Rozdział 8: zawory zwrotne, akumulatory i cylindry hydrauliczne

Zawór zwrotny

Konstrukcja zaworu zwrotnego

Zawór zwrotny składa się głównie z korpusu zaworu z portami wejściowym i wyjściowym oraz ruchomej części przesuwanej przez sprężynę. Ruchoma część może być tarczą, płytą lub zaworem stożkowym — w układach hydraulicznych najczęściej jest to kulka lub zawór stożkowy z siedziskiem.

Zasada działania zaworu zwrotnego

Płyn może przepływać przez zawór zwrotny tylko w jednym kierunku — kierunku swobodnego przepływu. Gdy ciśnienie w układzie na złączu wejściowym wzrośnie wystarczająco, aby pokonać siłę sprężyny przyciskającej tarczkę, tarczka zostaje odciśnięta od swojego gniazda i płyn przepływa przez zawór. Jest to kierunek swobodnego przepływu. Gdy płyn próbuje przepływać wstecz ze złącza wyjściowego, tarczka jest wciskana do swojego gniazda, uszczelniając przejście i blokując przepływ wsteczny.

Rysunek 8-1. Zawór zwrotny. Tarczka obciążona sprężyną osadza się w swoim gnieździe przy przepływie wstecznym, całkowicie blokując przepływ wsteczny. Zawór zwrotny stanowi hydrauliczny odpowiednik ulicy jednokierunkowej.

Zastosowania zaworów zwrotnych w obwodach

Zawór zwrotny pełni zarówno funkcje kierunkowe, jak i sterowania ciśnieniem — umożliwia przepływ płynu wyłącznie w jednym kierunku. W układach hydraulicznych zawory zwrotne są powszechnie stosowane jako zawory obejściowe, umożliwiające przepływ płynu omijający dany element. Na przykład zawór zwrotny połączony równolegle z zaworem regulującym przepływ pozwala na przepływ wsteczny omijający ten zawór regulacyjny.

Zawory zwrotne mogą również izolować gałąź lub element układu. Na przykład w przypadku akumulatora: zawór zwrotny zapobiega rozładowaniu się akumulatora przez zawór bezpieczeństwa lub pompę hydrauliczną.

Zawór zwrotny jest zazwyczaj urządzeniem o niskiej przepuszczalności; w rzeczywistości może być zaprojektowany tak, aby w ogóle nie przepuszczał medium. Zawór zwrotny może utrzymywać obciążenie niemal w nieskończoność. Należy jednak pamiętać, że zawór zwrotny jest zaworem jednokierunkowym — do zwolnienia obciążenia ruchoma część zaworu musi zostać odciśnięta ze swojego gniazda. Wymaga to specjalnego typu zaworu zwrotnego, zwanego zaworem zwrotnym sterowanym pilotowo.

Rysunek 8-2: Trzy najczęstsze zastosowania zaworów zwrotnych w obwodach hydraulicznych: obejście przepustnicy, izolacja akumulatora oraz ogranicznik ciśnienia z naprzężaną sprężyną.

Utrzymywanie zawieszonego obciążenia

Większość hydraulicznych elementów zaworowych typu spool ma pewien wewnętrzny przepływ obejściowy — nie oznacza to niskiej jakości, ponieważ większość tego przepływu obejściowego została celowo zaprojektowana w celu smarowania elementu. Jednak jeśli system wymaga, aby cylinder utrzymywał obciążenie w pozycji zawieszonej bez przemieszczania się („pełzania”), wycieki stają się problemem. W takiej sytuacji należy zastosować zawór zwrotny z funkcją uszczelnienia.

Zawór zwrotny sterowany pilotowo

Zawór zwrotny sterowany pilotowo umożliwia swobodny przepływ w jednym kierunku; gdy ciśnienie pilotowe przesuwa ruchomą część z jej siedziska, możliwy staje się również przepływ w kierunku przeciwnym.

Konstrukcja

Podobnie jak zwykły zawór zwrotny, zawór zwrotny sterowany pilotowo składa się z korpusu zaworu z portami wejściowym i wyjściowym oraz z zawierającego się w nim zaworu kulowego (ruchomej części) podpartego sprężyną, który opiera się na siedzisku. Dodatkowo, po przeciwnej stronie siedziska zawór kulowy wyposażony jest w drążek popychający oraz tłoczek pilotowy z miękką sprężyną. Ciśnienie pilotowe doprowadzane przez port pilotowy działa na ten tłoczek. Komora sprężynowa tłoczka posiada port odprowadzający.

Jak to działa

Zawór zwrotny sterowany pilotowo umożliwia swobodny przepływ od wlotu do wylotu w taki sam sposób jak zwykły zawór zwrotny. Przepływ próbujący wejść od strony wylotu zmusza grzybek do przylegania do siedziska, co powoduje zamknięcie kanału przepływowego. Gdy na tłoczek sterujący działa wystarczające ciśnienie pilotowe, tłoczek porusza się i naciska na grzybek zaworu zwrotnego, odrywając go od siedziska. Dopóki siła działająca na tłoczek sterujący jest wystarczająco duża, przepływ może odbywać się od wylotu do wlotu.

Rysunek 8-3: Zawór zwrotny sterowany pilotowo. Bez ciśnienia pilotowego działa jak zwykły zawór zwrotny (swobodny przepływ tylko w jednym kierunku). Po przyłożeniu ciśnienia pilotowego dopuszczalny jest również przepływ wsteczny — co umożliwia zwolnienie obciążenia.

Zastosowanie w obwodzie

Zastosowanie jednego zaworu zwrotnego sterowanego pilotowo do zablokowania przepływu z portu B cylindra pozwala utrzymać obciążenie w zawieszeniu, o ile uszczelki cylindra są sprawne i nie występuje wyciek w przewodach, cylindrze ani w zaworze zwrotnym. Aby obniżyć obciążenie, należy doprowadzić ciśnienie pilotowe z przewodu A do tłoczka sterującego.

Ciśnienie pilotowe dla zaworu zwrotnego sterowanego pochodzi z linii roboczej cylindra hydraulicznego — dopóki ciśnienie w linii A jest wystarczająco wysokie, zawór zwrotny pozostaje otwarty. Podczas podnoszenia obciążenia olej łatwo przepływa przez zawór zwrotny, ponieważ jest to kierunek swobodnego przepływu.

W niektórych sytuacjach obciążenia zamocowane do tłoczyska cylindra muszą być zablokowane w pozycji nieruchomej. Aby tego dokonać, w każdej linii roboczej cylindra można zainstalować zawór zwrotny sterowany — zawory zwrotne sterowane zapierają przepływ oleju opuszczającego cylinder. Dopóki uszczelki cylindra pozostają skuteczne i nie występuje żadna nieszczelność w układzie, obciążenie może być utrzymywane w ustalonej pozycji.

Akumulator hydrauliczny

Akumulator magazynuje ciśnienie hydrauliczne. To ciśnienie hydrauliczne stanowi energię potencjalną, którą można przekształcić w energię roboczą (przepływ i ciśnienie).

Rodzaje akumulatorów

Akumulatory można podzielić na typy obciążone siłą grawitacji, obciążone sprężyną oraz typy cieczowo-gazowe. Różnią się one sposobem, w jaki akumulator utrzymuje siłę roboczą działającą na przechowywaną olejową.

Akumulator obciążony siłą grawitacji

Akumulator obciążony siłą grawitacji wykorzystuje ciężar masywnego przedmiotu działającego na tłok lub suwak do utrzymywania siły roboczej działającej na przechowywany olej. Masa ta może być wykonana z dowolnego ciężkiego materiału — żelaza, betonu, a nawet wody. Akumulatory obciążone siłą grawitacji są zazwyczaj bardzo duże, czasem pomieszczające setki galonów. Obsługują jednocześnie wiele układów hydraulicznych i stosowane są w walcowniach oraz centralnych układach hydraulicznych.

Pożądaną cechą akumulatora obciążonego siłą grawitacji jest to, że przechowuje olej przy względnie stałym ciśnieniu — niezależnie od tego, czy pojemnik jest pełny, czy prawie pusty, przechowywane ciśnienie pozostaje praktycznie niezmienne. Wynika to z faktu, że siła działająca na olej to siła grawitacji (ciężar), która jest stała — niezależnie od ilości oleju w akumulatorze, wartość przyłożonej siły pozostaje taka sama.

Niepożądane cechy akumulatorów obciążanych ciężarem są powstawanie wstrząsów. Gdy akumulator obciążony ciężarem zostaje nagłe zatrzymany podczas szybkiego przepływu wyjściowego, bezwładność ciężkiej masy powoduje znaczne skoki ciśnienia w układzie. Może to prowadzić do przecieków w rurach i połączeniach oraz do zmęczenia materiału metalowego, co skutkuje przedwczesnym uszkodzeniem komponentów.

Rysunek 8-6: Akumulator obciążony ciężarem. Stała masa generuje stałe ciśnienie niezależnie od objętości oleju. Stosowany w dużych systemach przemysłowych, takich jak układy hydrauliczne w hutach stalowych.

Akumulator sprężynowy

Akumulator z zaworem sprężynowym wykorzystuje sprężynę działającą na tłok, aby utrzymać siłę na magazynowanym oleju. Akumulatory z zaworem sprężynowym są zazwyczaj mniejsze niż typy grawitacyjne i mogą przechowywać kilka galonów oleju. Zwykle obsługują pojedynczy układ hydrauliczny i pracują w warunkach niskiego ciśnienia. Gdy olej pod ciśnieniem wpływa do akumulatora z zaworem sprężynowym, ciśnienie magazynowanego oleju zależy od stopnia skompresowania sprężyny. Gdy tłok przesuwa się w górę i kompresuje sprężynę o 10 cali (25,4 cm), ciśnienie magazynowane jest wyższe niż w przypadku kompresji sprężyny o 4 cale (10,2 cm).

Aby zapobiec gromadzeniu się wyciekającego oleju w komorze sprężyny, komora ta jest wyposażona w otwór odpływowy, przez który wyciek może być odprowadzany. Akumulatory z napędem sprężynowym nie powinny być odprowadzane na zewnątrz do zbiornika, ponieważ spowodowałoby to pianowanie się oleju. Niezależnie od tego, czy koniec rury odpływowej znajduje się powyżej czy poniżej poziomu cieczy w zbiorniku, akumulator zawsze powoduje pianowanie podczas pracy — gdy akumulator szybko dostarcza przepływ, olej nad tłokiem nie jest w stanie nadążyć za ruchem tłoka, co powoduje powstanie częściowego próżni w komorze sprężyny i wydzielenie się powietrza z oleju. Podczas ponownego napełniania akumulatora tłok porusza się w górę, wciskając olej zawierający powietrze z powrotem do zbiornika. Pęcherzyki powietrza w zbiorniku są niepożądane, dlatego akumulatory z napędem sprężynowym zwykle nie są odprowadzane na zewnątrz.

W przypadku akumulatorów z napędem sprężynowym z zewnętrznym odpływem z komory sprężyny, w razie zużycia uszczelki tłoka wymagana jest natychmiastowa interwencja. Brak terminowej naprawy może skutkować koniecznością przeprowadzenia czyszczenia.

Rysunek 8-7 – Akumulator z obciążeniem sprężynowym. Siła sprężyny — a tym samym ciśnienie magazynowane — rośnie w miarę przesuwania się tłoka w górę. Stosowany w małych systemach niskociśnieniowych.

Akumulator ciecz/gaz

Akumulator ciecz/gaz jest najczęściej stosowanym typem w przemysłowych systemach hydraulicznych. Wykorzystuje skompresowany gaz do utrzymywania siły roboczej działającej na magazynowaną olej.

Akumulatory ciecz/gaz dzieli się na typ tłokowy, membranowy i workowy w zależności od urządzenia służącego do oddzielenia gazu od oleju.

Akumulator tłokowy

Akumulator tłokowy składa się z korpusu i ruchomego tłoka z elastycznymi pierścieniami uszczelniającymi. Górna przestrzeń nad tłokiem jest wypełniona sprężonym gazem. Gdy olej jest wprowadzany do korpusu, gaz ulega sprężeniu. Podczas odpływu oleju z akumulatora ciśnienie gazu maleje. Po całkowitym opróżnieniu akumulatora tłok osiąga koniec swojego skoku i zamyka otwór wyjściowy, utrzymując gaz wewnątrz akumulatora.

Akumulator membranowy

Akumulator membranowy ma kształt kuli, utworzonej przez połączenie dwóch metalowych półkul za pomocą śrub. Przestrzeń wewnętrzna jest podzielona membraną wykonaną z syntetycznej gumy — górza komora jest wypełniona gazem. Gdy olej pod ciśnieniem wpływa do drugiej komory, gaz ulega sprężeniu. Po całkowitym opróżnieniu akumulatora membrana zakrywa otwór wyjściowy i utrzymuje gaz w akumulatorze; membrana nie zostaje wypchnięta poza swoją grubość.

Akumulator workowy

Akumulator typu worka składa się z metalowej obudowy i wewnętrznego worka wykonanego z syntetycznej gumy. Worek jest napełniony gazem. Gdy olej wpływa do obudowy, gaz w worku ulega sprężeniu, a olej wypływa z obudowy. Gdy cały olej zostanie wypompowany, ciśnienie gazu stara się przepchnąć worek przez otwór wyjściowy — jednak gdy worek styka się z zaworem siedziskowym na wyjściu, olej znajdujący się wewnątrz obudowy jest automatycznie uszczelniany.

Rysunek 8-8: Trzy typy akumulatorów ciecz/gaz. Wszystkie wykorzystują sprężony azot do magazynowania energii hydraulicznej. Typ tłokowy (góra), typ membranowy (środek) oraz typ workowy (dół) różnią się sposobem oddzielania gazu od oleju.

Zastosowania obwodów akumulatorów

Akumulatory mogą pełnić kilka funkcji w układach hydraulicznych: zapewnianie przepływu, utrzymywanie ciśnienia oraz pochłanianie wstrząsów.

Zapewnianie przepływu

Zasilanie przepływem to jedno z zastosowań akumulatora. Naładowany akumulator stanowi źródło hydraulicznej energii potencjalnej. Gdy system wymaga większego przepływu, niż może zapewnić pompa, energia zgromadzona w akumulatorze może zostać wykorzystana do generowania przepływu w systemie. Na przykład, jeśli maszyna została zaprojektowana tak, że rzeczywisty czas pracy jest bardzo krótki w cyklu jej działania, pompa o małej wydajności może przez pewien czas ładować akumulator. Gdy maszyna działa, zawór rozdzielający przełącza się do pozycji roboczej, a akumulator natychmiast dostarcza oleju pod ciśnieniem do siłownika zgodnie z wymaganiami. Ta metoda wykorzystania akumulatora w połączeniu z małą pompą pozwala na magazynowanie mocy szczytowej — innymi słowy, zastępuje dużą moc/przepływ dużej pompy/silnika w krótkim czasie mniejszą pompą/silnikiem działającymi średnio przez dłuższy okres.

Utrzymywanie ciśnienia

Akumulatory mogą być stosowane do utrzymywania ciśnienia. Gdy pompa/silnik dostarcza przepływu do innych części systemu, akumulator może utrzymywać ciśnienie w jednej gałęzi obwodu.

Gdy system wymaga powrotu cylindra zaciskowego A, cylinder zaciskowy B musi utrzymywać ciśnienie. W chwili przełączenia zaworu rozdzielającego A ciśnienie w pompie hydraulicznej oraz w przewodach cylindra A szybko spada, podczas gdy ciśnienie w cylindrze B jest utrzymywane przez akumulator, który już wcześniej zgromadził wystarczającą ilość oleju pod ciśnieniem, aby skompensować wycieki w przewodach cylindra B.

W innym zastosowaniu cylinder roboczy umieszczony w pobliżu pieca narażony jest na wysoką temperaturę otoczenia, powodującą termiczne rozszerzanie się oleju. Akumulator pochłania zwiększoną objętość oleju i utrzymuje ciśnienie na stosunkowo stałym poziomie. Bez akumulatora wzrost ciśnienia w przewodach byłby niekontrolowany i mógłby spowodować pęknięcie obudowy elementów, rur lub połączeń.

Rysunek 8-10: Akumulator do utrzymywania ciśnienia. (Góra) Utrzymuje ciśnienie w jednej gałęzi obwodu, podczas gdy pompa zasila inną gałąź. (Dół) Pochłania zmiany objętości spowodowane termicznym rozszerzaniem się oleju w pobliżu źródeł ciepła.

Pochłanianie uderzeń

Akumulatory cieczy/gazu mogą również być wykorzystywane do pochłaniania wstrząsów w układzie. Wstrząsy w układzie hydraulicznym mogą być spowodowane bezwładnością obciążenia połączonego z siłownikiem lub silnikiem albo nagłą przerwą przepływu lub szybką zmianą kierunku przepływu przez zawór rozdzielający, co powoduje wstrząs wynikający z bezwładności cieczy. Akumulator umieszczony w obwodzie może pochłonąć część tego wstrząsu i zapobiec jego rozprzestrzenianiu się w całym układzie.

Zewnętrzne siły mechaniczne mogą również powodować wstrząsy hydrauliczne. Obciążenie połączone z siłownikiem hydraulicznym, które ma tendencję do odbijania się, wciska tłok wstecz, powodując wstrząs hydrauliczny. Akumulator umieszczony w linii siłownika, jeśli jest prawidłowo naładowany, pomaga zmniejszyć skutki wstrząsu. Jeśli jest nieprawidłowo naładowany, może również spowodować nadciśnienie.

Ładowanie izotermiczne i adiabatyczne

Ponieważ akumulatory cieczy/gazu wykorzystują sprężony gaz do przechowywania ciśnienia oleju, właściwości gazu wpływają na wydajność akumulatora. Gdy akumulator cieczy/gazu jest ładowany, gaz ulega sprężeniu, a jego temperatura wzrasta. Przy stałym ciśnieniu gorący gaz zajmuje więcej miejsca niż zimniejszy gaz.

Proces izotermiczny opisuje stan pracy akumulatora, w którym temperatura gazu pozostaje stała. Podczas ładowania działanie izotermiczne oznacza, że gaz jest sprężany wystarczająco powoli, aby całościowo odprowadzić całe ciepło wytworzone w trakcie sprężania. Proces adiabatyczny opisuje stan pracy akumulatora, w którym temperatura gazu ulega zmianie. Podczas ładowania działanie adiabatyczne oznacza, że gaz jest sprężany tak szybko, że całe ciepło pozostaje w nim zawarte.

Dla akumulatora cieczy/gazu naładowanego do tego samego ciśnienia proces izotermiczny pozwala na przechowanie większej ilości oleju niż proces adiabatyczny.

Przykład liczbowy: Akumulator tłokowy początkowo ma ciśnienie gazu równe 500 psi (34,48 bar) i temperaturę 70°F (21°C). W przypadku doładowania do 1000 psi (68,97 bar) w sposób adiabatyczny (szybki) temperatura i ciśnienie rosną równocześnie. Przy ciśnieniu 1000 psi (68,97 bar) przepływ oleju ustaje; temperatura wynosi 150°F (65,6°C), a akumulator przechowuje 135 in³ (2215,65 cm³) oleju. W przypadku doładowania izotermicznego (wolnego) temperatura utrzymuje się na poziomie 70°F (21°C) przez cały czas; przy ciśnieniu 1000 psi (68,97 bar) przepływ oleju ustaje, a akumulator przechowuje 150 in³ (2458,5 cm³) oleju.

Rysunek 8-12: Ładowanie izotermiczne vs. adiabatyczne. Wolne (izotermiczne) ładowanie umożliwia przechowanie większej ilości oleju niż szybkie (adiabatyczne) ładowanie przy tym samym końcowym ciśnieniu, ponieważ temperatura pozostaje niższa, a gaz zajmuje mniej objętości.

Rozładowywanie izotermiczne i adiabatyczne

Podczas odprowadzania oleju gaz ulega rozszerzeniu i ochłodzeniu. Przy stałym ciśnieniu chłodniejszy gaz zajmuje mniejszą objętość niż cieplejszy gaz. W praktyce działanie akumulatora jest zazwyczaj adiabatyczne — a nie izotermiczne. W poniższych sekcjach głównym zagadnieniem nie jest ilość oleju, jaką akumulator może przechować, lecz raczej ilość oleju, jaką dostarcza przed spadkiem ciśnienia do niższego poziomu, co w znacznym stopniu zależy od ciśnienia wstępnego.

Ciśnienie wstępne

Gdy akumulator jest całkowicie opróżniony z oleju, ciśnienie gazu wprowadzonego do akumulatora ciecz/gaz stanowi ciśnienie wstępne. Ciśnienie to znacząco wpływa na skuteczną objętość oraz właściwości tłumienia wstrząsów akumulatora.

Wpływ ciśnienia wstępnego na skuteczną objętość

Akumulatory cieczy/gazu stosowane do generowania przepływu w układzie lub utrzymywania ciśnienia zwykle działają w zakresie od maksymalnego do minimalnego ciśnienia roboczego. Gdy akumulator jest w pełni napełniony olejem, osiąga maksymalne ciśnienie robocze. W razie potrzeby ciśnienie robocze spada, a akumulator dostarcza oleju aż do niższego, minimalnego ciśnienia roboczego. Objętość oleju, jaką akumulator dostarcza pomiędzy maksymalnym i minimalnym ciśnieniem roboczym, stanowi jego objętość skuteczną.

Ciśnienie wstępnego napełnienia wpływa na objętość skuteczną. Przykład: akumulator cieczy/gazu o pojemności 231 cali sześciennych (3 786 cm³) w układzie wykorzystuje małą pompę do napełniania olejem aż do ciśnienia roboczego układu wynoszącego 2 000 psi (137,9 bar). Aby zapewnić przepływ, ciśnienie jest obniżane do 1 500 psi (103,4 bar). Wybrane ciśnienie wstępnego napełnienia określa ilość oleju, jaką akumulator dostarcza do układu.

Z tabeli wydajności wynika, że akumulator o pojemności 231 cali sześciennych (3786 cm³) z wstępnym napełnieniem do ciśnienia 100 psi (6,89 bar) może przechować 210 cali sześciennych (3441,9 cm³) oleju przy izotermicznym ładowaniu do ciśnienia 1000 psi (górną granicą są wartości izotermiczne). Przy ciśnieniu 1500 psi (103,4 bar) przechowuje on 202 cale sześcienne (3310,8 cm³), dostarczając 8 cali sześciennych (131 cm³) oleju pomiędzy tymi dwoma ciśnieniami. Ten akumulator z niskim ciśnieniem wstępnego napełnienia przechowuje dużo oleju, ale dostarcza go bardzo mało.

Zwiększenie ciśnienia wstępnego napełnienia do 1000 psi (68,96 bar) powoduje, że akumulator przechowuje 93 cale sześcienne (1524,3 cm³) oleju przy ciśnieniu 2000 psi (137,9 bar) oraz 59,5 cala sześciennego (975 cm³) przy ciśnieniu 1500 psi (103,4 bar), dostarczając 33,5 cala sześciennego (594,1 cm³). Wyższe ciśnienie wstępnego napełnienia powoduje przechowywanie mniejszej ilości oleju, ale znacznie większą jego ilość jest dostarczana. Przy ciśnieniu wstępnego napełnienia 1400 psi (96,6 bar) ilość przechowywanego oleju jest minimalna, natomiast ilość dostarczanego oleju – maksymalna.

Rysunek 8-13: Tabela wydajności akumulatora (pojemność 231 cali sześciennych). Wyższe ciśnienie wstępnego napełnienia zapewnia większą ilość oleju dostarczanego w każdym cyklu pomiędzy ustalonymi granicami ciśnienia, ale zmniejsza całkowitą ilość przechowywanego oleju. Ciśnienie wstępnego napełnienia należy dobierać na podstawie wymaganej objętości skutecznej, a nie całkowitej pojemności.

Sterowanie skuteczną objętością wyjściową

Skuteczną objętość wyjściową akumulatora należy sterować przepływem. W przypadku utrzymywania ciśnienia sterowany przepływ określa się na podstawie przecieków, które należy kompensować. W przypadku akumulatorów służących do zasilania układu olejem pod ciśnieniem, gdy zawór rozdzielający w obwodzie wtórnym zmienia położenie, skuteczna objętość wyjściowa jest zbyt duża. Dlatego też akumulatory te często wyposażone są w zawory ograniczające przepływ oraz zawory zwrotne obejściowe na swoich portach wejściowych/wyjściowych.

Gdy akumulator cieczowo-gazowy jest stosowany jako tłumik uderzeń, jego ciśnienie wstępnego napełnienia jest zwykle ustawiane nieco powyżej maksymalnego ciśnienia roboczego w obwodzie (ok. 100 psi / 6,896 bar powyżej maksymalnego ciśnienia ustalonego przez ustawienie zaworu bezpieczeństwa). Jeśli maksymalne ciśnienie robocze jest określone przez zawór bezpieczeństwa, ciśnienie wstępnego napełnienia można ustawić na poziomie ok. 100 psi powyżej ustawienia zaworu bezpieczeństwa.

Wpływ ciśnienia wstępnego napełnienia na tłumienie uderzeń

Ciśnienie wstępnego napełnienia akumulatora cieczy/gazu wpływa na jego zdolność do tłumienia wstrząsów. W układzie hydraulicznym wstrząsy powstają w wyniku zewnętrznych sił mechanicznych działających na cylinder lub silnik, co powoduje szyki wzrost ciśnienia, lub wskutek bezwładności cieczy przy nagłym zamknięciu zaworu hydraulicznego.

Akumulator może pochłonąć część oleju poddanego uderzeniowemu wzrostowi ciśnienia, który jest w stanie skompresować i przetransferować. Linia wyposażona w akumulator staje się ściśliwa powyżej określonego ciśnienia. Jeśli ciśnienie wstępnego napełnienia akumulatora jest zbyt niskie, już przed dotarciem wstrząsu akumulator magazynuje pewną ilość oleju, a więc może pochłonąć jedynie 4 cal³ (65,6 cm³). Jeśli ciśnienie wstępnego napełnienia wynosi 2500 psi (172,4 bar) — czyli zbyt wysokie — ciśnienie wzrasta niemal do 2800 psi (193 bar), zanim akumulator pochłonie 4 cal³. W przypadku tłumików wstrząsów ciśnienie wstępnego napełnienia ma kluczowe znaczenie.

Utrata ciśnienia wstępnego napełnienia

Akumulator cieczowo-gazowy jest napełniany gazem do odpowiedniego ciśnienia wstępnego tylko raz. Oznacza to, że to samo ciśnienie wstępne nie może być utrzymywane w sposób nieograniczony w czasie. Podczas pracy akumulatora sprężony gaz ucieka przez zawór gazowy — możliwe przyczyny to awaria zaworu gazowego, słabe uszczelnienie lub problem z dopasowaniem stożkowego rdzenia zaworu do jego siedziska. Ciśnienie gazu zmniejsza się również stopniowo podczas odprowadzania oleju w przypadku akumulatorów workowych i membranowych — zjawisko to zwykle kończy się katastrofalnie, powodując pęknięcie membrany wykonanej z syntetycznej gumy. W przypadku akumulatorów tłokowych podczas procesu odprowadzania gaz napełniający może uciekać przez zużyte uszczelki z obszaru tłoka. Stopniowa utrata ciśnienia wstępnego może wskazywać na akumulator tłokowy o pewnym stopniu zużycia.

Sprawdzanie ciśnienia wstępnego

Poprawne ciśnienie wstępne jest kluczowe dla wydajności akumulatora cieczy/gazu, dlatego powinno być sprawdzane regularnie. Do sprawdzenia ciśnienia wstępnego wymagane jest urządzenie do doładowywania wyposażone w manometr. Urządzenie to składa się głównie z głowicy doładowującej, zaworu odpowietrzającego oraz manometru.

Procedura sprawdzania: opróżnić akumulator ze wszystkiego oleju, zdjąć korek ochronny (zwykle znajdujący się na zaworze gazowym u góry). Gdy dźwignia głowicy jest całkowicie wyciągnięta, upewnić się, że zawór odpowietrzający jest zamknięty. Podłączyć głowicę doładowującą do zaworu gazowego akumulatora, dokręcić skrzydlatą nakrętkę głowicy i zapewnić niezawodne połączenie z zaworem gazowym. Wkręcić śrubę głowicy, aby całkowicie nacisnąć rdzeń zaworu gazowego akumulatora; odczytać wartość ciśnienia na manometrze — jest to ciśnienie wstępne akumulatora.

Jeśli wstępne napełnienie jest prawidłowe, obróć uchwyt kłębka na zewnątrz, aby zamknąć zawór gazowy akumulatora, otwórz zawór odpowietrzający, aby zdeprzechować urządzenie do napełniania, poluzuj śrubę skrzydłową kłębka, usuń urządzenie z akumulatora i ponownie załóż ochronną pokrywkę zaworu gazowego.

Jeśli ciśnienie wstępne jest zbyt wysokie, otwórz zawór odpowietrzający, aby zwolnić nadmiarowe ciśnienie. Jeśli należy zwiększyć ciśnienie wstępne, najpierw wyjmij uchwyt kłębka, aby zamknąć zawór gazowy akumulatora, otwórz zawór odpowietrzający, aby obniżyć ciśnienie w urządzeniu do napełniania, następnie zamknij zawór odpowietrzający i podłącz urządzenie do butli z azotem. Obróć uchwyt kłębka w kierunku wewnątrz, aby całkowicie wcisnąć rdzeń zaworu gazowego akumulatora, otwórz zawór butli z azotem, aby powoli wprowadzić gaz do akumulatora. Gdy manometr wskaże pożądane ciśnienie, zamknij zawór gazowy. Po osiągnięciu przez manometr poprawnej wartości ciśnienia wstępnego zamknij zawór butli z azotem, wyjmij uchwyt kłębka, aby zamknąć zawór gazowy akumulatora, otwórz zawór odpowietrzający, a następnie odłącz elastyczną rurę napełniającą oraz urządzenie do napełniania.

Rysunek 8-15: Sprawdzanie i ustawianie ciśnienia wstępnego akumulatora. (Góra) Zużyte uszczelki tłoka powodują stopniową utratę ciśnienia wstępnego. (Dół) Standardowy zestaw do napełniania azotem — zawsze używaj suchego azotu, nigdy sprężonego powietrza.

Rozładowywanie pompy hydraulicznej w obwodzie z akumulatorem

W typowym obwodzie hydraulicznym z akumulatorem, gdy akumulator jest w pełni naładowany i żadna część systemu nie działa, przepływ pompy/silnika powinien być odprowadzany do zbiornika przy możliwie najniższym ciśnieniu. W przedstawionym obwodzie do rozładowywania stosuje się zawór odprowadzający. Gdy ciśnienie w akumulatorze osiągnie wartość nastawy zaworu odprowadzającego, zawór ten otwiera się i kieruje przepływ pompy do zbiornika.

Zazwyczaj tego typu rozładowywanie może trwać tylko kilka sekund, ponieważ zawsze występuje pewna nieszczelność poniżej zaworu zwrotnego. Akumulator musi kompensować tę nieszczelność — ciśnienie stopniowo spada — zawór odprowadzający stopniowo się zamyka, a otwór prowadzący do zbiornika staje się coraz mniejszy, aż ciśnienie w akumulatorze spadnie poniżej ciśnienia otwarcia zaworu. W miarę zamykania się zaworu pompa/silnik musi wytworzyć większą moc, aby ponownie naładować akumulator do wartości nastawy zaworu odprowadzającego.

Aby zapewnić całkowite odciążenie pompy/silnika przed ponownym naładowaniem akumulatora, można zastosować przełącznik ciśnienia. W obwodzie przełącznik ciśnienia wykrywa ciśnienie w akumulatorze i wysyła sygnał elektryczny do przełączenia przy ustalonej wartości ciśnienia. Sygnał elektryczny jest przekazywany do dwukierunkowego zaworu elektromagnetycznego typu normally closed (zwykle zamknięty) — zawór ten może sterować zaworem bezpieczeństwa sterowanym pilotowo w celu odciążenia. Gdy ciśnienie w akumulatorze osiągnie wartość ustawioną w przełączniku ciśnienia, przekaźnik wysyła sygnał do zaworu elektromagnetycznego, który odciąża zawór bezpieczeństwa i kieruje przepływ pompy/silnika do zbiornika poprzez zawór bezpieczeństwa.

Rysunek 8-16: Obwody odciążania akumulatora. (Góra) Prosty zawór odpływowy — odciąża do zbiornika po osiągnięciu w akumulatorze ustalonego ciśnienia, ale ma tendencję do cyklicznego działania. (Dół) Przełącznik ciśnienia w połączeniu z zaworem bezpieczeństwa sterowanym pilotowo — zapewnia pełne odciążenie oraz precyzyjną kontrolę zakresu ciśnienia.

Zawór odciążający różnicowy

Po naładowaniu akumulatora zawór zwalniający z różnicą ciśnień może zastąpić wyzwalacz ciśnienia i zawór elektromagnetyczny w celu otwarcia zaworu bezpieczeństwa i odciążenia pompy/silnika. Zawór zwalniający z różnicą ciśnień to zawór hydrauliczny zaprojektowany specjalnie do zastosowań z akumulatorem. Jak wynika z jego nazwy, zawór ten wykorzystuje różnicę ciśnień do odciążenia pompy/silnika.

Konstrukcja

Zawór zwalniający z różnicą ciśnień składa się z zaworu bezpieczeństwa sterowanego pilotowo, zaworu zwrotnego oraz tłoka różnicowego umieszczonych w jednej korpusie zaworu. Korpus zaworu posiada trzy porty: port ciśnieniowy, port powrotny oraz port akumulatora.

Jak to działa

Wewnątrz zaworu rozładowującego z różnicowym ciśnieniem zawór zwrotny oraz zawór bezpieczeństwa sterowany pilotowo działają prawidłowo. Olej wypływający z pompy może ładować akumulator poprzez zawór zwrotny. Pistolet różnicowy znajduje się naprzeciwko tłoczka zaworu bezpieczeństwa pilotowego i może swobodnie poruszać się w swoim otworze. Obie strony tłoczka są narażone na jednakowe powierzchnie ciśnienia. Podczas ładowania akumulatora ciśnienie po obu stronach tłoczka jest praktycznie takie samo (pomijając spadek ciśnienia w zaworze zwrotnym), dlatego tłoczek nie przesuwa się. Gdy ciśnienie działające na tłoczek zaworu bezpieczeństwa pilotowego osiągnie wystarczającą wartość, tłoczek pilotowy zostaje odepchnięty od swojego siedziska — jak wiadomo, ruch ten ogranicza ciśnienie w komorze sprężyny głównego zaworu bezpieczeństwa. Ponieważ komora sprężyny głównego zaworu bezpieczeństwa oraz jedna z końcówek tłoczka różnicowego są pod wpływem ograniczonego ciśnienia, tłoczek przesuwa się w kierunku tłoczka zaworu bezpieczeństwa pilotowego, całkowicie odepychając go od siedziska i skutecznie usuwając ciśnienie sterujące z komory sprężyny głównego tłoczka, co prowadzi do rozładowania zaworu bezpieczeństwa oraz rozładowania pompy/napędu hydraulicznego. Jednocześnie zawór zwrotny zamyka się, uniemożliwiając wydostanie się oleju z akumulatora przez zawór bezpieczeństwa.

Pole powierzchni tłoka różnicowego narażone na ciśnienie jest o 15% większe niż pole powierzchni wałka zaworu pilotowego. Ponieważ siła = ciśnienie × pole powierzchni, siła utrzymująca wałek zaworu pilotowego w pozycji odłożonej od jego siedziska jest o 15% większa niż siła unosząca wałek zaworu pilotowego. Oznacza to, że sprężyna musi otrzymać dodatkową siłę przewyższającą 15% z innego źródła, aby ponownie posadzić wałek zaworu pilotowego na jego siedzisku — lub ciśnienie w systemie musi spaść o 15%, zanim wałek zaworu pilotowego będzie mógł ponownie zająć swoje siedzisko.

Zapewnia to, że zawór rozładowania różnicowego ciśnienia utrzymuje pompę/napęd hydrauliczny w stanie rozładowanym po naładowaniu akumulatora aż do spadku ciśnienia o ustalony procent — zazwyczaj około 15% wartości ustawienia zaworu pilotowego. Na przykład przy ustawieniu zaworu pilotowego na 1000 psi (69 bar) rozładowanie zachodzi w zakresie od 1000 psi (69 bar) do 850 psi (59 bar); przy ustawieniu zaworu pilotowego na 2000 psi (138 bar) zakres rozładowania wynosi od 2000 psi (138 bar) do 1700 psi (117 bar).

Cylinder hydrauliczny — szczegółowa konstrukcja i zasada działania

W dowolnej aplikacji, aby energia hydrauliczna mogła wykonać użyteczną pracę, musi zostać przekształcona w energię mechaniczną. Siłowniki hydrauliczne przekształcają energię hydrauliczną w liniowy ruch mechaniczny.

Konstrukcja siłownika

Siłownik hydrauliczny składa się z korpusu, ruchomego tłoka z elastycznymi pierścieniami uszczelniającymi połączonymi z tzw. wałkiem tłokowym oraz dwóch pokryw końcowych. Pokrywy końcowe mogą być gwintowane, kołnierzowe, wciskane lub spawane do korpusu. Przemysłowe siłowniki hydrauliczne często wykorzystują połączenia wałka tłokowego za pomocą śrub. Gdy wałek tłokowy się porusza, stosuje się zestaw uszczelek wałka tłokowego lub odłączalny pierścień prowadzący, który kieruje i wspiera wałek tłokowy.

Koniec z wałkiem tłokowym nazywany jest „końcem wałkowym”; drugi koniec bez wałka nazywany jest „końcem ślepym”. Wloty i wyloty znajdują się na pokrywach końcowych: odpowiednio na pokrywie końca wałkowego i na pokrywie końca ślepego.

Uszczelnienia

Aby zapewnić prawidłowe działanie, uszczelka tłoka i uszczelka prowadnicy drążka tłokowego w cylindrze hydraulicznym muszą być niezawodne. Typowymi uszczelkami stosowanymi w tłokach cylinderów hydraulicznych są uszczelki wargowe, pierścienie tłokowe z żeliwa sferoidalnego lub jedno- lub dwukierunkowe zestawy uszczelkowe. Materiały uszczelkowe i ich komponenty należy zweryfikować pod kątem zgodności z cieczą roboczą oraz warunkami eksploatacyjnymi.

Wielowarstwowa uszczelka drążka tłokowego to skuteczny typ uszczelki drążka tłokowego, składający się z głównej uszczelki o wewnętrznej powierzchni uszczelniającej w kształcie wargi, gładzika stale stykającego się w trakcie pracy z powierzchnią drążka tłokowego oraz usuwającego olej roboczy z tej powierzchni. Dodatkowa uszczelka przeciwpyłowa zbiera pozostały po głównej uszczelce olej, a podczas cofania drążka tłokowego usuwa wszelkie obce materiały przywierające do jego powierzchni.

Odpływ z komory uszczelki

Jak opisano powyżej, olej gromadzący się w przestrzeni między główną uszczelką a uszczelką przeciwpyłową może wracać do wnętrza cylindra podczas suwu zwrotnego — jest to zjawisko normalne. Jednak w przypadku szczególnie długiego suwu cylindra (10 ft / 3,05 m lub dłuższego) ilość oleju gromadzącego się w przestrzeni uszczelkowej może być wystarczająca, aby przekroczyć zdolność uszczelnienia tłoczyska. W takiej sytuacji oraz w przypadku nadmiaru oleju w przestrzeni uszczelkowej przestrzeń uszczelki tłoczyska powinna być wyposażona w zewnętrzną końcówkę odpływową.

Rysunek 8-18: Szczegóły konstrukcji cylindra. Pokrywa końca tłoczyska zawiera zestaw uszczelki tłoczyska. W przypadku cylindrów o długim suwie dodawany jest otwór odpływowy w celu zapobiegania przekroczeniu zdolności uszczelnienia przez olej.

Uderzenie hydrauliczne

Gdy energia hydrauliczna napędza tłok cylindra do końca suwu (końca przebiegu cylindra), bezwładność oleju staje się uderzeniem — tzw. „uderzeniem hydraulicznym”. Jeśli energia ta jest wystarczająco duża, takie uderzenie może uszkodzić cylinder hydrauliczny.

Urządzenie amortyzujące

Aby chronić cylindry hydrauliczne przed nadmiernym uderzeniem, można zainstalować urządzenia amortyzujące. Urządzenia amortyzujące mogą spowalniać tłok cylindra hydraulicznego w pobliżu końca suwu. Urządzenia amortyzujące można zainstalować na jednym końcu lub na obu końcach cylindra hydraulicznego.

Konstrukcja urządzenia amortyzującego

Urządzenie amortyzujące składa się z igłowego zaworu regulującego przepływ oraz tzw. klinu amortyzacyjnego zamontowanego na ślepej stronie tłoka oraz rękawa amortyzacyjnego umieszczonego na drążku tłoka. Urządzenia te działają jako zatyczki na każdym końcu.

Zasada działania amortyzatora

Gdy tłok cylindra hydraulicznego zbliża się do końca suwu, klin amortyzacyjny lub tuleja amortyzacyjna zamyka normalne ujście oleju. W rezultacie olej jest zmuszony przepływać wyłącznie przez zawór iglicowy. Część ciśnieniowego oleju ustawionego na zaworze przelewowym odpływa przez zawór iglicowy. Pozostała część przepływu przez zawór iglicowy określa stopień opóźnienia ruchu cylindra. Regulacja zaworu iglicowego determinuje stopień opóźnienia ruchu tłoka. Podczas suwu zwrotnego przepływ oleju wchodzi do cylindra przez pojedynczy zawór zwrotny (nie przedstawiony), pomijając zawór iglicowy, dzięki czemu prędkość ruchu wstecznego pozostaje niezmieniona.

Regulacja suwu

Czasami długość suwu cylindra hydraulicznego musi być ograniczona za pomocą zewnętrznego sterowania. Poprzez zamontowanie śruby zatrzymującej, którą można dokręcać i odkręcać na korpusie cylindra, można wstępnie dostosować długość suwu. Każdy rodzaj urządzenia do regulacji suwu musi zostać zweryfikowany pod kątem wymagań dotyczących siły zatrzymania, kolizji, uderzenia oraz skutków wymiarowych.

Rysunek 8-19: Amortyzatory cylindra, regulatory skoku, sposoby montażu oraz typy obciążeń. Amortyzatory chronią cylinder na końcu skoku; sposób montażu określa, jak dobrze cylinder radzi sobie z obciążeniem.

Sposoby montażu cylindrów hydraulicznych

Cylindry hydrauliczne mają wiele różnych sposobów montażu, w tym: kołnierzowe, trunnionowe, boczne uchwyty śrubowe, śruby osiowe, podwójne pierścienie z uchwytami bocznymi, śruby łączące oraz montaż spawany. Montaż za pomocą uchwytów osiowych lub montaż spawany są bardzo dobrymi rozwiązaniami, ponieważ zapewniają minimalne nieosiowe ustawienie cylindra podczas pracy.

Ruch mechaniczny

Cylindry hydrauliczne mogą przekształcać energię hydrauliczną w ruch postępowy lub liniowy ruch mechaniczny. Jednak ze względu na dobór połączeń mechanicznych cylindry mogą również generować wiele różnych rodzajów ruchu mechanicznego.

Typy obciążeń

Cylindry hydrauliczne mogą przesuwać wiele różnych typów obciążeń w licznych zastosowaniach. Ogólnie rzecz biorąc, obciążenia dociskane przez tłoczysko nazywane są obciążeniami dociskowymi; obciążenia ciągnięte przez tłoczysko nazywane są obciążeniami ciągnionymi.

Przegrodka końcowa

Tuleja zatrzymująca to stała metalowa tuleja montowana na trzpieniu tłoka. W przypadku cylindra o dużej skokowości, gdy trzpień tłoka jest w pełni wysunięty, tuleja zatrzymująca oddziela tłok od tulei prowadzącej o określoną odległość. Tuleja prowadząca trzpienia tłoka to łożysko wspierające trzpień tłoka podczas pracy cylindra. Zaprojektowano ją tak, aby wytrzymać określone obciążenie. Tuleja prowadząca trzpienia tłoka – oprócz funkcji osi – stanowi również punkt przyłożenia obciążenia do trzpienia tłoka. W przypadku cylindrów o dużej skokowości połączonych z obciążeniem, trzpień tłoka bez sztywnej tulei prowadzącej ma tendencję do ugięcia się przy pełnym wysunięciu lub może ulec wygięciu w miejscu tulei prowadzącej, co powoduje dodatkowe obciążenie boczne uszkadzające tuleję prowadzącą trzpienia tłoka.

Funkcją tulei zatrzymującej jest oddzielenie tłoka od tulei prowadzącej o określoną odległość w momencie pełnego wysunięcia trzpienia tłoka, co zmniejsza obciążenie tulei prowadzącej trzpienia tłoka.

Typy cylindrów

Cylindry hydrauliczne występują w wielu odmianach. Poniżej przedstawiono niektóre najczęściej stosowane typy cylindrów; pojawią się one również w niektórych układach zastosowań w dalszych lekcjach.

• Cylinder jednostronny: cylinder ma tłoczysko wystające tylko z jednego końca.
• Cylinder dwustronny: cylinder ma jeden tłok i tłoczysko wystające z obu końców.
• Cylinder dwustronnego działania: w tym typie ciśnienie hydrauliczne naprzemiennie działa na obie strony tłoka cylindra, powodując wysunięcie i wciągnięcie tłoczyska.
• Cylinder teleskopowy: korpus cylindra składa się z wielu sekcji teleskopowych, które pozwalają uzyskać długi skok przy krótkiej długości zwiniętego cylindra.
• Cylinder tandemowy: cylinder składa się z dwóch lub więcej cylindrów połączonych szeregowo. Tłoczyska są połączone ze sobą, tworząc wspólne tłoczysko. Uszczelki tłoczyska są zamontowane pomiędzy poszczególnymi cylindrami, umożliwiając każdemu z nich działanie dwustronne.
• Cylinder podwójny: cylinder składa się przynajmniej z dwóch korpusów, co umożliwia działanie dwustronne każdego z cylindrów.

Rysunek 8-20. Typy cylindrów hydraulicznych. Każdy typ jest odpowiedni do określonego zastosowania: teleskopowy – do długiego skoku przy ograniczonej przestrzeni, tandemowy – do uzyskania dużej siły przy ograniczonym średnicy tłoczka, dwustrzynowy – do uzyskania jednakowej siły/prędkości w obu kierunkach.

Działanie cylindra dwustronnego z pojedynczym tłoczkiem

Najczęstszym typem w przemyślowej hydraulice jest cylinder dwustronny z pojedynczym tłoczkiem. Dla tego typu kluczowe są dopuszczalne wartości przepływu (gpm) i ciśnienia (psi), a także przeliczona siła mechaniczna oraz ruch tłoczka.

Powierzchnia tłoka i skuteczna powierzchnia tłoka

Powierzchnia tłoka i skuteczna powierzchnia tłoka są zwykle omawiane w kontekście cylindrów dwustronnych z pojedynczym tłoczkiem. Duża powierzchnia tłoka to pełna powierzchnia przekroju poprzecznego tłoka narażona na działanie ciśnienia w głębokiej części cylindra (stronie bez tłoczka). Skuteczna mniejsza powierzchnia (powierzchnia pierścieniowa) to powierzchnia tłoka narażona na działanie ciśnienia po stronie tłoczka, ponieważ sam tłoczek zajmuje część powierzchni tłoka. W związku z tym skuteczna mniejsza powierzchnia jest zazwyczaj mniejsza niż duża powierzchnia.

Prędkość wysuwu tłoczka

Prędkość wysuwu tłoka cylindra hydraulicznego zależy od szybkości, z jaką ciecz napełnia stronę bezprzegłową cylindra. Prędkość tłoczyska wyrażana jest zwykle w ft/min lub m/min:

Przykład: cylinder o powierzchni tłoka 10 in² (64,5 cm²) otrzymuje przepływ 5 gpm (18,95 L/min). Prędkość tłoczyska = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 ft/min (49 mm/s). Przy dwukrotnie większym przepływie (10 gpm / 37,9 L/min) prędkość tłoczyska podwaja się i wynosi 19,25 ft/min (97,33 mm/s).

Prędkość wciskania tłoczyska tłoka

Podczas wciskania tłoczyska przepływ wpływa do strony z tłoczyskiem. Przy tym samym przepływie wejściowym prędkość wciskania jest większa niż prędkość wysuwu — w obliczeniach należy użyć mniejszej (pierścieniowej) powierzchni tłoka.

Przykład: Przepływ 10 gpm (38 l/min) wpływa do końca tłoczyskowego cylindra o dużej powierzchni wynoszącej 10 in² (65 cm²) i małej powierzchni wynoszącej 8 in² (52 cm²). Prędkość retrakcji = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 ft/min (0,12 m/s).

Przy tym samym przepływie wejściowym cylinder dwustronnego działania z pojedynczym tłoczyskiem retrakuje się szybciej niż wysuwa.

Przepływ wypływający podczas retrakcji

Podczas retrakcji przepływ wpływa do końca tłoczyskowego i wypływa z końca ślepego. Przepływ wypływający jest większy niż przepływ dopływający — można go obliczyć za pomocą tego samego wzoru co dla gpm (l/min), ale z użyciem dużej powierzchni tłoka. Przykład: 10 gpm wpływa do końca tłoczyskowego przy prędkości 24,06 ft/min: przepływ wypływający = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).

Czynniki wpływające na siłę wyjściową cylindra

Jak pokazano, siła wytworzona przez cylinder hydrauliczny jest funkcją ciśnienia hydraulicznego działającego na powierzchnię tłoka cylindra. Jeśli konkretny cylinder musi wytworzyć większą siłę niż obecna maksymalna siła wyjściowa, często wystarczy podnieść ciśnienie do odpowiedniego poziomu. W niektórych sytuacjach ciśnienie systemowe oraz rozmiar cylindra nie pozwalają na zastosowanie większego cylindra — w takim przypadku można użyć cylindra tandemowego.

Obwód cylindra tandemowego

Cylinder tandemowy składa się z dwóch lub więcej cylindrów połączonych szeregowo. Tłoczyska są połączone ze sobą, tworząc jedno wspólne tłoczysko. Uszczelki tłoczysk między poszczególnymi cylindrami umożliwiają dwustronne działanie każdego z cylindrów. Gdy rozmiar cylindra jest ograniczony przez dostępne miejsce i wielkość maszyny, choć ciśnienie generowane przez pompę/silnik jest stosunkowo niskie, można uzyskać tę samą siłę mechaniczną na wyjściu.

Przykład: Największa instalacja maszynowa umożliwia powierzchnię tłoka wynoszącą 10 cali² (64,5 cm²). Maksymalne ciśnienie potrzebne do pokonania oporu obciążenia wynosi zaledwie 500 psi (34,48 bar). Dodanie ciśnienia 500 psi (34,48 bar) na stronie o efektywnej powierzchni 8 cali² (51,6 cm²) przy jednoczesnym występowaniu ciśnienia zwrotnego generuje siłę 781 psi (53,86 bar). W obwodzie tandemowym z dwoma cylindrami, z których każdy pracuje pod ciśnieniem 500 psi (34,48 bar) przy powierzchni 10 cali² i efektywnej powierzchni 8 cali², łączna wydajność jest znacznie większa.