ÚVOD DO PROBLEMATIKY TEKUTINOVÝCH MECHANISMŮ HYDROSTATICKÉ, PNEUMATICKÉ A HYDRODYNAMICKÉ

Transkript

1 ÚVOD DO PROBLEMATIKY TEKUTINOVÝCH MECHANISMŮ HYDROSTATICKÉ, PNEUMATICKÉ A HYDRODYNAMICKÉ Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice

2 Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

3 CHARAKTERISTIKA TEKUTINOVÝCH MECHANIZMŮ Tekutinové mechanismy přenášejí pohyb a silové zatížení prostřednictvím kapalin nebo plynů. V těchto mechanismech dochází k přeměně mechanické energie motoru na tlakovou nebo pohybovou energii kapaliny nebo plynu a zpětně na mechanickou energii hnaného členu. Podle druhu pracovního media dělíme tekutinové mechanismy na hydraulické (přenášejí energii tlakem kapaliny) pneumatické (přenášejí energii tlakem vzduchu)

4 CHARAKTERISTIKA TEKUTINOVÝCH MECHANISMŮ Stále častější použití hydraulických a pneumatických mechanismů je dáno jejich výhodami, mezi něž patří: snadný rozvod kapaliny nebo plynu i na větší vzdálenosti, snadná změna směru pohybu, snadná změna rychlosti pohybu, snadné pojištění mechanismu proti přetížení, možnost automatické regulace činnosti mechanismu.

5 CHARAKTERISTIKA TEKUTINOVÝCH MECHANIZMŮ Hydraulický mechanismus využívá k přenosu energie kapalinu (nejčastěji olej), pneumatický pak plyn (především vzduch). Při stlačování obou médií platí zásada, že se v nich tlak šíří všemi směry. Zásadní rozdíl je v jejich stlačitelnosti. Plyny jsou dobře stlačitelné a akumulují přitom v sobě mnoho energie. Proto se z bezpečnostních důvodů u pneumatických systémů používají nízké tlaky plynu do 1 MPa.

6 CHARAKTERISTIKA TEKUTINOVÝCH MECHANIZMŮ Naproti tomu jsou kapaliny jen velmi málo stlačitelné. Jsou schopny přenosu i velmi velké tlakové energie, nejsou ale na rozdíl od plynů schopny tuto energii do sebe naakumulovat. Při stlačování kapalin dojde jen k velmi malému úbytku jejího původního objemu řádově jen o několik desetin procenta. U běžných hydraulických systémů se používají tlaky kapalin do 36 MPa. Hydraulické mechanismy navíc dělíme do dvou skupin na hydrostatické (vyšší tlak pomalé proudění kapaliny) a hydrodynamické (nižší tlak rychlé proudění kapaliny).

7 HYDRAULICKÉ MECHANISMY Charakteristika Podle podstaty funkce přenosu pohybu a silového zatížení rozeznáváme hydraulické mechanismy hydrostatické a hydrodynamické. Hydraulické mechanismy přenášejí pohyb a silové zatížení od motoru k pracovnímu stroji prostřednictvím kapaliny nejčastěji oleje, který současně zajišťuje mazání jednotlivých částí hydraulického mechanismu.

8 FYZIKÁLNÍ PODSTATA HYDRAULICKÝCH OBVODŮ

9 FYZIKÁLNÍ PODSTATA HYDRAULICKÝCH OBVODŮ

10 FYZIKÁLNÍ PODSTATA HYDRAULICKÝCH OBVODŮ

11 PRVKY HYDRAULICKÝCH MECHANISMŮ Každý hydraulický obvod je sestaven z hydraulických prvků, které se v různém zapojení používají u všech hydraulických mechanismů. Mezi nejdůležitější hydraulické prvky patří: čerpadlo, které dodává tlakovou kapalinu do hydraulického obvodu. Nejčastěji se používají čerpadla pístová, zubová a lamelová, pojistný přepouštěcí ventil, který přepouští přebytečné množství tlakové kapaliny zpět do nádrže a tím chrání hydraulický obvod před přetížením, rozvaděč, který řídí rozvod tlakové kapaliny v hydraulickém obvodu. Ovládání rozvaděče se provádí ručně, mechanicky (pomocí narážek a dorazů) nebo elektromagneticky (automaticky na dálku), hydromotor, který pohání pracovní stroj či zařízení. Existují hydromotory přímočaré (hydraulické válce) a rotační (zubové, lamelové).

12 PRVKY HYDRAULICKÝCH MECHANISMŮ Čerpadla (hydrogenerátory) a hydromotory jsou konstrukčně shodná zařízení. Pokud je poháníme vnějším zdrojem, pak pracují jako čerpadla, tzn. že vyrábí a dodávají tlakovou kapalinu. Pokud jim dodáváme tlakovou kapalinu, pak pracují jako hydromotory, tzn. že pohání pracovní stroje a zařízení.

13 HYDROSTATICKÉ MECHANIZMY U hydrostatických mechanismů dochází k přenosu pohybu a silového zatížení prostřednictvím tlakové energie kapaliny. Tlaková kapalina dodávaná čerpadlem působí na píst hydraulického válce, který bývá obvykle zároveň i vlastním pracovním členem, popř. je s tímto členem spojen. Hydraulický zvedák je nejznámější hydrostatický mechanismus. Ručně ovládané pístové čerpadlo dodává tlakový olej přes zpětný ventil pod pracovní píst hydraulického zvedáku. Jelikož plocha pracovního pístu je větší než plocha pístu čerpadla, je síla působící na pracovní píst několikanásobně větší než síla působící na píst čerpadla. Zvedací sílu lze ještě zvětšit vhodnou volbou rozměrů ovládací páky čerpadla.

14 SCHÉMA HYDROSTATICKÉHO MECHANISMU

15 HYDROSTATICKÉ MECHANISMY Hydrostatické mechanismy využívají k přenosu energie tlakovou energii použité kapaliny. Ta je z nádrže nasávána hydrogenerátorem, který zvýší tlak kapaliny a vytlačí ji např. pod píst hydraulického válce, jehož pístnice se pak vysune. Kapalina z prostoru nad pístem přitom vyteče zpět do nádrže. Hydrogenerátor je poháněn elektromotorem. Pojistný ventil chrání celý systém proti nadměrnému tlaku kapaliny.

16 HYDROSTATICKÉ MECHANISMY Hlavní části hydrostatického mechanismu: zdroj tlakové kapaliny (generátor), spotřebič tlakové kapaliny (motor), řídicí prvky k řízení tlaku a průtoku kapaliny a zařízení pro úpravu, shromažďování a kontrolu kapaliny. Spojením těchto částí potrubím tak, aby mechanismus vykonával určitou funkci, vzniká hydrostatický mechanismus. Značky, které umožňují jednoznačné, názorné a přehledné znázornění schémat hydrostatických mechanismů, stanovuje ČSN

17 HYDROSTATICKÉ MECHANISMY Jednotlivé prvky hydrostatických mechanismů jsou konstrukčně i výrobně náročné, a proto je třeba v největší míře využít prvků vyráběných specializovanými výrobci, kteří je vyrábějí v typizovaných řadách a zaručují udané vlastnosti. K výhodám hydrostatických mechanismů patří i snadné řízení některých parametrů obvodu. Nejdůležitější z nich jsou: řízení smyslu pohybu hydromotoru. řízení rychlosti (otáček) hydromotoru. Řízení smyslu výstupního pohybu je možné změnou smyslu toku kapaliny přestavením rozváděče, změnou smyslu toku kapaliny přestavením hydrogenerátoru s reverzací průtoku.

18 HYDRODYNAMICKÉ MECHANISMY U hydrodynamických mechanismů dochází k přenosu pohybu a silového zatížení pomocí pohybové energie kapaliny. Nejznámější hydrodynamické mechanismy jsou hydrodynamická spojka a hydrodynamický měnič.

19 HYDRODYNAMICKÁ SPOJKA Hydrodynamická spojka se používá k přenosu rotačního pohybu a točivého momentu. Skládá se ze dvou lopatkových kol, z nichž jedno (hnací) pracuje jako čerpadlo (1) a druhé (hnané) jako hydromotor (2). Vnitřní prostor spojky je uzavřen a vyplněn kapalinou. V levé části spojky, která pracuje jako odstředivé čerpadlo, proudí kapalina z vnitřní části lopatkového kola k jeho obvodu, kde dosáhne maximální rychlosti a tím i maximální pohybové energie. Jelikož vnitřní prostor spojky je uzavřen, je kapalina nucena proudit lopatkami druhého oběžného kola ve směru šipky z obvodu k jeho vnitřní části. Průchodem mezi lopatkami nutí kapalina k rotaci i druhé oběžné kolo.

20 HYDRODYNAMICKÁ SPOJKA Pokud není hnaný hřídel zatížen, jsou jeho otáčky prakticky shodné s otáčkami hnacího hřídele. Při zatížení hnaného hřídele dojde k určitému poklesu jeho otáček, který je tím větší, čím větší je přenášený točivý moment. Hydrodynamická spojka pracuje vždy s určitým skluzem. Hydrodynamická spojka umožňuje plynulý rozběh hnaného hřídele, tlumí rázy a tím chrání celé zařízení před přetížením a případným poškozením. Používá se u motorových vozidel vybavených automatickou převodovkou.

21 HYDRODYNAMICKÝ MĚNIČ Hydrodynamický měnič pracuje obdobně jako hydrodynamická spojka. Umožňuje však navíc plynulou změnu otáček hnaného hřídele pomocí třetího lopatkového kola, tzv. reaktoru, který je uložen na společném hřídeli s hnaným lopatkovým kolem a usměrňuje proudící kapalinu vstupující do lopatek hnaného kola. Tím mění její dynamický účinek, což se projevuje změnou otáček a tím i změnou převodového poměru.

22 HYDRODYNAMICKÝ MĚNIČ

23 PNEUMATICKÉ MECHANISMY Charakteristika Pneumatické mechanismy mají stejnou funkci, jako mechanismy hydraulické. I ony slouží k přenosu pohybu (energie) z jednoho místa na druhé, i ony mohou měnit druh pohybu (rotační pohyb na přímočarý nebo naopak). Na rozdíl od hydrauliky ovšem pracují s podstatně menším tlakem média, kterým je téměř výlučně vzduch. Z bezpečnostních důvodů je u pneumatiky nepřípustné použití vyšších tlaků než cca 1 MPa. Vzduch je lehce stlačitelný a při kompresi zásadním způsobem mění svůj objem. Po velkém stlačení by pak při případné havárii pneumatického systému mohlo dojít k rozsáhlé destrukci okolí. Naproti tomu je vzduch všude, a proto odpadají starosti s jeho zajištěním.

24 PNEUMATICKÉ MECHANISMY Pneumatické systémy používají jen otevřené okruhy. Vzduch se nasaje do vstupní jednotky, kde se přefiltruje a obvykle i namaže, poté se v kompresoru stlačí do vzduchové nádrže (vzdušníku). Z ní je vzduch přes různé řídicí prvky odebírám k určenému použití v koncových spotřebičích pneumatického systému a nakonec je vypuštěn do ovzduší. Pneumatické systémy se často používají v potravinářském průmyslu, a to hlavně z hygienických důvodů. Bylo-li by zde použito hydrauliky, hrozila by při případné havárii kontaminace potravin vyteklým hydraulickým olejem. Zde se taky použitý vzduch nemaže.

25 SCHÉMA PNEUMATICKÉHO SYSTÉMU (K-kompresor, V-vzdušník, RM-rotační pneumatický motor, PMpřímočarý pneumatický motor pneumatický válec)

26 PRVKY PNEUMATICKÝCH MECHANISMŮ Zdroje stlačeného vzduchu tím bývá obvykle centrální kompresorová stanice, tvořená kompresorem, vzdušníkem a vstupní jednotkou úpravy vzduchu. V ní se vzduch přefiltruje a obvykle i namaže. Mazání vzduchu není nezbytné, ale doporučuje se z důvodu zvýšení životnosti systému. Mastný vzduch totiž zajistí trvalé promazávání celé pneumatiky. Kompresory těchto stanic bývají obvykle pístové. Vzdušníky jsou zásobníky stlačeného vzduchu, které slouží k pokrytí výpadků v dodávkách vzduchu, či k odstranění kolísání jeho tlaku. Pneumatické motory jsou spotřebiče stlačeného vzduchu měnící jeho tlakovou energii na energii pohybovou.

27 DĚLENÍ PNEUMATICKÝCH MOTORU Podle druhu vykonávaného pohybu je dělíme pneumatické motory na: rotační pneumatické motory; přímočaré pneumatické motory (pneumatické válce); kyvné pneumatické motory. Podle využití energie pneumatické motory dělíme na pneumatické motory s úplnou expanzí pneumatické motory s částečnou expanzí; pneumatické motory bez expanze;

28 TYPY PNEUMATICKÝCH MOTORŮ s úplnou expanzí, s částečnou expanzí, bez expanze

29 OBJEMOVÝ PRŮTOK

30 PRÁCE U KOMPRESORU A PNEUMOTORU Přímočarý pneumatický motor je z hlediska své funkce opakem pístového kompresoru. Oběhy obou strojů jsou navzájem opačné. Níže uvedený obrázek porovnává tlakové diagramy (tzv. p V diagramy) pístového kompresoru a pneumatického válce.

31 SCHÉMA PRÁCE U KOMPRESORU A PNEUMOTORU