Hydraulika

Wprowadzenie do hydrauliki siłowej

Hydrauliczne elementy sterujące

Pompy hydrauliczne

Silniki hydrauliczne

Układy hydrauliczne

Uszczelnienia

Hydrauliczne elementy sterujące

I. Zawory bezpieczeństwa. 1

II. Zawory przelewowe. 2

III. Zawory zwrotne. 3

1. Zawory zwrotne jednokierunkowe. 3

2. Zawory zwrotne sterowane. 3

IV. Zawory odcinające i dławiące. 5

V. Regulatory. 6

1. Regulatory nastawne. 6

2. Regulatory stałej mocy. 7

VI. Rozdzielacze hydrauliczne. 7

1. Rozdzielacze obrotowe. 7

2. Rozdzielacze zaworowe. 8

3. Rozdzielacze suwakowe. 8

I. Zawory bezpieczeństwa

Zadaniem zaworów bezpieczeństwa jest ograniczanie wartości ciśnienia cieczy pracującej w układzie hydraulicznym i niedopuszczanie do nadmiernego wzrostu ciśnienia, które mogłoby powodować zniszczenie elementów hydraulicznych lub maszyny napędzanej.

Każdy układ hydrauliczny, choćby najprostszy musi być wyposażony w co najmniej jeden zawór bezpieczeństwa.

Ze względu na budowę elementu roboczego rozróżniamy typów zaworów bezpieczeństwa: kulkowe, grzybkowe, suwakowe, płytkowe i przeponowe. W maszynach górniczych stosuje się pierwsze trzy typy tych zaworów.

Do najprostszych zaworów bezpieczeństwa należą zawory kulkowe. Schemat budowy takiego zaworu przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Zawór bezpieczeństwa kulkowy

W obudowie 1 z otworem wlotowym 2 i wylotowym 3 znajduje się kulka 4 dociskana sprężyną 5 do gniazda otworu 6. Pod kulką doprowadzona jest otworem 2 ciecz, której ciśnienie jest takie jak w całym hydraulicznym obiegu siłowym, przy czym siła sprężyny dociskając kulkę do gniazda otworu zamyka przepływ cieczy przez zawór. Jeżeli jednak ciśnienie cieczy wzrośnie ponad dopuszczalną wartość, do której dobrane jest napięcie sprężyny, siła działania ciśnienia stanie się większa niż siła działania sprężyny. Sprężyna ugina się i kulka otwiera przepływ cieczy, która wydostaje się następnie z zaworu bezpieczeństwa otworem 3, najczęściej do zbiornika. Ujście cieczy z układu hydraulicznego spowoduje obniżenie ciśnienia w układzie lub utrzymanie go w wartości takiej, na jaką nastawiony jest zawór bezpieczeństwa. Zawory bezpieczeństwa przeznaczone są dla działania krótkotrwałego, gdyż przepuszczanie przez nie cieczy pod ciśnieniem powoduje intensywne nagrzewanie się jej wskutek dławienia.

Taka sama jest zasada działania zaworu grzybkowego i suwakowego (rys. 2).

Rys. 2. Zawór bezpieczeństwa a) grzybkowy b) suwakowy

II. Zawory przelewowe

Zawory przelewowe służą do utrzymania w przewodzie dopływowym układu hydraulicznego stałej wartości ciśnienia nie większej niż nastawiona wartość. Stosuje się je powszechnie w celu przepuszczania do zbiornika nadmiaru tłoczonej cieczy, gdy wydajność pompy przewyższa zapotrzebowanie.

Zasada działania zaworów przelewowych nie odbiega od zasady działania zaworów bezpieczeństwa, z tą różnica, że zawory bezpieczeństwa chronią układ przed wzrostem ciśnienia ponad określoną wartość.

Zawory przelewowe stosuje się zazwyczaj jako zawory pośredniego działania. Budowę i zasadę działania takiego zaworu przedstawia (rys. 3).

Rys. 3. Zawór przelewowy pośredniego działania

Jeżeli ciśnienie cieczy w układzie hydraulicznym, do którego zawór przelewowy dołączony jest kanałem dopływowym 1, będzie mniejsze od nastawionego ciśnienia otwarcia, to zawór pozostaje zamknięty. Grzybek 3 zaworu pierwszego stopnia dociśnięty jest do gniazda sprężyną. Ciśnienia po obu stronach tłoczka 4 są wyrównane przez kanał dławiący 5 i słaba sprężyna utrzymuje tłoczek w skrajnym dolnym położeniu, przy którym kanał dopływowy 1 odcięty jest od kanału odpływowego 2. Jeżeli ciśnienie cieczy wzrośnie powyżej ciśnienia otwarcia, to grzybek 3 zaworu pierwszego stopnia zostanie odsunięty od gniazda, łącząc komorę 6, a tym samym kanał dopływowy 1 z kanałem odlewowym 2 przez kanalik 7. Spowoduje to spadek ciśnienia w kanale dławiącym 5 tłoczka 4 i w komorze 6 w wyniku czego tłoczek ten zostanie podniesiony łącząc bezpośrednio kanał dopływowy 1 z kanałem odpływowym 2.

III. Zawory zwrotne

1. Zawory zwrotne jednokierunkowe

Zadaniem zaworów zwrotnych jednokierunkowych jest przepuszczanie cieczy tylko w jednym, określonym kierunku. W zależności od rodzaju zastosowanego elementu zamykającego rozróżniamy trzy typy zaworów zwrotnych jednokierunkowych: kulkowe, grzybkowe i płytkowe. Schematy budowy zaworów tych typów przedstawiono na rys. 4.

Rys.4 Schemat budowy zaworów zwrotnych jednokierunkowych a – kulkowy, b – grzybkowy, c – płytkowy

Strzałki na schematach pokazują kierunek przepływu cieczy roboczej. Sprężynki dociskające kulkę, grzybek lub płytkę do gniazda zaworów mają małą siłę docisku, aby nie stwarzać większych oporów przy przepływie cieczy przez zawory i zawory otwierają się już przy niewielkiej różnicy ciśnienia panującego z jednej i z drugiej strony elementu zamykającego. W niektórych przypadkach rezygnuje się ze stosowania sprężynki i element zamykający przylega do gniazda tylko dzięki swojemu ciężarowi (pionowe usytuowanie zaworu) i ciśnieniu cieczy znajdującej się nad tym elementem.

2. Zawory zwrotne sterowane

Zadaniem zwrotnych zaworów sterowanych jest okresowe unieruchomienie elementu roboczego (np. tłoka siłownika hydraulicznego) w ściśle określonym położeniu skrajnym lub pośrednim. W zależności od funkcji, jaką w danym układzie hydraulicznym zawór taki ma spełniać, może to być zawór sterowany pojedynczy lub podwójny. Ze względu na wykonywaną funkcję zawory zwrotne sterowane nazywa się również zamkami hydraulicznymi.

Zawory zwrotne sterowane pojedyncze mogą być kulkowe, grzybkowe lub płytkowe.

Zawory zwrotne sterowane podwójne mogą być kulkowe, grzybkowe lub suwakowe.

Zaworami tymi steruje się najczęściej ręcznie, mechanicznie (przesuwającym się elementem maszyny roboczej) lub hydraulicznie.

Rys. 5. Zawory zwrotne sterowane pojedynczo a)kulkowy b) grzybkowy c) płytkowy

Na rys. 5 przedstawiono schematy budowy pojedynczych zaworów zwrotnych, sterowanych hydraulicznie. Jeżeli do komory 1 nie doprowadza się cieczy pod ciśnieniem
z obiegu sterowania, trzpień tłoczka 2 nie naciska na kulkę zaworu zwrotnego i zawór ten — zgodnie ze swoją zasadą działania — przepuszcza ciecz roboczą obiegu siłowego tylko
w jednym kierunku. W razie doprowadzenia do komory 1 cieczy pod odpowiednim ciśnieniem z obiegu sterowania, tłoczek 2 przesuwa się w prawo i jego trzpień naciskając na kulkę przesuwa ją również i otwiera zawór zwrotny tak, że ciecz robocza obiegu siłowego może przepływać w obu kierunkach.

Rys. 6. Zawory zwrotne sterowane podwójne

Na rys. 6 przedstawiono schematy budowy podwójnych zaworów zwrotnych sterowanych hydraulicznie. Tłoczek sterujący ma dwa trzpienie i przesuwa się w cylinderku z dwoma komorami 1 i 2. Zawór ma dwa elementy zamykające 4 i 5 otwierane jednym lub drugim trzpieniem tłoczka sterującego 3 w zależności od kierunku doprowadzanej cieczy. Podwójne zawory zwrotne sterowane stosuje się najczęściej w układach hydraulicznych zasilających siłowniki dwustronnego działania. Przykład współpracy takiego zaworu z siłownikiem pokazano schematycznie na rys. 7.

Rys. 7. Współpraca zaworu zwrotnego sterowanego podwójnie z siłownikiem

Siłownik zasilany jest przewodami 1 i 2. Jeżeli dopływ i odpływ cieczy są odcięte, tłoczek 3 zamka hydraulicznego zajmuje położenie środkowe (jak na rysunku). W tym położeniu oba zawory zwrotne 4 i 5 są zamknięte, odcinają ciecz znajdującą w komorach 6 i 7 siłownika, co powoduje z kolei zablokowanie tłoka 8. Jeżeli przez przewód 1 zacznie dopływać ciecz (a odpływać przez przewód 2), ciśnienie cieczy spowoduje otwarcie zaworu zwrotnego 4, przez który ciecz dostaje się do komory 6 siłownika. Jednocześnie nastąpi przesunięcie tłoczka 3 w dół, który otworzy zawór zwrotny 5, łącząc tym samym przestrzeń 7 siłownika ze spływem. Działanie takiego zamka jest symetryczne.

IV. Zawory odcinające i dławiące

1. Zawory odcinające

Zawory odcinające służą do zamykania przepływu cieczy znajdującej się pod ciśnieniem. W zależności od rodzaju ruchu wykonywanego przez element zamykający rozróżniamy dwa rodzaje zaworów odcinających: obrotowe i wzniosowe (skokowe).

W zależności od budowy elementu zamykającego,

zawory obrotowe mogą być: a - kulkowe, b- walcowe, c- grzybkowe d- płytkowe rys. 8

zawory wzniosowe mogą być: a- iglicowe, b- kulkowe, c- płytkowe d - suwakowe rys. 9

Rys. 8. Zawory odcinające obrotowe

Rys. 9. Zawory odcinające wzniosowe

W zaworach obrotowych elementy zamykające mają kanały na ogół o przekroju okrągłym i przez obracanie elementu otwierają lub zamykają przepływ cieczy. W zaworach wzniosowych obrót gwintowanego trzpienia powoduje ruch pionowy elementu zamykającego.

Rys. 10. Zawór obrotowy kulkowy

Rysunek 10 przedstawia typowy obrotowy zawór kulkowy, który używa się powszechnie w układach hydraulicznych. Zawór składa się z kadłuba 1 z osadzoną wewnątrz kulą 2 z otworem dla przepływu cieczy. Kula 2 osadzona jest w dwóch pierścieniach 3 i 4 z tworzywa sztucznego, które szczelnie dolegają do powierzchni kuli i zamykają przepływ cieczy. Przepływ cieczy zamyka się i otwiera przez obrót kuli 2 o kąt 90⁰ za pomocą dźwigni 5 zamocowanej na trzpieniu 6 osadzonym obrotowo i uszczelnionym w kadłubie zaworu.

2. Zawory dławiące

Zawory dławiące zwane popularnie dławikami służą do regulacji natężenia przepływającej cieczy. Najważniejszą cechą charakterystyczną dławika jest jego przepustowość, tj. natężenie strumienia, jaki dławik przepuszcza.

Istnieje wiele różnych typów dławików. Do najczęściej stosowanych należą dławiki iglicowe, suwakowe, płytkowe, kryzowe. Schematy budowy dławików przedstawia rys. 11.

Rys. 11. Dławik a) suwakowy b) iglicowy

Zmniejszanie natężenia przepływu cieczy związane jest ze wzrostem spadku ciśnienia, co z kolei powoduje przekształcenie traconej energii hydraulicznej na ciepło. W hydraulice siłowej, przy dużych natężeniach przepływu i dużych ciśnieniach sposób regulacji przez dławienie połączony jest ze znacznymi stratami, Intensywnym miejscowym grzaniem i jest niewystarczająco dokładny. Z tych względów regulację natężenia przepływu cieczy przez dławienie stosuje się częściej przy małych natężeniach przepływu, a więc w hydraulice sterującej.

V. Regulatory

Regulatory przepływu — podobnie jak zawory dławiące — powodują dławienie ciśnienia i praca ich połączona jest ze znacznymi stratami. Dlatego też przy dużych natężeniach przepływu i dużym ciśnieniu stosuje się raczej zasilanie odbiorników za pomocą pomp o zmiennej wydajności, przy czym wydajność tę można nastawiać ręcznie lub za pomocą regulatorów automatycznych. W układach hydraulicznych maszyn górniczych stosuje się takie regulatory np. do zmiany wydajności pompy, a tym samym regulacji przepływu w zależności od obciążenia silnika hydraulicznego oraz obciążenia silnika elektrycznego kombajnu węglowego.

1. Regulatory stałej mocy

Regulator stałej mocy wykorzystując tę zależność działa w ten sposób, że w przypadku wzrostu ciśnienia (momentu obrotowe silnika) zmniejsza odpowiednio wydajność pompy, a tym samym prędkość obrotową silnika. Istotnym elementem takiego i regulatora jest siłownik. Na tłok tego siłownika z jednej strony działa sprężyna o odpowiednio dobranej charakterystyce, z drugiej ciśnienie cieczy roboczej takie, jakie wywołuje obciążony drąg tłokowy siłownika połączony jest z pompą regulowanej wydajności powodując jej przesterowanie.

2. Regulatory nastawne.

Nastawialne regulatory przepływu umożliwiają regulowanie natężenia przepływu cieczy niezależnie od zmian obciążenia odbiornika. Istotą działania regulatora przepływu jest (po odpowiednim jego nastawieniu) samoczynne zmniejszanie lub zwiększanie stopnia dławienia przepływającej cieczy tak, aby niezależnie od obciążenia odbiornika przepustowość regulatora była stała.

Regulatory przepływu mogą być dwudrogowe lub trójdrogowe. Instaluje się je na dopływie cieczy do odbiornika.

Rys. 12 Regulator dwudrogowy

Regulator dwudrogowy (rys. 12) ma budowę prostszą niż regulator trójdrogowy. Strzałki P pokazują kierunek cieczy dopływającej z pompy, O — kierunek cieczy odprowadzanej do odbiornika (siłownika hydraulicznego lub silnika obrotowego). W kadłubie 1 znajduje się suwak 2 ze szczeliną 4, sprężyna 3 oraz dławik 5. Dławikiem 5 nastawia się wymaganą przepustowość regulatora. Ciśnienie cieczy doprowadzanej do regulatora działa na suwak 2 ściskając sprężynę 3. Natomiast ciśnienie cieczy odprowadzanej do odbiornika (zależne od obciążenia odbiornika) działa na suwak 2 od strony przeciwnej, wspomagając siłę sprężyny. Wahania obciążenia odbiornika powodują wahania ciśnienia cieczy wspomagającej działanie sprężyny tak, że w przypadku zwiększenia obciążenia przekrój przepływu przez szczelinę 4 suwaka zwiększa się, w przypadku zaś zmniejszenia obciążenia - zmniejsza się.

VI. Rozdzielacze hydrauliczne

Rozdzielacze hydrauliczne służą do kierowania strumienia cieczy z pompy do jednego lub więcej odbiorników (siłowników, silników obrotowych) oraz cieczy wypływającej z odbiorników do zbiornika. W złożonych układach hydraulicznych stosuje się często dwa lub więcej rozdzielaczy, które mogą być budowane oddzielnie lub złożone w bloki (zestawy).

Rozróżniamy różne rodzaje rozdzielaczy zależnie od liczby dróg i położeń.

Liczbą dróg nazywamy sumę liczby kanałów doprowadzających i liczby kanałów odprowadzający ciecz z rozdzielacza.

Liczbę położeń określa się liczbą ustalonych pozycji, jakie może zajmować w rozdzielaczu element rozdzielający ciecz.

W zależności od budowy i rodzaju ruchu elementu rozdzielającego rozróżniamy trzy typy rozdzielaczy: suwakowe, zaworowe i obrotowe.

1. Rozdzielacze obrotowe

Schematy budowy rozdzielaczy obrotowych, najczęściej stosowanych w układach hydraulicznych maszyn górniczych przedstawiono na rys.13.

Rys. 13. Schematy budowy rozdzielaczy obrotowych

a — dwudrogowy dwupołożeniowy, b — trójdrogowy dwupołożeniowy, c — czterodrogowy dwupołożeniowy

Elementem rozdzielającym ciecz jest walec lub stożek z wydrążonym jednym lub większą liczbą kanałów i osadzony obrotowo w kadłubie zaworu. Na rysunku pokazano rozdzielacze dwupołożeniowe, w których element rozdzielający może zajmować dwa różne położenia — oznaczone liczbami 1 i 2. Strzałki pokazują możliwe kierunki przepływu cieczy.

2. Rozdzielacze zaworowe

Schematy budowy rozdzielaczy zaworowych, stosowanych najczęściej w układach hydraulicznych maszyn górniczych przedstawiono na rys. 14.

Istotną częścią rozdzielacza jest jeden lub więcej zaworów, których elementami zamykającymi mogą być grzybki, kulki lub płytki. Element zamykający dociskany jest do gniazda sprężyną, otwieranie zaś odbywa się przez przesunięcie elementu ręcznie, hydraulicznie, elektromagnetycznie lub pneumatycznie.

Rys. 14. Schematy budowy rozdzielaczy zaworowych

a — dwudrogowy, dwupołożeniowy, b — trójdrogowy dwupołożeniowy, c — trójdrogowy trójpołożeniowy

3. Rozdzielacze suwakowe

Elementem roboczym rozdzielacza suwakowego jest suwak, który może być płaski, cylindryczny lub walcowy (zwany potocznie tłoczkowym). Mimo zalet suwaków płaskich, jak mała masa i duża szybkość przesterowania, są one rzadko stosowe. W układach hydraulicznych maszyn górniczych stosuje się powszechnie rozdzielacze z suwakami tłoczkowymi.

Rys. 15. Schemat budowy rozdzielacza dwudrogowego dwupołożeniowego.

Zebrał i opracował: Czesław Zając 2012 r.

Bibliografia:

- Z. Korecki; Urządzenia hydrauliczne maszyn górniczych, Katowice 1981 r.

- J. Lipski; Hydrauliczne urządzenia, Warszawa 1968 r.

- W. Warchim, J. Maciejczyk: Ścianowe kombajny węglowe