Hydraulické aktuátory (nazývané tiež hydraulické výstupné zariadenia) premieňajú hydraulickú energiu späť na mechanickú energiu. Práve tu sa deje všetko viditeľné pohybovanie a práca – je to prvá vec, na ktorú sa musí každý konštruktér zamyslieť. Hydraulické aktuátory sa delia do dvoch základných kategórií: lineárne (valce) a rotačné (motory).

Hydraulický valec

Hydraulický valec premieňa hydraulickú energiu na priamočiary alebo lineárny mechanický pohyb. Keď je pripojený k pohyblivej zaťaženiu, vykonáva prácu.

Konštrukcia valca

Ako bolo uvedené v predchádzajúcich kapitolách, hydraulický valec sa skladá hlavne z valcového telesa, dvoch uzatvorených koncových krytov, piesta, piestového tyče a vstupných a výstupných prípojok. Každý koniec má jednu prípojku – jednu pre vstup oleja a druhú pre výstup oleja.

obr. 6-1 Štandardný dvojčinný hydraulický valec. Olej vstupuje cez ľavú prípojku, čím sa piestová tyč vysúva; olej vstupujúci cez pravú prípojku ju zasaťuje.

Výstupná sila valca

Počas celého zdvihu valca pôsobí hydraulická energia na pohybujúci sa piest. Tlak vytvorený touto hydraulickou energiou nepresiahne odpor vyvolaný zaťažením. Pre valec známych rozmerov musíme vedieť, aký pracovný tlak vyprodukuje konkrétnu výstupnú silu. Toto sa dá určiť (ak zanedbáme trenie) pomocou nasledujúceho vzorca:

Pri použití tohto vzorca buď sú dané plocha a tlak na výpočet výstupnej sily, alebo sú známe plocha a výstupná sila na výpočet tlaku. V praxi zvyčajne poznáme priemer valcového valca a potrebujeme vypočítať plochu piesta – výpočet plochy kruhu je však taký isto jednoduchý ako výpočet plochy štvorca.

Plocha kruhu

Plocha kruhu sa rovná približne 78,54 % plochy štvorca, ktorého strana sa rovná priemeru kruhu. Presnejšie:

Iný často používaný vzorec:

Obrázok 6-2 Plocha kruhu = D² × 0,7854. Tento jednoduchý vzorec sa neustále používa pri výpočtoch hydraulických valcov.

Tah valca

Vzdialenosť, po ktorej pôsobí hydraulická energia, určuje množstvo vykonanej práce – touto vzdialenosťou je zdvih valca. Ako už bolo uvedené, zvyšovanie sily pomocou hydraulického tlaku sa zdá byť bez nákladov. V niektorých špecifických prípadoch – keď je systém v pokoji – môže malá sila vyvolať veľmi veľkú silu bez zjavného obetu. Ak však táto zosilnená sila spôsobuje aj pohyb, niečo sa obetuje: vzdialenosť.

Objem valca (výtlak)

Každý hydraulický valec má objem (výtlak), ktorý sa rovná jeho zdvihu (v palcoch) vynásobenému plochou piesta (v palcoch²), čo dáva objem v palcoch³ (cm³).

(palce³) = (palce²) × (palce) alebo (cm³) = (cm²) × (cm)

Príklad: Horný piest sa musí posunúť o 2 palca (5,08 cm), aby sa dolný piest valca posunul o 1 palec (2,54 cm). Oba piesty vykonajú rovnakú prácu. Horný piest vytlačí 20 in³ (327,8 cm³) kvapaliny – a dolný piest valca sa posunie práve o tú istú objemovú mieru kvapaliny, teda 20 in³ (327,8 cm³).

Rýchlosť pohybu tyče piesta

Rýchlosť pohybu tyče hydraulického valca závisí od rýchlosti, akou sa napĺňa komora za piestom kvapalinou. Vzorce pre výpočet rýchlosti tyče piesta:

Hydraulický motor

Hydraulický motor je aktuátor, ktorý premieňa hydraulickú energiu na rotačnú mechanickú energiu. Táto rotačná energia sa cez hriadeľ prenáša na záťaž.

Konštrukcia motora

Všetky hydraulické motory sa v zásade skladajú z krytu s prívodným a odvodným prípojom a rotujúceho zariadenia spojeného s hriadeľom.

Ako funguje hydraulický motor

Príklad znázornený na obrázku je hydraulický motor s lopatkami. Otáčajúca sa sústava pozostáva z rotora a lopatiek, ktoré sa môžu voľne posúvať dovnútra a von z drážok v rotore. Otáčajúca sa sústava je namontovaná excentricky vo vnútri skrinky; hriadeľ prenáša krútiaci moment na záťaž. Keď tlakový olej vstupuje do vstupnej komory, hydraulická energia pôsobí na vystavené plochy lopatiek v tejto komore. Pretože plocha hornej lopatky vystavenej tlakovému oleju je väčšia, vzniká na rotore nerovnovážna sila – rotor sa otáča.

Keď olej dosiahne výstupnú komoru s klesajúcim objemom, je vypúšťaný.

Obrázok 6-6: Prevádzka lamelového motora. Tlakový olej pôsobí na povrchy lamiel. Keďže horná plocha lamiele, ktorá je vystavená tlaku, je väčšia ako dolná plocha lamiele, výsledná sila otáča rotorku.

Krútiaci moment

Krútiaci moment je otáčavá alebo skrúcajúca sila. Krútiaci moment je sila pôsobiaca vo vzdialenosti od stredovej osi hriadeľa. Jednotkou krútiaceho momentu je lb·in. (alebo N·m).

Vzorec pre krútiaci moment

Krútiaci moment nám udáva polohu sily vzhľadom na stredovú os hriadeľa hydraulického motora. Vzorec pre krútiaci moment je:

(lb·in.) = (lb) × (in.) alebo (N·m) = (N) × (m)

Príklad z obrázku: Na kľučku pripojenej k hriadeľu motora pôsobí sila 50 lbs (222 N). Vzdialenosť medzi stredom hriadeľa a miestom pôsobenia sily je 10 palcov (0,254 m). Výsledný krútiaci moment na hriadeľi je 500 in·lbs (56,5 Nm). Ak rovnaká sila 50 lbs (222 N) pôsobí na kľučke dĺžky 15 palcov (0,38 m), krútiaci moment na hriadeľi je 750 in·lbs (84,6 Nm). Čím ďalej od stredu hriadeľa sila pôsobí, tým väčší je krútiaci moment. Upozorňujeme, že krútiaci moment nezahŕňa žiadny pohyb.

Záťaž pripojená k hriadeľu poháňaného motorom vytvára krútiaci moment, ako je opísané vyššie. V prípade hydraulického motora ide o odpor – tento odpor musí byť prekonaný hydraulickým tlakom pôsobiacim na rotujúcu súčasť motora.

Vzorec pre krútiaci moment hydraulického motora

Otáčky hriadeľa motora

Otáčky hriadeľa hydraulického motora sú určené rýchlosťou, akou sa do motora privádza kvapalina. Vzorec je nasledovný:

Výkon

V predchádzajúcich kapitolách sme sa dozvedeli, že výkon je miera vykonávania práce, t. j. k. s. = ft·lb / čas, alebo W = J / čas.

Mechanický výkon

Rovnako vieme, že koňská sila (k. s.) alebo watt (W) je jednotkou výkonu. Ak hydraulický valec alebo hydraulický motor poháňa záťaž mechanickou silou 550 lb (2 442 N) a posunie ju o 1 ft (0,30 m) za 1 sekundu, spotreboval 1 k. s. (746 W) výkonu. Ak sa rovnaká práca (550 ft·lb / 746 J) vykoná za pol sekundy, rýchlosť práce sa zdvojnásobí a výkon je 2 k. s. (1 490 W).

Hydraulická mocnosť

Mechanický výkon prenášaný valcom alebo motorom do záťaže sa rovná hydraulickému výkonu požadovanému od valca alebo motora. Pre hydraulický systém, ktorý vykonáva prácu rýchlosťou 550 ft·lb za sekundu (746 J), je jeho hydraulický výkon 1 hp (746 W). Však vo vzorci pre mechanický výkon sa jednotky „ft (m)“ a „lb (N)“ nahradia hydraulickými jednotkami „psi (bar)“ a „gpm (L/min)“. Pri výpočtoch hydraulického výkonu sa používa konverzný faktor, ktorý vyjadruje vzťah medzi gpm, psi, ft a lb (alebo L/min, bar, m a N).

Výpočet výkonu systému a valca

Na výpočet výkonu hydraulického valca alebo celého hydraulického systému:

Na výpočet výstupného výkonu hydraulického motora:

Oscilujúce aktuátory

Doteraz sme diskutovali o hydraulických motoroch s rotačným výstupom a hydraulických valcoch s lineárnym výstupom. Teraz sa budeme zaoberať ďalším typom aktuátora, ktorý vytvára rotáciu v obmedzenom uhle. Tento typ sa nazýva oscilačný valec alebo oscilačný motor. Jeho konštrukcia je kompaktná, jednoduchá a účinná – vytvára vysoký krútiaci moment a vyžaduje len malý inštalačný priestor, pričom jeho inštalácia je jednoduchá.

Oscilačné aktuátory sa používajú napríklad pri indexovaní obrábacích strojov, ohýbacích operáciách, zdvíhaní alebo otáčaní ťažkých predmetov, prevracaní, polohovaní, upínacích prípravkoch pre obrábanie, námorných ovládacích systémoch, ovládaní ventilov atď.

Typy oscilačných aktuátorov

Existuje mnoho typov oscilačných valcov. Najjednoduchší je oscilačný mechanizmus poháňaný lineárnym hydraulickým valcom, pri ktorom je koniec valcového telesa upevnený kolíkom a pohyblivá tyč piesta je spojená s klikou, ktorá poháňa hriadeľ na otáčanie. Tento oscilačný valec sa môže ovládať štvorsmerovým smerovým ventilom s koncovými spínačmi na každom konci zdvihu.

Ako všetky mechanické zariadenia má tento lineárny oscilačný aktuátor založený na valci niektoré základné charakteristiky, vrátane možnosti zostaviť ho zo štandardných komponentov dostupných na trhu, čo poskytuje konštruktérom veľkú flexibilitu a udržiava nízke náklady vďaka ľahko dostupným náhradným dielom.

Tento typ oscilačného aktuátora však má aj nežiaduce vlastnosti: pohyblivá tyč piesta nie je chránená a priamo sa dotýka okolitého prostredia, najmä preto, že kľukový mechanizmus zvyčajne nie je utlmený, čo vytvára bezpečnostné riziká. Okrem toho hriadeľ pohonnej jednotky zvyčajne pôsobia veľké bočné zaťaženia, čo spôsobuje predčasné zlyhanie, nadmerné opotrebovanie a zaseknutie.

Pre tento konkrétny typ oscilačného aktuátora musí byť hydraulický valec voľne otočný, preto sa musia použiť pružné hadicové spojenia a počas celého zdvihu valca sa výstupný krútiaci moment nemení stále.

Uzavretý oscilačný valec

Uzavretý kmitavý valec je veľmi podobný vyššie uvedenému lineárnemu kmitavému mechanizmu na báze valca. Uzavretý valec má ochranný kryt, ktorý chráni pohyblivú tyč piestu a klikový mechanizmus. Hriadeľ pohonnej jednotky zvyčajne má dodatočnú ložiskovú podporu, aby sa zabránilo výrazným bočným zaťaženiam. Tento typ je možné vybaviť elektromagnetickými ventilmi, koncovými spínačmi alebo spínačmi zdvihu. Rozsah zdvihu sa zvyčajne dá nastaviť v rozmedzí približne 85° až 100°.

Kmitavý valec s návratnou pružinou

Ďalším typom je kmitavý valec s návratnou pružinou, ktorý využíva hydraulický valec s návratnou pružinou na vrátenie hriadeľa pohonnej jednotky do pôvodnej polohy. Kmitavé valce s návratnou pružinou dokážu vyrábať krútiace momenty až 5 000 in.lbs (565 Nm).

Kmitavý valec s ozubnicou a kolieskom

Najčastejším oscilujúcim valcom je ozubnicovo-kolesový typ. Tento typ dokáže udržiavať konštantný výstupný krútiaci moment v oboch smeroch počas celej rotácie. V tejto konfigurácii pôsobí hydraulický tlak na piest, ktorý posúva ozubnicu spojenú s piestom a tým poháňa ozubené koleso (pastorka), čím sa otáča hriadeľ. Štandardné ozubnicovo-kolesové valce majú rozsah rotácie 90°, 180°, 360° alebo ešte väčší. Výstupný krútiaci moment ozubnicovo-kolesových valcov môže dosiahnuť 52 000 000 in.lbs (5 876 000 Nm).

Oscilujúci motor s lopatkou

K dispozícii je tiež oscilujúci motor s lopatkou. Tento typ môže mať jednu alebo viacero lopatiek. Motor s jednou lopatkou sa môže otočiť o 280°; motor s dvoma lopatkami sa môže otočiť o 200°. Výstupný krútiaci moment motora s dvoma lopatkami je dvojnásobný v porovnaní s motorom s jednou lopatkou. Tento typ oscilujúceho motora môže dosiahnuť výstupný krútiaci moment až 500 000 in.lbs (Nm).

Oscilujúci motor so špirálovým zubovým spojom

Existuje iný typ oscilačného motora, ktorý generuje krútiaci moment pomocou mechanizmu špirálového drážkovania. Zmeny dĺžky a stúpania drážkovania umožňujú variáciu uhla otáčania v širokom rozsahu. Tento typ oscilačného motora má jednu hriadeľ s špirálovým drážkovaním a pohyblivú piestovú objímku s vnútorným drážkovaním nasadenú na tento hriadeľ – otáčanie piestovej objímky je obmedzené vodidlami. Keď sa piestová objímka pohybuje vo valci, poháňa hriadeľ s drážkovaním na otáčanie. Štandardné uhly otáčania sú 90°, 180°, 270° a 360°, pri výstupných krútiacich momentoch až 1 000 000 in.lbs (13 000 Nm).

Oscilačný motor s reťazou a kolieskom

Oscilačné motory s reťazou a kolieskom využívajú piesty, reťaze a kolieska na pohánanie hriadeľa. Tento aktuátor zvyčajne obsahuje jeden veľký piest (ako pohonné zariadenie) na ťahanie reťaze a malý piest na zabránenie úniku oleja cez návratnú dráhu reťaze. Výstupné krútiace momenty môžu dosiahnuť približne 23 000 in.lbs (2 599 Nm) a otáčanie pohonného hriadeľa môže dosiahnuť až päť plných otočiek, teda 1 800°.

Pri výbere najvhodnejšieho oscilačného valca pre konkrétnu aplikáciu sa zohľadňujú viaceré faktory, vrátane krútiaceho momentu, rýchlosti a spôsobu prevádzky. Výber skutočného oscilačného motora popíšeme v inej kapitole a ďalej budeme diskutovať o tom, či použiť jedno- alebo dvojčinný pohonný prvok, či je potrebné uzavreté ovládanie polohy, či je potrebné tlmenie atď. Tiež sa preskúma prevádzková frekvencia alebo perióda cyklu.

Prehľad rýchlosti pohonných prvkov

Lineárna rýchlosť piestneho tyče hydraulického valca závisí od rýchlosti, akou čerpadlo privádza kvapalinu do komory piesta valca (gpm, L/min). Otáčacia rýchlosť hriadeľa hydraulického motora závisí od prietoku (gpm, L/min) privádzaného do hydraulického motora.

Prehľad výstupnej sily pohonných prvkov

Výstupná sila valca sa vyjadruje v psi (bar) — výstupná sila na hriadele motora sa určuje tlakom pôsobiacim na vystavenú plochu rotujúcej súpravy motora. Výkon vyrobený aktuátorom je funkciou rýchlosti aktuátora vynásobenej výstupnou silou aktuátora.

U valcov sa výstupná sila vyjadruje v psi a rýchlosť piestneho závodu v gpm. Konštanta 0,000583 opisuje vzťah medzi psi, gpm a výkonom. U motorov sa výstupná sila vyjadruje ako krútiaci moment a prevádzková rýchlosť motora v ot/min. Konštanta 63 025 opisuje vzťah medzi ot/min, krútiacim momentom a výkonom.