Hydraulické akční členy (také nazývané hydraulická výstupní zařízení) přeměňují hydraulickou energii zpět na mechanickou energii. Právě zde dochází ke všem viditelným pohybům a práci – je to první věc, na kterou musí každý konstruktér při návrhu myslet. Hydraulické akční členy se dělí do dvou základních kategorií: lineární (valivé válce) a rotační (hydromotory).

Hydraulický válec

Hydraulický válec přeměňuje hydraulickou energii na přímočarý nebo lineární mechanický pohyb. Připojený k pohyblivému zatížení vykonává práci.

Konstrukce válce

Jak bylo uvedeno v předchozích kapitolách, hydraulický válec se skládá hlavně ze středu (pláště), dvou uzavřených koncových krytů, pístu, pístní tyče a vstupních a výstupních přípojek. Každý konec má jednu přípojku – jednu pro přívod oleje, druhou pro odtok oleje.

obr. 6-1 Standardní dvojčinný hydraulický válec. Olej vstupuje z levé přípojky, čímž se pístní tyč vysune; olej přiváděný do pravé přípojky ji zasune.

Výstupní síla válce

Během celé zdvihové dráhy válce působí hydraulická energie na pohybující se píst. Tlak vytvořený touto hydraulickou energií nepřekročí odpor vyvolaný zátěží. U válce známých rozměrů je třeba znát pracovní tlak, který vyvolá určitou výstupní sílu. Tento tlak lze (pokud zanedbáme tření) určit pomocí následujícího vzorce:

Při použití tohoto vzorce jsou buď zadány plocha a tlak pro výpočet výstupní síly, nebo jsou známy plocha a výstupní síla pro výpočet tlaku. V praxi obvykle známe průměr válcového válce a musíme vypočítat plochu pístu – výpočet plochy kruhu je však stejně jednoduchý jako výpočet plochy čtverce.

Plocha kruhu

Plocha kruhu činí přibližně 78,54 % plochy čtverce, jehož strana je rovná průměru kruhu. Přesněji řečeno:

Jiný často používaný vzorec:

Obrázek 6-2 Plocha kruhu = D² × 0,7854. Tento jednoduchý vzorec se neustále používá při výpočtech hydraulických válců.

Vrtulní výběh

Vzdálenost, přes kterou působí hydraulická energie, určuje množství vykonané práce – touto vzdáleností je zdvih válce. Jak již bylo uvedeno dříve, zvyšování síly pomocí hydraulického tlaku se zdá být bez nákladů. V některých konkrétních případech – když je systém v klidu – může malá síla vyvolat velmi velkou sílu bez patrné oběti. Pokud však tato zvýšená síla způsobí také pohyb, něco se obětuje: vzdálenost.

Objem válce (výtlak)

Každý hydraulický válec má objem (výtlak), který se rovná jeho zdvihu (v palcích) vynásobenému plochou pístu (v palcích čtverečních), čímž vznikne objem v kubických palcích (cm³).

(in³) = (in²) × (in) nebo (cm³) = (cm²) × (cm)

Příklad: Horní píst se musí posunout o 2 palce (5,08 cm), aby se dolní píst válce posunul o 1 palec (2,54 cm). Oba písty vykonají stejnou práci. Horní píst vytlačí 20 in³ (327,8 cm³) kapaliny – a dolní píst válce je vytlačen stejným množstvím kapaliny, tj. 20 in³ (327,8 cm³).

Rychlost pístní tyče

Rychlost pístní tyče hydraulického válce závisí na rychlosti, jakou se kapalina naplňuje komoru za pístem. Vzorce pro výpočet rychlosti pístní tyče:

Hydraulický motor

Hydraulický motor je akční člen, který přeměňuje hydraulickou energii na rotační mechanickou energii. Tato rotační energie se přenáší na zátěž prostřednictvím hřídele.

Konstrukce motoru

Všechny hydraulické motory se v podstatě skládají z tělesa se vstupním a výstupním přípojem a rotující sestavy spojené s hřídelí.

Princip činnosti hydraulického motoru

Ukázkový příklad je hydraulický motor lopatkového typu. Otáčející se sestava se skládá z rotoru a lopatek, které se mohou volně posouvat dovnitř a ven z drážek rotoru. Otáčející se sestava je uložena excentricky uvnitř tělesa; hřídel pohánějící zátěž je s ní spojena. Když tlakový olej vstupuje do sací komory, hydraulická energie působí na vystavenou plochu lopatky v této komoře. Protože je plocha horní lopatky vystavená tlakovému oleji větší, je síla působící na rotor nevyvážená — rotor se otáčí.

Jakmile olej dosáhne výtokové komory s klesajícím objemem, je ze systému vypouštěn.

Obrázek 6-6: Funkce lopatkového motoru. Tlakový olej působí na plochy lopatek. Protože horní plocha lopatky vystavená tlaku je větší než dolní plocha lopatky, výsledná síla otáčí rotor.

Krkový moment

Krouticí moment je rotační nebo kroutící síla. Krouticí moment je síla působící ve vzdálenosti od střednice hřídele. Jednotkou krouticího momentu je lb·in (nebo N·m).

Vzorec pro výpočet krouticího momentu

Krouticí moment nám udává polohu síly vzhledem ke střednici hřídele hydraulického motoru. Vzorec pro výpočet krouticího momentu je:

(lb·in) = (lb) × (in) nebo (N·m) = (N) × (m)

Příklad z obrázku: Síla 50 liber (222 N) působí na kliku připojenou k hřídeli motoru. Vzdálenost mezi středem hřídele a bodem působení síly je 10 palců (0,254 m). Výsledný krouticí moment na hřídeli je 500 in.lbs (56,5 Nm). Pokud stejná síla 50 liber (222 N) působí na klikové rameno délky 15 palců (0,38 m), je krouticí moment na hřídeli 750 in.lbs (84,6 Nm). Čím dále od středu hřídele síla působí, tím větší je krouticí moment. Poznámka: Krouticí moment nezahrnuje žádný pohyb.

Zátěž připojená k hnací hřídeli motoru vyvolává krouticí moment, jak je popsáno výše. U hydraulického motoru se jedná o odpor – tento odpor musí být překonán hydraulickým tlakem působícím na rotační sestavu motoru.

Vzorec pro výpočet krouticího momentu hydraulického motoru

Otáčky hřídele motoru

Otáčky hřídele hydraulického motoru jsou určeny rychlostí, jakou je do motoru přiváděna kapalina. Vzorec je:

Výkon

V předchozích kapitolách jsme se dozvěděli, že výkon je rychlost vykonávání práce, tj. kW = J/čas nebo HP = ft·lb/čas.

Mechanický výkon

Víme také, že koňská síla (HP) nebo watt (W) je jednotkou výkonu. Pokud hydraulický válec nebo hydraulický motor pohání zátěž mechanickou silou 550 lb (2 442 N) a posune ji o 1 ft (0,30 m) za 1 sekundu, spotřeboval výkon 1 HP (746 W). Pokud je stejná práce (550 ft·lb / 746 J) vykonána za půl sekundy, zdvojnásobí se rychlost práce a výkon činí 2 HP (1 490 W).

Hydraulická síla

Mechanický výkon přenášený válcem nebo motorem do zátěže se rovná hydraulickému výkonu požadovanému od válce nebo motoru. U hydraulického systému, který vykonává práci rychlostí 550 ft·lb za sekundu (746 J), činí jeho hydraulický výkon 1 koníček (746 W). Však ve vzorci pro mechanický výkon jsou jednotky „ft (m)“ a „lb (N)“ nahrazeny hydraulickými jednotkami „psi (bar)“ a „gpm (L/min)“. Při výpočtu hydraulického výkonu se používá převodní faktor, který vyjadřuje vztah mezi gpm, psi, ft a lb (nebo L/min, bar, m a N).

Výpočet výkonu systému a válce

Pro výpočet výkonu hydraulického válce nebo celého hydraulického systému:

Pro výpočet výstupního výkonu hydraulického motoru:

Oscilační akční členy

Doposud jsme probírali hydraulické motory s rotačním výstupem a hydraulické válce s lineárním výstupem. Nyní se budeme zabývat dalším typem aktuátoru, který vykonává omezený úhel rotace. Tento typ se nazývá oscilační válec nebo oscilační motor. Jeho konstrukce je kompaktní, jednoduchá a účinná – poskytuje vysoký krouticí moment a vyžaduje pouze malý montážní prostor, přičemž montáž je snadná.

Oscilační aktuátory se používají například pro dělení obráběcích strojů, ohýbání, zvedání nebo otáčení těžkých předmětů, převracení, polohování, upínací zařízení pro obrábění, námořní řízení, ovládání ventilů atd.

Typy oscilačních aktuátorů

Existuje mnoho typů oscilačních válců. Nejjednodušší je oscilační mechanismus poháněný lineárním hydraulickým válcem, u něhož je konec válcové skříně upevněn čepem a pístní tyč je spojena s klikou, která pohání hřídel k rotaci. Tento oscilační válec lze řídit čtyřcestným směrovým ventilem s koncovými spínači na každém konci zdvihu.

Jako všechna mechanická zařízení má tento lineární oscilační aktuator založený na válci některé základní vlastnosti, včetně možnosti sestavení ze standardních komponent dostupných na trhu, což konstruktérům poskytuje velkou flexibilitu a udržuje nízké náklady díky snadné dostupnosti náhradních dílů.

Tento typ oscilačního aktuatoru však má také nežádoucí vlastnosti: pístní tyč není chráněna a přímo kontaktuje okolní prostředí, zejména proto, že klikový mechanismus obvykle není utěsněn, čímž vznikají bezpečnostní rizika. Navíc hřídel pohony obvykle přenáší velké boční zatížení, což způsobuje předčasný poruchový stav, nadměrné opotřebení a zaklinění.

U tohoto konkrétního typu oscilačního aktuatoru musí být hydraulický válec volně kývavý, a proto je nutné použít pružné hadicové připojení; v průběhu celé zdvihové dráhy válce není výstupní krouticí moment konstantní.

Uzavřený oscilační válec

Uzavřený kývavý válec je velmi podobný výše uvedenému lineárnímu válcovému kývavému mechanismu. Uzavřený válec má ochranný kryt, který obaluje pístní tyč a klikový mechanismus. Hřídel pohony obvykle disponuje dodatečnou ložiskovou podporou, aby se zabránilo vysokým bočním zatížením. Tento typ lze vybavit elektromagnetickými ventily, koncovými spínači nebo spínači zdvihu. Rozsah zdvihu lze obvykle nastavit v rozmezí přibližně 85° až 100°.

Kývavý válec se zpětnou pružinou

Dalším typem je kývavý válec se zpětnou pružinou, který využívá hydraulický válec s návratovou pružinou k vrácení hřídele pohony do výchozí polohy. Kývavé válce se zpětnou pružinou mohou vyvinout točivé momenty až 5 000 in.lbs (565 Nm).

Kývavý válec ozubeným segmentem a ozubeným kolečkem

Nejčastějším oscilačním válcem je ozubený hřeben a ozubené kolo. Tento typ dokáže udržovat konstantní výstupní točivý moment v obou směrech po celou dobu plného otáčení. V této konfiguraci působí hydraulický tlak na píst, který tlačí hřeben spojený s pístem a tím uvádí do rotace ozubené kolo, jež otáčí hřídel. Standardní válcem s ozubeným hřebenem a ozubeným kolem mají úhly natočení 90°, 180°, 360° nebo i větší. Výstupní točivé momenty válců s ozubeným hřebenem a ozubeným kolem mohou dosahovat až 52 000 000 in.lbs (5 876 000 Nm).

Oscilační motor s lopatkou

Dále je k dispozici také oscilační motor s lopatkou. Tento typ může mít jednu nebo více lopatek. Motor s jednou lopatkou se může otočit o 280°; motor se dvěma lopatkami se může otočit o 200°. Točivý moment motoru se dvěma lopatkami je dvojnásobný ve srovnání s motorem s jednou lopatkou. Tento typ oscilačního motoru může dosahovat výstupních točivých momentů až 500 000 in.lbs (Nm).

Oscilační motor se šroubovicí drážkou

Existuje jiný typ oscilačního motoru, který vytváří točivý moment pomocí mechanismu šroubovice s drážkami. Změny délky a stoupání drážek umožňují variabilitu úhlu rotace v širokém rozsahu. Tento typ oscilačního motoru má jednu hřídel se šroubovicí s drážkami a pístovou objímkou s vnitřními drážkami nasazenou na této hřídeli – rotace pístové objímky je omezena vodícími tyčemi. Při pohybu pístové objímky uvnitř válce je hřídel se šroubovicí s drážkami uváděna do rotace. Standardní úhly rotace jsou 90°, 180°, 270° a 360°, přičemž výstupní točivé momenty dosahují až 1 000 000 in.lbs (13 000 Nm).

Oscilační motor s řetězem a ozubeným kolem

Oscilační motory s řetězem a ozubeným kolem využívají k pohánění hřídele písty, řetězy a ozubená kola. Tento aktuátor obvykle obsahuje jeden velký píst (jako pohonné zařízení), který táhne řetěz, a malý píst, který brání úniku oleje zpětnou částí řetězové dráhy. Výstupní točivé momenty mohou dosáhnout přibližně 23 000 in.lbs (2 599 Nm) a rotace poháněné hřídele může dosáhnout pěti celých otáček, tedy 1 800°.

Pro výběr nejvhodnějšího oscilačního válce pro konkrétní aplikaci je nutné zohlednit několik parametrů, jako jsou točivý moment, rychlost a způsob provozu. Výběr konkrétního oscilačního motoru popíšeme v jiné kapitole, kde dále rozebereme, zda použít jednočinný nebo dvoučinný pohon, zda je nutné uzavřené řízení polohy, zda je vyžadováno tlumení atd. Také budou posouzeny provozní frekvence nebo doba jednoho cyklu.

Přehled rychlosti pohonných členů

Lineární rychlost pístní tyče hydraulického válce závisí na rychlosti, kterou čerpadlo přivádí kapalinu do komory pístu válce (gpm, L/min). Otáčková rychlost hřídele hydraulického motoru závisí na průtoku (gpm, L/min) přiváděného do hydraulického motoru.

Přehled výstupní síly pohonných členů

Výstupní síla válce je vyjádřena v psi (bar) — výstupní síla na hřídeli motorového pohonu je určena tlakem působícím na vystavenou plochu rotujícího uspořádání motoru. Výkon vyvinutý aktuátorem je funkcí rychlosti aktuátoru násobené výstupní silou aktuátoru.

U válců je výstupní síla vyjádřena v psi a rychlost pístní tyče v gpm. Konstanta 0,000583 popisuje vztah mezi psi, gpm a výkonem. U motorů je výstupní síla vyjádřena jako krouticí moment a provozní rychlost motoru v ot/min. Konstanta 63 025 popisuje vztah mezi ot/min, krouticím momentem a výkonem.