima povratnu oprugu, a ispušni zrak odlazi u okolinu. Hidraulički se najčešće vraća vanjskom silom (teretom, oprugom stroja), a ulje mora imati put natrag u spremnik kroz priključak T razvodnika. Ulje je gotovo nestlačivo, pa je gibanje mirnije i tlak određen teretom. Odzračni priključak spaja prostor iznad klipa s okolinom: pri gibanju klipa zrak ulazi i izlazi, pa se u tom prostoru ne stvara ni potlak ni pretlak. Na njega se stavlja mali pročistač da ne ulazi prašina.
8. Stvarni stol ima plunžer Ø50 mm i teret mase 400 kg. Koliki je tlak? Koliki bi promjer plunžera trebao biti da tlak ne prijeđe 15 bar?
Prikaži rješenje
F = m · g = 400 · 9,81 = 3924 N. A = π · 50² / 4 = 1963 mm². p = 3924 / 1963 = 2,0 N/mm² = 20,0 bar. Za p ≤ 15 bar = 1,5 N/mm²: A ≥ 3924 / 1,5 = 2616 mm², d ≥ √(4 · 2616 / π) = 57,7 mm. Uzima se prvi veći promjer iz niza, npr. 60 mm, uz koji je tlak 13,9 bar.
9. Koliko pokazuju 0Z1 i 1Z1 (a) dok se stol diže, (b) kad klipnjača stoji na graničniku uz pritisnutu ručicu, (c) kad je ručica puštena i stol dolje? Objasnite razlike.
Prikaži rješenje
(a) Oba pokazuju tlak tereta, oko 21–23 bar; 0Z1 malo više zbog pada tlaka u razvodniku. (b) Oba pokazuju 50 bar: gibanja nema, otpor je „beskonačan“ i tlak raste do otvaranja 0V1. (c) 0Z1 pokazuje 50 bar jer je P zatvoren i crpka tlači preko 0V1; 1Z1 pokazuje 0 bar jer je cilindar spojen sa spremnikom. Pravilo: tlak u hidrauličkom krugu stvara otpor, a sigurnosni ventil samo određuje njegovu gornju granicu.
Za nastavnika
Otvori upute za nastavnika
Priprema
Dan prije provjerite razinu ulja u agregatu, stanje brzih spojki (ne smiju kapati) i ispravnost manometara. Sigurnosni ventil namjestite na 50 bar sa zatvorenim priključkom P i zablokirajte vijak ako to izvedba dopušta. Uređaj za opterećenje postavite i osigurajte tako da teret ne može pasti ni skliznuti. Pripremite mjerni list s tablicom za tlakove i vremena (tri mjerenja, srednja vrijednost). Ako nema uređaja za opterećenje, vježba se radi bez tereta, a pitanja 2 i 8 rješavaju se računski.
Tijek sata
- Uvod i sigurnost (10 min): kako nastaje tlak u hidraulici, pokazati ispuštanje tlaka i ispravno spajanje brze spojke.
- Crtanje sheme (15 min): polaznici crtaju shemu, nastavnik provjerava mirni položaj razvodnika i oznake.
- Spajanje i provjera (15 min): spajanje uz isključen agregat, nastavnik pregledava spoj prije prvog uključivanja.
- Mjerenja bez tereta i s teretom (25 min): tlakovi, vremena dizanja i spuštanja.
- Pokus zadržavanja u međupoložaju i rasprava (10 min).
- Ispuštanje tlaka, rastavljanje, čišćenje (10 min) i predaja mjernog lista (5 min).
Očekivani rezultati
Tlak dizanja s teretom 1,0 kN oko 21–24 bar, bez tereta nekoliko bar (trenje brtvi). Vrijeme dizanja 1,5–1,8 s. Vrijeme spuštanja ovisi o teretu i otporu povratnog voda, obično 1–2 s. Kad je ručica puštena, 0Z1 pokazuje 50 bar, a 1Z1 0 bar. Polaznik zaključuje da krug ne može zadržati teret i predlaže prigušno-nepovratni ventil i trodijelni razvodnik.
Česte pogreške
- odzračni priključak cilindra spojen crijevom na T ili zatvoren čepom;
- zamijenjeni P i T na razvodniku, pa se stol diže kad je ručica puštena;
- očitavanje 0Z1 umjesto 1Z1 kao „tlaka tereta“;
- odspajanje crijeva prije ispuštanja tlaka — spojka se ne može odvojiti ili naglo pušta ulje;
- prigušno-nepovratni ventil u dopuni sheme okrenut tako da prigušuje dizanje umjesto spuštanja.
Vrednovanje
| Kriterij | Bodovi |
|---|---|
| Ispravna shema s oznakama i mirnim položajem razvodnika | 20 |
| Samostalno i ispravno spajanje, provjera prije uključivanja | 20 |
| Mjerenja: tlakovi i vremena, tri ponavljanja, srednja vrijednost | 20 |
| Računski zadaci (2, 3, 4, 8) | 20 |
| Dopuna sheme i objašnjenje zadržavanja tereta (5, 6) | 10 |
| Sigurnost, ispuštanje tlaka, urednost radnog mjesta | 10 |
| Ukupno | 100 |