Diplomsuuuki Rad Tolj

FAKULTET ELEKTROTEH�IKE,

STROJARSTVA I BRODOGRAD�JE

SVEUČILIŠTE U SPLITU

LS REGULACIJA RADA CRPKE

DIPLOMSKI RAD

ME�TOR: dr. sc. Jani Barlé, doc.

Ivan Tolj Split, listopad 2005.

Ovaj diplomski rad kao rezultat moga

uspješnoga studiranja posvećujem svojim

roditeljima.

Zahvaljujem se mentoru dr. sc. Jani Barléu za nesebičnu pomoć te za strpljenje i podršku koju mi je pružio prilikom izrade diplomskog rada. Zahvaljujući njegovu strpljenju i pomoći kod prikupljanja brojne literature i materijala potrebnih za rad, ovaj je diplomski rad realiziran.

Sažetak i Ključne riječi

Sažetak

LS regulacija rada crpke, odnosno, regulacija rada crpke impulsom tlaka ima za zadatak

prilagođavanje tlaka i protoka crpke trenutnim zahtjevima izvršnih elemenata. LS sustavi

upotrebljavaju se u mobilnoj hidraulici gdje je važno smanjiti gubitke energije.

U ovom radu prikazane su razlike između “običnih” (hidraulički sustav sa prigušnikom protoka,

hidraulički sustav sa dvogranim, hidraulički sustav sa trogranim regulatorom protoka i servo

hidraulički sustav) i LS hidrauličkih sustava. Također, prikazane su i analizirane različite vrste LS

sustava. Pomoću simulacija uspoređeni su “obični” i LS sustavi.

Ključne riječi

Hidraulički sustavi; Upravljanje impulsom tlaka (LS); Modeliranje hidrauličkih sustava

Summary and Key words

Summary

The object of a load sensing system is to produce flow and pressure only upon demand, and only in

amounts necessary to perform the needed work functions.

LS applications are found in mobile hydraulic, where is very important to minimize power loss. In

this work are shown differences between “ordinary” (hydraulic system with variable-oriffice needle

valve, hydraulic systems with pressure compensated flow control valve and servo hydraulic system)

and LS hydraulic systems.

Also, are shown and analyzed different LS systems. With modelling and simulation “ordinary” and

LS systems are compared.

Key words

Hydraulic systems; Load Sensing; Modelling of hydraulic systems

Sadržaj

1

SADRŽAJ SADRŽAJ ................................................................................................................................................ 1

1 Uvod....................................................................................................................................................... 3

1.1 Regulacija rada crpke impulsom tlaka ............................................................................................ 3

1.2 Svrha i cilj modeliranja ................................................................................................................... 4

1.2.1 Prikaz sustava Bond grafovima................................................................................................ 5

2 Regulacija brzine izvršnih elemenata u hidrauličkim sustavima.................................................... 8

2.1 Regulacija brzine izvršnih elemenata protočnim ventilima............................................................ 8

2.1.1 Hidraulički sustavi sa prigušnikom protoka............................................................................. 8

2.1.2 Hidraulički sustavi sa dvogranim regulatorom protoka........................................................... 9

2.1.3 Hidraulički sustavi sa trogranim regulatorom protoka .......................................................... 12

2.2 CF i CP hidraulički sustavi ........................................................................................................... 14

2.2.1 CF - sustav konstantnog protoka sa crpkom konstantne dobave ........................................... 14

2.2.2 CP - sustav konstantnog tlaka ................................................................................................ 15

2.3 LS sustavi ...................................................................................................................................... 17

2.3.1 Načelo rada LS sustava .......................................................................................................... 17

2.4 Regulacija brzine izvršnih elemenata servo sustavima................................................................. 25

3 Udesive crpke u LS sustavima .......................................................................................................... 27

3.1 LS regulacija rada klipno-aksijalne crpke..................................................................................... 31

3.2 LS regulacija rada lamelaste crpke ............................................................................................... 37

4 LS izvedbe........................................................................................................................................... 40

4.1 LS sustav sa crpkom konstantnog protoka.................................................................................... 40

4.2 LS sustav sa udesivom crpkom..................................................................................................... 42

4.3 LS upravljanje klipno-aksijalnom crpkom sa PC kompenzatorom .............................................. 45

4.4 LS sustav sa više izvršnih elemenata ............................................................................................ 48

5 Usporedba LS sustava sa otvorenim hidrauličkim krugom i CP sustavom................................. 51

5.1 Karakteristike LS sustava, otvorenog hidrauličkog sustava i CP sustava.................................... 51

5.2 Modeli hidrauličkih sustava za regulaciju brzine izvršnih elemenata .......................................... 54

6 Zaključak ............................................................................................................................................ 62

7 Literatura............................................................................................................................................ 63

Prilog

Popis važnijih oznaka

2

Popis važnijih oznaka

0A -poprečna površina prigušnog ventila [ 2m ]

1 2,A A -poprečne površine klipa dvogranog regulatora protoka [ 2m ]

0F -sila opruge [ # ]

1 2,F F -sile koje djeluju na čeone površine klipa dvogranog regulatora protoka [ # ]

'1F -ukupna sila koja djeluje na donju čeonu površinu klipa dvogranog regulatora protoka [ # ]

1p -tlak između prigušnog i klipnog dijela kod dvogranog regulatora protoka sa prednjim tlakom [ bar ]

2p -tlak između prigušnog i klipnog dijela kod dvogranog regulatora protoka sa stražnjim tlakom [ bar ]

lp -tlak iza proporcionalnog 5/3 razvodnog ventila [ bar ]

maxp -maksimalni radni tlak crpke [ bar ]

Pp -radni tlak crpke [ bar ]

Rp -radni tlak izvršnog elementa [ bar ]

pp -tlak ispred proporcionalnog 5/3 razvodnog ventila [ bar ]

p∆ -pad tlak na prigušnom ventilu [ bar ]

gP -gubitak energije u hidrauličkom sustavu [ kW ]

MP -snaga hidrauličkog motora [ kW ]

PP -energija koju daje crpka [ kW ]

RP -energija upotrebljena za pogon izvršnog elementa [ kW ]

PQ -protok crpke [ 3 /m s ]

RQ -protok prema izvršnom elementu [ 3 /m s ]

VQ -protok preko ventila za ograničenje tlaka [ 3 /m s ]

ρ -gustoća ulja [ 3/kg m ]

Uvod

3

1 Uvod

U uvodnom dijelu biti će prikazane vrste regulacije rada crpke u ovisnosti o regulaciji brzine

gibanja izvršnih elemenata, s naglaskom na regulaciji protočnim ventilima i regulaciji impulsom tlaka.

Također će biti riječi o svrsi i cilju modeliranja hidrauličkog sustava te modeliranju upotrebom Bond

graf tehnike.

1.1 Regulacija rada crpke impulsom tlaka

Postoje dva načina pomoću kojih je moguća regulacija brzine aktuatora: upotrebom udesive crpke

(crpka promjenjivog protoka) i upotrebom protočnih ventila, regulacija protočnim ventilima detaljno je

opisana u poglavlju 2.1.

Regulacija rada crpke impulsom tlaka (u ovom diplomskom radu eng. Load Sensing1, skraćeno LS) ima

za zadatak prilagođavati tlak i protok crpke trenutnom režimu rada. Gibanje mnogobrojnih radnih

elemenata (aktuatora) u mobilnoj hidraulici (upravljačka kontrola vozila, kontrola dizalica i robota,

kontrola gibajućih dijelova mobilne hidraulike, slika 1.1 [1, 2, 3] i zrakoplova, itd.) obično se ostvaruje

regulacijom protoka crpke u hidrauličkom sustavu. Regulacija rada crpke impulsom tlaka opisana je u

poglavlju 2.3.

Slika 1.1- Karakteristični LS hidraulički uređaji (mobilna hidraulika) [1, 2, 3]

1 U prilogu su dani odgovarajući enegleski termini i kratice

Uvod

4

Udesiva crpka može biti upotrebljena za promjenu protoka bez upotrebe prigušnog ventila. To se

postiže promjenom kuta nagibne ploče crpke ili promjenom ulazne brzine elektromotora, konstrukcija i

način rada udesive klipno-aksijalne crpke i udesive krilne (lamelaste) crpke opisani su u poglavlju 3.

Ovaj način regulacije protoka vrlo je efikasan jer su izbjegnuti gubici energije na prigušnom ventilu.

Upravljenje nagibnom pločom može biti dosta složeno i povećava cijenu hidrauličkog sustava. Dodatna

mogućnost sastoji se u regulaciji brzine izvršnih elemenata protočnim ventilima. Tada se dobiva pad

tlaka na protočnom ventilu koji uzrokuje značajne energetske gubitke ali se može iskoristiti kao

upravljački signal koji se može dovesti na upravljački ventil crpke i smanjiti energetske gubitke

hidrauličkog sustava, ovaj način regulacije rada crpke detaljno je opisan u poglavlju 3.1 i 3.2.

Mnoge udesive crpke koje se upotrebljavaju u LS sustavima imaju takvo upravljanje koje će smanjiti

protok kad god razlika između dva tlaka koji se kao signal koriste na upravljačkom mehanizmu crpke,

dostigne trenutnu vrijednost tlaka. Suprotno, crpka će povećati protok kad god je razlika između dva

tlaka manja nego trenutna vrijednost. Protok crpke dostiže svoju maksimalnu vrijednost kada je iznos

tlakova jednak. Regulacija protoka crpke impulsom tlaka često se nalazi u hidrauličkim sustavima koji

imaju više izvršnih elemenata. Ovakav sustav mora ispuniti slijedeće uvjete: 1. crpka mora osigurati

dovoljan protok prema upravljačkim ventilima zbog osiguranja “napajanja” crpke konstantnim tlakom

i 2. upravljački ventili moraju biti proporcionalnog tipa.

U prošlom desetljeću, LS sustavi nailaze na sve više primjene u cestovnim vozilima i mobilnoj

hidraulici (bageri, viljuškari, dizalice, itd.). Jedna od mnogih prednosti LS načina regulacije upravo je

velika štednja energije.

1.2 Svrha i cilj modeliranja

Prije bilo kakve stvarne realizacije, ne samo LS sustava nego bilo kojeg hidrauličkog sustava,

potrebno je napraviti model korištenjem jednog od danas mnogobrojnih programskih paketa kao što je:

AMESim, ITI-SIM, Automation Studio, itd. Model je potreban da bi mogli predvidjeti ponašanje

stvarnog sustava ukoliko je to u potpunosti moguće točno predvidjeti. Glavni problem prilikom

modeliranja sustava je na neki način vjerodostojno stvarnom ponašanju sustava, modelirati opterećenje,

zajedničko djelovanje (primjer: dva cilindra podižu rampu), nadalje, modelirati stvarni fluid (uzeti u

obzir termičke utjecaje, gustoća, viskoznost, itd.) modelirati curenje crpke, parametre hidrauličkog

razvodnika i niz drugih parametara koji opisuju sustav. Dobar model nebi trebao biti niti previše

jednostavan niti vrlo složen. U prvom slučaju imamo manjak parametara neće davati točnu sliku o

Uvod

5

stvarnom ponašanju modela, a u drugom slučaju model ima previše parametara čija se vrijednost teško

može točno odrediti. Dakle, u oba slučaja se dobije loša generalizacija problema.

1.2.1 Prikaz sustava Bond grafovima

Svi programski paketi za modeliranje hidrauličkih sustava zasnivaju se na Bond graf metodi.

Bond graf elementi opisuju jednostavne energetske strukture nekog sustava. Kombinacijama tih

osnovnih elemenata moguće je opisati vrlo složene sustave. Svojim je razvojem Bond graf tehnika

našla primjenu u modeliranju u hidraulici, mehatronici, termodinamici, a od nedavno u elektronici kao i

u drugim ne tehničkim sustavima. Na ovaj način, fizički sustav se može prikazati simbolima i linijama.

Karakteristika Bond grafova je strukturni prikaz sustava i vidljivi tokovi snage (energije). Osnovni

element Bond grafa sadrži polustrelicu koja pokazuje prema tipu elementa, slika 1.2. Postoji R

(električni otpor, hidraulički otpor, mehanička prigušenja), C (kapaciteti, opruge, rezervoari) i I

(induktivitet, elementi s inercijom) tip elementa.

Slika 1.2- Element Bond grafa

Iznad strelice je veličina koja označava napor (eng. Effort, e) (napon, sila, zakretni moment), a ispod

strelice je veličina koja označava tok (eng. Flow, f), (el.energija, brzina, protok, kutna brzina). Odnos

napora i toka određen je tipom elementa, tip elementa određuje ponašanje sustava. Veze među

elementima određuju međudjelovanje, a umnožak veličine iznad i ispod strelice Bond grafa daje snagu.

Primjer na slici 1.3, model jednostavnog vibracijskog sustava sa jednim stupnjem slobode.

(a) (b)

Slika 1.3-(a) Sustav vibracijskog sustava i odgovarajući Bond graf (b) [4]

Uvod

6

Za primjer na slici 1.3 može se napisati sustav jednadžbi. Diferencijalne jednadžbe opisuju dinamiku

sustava prema pravilima stanja sustava.

U izvodu je:

P moment od dx

mdt⋅ , Q je pomak ili x, SE je F(t), M masa, K krutost opruge i R prigušenje. Prefiks D

označava derivaciju po vremenu d

dt.

Korak 1:

(1.1)

Korak 2:

1 2 3 4 0e e e e− − − = ili 3 1 2 4e e e e= − − (1.2)

Korak 3

(1.3)

Korak 4:

2 2 3

3 3

DQ f f

DP e

= =

=

(1.4)

Jednadžbe izvedene iz Bond graf modela:

(1.5) (1.6)

( )

1 1

3 3 3

2 2 2

4 4 4 4 3 4 3

/

e SE

f P M

e K Q

e R f R f f f

=

=

= ⋅

= ⋅ = ⋅ =

1 1

3 3 3

2 2 2

4 4 3 3

3 1 2 2 4 3 3

/

/

/

e SE

f P M

e K Q

e R P M

e SE K Q R P M

=

=

= ⋅

= ⋅

= − ⋅ − ⋅

2 3 3

3 1 2 2 4 3 3

/

/

DQ P M

DP SE K Q R P M

=

= − ⋅ − ⋅

/

1/

dPr m P k Q SE

dtdQ

m Pdt

= − ⋅ − ⋅ +

= ⋅

Uvod

7

Jednadžba (1.5) kada se uvrsti u (1.6) dobije se (1.7):

2

2/ ( )

d Qm r dQ dt k Q F t

dt⋅ = − ⋅ − ⋅ + (1.7)

Isti se sustav može opisati analitičkom metodom [10]:

2

2( )

d x dxm r k x F t

dt dt⋅ + ⋅ + ⋅ = (1.8)

Jednadžba (1.7) odgovara jednadžbi (1.8) koja je dobivena analitičkom metodom. Na ovaj način Bond grafovima mogu se modelirati sve fizikalne veličine koje utječu na ponašanje

sustava. Korištenjem većeg broja različitih elemenata moguće je dobiti kvalitetne dinamičke modele

vrlo složenih sustava. Bond graf modeli hidrauličkih sustava u ovome radu dobiveni su programskim

paketom AMESim, a u prilogu je dan detaljan opis elemenata i parametara modela. Mnogobrojni

programski paketi koji se koriste za modeliranje hidrauličkih sustava zasnivaju se upravo na primjeni

Bond grafova.

Regulacija brzine izvršnih elemenata u hidrauličkim sustavima

8

2 Regulacija brzine izvršnih elemenata u hidrauličkim sustavima

Kod koncepcijskog izbora hidrauličkog sustava važno je opredjeliti se na vrstu hidrauličkog

kruga. Dva osnovna problema su: regulirati brzinu izvršnih elemenata i zaštititi crpku. Rad crpke na

maksimalnom tlaku smanjuje vijek trajanja hidrauličke crpke i uzrokuje pojavu vibracija u

hidrauličkom sustavu. Kada crpka radi na maksimalnom tlaku smanjuje se trajnost hidrauličkog ulja

zbog povišenih temperatura ulja koje uzrokuju gubitak viskoznosti.

U ovome poglavlju opisani su hidraulički sustavi sa prigušnim ventilom, hidrulički sustavi sa

dvogranim i trogranim regulatorom protoka, CF i CP hidraulički sustavi, LS sustavi i servo sustavi i

područja njihove primjene.

2.1 Regulacija brzine izvršnih elemenata protočnim ventilima

2.1.1 Hidraulički sustavi sa prigušnikom protoka

Prigušni ventil je najjednostavniji element pomoću kojeg je moguće regulirati protok. Kod tog

elementa protok ovisi od pada tlaka i temperature. Na slici 2.1 je prikazana shema jednostavnog

hidrauličkog sustava kod koje je u glavnom tlačnom vodu postavljen prigušni ventil.

Slika 2.1 – Hidraulički sustav sa prigušnim ventilom [5] Hidraulički sustav na slici 2.1 sastoji se od: crpke, ventila za ograničenje tlaka, prigušnog ventila i

hidrauličkog motora. Ovisno od iznosa tlaka ispred maxp i iza Rp prigušnog ventila, dolazi do pada

tlaka max Rp p p∆ = − na prigušnom ventilu. Prigušni ventil propušta količinu ulja RQ , a višak ulja

V P RQ Q Q= − otječe preko ventila za ograničenje tlaka u spremnik. Tlak podešen na ventilu za

ograničenje tlaka vlada u dijelu hidrauličkog sustava od crpke do ulaza u prigušni ventil.

Tlak maxp ima stalan iznos bez obzira na promjenu ostalih radnih parametara hidrauličkog sustava.

Tlak Rp raste sa porastom opterećenja hidrauličkog motora.


9

Kada tlak Rp poraste do maxp , pad tlaka na prigušnom ventilu jednak je 0p∆ = , RQ jednak je nuli,

cjelokupna količina ulja PQ otječe preko ventila za ograničenje tlaka u spremnik. Što je omjer

max/p p∆ veći, a to znači što je veći pad tlaka, /R PQ Q je veći, odnosno veća je količina ulja RQ koja

protječe prema hidrauličkom motoru, što je omjer max/p p∆ manji, odnosno što je pad tlaka p∆ manji,

manja je i količina ulja RQ koja protječe prema hidrauličkom motoru, slika 2.2.

Slika 2.2- Djelovanje prigušnika protoka [5] Što je manje opterećenje veći je pad tlaka p∆ na prigušnom ventilu, a time je i količina ulja koja se

odvodi preko ventila za ograničenje tlaka manja. Porastom opterećenja smanjuje se pad tlaka p∆ na

prigušnom ventilu i raste količina ulja na ventilu za ograničenje tlaka.

Ovaj tip hidrauličkog kruga koristi se samo za grubu regulaciju protoka, kod hidrauličkih sustava sa

ovakvim ugrađenim ventilom veliki su gubici energije.

Brzina gibanja izvršnih elemenata ovisi o njihovome opterećenju.

2.1.2 Hidraulički sustavi sa dvogranim regulatorom protoka

Često se od protočnih ventila zahtjeva održavanje konstantnog protoka neovisno o promjenama

tlaka ispred ili iza ventila. To je moguće osigurati primjenom prigušnog ventila i dodatnog klipa, koji

ima zadatak kompenziranje vanjske promjene tlaka i usklađivanje sa promjenom pada tlaka unutar

ventila. Ovakva konstrukcija protočnog ventila naziva se “hidraulična vaga” ili “tlačna vaga”, njenim

radom se upravlja impulsom tlaka sa stražnje i prednje strane slika 2.3 i slika 2.4 , ovisno sa koje strane

ventila je intenzivnija promjena tlaka. Obje konstrukcije dvogranih regulatora protoka sastoje se od


10

klipnog i prigušnog ventila. Na klipnom dijelu je površina kroz koju protječe ulje promjenjive veličine i

zavisi od položaja klipa, a na prigušnom ventilu je za određenu vrijednost protoka konstantna, slika 2.3.

Slika 2.3-Dvograni regulator protoka sa stražnjim tlakom [5]

Slika 2.4-Dvograni regulator protoka sa prednjim tlakom [5]

Na ulazu u ventil ulje je pod tlakom maxp , na izlazu Rp , a između klipnog i prigušnog ventila vlada

tlak 2p . Položaj glavnog, cilindričnog klipa, definira odnos sila:

1. Kod dvogranog regulatora protoka sa stražnjim tlakom:

1 2

2 1

2

2

o

R o

oR

A A A

F F F

p A p A F

Fp p p

A

= =

= +

⋅ = ⋅ +

− = ∆ =

(2.1)


11

2. Kod dvogranog regulatora protoka sa prednjim tlakom:

1 2

2 1

max 1

max 1

o

o

o

A A A

F F F

F p A p A

Fp p p

A

= =

= +

= ⋅ − ⋅

− = ∆ =

(2.2)

Ukoliko kod bilo koje konstrukcije regulatora protoka dođe do pada ili porasta tlaka na ulazu maxp ili

na izlazu Rp , dolazi do poremećaja sila sa donje ili gornje strane klipa, stoga se on pomiče gore ili

dolje. Mijenja se i veličina protočne površine, pa se pad tlaka povećava ili smanjuje, ovisno da li je

protočna površina smanjena ili povećana.

Ulje se dovodi na ulaz dvogranog regulatora protoka sa prednjim tlakom pod tlakom maxp , koji se

prostire i do gornje čeone površine klipa. Na gornjoj površini klipa stvara se sila tlaka jednaka

2 maxF p A= ⋅ . Na prigušnom ventilu dolazi do pada tlaka p∆ , tlak na izlazu iz prigušnog ventila jednak

je 1p . Tlak 1p se prenosi na donju čeonu površinu klipa, na donju površinu klipa djeluje sila tlaka i

opruge ukupne veličine ´1 1oF F p A= + ⋅ .

Sile ´1F i 2F dovesti će klip u takav položaj koji stalno osigurava ravnotežu sila :

´1 2

1 max

max 1( )o

o

o

F F

F p A p A

A p p F

Fp

A

=

+ ⋅ = ⋅

⋅ − =

∆ =

(2.3)

Na “tlačnoj vagi” dolazi do pada tlaka ´p∆ , tlak Rp manji je od tlaka 1p . Ako tlak Rp poraste (poraslo

je opterećenje izvršnog elementa), smanjuje se protok kroz površinu “ tlačne vage “, raste tlak 1p i sila

´1F . Klip se pomiče prema gore sve dok se ponovno ne izjednače sile ´

1F i 2F . Istovremeno se

povečava slobodna površina na “tlačnoj vagi”, pa smanjenje pada tlaka ´p∆ kompenzira porast

vrijednosti tlaka Rp .

Ako se u toku rada smanji vrijednost tlaka Rp (smanjenje opterećenja aktuatora), ponovno dolazi do

poremećaja odnosa sila, jer je sada ´2 1F F> . Klip se pomiče prema dolje, smanjuje se površina protoka


12

i uspostavlja ravnotežni odnos sila. Nedostatak dvogranih ventila za regulaciju protoka je što

konstrukcijom ventila nije riješen problem odvođenja viška ulja, koji nastaje kao razlika količine koju

dobavlja crpka i koja se iz ovog ventila potiskuje prema izvršnom organu, V P RQ Q Q= − .

Slika 2.5- Karakteristike dvogranih regulatora protoka [5]

Količina ulja VQ se odvodi preko ventila za ograničenje tlaka u spremnik ulja, što znači da će sustav

stalno raditi u području najvišeg dozvoljenog tlaka maxp , a ventil za ograničenje tlaka će biti stalno

otvoren. Što je protok prema izvršnom organu veći to će biti manja količina ulja VQ koja se odvodi

preko ventila za ograničenje tlaka, a time i manji energetski gubici, slika 2.5.

Kod dvogranih regulatora protoka brzine izvršnih elemenata neće ovisiti o opterećenju. Dvograni

regulator protoka mora biti postavljen u kombinaciji sa ventilom za ograničenjem tlaka. Kod

hidrauličkih sustava sa ugrađenim dvogranim regulatorom protoka javlja se problem preopterećenja

hidrauličke crpke.

2.1.3 Hidraulički sustavi sa trogranim regulatorom protoka

Trograni regulatori protoka obavljaju istu funkciju u hidrauličkim sustavima kao i dvograni

regulatori protoka. Oba regulatora osiguravaju konstantan protok bez obzira na veličinu tlaka ispred ili

iza ventila. Razlikuju se jedino po tome što se kod hidrauličkih sustava sa ugrađenim dvogranim

regulatorom protoka višak ulja VQ odvodi u spremnik preko ventila za ograničenje tlaka, a kod


13

hidrauličkih sustava sa ugrađenim trogranim regulatorom protoka višak ulja VQ se odvodi u spremnik

direktno iz regulatora, slika 2.6.

Slika 2.6- Trograni regulator protoka [5]

Kod hidrauličkog sustava sa ugrađenim dvogranim ventilom u području od crpke do regulatora protoka

vlada tlak podešen na ventilu za ograničenje tlaka, u hidrauličkom sustavu sa trogranim ventilom tlak

2p prati promjene tlaka iza ventila Rp . Razlika tlaka p∆ je znatno manja, pa je i gubitak energije

manji, slika 2.7 [5]. Pad tlaka p∆ mora biti dovoljno veliki da može pokrenuti “tlačnu vagu” i svladati

silu opruge koja je drži u početno zatvorenom položaju.

Slika 2.7-Karakteristike trogranih regulatora protoka [5] Kod trogranog regulatora protoka riješen je i problem konstantog protoka pri promjenjivoj brzini vrtnje

pogonskog stroja hidrauličke crpke, što je bitna karakteristika mobilne hidraulike gdje su pogonski

strojevi motori sa unutrašnjim izgaranjem.

Sa slike 2.7 se vidi da se višak ulja odvodi na radnome tlaku uvećanom za tlak p∆ koji se troši za rad

regulatora.


14

2.2 CF i CP hidraulički sustavi

2.2.1 CF - sustav konstantnog protoka sa crpkom konstantne dobave

CF sustav omogućuje konstantan protok pri odgovarajućoj brzini vrtnje vratila crpke dok se tlak

postavlja ovisno o opterećenju aktuatora. CFO (sustav sa razvodnim ventilom otvorenog srednjeg

položaja) sustav nalazi primjenu u mobilnoj hidraulici. U usporedbi sa ostalim sustavima, sadrži manje

složene hidrauličke elemente i relativno je neosjetljiv na nečistoće u hidrauličkom ulju. Hidrauličko

ulje koje ne otječe prema aktuatoru otječe u spremnik preko vodova unutar ventila. Pri istovremenom

radu više aktuatora tlak se postavlja prema najopterećenijem aktuatoru. Pri većem protoku crpke CFO

sustav je ekonomičniji, zato je važan pravilan odabir crpke.

Postoje dvije izvedbe CF sustava:

• Sustav sa razvodnikom otvorenog srednjeg položaja (CFO), slika 2.8 (a) [1].

• Sustav sa razvodnikom zatvorenog srednjeg položaja (CFC), slika 2.8 (b) [1].

(a) (b)

Slika 2.8- Sustav sa razvodnikom otvorenog srednjeg položaja (a) i sustav sa

razvodnikom zatvorenog srednjeg položaja (b) [1]

Slika 2.9- CFO ventil [1], A sa slike 2.8


15

Načelno se elementi hidrauličkih sustava ne projektiraju, već su to gotove hidrauličke komponente koje

proizvode mnogobrojni proizvođači hidraulike kao što su Parker [1], Rexroth [2], Vickers [3], Sauer-

Danfoss [6] i mnogi drugi. Potrebno je poznavati koncepciju hidrauličkih elemenata, proučiti princip

njihova rada te ih kvalitetno odabrati ili zasebno modelirati Bond graf sustavima. Presjek CFO ventila

prikazan je na slici 2.9. CFC sustav razlikuje se od CFO sustava u višku dodatnog hidrauličkog ulja

koje otječe prema spremniku ulja kroz odvojene premosne 2/2 razvodne ventile. Razlika tlaka ( p∆ ),

između crpke i najopterećenijeg aktuatora održava se konstantnim. Protok prema najopterećenijem

aktuatoru ne ovisi o opterećenju. Ručno upravljani CFO ventili nemaju jednoličnu vezu između

položaja ručice razvodnog ventila i brzine podizanja tereta.

#a brzinu gibanja aktuatora utječe:

• Protok crpke

• Veličina, smjer i gibanje tereta

• Istovremeni rad više aktuatora

• Hod klipa ventila

• Temperatura hidrauličkog ulja

Pri istovremenom radu više razvodnih ventila bolje su upravljačke karakteristike što omogućuje

operateru da “osjeti” težinu tereta. Radne karakteristike CFC sustava uglavnom su neovisne o tlaku

uzrokovanog opterećenjem aktuatora. CFC ima iste radne karakteristike kao LS sustav, ali i manju

iskoristivost.

CFO sustav upotrebljava se u hidrauličkim sustavima jednostavnih hidrauličkih elemenata,

hidrauličkim sustavima gdje nema istovremenog rada više aktuatora. CFO sustav uglavnom zahtjeva

hidrauličke elemente i hidrauličku instalaciju niže cijene. Potrošnja energije u CFO sustavima ovisi o

radnoj sekvenci i veličini hidrauličkog sustava.

CFO i CFC sustavi nalaze primjenu u viljuškarima, bager jaružarima, kamionima za odvoz otpada,

dizalicama i sličnim sustavima gdje se radna sekvenca povremeno ponavlja.

2.2.2 CP - sustav konstantnog tlaka

Hidraulički CP sustav omogućuje konstantan tlak, protok se postavlja ovisno o režimu rada,

opterećenju aktuatora. CP sustav kao i CF sustav nije složen hidraulički sustav, koristi jednostavne

hidrauličke elemente. Crpka je udesiva, upravljana zbog osiguranja konstantnog tlaka. Crpka mora biti

izabrana da osigura ukupni maksimalni protok pri istovremenom radu više aktuatora. CP sustav manje

je osjetljiv na pad tlaka u usporedbi sa CFO sustavom. Crpka osigurava konstantan tlak sve dok se ne


16

dostigne njen maksimalni protok. Udesiva crpka i razvodni ventil sa zatvorenim srednjim položajem

osnovna je razlika između CP i CF sustava, koji koristi crpku konstantnog protoka i razvodni ventil

otvorenog srednjeg položaja. U jednostavnome CP sustavu maksimalni tlak održava se uz pomoć

tlačnog kompenzatora (PC kompenzatora). Konstantan visoki tlak uzrokuje curenje ulja kroz klip

razvodnog ventila u priključak aktuatora kada je klip razvodnog ventila u srednjem položaju.

Kod CPU sustava hidraulički signal iz razvodnog ventila uzrokuje rasterećenje crpke, prilikom

promjene položaja razvodnog ventila crpka osigurava maksimalan tlak, slika 2.10.

Slika 2.10- Primjer CP hidrauličkog sustava za mobilnu hidrauliku [1]

Postoje izvedbe CP sustava koje rade na dvije razine tlakova:

• Niski tlak za funkcije koje zahtjevaju rad crpke na niskom tlaku

• Visoki tlak za visoko opterećene aktuatore

Porastom broja razina tlakova ujedno se povećava efikasnost sustava ali povećava broj hidrauličkih

elemenata. CP sustav posjeduje vrlo dobre radne i antikavitacijske značajke. Kombinacijom protočne

površine razvodnog klipa i razlike tlaka između crpke i tlaka uzrokovanog opterećenjem aktuatora

dobiva se željena brzina aktuatora. Porastom opterećenja manja je razlika tlaka što uzrokuje manju

brzinu aktuatora. CP sustav ima dobre upravljačke značajke.

Upotrebljava se u sustavima koji zahtjevaju veće snage, točnost upravljanja i istovremen rad više

aktuatora. CP sustavi su česti u hidrauličkim šumskim strojevima, platformama i strojevima za bušenje

kamena.


17

2.3 LS sustavi

Zadatak LS-a temelji se na prilagođavanju tlaka i protoka crpke zahtjevima potrošača odnosno

trenutnim uvjetima rada. Kao rezultat dobije se sustav malih gubitaka energije. LS sustav omogućava

vrlo precizno upravljanje traženih hidrauličkih funkcija koje bi bilo vrlo teško postići na bilo koji drugi

način bez značajne pretvorbe velike količine energije u neželjenu toplinu i vrlo štetnog zagrijavanja

hidrauličkog ulja.

Krajem 1960-ih počelo se raditi na sustavima upravljanja impulsom tlaka, LS sustavima. Do tada se

problem iskorištenja energije nastojao riješiti primjerice, kod zupčastih crpki pomoću razvodnika sa

otvorenim srednjim položajem ili kod udesivih crpki reguliranog tlaka sa zatvorenim srednjim

položajem razvodnika.

U prvom slučaju koristi se jednostavna i robusna zupčasta crpka, a za mirovanja sustava zbog

otvorenog srednjeg položaja crpka je rasterećena. U drugom primjeru za mirovanja izvršnog organa

crpka se zadržava na visokom radnom tlaku i minimalnom protoku pa se u trenutku pokretanja dobiva

brza reakcija.

Nastoje se razviti hidraulički sustavi sa velikim stupnjem iskorištenja. Standardne elektrohidrauličke

sustave karakterizira nizak stupanj iskorištenja. Crpka dobavlja ulje prema konstantnom tlaku i

konstantnom protoku. Kao rezultat imamo energetske gubitke. Postoje sustavi koji imaju veliki stupanj

iskoristivosti. Sustav sa crpkom konstantnog tlaka i LS sustav. LS sustav je najbolji, zato što ima

najmanje gubitke energije i tlak u sustavu je minimalan. Postoji više izvedbi LS sustava ali startna

točka je uvijek ista. Protok se postavlja povećanjem brzine okretaja i volumena. Prvi način je

hidraulički LS sustav, a drugi je elektrohidraulički LS sustav, postoji također i treći način, mjenjanjem i

volumena i broja okretaja.

2.3.1 �ačelo rada LS sustava

Kod sustava koji nemaju jednostavnu i ponovljivu radnu sekvencu varijacije tlaka i protoka su

značajne. Karakterističan primjer gdje su različite brzine aktuatora i promjenjiva opterećenja je

mobilna hidraulika. Dodatno, u mobilnoj hidraulici svako pregrijavanje ulja štetno utječe na sustav i

značajno utječe na potrošnju goriva.


18

Slika 2.11- Hidraulički sustavi tipa Load-Sensing [7]

LS hidraulički sustavi mogu biti sa crpkom kod koje se protok može regulirati slika 2.11 (izvedba a) i

sa crpkom konstantnog protoka (kapaciteta) slika 2.11 (izvedba b). Kod ovoga tipa hidrauličkih sustava

ugrađuju se razvodni ventili sa elektromagnetima ili hidrauličkim upravljanjem, koji se iz jednog u

drugi položaj dovode postupno, a mogu se držati i u međupoložaju. Izvedba hidrauličkog sustava koji

ima ugrađen regulator protoka prikazana je na slici 2.11 (izvedba a).

Zadatak ovog konstruktivnog rješenja je osiguravanje tlaka i količine ulja trenutno potrebne

hidrauličkom motoru. Impulsi tlaka, ispred i iza razvodnog ventila, dovode se do električnog

pretvarača. U njemu se te dvije veličine uspoređuju, a rezultat se pomoću električnog impulsa šalje

razvodnom ventilu. On se u odnosu na veličinu električnog signala pomiče i dovodi u odgovarajući

položaj, tako da se razlika tlaka ispred i iza razvodnog ventila drži približno konstantnom, na oko 15

bara.

Gubitak energije u sustavu se može izračunati prema:

( )g p l RP p p Q= − ⋅ (2.4)

gdje je: .p lp p const− ≅ ≅ 15 bar

Hidraulički sustav sa crpkom konstantne dobave prikazan je na slici 2.11 (izvedba b). U cilju smanjenja

gubitaka energije, u sustav je ugrađen ventil za ograničenje tlaka indirektnog djelovanja, a impuls tlaka


19

se dovodi na pilotni ventil od tlačnog voda iza razvodnog ventila. Takvo rješenje upravljanja

omogućuje odvođenja viška ulja u spremnik ulja pri nižem tlaku, čija veličina uvijek odgovara veličini

radnog tlaka.

Gubitak energije se računa prema:

( ) ( )g p R p R p lP Q Q p Q p p= − ⋅ + ⋅ − (2.5)

gdje je: .p lp p const− ≅ ≅ 15 bar

LS sustav prilagođava protok crpke režimu rada u iznosima potrebnim za obavljanje određenih

zahtjevanih radnih funkcija. Gubici ovakvog sustava su vrlo mali. LS sustav omogućuje vrlo preciznu

kontrolu hidrauličkih funkcija, što bi bilo vrlo teško postići bilo kojim drugim sustavom bez značajne

pretvorbe velike količine energije u toplinu. Ovakav način upravljanja rada crpkom zahtjeva prigušnik

protoka (protočni ventil) na izlaznom vodu crpke (tlačna strana crpke). Pad tlaka ( p∆ ) na prigušnom

ventilu uzrokuje pomak kuta nagibne ploče kod klipno aksijalne crpke, odnosno pomičnog prstena kod

lamelaste crpke.

Mnoge udesive crpke koje se koriste u LS sustavima imaju upravljački mehanizam koji će smanjiti

protok crpke uvijek kada razlika između dva tlaka (tlak na izlazu iz crpke i tlak sustava) prijeđe

vrijednost postavljenog pada tlaka na prigušnom ventilu. Crpka će povećati protok kada razlika između

dva tlaka (tlak na izlazu iz crpke i tlak sustava) padne ispod vrijednosti postavljene na prigušnom

ventilu. Protok crpke će biti maksimalan kada su oba tlaka jednaka, slika 3.3 u poglavlju 3.1.

Upravljački mehanizam crpke reagira samo na razliku između dva upravljačka tlaka (tlak na izlazu iz

crpke i tlak sustava), protok će biti isti bez obzira na promjene tlaka u sustavu. Protok prema izvršnim

elementima ostati će konstantan bez obzira na brzinu vrtnje pogonskog stroja. Pomoću udesive crpke

moguće je regulirati protok i održavati tlak crpke na tlaku potrebnom za pokretanje aktuatora. Potreban

je signalni vod na mjestu nižeg tlaka iza prigušnog ventila, LS vod, slika 2.12 .

LS vod iza prigušnog ventila prenosi tlak na upravljački mehanizam crpke koji podešava protok crpke i

na taj način zadržao izvjestan pad tlaka ( p∆ ) preko prigušnog ventila.


20

Slika 2.12- 5/3 razvodni ventil u LS sustavu [1]

Glavno načelo LS sustava je mogućnost sačuvanja energije. LS sustav ne “dopušta” crpki rad na

maksimalnom tlaku, umjesto toga, crpka će raditi na tlaku koji je potreban za pokretanje izvšnih

elemenata. Taj tlak jednak je zbroju tlaka uzrokovanog opterećenjem aktuatora (radni tlak izvršnog

elementa, Rp ) i pada tlaka ( p∆ ) na prigušnom ventilu.

Rp p tlak crpke+ ∆ = (2.6)

Primjer na kojemu se može ilustrirati prednost LS načina regulacije rada crpke dan je na slici 2.13,

koja pokazuje standardne postavke pomoću kojih se određuje karakteristike hidrauličkog sustava.

Sustav sa udesivom crpkom i kompenzatorom crpke postavljenim na 138 bar. Crpka ima dobavu

58 minl . Protok je smanjen na prigušnom ventilu, prema izvršnom elementu dobavlja se 30 min

l .

Tlak potreban za pokretanje izvršnog elementa iznosi 35 bar. Tlak na mjestu (1) iznosi 138 bar i

postavljen je na tlačnom kompenzatoru crpke, slika 2.13 (a).

(a) (b)

Slika 2.13- Otvoreni hidraulički sustav (a) i LS hidraulički sustav (b)

Iz dijagrama na slici 2.14 [1] za ovu crpku pri protoku od 30 minl može se očitati tlak od 138 bar.


21

Slika 2.14- Dijagram tlak-protok [1]

Tlak na mjestu (2) iza prigušnog ventila iznosi 35 bar (ovisno o opterećenju izvršnog elementa). Pad

tlaka preko prigušnog ventila iznosi :

138 35 103p bar∆ = − = (2.7)

Gubitak energije gP iznosi :

5 230 103 10ming RlP Q p # m= ⋅∆ = ⋅ ⋅

[ ]5,150gP kW= (2.8)

LS sustav sadrži iste hidrauličke elemente ali je crpka regulirana impulsom tlaka, LS regulacija, slika

2.13 (b). Ovisno o tlaku uzrokovanog opterećenjem izvršnog elementa (radni tlak aktuatora, Rp ) i

dovođenjem tog tlaka preko LS signalnog voda na upravljački mehanizam crpke koji će postaviti tlak

crpke koji održava postavljeni pad tlaka na prigušnom ventilu. Ovaj tlak uglavnom iznosi od 7 bar ili

14 bar, na nekim crpkama može se postaviti na veću ili manju vrijednost. Obično je tvornička postavka

10 bar. Iznos od 10 bar koristi se u ovom proračunu. Tlak na mjestu (2) iznosi 35 bar, tlak potreban za

pokretanje aktuatora.

Tlak na mjestu (1) jednak je zbroju tlaka potrebnog za pokretanje aktuatora, 35 bar, i pada tlaka preko

prigušnog ventila. Iznos tlaka na mjestu (1) jednak je 45 bar. Pad tlaka na prigušnom ventilu pri

protoku od 30 minl iznosi 10 bar.


22

Gubitak energije gP u ovom slučaju:

5230 10 10ming R

l #P Q pm

= ⋅∆ = ⋅ ⋅

[ ]0,5gP kW= (2.10)

U LS sustavu samo je 0.5 kW gubitaka pretvoreno u toplinu, dakle gubici energije u odnosu na

otvoreni hidraulički sustav su deset puta manji.

Druga važna prednost LS sustava je sposobnost održavanja konstantnog protoka prema izvršnom

elementu bez obzira na promjene iznosa opterećenja aktuatora. Kada se regulator protoka postavi na

protok od 30 l/min pri tlaku opterećenja od 35 bar, i ako se u toku radnog ciklusa tlak opterećanja

povisi na 69 bar, LS kontrola će postaviti tlak crpke tako da se osigura postavljeni pad tlak na

prigušnom ventilu od 10 bar. Tlak na izlazu iz crpke sada iznosi 79 bar. Održavanjem konstantog pada

tlaka preko prigušnog ventila osigurati će konstantni protok, aktuatori neće ni usporavati ni ubrzavati

uslijed promjene opterećenja.

LS sustav također održava konstantan protok prema izvršnim elementima bez obzira na promjenu

brzine vrtnje pogonskog stroja.

Značajka LS sustava je i sposobnost rasterećenja crpke (engl.”low pressure standby“), rada crpke na

niskom tlaku. Razvodni ventil 2/2 ugrađen u LS signalni vod, povezan sa spremnikom ulja omogućuje

rasterećenje crpke. LS razvodni ventili rasterećuju crpku kada se nalaze u srednjem položaju.

Četri su osnovne značajke pri izboru LS regulacije rada crpke:

• Konstantan protok kroz prigušni ventil bez obzira na iznos opterećenja izvršnog elementa

• Konstantan protok kroz prigušni ventil bez obzira na promjenu brzine vrtnje pogonskog stroja

• Jednostavno rasterećenje crpke i rad crpke na niskom tlaku

• Manje zagrijavanje ulja, odnosno manji gubitci energije u odnosu na standardne sustave

LS sustav sadrži prigušni ventil koji stvara pad tlaka potreban za upravljanje upravljačkim

mehanizmom crpke. Protok kroz prigušni ventil RQ mjenja se u ovisnosti o veličini poprečnog presjeka

prigušnog ventila 0A .

Prema [8]:

0100RQ A p= ⋅ ⋅ ∆ (2.11)

Promjenom presjeka strujanja prigušnog ventila mjenja se protok. Pad tlaka preko prigušnog ventila

obično se postavlja u rasponu od 7 bar do 14 bar. Razvodni ventil koji se upotrebljava u LS sustavima


23

rasterećuje crpku u srednjem položaju i zamjenjuje ulogu prigušnog ventila. Razvodni ventil

omogućuje priključak LS voda sa upravljačkim mehanizmom crpke.

2.3.1 Energetske značajke hidrauličkih sustava

U ovom poglavlju prikazano je iskorištenje energije kod različitih vrsta regulacije rada crpke i

približni inžinjerski proračuni energije hidrauličkog sustava.

Energija dobivena od crpke ( )PP karakterizirana je svojim protokom i tlakom sustava (2.12). Energija

upotrebljena od strane potrošača ( )RP karakterizirana je na sličan način (2.13). Razlika je izgubljena

energija ( )gP . Jedan dio nje troši se zbog lokalnih otpora dok se veći dio gubi preko ventila za

ograničenje tlaka.

P P PP Q p= ⋅ (2.12)

R R RP Q p= ⋅ (2.13)

CF sustav karakterizira konstantan protok, efikasnost sustava je mala.

(2.14)

gdje je: Pp − tlak na izlazu iz crpke [bar], Rp − radni tlak izvršnog elementa [bar],

maxQ −maksimalni protok crpke [ 3 /m s ], RQ −protok prema izvršnom elementu [ 3 /m s ],

R

P

P

Pη = − stupanj iskoristivosti

CP sustav karakterizira konstantan tlak u hidrauličkom sustavu.

( )

67%

P R P

R R R

g R P R

P Q p

P Q p

P Q p p

η

= ⋅

= ⋅

= ⋅ −

=

(2.15)

LS sustav je najefikasniji sustav. Tlak u sustavu i protok postavljaju se u ovisnosti o opterećenju

aktuatora.

( )

67%

C R P

R R R

g R

P Q p p

P Q p

P Q p

η

= ⋅ + ∆

= ⋅

= ⋅∆

>

(2.16)

max

max

38%

P P

R R R

g P R R

P Q p

P Q p

P Q p Q p

η

= ⋅

= ⋅

= ⋅ − ⋅

=


24

U tablici 2.1 su prikazani hidraulički sustavi navedenih vrsta regulacije rada crpke kod različitih uvjeta

rada. Potreban se protok, tj. brzina gibanja izvršnog elementa (aktuatora) određuje upravljačkim

elementima, pomoću prigušnog ventila ili proporcionalnog razvodnika.

Crpka konstantnog protoka

CF

Crpka sa regulacijom tlaka

CP

Crpka sa regulacijom tlaka

pomoću impulsa tlaka

LS

Opis

Niski

radni tlak i

visoki

protok.

maxp p<

maxQ Q→

Visoki

radni tlak i

niski

protok.

maxp p→

maxQ Q<

Niski

radni tlak i

niski

protok-

više

potrošača

maxip p<

maxiQ Q∑ <

Legenda: maxp - postavljeno na ventilu za ograničenje tlaka, Rp - tlak uzrokovan opterećenjem,

maxQ - maksimalan protok crpke, RT- radna točka crpke

Tablica 2.1 -Iskorištenje energije kod različitih vrsta regulacije rada crpke [5]


25

Pomoću manjeg otpora regulacijskog elementa želi se postići brže gibanje aktuatora. Minimalan tlak

koji je potrebno postići u sustavu određen je trenutnim opterećenjem aktuatora. Kod crpke konstantnog

protoka (konstrukcijom ili regulacijom) se kod tlaka nižeg od maxp gotovo sva snaga dobivena na

izlazu iz crpke iskoristi na aktuatoru (1A). Ako je opterećenje visoko, a dobiveni protok je prevelik

snaga se gubi na ventilu za ograničenje tlaka (1B).

Kod sustava sa regulacijom tlaka su u slučaju niskog opterećenja i visokog protoka gubici veliki jer se

tlak gubi na elementima za upravljanje protokom (2A). Kod obrnutog zahtjeva, visoki tlak i mali

protok, tlačna kompenzirana crpka smanjuje protok na potrebnu veličinu i tako radi u energetski

povoljnijem režimu (2B). Sustav sa LS regulacijom tlak (3A) i protok (3B) prilagođava potrebama i

tako radi u energetski povoljnijem režimu.

Kod sustava sa CF i CP regulacijom i više različitih opterećenih aktuatora ne može se postići

energetski povoljan režim (1C i 2C). To se postiže LS regulacijom (3C) kada crpka daje protok jednak

ukupnome protoku, a tlak joj je podešen na tlak najviše opterećenoga.

2.4 Regulacija brzine izvršnih elemenata servo sustavima

Upravljanje je način vođenja koje se zapravo posredno oslanja na vođenje procesa pomoću

povratne veze. Naime, pri zamišljanju vođenja nekog procesa pomoću upravljanja, povratnu vezu

zatvara čovjek. Upravljanje nema povratnu vezu, ako je čovjek u povratnoj vezi onda je to upravljanje

ovisno o volji. Regulacija ima povratnu vezu, slika 2.15 (a), servo sustav, slika 2.15 (b), posebna vrsta

regulacijskog sustava. U skladu s tim, razlikuju se regulacijski krug ili regulacijski sustav od servo

kruga ili servo sustava. Usporedno su prikazani na slici 2.15.

Slika 2.15- Definicija regulacijskog sustava i servosustava [9]

Razlikuju se prema građi, ali važnije je istaknuti da je servo sustav zapravo posebni slučaj slijednog

regulacijskog sustava. U servo sustavu izostala je upravljiva ulazna veličina kao utjecaj okoline, a

izvršna sprava mehanički je vezana uz objekt. Referentna veličina je slobodno promjenjiva i

mijenjanjem njene vrijednosti utječe se na stanje objekta. Tada objekt slijedi promjene referentne


26

veličine koja se naziva “ vodeća veličina ”. U servo sustavu vođena veličina uvijek je jedna od veličina

gibanja: pomak, brzina, ubrzanje ili sila koja je uzrok ili posljedica gibanja. Prema navedenoj definiciji

servo sustava, LS sustav bi mogli promatrati kao servo sustav zbog povratne veze i zbog toga što LS

sustav slijedi promjene referentne veličine, kod LS sustava bi to bio pad tlaka p∆ preko prigušnog

ventila odnosno 5/3 proporcionalnog razvodnog ventila. LS sustav nastoji održati konstantan pad tlaka

p∆ preko 5/3 proporcionalnog razvodnog ventila, odnosno LS sustav slijedi promjene referentne

veličine.

Servo hidraulika povezana je sa mehaničkom veličinom. Servo hidraulički ventili imaju puno bržu

reakciju i finiju regulaciju nego proporcionalni ventili. Servo razvodnici se koriste kod zatvorenih

petlji. Kod servo hidrauličkih sustava ne “štedi” se crpka nego je postavljena na najviši tlak, jer se

jedino tako može postići brza reakcija za razliku od LS sustava gdje zahtjevamo prilagođavanje protoka

i tlaka crpke uvjetima trenutnoga opterećenja.

Servo sustav bi bio jedino sustav koji ujedno koristi i servo ventile, LS sustav koristi proporcionalne

ventile koji se svrstavaju između običnih i servo ventila, u tom slučaju LS sustav bi mogli promatrati

kao proporcionalni hidraulički sustav sa povratnom vezom.

Hidrauličke LS sustave valja razmatrati kao zasebnu vrstu koja po svojim elementima i prilagodljivosti

u radu ima značajke proporcionalnog sustava, a po strukturi sa stanovišta definicija automatike ima

značajke servosustava.

Udesive crpke u LS sustavima

27

3 Udesive crpke u LS sustavima

U LS sustavima najćešće se koriste dvije vrste hidrauličkih crpki: klipna-aksijalna i lamelasta

(krilna) crpka. U ovom poglavlju opisana je konstrukcija i princip rada tih dviju crpki.

Klipno-aksijalne crpke

Klipno-aksijalne crpke i hidromotori danas su, zbog niza izvanrednih svojstava, najčešće korišteni

tip pogonskih agregata u hidrauličnim sustavima. Odlikuju se kompaktnom konstrukcijom, visokim

tlakovima, velikim protocima i pogodnim konstruktivnim mogućnostima za ugradnju uređaja za regulaciju

protoka, smjera toka ulja kod crpki i smjera rotacije kod motora.

Traže ulje visokog stupnja čistoće 10-20 mµ (najčešće klase 9 prema #AS 1638 ili 6 prema SAE

standardu). Ovisno o konstrukciji imaju radni vijek 5000-100000 sati.

Dijele se na:

1. aksijalno-klipne crpke sa nagibnom pločom - slika 3.1 (a)

2. aksijalno-klipne crpke sa nagibnom osi – slika 3.1 (b)

Obje konstrukcije su slične i sastoje se od kućišta koje rotira, u kojemu se duž rotacije postavljeni klipovi.

Uvijek ih je neparan broj, a najčešće se postavlja sedam ili devet klipova. S njima se postiže visok stupanj

ravnomjernosti potiskivanja ulja u sustav, a istovremeno je dostignuta gornja granica složenosti

konstrukcije s obzirom na zahtjeve u pogledu veličine crpke i cijene izrade.

Kod crpke sa nagibnom pločom, osi razvodne ploče, kućišta i pogonskog vratila su u jednoj liniji.

Razvodna ploča miruje; na njenoj lijevoj polovini je postavljen usisni kanal, a na desnoj, kanal preko

kojeg se vrši tlačenje ulja pod tlakom. Radni klipovi su postavljeni u cilindrima, duž osi rotacije, a

zglobno su vezani preko poluge sa nagibnom pločom. Ona je uležištena na kosoj ravnini. Ploča je

postavljena pod kutom (α ), pa se kod rotacije vodi po ravnini uležištenja. Kako su klip i ploča povezani,

klipovi će se za vrijeme rotacije kretati duž osi. Kada se klip nađe u gornjem položaju, izvučen je u krajnje

desnu stranu, a kada se nađe u donjem položaju, nalazi se u krajnje lijevoj strani. Dužina hoda klipa (s)

funkcija je veličine kuta nagibne ploče. Klip koji se nađe u krajnjem donjem položaju, kod daljnje rotacije

počinje sa izvlačenjem iz cilindra. U njegovoj klipnoj komori će se zbog toga stvarati podtlak, a kako je

ona spojena s usisnom komorom i usisnim cjevovodom, doći će do procesa punjenja komore uljem. Istu

funkciju obavljaju svi klipovi postavljeni u lijevoj polovini kućišta i povezani sa usisnom komorom. Kada

dođe u krajnji gornji položaj, klip se počinje pomicati u lijevo, pa dolazi do procesa tlačenje ulja iz


28

cilindra u tlačnu komoru. Kada se klip nađe u krajnjem donjem položaju, završava se proces tlačenja ulja

u tlačnu komoru i ponovno počinje proces usisavanja ulja.

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5

(a) (b)

Slika 3.1(a) -Aksijalno-klipna crpka sa nagibnom pločom [5] 1. upravljačka ploča; 2. rotacijski bubanj; 3. klip;

4. uležištenje; 5. nagibna ploča; 6. pogonsko vratilo (b) -Aksijalno-klipna crpka sa nagibnom osi [5]

1. upravljačka ploča; 2. rotacijski bubanj; 3. klip; 4. uležištenje; 5. pogonsko vratilo

Konstrukcija klipno-aksijalne crpke sa zakretnom osi razlikuje se od klipno-aksijalne crpke sa nagibnom

pločom po tome što se rotacijski bubanj sa upravljačkom pločom postavlja pod određenim kutem u

odnosu na os rotacije.

Kapacitet klipno-aksijalnih pumpi ovisan je od broja klipova, površine klipa, dužine njegovog hoda i broja

okretaja. Promjenom nagibnog kuta ( )α kod klipno-aksijalne crpke sa nagibnom pločom i kuta ( )β kod

klipno-aksijalne crpke sa nagibnom osi može se mijenjati dužina hoda klipa. Iz takvog zaključka slijedi,

promjenom kuta nagibne ploče ili kuta rotacijskog bubnja crpke, protok se može mijenjati od nule do

najveće vrijednosti. Ukoliko se promijeni pravac nagiba u području kutova ( )α i ( )α− , odnosno ( )β i

( )β− , usisne strane crpke postaju tlačne, a tlačne postaju usisne. Ta mogućnost je iskorištena za

konstrukciju crpki kod kojih je moguće mijenjati tok ulja, odnosno usisnu sa tlačnom i tlačnu sa usisnom

stranom.Najveća vrijednost protoka je određena i najvećom vrijednošću kuta nagiba ploče ili bubnja, a

kako su oni vezani sa klipovima zglobno, sile i otpori definiraju gornju vrijednost kuta zakretanja. Kod

crpki sa nagibnom pločom najveća vrijednost zakretnog kuta je 15α = o do 18o , a kod crpki sa nagibnom

osi najveća vrijednost zakretnog kuta je 25β = o do 35o .


29

Lamelaste (krilne) crpke

Krilne crpke spadaju u grupu konstruktivno najjednostavnijih zapreminskih crpki. Princip rada

lamelaste crpke jest mijenjanje volumena radnih komora između krilaca na rotoru koji je ekscentrično

postavljen s obzirom na kućište crpke. Usisni kanal smješten je na srpastoj razvodnoj ploči i omogućuje

popunjavanje radnih komora sve dok se njihov volumen povećava. Tlačni kanal omogućava odvođenje

radne tekućine za vrijeme smanjivanja volumena radnih komora.

Konstrukciju lamelastih crpki možemo podijeliti na :

• crpke s jednim prolazom radne tekućine

• crpke s više prolaza radne tekućine

Isto tako, postoje lamelaste crpke s vanjskim djelovanjem tekućine. Ulazni i izlazni protok tekućine

pojavljuje se duž vodova kroz kućište. Lamelaste crpke s unutrašnjim djelovanjem, slično kao i radijalne

klipne crpke napajaju volumni prostor između rotora kroz prolaznu osovinu. Kod lamelaste crpke s jednim

prolazom su u ekscentrično postavljenom rotoru izrađeni radijalni utori za krilca. Centrifugalna sila i

djelovanje tlaka potiskuju krilca među kojima se formiraju različiti volumeni. Okretanjem rotora za prvu

polovicu kruga povećavaju se ti volumeni i spajaju s usisnim vodom crpke. U drugom dijelu okreta rotora,

oni se smanjuju i povezuju preko razvodne ploče s tlačnim vodom. Ako je crpka udesiva (prilagođavanje

protoka) može se mijenjati ekscentricitet rotora prema statoru. Veličina tog ekscentriciteta mijenja se

mehaničkim ili hidrauličkim mehanizmom. Promjena volumena je proporcionalna veličini ekscenticiteta

odnosno pomaku kliznog prstena.

Karakteristike ove crpke :

• smanjeno trenje

• dobar koeficijent korisnog djelovanja

• smanjeno pulsiranje protoka

• radni tlak od 17,5 MPa

Lamelasta crpka s više prolaza radi na istom principu. Svaki usisni i tlačni dio na unutrašnjosti kućišta ima

dvostruki ekscentricitet s dva suprotna pola čija je forma slična elipsi. Izvedena su dva ulazna voda, a

suprotno njima dva tlačna voda. Poznate su također crpke s tri usisna i isto toliko tlačnih vodova. Ova

konstrukcija nema mogućnosti prilagođavanja jer se promjenom ekscentriciteta ne mjenjaju radni

volumeni. Maksimalni tlakovi su 21 MPa.


30

Udešavanje volumena dobave kod lamelaste crpke s promjenjivim volumenom omogućeno je pomicanjem

prstena statora. Ovo pomicanje mijenja veličinu ekscentriciteta, odnosno veličinu zahvaćenog volumena.

Punjenje tlačnog prostora obavlja se kroz srpasti upravljački kanal u bočnim pločama kućišta.

5 4 3 2 1

Slika 3.2 –Predupravljanja lamelasta crpka [5]

1. regulator crpke ; 2. upravljački klip ; 3. rotor ; 4. pomični prsten ; 5. manji upravljački klip

Opruga u lijevo potiskuje pomični statorski prsten. Ovaj položaj odgovara maksimalnom protočnom

volumenu. Suprotno od opruge djeluje postavni klip kojim upravlja tlak sustava. Povećanje tlaka u sustavu

pomiče klip svladavajući silu opruge, tako da se pomiče i klizni prsten statora. Pomicanjem statora prema

sredini smanjuje se i protok prema potrebama potrošača. Klizni prsten pomiče se do položaja koji

ograničuje udesivi vijak. Regulator crpke je 3/2 proporcionalni ventil (1), slika 3.2. Protok crpke poveća

upravljački klip (control piston) (2) koji je većeg promjera. Zbog opruge koja izvlači upravljački klip, u

početnom stanju crpka daje maksimalni protok. Regulator crpke (1) je zbog opruge u svome lijevom,

početnome položaju potpuno otvoren na upravljački klip. Krajnji desni položaj regulatora crpke bez

prigušenja spaja kontrolni klip sa spremnikom. Manji upravljački klip (bias piston) (5) je cijelo vrijeme

spojen na tlačni vod. Najopterećeniji dijelovi krilnih crpki su mjesta dodira vrha krilaca i statora, te svih

strana krilaca sa površinama žlijeba u rotoru i bočnim površinama statora. Najkritičnije je mjesto dodira

vrha krilca i ovalne površine statora, gdje vladaju visoka specifična opterećenja, visoki koeficijenti trenja i

intenzivni procesi abrazivnog habanja. Koeficijenti trenja od 0,12 do 0,15. Da bi se smanjila veličina

radijalne sile krilaca, na unutrašnju površinu statora, umjesto jednog, u žljeb se postavljaju po dva krilca.

Krilca se slobodno pomiču u žljebu, pa je osigurano čvrsto nalijeganje vrha svakog krilca, posebno na

površinu statora.


31

3.1 LS regulacija rada klipno-aksijalne crpke

Regulacija protoka se postiže postavljanjem prigušnog ventila na tlačnom vodu crpke (na izlaznom

vodu crpke). Pad tlaka ( p∆ ) na prigušnom ventilu koristi se kao upravljački signal koji upravlja

upravljačkim mehanizmom crpke, upravljački signal naziva se LS signal. Povećanje pada tlaka ( p∆ )

(povećanje protoka crpke) na prigušnom ventilu upravljački mehanizam crpke nastoji kompenzirati

promjenu smanjenjem protoka crpke. LS signalni vod (C) priključen je iza prigušnog ventila na mjestu

nižeg tlaka. Sila tlaka (od LS voda) koja djeluje na donju površinu upravljačkog klipa uspostavlja

ravnotežu sa silom tlaka na izlazu iz crpke koji preko voda (D) djeluje na gornju površinu upravljačkog

klipa. Na upravljački klip djeluje smanjeni tlak LS voda i sila opruge sa donje strane i veći tlak (tlak

crpke) sa gornje strane. Upravljački klip pomiče se prema dolje, rasterećuje upravljački klip crpke (servo

klip), nagibna ploča postavljena je pod kutem koji osigurava protok koji održava postavljeni pad tlaka

( p∆ ) na prigušnom ventilu, slika 3.3.

Slika 3.3- LS regulacija udesive klipno-aksijalne crpke [1]

Smanjenje pada tlaka ( p∆ ) (smanjenje protoka crpke) na prigušnom ventilu uzrokuje pomicanje

upravljačkog klipa prema gore. Povećava se protok crpke i održava postavljeni pad tlaka ( p∆ ) na

prigušnom ventilu odnosno konstantan protok. Prigušni ventil (F) služi za zaštitu tlačnog kompenzatora

crpke i prostora u kojem se nalazi opruga upravljačkog klipa od zasićenja ulja iz LS voda.


32

Za ispravan rad tlačnog kompenzatora crpke ulje iz LS voda mora ustrujavati u prostor u kojem je opruga

upravljačkog klipa. To je mala količina ulja koja struji iz sustava unutar i preko upravljačkog dijela i

natrag u spremnik preko drenažnog voda (A). Količina ulja koji prostrujava preko drenažnog voda iznosi

ne više od 1.14 minl . Upravljački mehanizam crpke “osjeti” iznos tlaka koji je potreban za pokretanje

aktuatora i postavi protok crpke na iznos koji će osiguravati tlak na izlazu iz crpke jednak zbroju tlaka

potrebnog za pokretanje aktuatora (tlak opterećenja) i padu tlaka ( p∆ ) na prigušnom ventilu. Rad crpke na

niskom tlaku ( engl.”low pressure standby“) osigurava se ugradnjom 2/2 razvodnog ventila, protoka 4-8

minl u LS signalni vod. Kada je potreban protok i tlak, ventil je u zatvorenom položaju, slika 3.4.

Slika 3.4- Rad crpke na niskom tlaku

Kod LS crpke slika 3.5 ako je prigušni ventil zatvoren, tlak na izlazu iz crpke, vod (D), se povećava. Iznos

tlaka u sustavu, LS vodu (C), smanjuje se na nulu. Upravljački klip u gornjem položaju drži opruga (10-14

bar). Tlak crpke u vodu (D) raste dok se ne savlada sila opruge upravljačkog klipa. U trenutku kada sila

tlaka na gornjoj strani upravljačkog klipa savlada silu opruge upravljačkog klipa na donjoj strani

upravljački klip se pomiče prema dolje, rasterećuje se upravljački klip crpke (servo klip). Ovo stanje

zahtjeva minimalnu potrebnu snagu pogonskog stroja. U slučaju preopterećenja, pad tlaka ( p∆ ) se

smanjuje na nulu. Tlak u LS signalnom vodu (C) i tlak u vodu (D) približno su jednaki. Sa jednakim

iznosom tlakova sa obje strane upravljačkog klipa, upravljački klip u gornjem položaju drži opruga. Dio

ulja struji kroz prigušni ventil (E) u upravljački klip crpke (servo klip). Upravljački klip crpke (servo klip)

postavlja maksimalni kut nagibne ploče, protok crpke se povećava prema maksimalnom protoku.

Povećani protok (nastoji uspostaviti postavljeni pad tlaka p∆ na prigušnom ventilu) uzrokuje povećanje

tlaka u vodovima (D) i (C).


33

Slika 3.5- LS crpka [1]

Tlak u vodovima (D) i (C) se povećava dok ne dostigne iznos tlaka postavljen na tlačnom kompenzatoru.

Tlak u vodu (D) se nastavlja povećavati sve dok sila tlaka sa gornje strane upravljačkog klipa ne savlada

silu na donjoj strani upravljačkog klipa, klip se pomiče prema dolje. Ovo pomicanje je moguće zbog

rasterećenja donje strane upravljačkog klipa preko tlačnog kompenzatora. Rasterećuje se upravljački klip

crpke (servo klip), a nagibna ploča zauzima vertikalni položaj (protok crpke jednak nuli). Još jedan način

regulacije rada klipne aksijalne crpke prikazan je na slici 3.6.

Slika 3.6- Upravljački mehanizam LS crpke [1]


34

Upravljanje nagibnom pločom nešto se razlikuje u odnosu na prethodno opisan način. Kod ovog načina

regulacije rada crpke, mali upravljački klip (bias klip) dovodi nagibnu ploču u vertikalni položaj. Preko

unutarnjih vodova mali upravljački klip (bias klip) povezan je sa izlaznim vodom crpke, tlačnom stranom

crpke. Veći, servo klip povezan je preko upravljačkih vodova sa izlazom crpke i kompenzatorom tlaka.

Servo klip pomiče nagibnu ploču do maksimalnog nagiba. Opruga u servo klipu služi za pridržanje

nagibne ploče pod nekim kutem prilikom pokretanja crpke. Ravnoteža sila između dva klipa (bias i servo)

određuje kut nagibne ploče, a time i protok crpke.

U slučaju zatvaranja prigušnog ventila, tlak u LS signalnom vodu, iza prigušnog ventila, biti će jednak

nuli. Klip tlačnog kompezatora u desnom položaju drži opruga (10 bar). Desna površina klipa povezana je

sa izlazom crpke preko upravljačkog voda kroz provrt po sredini klipa tlačnog kompenzatora. Kada se sila

tlaka na izlazu iz crpke izjednači sa sa silom u opruzi (10 bar), klip se pomiče prema lijevo, rasterećuje se

servo klip. Nagibna ploča zauzima vertikalni položaj. Crpka radi pri tlaku od 10 bar (tlak opruge), protok

je jednak nuli. Crpka je rasterećena. Ako dođe do preopterećenja, pad tlaka ( p∆ ) na prigušnom ventilu

jednak je nuli. Iznos tlaka sa obje strane klipa tlačnog kompenzatora je jednakog iznosa. Opruga tlačnog

kompenzatora drži klip u krajnjem desnom položaju. U ovom položaju izlaz crpke je povezan sa servo

klipom. Protok crpke se povećava prema maksimumu. Tlak crpke se povećava, klip tlačnog kompenzatora

zadržava desni položaj.

Kada crpka radi na maksimalnom protoku i vrlo visokom tlaku, koji može dovesti do oštečenja

hidrauličkih elemenata i osobnih ozljeda operatera, sigurnosni ventil mora biti ugrađen zbog kontrole tlaka

u sustavu.

Dodatna regulacija rada klipne aksijalne crpke prikazana je na slici 3.7.

LS vod povezan je iza prigušnog ventila. Sila tlaka uzrokovana opterećenjem i opruga upravljačkoga bias

klipa postavljaju klip u lijevi položaj. Opruga nagibne ploče drži nagibnu ploču pod nekim kutem. Kada

tlak crpke dostigne vrijednost jednaku tlaku opterećenja i klipne opruge, upravljački klip pomiče se prema

desno, ulje ustrujava u servo klip koji postavlja nagibnu ploču u vertikalan položaj.

Kada je prigušni ventil zatvoren, tlak iza prigušnog ventila jednak je nuli. Jedina sila koja drži upravljački

klip u lijevom položaju je sila opruge. Porastom tlaka sustava (tlak na izlazu iz crpke) koji djeluje na

lijevu stranu upravljačkog klipa, sila tlaka sa lijeve strane upravljačkog klipa se povećava. U trenutku

kada iznos sile savlada silu opruge upravljački klip se pomiče prema desno i dozvoljava protok ulja na

izlazu iz crpke prema servo klipu.


35

Slika 3.7- LS upravljanje klipno-aksijalnom crpkom [1]

Servo klip pomiče nagibnu ploču u vertikalan položaj. U slučaju preopterećenja tlak na izlazu iz crpke i

tlak uzrokovan opterećenjem (tlak na aktuatoru), u prostoru opruge upravljačkog klipa, jednaki su po

iznosu. Opruga drži upravljački klip u lijevom položaju sve dok iznos tlaka u LS vodu ne dostigne

vrijednost postavljenu na kompenzatoru tlaka. Postavke kompenzatora tlaka ograničavaju maksimalni tlak

crpke i uvjetuju gibanje upravljačkog klipa koji upravlja servo klipom. Servo klip dovodi nagibnu ploču u

vertikalni položaj pri maksimalnom tlaku.

Slika 3.8- LS regulacija rada klipno-aksijalne crpke [1]


36

LS signalni vod povezuje prostor u kojem se nalazi opruga upravljačkog klipa sa mjestom iza prigušnog

ventila, slika 3.8. Sa zatvorenim prigušnim ventilom, sila tlaka na izlazu iz crpke djeluje na lijevu stranu

upravljačkog klipa. Kada sila na lijevoj strani dostigne vrijednost jednaku sili opruge, upravljački klip se

pomiče u desno. Tlak u LS vodu približno je jednak nuli. Servo klip dovodi nagibnu ploču u vertikalan

položaj. U slučaju preopterećenja, tlak u LS signalnom vodu koji djeluje na desnu stranu upravljačkog

klipa i tlak na izlazu iz crpke su jednaki. Opruga upravljačkog klipa drži klip u lijevom položaju. Crpka

radi na maksimalnom protoku, pri visokom tlaku koji može uzrokovati oštećenje hidrauličkih elemenata i

osobne ozljede operatera. Sigurnosni ventil mora biti ugrađen u hidraulički krug.

Slika 3.9- LS ventil [6]

LS ventil tipa PVG 32 renomiranog svjetskog proizvođača hidrauličkih elemenata tvrtke SauerDanfoss

prikazan je na slici 3.9 [6].


37

3.2 LS regulacija rada lamelaste crpke

Dva su osnovna načina upravljanja radom lamelaste crpke. Prvi način je “istrujavanje”, (engl. “flow-

out”) ulja iz PC kompenzatora, slika 3.10 (a) [1]. LS signalni vod sa nepovratnim ventilom priključen je

sa PC kompenzatorom crpke iza prigušnog ventila na mjestu nižeg tlaka. Kada pad tlaka ( p∆ ) preko

prigušnog ventila ostaje ne promijenjen uspostavljena je ravnoteža sila na klipu PC kompenzatora. Na

lijevoj strani klipa PC kompenzatora, opruga i tlak uzrokovan opterećenjem aktuatora uspostavljaju

ravnotežu sa tlakom na izlazu iz crpke na desnoj strani PC kompenzatora. Pad tlaka ( p∆ ) upravlja PC

kompenzatorom preko LS signalnog voda. LS signal postavlja protok crpke u nastojanju održanja

konstantnog protoka preko prigušnog ventila.

(a) (b)

Slika 3.10- LS upravljanje radom krilne (lamelaste) crpke [1]

Protok kroz prigušni ventil kružnog poprečnog presjeka :

2o

pQ k d

ρ

∆= ⋅ ⋅ (3.1)

Iz jednadžbe(3.1)može se zaključiti:

• Protok ovisi o promjeru protočne površine prigušnog ventila 2od

• Pad tlaka ( p∆ ) preko prigušnog ventila održava se konstantnim uz pomoć PC kompenzatora

• Jedina varijabla koja utječe na protok kroz prigušni ventil i ovisna je o temperaturi je gustoća

hidrauličkog ulja. Gustoća se ne kontrolira pomoću LS sustava.


38

Kada je prigušni ventil zatvoren, izlazni vod crpke povezan je preko unutrašnjih vodova sa desnim krajem

klipa PC kompenzatora. Dio sustava iza prigušnog ventila ne prima ulje, tlak u tom dijelu ima maleni

iznos. Ulje iz PC kompenzatora struji preko unutrašnjeg prigušenja i izvan PC kompenzatora, preko

nepovratnog ventila u dio sustava sa nižim tlakom. Sada samo sila opruge (13 bar) i sila tlaka djeluju na

lijevi dio klipa PC kompenzatora. Iznos sila koju djeluju na lijevi dio PC kompenzatora jednak je sili

opruge na desnoj strani klipa PC kompenzatora. Tlak crpke povećava se do iznosa koji odgovara tlaku

opruge (13 bar) i padu tlaka ( p∆ ) preko ne povratnog ventila. Kada tlak crpke dostigne vrijednost tlaka

opruge (13 bar) klip PC kompenzatora pomaknuti će se prema lijevo. Crpka se rasterećuje, protok crpke

jednak je nuli pri tlaku od nekoliko bar (tlak opruge PC kompenzatora). Ovo stanje zahtjeva minimalni

iznos snage pogonskog stroja crpke.

Ako dođe do preopterećenja, tlak u LS signalnom vodu raste. Sila tlaka LS signalnog voda i sila opruge

pomiču klip PC kompenzatora u desno, crpka povećava protok prema maksimumu. Tlak u sustavu

povećava se sve dok se ne dostigne maksimalni tlak postavljen na PC kompenzatoru (ventilu za

ograničenje tlaka) u tom trenutku protok se smanjuje na nulu.

Tlak u sustavu i tlak u PC kompenzatoru približno su jednaki, opruga ne povratnog ventila zatvara ne

povratni ventil, koji je potreban zbog zaštite zasićenja uljem PC kompenzatora. Bez nepovratnog ventila

došlo bi do zasićenja uljem, a time i smetnji u upravljanju crpkom.

Regulacija rada lamelaste crpke sa PC kompenzatorom kod kojeg ulje ustrujava, (engl. “flow-in”),

prikazana je na slici 3.10 (b) [1]. Ovdje može doći do zasićenja upravljačkog mehanizma crpke sa viškom

hidrauličkog ulja, a time i do smetnji prilikom rada. Da bi se to spriječilo, ugrađuje se prigušni ventil u LS

signalnom vodu koji zamjenjuje nepovratni ventil.

U slučaju zatvaranja prigušnog ventila, protok iza prigušnog ventila jednak je nuli, dok tlak ima nizak

iznos. Nema protoka upravljačkog ulja prema PC kompenzatoru. Klip PC kompenzatora u desnom

položaju drži sila opruge (13 bar). Tlak na izlazu iz crpke preko unutarnjih vodova PC kompenzatora

djeluje na desnu stranu klipa PC kompenzatora. Kada tlak crpke dostigne vrijednost opruge, klip se

pomiče u lijevo, crpka smanjuje protok na nulu. Minimalni iznos snage je potreban za pogonski stroj

crpke.

U slučaju preopterećenja tlak u LS signalnom vodu i tlak koji djeluje na desnu stranu PC kompenzatora

jednaki su. Opruga drži klip PC kompenzatora u krajnjem desnom položaju. Tlak raste dok se ne dostigne

vrijednost tlaka postavljena na PC kompenzatoru.


39

U tom trenutku sila tlaka na desnoj strani klipa PC kompenzatora raste preko iznosa sile tlaka i sile opruge

na lijevoj strani klipa PC kompenzatora, klip se pomiče u lijevo. Crpka se rasterećuje, protok je jednak

nuli. Kada upravljački mehanizam crpke ime ugrađen ventil za ograničenje tlaka u sklopu PC

kompenzatora, crpka će smanjiti protok na nulu kada se dostigne vrijednost tlaka postavljena na ventilu za

ograničenje tlaka. Bez ventila za ograničenje tlaka u sklopu PC kompenzatora crpka će raditi na

maksimalnom tlaku koji je postavljen na sigurnosnom ventilu.

LS izvedbe

40

4 LS izvedbe

4.1 LS sustav sa crpkom konstantnog protoka

Na slici 4.1 prikazana je shema hidrauličkog sustava sa LS regulacijom, kod kojega je ugrađena

crpka (1) konstantnog protoka. U sustav je ugrađen i proporcionalni 5/3 razvodni ventil (2), koji se može

dovesti u bilo koji položaj između nultog, prikazanog na shemi, i krajnjeg lijevog ili desnog položaja. Od

položaja klipa proporcionalnog 5/3 razvodnog ventila (2) ovisi vrijednost razlike tlaka ispred i iza njega.

U sustavu se nalazi i 2/2 proporcionalni razvodni ventil (3) koji rasterećuje crpku ovisno o opterećenju

cilindra. Klip proporcionalnog 2/2 razvodnog ventila može se dovesti u bilo koji položaj. Upravljanje

položajem 2/2 proporcionalnog razvodnog ventila vrši se impulsima tlaka, koji se u 2/2 proporcionalni

razvodni ventil dovode od tlačnog voda ispred i iza razvodnog ventila (2).

Slika 4.1- LS sustav sa crpkom konstantnog protoka [5]

Klip razvodnog ventila (3) dovodi se u zatvoren položaj silom opruge, u trenutku kada u vodu ispred

razvodnog ventila (2) ne djeluje tlak. Uobičajene vrijednosti sile opruge odgovaraju tlaku od 12-25 bar sa

suprotne strane. Na slici 4.2 (a) prikazan je LS sustav sa proporcionalnim razvodnim ventilima u

međupoložajima. Ako je razvodni ventil (2) u prikazanom zatvorenom položaju, gornji upravljački

cilindar je rasterećen, pa se razvodni ventil (3) dovodi u otvoreni položaj, crpka radi na minimalnom tlaku,

tlaku koji jedan tlaku opruge proporcionalnog 2/2 razvodnog ventila, u sustavu se brzo postiže visoki tlak.

Sada se cjelokupna količina ulja odvodi preko 2/2 proporcionalnog razvodnog ventila u spremnik ulja,

hidraulički sustav se rasterećuje, slika 4.2 (b). Ako se razvodni ventil (2) dovede u bilo koji položaj, kroz

njega protječe ulje prema potrošaču, ovisno o veličini u razvodniku i veličini suprostavljajućeg otpora

kretanja klipa hidrauličkog cilindra.

1

2

3

4

LS izvedbe

41

(a) (b)

Slika 4.2- LS upravljanje crpkom konstantnog protoka -1 [5]

Na upravljačkim vodovima ispred i iza razvodnog ventila (2) dolazi do razlike tlaka, pa se klip razvodnog

ventila (3) pomiče u položaj proporcionalan međusobnom odnosu ovih sila i sile opruge. Dio ulja otječe

prema cilindru, a višak ulja otječe preko proporcionalnog 2/2 razvodnog ventila u spremnik. Količina ulja

koja se potiskuje prema cilindru ovisna je o položaju klipa razvodnog ventila (2), tlak u sustavu malo je

veći od opterećenja, slika 4.3(a).

(a) (b)

Slika 4.3- LS upravljanje crpkom konstantnog protoka -2 [5]

Kod preopterećenja ili zaustavljanja, svo ulje otječe preko ventila za ograničenje tlaka (4). Sustavi sa LS

regulacijom i crpkom konstantnog protoka nemaju visoki stupanj iskorištenja uložene snage, jer crpka radi

u području definiranog tlaka sa konstantnim protokom, slika 4.3 (b).

LS izvedbe

42

4.2 LS sustav sa udesivom crpkom

Ako se za razliku od LS sustava sa crpkom konstantnog protoka u LS hidraulički sustav ugradi crpka

(5) sa regulatorom protoka, slika 4.4, u upravljačkom dijelu će se postaviti dvopoložajni razvodni ventil

(6), preko kojega će se upravljati položajem regulatora crpke. Ako je 5/3 proporcionalni razvodni ventil

(4) u prikazanom zatvorenom položaju, tlak ulja iz tlačnog voda crpke pomiče razvodni ventil (6) u

položaj suprotan od prikazanog, ulje pod tlakom se dovodi u klipnu stranu regulatora crpke i pomiče ga u

krajnji desni položaj, tada je protok jednak nuli. Kapacitet crpke jednak je nuli, a u tlačnom vodu od crpke

(5) do razvodnog ventila (4) vlada tlak maxp . Ako se klip razvodnog ventila (4) dovede u lijevi ili desni

radni položaj, impuls tlaka iza razvodnog ventila (4) i sila opruge pomiču klip razvodnog ventila (6) u

položaj koji odgovara izjednačavanju sile sa desne i lijeve strane. Prigušuje se protjecanje ulja prema

regulatoru crpke, pa on, ovisno u stupnju prigušenja, zauzima odgovarajući položaj.

Slika 4.4- Sustav sa crpkom promjenljivog protoka [5] Sustav se sastoji od proporcionalnog 5/3 razvodnog ventila, hidrauličkog cilindra, LS kompenzatora,

ventila za ograničenje tlaka i udesive klipno-aksijalne crpke. Zaštita od propterećenja je ventil za

ograničenje tlaka u kompenzatoru crpke.

Ventil za ograničenje tlaka manji jer kroz njega ne ide cijeli protok crpke, slika 4.4, (klipno aksijalna

crpka sa nagibnom pločom i ugrađenim LS regulatorom).

Na slici 4.5 prikazan je proporcionalni 5/3 razvodni ventil, koji spada u grupu prigušnih ventila, sa

međupoložajima, kao i LS kompenzator sa međupoložajem.

4

2 5

6

LS izvedbe

43

Slika 4.5- LS upravljanje klipno-aksijalnom crpkom-1 [5]

Puštanjem sustava u pogon, hidraulički cilindar se ne pokreće, proporcionalni 5/3 razvodni ventil nalazi se

u srednjem položaju. Na hidrauličkom cilindru vlada tlak ovisan o opterećenju i nema utjecaja na tlak koji

vlada u sustavu. Proporconalni 5/3 razvodni ventil u srednjem je položaju, sa lijeve strane LS

kompenzatora je nizak tlak (odgovara tlaku opruge LS kompenzatora). Sa desne strane LS kompenzatora

je tlak sustava. U sustavu se brzo podiže tlak, slika 4.6 (a).

Kada tlak sa desne strane LS kompenzatora savlada silu opruge koja djeluje sa lijeve strane LS

kompenzatora, LS kompenzator se prebacuje u krajnji desni položaj, dolazi do rasterećenja crpke koja

smanjuje protok na minimum. Crpka je rastererećena kada je proporcionalni 5/3 razvodni ventil u

srednjem položaju, slika 4.6 (b). Prebacivanjem proporcionalnog razvodnog ventila u lijevi položaj

pokreće se radni hod hidrauličkog cilindra. Sa desne strane LS kompenzator opterećen je tlakom na crpki,

a sa lijeve strane tlakom na cilindru i oprugom. LS kompenzator djeluje kao tlačna vaga.

Crpka udešava protok prema prigušenju na proporcionalnom 5/3 razvodnom ventilu, odnosno LS sustav

održava konstantan pad tlaka p∆ na prigušnom ventilu, a time i protok kroz proporcionalni 5/3 razvodni

ventil bez obzira na promjene opterećenja hidrauličkog cilindra ili promjena u brzini vrtnje pogonskog

stroja hidrauličke crpke. Hidraulički cilindar neće ni ubrzavati ni usporavati. Tlak je viši od opterećenja

zbog opruge LS kompenzatora, slika 4.6 (c).

LS izvedbe

44

(a) (b)

(c) (d)

Slika 4.6- LS upravljanje klipno-aksijalnom crpkom -2 [5]

U slučaju preopterećenja hidrauličkog cilindra ili kada je hidraulički cilindar u krajnjem položaju, otvara

se ventil za ograničenje tlaka u kompenzatoru crpke. Preko ventila za ograničenje tlaka ostvaruje se protok

kroz signalni vod, sa desne strane LS kompenzatora vladati će veći tlak. Kompenzator se prebacuje u

desni položaj. Tlak u crpki će biti maksimalan, a protok minimalan, slika 4.6 (d).

LS izvedbe

45

4.3 LS upravljanje klipno-aksijalnom crpkom sa PC kompenzatorom

Sustav se sastoji od proporcionalnog 5/3 razvodnog ventila, hidrauličkog cilindra, LS kompenzatora,

PC kompenzatora i udesive klipno aksijalne crpke, slika 4.7 (a) (klipno aksijalna crpka sa nagibnom

pločom i ugrađenim LS regulatorom).

(a) (b)


Na slici 4.7 (b) prikazan je proporcionalni 5/3 razvodni ventil sa međupoložajima kao i LS i PC

kompenzator (ograničava maksimalni tlak sustava) sa pripadajućim međupoložajima.

Hidraulička shema LS regulacije klipno aksijalne crpke prikazana je na slici 4.8.

Slika 4.8 - LS upravljanje klipno-aksijalnom crpkom -2 [5]

LS izvedbe

46

Kod puštanja sustava u pogon, proporcionalni 5/3 razvodni ventil nalazi se u srednjem položaju,

hidraulički cilindar se ne pokreće. Na cilindru vlada tlak ovisan o opterećenju i ne utječe na tlak u sustavu.

Sa lijeve strane LS kompenzatora nizak je tlak jer je 5/3 proporcionalni razvodni ventil u srednjem

položaju. Sa desne strane LS kompenzatora je tlak u sustavu. U sustavu se brzo podiže tlak, slika 4.9.


LS kompenzator se prebacuje u krajnji desni položaj. Crpka se postavlja na minimalan protok i tlak, slika

4.10.


LS izvedbe

47

(a)

(c) (d)


Prebacivanjem proporcionalnog 5/3 razvodnog ventila u lijevi položaj hidraulički cilindar se giba. LS

kompenzator sa lijeve strane ima tlak na cilindru (opterećenje) i silu opruge, a sa desne strane ima tlak u

LS izvedbe

48

sustavu. U sustavu se postavlja minimalan protok da se postigne tražena brzina gibanja hidrauličkog

cilindra, slika 4.11 (a).

U slučaju preopterećenja hidrauličkog cilindra otvara se PC kompenzator jer je dostignut maksimalni tlak.

LS kompenzator je u nekom srednjem položaju, ali nema utjecaja na protok, slika 4.11 (b) [5].

Kada je hidraulički cilindar u krajnjem položaju, LS kompenzator je u nekom lijevom položaju, jer nema

protoka kroz 5/3 proporcionalni razvodni ventil. Opruga ga prebacuje u krajni lijevi položaj. Zbog PC

kompenzatora nema utjecaja na protok. PC kompenzator se otvara jer je dostignut maksimalni tlak. Protok

se smanjuje na minimum, a u sustavu vlada maksimalni tlak, slika 4.11 (c) [5].

4.4 LS sustav sa više izvršnih elemenata

Hidraulički sustav na slici 4.4 radi sa izvjesnim netočnostima, jer je protok, a to znači i pad tlaka,

kroz razvodni ventil (6) ovisan od veličine tlaka ispred i iza njega. Zato se u tlačnom vodu ispred

razvodnika (4) postavlja tlačna vaga. Osim toga, umjesto ventila za ograničavanje tlaka u sklopu

regulatora crpke može se postaviti, hidraulički upravljani ventil za ograničenje tlaka, koji će, obzirom na

konstrukciju i mjesto ugradnje, raditi sa većim stupnjem točnosti. Ove izmjene u konstrukciji LS sustava

prikazane su na shemi hidrauličkog sustava sa dva hidraulična cilindra, slika 4.1 [7]. Crpka (1) je sa

ugrađenim regulatorom (2) protoka (kapaciteta), regulacionim ventilom (3) i ventilom za ograničenje tlaka

(4). Crpka potiskuje ulje pod tlakom prema dva hidraulična cilindra (7) i (9) preko razvodnih ventila (6) i

(8). Ugrađene tlačne vage (5.1) i (5.2) kompenziraju promjenu tlaka ispred ili iza razvodnih ventila.

Regulacioni ventil (3) dovodi regulator crpke u položaj koji je ovisan od veličine tlakova u tlačnom vodu

iza crpke i upravljačkom vodu iza razvodnog ventila (6) ili (8).

Na upravljačkom vodu je ugrađen naizmjenično zaporni ventil (10), koji ima zadaću da prema

regulacijskome ventilu propusti impuls tlaka veće vrijednosti. U klipnim stranama hidrauličkih cilindara

mijenja se tlak u funkciji promjene vanjskog opterećenja. Zadatak sustava regulacije LS je definiranje

radne točke crpke u dijagramu Q-p, na mjestu koje će uvijek odgovarati trenutnim zahtjevima u pogledu

protoka i tlaka. Na slici 4.13 prikazana su četiri karakteristična uvjeta rada crpke u hidrauličnom sustavu,

koji je prikazan na slici 4.12 .

LS izvedbe

49

Slika 4.12- Shema hidrauličnog sustava sa dva hidraulična cilindra i LS regulacijom [7]

Slika 4.13- Karakteristika crpke kod različitih stanja [7] a) sustav je u neutralnom položaju b) djelomično su iskorišteni protok i tlak c) protok crpke je potpuno iskorišten d) tlak crpke je potpuno iskorišten

Kod neutralnog položaja hidrauličkog sustava slika 4.13 (a) koristi se neznatna količina snage,

proporcionalna količini i tlaku, koji su dovoljni da putem regulacionog ventila dovedu crpku u stanje

Q=0.

Ukoliko crpka treba raditi u području djelomičnog iskorištenja protoka i tlaka slika 4.13 (b), a pritom ni

zahtjevi pojedinačnih potrošača nisu isti, crpka će raditi u području protoka (kapaciteta) koji je jednak

zbroju pojedinih zahtjeva potrošača, i u području tlaka koji stvara potrošač sa višim opterećenjem. Ovaj

LS izvedbe

50

tlak treba povećati za vrijednost koja se izgubi na regulacionom ventilu. Radna točka se nalazi u presjeku

linija protoka i tlaka. Osim dva navedena slučaja, crpka može raditi u području potpunog iskorištenja

protoka slika 4.13 (c) i tlaka slika 4.13 (d). Gornja vrijednost protoka je određena konstruktivnim

karakteristikama crpke, a najviši tlak postavljen na ventilu za ograničenje tlaka.

Rad sa više aktuatora zahtjeva više razvodnih ventila, LS sustav tada ima neke dodatne dijelove.

Upravljački mehanizam crpke ima samo jedan priključak za LS signalni vod. Ako se uzima najveći tlak u

LS vodu, onda je moguće opskrbljivati protok na sve niže tlakove do granice kada crpka radi na

maksimalnom protoku. Tada se u sustav moraju ugraditi naizmjenično zaporni ventili koji određuju

najviši tlak (najviše opterećen aktuator) koji upravlja upravljačkim mehanizmom crpke.

U slučaju (a), slika 4.14, opterećenje je nepromjenjeno, tlak uzrokovan opterećenjem na aktuatoru 1 iznosi

1Lp , tlak uzrokovan opterećenjem na aktuatoru 2 je 2Lp . Kompenzator crpke reagira na veći iznos tlaka

1Lp preko “ili” logičkog ventila. Protok prema aktuatorima je 1LQ i 2LQ (a). Protok crpke SQ jednak je

zbroju protoka 1LQ i 2LQ . Povećanjem tlaka 1Lp (b), 1LQ se smanjuje (c). Zbog kompenzatora crpke,

crpka povećava protok SQ (d). SP se povećava (e) i 1LQ se povećava (e). Zbog porasta SP pad tlaka preko

drugog upravljačkog ventila raste (e), povećava se protok SQ (f).

Slika 4.15- Vremenski prikaz promjene tlaka i protoka kod LS sustava sa više izvršnih elemenata

prilikom promjene opterećenja aktuatora [11]

Usporedba LS sustava sa otvorenim hidrauličkim krugom i CP sustavom

51

5 Usporedba LS sustava sa otvorenim hidrauličkim krugom i CP

sustavom

5.1 Karakteristike LS sustava, otvorenog hidrauličkog sustava i CP sustava

Iskorištenje energije u različitim hidrauličkim krugovima može se opisati brojčanim

primjerom.Otvoreni hidraulički krug, CP i LS sustav imaju radnu sekvencu sa zahtjevanim protokom i

radnim tlakom kako je prikazano u tablici 5.1 :

Red. br. Radna sekvenca Protok (l/min) Tlak (bar)

1 Naprijed 37 138

2 Zadržavanje 0 207

3 Nazad 45.5 41

4 Prazni hod 0 Minimalan

Tablica 5.1 – Radne sekvence i odgovarajući radni protoci i tlakovi

Sva tri hidraulička sustava pogonjena su crpkom koja ima brzinu vrtnje od 1000 1min− . Crpka osigurava

protok od 56.9 / minl . Maksimalni dozvoljeni tlak iznosi 207 bar. Zbog pojednostavljena sva curenja i

ostali gubici su zanemareni.

Otvoreni hidraulički sustav

Kod otvorenog hidrauličkog sustava izvršni organ može biti hidraulični cilindar ili rotacijski motor.

Nakon transformacije hidraulične energije u mehaničku u izvršnom organu, ulje se vraća u spremnik, slika

5.1 i slika 2.1.

Slika 5.1- Otvoreni hidraulički sustav


52

CP sustav

U hidrauličkom sustavu konstantnog tlaka ( CP sustav), crpku konstantnog protoka zamijenjuje

udesiva crpka tlačno kompenzirana, 5/3 proporcionalni razvodni ventil otvorenog srednjeg položaja

zamjenjuje 5/3 proporcionalni razvodni ventil sa zatvorenim srednjim položajem, slika 5.2.

Slika 5.2- CP hidraulički sustav

LS sustav

Hidraulička shema LS sustava prikazana je na slici 4.4.

Postavke LS sustava sa slike 4.4.

1. Kompenzator crpke postavljen na 207 bar

2. Minimalan tlak kompenzatora 14 bar

3. Ostale značajke kao kod CP sustava

Pojednostavljeni proračun gubitaka snage otvorenog hidrauličkog sustava, CP sustava i LS sustava

prikazan je u tablici 5.2.


53

Hidraulički sustav Radna

sekvenca* Gubici snage [ ]GP Q p kW= ⋅

1 50.000616 69 10 4.25⋅ ⋅ = 2 50 207 10 0⋅ ⋅ = 3 50.000758 165 10 12.55⋅ ⋅ =

Proporcionalni 5/3 razvodni

ventil 4 0.000948 345 0.32⋅ =

Ukupno: 17.12 [kW] 1 50.000308 207 10 6.37⋅ ⋅ = 2 50.00094 207 10 19.45⋅ ⋅ = 3 50.000185 207 10 3.83⋅ ⋅ = 4 0 0 0⋅ =

Ukupno: 29.65 [kW]

Otvoreni hidraulički sustav

Slika 5.1

Ventil za ograničenje

tlaka

Ukupni gubici snage otvorenog hidrauličkog sustava: [ ]46.77 /kW ciklusu

1 50.000616 69 10 4.25⋅ ⋅ = 2 50 207 10 0⋅ ⋅ = 3 50.000758 165 10 12.55⋅ ⋅ = 4 50 207 10 0⋅ ⋅ =


ventil

Ukupno: 16.8 [kW] 1 50.000616 207 10 1.275⋅ ⋅ = 2 50.000616 207 10 1.275⋅ ⋅ = 3 50.000616 207 10 1.275⋅ ⋅ = 4 50.000616 207 10 1.275⋅ ⋅ =

Ukupno: 5.105 [kW]

CP sustav

Slika 5.2 Drenaža

Ukupni gubici snage CP hidrauličkog sustava:

[ ]21.905 /kW ciklusu

1 50.000616 14 10 0.862⋅ ⋅ = 2 50 207 10 0⋅ ⋅ = 3 50.000758 14 10 1.061⋅ ⋅ = 4 50 14 10 0⋅ ⋅ =


ventil

Ukupno: 1.923 [kW] 1 50.000616 152 10 0.936⋅ ⋅ = 2 50.000616 207 10 1.275⋅ ⋅ = 3 50.000616 55.21 10 0.340⋅ ⋅ = 4 50.000616 14 10 0.085⋅ ⋅ =

Ukupno: 2.636 [kW]

LS sustav

Slika 4.4 Drenaža

Ukupni gubici snage u LS hidrauličkom sustavu:

[ ]4.559 /kW ciklusu

Tablica 5.2- Pojednostavljeni proračun gubitaka snage različitih hidrauličkih sustava

* Vidi tablicu 5.1


54

5.2 Modeli hidrauličkih sustava za regulaciju brzine izvršnih elemenata

U ovom poglavlju prikazani su modeli hidrauličkih sustava koji su modelirani i simulirani u

programskom paketu AMESim-u [13]. Parametri modela dani su u prilogu kao i tehnički opis, primjena,

proračuni, itd. svakog pojedinog elementa sustava.

Dijagram radnog ciklusa (engl. duty cycle) prikazan je na slici 5.3. Radni ciklus isti je za sve modele.

Slika 5.3- Radni ciklus

Model hidrauličkog sustava sa prigušnim ventilom

Shema hidrauličkog sustava prikazana je na slici 2.1 [5]. Ovaj hidraulički sustav prilikom promjene

iznosa opterećenja izvršnog elementa ne održava konstantan protok prema izvršnom elementu, a time i

konstantnu brzinu izvršnog elementa.

Model hidrauličkog sustava sa prigušnim ventilom prikazan je na slici 5.4.

Slika 5.4- Model hidrauličkog sustava sa prigušnim ventilom u AMESim-u


55

Slika 5.5- Dijagram tlak-protok crpke

Crpka radi na maksimalnom tlaku maxp , iznos tog tlaka postavljen je na ventilu za ograničenje tlaka, slika

5.5.

Snaga crpke (slika 5.5):

P P PP Q p= ⋅

maxPp p=

52135 180 10minP

l #Pm

= ⋅ ⋅

33 522.25 10 180 10P

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]40.5PP kW= (5.1)

Slika 5.6- Dijagram tlak na ulazu u hidraulički motor-broj okretaja hidrauličkog motora


56

Na dijagramu na slici 5.6 vidi se da porastom tlaka na ulazu u hidraulički motor Rp , odnosno porastom

opterećenja hidrauličkog motora, broj okretaja hidrauličkog motora se smanjuje, a smanjenjem tlaka na

ulazu u hidraulički motor Rp , broj okretaja hidrauličkog motora raste.

Snaga hidrauličkog motora (slika 5.6):

1 1 1M R RP Q p= ⋅

1 1 1

3 3 34 4510 1 10 0.051 8.5 10min minR M Rokr m m mQ n q okr s

− −= ⋅ = ⋅ ⋅ = = ⋅

1

34 528.5 10 65 10M

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]1

5.525MP kW= (5.2)

2 2 2M R RP Q p= ⋅

2 2 2


− −= ⋅ = ⋅ ⋅ = = ⋅

2

34 526.833 10 105 10M

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]2

7.175MP kW= (5.3)


Oscilacije tlaka na ulazu u hidraulički motor Rp kod hidrauličkog sustava sa prigušnim ventilom nastaju

smanjenjem iznosa koeficijenta viskoznog trenja sa 0.2 / min#m okr na 0.1 / min#m okr i promjenom


57

protočne površine prigušnog ventila. Rezultati na dijagramu na slici 5.7 dobiveni su sa 90% otvorenim

prigušnim ventilom.

Model hidrauličkog sustava sa dvogranim regulatorom protoka

Na slici 5.8 prikazan je model hidrauličkog sustava sa dvogranim regulatorom protoka. Sheme

hidrauličkih sustava sa ugrađenim dvogranim regulatorom protoka sa stražnjim tlakom i dvogranim

regulatorom protoka sa prednjim tlakom nalaze se na slikama 2.3 [5] i 2.4 [5].

Slika 5.8- Model hidrauličkog sustava sa dvogranim regulatorom protoka u AMESim-u


Crpka radi na maksimalnom tlaku maxp koji je postavljen na ventilu za ograničenje tlaka. Protok crpke je

konstantan i iznosi 135 minPlQ = , slika 5.9.


58


P P PP Q p= ⋅

maxPp p=

52135 180 10minP

l #Pm

= ⋅ ⋅

33 522.25 10 180 10P

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]40.5PP kW= (5.4)

Sa dijagrama na slici 5.10 vidi se da broj okretaja hidrauličkog motora ostaje konstantan bez obzira na

promjenu tlaka na ulazu u hidraulički motor Rp , odnosno promjene opterećenja hidrauličkog motora.


Snaga motora (slika 5.10):

1 1 1M R RP Q p= ⋅

1 1 1


− −= ⋅ = ⋅ ⋅ = = ⋅

1

34 528.33 10 62 10M

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]1

5.164MP kW= (5.5)


59

2 2 2M R RP Q p= ⋅

2 2 2


− −= ⋅ = ⋅ ⋅ = = ⋅

2

34 528.33 10 125 10M

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]2

10.412MP kW= (5.6)

Model LS hidrauličkog sustava

LS hidraulički sustav sa crpkom konstantnog protoka prikazan je na slici 4.1 u poglavlju 4.1. Model

LS hidrauličkog sustava sa crpkom konstantnog protoka prikazan je na slici 5.11.

Slika 5.11- Model LS hidrauličkog sustava u AMESim-u

Tlak crpke Pp prati promjene tlaka na ulazu u hidraulički motor Rp , slika 5.12. Tlak crpke postavlja se na

iznos koji je jednak zbroju tlaka na ulazu u hidraulički motor i pada tlaka preko prigušnog ventila.

P Rp p p= + ∆ (5.7)



60


1 1 1P P PP Q p= ⋅

1

52135 71 10minP

l #Pm

= ⋅ ⋅

1

33 522.25 10 71 10P

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]1

15.975PP kW= (5.8)

2 2 2P P PP Q p= ⋅

2

52135 132 10minP

l #Pm

= ⋅ ⋅

2

33 522.25 10 132 10P

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]2

29.7PP kW= (5.9)


Snaga motora (slika 5.13):

1 1 1M R RP Q p= ⋅

1 1 1


− −= ⋅ = ⋅ ⋅ = = ⋅

1

34 528.66 10 65 10M

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]1

5.633MP kW= (5.10)


61

2 2 2M R RP Q p= ⋅

2 2 2


− −= ⋅ = ⋅ ⋅ = = ⋅

2

34 528.66 10 130 10M

m #P s m−= ⋅ ⋅ ⋅

[ ]2

11.258MP kW= (5.11)

Broj okretaja hidrauličkog motora ostaje konstantan bez obzira na promjenu opterećenja izvršnog

elementa, slika 5.13.

Zaključak

62

6 Zaključak

U ovome radu prikazane su razlike između “običnih” (hidraulički sustav sa prigušnikom protoka,

hidraulički sustav sa dvogranim regulatorom protoka sa prednjim i stražnjim tlakom, CF hidraulički

sustav, CP hidraulički sustav i servo sustav) i LS hidrauličkih krugova.

Opisana su područja primjene LS sustava i obrazložene su njihove prednosti. LS sustav omogućuje

konstantan protok prema izvršnom elementu, a time i konstantnu brzinu izvršnog elementa bez obzira na

promjene u iznosu opterećenja izvršnog elementa ili promjene brzine vrtnje pogonskog stroja hidrauličke

crpke. LS sustav ne “dopušta” rad crpke na maksimalnom tlaku i na taj način štiti crpku, dok manji gubici

snage uzrokuju manje zagrijavanje ulja u odnosu na “obične” hidrauličke sustave. Stoga, najveću

primjenu LS sustav nalazi u mobilnoj hidraulici gdje je važno smanjiti zagrijavanje hidrauličkog ulja,

odnosno smanjiti gubitke viskoznosti i smanjiti potrošnju goriva.

Prikazani su i analizirani LS sustav sa crpkom konstantne dobave, LS sustav sa klipno-aksijalnom

crpkom i LS sustav sa klipno-aksijalnom crpkom sa PC kompenzatorom. Pomoću simulacija u

programskom paketu AMESim [13] uspoređeni su otvoreni hidraulički krug sa prigušnikom protoka i

hidraulički krug sa dvogranim regulatorom protoka sa LS sustavom.

Daljni rad na ovome području trebalo bi usmjeriti u smjeru detaljnog modeliranja proporcionalnog

5/3 razvodnog ventila, 2 sa slike 4.1.

Literatura

63

7 Literatura [1] Parker Hannifin Corporation (1999), Mobile Hydraulic Technology, Cleveland. [2] Schmitt, A. (1981), Hidraulik Trener, G.L. Mannesmann Rexroth GmbH, Lohr am Main. [3] www.eaton.com [4] www.bondgraphs.com [5] Barlé, J. (2004), Hidraulički i pneumatički uređaji-interna skripta, FESB, Split. [6] www.sauer-danfoss.com [7] Savić, V. (1990), Uljna hidraulika 2- Konstrukcija, proračun i održavanje hidrauličkih sistema,

Dom štampe, Zenica. [8] Merritt, Herbert E. (1967), Hydraulic control systems, John Wiley & Sons, Inc. [9] Božičević, J. (1990), Temelji automatike, Školska knjiga, Zagreb. [10] Ogata K. (1998), System Dynamics, University of Minnesota, New Jersey. [11] Duqiang, Wu (2003), Modeling and experimental evaluation of load-sensing and pressure compensated hydraulic system, University of Saskatchewan. [12] Nikolić G. i Novaković J. (1996), Pneumatika i hidraulika II. dio- Hidraulika, Školske novine, Zagreb

[13] www.amesim.com

P-1

Prilog A) TERMI�I I KRATICE

Hrvatski Engleski Regulacija protoka crpke impulsom tlaka Load sensing Udesiva crpka Variable displacement pump Prigušni ventil Orifice Regulator protoka Flow control orifice Pad tlaka Pressure drop Crpka konstantnog protoka Constant flow, CF Crpka sa regulatorom tlaka Constant pressure, CP Sustav sa razvodnikom otvorenog srednjeg položaja

Constant flow, open center, CFO

Sustav sa razvodnikom zatvorenog srednjeg položaja

Constant flow, close center, CFC

Udesiva klipno-aksijalna crpka Variable volume axial piston pump Udesiva lamelasta crpka Variable volume vane pump Upravljački klip Control piston Manji upravljački klip Bias piston Kompentazor tlaka Pressure compensator

Životopis

Moje je ime Ivan Tolj, rođen sam 5. kolovoza 1982. u Splitu. Srednju strukovnu školu “Blaž Jurjev

Trogiranin” u Trogiru, upisujem 1996. godine, smjer strojarski tehničar, nakon koje 2000. godine

upisujem Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje u Splitu gdje se odlučujem za studij

strojarstva. Aktivno se služim engleskim jezikom. Tijekom studiranja dobitnik sam triju nagrada; za

aktivno praćenje nastave iz kolegija Nauka o toplini I, polaganja ispita u prvom ispitnom roku i dobivanja

visoke ocjene, koju mi je dodijelila Katedra za termotehniku za 2002/2003. školsku godinu, 6. prosinca

2003. godine sam dobio Konstruktorovu godišnju nagradu koja se dodjeljuje najboljim studentima

Sveučilišta u Splitu, te 29. travnja 2004. godine prigodom Dana fakulteta dodijeljeno mi je priznanje za

naročit uspjeh u studiju u akademskoj 2002/2003. godini.

Documents

Diplomsuuuki Rad Tolj