Descrierea si functionarea
sistemelor hidraulice
Cuprins:
Cerinte impuse mediului hidraulic si tipuri de medii utilizate
Uleiuri minerale
Lichide de sinteza si alte medii utilizate
Principiul de functionare a sistemelor de actionare hidraulica
Sisteme de actionare de tip hidrostatic
Pompe cu pistoane radiale
Motoare circulare (rotative)
Motoare liniare
Aparataj hidrostatic (de comanda)
Aparatajul de distributie
Aparatajul de reglare a debitului (vitezei)
Fisa de evaluare
Bibliografie
Mediul hidraulic
Mediul hidraulic, agentul motor sau lichidul de lucru sunt denumiri atribuite frecvent fluidului utilizat in sistemele hidraulice de actionare. Acest fluid este supus, in timpul functionarii sistemului, unor conditii de lucru deosebit de grele pentru transmiterea miscarii si efortului, cum sunt: variatia intr-un domeniu larg a temperaturii, presiunii si vitezelor de lucru, conditii in care trebuie sa-si mentina propietatile fizico-chimice si mecanice pe o perioada determinata.
Cerinte impuse mediului hidraulic si tipuri de medii utilizate
Conditiile grele de lucru expuse ridica restrictii deosebit de severe si impun o selectare riguroasa a categoriilor de fluide care sa corespunda la majoritatea cerintelor ce se impun acestora. Dintre cele mai importante cerinte care se impun si pe baza carora se aleg aceste lichide de lucru, se mentioneaza urmatoarele:
bune propietati lubrifiante si inalta rezistenta mecanica a peliculei de lichid;
inalta rezistenta si stabilitate chimica si termica spre a prevenii oxidarea, descompunerea si degradarea acestuia;
variatie minima a vascozitatii cu temperatura;
sa nu degaje vapori la temperaturi obisnuite de functionare si sa nu contina impuritati care sa faciliteze degajare de vapori;
sa nu contina, sa nu absoarba si sa nu degaje aer peste cantitatea admisa de prescriptiile tehnice;
sa nu provoace corodarea si deteriorarea elementelor de etansare;
sa aiba un punct ridicat de inflamabilitate si cat mai scazut de congelare;
continut minim de impuritati mecanice si tehnice.
Lichidele care corespund cel mai bine la aceste cerinte si care au capatat o larga raspandire sunt uleiurile minerale. In afara de acestea se folosesc si o serie de lichide de sinteza precum si alte medii, in conditii speciale de functionare.
Uleiuri minerale
Uleiurile minerale se obtin din titei prin extragerea unor fractiuni continand hidrocarburi grele. Hidrocarburile parafinice, naftinice si aromatice, continute in titei, se gasesc fie independent, fie legate intre ele. In afara de hidrocarburi, in materia prima se mai gasesc si alti componenti, care, pe langa carbon si hidrogen, mai contin si sulf, dand nastere unor substante asfaltoase, rasini, acizi naftenici etc., substante care urmeaza a fi eliminate, fiind daunatoare functionarii sistemului de actionare.
Metamorfoza la care este supus titeiul pentru obtinerea uleiului mineral este compusa dintr-o serie de faze succesive, dupa cum urmeaza: distilarea; rafinarea cu acizi sau cu solventi pentru eliminarea compusilor asfaltosi; neutralizarea, in vederea eliminarii ramasitelor de acizi de la operatia precedenta, ultima operatie fiind tratarea cu pamanturi decolorante pentru asigurarea transparentei si puritatea necesara produsului finit.
Pentru ameliorarea calitatii uleiurilor minerale se folosesc diverse procedee de suprarafinare, hidrorafinare si hidrotratare cu care se obtin indici de viscozitate pana la 120 si chiar superiori.
O alta metoda de crestere a calitatii uleiurilor minerale o constituie aditivitatea acestora cu aditivi antioxidanti, antiuzura, anticorozivi, antispumanti, anticongelanti, antirugina etc.
Dintr-un numar mare de tipuri de uleiuri minerale se recomanda, pentru actionarile hidraulice, uleiurile hidraulice din grupa H pentru solicitari usoare.
Uleiurile din aceasta grupa, H19. H72, se recomanda pentru cazul unor solicitari usoare pana la presiuni de 50 daN/cm2, la temperaturi de maximum 50o grade C si minimum de -5o C.
Pentru solicitari mai grele se folosesc uleiuri aditivate din grupa H12. H38, care pot fi folosite la presiuni de maximum 300 daN/cm2 la temperaturi cuprinse intre 25o si 85o C.
Lichide de sinteza si alte medii utilizate
In cazul se cere o mare stabilitate a viscozitatii si a inertie chimica se recomanda a se utiliza lichide sintetice din polimeri ai oxidului de siliciu, compusi pe baza de eteri sau alte lichide de sinteza.
Din motive de protectie a muncii, ecologice si tehnice se constata o tendinta de revenire la utilizarea apei in actionarea hidraulica. Motivatia tehnica se refera atat la factori tehnico-economici legati de costurile lichidului cat mai ales de rigiditatea superioara a acesteia, in comparatie cu uleiul mineral sau alte lichide de sinteza.
La presiuni ridicate se poate folosi un amestec de ulei de transformator cu petrol care rezista la presiuni pana la 10 kbar si temperaturi cuprinse intre 0o - 100o C.
De mentionat, ca la presiuni ultraridicate de peste 30 kbar si temperaturi nu prea ridicate toate lichidele se solidifica. In aceste conditii se recomanda utilizarea unor medii solide transmitatoare de presiune cum sunt: polifluoretilena, clorura de argint, pirofilitul, talcul etc.
Principiul de functionare a sistemelor de actionare hidraulica
Sisteme de actionare de tip hidrostatic
Sistemele hidrostatice sau volumice au, drept element primar al transformatorului TT, generatorul de presiune hidrostatica (pompa) GH, care transforma energia mecanica primita de la motorul electric ME in energie potentiala a fluidului, pe care o transmite apoi elementului secundar care este motorul hidraulic rotativ MHR sau liniar MHL. Acesta reconverteste energia hidrostatica in energie mecanica, pe care o livreaza apoi organului de executie OE al masinii actionate. Variatia parametrilor miscarii se realizeaza
cu ajutorul aparatajului de comanda si de reglare ACR sau direct prin variatia capacitatii generatorului sau a motorului.
Aceste sisteme au o arie larga de raspandire datorita unor calitati deosebite ca: simplitate constructiva, usurinta in reglarea vitezelor, si a realizarii stabilitatii acesteia, gabarit redus, randament ridicat etc.
Generatorul hidraulic
Pompe cu pistoane axiale
Pompele cu pistoanele axiale reprezinta o alta varianta a pompelor cu piston in care pistoanele sunt dispuse axial, deci paralel cu axa de rotatie a rotorului (blocului), miscarea activa a pistoanelor realizandu-se fie de un disc inclinabil sau fix, fie de o cama frontala.
Dispunerea in acest fel a pistoanelor are marele avantaj de a reduce mult gabaritul pompei si a obtine in acelasi timp un moment de inertie constant, prin simetria maselor de rotatie, ceea ce permite functionarea acestora la viteze unghiulare mult superioare altor tipuri.
Avand in vedere aceste calitati, la care se adauga o buna stabilitate a miscarii la turatii joase, precum si usurinta reglarii volumului activ, se acorda prioritate acestora, fiind cele mai raspandite tipuri de masini volumice utilizate in actionarea hidraulica, lucru valabil si pentru sistemele de actionare a masinilor-unelte.
Parametri principali ai acestor tipuri de pompe sunt: presiuni cuprinse intre 150 si 500 de bar si chiar mai mari, momente pana la 800 - 900 daN m, puteri pana la 3500 kW, debite pana la 900 l/min, turatii maxime la pompe pana la 3000 - 4000 rot/min.
Pompe cu pistoane radiale
Pompele cu pistoane radiale sunt pompe de debite si presiuni mari, iar motoarele de momente si puteri ridicate. A cestea se folosesc pentru presiuni pana la 300 bar, debite pana la 8000 l/min, momente pana la 5000 daNm, puteri pana la 4000 kW, motoare cu actiune multipla putand functiona la turatii stabile sub 1 rot/min.
De mentionat ca acest tip de pompe au facut obiectul primelor modele de masini hidraulice volumice rotative cu piston, ca intre timp au aparut pompele cu pistoane axiale, ca varianta imbunatatita a primelor si care s-au extins mai mult decat pompele cu pistoane radiale. In prezent, insa, se constata o revitalizare a acestora, nu numai la puteri si cupluri mari, unde raman metodele de baza, dar si pentru parametri obisnuiti. Cauzele acestor reconsiderari constau in aparitia unor modele noi imbunatatite, cu gabarite reduse (inertie mica) in special, cu actiune multipla, cu pistoane cilindrice sau sferice.
La constructiile obisnuite, debitul se regleaza deplasarea relativa (manual sau automat cu servovalva) a statorului fata de rotor.
La modele noi, cu actiune multipla, aceasta reglare se face discret, prin una din metodele:
variatia sectiunii active a pistonului
variatia numarului active de pistoane
variatia numarului de randuri de pistoane
De remarcat ca, prin aceasta, pompele cu actiune multipla nereglabila pana acum se transforma in sisteme reglabile, asa-zisa reglare comutativa.
Considerand ca la inceputul miscarii pistonul se afla in pozitia A, iar dupa o rotire in sens orar cu unghiul j, ajungand in punctul B, se va deplasa inspre axa de rotatie O2, in raport cu rotorul cu distanta x, care reprezinta diferenta dintre segmentul O2A-R=e+l-R.
Deci:
x=e+l-R
Avand in vedere ca R=e cosj+l cosb, atunci:
x=(l+e)-(e cosj+l cosb
dar
sinb=
sinj T cosb 1-sin2b = 
1- sin2j
Motoare hidraulice
Motoarele hidraulice retransforma energia potentiala a lichidului primita de la generator in energie mecanica cu care actioneaza apoi elementul final in miscare de rotatie, de translatie sau oscilanta (alternativa). Deci, forma acestor motoare va fi, dupa traiectoria miscarii pe care o realizeaza:
circulare (rotative)
liniare (rectilinii)
oscilante (alternative)
Motoare circulare (rotative)
Exista motoare circulare (rotative) cu reglare primara si cu reglare secundara. Acestea pot fi reversibile sau ireversibile, cum sunt restul sistemelor; pot fi de asemenea nereglabile sau reglabile, restul sistemelor. Variatoarele pot avea o structura complexa cu masini pompa-motor cu capacitate variabila PMcv si motor-pompa cu capacitate constanta MPcc si invers, cand cuplul rezistent devine activ, realizandu-se astfel un sistem de franare. In structura acestora intra diverse blocuri functionale.
Motoare liniare
Motoarele hidraulice liniare sau rectilinii sub denumirea curenta de cilindri hidraulici au o mare raspandire in sistemele hidraulice de actionare. Acestea sunt compuse din cilindrul C, pistonul P si tija T. Principal, motoarele liniare pot fi cu actiune:
a) simpla, in care readucerea in pozitia initiala a pistonului nu se face pe cale hidraulica;
b) dubla
c) cu tija bilaterala
d) cu tija unilaterala
Din punct de vedere a structurii, motoarele hidraulice pot fi mono, bi sau multicilindri, cu piston, cu plunje sau mixte, cu cursa variabila sau constanta. Reglarea marimii cursei poate fi obisnuita (telescopica), in care succesiunea se asigura prin introducerea lichidului in ordinea dorita in fiecare cilindru sau automat, la capatul cursei unui piston, prin supapele de succesiune.
Interes prezinta reglarea cursei pe cale mecanica sau hidraulic. Astfel, variatia cursei bratului mecanic M se realizeaza prin reglarea distantei dintre cele doua pistoane, din interiorul cilindrului 1, cu ajutorul bucsei canelate. Rotind axul canelat care, de fapt, reprezinta tija filetata a pistonului, acesta se insurubeaza sau desurubeaza in piulita solidara cu pistonul, variind distanta x si, deci, cursa bratului M. Motorul este prevazut cu sistem de franare la capete de cursa. Reglarea cursei x pe cale hidraulica se face cu bucsele-opritoare conform circulatiei lichidului indicata cu sageti.
Aparataj hidrostatic (de comanda)
Comanda sistemelor hidraulice prezinta o mare importanta, deoarece aceasta asigura realizarea programului stabilit de functionare a masinii, conform procesului tehnologic de prelucrare. Aparatajul de comanda poate fi impartit astfel:
aparataj de distributie (distribuitoare, inversoare, supape, robinet, etc.), care dirijeaza lichidul de lucru inspre diversele mecanisme ale sistemului si evacueaza in rezervor lichidul folosit. Acest aparataj asigura in acelasi timp succesiunea de lucru a diverselor mecanisme.
aparataj de reglare si control (supape, drosele, stabilizatoare, relee, etc.), care asigura presiunea necesara, viteza lichidului de lucru, deplasarea, viteza si acceleratia necesara a mecanismelor sistemelor hidraulice.
Aparatajul de comanda rational construit asigura regimuri de lucru optime, o productivitate si un randament maxima, poate asigura, de asemenea, automatizarea procesului tehnologic, creeaza posibilitatea deservirii mai multor masini de catre muncitor si construirea linilor automate. Acest aparataj trebuie sa indeplineasca o serie de conditii tehnice pentru a corespunde cerintelor care se impun sistemelor hidraulice, dintre care:
simplitate si siguranta in exploatare
cost redus
rezistente locale si pierderi prin frecare minime
comanda usoara, fara eforturi si deplasari mari
sensibilitate mare la schimbare regimului de lucru sau la abaterea acestuia de la programul stabilit
Pentru micsorarea pierderilor de lichid si a frecarii, aparatajul de comanda este construit din materiale rezistente la uzura, tratate termic si este prelucrat cu mare precizie.
Aparatajul de comanda poate fi actionat manual sau automat, prin deplasare axiala sau de rotatie, sau pot fi realizate ansambluri complexe care sa functioneze prin combinarea celor doua miscari.
Dimensiunile aparatajului sunt impuse de debitul pompei si presiunea din sistem, iar forma aparatajului trebuie sa fie astfel aleasa incat sa asigure micsorarea fortelor necesare conectarii si deconectarii, deci o sensibilitate marita, avand in vedere ca in prezent se foloseste din ce in ce mai mult actionarea automata a acestuia prin electromagneti, hidraulic, pneumohidraulic, etc. Forma canalelor si a fantelor interioare are o mare importanta pentru micsorarea rezistentelor interioare si pentru marirea sensibilitatii aparatajului de comanda.
Aparatajul de distributie
Prin definitie, aparatajul de distributie sau directional indeplineste, in special, functia de asigurare a alimentarii motorului hidraulic de actionare a organului activ (ax principal, masa, sanie de avans, scula, etc.) cu fluid in cantitatea si la presiunea necesara pentru o functionare optima a acestuia la parametri de efort si miscare programata. In consecinta, acest aparataj trebuie sa asigure nu numai alimentarea sau intreruperea acestuia, miscarea intr-un sens sau altul (inversarea), ci si transformarea miscarii ca marime, deci reglarea acesteia dupa o anumita lege. Desigur ca aceasta din urma functie poate fi realizata si de un aparataj specializat.
Aparatajul de distributie, prin urmare, din punctul de vedere a caracteristicii miscarii poate fi subimpartit in aparataj de distributie pentru functionarea discreta sau continua.
Din prima categorie fac parte distribuitoarele propriu-zise cu una, doua, trei sau mai multe pozitii, avand, deci, doua, trei sau mai multe canale de legatura.
Distribuitoarele cu functionare continua, care capata o raspandire din ce in ce mai mare in ultima vreme, au aparut sub denumirile de servo-distribuitoare, servo-valve sau elemente proportionale, utilizandu-se in special in sistemele de reglare automate.
La distribuitoarele discrete o mare raspandire o au cele cu trei pozitii si cinci canale, care asigura o gama larga de posibilitati de stare a organului activ in pozitie mediana (0) si apoi prin comutare pe celelalte doua pozitii. De regula, rezervorul se leaga la un canal comun, acesta putand fi considerate sisteme.
Distribuitoarele discrete pot fi clasificate, la randul lor, dupa forma constructiva a elementului activ (sertarului) in:
rotative
rectilinii cu sertar cilindric
plane
cu supape
De mentionat ca distribuitoarele plane au o constructie simpla din punct de vedere tehnologic, usor de executat si mai ales de controlat, spre deosebire de cele rectilinii cu sertar circular, la care executia si mai ales controlul sunt extrem de dificile.
Distribuitoarele cu supape, actionate de o maneta cu parghii sau de un ax cu came, se utilizeaza in cazul unor presiuni inalte (prese) sau a unor debite mari ( peste 200 l/min.).
Dupa caracterul comenzii, distribuitoarele sunt cu comanda:
manuala
mecanica (parghii, came, etc.)
pneumatica
hidraulica
electrica
Aparatajul de reglare a debitului (vitezei)
Reglarea vitezei motoarelor hidraulice se realizeaza prin variatia cantitatii de lichid care trece prin motor in unitatea de timp. Variatia cantitatii de lichid (a debitului) se poate face prin doua metode:
a) metoda volumica, constand din modificarea debitului pompei la presiunea variabila in functie de sarcina
b) reglare rezistiva (sau prin strangulare) care se realizeaza prin variatia rezistentei locale in conducta de alimentare sau evacuare din motor, la presiune constanta, utilizand o rezistenta hidraulica variabila
Reglarea volumica. Reglarea debitelor pompelor sau capacitatii motoarelor rotative se realizeaza manual sau automat. Cele mai simple sisteme de reglare automata sunt cele de mentinere constanta a debitelor (vitezei) sau reglarea acestuia dupa o anumita lege, utilizand sisteme mecano-hidraulice elementare.
Reglarea rezistiva. Pentru reglarea debitului de alimentare a motorului hidraulic, la presiune constanta, si prin aceasta viteza de rotatie sau de deplasare, se utilizeaza fie elemente simple de strangulare (rezistente hidraulice reglabile), fie regulatoare de debit, care pe langa drosel mai contin si un element de stabilizare, deci de mentinere constanta a valorii debitului reglat indiferent de variatia sarcinii (presiunii).
Fisa de evaluare
Subiectul I
Scrieti litera corespunzatoare raspunsului corect:
Cate faze sunt pentru a obtine un ulei mineral:
a)
b)
c)
d)
Teoretic, la ce presiuni se solidifica lichidul:
a) peste 10 kbar
b) peste 20 kbar
c) peste 25 kbar
d) peste 30 kbar
Pompele cu pistoane axiale pot dezvolta puteri pana la:
a) 500 kW
b) 2000 kW
c) 3500 kW
d) 5000 kW
Pompele cu pistoane radiale pot dezvolta puteri pana la:
a) 2000 kW
b) 4000 kW
c) 5000 kW
d) 3500 kW
Aparatele de distributie sunt:
a) distribuitoare
b) drosele
c) relee
d) stabilizatoare
Distribuitoarele cu supape au debite pana la:
a) 100 l/min
b) 200 l/min
c) 300 l/min
d) 400 l/min
Pompele cu pistoane radiale au debite pana la:
a) 3000 l/min
b) 4000 l/min
c) 7000 l/min
d) 8000 l/min
Subiectul II
Scrieti litera corespunzatoare fiecarui enunt si notati in dreptul ei litera A, daca apreciati ca enuntul este adevarat si litera F, daca apreciati ca enuntul este fals.
Agentul motor sau lichidul de lucru denumesc acelasi lucru. A
La presiuni ridicate se foloseste un amestec de ulei de transformator cu petrol. A
Pompele cu pistoanele dispuse axial sunt perpendiculare cu axa de rotatie a rotorului. F
Pompele cu pistoane radiale sunt pompe de debite si presiuni mari.
Motoarele circulare pot fi reversibile sau ireversibile. A
Aparatajul de comanda rational construit asigura regimuri de lucru optime. A
Elemente simple de strangulare se utilizeaza pentru reglarea debitului la presiune variabila. F
Subiectul III
Sa se rezolve problema:
Sa se afle distanta x. Se da: e=6, l=8 si j
sinb=sinj=3
/8
/2+21/8=45/8 x=e+l-R=6+8-45
Subiectul IV
Sa se corecteze schema:
*** tot ce este scris sau desenat cu rosu sunt raspunsurile corecte.
Bibliografie
"Hidraulica masinilor-uneltelor" de A. Oprean
Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti - 1983
2. "Ghid pentru proiectarea masinilor unelte"
