Kapitola 8: Zpětné klapky, akumulátory a hydraulické válce

Zpětný ventil

Konstrukce zpětného ventilu

Zpětný ventil se skládá především z těla ventilu se vstupním a výstupním přípojným místem a z pružinou zatěžované pohyblivé části. Pohyblivou částí může být kotouč, deska nebo kuželový uzávěr – v hydraulických systémech se nejčastěji jedná o kuličku nebo kuželový uzávěr s sedlem.

Princip činnosti zpětného ventilu

Kapalina může zpětným ventilem protékat pouze v jednom směru – ve směru volného průtoku. Když tlak v systému na vstupním přípojném místě stoupne dostatečně vysoko, aby překonal sílu pružiny zatěžující kuželový uzávěr, je kuželový uzávěr vytláčen ze sedla a kapalina protéká. Toto je směr volného průtoku. Pokud se kapalina pokusí protékat zpět z výstupního přípojného místa, je kuželový uzávěr přitlačen na sedlo, čímž uzavře průchod a zabrání zpětnému toku.

Obrázek 8-1 Zpětný ventil. Kuželový uzávěr zatlačený pružinou se usadí při obrácení toku a úplně zablokuje zpětný tok. Zpětný ventil je hydraulický ekvivalent jednosměrné ulice.

Použití zpětných ventilů v obvodech

Zpětný ventil má jak funkci směrového, tak tlakového řízení — umožňuje tok pouze v jednom směru. V hydraulických systémech se zpětné ventily běžně používají jako přepadové ventily, které umožňují tok, aby obešel danou součást. Například zpětný ventil zapojený paralelně s regulátorem průtoku umožňuje zpětný tok, který tento regulátor průtoku obejde.

Zpětné ventily mohou také izolovat větev nebo součást systému. Například u akumulátoru: zpětný ventil brání vybíjení akumulátoru zpět přes pojistný ventil nebo hydraulickou čerpadlo.

Zpětný ventil je obecně zařízení s nízkou únikovostí; ve skutečnosti lze navrhnout tak, aby byl zcela netěsný. Zpětný ventil dokáže udržet zátěž téměř neomezenou dobu. Mějte však na paměti, že zpětný ventil je jednosměrný ventil – k uvolnění zátěže musí být pohyblivá část donucena opustit své sedlo. To vyžaduje speciální typ zpětného ventilu, tzv. pilotem ovládaný zpětný ventil.

Obrázek 8-2 Tři běžné použití zpětných ventilů v hydraulických obvodech: přesměrování kolem regulátoru průtoku, izolace akumulátoru a pružinově zatížený tlakový práh.

Udržování zavěšené zátěže

Většina hydraulických komponent typu šoupátka má určitý vnitřní přeplňovací průtok – to neznamená špatnou kvalitu, protože většina tohoto přeplňovacího průtoku je ve skutečnosti záměrně navržena za účelem mazání komponentu. Pokud však systém vyžaduje, aby válec udržel zátěž v zavěšené poloze bez prokluzování, stane se únik problémem. V takové situaci je nutné použít zpětný ventil s utěsňovací schopností.

Pilotem ovládaný zpětný ventil

Pilotně ovládaný zpětný ventil umožňuje volný průtok v jednom směru; pokud pilotní tlak uvede pohyblivou část z jejího sedla, je možný i průtok opačným směrem.

Stavebnictví

Stejně jako běžný zpětný ventil má pilotně ovládaný zpětný ventil tělo ventilu se vstupním a výstupním přípojným místem, pružinou zatížený kuželový uzávěr (pohyblivou část) proti sedlu. Kromě toho je kuželový uzávěr naproti sedlu vybaven tlačnou tyčí a pilotním pístem zatíženým měkkou pružinou. Pilotní tlak z pilotního přípojného místa působí na tento píst. V prostoru pružiny u pístu je odvodní přípojné místo.

Jak to funguje

Pilotně ovládaný zpětný ventil umožňuje volný průtok ze vstupu na výstup stejným způsobem jako běžný zpětný ventil. Proud, který se snaží vstoupit z výstupu, přitiskne kuželový uzávěr k sedlu a uzavře tak průchod. Pokud na pilotní píst působí dostatečný pilotní tlak, píst se posune a stlačí kuželový uzávěr, čímž ho zvedne z jeho sedla. Pokud je síla působící na pilotní píst dostatečně velká, je možný průtok z výstupu na vstup.

Obrázek 8-3: Zpětný ventil řízený pilotním tlakem. Bez pilotního tlaku funguje jako běžný zpětný ventil (volný průtok pouze jedním směrem). Při přivedeném pilotním tlaku je povolen i zpětný průtok – což umožňuje uvolnění zátěže.

Aplikace v obvodu

Použitím jednoho zpětného ventilu řízeného pilotním tlakem k uzavření průtoku z B-portu válce zůstane zátěž zavěšená, pokud jsou těsnění válce funkční a nedochází k úniku kapaliny v potrubí, válci ani zpětném ventilu. K snížení zátěže stačí přivést pilotní tlak z linky A do řídicího pístu.

Pilotní tlak pro zpětný ventil řízený pilotním tlakem se čerpá z pracovní linky hydraulického válce – dokud je tlak v lince A dostatečně vysoký, zůstává zpětný ventil otevřený. Při zvedání zátěže olej snadno prochází zpětným ventilem, neboť to je směr volného průtoku.

V některých situacích musí být zatížení připojené k pístní tyči válce uzamčeno v klidové poloze. K tomuto účelu lze do každé pracovní větve válce nainstalovat řízený zpětný ventil – tyto řízené zpětné ventily uzavřou tok kapaliny opouštějící válec. Pokud zůstanou těsnění válce funkční a nedochází k žádnému úniku, lze zatížení udržet v dané poloze.

Hydraulický akumulátor

Akumulátor ukládá hydraulický tlak. Tento hydraulický tlak představuje potenciální energii, kterou lze přeměnit na pracovní energii (tok a tlak).

Typy akumulátorů

Akumulátory lze rozdělit na gravitační, pružinové a kapalinově/plynové typy. Liší se způsobem, jakým akumulátor udržuje pracovní sílu působící na uloženou hydraulickou kapalinu.

Gravitační akumulátor

Akumulátor zatížený tíhou využívá hmotnost těžkého předmětu působícího na píst nebo zátku k udržení pracovní síly na uloženém oleji. Hmotnost lze vyrobit z jakéhokoli těžkého materiálu – železa, betonu nebo dokonce vody. Akumulátory zatížené tíhou jsou obecně velmi velké, někdy dokonce pojmou stovky galonů. Slouží současně více hydraulickým systémům a používají se například v válcovnách a centrálních hydraulických systémech.

Žádoucí vlastností akumulátoru zatíženého tíhou je skutečnost, že ukládá olej přibližně za konstantního tlaku – ať je nádobka plná nebo téměř prázdná, uložený tlak se v podstatě nemění. To je způsobeno tím, že síla působící na olej je tíhová síla (hmotnost), která je konstantní – bez ohledu na to, kolik oleje se v akumulátoru nachází, působící síla je stejná.

Nežádoucí vlastností akumulátorů zatěžovaných gravitací je vznik rázu. Pokud je akumulátor zatěžovaný gravitací náhle zastaven při rychlém výstupu průtoku, setrvačnost těžkého závaží způsobí v systému významné tlakové špičky. To může způsobit úniky v potrubí a armaturách a může vést k únavě materiálu, což má za následek předčasné selhání komponent.

Obrázek 8-6: Akumulátor zatěžovaný gravitací. Konstantní závaží vytváří konstantní tlak bez ohledu na objem oleje. Používá se v rozsáhlých průmyslových systémech, například v hydraulických systémech oceláren.

Akumulátor s pružinovým zatížením

Akumulátor s pružinovým zatížením využívá pružinu působící na píst k udržení síly na uloženém oleji. Akumulátory s pružinovým zatížením jsou obecně menší než akumulátory gravitačního typu a mají kapacitu několika galonů. Obvykle zásobují jeden hydraulický systém a pracují zpravidla za nízkého tlaku. Když vstupuje tlakový olej do akumulátoru s pružinovým zatížením, tlak uloženého oleje je určen tím, o kolik je pružina stlačena. Pokud se píst posune nahoru a stlačí pružinu o 10 palců (25,4 cm), je uložený tlak vyšší než v případě, že je pružina stlačena o 4 palce (10,2 cm).

Aby se zabránilo hromadění unikajícího oleje v komoře pružiny, je v komoře pružiny umístěn odtok pro odvod úniku. Akumulátory s pružinovým mechanismem by neměly mít externí odtok do nádrže, protože by to způsobilo pěnění oleje. Bez ohledu na to, zda je konec odtokové trubky nad nebo pod hladinou kapaliny v nádrži, akumulátor při provozu vždy způsobuje pěnění — když akumulátor rychle vypouští tok, olej nad pístem nestačí sledovat pohyb pístu, čímž vzniká částečné vakuum v komoře pružiny a vzduch se z oleje odděluje. Při opětovném nabití akumulátoru se píst posune nahoru a tlačí olej obsahující vzduch zpět do nádrže. Vzduchové bubliny v nádrži jsou nežádoucí, proto akumulátory s pružinovým mechanismem obvykle nemají externí odtok.

U akumulátorů s pružinovým mechanismem a externím odtokem z komory pružiny je nutné okamžitě zasáhnout v případě opotřebení těsnění pístu. Bez včasné opravy může být nutné provést úklid.

Obr. 8-7 Akumulátor s pružinovým zatížením. Síla pružiny – a tedy i uložený tlak – roste, jak se píst posouvá nahoru. Používá se v malých systémech s nízkým tlakem.

Kapalinový/plynový akumulátor

Kapalinový/plynový akumulátor je nejčastěji používaným typem v průmyslových hydraulických systémech. Využívá stlačeného plynu k udržení pracovní síly na uloženém oleji.

Kapalinové/plynové akumulátory se dělí podle zařízení oddělujícího plyn od oleje na typ s pístem, typ s membránou a typ s balónkem.

Akumulátor s pístem

Akumulátor pístového typu se skládá z válcového tělesa a pohyblivého pístu s pružnými těsnicími kroužky. Horní prostor nad pístem je naplněn stlačeným plynem. Při napouštění oleje do válcového tělesa se plyn stlačuje. Při vypouštění oleje z akumulátoru klesá tlak plynu. Po úplném vypuštění celého oleje dosáhne píst konce svého zdvihu a uzavře výtokový otvor, čímž udrží plyn uvnitř akumulátoru.

Akumulátor membránového typu

Akumulátor membránového typu má tvar koule, která vznikne spojením dvou kovových polokoulí šrouby. Vnitřní prostor je rozdělen syntetickou gumovou membránou – horní komora je naplněna plynem. Při vstupu tlakového oleje do druhé komory se plyn stlačuje. Po úplném vypuštění celého oleje se membrána uzavře výtokový otvor a udrží plyn uvnitř akumulátoru; membrána se neprohne přes svou tloušťku.

Akumulátor blanového typu

Akumulátor typu blána se skládá z kovové skořínky a vnitřní syntetické gumové blány. Blána je naplněna plynem. Když do skořínky vstoupí olej, stlačí se plyn v bláně a olej vytéká ze skořínky. Jakmile je veškerý olej vyprázdněn, tlak plynu se snaží protlačit blánu výtokovým otvorem – avšak jakmile se blána dotkne sedlového ventilu na výstupu, olej uvnitř skořínky je automaticky uzavřen.

Obrázek 8-8 Tři typy akumulátorů pro kapalinu/plyn. Všechny využívají stlačený dusík k ukládání hydraulické energie. Typ s pístem (nahoře), typ s membránou (uprostřed) a typ s blánou (dole) se liší způsobem oddělení plynu a oleje.

Aplikace obvodů akumulátorů

Akumulátory mohou v hydraulických systémech plnit několik funkcí: zajišťovat průtok, udržovat tlak a tlumit rázy.

Zajištění průtoku

Zásobování tokem je jedním z použití akumulátoru. Nabitý akumulátor je zdrojem hydraulické potenciální energie. Pokud systém vyžaduje větší průtok, než je schopen dodat čerpadlo, lze využít energii uloženou v akumulátoru k vytvoření průtoku v systému. Například pokud je stroj navržen tak, že skutečná pracovní doba během jeho provozního cyklu je velmi krátká, může malé čerpadlo po určitou dobu nabíjet akumulátor. Při provozu stroje se ovládací šoupátko přepne do pracovní polohy a akumulátor okamžitě dodává tlakový olej do hydraulického motoru nebo válce podle potřeby. Tento způsob využití akumulátoru spolu s malým čerpadlem umožňuje ukládat špičkový výkon – jinými slovy nahrazuje velký průtok/výkon velkého čerpadla/motoru za krátkou dobu menším čerpadlem/motorem, jehož výkon je průměrován přes delší časové období.

Udržování tlaku

Akumulátory lze použít k udržování tlaku. Pokud čerpadlo/motor dodává tok do jiných částí systému, může akumulátor udržovat tlak v jedné větvi obvodu.

Když systém vyžaduje návrat upínacího válce A, upínací válec B musí udržovat tlak. Při přepnutí směrového ventilu A klesne tlak v hydraulické pumpě a v potrubí válce A rychle, zatímco tlak ve válci B udržuje akumulátor, který již obsahuje dostatečné množství tlakového oleje k vyrovnání úniku v potrubí válce B.

V jiné aplikaci pracovní válec umístěný v blízkosti peci vystaven vysoké okolní teplotě, která způsobuje tepelné roztažení oleje. Akumulátor pohltí zvýšený objem a udržuje tlak na relativně konstantní úrovni. Bez akumulátoru by nárůst tlaku v potrubí nebyl ovládán a mohl by způsobit prasknutí těles komponentů, potrubí nebo spojek.

Obrázek 8-10 Akumulátor pro udržování tlaku. (Nahoře) Udržuje tlak v jedné větvi obvodu, zatímco čerpadlo zásobuje jinou větev. (Dole) Pohlcuje změny objemu způsobené tepelným roztažením oleje v blízkosti zdrojů tepla.

Pohlcování rázů

Akumulátory kapalin a plynů lze také použít k tlumení rázových jevů v systému. Ráz v hydraulickém systému může být způsoben setrvačností zátěže připojené ke válci nebo motoru nebo náhlým přerušením průtoku či rychlým přepínáním směrového ventilu, což vyvolává ráz způsobený setrvačností kapaliny. Akumulátor zapojený do obvodu může pohltit část tohoto rázu a zabránit jeho šíření po celém systému.

Externí mechanické síly mohou rovněž způsobit hydraulický ráz. Zátěž připojená k hydraulickému válci s tendencí k odrazu tlačí píst zpět a tím vyvolává hydraulický ráz. Akumulátor umístěný v přívodním potrubí válce, pokud je správně naplněn, pomáhá snížit účinek rázu. Pokud je naplněn nesprávně, může naopak způsobit přetlak.

Izotermní a adiabatické plnění

Protože akumulátory kapaliny/plynu využívají stlačeného plynu k uchování tlaku oleje, ovlivňují vlastnosti plynu výkon akumulátoru. Při nabití akumulátoru kapaliny/plynu je plyn stlačen a jeho teplota stoupá. Při konstantním tlaku zabírá horký plyn více prostoru než chladnější plyn.

Izotermní proces popisuje provozní stav akumulátoru kapaliny/plynu, při kterém je teplota plynu udržována konstantní. Při nabití znamená izotermní provoz, že je plyn stlačován dostatečně pomalu, aby veškeré teplo vzniklé stlačením bylo úplně odvedeno. Adiabatický proces popisuje provozní stav akumulátoru kapaliny/plynu, při kterém se mění teplota plynu. Při nabití znamená adiabatický proces, že je plyn stlačován tak rychle, že veškeré teplo je zachováno.

U akumulátoru kapaliny/plynu nabitého na stejný tlak ukládá izotermní proces více oleje než adiabatický proces.

Číselný příklad: Pístový akumulátor má původně tlak plynu 500 psi (34,48 baru) a teplotu 70 °F (21 °C). Pokud je nabit adiabatickým procesem (rychle) na tlak 1 000 psi (68,97 baru), teplota a tlak stoupají současně. Při tlaku 1 000 psi (68,97 baru) přestane olej vstupovat; teplota je 150 °F (65,6 °C) a akumulátor uchovává 135 in³ (2 215,65 cm³) oleje. Pokud je nabit izotermicky (pomalu), teplota po celou dobu zůstává 70 °F (21 °C); při tlaku 1 000 psi (68,97 baru) přestane olej vstupovat a akumulátor uchovává 150 in³ (2 458,5 cm³) oleje.

Obrázek 8-12: Izotermické versus adiabatické nabíjení. Pomalé (izotermické) nabíjení ukládá více oleje než rychlé (adiabatické) nabíjení při stejném konečném tlaku, protože teplota zůstává nižší a plyn zabírá méně prostoru.

Izotermické a adiabatické vybíjení

Během vypouštění oleje se plyn rozpíná a ochlazuje. Při konstantním tlaku zabírá chladnější plyn méně prostoru než teplejší plyn. V praxi je provoz akumulátoru obecně adiabatický — nikoli izotermický. V následujících oddílech je hlavním zájmem ne to, kolik oleje akumulátor dokáže uložit, ale spíše kolik oleje vydá, než klesne tlak na nižší úroveň, což je výrazně ovlivněno přednabitím.

Tlak přednabití

Když je akumulátor zcela prázdný oleje, je tlak plynu nabitého do akumulátoru s kapalinou a plynem označován jako tlak přednabití. Tento tlak významně ovlivňuje efektivní objem a tlumení rázů akumulátoru.

Vliv tlaku přednabití na efektivní objem

Akumulátory kapalin/plynů používané k vytváření průtoku v systému nebo udržování tlaku obvykle pracují v rozmezí mezi maximálním a minimálním provozním tlakem. Když je akumulátor plně nabit olejem, dosáhne maximálního provozního tlaku. Pokud je to potřeba, provozní tlak klesne a akumulátor vypouští olej až do nižšího minimálního tlaku. Objem oleje, který akumulátor vypustí mezi maximálním a minimálním provozním tlakem, je tzv. účinný objem.

Přednapnutí ovlivňuje účinný objem. Příklad: Akumulátor kapalin/plynů o objemu 231 in³ (3 786 cm³) v systému používá malé čerpadlo k naplnění olejem až na systémový tlak 2 000 psi (137,9 baru). Pro zajištění průtoku se tlak nechá klesnout na 1 500 psi (103,4 baru). Zvolený tlak přednapnutí určuje, kolik oleje akumulátor systému poskytne.

Z výkonové tabulky vyplývá, že akumulátor o objemu 231 in³ (3 786 cm³) s předpnutím 100 psi (6,89 baru) dokáže uložit 210 in³ (3 441,9 cm³) oleje při izotermním nabití na tlak 1 000 psi (horní limit = izotermní hodnoty). Při tlaku 1 500 psi (103,4 baru) ukládá 202 in³ (3 310,8 cm³), čímž mezi těmito dvěma tlaky dodá 8 in³ (131 cm³). Tento akumulátor s nízkým předpnutím ukládá velké množství oleje, ale dodává jich velmi málo.

Zvýšením předpnutí na 1 000 psi (68,96 baru) akumulátor ukládá 93 in³ (1 524,3 cm³) při tlaku 2 000 psi (137,9 baru) a 59,5 in³ (975 cm³) při tlaku 1 500 psi (103,4 baru), čímž dodá 33,5 in³ (594,1 cm³). Vyšší předpnutí umožňuje uložit méně oleje, ale dodává ho mnohem více. Při předpnutí 1 400 psi (96,6 baru) je uložené množství oleje minimální, ale dodané množství je maximální.

Obrázek 8-13: Výkonová tabulka akumulátoru (kapacita 231 in³). Vyšší tlak předpnutí zajišťuje vyšší množství oleje dodávaného za jeden cyklus mezi danými tlakovými mezemi, avšak celkové uložené množství oleje je nižší. Předpnutí vyberte na základě požadovaného účinného objemu, nikoli celkové kapacity.

Řízení efektivního výstupního objemu

Efektivní výstupní objem akumulátoru by měl být řízen průtokem. Pro udržení tlaku je řízený průtok určen únikem, který je třeba kompenzovat. U akumulátorů používaných k dodávce tlakového oleje je při přepínání směrového ventilu na straně nízkého tlaku efektivní výstupní objem příliš rychlý. Proto mají tyto akumulátory často na svých vstupních/výstupních přípojkách uzavírací ventily s regulací průtoku a zpětné uzavírací ventily.

Pokud je kapalinový/plynový akumulátor použit jako tlumič rázů, jeho přednapnutí je obvykle nastaveno o něco vyšší než maximální provozní tlak v obvodu (přibližně o 100 psi / 6,896 baru nad maximálním tlakem nastaveným pojistným ventilem). Pokud je maximální provozní tlak nastaven pojistným ventilem, lze přednapnutí nastavit přibližně o 100 psi nad nastavením pojistného ventilu.

Vliv přednapnutí na tlumení rázů

Předplnění tlaku kapaliny/plynu v akumulátoru ovlivňuje jeho schopnost tlumit rázy. V hydraulickém systému vznikají rázy působením vnějších mechanických sil na válec nebo motor, které způsobují rychlý nárůst tlaku, nebo setrvačností kapaliny při náhlém uzavření hydraulického ventilu.

Akumulátor může pohltit část tlakového oleje způsobeného rázem, kterou je schopen stlačit a převést. Potrubí vybavené akumulátorem se stává stlačitelným nad určitým tlakem. Pokud je předplnění akumulátoru příliš nízké, již před příchodem rázu uchovává určité množství oleje, takže může pohltit pouze 4 in³ (65,6 cm³). Je-li předplnění 2 500 psi (172,4 baru) – tedy příliš vysoké – tlak stoupne téměř na 2 800 psi (193 baru), než bude pohlceno 4 in³. U tlumičů rázů je tlak předplnění zcela zásadní.

Ztráta tlaku předplnění

Akumulátor pro kapalinu/plyn se jednou naplní plynem na příslušný předtlak. To znamená, že tento předtlak nelze udržovat neomezeně dlouho. Během provozu akumulátoru uniká stlačený plyn přes uzavírací ventil — pravděpodobně kvůli poruše uzavíracího ventilu nebo špatnému utěsnění, nebo kvůli problému s usazením kuželového jádra ventilu v jeho sedle. Tlak plynu také postupně klesá během vypouštění oleje u akumulátorů s blánou a membránou — to obvykle probíhá katastrofálně a způsobuje prasknutí syntetické gumové membránové vrstvy. U akumulátorů s pístem může během procesu vypouštění nabité plyn unikat kolem opotřebovaných těsnění z prostoru pístu. Postupná ztráta předtlaku může naznačovat opotřebení akumulátoru s pístem.

Kontrola předtlaku

Správný předtlak je kritický pro výkon akumulátoru kapaliny/plynu, a proto by měl být pravidelně kontrolován. K ověření předtlaku je nutné použít nabíjecí zařízení vybavené manometrem. Zařízení se skládá hlavně z nabíjecího přípojného čepu, ventilu pro uvolnění tlaku a manometru.

Postup kontrola: vyprázdněte akumulátor úplně z oleje, odstraňte ochranný kryt (obvykle umístěný na plynovém ventilu na vrcholu). Při plně vytažené rukojeti přípojného čepu zkontrolujte, zda je ventil pro uvolnění tlaku uzavřen. Připojte nabíjecí přípojný čep k plynovému ventilu akumulátoru, utáhněte křídlatou matici přípojného čepu a zajistěte spolehlivé spojení s plynovým ventilem. Zasuňte šroub přípojného čepu tak, aby úplně stiskl jádro plynového ventilu akumulátoru; přečtěte si hodnotu tlaku na manometru – to je předtlak akumulátoru.

Pokud je přednabíjení správné, otočte klikou upínací hlavice směrem ven, abyste uzavřeli plynový ventil akumulátoru, otevřete ventily pro vypouštění tlaku, abyste snížili tlak nabíjecího zařízení, uvolněte křídlovou matici upínací hlavice, odeberte zařízení z akumulátoru a znovu nainstalujte ochranný kryt plynového ventilu.

Pokud je předtlak příliš vysoký, otevřete ventil pro odvětrání, abyste uvolnili přebytečný tlak. Pokud je třeba předtlak zvýšit, nejprve stiskněte rukojeť svěrky, aby se uzavřel plynový ventil akumulátoru, otevřete ventil pro odvětrání, aby se vyrovnal tlak nabíjecího zařízení, poté uzavřete ventil pro odvětrání a připojte nabíjecí zařízení k láhvi s dusíkem. Otočením rukojeti svěrky dovnitř úplně stisknete jádro plynového ventilu akumulátoru, otevřete ventil láhve s dusíkem, aby plyn pomalu vstupoval do akumulátoru. Jakmile manometr ukazuje požadovaný tlak, uzavřete plynový ventil. Jakmile manometr ukazuje správný předtlak, uzavřete ventil láhve s dusíkem, stiskněte rukojeť svěrky, aby se uzavřel plynový ventil akumulátoru, otevřete ventil pro odvětrání a poté odpojte pružnou nabíjecí hadici a nabíjecí zařízení.

Obrázek 8-15: Kontrola a nastavení předtlaku akumulátoru. (Nahoře) Opotřebovaná těsnění pístu způsobují postupnou ztrátu předtlaku. (Dole) Standardní náplňový kit pro dusík – používejte vždy suchý dusík, nikdy stlačený vzduch.

Vybití hydraulického čerpadla v obvodu s akumulátorem

V typickém hydraulickém obvodu s akumulátorem, když je akumulátor plně nabitý a žádná část systému neprobíhá, by měl být průtok čerpadla/motoru vybit do nádrže za co nejnižšího tlaku. V zobrazeném obvodu se k vybití používá vyrovnávací ventil. Jakmile se akumulátor nabije na nastavenou hodnotu vyrovnávacího ventilu, tento ventil se otevře a přesměruje průtok čerpadla do nádrže.

Tento typ vybití obvykle trvá jen několik sekund, protože vždy dochází k určitému úniku pod kontrolním uzavíracím ventilem. Akumulátor musí kompenzovat tento únik – tlak postupně klesá – vyrovnávací ventil se postupně uzavírá a otvor do nádrže se stává stále menším a menším, dokud tlak v akumulátoru neklesne pod tlak otevření ventilu. Jak se ventil uzavírá, musí čerpadlo/motor vyvinout větší výkon, aby znovu nabilo akumulátor na nastavenou hodnotu vyrovnávacího ventilu.

Aby byl čerpadlo/motor úplně vybíhán před dobíjením akumulátoru, lze použít tlakový spínač. V obvodu tlakový spínač snímá tlak v akumulátoru a v nastaveném tlakovém bodu vysílá elektrický spínací signál. Tento elektrický signál je přiveden k dvoucestnému elektromagnetickému ventilu se základním stavem uzavřeno — tento elektromagnetický ventil může řídit pilotně ovládaný pojistný ventil pro vybíhání. Jakmile se akumulátor nabije na tlak nastavený tlakovým spínačem, relé pošle signál elektromagnetickému ventilu, aby vybíhal pojistný ventil a směroval průtok čerpadla/motoru do nádrže prostřednictvím pojistného ventilu.

Obrázek 8-16: Obvody vybíhání akumulátoru. (Nahoře) Jednoduchý vyprazdňovací ventil — vybíhá do nádrže, jakmile akumulátor dosáhne nastaveného tlaku, ale má tendenci cyklovat. (Dole) Tlakový spínač s pilotně ovládaným pojistným ventilem — zajišťuje úplné vybíhání a přesnou regulaci tlakového pásma.

Diferenční vybíhací ventil

Po nabití akumulátoru lze tlakový spínač a elektromagnetický ventil nahradit diferenčním tlakovým uvolňovacím ventilem, který otevře pojistný ventil a odlehčí čerpadlo/motor. Diferenční tlakový uvolňovací ventil je hydraulický ventil navržený speciálně pro aplikace s akumulátorem. Jak vyplývá z jeho názvu, tento ventil využívá tlakový rozdíl k odlehčení čerpadla/motoru.

Stavebnictví

Diferenční tlakový uvolňovací ventil je sestaven z pilotně řízeného pojistného ventilu, zpětného ventilu a diferenčního pístu v jednom tělese ventilu. Těleso ventilu má tři připojovací porty: tlakový port, návratový port a port akumulátoru.

Jak to funguje

Uvnitř diferenčního tlakového uvolňovacího ventilu fungují zpětný ventil a pilotem ovládaný přetlakový ventil normálně. Výstupní olej z čerpadla může naplnit akumulátor prostřednictvím zpětného ventilu. Diferenční píst je umístěn proti šoupátku pilotního přetlakového ventilu a může se volně pohybovat v jeho vedení. Obě konce pístu jsou vystaveny stejně velkým plochám působícího tlaku. Při náplni akumulátoru je tlak na obou stranách pístu téměř stejný (s ohledem na tlakovou ztrátu ve zpětném ventilu), takže se píst nepohybuje. Když je tlak na šoupátku pilotního ventilu dostatečně velký, je pilotní šoupátko vytláčeno z jeho sedla – jak již známo, tento pilotní pohyb může omezit tlak v dutině pružiny hlavního ventilu. Protože dutina pružiny hlavního ventilu i jeden konec diferenčního pístu jsou tlakově omezeny, pohybuje se píst směrem k pilotnímu šoupátku a úplně vytláčí pilotní šoupátko z jeho sedla, čímž efektivně uvolní řídící tlak v dutině pružiny hlavního šoupátka, uvolní přetlakový ventil a uvolní čerpadlo\/motor. Zároveň se zpětný ventil uzavře, aby olej z akumulátoru nemohl být vypouštěn přes přetlakový ventil.

Rozdílová plocha pístu vystavená tlaku je o 15 % větší než plocha uzavíracího šoupátka řídícího ventilu. Protože síla = tlak × plocha, je síla udržující řídící šoupátko mimo jeho sedlo o 15 % větší než síla zvedající řídící šoupátko. To znamená, že pružina musí získat sílu větší než o 15 % z jiného zdroje, aby řídící šoupátko znovu dosedlo – nebo musí tlak v systému klesnout o 15 %, než se řídící šoupátko může znovu dosednout.

Tím je zajištěno, že diferenční tlakový vybavovací ventil udržuje čerpadlo/motor ve vybaveném stavu po nabití akumulátoru, dokud tlak neklesne o pevně stanovené procento – obvykle přibližně o 15 % nastavení řídícího ventilu. Například při nastavení řídícího ventilu na 1 000 psi (69 bar) dochází k vybavení v rozmezí 1 000 psi (69 bar) až 850 psi (59 bar); při nastavení řídícího ventilu na 2 000 psi (138 bar) je rozsah vybavení 2 000 psi (138 bar) až 1 700 psi (117 bar).

Hydraulický válec — podrobná konstrukce a provoz

V jakémkoli zařízení musí být hydraulická pracovní energie převedena na mechanickou energii, aby mohla vykonávat užitečnou práci. Hydraulické válce přeměňují hydraulickou energii na lineární mechanický pohyb.

Konstrukce válce

Hydraulický válec se skládá z pláště, pohyblivého pístu s pružnými těsnicími kroužky spojenými s pístnicí a dvou koncových víček. Koncová víčka mohou být závitová, přírubová, tažená nebo svařená na plášť. Průmyslové hydraulické válce běžně používají šroubované spojení na konci pístnice. Při pohybu pístnice se používá označení „sada těsnění pístnice“ nebo „odnímatelný vodící kroužek“, který pístnici vede a podporuje.

Konec s pístnicí se nazývá „konec s pístnicí“; druhý konec bez pístnice se nazývá „slepý konec“. Vstupní a výstupní přípojky jsou umístěny na víčku konce s pístnicí a na víčku slepého konce.

Pouzdrůvky

Pro správný provoz musí mít píst a těsnění vedení pístního šroubu hydraulického válce spolehlivá těsnění. Běžná těsnění používaná u pístů hydraulických válců jsou ústní těsnění, pístní kroužky z litiny nebo jednotky jedno- či dvousměrných těsnění. Materiály a součásti těsnění je nutné ověřit, zda jsou kompatibilní s pracovní kapalinou a provozními podmínkami.

Vícevrstvé těsnění pístního šroubu je účinný typ těsnění pístního šroubu, které se skládá z hlavního těsnění s ústním vnitřním těsnicím povrchem, stírání (wiperu), které během provozu neustále kontaktuje povrch pístního šroubu a odstraňuje pracovní olej z jeho povrchu. Druhotné prachové těsnění zachycuje zbytkový olej, který zanechává hlavní těsnění, a při zasouvání pístního šroubu odstraňuje jakékoli cizí částice přilnoucí k povrchu pístního šroubu.

Odtoková drážka těsnicí dutiny

Jak je popsáno výše, olej, který se hromadí v dutině mezi hlavním těsněním a prachovým těsněním, se může při závratním zdvihu vrátit do válce – to je normální. Pokud je však zdvih válce zvláště dlouhý (10 stop / 3,05 m nebo více), může se v dutině těsnění nahromadit takové množství oleje, že překročí kapacitu těsnění pístní tyče. V tomto případě a pokud je v dutině těsnění nadbytek oleje, by měla mít dutina těsnění pístní tyče vnější odvodní připojení.

Obrázek 8-18: Podrobnosti konstrukce válce. Kryt na konci tyče obsahuje sestavu těsnění pístní tyče. U válců s dlouhým zdvihem je pro zabránění přetížení těsnění olejem přidaný odvodní otvor.

Hydraulický ráz

Když hydraulická energie pohání píst válce na konec zdvihu (konec pohybu válce), setrvačnost oleje se mění na ráz – tzv. „hydraulický ráz“. Pokud je tato energie dostatečně velká, může tento ráz poškodit hydraulické válce.

Tlumicí zařízení

K ochraně hydraulických válců před nadměrným nárazem lze instalovat tlumivá zařízení. Tlumivá zařízení zpomalují píst válce v blízkosti konce zdvihu. Tlumivá zařízení lze instalovat na jednom nebo obou koncích hydraulického válce.

Konstrukce tlumivého zařízení

Tlumivé zařízení se skládá z jehlového ventilu řídícího průtok a tlumivého hrotu umístěného na slepém konci pístu a z tlumivého pouzdra na pístní tyči. Tyto prvky fungují jako zátky na každém konci.

Jak tlumivé zařízení funguje

Když se píst hydraulického válce přibližuje ke konci zdvihu, tlumicí jehla nebo tlumicí objímka uzavře normální výtok oleje. Tím je olej nucen procházet pouze jehlovým ventilem. Část tlakového oleje nastaveného na přetlakovém ventilu uniká přes jehlový ventil. Zbývající průtok přes jehlový ventil určuje zpomalení válce. Nastavení jehlového ventilu určuje rychlost zpomalení pístu. Při zpětném zdvihu proudí kapalina do válce jedním zpětným ventilem (není znázorněn), čímž se jehlový ventil obejde a zpětná rychlost není ovlivněna.

Nastavení zdvihu

Někdy musí být délka zdvihu hydraulického válce omezena externím řízením. Instalací upínacího šroubu, který lze do tělesa válce zašroubovat a vyšroubovat, lze zdvih předem nastavit. Jakýkoli typ zařízení pro nastavení zdvihu je nutné ověřit z hlediska požadavků na brzdnou sílu, kolizi, náraz a rozměrové účinky.

Obrázek 8-19: tlumivé prvky válců, nastavitelné zdvihy, způsoby upevnění a typy zátěže. Tlumivé prvky chrání válec na konci zdvihu; způsob upevnění určuje, jak dobře je válec schopen zátěž vydržet.

Způsoby upevnění hydraulických válců

Hydraulické válce mají mnoho způsobů upevnění, včetně přírub, kloubových ložisek (trunnionů), bočních příchytek, středových šroubů, dvojitých příchytek ve středové rovině, táhlových tyčí a svařovaných upevnění. Středové příchytky nebo svařovaná upevnění jsou velmi vhodným řešením, protože zajišťují minimální nesouosost při provozu válce.

Mechanický pohyb

Hydraulické válce mohou přeměnit hydraulickou energii na přímočarý nebo lineární mechanický pohyb. Avšak vzhledem k volbě mechanických spojů mohou válce poskytnout také mnoho různých typů mechanického pohybu.

Typy zátěže

Hydraulické válce mohou přemisťovat mnoho různých typů zátěže v různých aplikacích. Obecně se zátěže, které pístní tyč tlačí, označují jako tlačné zátěže; zátěže, které pístní tyč táhne, se označují jako tažné zátěže.

Zastavovací trubice

Zastavovací trubka je pevná kovová objímka nasazená na pístní tyč. U válců s dlouhým zdvihem se při plném vysunutí pístní tyče zastavovací trubka nachází mezi pístem a vodící objímkou a udržuje mezi nimi určitou vzdálenost. Vodící objímka pístní tyče je ložisko, které pístní tyč během provozu válce podporuje a je navrženo tak, aby vydrželo určité zatížení. Vodící objímka pístní tyče – kromě toho, že slouží jako hřídel – je také bod zatížení pístní tyče. U válců s dlouhým zdvihem připojených k zátěži se pístní tyč bez tuhé vodící objímky při plném vysunutí může prohýbat nebo se může ohýbat v oblasti vodící objímky, čímž vznikne boční zatížení poškozující vodící objímku pístní tyče.

Funkce zastavovací trubky spočívá v tom, že při plném vysunutí pístní tyče udržuje mezi pístem a vodící objímkou určitou vzdálenost, čímž snižuje zatížení vodící objímky pístní tyče.

Typy válců

Hydraulické válce jsou dostupné v mnoha typech. Níže jsou uvedeny některé běžně používané typy válců; tyto typy se dále objeví i v určitých aplikačních obvodech v následujících lekcích.

• Jednopístový válec: válec má pístní tyč vyčnívající pouze z jednoho konce.
• Dvoupístový válec: válec má jeden píst a pístní tyč vyčnívající z obou konců.
• Obousměrný válec: u tohoto typu se hydraulický tlak střídavě působí na obě strany pístu válce, čímž se pístní tyč vysouvá a zasouvá.
• Teleskopický válec: válcový plášť má několik teleskopických částí, které umožňují dosáhnout dlouhého zdvihu při krátké zasunuté délce.
• Sériový válec: válec se skládá ze dvou nebo více válců zapojených za sebou. Pístní tyče jsou spojeny do společné pístní tyče. Těsnění pístních tyčí jsou instalována mezi jednotlivými válci, což umožňuje každému válci pracovat jako obousměrný.
• Duplexní válec: válec se skládá z alespoň dvou válcových plášťů, což umožňuje každému válci pracovat jako obousměrný.

Obrázek 8-20: Typy hydraulických válců. Každý typ je vhodný pro konkrétní aplikaci: teleskopické válce pro dlouhý zdvih v omezeném prostoru, tandemové válce pro vysokou sílu při omezeném průměru válcové komory, dvojčinné válce s dvěma tyčemi pro stejnou sílu/rychlost v obou směrech.

Provoz dvojčinného válce s jednou pístnicí

Nejrozšířenějším typem v průmyslové hydraulice je dvojčinný válec s jednou pístnicí. U tohoto typu jsou klíčovými parametry povolený průtok (gpm) a tlak (psi), stejně jako převedená mechanická síla a pohyb pístnice.

Plocha pístu a účinná plocha pístu

Plocha pístu a účinná plocha pístu se obvykle diskutují u dvojčinných válců s jednou pístnicí. Velká plocha pístu odpovídá celkové průřezové ploše pístu vystavené tlaku na slepé straně válce (straně bez pístnice). Účinná malá plocha (mezikruhová plocha) je ta část plochy pístu, která je vystavená tlaku na straně pístnice, protože pístnice zabírá část plochy pístu. Účinná malá plocha je tedy obvykle menší než velká plocha.

Rychlost vysunutí pístnice

Rychlost vysunutí pístní tyče hydraulického válce je určena tím, jak rychle se kapalina naplní slepý konec válce. Rychlost pístní tyče se obvykle vyjadřuje ve ft/min nebo m/min:

Příklad: válec s plochou pístu 10 in² (64,5 cm²) přijímá průtok 5 gpm (18,95 l/min). Rychlost tyče = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 ft/min (49 mm/s). Při dvojnásobném průtoku (10 gpm / 37,9 l/min) se rychlost tyče zdvojnásobí na 19,25 ft/min (97,33 mm/s).

Rychlost zasunutí pístní tyče

Při zasunování pístní tyče vstupuje kapalina do koncové části tyče. Při stejném vstupním průtoku je rychlost zasunutí vyšší než rychlost vysunutí – ve vzorci použijte menší (mezikruhovou) plochu pístu.

Příklad: Průtok 10 gpm (38 l/min) vstupuje do koncové části válce s velkou plochou 10 in² (65 cm²) a malou plochou 8 in² (52 cm²). Rychlost zatahování = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 ft/min (0,12 m/s).

Při stejném vstupním průtoku se dvojčinný válec se samostatnou tyčí zatahuje rychleji, než se vyvíjí.

Výtokový průtok při zatahování

Při zatahování vstupuje průtok do koncové části s tyčí a vystupuje z hluchého konce. Výtokový průtok je větší než vstupní průtok – lze jej vypočítat stejným vzorcem jako pro gpm (l/min), avšak s použitím velké plochy pístu. Příklad: 10 gpm vstupujících do koncové části s tyčí při rychlosti 24,06 ft/min: výtok = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).

Faktory ovlivňující výstupní sílu válce

Jak je znázorněno, síla vyvinutá hydraulickým válcem je funkcí hydraulického tlaku působícího na plochu pístu válce. Pokud daný válec musí vyvinout větší sílu než je současná maximální výstupní síla, často stačí zvýšit tlak na úměrnou úroveň. V některých případech systémový tlak a rozměry válce neumožňují použití většího válce – v takovém případě lze tento problém vyřešit tandemovým válcem.

Obvod tandemového válce

Tandemový válec se skládá ze dvou nebo více válců zapojených za sebou (v sérii). Pístní tyče jsou spojeny do jedné společné pístní tyče. Těsnění pístních tyčí mezi jednotlivými válci umožňují každému válci pracovat jako dvojčinný. Pokud jsou rozměry válce omezeny dostupným prostorem a celkovými rozměry stroje, lze přesto při relativně nízkém tlaku vytvářeném čerpadlem/motorem dosáhnout stejné mechanické výstupní síly.

Příklad: Největší instalace stroje umožňuje plochu pístu 10 in² (64,5 cm²). Maximální tlak potřebný k překonání zátěžového odporu činí pouze 500 psi (34,48 baru). Přidáním tlaku 500 psi (34,48 baru) na straně účinné plochy 8 in² (51,6 cm²) za současného protitlaku vznikne síla 781 psi (53,86 baru). V sériovém obvodu se dvěma válcem, každý s tlakem 500 psi (34,48 baru), plochou 10 in² a účinnou plochou 8 in², je celkový výstup mnohem vyšší.