Bölüm 8: Tek Yönlü Vanalar, Akümülatörler ve Hidrolik Silindirler

Kontrol vanası

Tek yönlü vana yapısı

Bir tek yönlü vana, genellikle giriş ve çıkış portlarına sahip bir vana gövdesinden ve yayla yüklenmiş hareketli bir parçadan oluşur. Hareketli parça bir disk, plaka veya poppet olabilir; hidrolik sistemlerde en yaygın olarak bir bilya veya poppet yuvasıdır.

Tek yönlü vananın çalışma prensibi

Akışkan yalnızca bir yönde — serbest akış yönünde — bir çek valften geçebilir. Giriş portundaki sistem basıncı, poppet’i harekete geçiren yay kuvvetini yenecek kadar yükseldiğinde poppet oturakdan ayrılır ve akışkan geçer. Bu, serbest akış yönüdür. Akışkan çıkış portundan geriye doğru akma girişiminde bulunursa poppet oturak üzerine itilir, geçişi sıyırır ve ters yönlü akışı engeller.

Şekil 8-1 Çek valf. Ters yönlü akış gerçekleştiğinde yayla yüklenmiş poppet oturak üzerine oturur ve ters yönlü akışı tamamen engeller. Çek valf, hidrolik sistemde tek yönlü bir yolun hidrolik eşdeğeridir.

Devrelerdeki çek valf uygulamaları

Çek valf hem yön kontrolü hem de basınç kontrolü işlevlerine sahiptir — akışı yalnızca bir yönde sağlar. Hidrolik sistemlerde çek valfler genellikle atlayıcı (bypass) valf olarak kullanılır; böylece akış bir bileşenin etrafında yönlendirilebilir. Örneğin, akış kontrol valfiyle paralel olarak yerleştirilen bir çek valf, ters yönlü akışın akış kontrol valfinin etrafından geçmesine izin verir.

Çekvalfler, bir sistemin bir kolunu veya bileşenini de izole edebilir. Örneğin bir akümülatör ile: çekvalf, akümülatörün emniyet valfinden veya hidrolik pompadan geriye doğru boşalmasını önler.

Bir çekvalf genellikle düşük sızıntıya sahip bir cihazdır; hatta tamamen sızdırmaz şekilde tasarlanabilir. Bir çekvalf, yükü neredeyse sınırsız süreyle tutabilir. Ancak unutulmaması gereken bir nokta vardır: çekvalf tek yönlü bir valftir — yükü serbest bırakmak için hareketli parça oturduğu yuvadan zorla ayrılmak zorundadır. Bu işlem, pilotla çalışan çekvalf adı verilen özel bir çekvalf türünü gerektirir.

Şekil 8-2 Hidrolik devrelerde çekvalflerin üç yaygın kullanımı: akış kontrolü etrafında bypas, akümülatörün izolasyonu ve yayla yüklenmiş basınç eşiği.

Askıda tutulan bir yük

Çoğu makara tipi hidrolik bileşenin bazı iç atış akımları vardır — bu, düşük kaliteyi göstermez; çünkü bu atış akımlarının çoğu, bileşeni yağlamak amacıyla kasıtlı olarak tasarlanmıştır. Ancak bir sistemde silindirin yükü askıda tutarken yükün aşağı doğru kaymamasını (sürüklenmemesini) gerektiriyorsa sızıntı bir sorun haline gelir. Bu durumda, sızdırmazlık özelliği olan bir çek valf kullanılmalıdır.

Pilot Kumandalı Çek Valfi

Pilot kumandalı bir çek valfi, bir yönde serbest akışı sağlar; pilot basıncı hareketli parçayı yuvasından uzaklaştırdığında ters yönlü akış da geçebilir.

İnşaat

Normal bir çek valfi gibi, pilot kumandalı bir çek valfi de giriş ve çıkış portlarına sahip bir valf gövdesine, yuvaya karşı yayla bastırılmış bir poppet (hareketli parça)’ya sahiptir. Ayrıca yuvanın tam karşısında, poppet üzerine bir itme çubuğu ve yumuşak yayla bastırılmış bir pilot pistonu takılır. Pilot portundan gelen pilot basıncı bu pistona etki eder. Pistonun yay odası, bir tahliye portuna sahiptir.

Nasıl çalışır

Pilot kontrollü bir çek valf, normal bir çek valfi gibi girişten çıkışı doğru serbest akışa izin verir. Çıkıştan girmeye çalışan akış, poppet'ı oturumuna zorlayarak geçişi kapatır. Pilot piston üzerine yeterli pilot basıncı etki ettiğinde, piston hareket eder ve çek poppet'ına bastırarak onu oturumundan kaldırır. Pilot piston üzerindeki kuvvet yeterince büyük olduğu sürece, akış çıkıştan girişe doğru geçebilir.

Şekil 8-3: Pilot kontrollü çek valfi. Pilot basıncı uygulanmadığında, normal bir çek valfi gibi davranır (tek yönlü serbest akış). Pilot basıncı uygulandığında ters yönlü akış da mümkündür — bu, yükün serbest bırakılmasını sağlar.

Devre Uygulaması

Silindirin B-borusundan gelen akışı kapamak için tek bir pilot kontrollü çek valfi kullanmak, silindir contaları etkili olduğu, borularda, silindirde veya çek valfinde sızıntı olmadığı sürece yükün askıda kalmasını sağlar. Yükü indirmek için, A hattından kontrol pistonuna pilot basıncı uygulamanız yeterlidir.

Pilot kontrollü çek valfinin pilot basıncı, hidrolik silindirin çalışma hattından alınır — A hattındaki basınç yeterince yüksek olduğu sürece çek valfi açık kalır. Yük kaldırılırken yağ, bu yönün serbest akış yönü olması nedeniyle çek valfinden kolayca geçer.

Bazı durumlarda, silindir piston miline bağlı yükler hareketsiz olarak kilitlenmelidir. Bunu sağlamak için her bir silindir çalışma hattına bir pilot kontrollü çek valfi monte edilebilir — pilot kontrollü çek valfleri, silindirden çıkan akışı keserek sızdırmazlık sağlar. Silindir contaları etkili kalıp herhangi bir yerde kaçak oluşmazsa yük konumunda tutulabilir.

Hidrolik akümülatör

Akümülatör, hidrolik basıncı depolar. Bu hidrolik basınç, iş enerjisine (akış ve basınç) dönüştürülebilen potansiyel enerjidir.

Akümülatör tipleri

Akümülatörler, ağırlıkla yüklenmiş, yayla yüklenmiş ve sıvı/gaz tipleri olmak üzere üç gruba ayrılabilir. Akümülatörler, depolanan yağa uygulanan çalışma kuvvetini nasıl sürdürdükleri açısından birbirlerinden farklılık gösterir.

Ağırlıkla yüklenmiş akümülatör

Ağırlıkla yüklenmiş akümülatör, depolanan yağa piston veya plunger üzerine etki eden ağır bir cismin ağırlığını kullanarak çalışma kuvvetini sürdürür. Bu ağırlık, demir, beton hatta su gibi herhangi bir ağır malzemeden yapılabilir. Ağırlıkla yüklenmiş akümülatörler genellikle çok büyük boyutludur ve bazen yüzlerce galon yağ depolayabilir. Aynı anda birden fazla hidrolik sisteme hizmet verir ve haddehanelerde ve merkezi hidrolik sistemlerde kullanılır.

Ağırlıkla yüklenmiş akümülatörün istenen özelliği, yağı nispeten sabit bir basınçta depolamasıdır — kapalı kap dolu olsun ya da neredeyse boş olsun, depolanan basınç temelde değişmez. Bunun nedeni, yağ üzerinde etki eden kuvvetin yerçekimi (ağırlık) olmasıdır; bu kuvvet sabittir — akümülatörde ne kadar yağ bulunursa bulunsun uygulanan kuvvet aynı kalır.

Ağırlıkla yüklenen akümülatörlerin istenmeyen bir özelliği şok üretmesidir. Ağırlıkla yüklenen bir akümülatör, yüksek debili akış çıkışı sırasında aniden durdurulduğunda, ağır ağırlığın eylemsizliği sisteme önemli basınç dalgalanmaları oluşturur. Bu durum boru ve bağlantı elemanlarında sızıntılara neden olabilir ve metal yorulmasına yol açarak bileşenlerin erken arızalanmasına sebep olabilir.

Şekil 8-6: Ağırlıkla yüklenen akümülatör. Sabit ağırlık, yağ hacmi ne olursa olsun sabit bir basınç üretir. Çelik fabrikası hidrolik sistemleri gibi büyük endüstriyel sistemlerde kullanılır.

Yayla yüklenen akümülatör

Bir yayla yüklenen akümülatör, depolanan yağa kuvvet uygulamak için bir piston üzerine etki eden bir yay kullanır. Yayla yüklenen akümülatörler genellikle yerçekimi tipine göre daha küçüktür ve birkaç galon yağ depolar. Genellikle tek bir hidrolik sisteme hizmet verirler ve genellikle düşük basınçta çalışırlar. Basınçlı yağ yayla yüklenen akümülatöre girdiğinde, depolanan yağ basıncı yayının ne kadar sıkıştırıldığına bağlı olarak belirlenir. Piston yukarı doğru hareket ederek yayı 10 inç (25,4 cm) sıkıştırdığında, depolanan basınç yayı 4 inç (10,2 cm) sıkıştırdığında oluşan basınçtan daha yüksektir.

Sızan yağın yay boşluğunda birikmesini önlemek için yay boşluğu, sızıntının dışarıya akabilmesi için bir tahliye portuna sahiptir. Yayla yüklenmiş akümülatörlerin rezervuardaki seviyeye dışarıdan tahliye edilmesi önerilmez; çünkü bu durum yağın köpürmesine neden olur. Tahliye borusunun ucunun rezervuar seviyesinin üstünde mi yoksa altında mı olduğu fark etmez; akümülatör çalışırken her zaman köpürme meydana gelir — akümülatör hızla akış çıkışı sağladığında pistonun üzerindeki yağ, piston hareketini takip edemez ve bu durum yay boşluğunda kısmi bir vakum oluşturur; sonuç olarak hava yağdan ayrılır. Akümülatör yeniden şarj olduğunda piston yukarı doğru hareket eder ve hava ile doymuş yağı rezervuara geri iter. Rezervuarda hava kabarcıkları istenmeyen bir durumdur; bu nedenle yayla yüklenmiş akümülatörler genellikle dışarıya tahliye edilmez.

Dışarıya açık yay boşluğu tahliyesi olan yayla yüklenmiş akümülatörlerde piston contasının aşınması durumunda acilen müdahale edilmesi gerekir. Zamanında onarım yapılmazsa kapsamlı bir temizlik işlemi gerekebilir.

Şekil 8-7: Yayla yüklenmiş akümülatör. Piston yukarı doğru hareket ettikçe yay kuvveti — ve dolayısıyla depolanan basınç — artar. Küçük ve düşük basınçlı sistemlerde kullanılır.

Sıvı/gaz akümülatörü

Sıvı/gaz akümülatörü, endüstriyel hidrolik sistemlerde en yaygın olarak kullanılan türdür. Çalışma kuvvetini depolanan yağa uygulamak için sıkıştırılmış gaz kullanır.

Sıvı/gaz akümülatörleri, gazı yağından ayırmak için kullanılan cihaza göre pistonlu tip, diaframlı tip ve baloncuğlu tip olmak üzere üç gruba ayrılır.

Pistonlu akümülatör

Pistonlu bir akümülatör, bir silindir ve elastik sızdırmazlık halkaları ile donatılmış hareketli bir pistondan oluşur. Pistonun üst kısmı sıkıştırılmış gazla doldurulur. Yağ silindire doldurulduğunda gaz sıkıştırılır. Akümülatörden yağ boşaltıldıkça gaz basıncı düşer. Tüm yağ boşaltıldığında piston strokunun sonuna ulaşır ve çıkış ağzını kapatır; böylece gaz akümülatörün içinde kalır.

Diafram tipi akümülatör

Diafram tipi akümülatör, iki metal yarım kürenin cıvatalanmasıyla oluşturulan bir küredir. İç hacim sentetik kauçuktan yapılmış bir diaframla ikiye bölünür; üst bölüm gazla doldurulur. Basınçlı yağ diğer bölüme girdiğinde gaz sıkıştırılır. Tüm yağ boşaltıldığında diafram çıkış ağzını kapatır ve gazı akümülatörün içinde tutar; bu sırada diafram kalınlığının ötesine doğru dışarı itilmez.

Balon tipi akümülatör

Bir balon tipi akümülatör, bir metal kabuk ve içteki sentetik kauçuk balondan oluşur. Balon gazla doldurulur. Yağ kabuğa girdiğinde, balondaki gaz sıkıştırılır ve yağ kabuktan dışarı akar. Tüm yağ boşaltıldığında, gaz basıncı balonu çıkış ağzından geçmeye zorlar — ancak balon çıkıştaki oturma valfine temas ettiğinde, kabuk içindeki yağ otomatik olarak sızdırmaz hale gelir.

Şekil 8-8 Üç farklı sıvı/gaz akümülatör tipi. Hepsi hidrolik enerjiyi depolamak için sıkıştırılmış azot kullanır. Piston tipi (üstte), diafragma tipi (ortada) ve balon tipi (altta), gaz ile yağı ayıran yapılarıyla birbirlerinden ayrılır.

Akümülatör devre uygulamaları

Akümülatörler, hidrolik sistemlerde birkaç işlevi yerine getirebilir: akış sağlama, basınç koruma ve şok emme.

Akış sağlama

Akümülatörün bir kullanım alanı, akış sağlamaktır. Şarjlı bir akümülatör, hidrolik potansiyel enerji kaynağıdır. Sistem, pompanın sağlayabileceği akıştan daha fazla akış gerektirdiğinde akümülatörde depolanan enerji, sistem akışını sağlamak için kullanılabilir. Örneğin, bir makine, çalışma döngüsü sırasında gerçek çalışma süresinin çok kısa olması amacıyla tasarlanmışsa, küçük deplasmanlı bir pompa akümülatörü bir süre şarj edebilir. Makine çalıştığında yön kontrol valfi iş konumuna geçer ve akümülatör gerekli olduğu anda basınçlı yağı aktüatöre hemen verir. Bu yöntemde küçük bir pompa ile akümülatör kullanılarak tepe gücü depolanır; yani kısa süre içinde büyük bir pompa/motor tarafından sağlanan yüksek akış/güç, daha uzun bir süre boyunca ortalaması alınmış küçük bir pompa/motor ile sağlanmış olur.

Basınçta sabitlik sağlama

Akümülatörler, basınçta sabitlik sağlamak için kullanılabilir. Pompa/motor, sistemin diğer kısımlarına akış sağlarken bir akümülatör devrenin bir kolunda basıncı koruyabilir.

Sistem, sıkma silindiri A'nın geri dönmesini gerektirdiğinde, sıkma silindiri B basıncını korumalıdır. Yön kontrol valfi A konum değiştirdiğinde, hidrolik pompa ve A silindiri hatlarındaki basınç hızla düşer; ancak B silindiri, zaten B silindiri hatlarındaki sızıntıyı telafi edecek kadar basınçlı yağı depolamış olan akümülatör tarafından basınç altında tutulur.

Başka bir uygulamada, bir fırına yakın çalışan bir silindir, yağın termal olarak genleşmesine neden olan yüksek ortam sıcaklığına maruz kalır. Akümülatör, artan hacmi emer ve basıncı nispeten sabit bir düzeyde tutar. Akümülatör olmasaydı, hatlardaki basınç yükselişi kontrolsüz olurdu ve bileşen muhafazalarında, borularda veya bağlantı elemanlarında patlamaya neden olabilirdi.

Şekil 8-10 Basınç koruma amacıyla kullanılan akümülatör. (Üst) Pompa başka bir devreye hizmet ederken, bir devre kolunda basıncı korur. (Alt) Isıtma kaynaklarına yakın bölgelerde yağın termal genleşmesinden kaynaklanan hacim değişimlerini emer.

Şok emme

Akışkan/gaz akümülatörleri, sistemin şokunu emmek için de kullanılabilir. Hidrolik bir sistemdeki şok, silindir veya motorla bağlantılı bir yükün eylemsizliğinden, ani akış kesilmesinden veya akışkanın eylemsizliğinden kaynaklanan hızlı yön değiştirme valfi geçişinden kaynaklanabilir. Devrede bulunan bir akümülatör, şokun bir kısmını emebilir ve sistemin tamamına yayılmasını önleyebilir.

Dışsal mekanik kuvvetler de hidrolik şoka neden olabilir. Geri tepme eğilimi gösteren bir yükün hidrolik silindire bağlanması, pistonu geriye doğru iter ve hidrolik şok oluşturur. Doğru şekilde şarj edilmiş bir akümülatör, silindir hattında bu şok etkisini azaltmaya yardımcı olur. Yanlış şekilde şarj edilirse, aşırı basınca da neden olabilir.

İzotermal ve adyabatik şarj

Akışkan/gaz akümülatörleri, yağ basıncını depolamak için sıkıştırılmış gaz kullanır; bu nedenle gazın özellikleri akümülatör performansını etkiler. Bir akışkan/gaz akümülatörü şarj edildiğinde, gaz sıkıştırılır ve sıcaklığı artar. Sabit basınçta, sıcak gaz soğuk gaza göre daha fazla hacim kaplar.

İzotermal süreç, gaz sıcaklığının sabit tutulduğu akümülatör çalışma durumunu tanımlar. Şarj sırasında izotermal işlem, gazın sıkıştırılmasının yeterince yavaş olmasıyla gerçekleşir; böylece sıkıştırma sırasında üretilen tüm ısı tamamen dağılır. Adyabatik süreç ise gaz sıcaklığının değiştiği akümülatör çalışma durumunu tanımlar. Şarj sırasında adyabatik işlem, gazın çok hızlı sıkıştırılmasıyla gerçekleşir; bu nedenle üretilen tüm ısı korunur.

Aynı basınca şarj edilen bir akışkan/gaz akümülatörü için izotermal süreç, adyabatik sürece göre daha fazla yağ depolar.

Sayısal örnek: Bir pistonlu akümülatör başlangıçta gaz basıncı 500 psi (34,48 bar) ve sıcaklığı 70°F (21°C) değerindedir. Eğer adyabatik süreçle (hızlı şekilde) 1.000 psi (68,97 bar)’a şarj edilirse, sıcaklık ve basınç birlikte artar. 1.000 psi (68,97 bar) değerine ulaşıldığında yağ girişi durur; sıcaklık 150°F (65,6°C) olur ve akümülatör 135 in³ (2.215,65 cm³) yağ depolar. Eğer izotermal süreçle (yavaş şekilde) şarj edilirse, sıcaklık boyunca 70°F (21°C)’de sabit kalır; 1.000 psi (68,97 bar) değerine ulaşıldığında yağ girişi durur ve akümülatör 150 in³ (2.458,5 cm³) yağ depolar.

Şekil 8-12: İzotermal ile adyabatik şarj karşılaştırması. Aynı son basınçta, yavaş (izotermal) şarj, sıcaklığın daha düşük kalması ve gazın daha az hacim kaplaması nedeniyle hızlı (adyabatik) şarja kıyasla daha fazla yağ depolar.

İzotermal ve adyabatik deşarj

Yağ boşaltımı sırasında gaz genişler ve soğur. Sabit basınçta, daha soğuk gaz, daha sıcak gaza göre daha az yer kaplar. Uygulamada akümülatör çalışması genellikle izotermal değil, adyabatiktir. Aşağıdaki bölümlerde ana endişe konusu, akümülatörün ne kadar yağ depolayabileceği değil; bunun yerine basınç belirli bir alt seviyeye düşmeden önce ne kadar yağ çıkarttığıdır ve bu durum önceden şarj edilen basınca büyük ölçüde bağlıdır.

Ön şarj basıncı

Akümülatör tamamen yağsız olduğunda, sıvı/gaz akümülatörüne doldurulan gaz basıncı, ön şarj basıncıdır. Bu basınç, akümülatörün etkin hacmi ile darbe emme performansını önemli ölçüde etkiler.

Ön şarj basıncının etkin hacim üzerindeki etkisi

Sistem akışını üretmek veya basıncı korumak için kullanılan sıvı/gaz akümülatörleri genellikle maksimum ve minimum çalışma basınçları arasında çalışır. Akümülatör tam olarak yağla doldurulduğunda maksimum çalışma basıncına ulaşır. Gerektiğinde çalışma basıncı düşer ve akümülatör, daha düşük bir minimum basınca kadar yağ verir. Akümülatörün maksimum ve minimum çalışma basınçları arasında verdiği yağ hacmi, etkin hacimdir.

Önşarj basıncı, etkin hacmi etkiler. Örnek: Bir sistemde kullanılan 231 in³ (3.786 cm³) hacimli sıvı/gaz akümülatörü, küçük bir pompa ile sistemin 2.000 psi (137,9 bar) çalışma basıncına kadar yağla şarj edilir. Akış sağlamak amacıyla basınç 1.500 psi’ye (103,4 bar) kadar düşürülür. Seçilen önşarj basıncı, akümülatörün sisteme sağlayacağı yağ miktarını belirler.

Performans tablosundan, 231 in³ (3.786 cm³) hacimli ve 100 psi (6,89 bar) önşarjlı bir akümülatör, 1.000 psi izotermal şarj (üst sınır = izotermal değerler) altında 210 in³ (3.441,9 cm³) yağ depolayabilir. 1.500 psi (103,4 bar)’de ise 202 in³ (3.310,8 cm³) yağ depolar; bu iki basınç arasında 8 in³ (131 cm³) yağ sağlar. Bu düşük önşarjlı akümülatör çok miktarda yağ depolar ancak çok az miktarda yağ sağlar.

Önşarj basıncı 1.000 psi’ye (68,96 bar) çıkarıldığında, akümülatör 2.000 psi (137,9 bar)’de 93 in³ (1.524,3 cm³), 1.500 psi (103,4 bar)’de ise 59,5 in³ (975 cm³) yağ depolar ve bu iki basınç arasında 33,5 in³ (594,1 cm³) yağ sağlar. Daha yüksek önşarj basıncı daha az yağ depolar ancak çok daha fazla yağ sağlar. 1.400 psi (96,6 bar) önşarj basıncı ile depolanan yağ miktarı minimumdur ancak sağlanan yağ miktarı maksimumdur.

Şekil 8-13 Akümülatör performans tablosu (231 in³ kapasiteli). Belirtilen basınç sınırları arasında döngü başına sağlanan yağ miktarı, önşarj basıncının artırılmasıyla artar; ancak toplam depolanan yağ miktarı azalır. Önşarj basıncı, toplam kapasiteye değil, gerekli etkin hacme göre seçilmelidir.

Etkili hacim çıkışını kontrol etme

Bir akümülatörün etkili hacim çıkışını akış ile kontrol etmek gerekir. Basınç koruma amacıyla, kontrol edilen akış, telafi edilmesi gereken sızıntıya göre belirlenir. Basınçlı yağ sağlayan akümülatörlerde, aşağı akış yönündeki yön kontrol valfi konum değiştirdiğinde etkili hacim çıkışı çok hızlı olur. Bu nedenle bu tür akümülatörlerin giriş/çıkış portlarında genellikle akış kontrol valfleri ve atlayıcı çek valfleri bulunur.

Sıvı/gaz akümülatörü bir darbe emici olarak kullanıldığında, ön şarj basıncı genellikle devredeki maksimum çalışma basıncından biraz daha yüksek olarak ayarlanır (emniyet valfi ayarı yaklaşık 100 psi / 6,896 bar üzerinde ayarlanır). Maksimum çalışma basıncı emniyet valfi tarafından belirleniyorsa, ön şarj basıncı emniyet valfi ayarından yaklaşık 100 psi kadar yüksek olarak ayarlanabilir.

Ön şarjın darbe emme üzerindeki etkisi

Bir sıvı/gaz akümülatörünün önyük basıncı, şok emme yeteneğini etkiler. Hidrolik bir sistemde şok, bir silindir veya motor üzerine uygulanan dış mekanik kuvvetler nedeniyle basınçta hızlı bir artışa ya da hidrolik bir valf aniden kapatıldığında sıvının eylemsizliği nedeniyle oluşur.

Akümülatör, sıkıştırabileceği ve aktarabileceği şok basıncı yağının bir kısmını emebilir. Akümülatör içeren bir boru hattı belirli bir basınç değerinin üzerinde sıkıştırılabilir hale gelir. Eğer akümülatörün önyük basıncı çok düşükse, şok gelmeden önce zaten bir miktar yağı depolar; bu nedenle yalnızca 4 in³ (65,6 cm³) yağ emebilir. Önyük basıncı 2.500 psi (172,4 bar) ise — bu değer çok yüksektir — 4 in³ yağ emilmeden önce basınç neredeyse 2.800 psi'ye (193 bar) çıkar. Şok emiciler için önyük basıncı son derece önemlidir.

Önyük basıncının kaybı

Bir akışkan/gaz akümülatörü, uygun önşarj basıncına bir kez gazla şarj edilir. Bu, aynı önşarjın sonsuza kadar korunamayacağı anlamına gelir. Akümülatör çalışırken sıkıştırılmış gaz, gaz vanasından kaçabilir — bu durum muhtemelen gaz vanasının arızalanması, kötü sızdırmazlık veya konik vanaya ait çekirdeğin vanaya oturma yüzeyine düzgün oturmaması nedeniyle meydana gelir. Kese ve diaframlı akümülatörlerde yağ boşaltımı sırasında gaz basıncı da kademeli olarak azalır; bu durum genellikle felaket boyutunda gerçekleşir ve sentetik kauçuk diafram malzemesinin kırılmasına neden olur. Pistonlu akümülatörlerde ise boşaltım süreci sırasında şarj edilen gaz, aşınmış salmastralardan piston bölgesinden kaçabilir. Önşarjın kademeli kaybı, belirli ölçüde aşınmış bir piston tipi akümülatörüne işaret edebilir.

Önşarj basıncının kontrolü

Doğru önşarj basıncı, sıvı/gaz akümülatörünün performansı için kritik öneme sahiptir; bu nedenle düzenli olarak kontrol edilmelidir. Önşarj basıncını kontrol etmek için basınç göstergeli bir şarj cihazı gereklidir. Bu cihaz temelde bir şarj başlığı, tahliye vanası ve basınç göstergesinden oluşur.

Kontrol işlemi: Akümülatörden tüm yağı boşaltın, koruyucu kapağı çıkarın (genellikle üst kısımdaki gaz vanasında yer alır). Başlık kolunu tamamen geri çekilmiş konumda iken tahliye vanasının kapalı olduğunu kontrol edin. Şarj başlığını akümülatörün gaz vanasına bağlayın, başlık kanat somununu sıkın ve gaz vanasına güvenilir bir bağlantı sağlayın. Başlık vida milini ileri doğru çevirerek akümülatör gaz vanası çekirdeğini tamamen bastırın; ardından manometredeki basıncı okuyun — bu değer, akümülatörün önşarj basıncıdır.

Önşarj doğruysa, akümülatör gaz vanasını kapatmak için mandren kolunu dışa doğru döndürün, şarj cihazını basıncından düşürmek için tahliye vanasını açın, mandren kanat somununu gevşetin, cihazı akümülatörden çıkarın ve gaz vanası koruma kapağını tekrar takın.

Önşarj çok yüksekse, fazla basıncı boşaltmak için tahliye valfini açın. Önşarj artırılacaksa, öncelikle önşarj birikim kutusu gaz valfini kapatmak için mandren kolunu geri çekin, şarj cihazını basınçsızlandırmak için tahliye valfini açın, ardından tahliye valfini kapatın ve şarj cihazını bir azot tüpüne bağlayın. Mandren kolunu içe doğru döndürerek önşarj birikim kutusu gaz valfi çekirdeğini tamamen bastırın, azot tüpü valfini açarak gazın birikim kutusuna yavaşça girmesini sağlayın. Göstergede istenen basınç değeri görüldüğünde gaz valfini kapatın. Göstergede doğru önşarj değeri görüldüğünde azot tüpü valfini kapatın, önşarj birikim kutusu gaz valfini kapatmak için mandren kolunu geri çekin, tahliye valfini açın ve ardından esnek şarj borusu ile şarj cihazını ayırın.

Şekil 8-15: Birikim kutusu önşarjının kontrol edilmesi ve ayarlanması. (Üst) Aşınmış piston contaları, önşarj kaybına neden olur. (Alt) Standart azot şarj seti — her zaman kuru azot kullanın, asla sıkıştırılmış hava kullanmayın.

Akü devresinde hidrolik pompayı boşaltma

Akü içeren tipik bir hidrolik devrede, akü tamamen şarj olduğunda ve sistemin hiçbir parçası çalışmıyorken pompa/motor debisi, mümkün olan en düşük basınçta depoya boşaltılmalıdır. Gösterilen devrede, boşaltma işlemi için bir atma valfi kullanılmaktadır. Akü, atma valfinin ayar basıncına ulaştığında valf açılır ve pompa debisini depoya yönlendirir.

Genellikle bu tür bir boşaltma yalnızca birkaç saniye sürebilir, çünkü çek valfinin aşağı akımında her zaman bir miktar kaçak vardır. Akü bu kaçakları telafi etmek zorundadır — basınç kademeli olarak düşer — atma valfi kademeli olarak kapanır ve depoya açılan geçit giderek daha da küçülür; akü basıncı valfin açılma basıncının altına düştüğünde bu süreç sona erer. Valf kapatıldıkça pompa/motor, aküyü tekrar atma valfinin ayar basıncına kadar şarj edebilmek için daha fazla güç üretmek zorundadır.

Akümülatörün yeniden şarj edilmesi öncesinde pompa/motorun tamamen boşaltılmasını sağlamak için bir basınç anahtarı kullanılabilir. Devrede basınç anahtarı, akümülatör basıncını algılar ve belirlenen bir basınç değerinde elektriksel bir anahtarlama sinyali gönderir. Bu elektriksel sinyal, normalde kapalı iki yönlü bir bobin valfine gider — bu bobin valfi, pilotla çalışan bir emniyet valfini boşaltmak için kullanılabilir. Akümülatör, basınç anahtarının ayarlanan değere ulaştığında röle, bobin valfine emniyet valfini boşaltacak ve pompa/motor akışını emniyet valfi üzerinden rezervuara yönlendirecek bir sinyal gönderir.

Şekil 8-16 Akümülatör boşaltma devreleri. (Üst) Basit boşaltma valfi — akümülatör belirlenen basıncı đạttığında rezervuara boşaltır, ancak genellikle döngüsel çalışır. (Alt) Pilotlu emniyet valfi ile basınç anahtarı — tam boşaltmayı sağlar ve hassas basınç aralığı kontrolüne olanak tanır.

Farklı basınçlı boşaltma valfi

Akümülatör şarj edildikten sonra, basınç anahtarı ve manyetik valf yerine bir diferansiyel basınç boşaltma valfi kullanılabilir; bu valf emniyet valfini serbest bırakır ve pompayı/motoru boşaltır. Diferansiyel basınç boşaltma valfi, akümülatör uygulamaları için özel olarak tasarlanmış bir hidrolik valftir. Adından da anlaşılacağı gibi, bu valf pompayı/motoru boşaltmak için bir basınç farkı kullanır.

İnşaat

Diferansiyel basınç boşaltma valfi, pilot kontrollü bir emniyet valfi, bir çek valf ve bir diferansiyel piston olmak üzere tek bir valf gövdesinde birleştirilmiştir. Valf gövdesinde üç bağlantı noktası bulunur: basınç bağlantısı, dönüş bağlantısı ve akümülatör bağlantısı.

Nasıl çalışır

Fark basınçlı boşaltma valfinin içinde, çek valf ve pilot kontrollü emniyet valfi normal şekilde çalışır. Pompa çıkış yağı, çek valf üzerinden akümülatörü doldurabilir. Farklı basınçlı piston, pilot emniyet valfi mandrenine karşı konumlanır ve yuvasında serbestçe hareket edebilir. Pistonun iki ucu, eşit basınç alanlarına maruz kalır. Akümülatör doldurulurken pistonun her iki tarafındaki basınç neredeyse eşittir (çek valf üzerinden geçen basınç düşüşü göz ardı edilirse); bu nedenle piston hareket etmez. Pilot valfi mandreni üzerindeki basınç yeterince büyük olduğunda, pilot mandreni yatağından itilir — zaten bilindiği üzere, bu pilot hareketi ana valf yay odasındaki basıncı sınırlayabilir. Ana valf yay odası ile farklı basınçlı pistonun bir ucu basınçla sınırlandırıldığından, piston pilot valfi mandrenine doğru hareket eder ve pilot mandrenini tamamen yatağından çıkararak ana mandren yay odasındaki kontrol basıncını etkili bir şekilde ortadan kaldırır; böylece emniyet valfi boşaltılır, pompa/motor boşaltılır. Aynı zamanda çek valfi kapanır ve böylece akümülatör yağı emniyet valfi üzerinden boşaltılamaz.

Basınca maruz kalan diferansiyel piston alanı, pilot valf mandren alanından %15 daha büyüktür. Kuvvet = basınç × alan olduğundan, pilot mandreni yatağından ayıran kuvvet, pilot mandrenini kaldıran kuvvetten %15 daha fazladır. Bu, pilot mandreninin tekrar yatağına oturabilmesi için yayın, başka bir yerden %15’ten fazla kuvvet kazanması ya da sistemin basıncının pilot mandreninin tekrar yatağına oturabilmesi için %15 düşmesi gerektiği anlamına gelir.

Bu, diferansiyel basınçlı boşaltma valfinin akü şarjı tamamlandıktan sonra pompa/motoru, belirli bir yüzde kadar basınç düşene kadar boşta tutmasını sağlar — genellikle pilot valf ayarının yaklaşık %15’i kadar. Örneğin, pilot valf 1.000 psi (69 bar) olarak ayarlandığında boşaltma işlemi 1.000 psi (69 bar) ile 850 psi (59 bar) arasında gerçekleşir; pilot valf 2.000 psi (138 bar) olarak ayarlandığında boşaltma aralığı 2.000 psi (138 bar) ile 1.700 psi (117 bar) arasındadır.

Hidrolik Silindir — Detaylı Yapı ve Çalışma Prensibi

Herhangi bir uygulamada, hidrolik iş enerjisinin yararlı iş yapabilmesi için mekanik enerjiye dönüştürülmesi gerekir. Hidrolik silindirler, hidrolik enerjiyi doğrusal mekanik harekete dönüştürür.

Silindir yapısı

Bir hidrolik silindir, bir gövdeden, esnek sızdırmazlık halkaları ile bir piston miline bağlı hareketli bir pistondan ve iki uç kapağından oluşur. Uç kapakları, gövdeye dişli, flanşlı, çekilmiş veya kaynaklı olarak bağlanabilir. Endüstriyel hidrolik silindirler genellikle cıvatalı piston mili bağlantısı kullanır. Piston mili hareket ettiğinde, bu durum genellikle piston mili sızdırmazlık seti ya da piston milini yönlendiren ve destekleyen çıkarılabilir bir yönlendirme halkası olarak bilinir.

Piston milinin bulunduğu uç "mil ucu" olarak adlandırılır; mil olmayan diğer uç ise "kördüz ucu" olarak adlandırılır. Giriş ve çıkış bağlantı portları, sırasıyla mil ucu ve kördüz ucu kapaklarında yer alır.

Sigortalar

Doğru çalışması için hidrolik silindirin pistonu ve piston milinin yön verici contası güvenilir contalara sahip olmalıdır. Hidrolik silindir pistonlarında yaygın olarak kullanılan contalar, dudak contaları, dökme demir piston halkaları veya tekli çift yönlü conta birimleridir. Conta malzemeleri ve bileşenleri, çalışma sıvısı ile ve çalışma koşullarıyla uyumlu olduğundan emin olunmalıdır.

Piston mili çok katmanlı contası, etkili bir piston mili conta türüdür ve iç yüzeyi dudak şeklinde olan ana conta, çalışma sırasında sürekli olarak piston milinin yüzeyine temas eden ve piston milinin yüzeyinden çalışma yağını kazıyan süpürge (wiper) ile ikincil toz contasından oluşur. İkincil toz contası, ana contanın bıraktığı artan yağı toplar; ayrıca piston milinin geri çekilmesi sırasında piston miline yapışmış herhangi bir yabancı maddeyi temizler.

Conta odası tahliyesi

Yukarıda açıklandığı gibi, ana sızdırmazlık ve toz sızdırmazlığı arasındaki boşluğa biriken yağ, geri çekme stroku sırasında silindir iç çapına geri dönebilir — bu durum normaldir. Ancak silindir stroku özellikle uzunsa (10 ft / 3,05 m veya daha uzun), sızdırmazlık boşluğunda biriken yağ, piston milinin sızdırmazlık kapasitesini aşacak kadar fazla olabilir. Bu durumda ve sızdırmazlık boşluğunda fazladan yağ varsa, piston milinin sızdırmazlık boşluğuna dışarıdan tahliye bağlantısı yapılmalıdır.

Şekil 8-18 Silindir yapısı ayrıntıları. Mil ucundaki kapak, piston milinin sızdırmazlık montajını içerir. Uzun stroklu silindirlerde, sızdırmazlığın aşırı yüklenmesini önlemek için bir tahliye portu eklenir.

Hidrolik şok

Hidrolik enerji, silindir pistonunu strok sonuna (silindir hareketinin sonuna) götürdüğünde, yağın eylemsizliği şoka neden olur — bu duruma yaygın olarak "hidrolik şok" denir. Eğer bu enerji yeterince büyükse, bu şok hidrolik silindirlere zarar verebilir.

Yumuşatma tertibatı

Hidrolik silindirleri aşırı şoka karşı korumak için tamponlama cihazları takılabilir. Tamponlama cihazları, pistonun strok sonuna yaklaştığında hızını azaltabilir. Tamponlama cihazları, hidrolik silindirin her iki ucuna ya da yalnızca bir ucuna takılabilir.

Tamponlama cihazının yapısı

Bir tamponlama cihazı, pistonun kör ucuna monte edilen akış kontrolü sağlayan bir iğne valfi ve bir tampon uçtan oluşur; ayrıca piston miline takılan bir tampon kılıfı bulunur. Bu cihazlar, her iki uçta da tıkaç görevi görür.

Tamponlama cihazının çalışma prensibi

Hidrolik silindir pistonu strok sonuna yaklaştıkça, tampon uç veya tampon kılıfı normal yağ çıkışını engeller. Bu durum, yağı yalnızca iğne valfinden geçmeye zorlar. Emniyet valfi ayarındaki basınçlı yağın bir kısmı iğne valfinden kaçar. Kalan akış miktarı iğne valfinden geçerek silindirin yavaşlama oranını belirler. İğne valfi ayarı, pistonun yavaşlama oranını belirler. Geri dönüş strokunda akış, iğne valfini atlayarak silindire tek yönlü bir çekvalf (şekilde gösterilmemiş) üzerinden girer; bu nedenle ters yöndeki hız etkilenmez.

Strok ayarı

Bazen bir hidrolik silindirin strok uzunluğu dışsal kontrol ile sınırlandırılmalıdır. Silindir gövdesine vidalanabilen ve çıkarılabilen bir durdurma vidası takılarak strok önceden ayarlanabilir. Herhangi bir strok ayarlayıcısı, durdurma kuvveti, çarpma, darbe ve boyutsal etkiler açısından gereksinimlere uygun olup olmadığı doğrulanmalıdır.

Şekil 8-19 Silindir tamponları, strok ayarlayıcılar, montaj şekilleri ve yük türleri. Tamponlar, silindirin strok sonunda korunmasını sağlar; montaj şekli, silindirin yükünü ne kadar iyi taşıyabileceğini belirler.

Hidrolik silindir montaj şekilleri

Hidrolik silindirlerin birçok montaj şekli vardır: flanşlar, yatak pimleri (trunnion’lar), yan bağlantı parçaları (side-lug mounts), merkez çizgisi vidaları, çift bağlantı halkaları (double lug rings), bağlantı çubukları (tie-rods) ve kaynaklı montajlar. Merkez bağlantı parçaları (center-lug mounts) veya kaynaklı montajlar çok iyi bir tasarım sunar çünkü silindir çalışmasında minimum düzeyde hizalama hatası oluşturur.

Mekanik hareket

Hidrolik silindirler, hidrolik enerjiyi doğrusal (lineer) mekanik harekete dönüştürebilir. Ancak mekanik bağlantı elemanlarının seçimi nedeniyle silindirler aynı zamanda birçok farklı türde mekanik hareket de sağlayabilir.

Yük türleri

Hidrolik silindirler, çok sayıda uygulamada birçok farklı yük türünü hareket ettirebilir. Genel olarak, piston milince itilen yükler 'itme yükleri' olarak; piston milince çekilen yükler ise 'çekme yükleri' olarak adlandırılır.

Durma tüpü

Durma tüpü, piston miline monte edilen katı bir metal kılıftır. Uzun-stroklu bir silindirin piston mili tamamen uzatıldığında, durma tüpü piston ile yön verici kılıf arasındaki mesafeyi belirler. Piston mili yön verici kılıfı, silindirin çalışması sırasında piston milini destekleyen bir yataktır ve belirli bir yükü taşıyacak şekilde tasarlanmıştır. Piston mili yön verici kılıfı — bir şaft olarak işlev görmesinin yanı sıra — aynı zamanda piston milinin yük noktası da olur. Yük bağlantılı uzun-stroklu silindirlerde, rijit bir yön vericiye sahip olmayan bir piston mili tamamen uzatıldığında aşağı doğru eğilme eğilimi gösterir ya da yön verici kılıfta bükülme meydana gelir; bu da piston milinin yön verici kılıfına yan yük uygulayarak hasara neden olur.

Durma tüpünün işlevi, piston mili tamamen uzatıldığında piston ile yön verici kılıf arasındaki mesafeyi belirleyerek piston mili yön verici kılıfına etki eden yükü azaltmaktır.

Silindir tipleri

Hidrolik silindirler birçok farklı tipte üretilir. Aşağıda yaygın olarak kullanılan bazı silindir tipleri yer almaktadır; bunlar ilerideki derslerde belirli uygulama devrelerinde de yer alacaktır.

• Tek mil silindiri: Silindirin piston mili yalnızca bir ucundan uzanır.
• Çift mil silindiri: Silindirin bir pistonu vardır ve piston mili her iki ucundan da uzanır.
• Çift etkili silindir: Bu türde hidrolik basınç, silindir pistonunun her iki yüzüne sırayla uygulanarak piston milinin ileri ve geri hareket etmesini sağlar.
• Teleskopik silindir: Silindir gövdesi, kısa çekilmiş uzunluktan uzun bir strok sağlayabilen birden fazla teleskopik bölümden oluşur.
• Tandem silindir: Silindir seri bağlı iki veya daha fazla silindirden oluşur. Piston milleri birleştirilerek ortak bir piston mili oluşturulur. Piston miline ait salmastra, silindirler arasında yerleştirilir ve her bir silindirin çift etkili olarak çalışmasını sağlar.
• Duplex silindir: Silindir en az iki gövdeden oluşur ve her bir silindirin çift etkili olarak çalışmasını sağlar.

Şekil 8-20 Hidrolik silindir tipleri. Her tip belirli bir uygulamaya uygun şekilde tasarlanmıştır: uzun strok gerektiren ancak sınırlı yer alan durumlar için teleskopik tip, sınırlı silindir çapında yüksek kuvvet gereken durumlar için tandem tip, her iki yönde eşit kuvvet/hız gereken durumlar için çift çubuklu tip.

Çift Etkili Tek Çubuklu Silindir İşletimi

Endüstriyel hidrolikte en yaygın kullanılan tip, çift etkili tek çubuklu silindirdir. Bu tip için temel hususlar, izin verilen gpm (gallon per minute) ve psi (pound per square inch) değerleri ile dönüştürülen mekanik kuvvet ve piston milinin hareketidir.

Piston alanı ve etkili piston alanı

Piston alanı ve etkili piston alanı genellikle çift etkili tek çubuklu silindirler için ele alınır. Büyük piston alanı, silindirin kör ucundaki (çubuksuz taraf) basınca maruz kalan tam piston kesit alanıdır. Etkili küçük alan (halka şeklinde alan), piston çubuğunun bir kısmını kapladığı için çubuk tarafındaki basınca maruz kalan piston alanıdır. Dolayısıyla etkili küçük alan genellikle büyük alandan daha küçüktür.

Piston milinin uzama hızı

Hidrolik silindir piston milinin uzama hızı, akışkanın silindir kör ucunu doldurma hızına bağlıdır. Piston milinin hızı genellikle ft/dk veya m/dk cinsinden ifade edilir:

Örnek: Piston alanı 10 in² (64,5 cm²) olan bir silindire 5 gpm (18,95 L/dk) akış debisi uygulanmaktadır. Mil hızı = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 ft/dk (49 mm/sn) olur. Akış debisi iki katına çıkarılırsa (10 gpm / 37,9 L/dk), mil hızı da iki katına çıkarak 19,25 ft/dk (97,33 mm/sn) olur.

Piston milinin geri çekilme hızı

Piston milinin geri çekilmesi sırasında akışkan mil ucundaki boşluğa (rod end) girer. Aynı giriş akış debisiyle geri çekilme hızı, uzama hızından daha yüksektir — formülde küçük (halkasal) piston alanını kullanın.

Örnek: 10 gpm (38 l/dk) debi, büyük alanı 10 in² (65 cm²) ve küçük alanı 8 in² (52 cm²) olan bir silindirin mil ucuna girer. Geri çekme hızı = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 ft/dk (0,12 m/sn).

Aynı giriş debisiyle çift etkili tek milli bir silindir, uzama hızından daha hızlı geri çekilir.

Geri çekme sırasında çıkan debi

Geri çekme sırasında akış mil ucuna girer ve kör uca çıkar. Çıkış debisi giriş debisinden daha büyüktür — bu, gpm (l/dk) için kullanılan aynı formülle, ancak büyük piston alanını kullanarak hesaplanabilir. Örnek: Mil ucuna 10 gpm giriş ve 24,06 ft/dk hızla: çıkış debisi = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/dk).

Silindir çıkışı üzerinde etki eden faktörler

Gösterildiği gibi, bir hidrolik silindirin ürettiği kuvvet, silindir piston alanına etki eden hidrolik basınca bağlıdır. Belirli bir silindirin mevcut maksimum çıkış kuvvetinden daha fazla kuvvet üretmesi gerekiyorsa, genellikle basıncı orantılı olarak artırma işi söz konusudur. Bazı durumlarda sistem basıncı ve silindir boyutu daha büyük bir silindir kullanımına izin vermez; bu durumda bir tandem silindir çözüm sağlayabilir.

Tandem silindir devresi

Tandem silindir, seri bağlanmış iki veya daha fazla silindirden oluşur. Piston milleri birleştirilerek ortak bir piston mili oluşturulur. Silindirler arasındaki piston mil contaları, her bir silindirin çift etkili olarak çalışmasını sağlar. Silindir boyutu, yerleşim alanı ve makine boyutu tarafından sınırlanmışsa, pompa/motor tarafından üretilen basınç nispeten düşük olsa bile aynı mekanik çıkış kuvveti elde edilebilir.

Örnek: En büyük makine kurulumu, 10 in² (64,5 cm²) piston alanına izin verir. Yük direncini aşmak için gereken maksimum basınç yalnızca 500 psi (34,48 bar)’dır. 8 in² (51,6 cm²) etkin alan tarafına 500 psi (34,48 bar) basınç uygulanması ve geri basınç eklenmesi 781 psi (53,86 bar) kuvvet üretir. İki silindirden oluşan bir tandem devrede her bir silindir 500 psi (34,48 bar) basınçta ve sırasıyla 10 in² alan ile 8 in² etkin alana sahip olduğunda birleşik çıkış çok daha büyüktür.