Podczas przekazywania energii za pośrednictwem cieczy należy określić kierunek przepływu oraz zapewnić ciągłą, pełną kontrolę. Bez pełnej kontroli energia staje się bezużyteczna lub – co gorsza – może dojść do uszkodzenia maszyny. Jedną z głównych zalet technologii hydraulicznej jest możliwość stosowania zaworów sterujących hydraulicznie w celu stosunkowo łatwej kontroli energii.

Zawory sterujące hydrauliczne

Zawór sterujący hydrauliczny to element mechaniczny składający się z obudowy zaworu z wewnętrznymi kanałami umożliwiającymi łączenie lub blokowanie przepływu cieczy oraz z ruchomych części wewnętrznych. Kanały w obudowie służą do transportu oleju. Działanie ruchomych części wewnętrznych kontroluje maksymalne ciśnienie, kierunek przepływu oraz natężenie przepływu w układzie.

Sterowanie ciśnieniem w układzie

Energię hydrauliczną można zastosować do cylindra hydraulicznego. Gdy wynik jest pomyślny, po pełnym wysunięciu tłoczyska praca zostaje wykonana. Pompa przepływowa (objętościowa) będzie nadal pobierać dodatkową energię od swojego napędu pierwotnego. Powoduje to wzrost ciśnienia w oleju. (Uwaga: minimalny opór w układzie określa stosowane ciśnienie hydrauliczne.) W miarę dalszego wysuwania się tłoczyska fizyczna wytrzymałość układu staje się minimalnym oporem.

Pompa zwiększy ciśnienie, aby pokonać ten opór. Do utrzymania ciśnienia w układzie w bezpiecznym zakresie stosuje się zawory sterujące ciśnieniem.

Zawór sterujący ciśnieniem

Wewnętrzne części ruchome zaworu sterującego ciśnieniem działają na podstawie ciśnienia. Gdy ciśnienie w układzie osiągnie określoną wartość zadaną, wewnętrzne części ruchome łączą lub blokują jedną z przewodów w korpusie zaworu, powodując przepływ oleju lub zapobiegając przepływowi oleju przez ten przewód.

Konstrukcja zaworu sterującego ciśnieniem

Zawór sterowania ciśnieniem składa się z korpusu zaworu z przewodami głównym i wtórnym oraz wewnętrznymi ruchomymi elementami (tzw. tłoczkiem). Zewnętrzne połączenia z przewodami nazywane są portem głównym i portem wtórnym.

Zasada działania zaworu sterowania ciśnieniem

Wewnętrznym ruchomym elementem zaworu sterowania ciśnieniem jest zwykle urządzenie typu tłoczek. Gdy tłoczek znajduje się w jednym skrajnym położeniu, wewnętrzny przewód jest połączony i przepływ może przez niego przechodzić. Gdy tłoczek znajduje się w drugim skrajnym położeniu, wewnętrzny przewód jest zablokowany i przepływ przez zawór jest zatrzymany.

W zaworze sterowania ciśnieniem tłoczek jest podparty sprężyną w jednym ze skrajnych położeń. W tym normalnym położeniu zamkniętym wewnętrzny przewód jest zablokowany, a ścieżka przepływu przez zawór jest zamknięta. Typ ten nazywany jest normalnie zamkniętym zaworem sterowania ciśnieniem.

Zawór sterowania ciśnieniem wykrywa ciśnienie u dolnej części tłoczka. Ta dolna przewodząca ścieżka łączy się z portem głównym. Gdy ciśnienie w układzie przekroczy siłę sprężyny, tłoczek przesuwa się, aby połączyć wewnętrzną przewodzącą ścieżkę, umożliwiając przepływ przez zawór.

(Ciśnienie hydrauliczne używane do sterowania ruchem tłoczka nazywane jest ciśnieniem pilotowym. Sterowanie zaworem przy użyciu ciśnienia pilotowego nazywane jest sterowaniem pilotowym i jest najbardziej powszechną metodą sterowania wszystkimi typami zaworów hydraulicznych.)

Jeśli port główny tego typu zaworu sterowania ciśnieniem jest podłączony do strony układu o wysokim ciśnieniu, a ciśnienie dostarczane przez pompę staje się zbyt wysokie, przepływ z pompy może zostać odprowadzony przez ten zawór do zbiornika oleju — taki zwykle zamknięty zawór sterowania ciśnieniem nazywany jest zaworem bezpieczeństwa.

Rysunek 7-2: Zwykle zamknięty zawór sterowania ciśnieniem (działanie zaworu bezpieczeństwa). Sprężyna utrzymuje tłoczek w pozycji zamkniętej, dopóki ciśnienie w układzie nie przekroczy ustawienia sprężyny; wtedy tłoczek przesuwa się i otwiera ścieżkę do zbiornika.

Rysunek 7-3 Prosty obwód hydrauliczny z kontrolą ciśnienia (klapa zabezpieczająca). Gdy cylinder osiągnie koniec suwu, klapa zabezpieczająca otwiera się i przekierowuje przepływ pompy z powrotem do zbiornika, ograniczając maksymalne ciśnienie w układzie.

Sterowanie kierunkowe siłowników

Gdy cylinder hydrauliczny zostanie całkowicie wysunięty, musi zostać wciągnięty, aby można było ponownie wykonać pracę. Dlatego cylindry, które muszą poruszać się w dwóch kierunkach, zwykle są wyposażone w cylindry hydrauliczne z dwoma przewodami — tzw. cylindry dwustronnego działania. Kierunek przepływu musi zostać odwrócony w tym samym czasie.

Dwustronnego cylindra hydraulicznego

Cylinder hydrauliczny dwustronnego działania ma po jednym przewodzie na każdym końcu korpusu, co umożliwia dopływ i odpływ oleju, umożliwiając ruch tłoka w obu kierunkach (dwustronne działanie). Aby odróżnić dwa przewody cylindra dwustronnego działania, oznaczamy je literami „A” i „B”.

Kran sterujący

Wewnętrzne części ruchome zaworu sterującego kierunkiem przepływu mają za zadanie łączyć lub blokować wewnętrzne kanały korpusu zaworu, umożliwiając w ten sposób kontrolę kierunku przepływu oleju.

Konstrukcja zaworu sterującego kierunkiem przepływu

Typowy zawór sterujący kierunkiem przepływu ma cztery wewnętrzne kanały w korpusie zaworu oraz przesuwny tłoczek (suwak), który może łączyć lub blokować te kanały.

Zasada działania zaworu sterującego kierunkiem przepływu

Gdy tłoczek znajduje się w jednym z skrajnych położeń, kanał ciśnieniowy łączy się z kanałem roboczym A, a kanał powrotny – z kanałem roboczym B. Gdy tłoczek przełącza się na drugie skrajne położenie, kanał ciśnieniowy łączy się z kanałem roboczym A, a kanał powrotny – z kanałem roboczym B. Przełączenie kierunku przesuwu tłoczka zmienia kierunek przepływu oleju do cylindra hydraulicznego.

Gdy tłoczek cylindra wypycha się całkowicie i cofa się zgodnie z wymaganiami, praca zostaje wykonana. Gdy tłoczek przełącza się na inne skrajne położenie, olej dopływa do drugiej strony cylindra — a tłoczek cylindra się cofa.

Rysunek 7-4: Zawór sterujący kierunkiem przepływu w obwodzie cylindra dwustronnego działania. Przesunięcie tłoczka odwraca kierunek przepływu oleju, co powoduje odwrócenie kierunku ruchu cylindra.

Regulacja prędkości siłowników

W wielu zastosowaniach prędkość robocza siłownika musi być kontrolowana, a czasem nawet bardzo precyzyjnie regulowana. Jak wyjaśniono wcześniej, prędkość siłowników (cylindrów, silników hydraulicznych) jest bezpośrednio związana z szybkością dopływu oleju — prędkość siłownika określa przepływ wchodzący.

Ponieważ przemieszczenie pompy może być stałe, możliwe jest dobranie przepływu pompy na podstawie wymaganej prędkości siłownika. Jest to uzasadnione jedynie w systemach z pojedynczym siłownikiem.

Zazwyczaj w układzie hydraulicznym występuje więcej niż jeden siłownik. Jeśli system wymaga niezależnej pracy każdego cylindra hydraulicznego, przepływ pompy należy dobrać na podstawie największego cylindra hydraulicznego, który wymaga najwyższej prędkości. Oznacza to, że mniejsze siłowniki będą poruszać się szybciej, co może być niepożądane. Aby ograniczyć przepływ do tych lub innych siłowników, należy zastosować zawór regulacyjny przepływu.

Zawór sterujący przepływem

Przy użyciu zaworu regulacyjnego przepływu zawsze można zmniejszyć przepływ z pompy do siłownika.

Konstrukcja zaworu regulującego przepływ

Typowy zawór regulujący przepływ składa się z korpusu zaworu i ruchomej części. W naszym przykładzie ruchomą częścią jest igła nastawcza o stożkowym końcu. Ponieważ igła ta w trakcie pracy nie porusza się faktycznie (jest wcześniejszo ustawiana w określonej pozycji), bardziej odpowiednie jest określenie ruchomych części zaworu regulującego przepływ jako „regulowanych”, a nie „ruchomych”.

Zasada działania zaworu regulującego przepływ

W układzie hydraulicznym zawór regulujący przepływ działa zawsze w połączeniu z zaworem sterującym ciśnieniem (zaworem bezpieczeństwa). Zawór regulujący przepływ stanowi opór. Powoduje to, że pompa hydrauliczna generuje wyższe ciśnienie. To ciśnienie może spowodować, że część przepływu z pompy otworzy zawór bezpieczeństwa, co prowadzi do zmniejszenia przepływu przez zawór regulujący przepływ i osiągnięcia siłownika.

Rysunek 7-5: Obwód regulacji przepływu. Zawór iglicowy ogranicza przepływ do cylindra. Nadmiar przepływu pompy odpływa przez zawór bezpieczeństwa do zbiornika. Wielkość otwarcia zaworu iglicowego decyduje o prędkości ruchu tłoczyska cylindra.

Prosty układ hydrauliczny

Wszystkie powyższe komponenty mogą tworzyć prosty układ hydrauliczny. Ponieważ energia hydrauliczna w tym układzie jest sterowalna, układ ten może wykonywać użyteczną pracę.

Układy hydrauliczne są powszechnie stosowane w wielu dziedzinach – od przemysłu lotniczego i kosmicznego, sprzętu wojskowego po przemysłowe urządzenia przemysłowe, maszyny poruszające się i sprzęt stalowniczy. Zasady działania układów hydraulicznych we wszystkich tych zastosowaniach są takie same, jak opisano powyżej. Jedyną różnicą między różnymi „typami” układów hydraulicznych są stosowane komponenty.

W kolejnych rozdziałach omówimy szczegółowo różne typy komponentów – stosowanych w przemysłowych układach hydraulicznych. Aby wyjaśnić sposób stosowania tych komponentów, zaprojektujemy również kilka podstawowych obwodów hydraulicznych.

Symbole graficzne układów hydraulicznych

W poprzednich omówieniach elementów i podstawowych układów hydraulicznych wszystko wyjaśniano graficznie — za pomocą przekrojów, aby wizualnie przedstawić działania wewnętrzne poszczególnych elementów. Ta metoda jest pomocna przy wyjaśnianiu problemów, ale nie jest praktyczna w codziennej pracy.

Podobnie jak inne dziedziny techniczne, hydraulika również korzysta z symboli graficznych do reprezentowania elementów i układów. Wszystkie omawiane wcześniej elementy hydrauliczne oraz proste układy można przedstawić za pomocą standardowych symboli graficznych dla układów hydraulicznych i pneumatycznych zgodnie z normami ANSI Y32.10 lub ISO 1219.

Oprócz już omawianych elementów, do układu hydraulicznego należą także silniki elektryczne, filtry hydrauliczne itp. Układy hydrauliczne są zwykle napędzane przez silniki elektryczne. Ponadto, aby utrzymać odpowiedni poziom czystości, układy hydrauliczne powinny być wyposażone w filtry hydrauliczne chroniące olej przed zanieczyszczeniem.

Rysunek 7-7 Standardowe symbole graficzne układów hydraulicznych (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Symbole te są stosowane na wszystkich schematach obwodów hydraulicznych zamiast rysunków przekrojowych.

Rysunek 7-8 Pełny, prosty obwód hydrauliczny przedstawiony przy użyciu standardowych symboli graficznych. Tak właśnie rysuje się obwody hydrauliczne w praktyce inżynierskiej.