HYDRAULICKÁ ZAÍZENÍ STROJ

Vysoká škola báská Technická univerzita Ostrava HYDRAULICKÁ ZAÍZENÍ STROJ uební text Bohuslav Pavlok Lumír Hružík Miroslav Bova Ureno pro projekt: Název: íslo: Inovace studijních program strojních obor jako odezva na kvalitativní požadavky prmyslu CZ.04.1.03/3.2.15.3/0414 Operaní program Rozvoj lidských zdroj, Opatení 3.2 Realizace: VŠB Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostedk ESF a státního rozpotu R Ostrava 2007

Obsah 1. Úvod 1 2. Hydraulické pohony a pevody 2 2.1. Definice, skladba a rozdlení pohon a pevod 2 2.2. Pracovní mechanismy 3 2.3. Momentové charakteristiky hydraulických pohon 6 2.4. Interakce pohonu a pracovního mechanizmu 10 3. ízení pohon 17 3.1.Objemové ízení 18 3.1.1. ízení zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru 19 3.1.2. ízení zmnou geometrického objemu hydromotoru 22 3.1.3.Hydrostatický pevod 24 3.2. Ventilové ízení 27 3.2.1. Klasická ídicí technika 27 3.2.2. Proporcionální ídicí technika 43 3.2.3. Servotechnika 48 4. Vestavné ventily a jejich aplikace 56 4.1. Princip vestavného ventilu 56 4.2. ízení vestavných ventil 58 4.3. Aplikace vestavných ventil 64 5. Hydraulické pohony s akumulátory 67 5.1. Rozdlení akumulátor 67 5.2. Plynové akumulátory s pímým stykem kapaliny a plynu 67 5.3. Akumulátory s dlicí pepážkou 68 5.3.1. Pístové akumulátory 68 5.3.2. Vakové akumulátory 71 5.3.3. Membránové akumulátory 72 5.3.4. Speciální akumulátory 72 5.4. Akumulátory pružinové a závažové 73 5.5. Píslušenství hydraulických akumulátor 74 5.5.1. Bezpenostní a uzavírací blok 74 5.5.2. Montáž akumulátor, provozní a bezpenostní pedpisy 75 5.5.3. Plnicí zaízení pro plyn 75 5.6. Použití hydraulických akumulátor v obvodech 76 5.6.1. Tlumení pulsací hydrogenerátoru 76 5.6.2. Tlumení tlakových špiek v obvodu 77 5.6.3. Pokrytí nerovnomrného odbru kapaliny 77 5.6.4. Zdroj tlaku pro obvody s hydromotory ízenými rychlými ventily 78 5.6.5. Vyvození upínacího tlaku 78 5.6.6. Zdroj tlaku pro zajištní krátkodobého vysokého odbru 79 5.6.7. Vyvažování hmotné zátže 80 i

6. Vícemotorové pohony a synchronní chod hydromotor 81 6.1. Vícemotorové pohony 81 6.2. Synchronní chod hydromotor 82 7. Energeticky úsporné systémy a tepelná bilance obvodu 86 7.1. Srovnávání energetické bilance hydraulických systém podle jejich uspoádání 86 7.1.1. Hydraulický systém se škrticím ventilem 87 7.1.2. Hydraulický systém s dvoucestným regulátorem prtoku 88 7.1.3. Hydraulický systém s tícestným regulátorem prtoku 89 7.1.4. Hydraulický systém s hydrogenerátorem s regulací na konstantní tlak 91 7.1.5. Load-Sensing systém s uzaveným stedem 92 7.2. Tepelný výpoet hydraulického obvodu 94 7.2.1. Prbh teploty v obvodu 94 7.2.2. Výpoet chlazení 96 8. Pracovní kapaliny v hydraulických systémech 99 8.1. Pehled používaných pracovních kapalin 99 8.2. Minerální olej 100 8.3. Tžkozápalné kapaliny 108 8.4. Ekologicky šetrné kapaliny 111 9. Píklady aplikace hydrauliky v praxi 113 10. Závr 114 11. Literatura 115 ii

Použité veliiny a jednotky Znaka : Název : Rozmr : a zrychlení m.s -2 rychlost šíení tlakové vlny m.s -1 A pomr amplitud 1 b šíka m c výška m mrná tepelná kapacita J.kg -1.K -1 d, D prmr m e excentricita m regulaní odchylka 1 E energie J f souinitel tení 1 frekvence (kmitoet) Hz F síla N g tíhové zrychlení (9,80665 m.s -2 ) m.s -2 G svodová propustnost N -1.m 5.s -1 penos 1 h výška, zdvih, výška mezery m H zdvih m i pevod 1 I elektrický proud A J hmotnostní moment setrvanosti kg.m 2 k tuhost N.m -1 drsnost potrubí m souinitel prostupu tepla W.m -2.K -1 K objemový modul pružnosti kapaliny Pa l, L délka m m hmotnost kg M moment N.m n otáky s -1 polytropický exponent 1 iii

O obvod m p tlak Pa p tlakový spád Pa P výkon W Q objemový prtok m 3.s -1 teplo J r, R polomr m R odpor elektrický odpor hydraulický lineární N.m -5.s odpor hydraulický kvadratický N.m -8.s 2 Re Reynoldsovo íslo 1 s dráha m tlouška stny, souásti m S plocha m 2 t as s teplota T termodynamická teplota K asová konstanta s u rychlost unášivá rychlost m.s -1 akní veliina elektrické naptí V v rychlost m.s -1 poruchová veliina V objem, geometrický objem m 3 w žádaná veliina x souadnice, poloha m y souadnice, poloha m výstupní veliina z souadnice, poloha m poet prvk 1 Z zesílení 1,, úhel 1 o = rad 180 o C iv

, souinitelé (obecn) 1 p souinitel rozpustnosti 1 l délková roztažnost K -1 T souinitel objemové roztažnosti s teplotou K -1 p souinitel objemové stlaitelnosti Pa -1 tlouška mezní vrstvy m souinitel tlumení 1 pomrné prodloužení, pomrné zúžení (kontrakce) 1 úhlové zrychlení s -2 úinnost 1 dynamická viskozita Pa.s izentropický (adiabatický) exponent 1 souinitel tení ve vedení 1 souinitel tepelné vodivosti W.m -1.K -1 souinitel prtoku, výtokový souinitel 1 kinematická viskozita m 2.s -1 souinitel místního odporu (místní ztráty) 1 Ludolfovo íslo (=3,14159) hustota kg.m -3 normálové naptí Pa as s tené naptí Pa úhel otoení, fázový posuv 1 o = rad 180 regulaní parametr (V g /V g, max ) 1 rychlostní souinitel 1 tepelný tok W nerovnomrnost prtoku 1 úhlová rychlost s -1 v

vi

1. Úvod Tato uební opora vznikla jako reakce na zmnné poteby prmyslu regionu Severní Moravy a Slezska, kde probíhá intenzivní restrukturalizace prmyslu. Znaná ást tžebního a hutního prmyslu je nahrazována prmyslem strojírenským, zejména automobilovým, ale i devaským, spotebním apod. I na tyto zmny reaguje tato uební opora. Tradiní aplikace hydrauliky v hornictví, metalurgii, energetice jsou doplnny aplikacemi hydrauliky ve strojírenství, zkušebnictví, lehkém prmyslu, doprav a dokonce v divadelní technice aj. Uební opora k pedmtu Hydraulická zaízení stroj není klasické skriptum, tebaže se mu formou podobá. Na rozdíl od skript je zde textová ást zestrunna na základní minimum, zato je zde velký poet obrázk, schémat, tabulek a fotografií, pevážn barevných, což je umožnno elektronickou podobou díla. Rozsáhlá je zejména kapitola 9 Píklady aplikace hydrauliky, která v klasických skriptech tém chybí. Tuto kapitolu student nebude studovat od první do poslední stránky, nýbrž bude si z ní vybírat píklady aplikací nejen podle odkaz v textové ásti, ale i podle zamení své semestrální práce, bakaláské práce apod. Uební opora díky své elektronické podob bude primárn sloužit studentm kombinované a distanní formy studia, ale i studenti presenního studia ji jist budou využívat pro její výše vyjmenované výhody. Uební opora byla vytvoena díky podpoe Evropských strukturálních fond (ESF), konkrétn operaního programu Rozvoj lidských zdroj, název projektu Inovace studijních program strojních obor jako odezva na kvalitativní požadavky prmyslu. Jednotlivé kapitoly zpracovali: doc. Ing. Bohuslav Pavlok, CSc.: kap. 1, 2, 3, 6, 8, 9.3, 9.5, 10, Dr. Ing. Lumír Hružík: kap. 4, 5, 7, 9.4, Dr. Ing. Miroslav Bova: kap. 9.1, 9.2. 1

2. Hydraulické pohony a pevody 2.1. Definice, skladba a rozdlení pohon a pevod 2.1.1. Definice pohon a pevod Pohon a pevod jsou dv nejastjší funkce hydraulických mechanism. Pohon je mechanismus, který uvádí stroj do pohybu. Pevod je mechanismus, který slouží k transformaci parametr penášené energie. Hydraulický pohon nebo pevod využívá k penosu energie mezi vstupem a výstupem kapalinu. Kapaliny mohou být nositeli více druh energie, napíklad energie tlakové, kinetické nebo tepelné. Hydraulický pohon nebo pevod využívající pedevším kinetickou energii kapaliny se nazývá hydrodynamický pohon a hydrodynamický pevod. 2.1.2. Skladba pohonu Skladba pohonu je znázornna blokov na obr. 2.1. každý pohon však nemusí být vybaven všemi ástmi, které jsou znázornny na obr. 2.1. 2.1.3. Rozdlení pohon Obr. 2.1 Skladba pohonu Podle zpsobu ízení se pohony dlí na ovládané a regulované. Podle pohybu výstupního lenu rozlišujeme pohony s rotaním výstupem, s pímoarým výstupem (lineární pohony) a s kývavým výstupem. Podle spojení motoru s pevodovým mechanismem rozlišujeme zapojení sériové, paralelní a paralelní s vtvením výkonu (viz obr. 2.2). 2

Obr. 2.2 Zapojení motoru M a pevodového mechanizmu P a seriové, b paralelní, c paralelní s vtvením výkonu Podle uspoádání a potu motor rozlišujeme: - jednomotorový pohon, - vícemotorový pohon, kdy jeden stroj má nkolik samostatných motor, - skupinový pohon, kde jeden motor pohání více pracovních mechanism. 2.2. Pracovní mechanismy Pro úely návrhu pohonu popíšeme pracovní mechanismus (stroj, technologické zaízení) temi veliinami (obr. 2.3): M M, n M, J u rotaního pohybu, F M, v M, m u translaního pohybu. Obr. 2.3 Základní parametry pracovního mechanizmu a s rotaním pohybem, b s translaním pohybem Ekvivalentní vyjádení otáek n je úhlová rychlost : = = 2 n. (2.1) Všechny tyto veliiny mohou být obecn funkcí asu (obr. 2.4) M M = M M (t), N M = n M = n M (t), (2.2) mohou být vzájemn na sob závislé (obr. 2.5) M M = M M (n M ), J = J(n M ) (2.3) M M = M M ( M ), J = J( M ) (2.4) 3

Obr. 2.4 Prbhy zatžovacího momentu nebo zatžovací síly pracovního mechanizmu a moment pasivních odpor na kolese rýpadla za provozu, b prbh síly na hydraulickém válci lisu Obr. 2.5 Kinematické schéma mechanizmu jednoduchého rýpadla Závislost M M (n M ), tzv. momentová charakteristika pracovního mechanismu, má pro nkteré skupiny stroj typické prbhy (obr. 2.6). Charakteristiku ad a) mají zvedací zaízení, výtahy, vrátky, tžní stroje, zvedací plošiny aj. Pi zvedání se zvyšuje potenciální energie mechanismu (pivedený výkon je kladný), pi spouštní se musí výkon odebírat (brzdit), proto je záporný. Charakteristiku ad b) mají tlaky, dopravníky pro horizontální pepravu, pojezdy bagr, mobilních stroj pro pomalé rychlosti, pohony hoblovek, ventilových a šoupátkových uzávr a mnoho dalších. vyznauji se tím, že moment pasivních odpor za klidu je vtší než za pohybu. jen výjimen se odpory za klidu a pohybu rovnají. 4

Obr. 2.6 Typické prbhy momentových charakteristik pracovních mechanizm a výtahová charakteristika, b hoblovková charakteristika, c kalandrová charakteristika, d ventilátorová charakteristika, e navíjeková charakteristika Pro pohony s pímoarými hydromotory (hydraulickými válci) platí obdobné charakteristiky závislosti mezi zatžovací silou F M a rychlostí pohybu v M. Charakteristiku ad c) mají kalandry, mísicí a míchací stroje v papírenském, textilním, stavebním, chemickém nebo potravináském prmyslu, kde se míchají látky o vysoké viskozit. 5

Charakteristiku ad d) mají erpadla, ventilátory, lodní šrouby, turbokompresory, odstedivky ap. Charakteristiku ad e) mají navíjeky pás, drát ap. s konstantním tahem a konstantní navíjecí rychlostí. 2.3. Momentové charakteristiky hydraulických pohon 2.3.1. Hydraulický pohon se zdrojem prtoku Obr. 2.7 Hydromotor pipojený na zdroj konstantního prtoku Hydromotor pipojený na zdroj konstantního prtoku lze popsat vztahy: odtud: Q V.n Q V.n G. p (2.5) M z M M M Q GM Q GM 2M Q 2GM n pm M n 2 0 V V V V V V V M M M M M M M k M.M (2.6) kde Q z G M V M n 0 je prtoková ztráta hydromotoru - svodová propustnost hydromotoru - geometrický objem hydromotoru - otáky motoru bez zatížení, tzv. otáky naprázdno. Grafickým vyjádením rovnice je momentová (otáková) charakteristika, viz obr. 2.8. Obr. 2.8 Momentová M n charakteristika hydromotoru 6

Výsledná charakteristika pohonu je ovlivnna charakteristikou rozvodu. Píklad konstrukce výsledné charakteristiky pohonu s asynchronním elektromotorem, hydrogenerátorem a omezením tlaku pojistným ventilem je znázornn na obr. 2.9. Obr. 2.9 Konstrukce výsledné momentové charakteristiky pohonu 1 - charakteristika hydrogenerátoru, 2 - charakteristika hydromotoru, 3 - charakteristika asynchronního elektromotoru, 4 - charakteristika vedení a rozvodu, 5 - výsledná momentová charakteristika pohonu, 6 - omezení pojistným ventilem Píklady realizace zdroje prtoku: Na obr. 2.10a je neízený zdroj prtoku, tvoený hydrogenerátorem s konstantním geometrickým objemem a pohonným elektromotorem. Na obr. 2.10b je ízený zdroj prtoku, tvoený regulaním hydrogenerátorem a spalovacím motorem. Obr. 2.10 Zdroje prtoku a - neregulaní hydrogenerátor pohánný elektromotorem, b - regulaní hydrogenerátor pohánný spalovacím motorem 7

2.3.2. Hydraulický pohon se zdrojem tlaku Hydraulický motor podle obr. 2.11 pipojený na zdroj konst. tlaku p = konst. lze popsat vztahem M M t M z V M. p 2 M M z, (2.7) kde M z je vnitní moment pasivních odpor hydromotoru (ztrátový moment), M t - teoretický moment. Obr. 2.11 Hydromotor pipojený na zdroj konstantního tlaku Obr. 2.12 Momentová charakteristika hydromotoru pipojeného na zdroj konstantního tlaku Vnitní moment pasivních odpor má vtšinou nelineární prbh, momentová charakteristika pohonu má tvar znázornný na obr. 2.12. Píklady realizace zdroje tlaku: Obr. 2.13 Píklad zdroje tlaku 1 neregulaní hydrogenerátor, 2 pepouštcí (pojistný) ventil Obr. 2.14 Píklad zdroje tlaku 1 akumulátor, 2 hydrogenerátor s regulací na konstantní tlak Na obr. 2.13 je zdroj tlaku tvoený hydrogenerátorem, pohonným elektromotorem a pepouštcím ventilem, kterým protéká prtok Q PV = Q G Q. Na obr. 2.14 je zdroj tlaku tvoený akumulátorem. Akumulátor je pi poklesu tlaku doplován hydrogenerátorem s regulací na konstantní tlak. 8

Obr. 2.15 Píklad zdroje tlaku 1 hydraulický akumulátor, 2 neregulaní hydrogenerátor, 3 redukní ventil, 4 pojistný ventil Obr. 2.16 Píklad zdroje tlaku 1 hydrogenerátor s regulací na konstantní tlak Na obr. 2.15 je zdroj tlaku tvoený akumulátorem a redukním ventilem. Hydrogenerátor se zapíná automaticky pi poklesu tlaku pod hodnotu p 1 a vypíná pi stoupnutí tlaku na hodnotu p 2. Na obr. 2.16 je zdroj tlaku tvoený regulaním hydrogenerátorem s regulací na konstantní tlak a pohonným elektromotorem. 2.3.3. Hydraulický pohon se zdrojem tlaku i prtoku Hydraulický pohon se zdrojem prtoku je asto realizován tak, že zdroj prtoku po pekroení nastaveného tlaku se zmní na zdroj tlaku. Momentová charakteristika (obr. 2.17) má potom dv vtve: vtev 1 patí zdroji prtoku, vtev 2 patí zdroji tlaku. Obr. 2.17 Momentová charakteristika pohonu se zdrojem tlaku i prtoku 1 - vtev konstantních otáek odpovídá zdroji prtoku, 2 - vtev konstantního momentu odpovídá zdroji tlaku 9

Píkladem realizace zdroje tlaku i prtoku je zdroj na obr. 2.17, který až do tlaku nastaveného na pepouštcím ventilu pracuje jako zdroj prtoku, poté se chová jako zdroj tlaku. 2.3.4. Hydraulický pohon s konstantním výkonem Hydraulický pohon s konstantním výkonem je popsán vztahem P = M. = konst. (2.8) Momentovou charakteristikou je rovnoosá hyperbola (obr. 2.18). Píkladem realizace pohonu konstantního výkonu je pohon s hydrogenerátorem s regulací na konstantní výkon a neregulaním hydromotorem viz obr. 2.19. Platí P = Q. p = konst. (2.9) Obr. 2.18 Momentová charakteristika pohonu s konstantním výkonem Obr. 2.19 Píklad realizace pohonu s konstantním výkonem 1 hydrogenerátor s regulací na konstantní výkon, 2 neregulaní hydromotor 2.4. Interakce pohonu a pracovního mechanizmu 2.4.1. Ustálený stav mechanizmu a pohonu Ustálený stav mechanismu je charakterizován pro pípad rotaního pohonu rovnováhou momentu akního (momentu pohonu) M p a momentu odporu zátže (pracovního stroje, mechanismu) M M M p = M M (2.11) pro translaní pohon pak rovnováhou sil F p = F M. (2.12) 10

Protože obecn jsou tyto veliiny funkcí rychlostí (úhlové rychlosti, otáek), ešíme úlohu n n MP MM nebo (2.13) v v FP FM. (2.14) Graficky ešíme tuto úlohu tak, že sestrojíme prseík charakteristiky pohonu M P a charakteristiky zátže M M (obr. 2.20): Volba polohy pracovního bodu: Obr. 2.20 Stanovení pracovního bodu mechanizmu A pracovní bod Pracovní bod A charakteristiky udává hodnotu momentu a otáek pohonu v ustáleném stavu. Jeho polohu volíme tak, aby motor byl tlakov, prtokov (tedy i výkonov využitý, pitom aby byla zajištna rezerva tlaku na rozbh pohonu a pracovního mechanismu, a také aby nevznikaly zbytené energetické ztráty. Obr. 2.21 Volba pracovního bodu pohonu 1 momentová charakteristika pohonu, 2, 3, 4 momentové charakteristiky pracovního mechanizmu, A pracovní bod 11

Napíklad hydraulický pohon s charakteristikou znázornnou na obr. 2.21 pohánjící napíklad stavební výtah (obrázek vlevo) je v pracovním bod A 1 momentov nevyužitý a pebytek momentu M p M M mže mechanismus pi rozbhu nebezpen petžovat. Správn zvolený je pracovní bod A 2. Pohon erpadla s charakteristikou znázornnou na obr. 2.21 vpravo je v pracovním bod A 1 momentov nevyužitý, bod A 2 je optimáln zvolený, v bod A 3 vznikají zbytené energetické ztráty, protože prtok odpovídající rozdílu otáek n 1 -n 3 se bude pepouštt pes pepouštcí ventil. 2.4.2. Pechodové stavy mechanizmu vetn pohonu Pechodovým stavem mechanismu (též pechodovým jevem) oznaujeme stav mezi dvma ustálenými stavy. Protože ustáleného stavu dosáhne mechanismus teoreticky v ase t =, stanovuje se pak doba pechodového jevu smluvn, bu jako doba násobku asové konstanty pechodového jevu, nebo jako doba, ve které se sledovaná veliina dostane do smluvn stanovených mezí (obr. 2.22). Obr. 2.22 Pechodový stav mechanizmu vetn pohonu ešení pechodového jevu vychází ze základní pohybové rovnice. Pohybová rovnice pro rotaní pohyb a konstantní moment setrvanosti J má tvar M P d MM J, (2.15) dt kde M P je moment pohonu (motoru), M M moment pracovního mechanizmu, - úhlová rychlost motoru. Pro translaní pohyb hydromotoru obdobn F P dv FM m, (2.16) dt kde m je hmotnost zátže, pístu a pístnice, v rychlost pohybu, F síla. 12

V praxi nejastjší pípady pechodových jev jsou rozbh a brzdní mechanism. Nkteré jednodušší pípady rozbhu a brzdní mechanismu jsou dále ešeny. Rozbh hydraulického mechanismu pi konstantním momentu pohonu M P a konstantním momentu zátže (pracovního mechanizmu) M M (viz obr. 2.23) Obr. 2.23 Prbh rozbhového momentu M M - M PM Rozbhový moment (šrafovaná ást) je po celou dobu rozbhu konstantní. ešením diferenciální rovnice (2.15) stanovíme prbh otáek v ase (prbh rozbhu) MP MM d dt (2.17) J pro poátení podmínku: t = 0; = 0 : MP MM t (2.18) J nebo M n P M 2J M t. (2.19) Prbh rozbhu je pímkový (lineární), jak je znázornno na obr. 2.24. Po dosažení A nastává ustálený stav (M P M M = 0). Doba rozbhu t A : A MP MM t A (2.20) J t A M P A.J M M 2J.n A M M P M. (2.21) 13

Obr. 2.24 Prbh rozbhu pohonu s konstantním momentem motoru i zátže Rozbh mechanismu s konstantním momentem pohonu M P a lineárním prbhem momentu zátže M M (obr. 2.25) Obr. 2.25 Prbh momentových charakteristik pohonu M P a zátže M M A pracovní bod pohonu a mechanizmu Rovnice momentové charakteristiky pracovního mechanizmu: M M k 1., kde k 1 je smrnice pímky: k 1 = M A / A. ešíme diferenciální rovnici d M P k J 1. dt (2.22) pro poátení podmínku t = 0; = 0. Partikulární ešení: M k P 1 1 e k1 t J. (2.23) 14

Grafické ešení je na obr. 2.26. Obr. 2.26 Prbh rozbhu hydraulického pohonu s konstantním momentem pohonu a lineárním prbhem momentu zátže asová konstanta rozbhu J T, (2.24) k 1 ustálená hodnota ryychlosti M P A k. (2.25) 1 Za dobu rozbhu považujeme smluvn dobu t A = 3T nebo T A = 4T. Za dobu 3T mechanismus dosáhne 95% ustálené hodnoty rychlosti, za dobu 4T dosáhne 98% ustálené hodnoty rychlosti. Jiný pípad téhož pohonu (obr. 2.27): Obr. 2.27 Píklad jiného prbhu rozbhového momentu Partikulární ešení popisující rozbh pohonu zde platí až do hodnoty = A (viz obr. 2.28), a poté nastává ustálený stav pohonu a mechanizmu. 15

Obr. 2.28 Prbh rozbhu pohonu s momentovými charakteristikami dle obr. 2.27 Samovolné brzdní mechanismu Po vypnutí pohonu bude akní moment M P = 0, moment odporu zátže M M = konst. ešíme základní pohybovou rovnici d M M J. (2.26) dt Tyto jednodušší pípady ešení se asto používají pro orientaní stanovení doby rozbhu a brzdní složitjších pípad. Krom analytického ešení se dnes používají v praxi numerické metody ešení, založené na numerické integraci základní pohybové rovnice. 16

3. ízení pohon Objektem ízení je u hydraulického pohonu hydromotor. Výstupními (ízenými) parametry u hydromotoru jsou: síla F (u pímoarého hydromotoru) nebo moment M (u rotaního a kyvného hydromotoru), smr pohybu, rychlost pohybu v (u pímoarého hydromotoru) nebo otáky n, pípadn úhlová rychlost = 2n (u rotaního a kyvného hydromotoru), poloha výstupního lenu s (u pímoarého hydromotoru) nebo úhel natoení (u rotaního a kyvného hydromotoru), pípadn i jiné parametry: zrychlení a nebo úhlové zrychlení, výkon P aj. Vtšinu tchto parametr ídíme prostednictvím pracovní kapaliny. Využíváme pitom vztah mezi tlakem p a silou F nebo momentem M, mezi prtokem Q a rychlostí pohybu pímoarého hydromotoru v nebo otákami n u rotaního hydromotoru apod. Primárn tedy ídíme tlak a prtok. Takové ízení nazýváme ventilové ízení. Bude probráno v kap. 3.2. Nebo ídíme výstupní parametry motoru zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru V G nebo hydromotoru V M. Takovému ízení íkáme objemové ízení. Bude probráno v kap. 3.1. Ventilová ídicí technika v hydraulických pohonech prošla temi kvalitativn se lišicími stupni, které obecn nazýváme: klasická (konvenní) ídicí technika, viz kap. 3.2.1., proporcionální ídicí technika, viz kap. 3.2.2., servotechnika, viz kap. 3.2.3. Klasická ídicí technika využívá klasických ídicích prvk: pro ízení tlaku využívá pojistné, pepouštcí, redukní, pipojovací, odpojovací a jiné tlakové ventily, pro ízení smru prtoku a hrazení prtoku používá rozváde, jednosmrné ventily, ízené jednosmrné ventily, dvojstranné hydraulické zámky, uzavírací ventily aj. pro ízení velikosti prtoku používá škrticí ventily, tlakové váhy, regulaní ventily prtoku, brzdicí a zpožovací ventily, clony, dýzy aj. Vtšina tchto prvk byla probrána v pedmtu Tekutinové mechanizmy a jejich znalost se pedpokládá. Proporcionální ídicí technika využívá proporcionálních ídicích prvk: pro ízení tlaku: proporcionální tlakové ventily (pojistné, pepouštcí, redukní aj.), pro ízení smru prtoku: proporcionální rozváde, pro ízení velikosti prtoku: proporcionální rozváde, proporcionální škrticí ventily aj. Servotechnika využívá mimoádn pesné a rychlé ventily, tzv. servoventily, ve spojení s vysplou elektronikou a micí technikou. 17

ízení polohy výstupního lenu hydromotoru Klasická ventilová ídicí technika dovede ídit dojezd hydromotoru na pedepsanou polohu pouze s omezenou pesností. Dojezd na polohu se obvykle eší dojezdem pístnice na koncový spína, který elektricky pestaví rozvád do uzavené stední polohy a pohyb motoru se zastaví, viz obr. 3.0.1. Obr. 3.0.1 ízení dojezdu hydromotoru na zadanou polohu Dnes je možné využívat i jiné, napíklad bezkontaktní snímae polohy pístnice hydromotoru. V každém pípad je zastavení hydromotoru tém skokové, spojené asto s nepíjemnými až nebezpenými dynamickými jevy v systému. Proporcionální technika eší problém plynulého rozbhu pohonu i jeho plynulé zastavení na pedepsané poloze pomocí proporcionálních rozvád a ídicí elektroniky, avšak též s omezenou pesností dosažení polohy. Servotechnika díky pesným a rychlým ventilm a polohové zptné vazb od snímae polohy výstupního lenu hydromotoru umožuje dnes dosažení pedepsané polohy s pesností až 1 m (pi zdvihu do cca 1 m). Zvláštní skupinu prvk tvoí vestavné ventily. Jsou natolik konstrukn odlišné, že budou probírány v samostatné kapitole 3.2.4. 3.1. Objemové ízení Vlastní princip tohoto zpsobu ízení pohonu spoívá v ízení geometrického objemu V G regulaního hydrogenerátoru nebo geometrického objemu V M regulaního hydromotoru. Popípad ízením geometrických objem jak hydrogenerátoru, tak hydromotoru. Pokud jsou v obvodu použity pímoaré hydromotory, ízení se uskuteuje jen hydrogenerátorem. Pi zmnách zátže na hydromotoru se v hydraulickém systému mní tlak v závislosti na okamžité velikosti zátže, prtok však zstává tém konstantní a je dán aktuálním nastavením geometrického objemu hydrogenerátoru. Objemové ízení prošlo podobn jako ventilové ízení kvalitativním vývojem zejména v oblasti ídicího systému pevodník. 18

Objemové ízení se ve velké míe používá v uzavených obvodech mobilní hydrauliky k pohonm pojezdu vozidel. V otevených obvodech stacionárních stroj se tento zpsob ízení používá pro vysokou celkovou úinnost systému (až 90%) a tím také malými nároky obvodu na teplotní stabilizaci obvodu. V nkterých pípadech umožuje rekuperaci polohové nebo kinetické energie zátže do elektrické sít. Nevýhody tohoto zpsobu ízení: oproti ízení ventily má systém nižší tuhost, zejména když mezi hydromotorem a zdrojem tlakové energie je v mnoha pípadech dlouhé vedení. To zhoršuje nejen statickou pesnost ízení, ale zejména dynamické vlastnosti pohonu a z toho dvodu pomalejší ízení pohybu. V nkterých aplikacích (sekundární regulace hydromotoru) se tento zpsob ízení vyrovná ventilovému ízení. 3.1.1. ízení zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru Zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru V G pi konstantních otákách hydrogenerátoru n se mní prtok Q podle vztahu Q V.n. (3.1.1) G Tento prtok pivedený do pímoarého hydromotoru vyvodí rychlost v Q v, (3.1.2) S M kde S M je úinná plocha pístu hydromotoru. Píkladem je zapojení podle obr. 3.1.1. Pro zmnu smru pohybu hydromotoru se používá rozvád. Obr. 3.1.1 ízení hydromotoru zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru 1 regulaní hydrogenerátor, 2 hydromotor, 3 rozvád, 4 pojistný ventil, 5 - filtr 19

V pípad rotaního motoru se vyvodí otáky n Q n, (3.1.3) V M kde V M je geometrický objem hydromotoru. Píkladem je pohon na obr. 3.1.2. Obr. 3.1.2 Pohon s ízením otáek hydromotoru zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru 1 regulaní hydrogenerátor, 2 hydromotor, 3 pojistný ventil Závislost mezi ídicím parametrem V G a otákami n je znázornna na obr. 3.1.3. Obr. 3.1.3 Závislost otáek hydromotoru na geometrickém objemu hydrogenerátoru Skutená rychlost a skutené otáky jsou ovlivnny prtokovou úinností hydrogenerátoru i hydromotoru. Napíklad pro rotaní hydromotor platí Q n, (3.1.4) V M Q,G Q,M kde Q,G je prtoková úinnost hydrogenerátoru a Q,M je prtoková úinnost hydromotoru. Maximální moment na hydromotoru je dán nastavením pojistného ventilu p PV a nezávisí na zmn geometrického objemu hydrogenerátoru V G : 20

M max V M.p 2 PV konst., (3.1.5) jak je znázornno na obr. 3.1.4. Obr. 3.1.4 Vliv zmny geometrického objemu hydrogenerátoru V G na prbh momentové charakteristiky pohonu Pro pohon s pímoarým hydromotorem bude platit pro maximální sílu na pístnici p PV Fmax. (3.1.6) SM Provedení regulaních hydrogenerátor Konstrukce hydrogenerátor vhodné pro provedení jako regulaní jsou zejména: - lamelové jednozdvihové, - pístové axiální s naklonnou deskou, - pístové axiální s naklonným blokem. Poslední dv jsou vhodné pro nejvyšší tlaky a prtoky, tedy i nejvyšší výkony. ízení regulaních pevodník bývá nejastji ešeno jako: - mechanické (runí koleko, pedál) - pímé a nepímé hydraulické - elektrohydraulické. Základy konstrukce a základní zpsoby ízení hydrogenerátor jsou probírány v pedmtu Tekutinové mechanizmy. ízení se dje vtšinou spojit, výjimen stupovit. Hydrogenerátory s jednosmrným prtokem ídíme v rozsahu V G = (0... V G,max ), hydrogenerátory s obousmrným prtokem ídíme v rozsahu V G = (-V G,max... 0... V G,max ). 21

Píklad použití regulaního hydrogenerátoru s obousmrným prtokem je na obr. 3.1.5. Zde není nutné použít ke zmn smru pohybu hydromotoru rozvád, tuto úlohu plní regulaní hydrogenerátor Obr. 3.1.5 Schéma zvedání, spouštní a zastavení hmotné zátže pomocí objemového ízení zmnou geometrického objemu hydrogenerátoru HG regulaní a souasn reverzaní hydrogenerátor ídí rychlost zvedání, spouštní i zastavení zátže v požadované poloze, JV jednosmrný ventil, PV pojistný ventil, RV redukní ventil, PHM pímoarý hydromotor 3.1.2. ízení zmnou geometrického objemu hydromotoru Píklad pohonu s ízením zmnou geometrického objemu hydromotoru je uveden na obr. 3.1.6. Obr. 3.1.6 Pohon s ízením zmnou geometrického objemu hydromotoru 1 neregulaní hydrogenerátor, 2 regulaní hydromotor, 3 pojistný ventil 22

Výchozí vztah pro prtok mezi hydrogenerátorem a hydromotorem Q V.n V.n (3.1.7) G G M upravíme n V konst G ng, (3.1.8) VM VM kde V M je promnná. Závislost je znázornna na obr. 3.1.7. Obr. 3.1.7 Závislost otáek hydromotoru na zmn geometrického objemu hydromotoru Protože geom. objem hydromotoru lze mnit od 0 do V M, max, je dán rozsah ízených otáek od n min do teoreticky n =. Takový pohon jednak nelze zastavit, jednak nelze pipustit libovoln velké otáky. Otáky se omezují tak, že se geometrický objem omezí pevným dorazem na hodnot V M,min a tomu odpovídají otáky n max. Problém zastavení pohonu se eší obvykle tak, že krom regulaního hydromotoru použije i regulaní hydrogenerátor. Maximální moment, kterým lze zatížit hydromotor, souvisí s geometrickým objemem motoru podle vztahu M max V.pPV Q ppv 2 n 2 M konst n. (3.1.9) Tato závislost, graficky rovnoosá hyperbola, je znázornna na obr. 3.1.8 spolu s momentovými charakteristikami pohonu pro rzné hodnoty V M. Obr. 3.1.8 Omezení maximálního momentu pohonu s regulaním hydromotorem 23

3.1.3. Hydrostatický pevod Hydrostatický pevod je hydrostatický mechanismus, sloužící k ízení otáek hydromotoru. V této funkci je znám spíše pod oznaením hydraulická pevodovka. Používá se jako alternativa mechanických pevodovek zejména u mobilních stroj. Sestává z jednoho nebo více hydrogenerátor, jednoho nebo více rotaních hydromotor a nezbytných ídících prvk, uspoádáných do uzaveného obvodu. Struktura hydrostatického pevodového mechanismu je tvoena nejastji tmito kombinacemi: - regulaní hydrogenerátor a neregulaní hydromotor - neregulaní hydrogenerátor a regulaní hydromotor - regulaní hydrogenerátor a regulaní hydromotor. Regulaní parametry hydrostatických pevodových mechanism a nejdležitjší statické charakteristiky jsou uvedeny v tab. 3.1. Tab. 3.1. Regulaní charakteristiky hydrostatického pevodu Hydrostatické pevody se pro zvtšení regulaního rozsahu a zlepšení celkové úinnosti penosu výkonu kombinují s mechanickými pevody. Existuje velké množství rzných kombinací: sériové nebo paralelní zapojení hydrostatického a mechanického pevodu, vnitní nebo vnjší vtvení výkonu apod. Nejvýhodnjší 24

uspoádání hydrostatický pevod se sériov pipojeným mechanickým pevodem je znázornno na obr. 3.1.9. Obr. 3.1.9. Schéma hydrostatického pevodu se seriov pipojeným mechanickým pevodem 1 Celkový pevodový pomr i c ng ih.i m. (3.1.10) n Hydrostatické pevodové mechanismy nalezly použití u stroj pro zemní a stavební práce (nakládae, rýpadla), zemdlských stroj (sklízecí mlátiky, kolové a pásové traktory), dlních stroj (kombajny, nakládae, dlní lokomotivy) a ady dalších stroj (viz píklady v kap. 9), piemž penášený výkon dnes iní až 500 kw. Oproti jiným pevodm mají tyto hlavní pednosti: - široký rozsah plynulé regulace výstupních otáek, širší než u elektrického nebo elektromechanického pohonu, - širokou možnost pizpsobení momentové charakteristiky pohonu charakteristice pracovního mechanismu, - dobré dynamické vlastnosti pohonu, - jednoduché pojištní proti petížení pojistným ventilem nebo regulaním hydrogenerátorem, - jednoduchá reverzace. K nevýhodám patí zejména: - rychlý ohev kapaliny v uzaveném obvodu si vynucuje komplikovaný systém chlazení, nutnost pelivjší údržby, - nižší celková úinnost penosu ve srovnání s elektrickými a tuhými mechanismy. ešení chlazení hydraulického obvodu hydrostatického pevodu odpouštním kapaliny z mén zatížené vtve, jejím ochlazením v chladii a následným doplnním ochlazené kapaliny do téže vtve pomocným hydrogenerátorem ukazuje obr. 3.1.10. Pomocný hydrogenerátor bývá pipojen na prbžnou hídel regulaního 25

hydrogenerátoru 1, kterým bývá nejastji axiální pístový pevodník s naklonnou deskou. Jako hydromotor se pak používá axiální pístový pevodník s naklonným blokem. Na obr. 3.1.11 je zjednodušený ez hydrostatickým pevodem. Axiální pístový hydrogenerátor s naklonnou deskou má výhodu v tom, že na prbžnou hídel je možné umístit pomocný hydrogenerátor. Axiální pístový hydromotor s naklonným blokem je zase relativn levný a má velmi dobrou úinnost. Obr. 3.1.10 Píklad uzaveného obvodu hydrostatického pevodu 1 - regulaní hydrogenerátor, 2 neregulaní hydromotor, 3 pomocný hydrogenerátor, 4 tlakové (pojistné) ventily, 5, 6 pepínací tlakové ventily, 7 odpouštcí blok, 8 chladi, 9, 10 nízkotlaký filtr, 11 - jednosmrné ventily 2 1 Obr. 3.1.11 Píklad uzaveného obvodu hydrostatického pevodu 1 - regulaní axiální pístový hydrogenerátor s naklonnou deskou, 2 neregulaní axiální pístový hydromotor s naklonným blokem 26

3.2. Ventilové ízení 3.2.1. Klasická ídicí technika Prvky klasické ídicí techniky byly v dostateném rozsahu probrány v pedmtu Tekutinové mechanizmy, jejich znalost budeme dále pedpokládat a budeme se v této kapitole vnovat problematice ízení pohon pomocí tchto prvk. Na píkladech uvedeme možnosti ízení smru pohybu a zastavení hydromotoru, ízení rychlosti pohybu hydromotoru, ízení dvou a více hydromotor, ízení zvedání, spouštní, peklápní a zastavení hmotné zátže, ízení síly nebo momentu na hydromotoru apod. Vyvození posuvného a rotaního pohybu bez možnosti ízení rychlosti pohybu Obr. 3.2.1 Píklad obvodu pro vyvození posuvného pohybu 1 hydrogenerátor, 2 hydromotor s oboustrann vyvedenou pístnicí, 3 rozvád, 4 pojistný ventil, 5 jednosmrný ventil, 6 - filtr Obvod na obr. 3.2.1 zajiš uje vyvození posuvného pohybu hydromotoru 2 stejnou rychlostí v obou smrech a zastavení hydromotoru v libovolné poloze. Pi zastavení by na pístnici nemla psobit aktivní síla, protože by došlo k pomalému pohybu pístu vlivem prtokových ztrát v rozvádi. Jednosmrný ventil 5 chrání hydrogenerátor ped úinky tlakových špiek vznikajících v systému. Obvod na obr. 3.2.2 zajiš uje vyvození posuvného pohybu hydromotoru 5 rznou rychlostí v obou smrech a zastavení hydromotoru v libovolné poloze. Pomr rychlostí je v obráceném pomru úinných ploch pístu. 27

Obr. 3.2.2 Píklad obvodu pro vyvození posuvného pohybu 1 hydrogenerátor, 2 nádrž, 3 pojistný ventil, 4 rozvád, 5 hydromotor s nestejnými plochami pístu z obou stran v F Obr. 3.2.3 Píklad obvodu pro vyvození posuvného pohybu 1 hydraulický zámek 28

Obvod na obr. 3.2.3 zajiš uje vyvození posuvného pohybu hydromotoru rznou rychlostí v obou smrech a zastavení hydromotoru v libovolné poloze. Hydraulický zámek realizovaný kížovým zapojením dvou ízených jednosmrných ventil zajistí dokonalé zastavení i v pípad, že na hydromotor psobí trvalá síla F v jednom nebo druhém smru. Obr. 3.2.4 Vyvození posuvného pohybu hydromotorem v diferenciálním zapojení 1 hydrogenerátor, 2 hydromotor s jednostrann vyvedenou pístnicí, 3 rozvád, 4, 5 jednosmrné ventily, 6 pojistný ventil Hydromotor s jednostrann vyvedenou pístnicí, též nazývaný hydromotor s diferenciálním pístem zajiš uje rozdílnou rychlost pohybu pístnice v obou smrech. V zapojení dle obr. 3.2.4 však zajistí stejnou rychlost v obou smrech v 1 = v 2 za pedpokladu, že pomr ploch S 1 = 2S 2. Uspoádání na obr. 3.2.5 pedstavuje ovládání dvou hydromotor zapojených seriov. Filtr s obtokem zajiš uje ochranu filtraní vložky proti petržení pi jejím zanesení neistotami. Zapojení na obr. 3.2.6 pedstavuje ovládání dvou hydromotor dvma rozvadi zapojenými paraleln ke zdroji prtoku. V tomto pípad je nutné použít rozvád s tzv. uzaveným stedem. Pro odlehení hydrogenerátoru slouží odlehovací rozvad 7; pokud jsou rozváde 4 a 5 v základní poloze 0, je rozvad 7 v poloze a, a pokud jsou rozváde 4 a 5 v pracovní poloze (a nebo b), je rozvad 7 v poloze b. Tak je zajištno, že kapalina nebude zbyten protékat pojistným ventilem. 29

Obr. 3.2.5 ízení pohybu dvou hydromotor dvma rozvádi zapojenými seriov 1 hydrogenerátor, 2, 3 hydromotory, 4, 5 rozváde, 6 pojistný ventil, 7 - filtr Obr. 3.2.6 Ovládání dvou hydromotor dvma paraleln zapojenými rozvadi 1 hydrogenerátor, 2,3 hydromotory, 4,5 rozvade, 6 pojistný ventil, 7 odlehovací ventil (rozvad) Na obr. 3.2.7 je obdobné zapojení jako na obr. 3.2.6 s tím rozdílem, že místo odlehovacího rozváde je použitý hydrogenerátor s regulací na konstantní tlak. 30

Obr. 3.2.7 Ovládání dvou hydromotor dvma paraleln zapojenými rozvadi 1 hydrogenerátor s regulací na konstantní tlak, 2 elektromotor, 3, 4 pojistné ventily, 5, 6, 7 rozváde, 8, 9, 10 - hydromotory Obvody pro ízení síly nebo momentu na hydromotoru Obr. 3.2.8 Píklad obvodu hydraulického lisu 1 nízkotlaký hydrogenerátor, 2 vysokotlaký hydrogenerátor, 3, 4 pojistné ventily, 5 rozvád, 6 pímoarý hydromotor, 7, 8 jednosmrné ventily 31

V obvodu hydraulického lisu na obr. 3.2.8 zajiš uje nízkotlaký hydrogenerátor 1 s vysokým prtokem Q 1 rychlý posuv hydromotoru 6, vysokotlaký hydrogenerátor 2 zajiš uje vlastní lisování pomalou rychlostí danou nízkým prtokem Q 2. Tlaky v obou obvodech jsou omezeny pojistnými ventily 3, 4. Pojistný ventil 3 je nastaven na nízký tlak, pojistný ventil 4 na vysoký tlak. Obr. 3.2.9 Obvod s možností nastavení až tí rzných tlak 1 nepímo ízený pojistný ventil, 2 rozvád, 3, 4 pímo ízené pojistné ventily V obvodu na obr. 3.2.9 je tlak omezen ventilem 1, pokud je rozvád 2 ve stední poloze. Pokud je rozvád 2 v levé pracovní poloze, je tlak omezen hodnotou nastavenou na ventilu 3, pokud je rozvád 2 v pravé pracovní poloze, je tlak omezen hodnotou nastavenou na ventilu 4. ízení rychlosti nebo otáek hydromotoru ízení rychlosti nebo otáek hydromotoru mžeme provádt stupovit nebo spojit. Píkladem stupovitého ízení rychlosti je obvod na obr. 3.2.10. Hydrogenerátory 1, 2 a 3 se pipojují do obvodu rozvádi 4, 5 a 6. Pokud budou mít hydrogenerátory stejný prtok, dosáhneme tí rzných rychlostí, daných prtoky Q 1, 2Q 1 a 3Q 1. Pokud budou mít hydrogenerátory rzné prtoky, dosáhneme až sedmi rzných rychlostí, daných prtoky Q 1, Q 2, Q 3, Q 1 +Q 2, Q 1 +Q 3, Q 2 +Q 3, Q 1 +Q 2 +Q 3. Toto ízení nazýváme též objemové ízení, protože se provádí zmnou geometrického objemu hydrogenerátor, viz kap. 3.1. Smr otáení hydromotoru 8 zajiš uje rozvád 7. 32

Obr. 3.2.10 Obvod pro zajištní stupovité zmny otáek hydromotoru 1, 2, 3 hydrogenerátory, 4,5,6,7 rozváde, 8 - hydromotor Obr. 3.2.11 Obvod pro zajištní plynulé zmny rychlosti v jednom smru 1 hydrogenerátor neregulaní, 2 nádrž, 3 hydromotor pímoarý, 4 rozvád, 5 pojistný ventil, 6 škrticí ventil, 7 jednosmrný ventil, 8 filtr, 9 manometr Plynulou zmnu rychlosti zajiš ujeme bu objemovým ízením, viz kap. 3.1, nebo pomocí ventil, kterými ídíme prtok do hydromotoru. Na obr. 3.2.11 je k ízení rychlosti hydromotoru použit škrticí ventil 6. Tento ventil ovlivuje pouze rychlost v 1, v opaném smru protéká kapalina jednosmrným ventilem 7 a rychlost v 2 není škrticím ventilem ovlivnna. 33

Q ŠV p ŠV p PV Q PV Q G Obr. 3.2.12 Obvod pro ízení rychlosti v obou smrech 1 hydrogenerátor, 2 pímoarý hydromotor, 3 rozvád, 4, 5 škrticí ventily, 6, 7 jednosmrné ventily, 8 pojistný ventil, 9 - filtr Požadujeme-li ídit rychlost pohybu hydromotoru v obou smrech nezávisle na sob, použijeme zapojení podle obr. 3.2.12 se dvma škrticími a dvma jednosmrnými ventily, zapojenými paraleln. Ventil VS2 ídí rychlost v 1 a ventil VS1 ídí rychlost v 2. ízení rychlosti hydromotoru je realizováno prostednictvím ízení prtoku do hydromotoru. Hydrogenerátor 1 dodává do obvodu konstantní prtok Q G, a pokud má jít do hydromotoru prtok nižší, musí se ást prtoku oddlit a odchází pojistným ventilem zpt do nádrže jako prtok Q PV : Q PV = Q G Q ŠV. To pedstavuje z energetického hlediska ztrátu. Ztrátový výkon na pojistném ventilu P Q. p. (3.2.1) PV PV PV K tomu se piítá ztrátový výkon na škrticím ventilu P ŠV Q. p. (3.2.2) ŠV ŠV Celková úinnost systému s ventilovým ízením, neregulaním hydrogenerátorem a pojistným nebo pepouštcím ventilem proto nemže být vyšší než c = 0,38. Lepším ešením je použití energeticky úsporného zdroje tlaku, viz obr. 3.2.17. Škrticí ventily mžeme zapojit k hydromotoru bu na vstupu, viz obr. 3.2.13a, nebo na výstupu, viz obr. 3.2.13b. V zapojení podle obr. 3.2.13a je v hydromotoru nižší tlak a jsou tedy nižší pasivní odpory tsnní, v zapojení podle 3.2.13b má hydromotor vyšší tuhost, dá se tedy pesnji ídit, zejména je-li na pístnici zavšena hmotná zátž. 34

a) b) Obr. 3.2.13 Škrticí ventily zapojené na vstupu (a) nebo na výstupu (b) hydromotoru Ve všech tchto pípadech škrticí ventil pedstavuje promnný odpor R. Z mechaniky tekutin víme, že pro prtok Q nelineárním promnným odporem platí vztah 2 p v R.Q, (3.2.3) kde p v je tlakový spád na odporu (škrticím ventilu). Odtud Q p R v.s v v 2p v, (3.2.4) kde v je souinitel prtoku (1), S v prtoná plocha ventilu v nejuzším míst (m 2 ), mrná hmotnost pracovní kapaliny (kg.m -3 ). Na obr. 3.2.14 je píklad ízení otáek rotaního hydromotoru škrticím ventilem jakožto promnným odporem. Zdrojem konstantního tlaku je zde hydrogenerátor, který spolu s pojistným (pepouštcím) ventilem udržuje konstantní tlak p PV ve vtvi s hydromotorem a škrticím ventilem, avšak pouze tehdy, protéká-li pojistným ventilem kapalina. Obr. 3.2.14 Pohon s ízením otáek hydromotoru škrticím ventilem 1 neregulaní hydrogenerátor, 2 rotaní hydromotor, 3 škrticí ventil, 4 pojistný nebo pepouštcí ventil 35

Protože hydromotor používáme nejastji ve funkci pohonu stroje, zajímá nás momentová (otáková) charakteristika pohonu. Rovnici otákové charakteristiky odvodíme ze vztahu Q Q M Q ŠV. (3.2.5) Po dosazení za Q M a Q ŠV obdržíme pv Q VM.n vsv, (3.2.6) kde V M je geometrický objem hydromotoru. Tlakový spád na škrticím ventilu p v 2M pv ppv pm ppv (3.2.7) V dosadíme do rovnice pro prtok a vyjádíme otáky n M M M vsv M n 2 p 2 PV. (3.2.8) V V Momentová charakteristika je parabola a má tvar znázornný na obr. 3.2.15. Se zmnou prtoného prezu škrtícího ventilu S v se otáky mní pímo úmrn. Tak obdržíme rzné momentové charakteristiky, které mají všechny stejnou hodnotu maximálního momentu M max ppv V. M. (3.2.9) 2 Obr. 3.2.15 Momentové charakteristiky pohonu s ízením otáek škrticím ventilem Maximální otáky jsou omezeny prtokem zdroje Q G na hodnot Q G nmax. VM 36

Obdobným postupem odvodíme charakteristiku F - v pro pípad ízení pímoarého hydromotoru škrtícím ventilem. Z rovnosti prtoku pv Q SM.v vsv (3.2.10) kde S M je úinná plocha pístu pímoarého hydromotoru spoítáme v rychlost pohybu pístu hydromotoru v vsv 2 S M p PV F S M. (3.2.11) F v charakteristika pohonu je parabola obdobná charakteristice M n na obr. 3.2.15. Dsledkem této charakteristiky je velká statická poddajnost pohonu, zvlášt v oblasti velkých hodnot síly nebo momentu. Již malá zmna síly nebo momentu zpsobí velký pokles otáek. Takovýto pohon se v praxi oznauje jako "mkký" pohon, a v ad aplikací je toto chování na závadu. ešením mže být použití škrticích ventil se stabilizací prtoku, oznaovaných jako dvoucestné nebo tícestné regulátory prtoku, nebo podle své konstrukce jako škrticí ventily s dvoucestnou tlakovou váhou nebo s tícestnou tlakovou váhou. F v DRP Obr. 3.2.16 Použití dvoucestného regulátoru prtoku DRP ke stabilizaci prtoku 37

Pi použití dvoucestného regulátoru prtoku, neboli škrticího ventilu s dvoucestnou tlakovou váhou viz obr. 3.2.16, se rychlost pohybu hydromotoru v nebude mnit se zmnou zatžovací síly F. Zjednodušený ez ventilem vetn jeho zapojení v obvodu je uveden na obr. 3.2.17. Obr. 3.3.17 Dvoucestný regulaní ventil prtoku HG hydrogenerátor, HM hydromotor, TV tlaková váha, VS ídicí škrticí ventil, VP pojistný ventil Regulátor prtoku sestává ze škrticího ventilu VS, který plní úlohu micí clony s nastavitelným prezem, a tlakové váhy TV. Hydrogenerátorem dodávaný prtok Q G se vtví na prtok Q 1 a prtok Q VP, odtékající pes pojistný ventil. Prtokem Q 1 vzniká na hranách šoupátka tlakové váhy tlakový spád p TV = p 1 p 2 a na škrticím ventilu VS tlakový spád p VS = p 2 p 3. Jeho hodnota se pohybuje v závislosti na prtoku v rozsahu p VS = 0 p VS,max, když p VS,max bývá nejastji 0,7 MPa. Tento tlakový spád se vede jakožto záporná tlaková zptná vazba na ela tlakové váhy, kde psobí proti síle pružiny F t a ustaví šoupátko do rovnovážné polohy, zajiš ující požadovaný prtok. Pokud se napíklad sníží tlak p 3 (zmnou zatížení na hydromotoru HM), zvýší se tlakový spád na ventilu p = p 1 p 3 a souasn se zvýší prtok ventilem Q 1 podle vztahu 2 p Q1 S. Souasn se zvýší tlakový spád p VS = p 2 p 3. Ten zpsobí pohyb šoupátka o hodnotu x a tím zmenšení prtoné plochy S. Následkem je zvýšení tlakového spádu na tlakové váze p TV a úprava (snížení) prtoku Q 1 na pvodní hodnotu. Protože tento ventil funguje jako regulátor s trvalou regulaní odchylkou, nedosáhne se pesn pvodní hodnoty prtoku. Chyba vyrovnávání prtoku iní obvykle 2 5 % ustálené hodnoty prtoku. Navíc ke kompenzaci dojde po uritém ase, protože se jedná o dynamický dj s asovou konstantou 15 50 ms. 38

Jako ídicí ventil se používá škrticí ventil závislý na viskozit kapaliny, viz obr. 3.1.17 nebo grafické znaky na obr. 3.1.18a, b, nebo škrticí ventil nezávislý na viskozit kapaliny, viz obr. 3.1.18c. Obr. 3.1.18 Grafické znaky dvoucestného regulátoru prtoku a podrobná grafická znaka vyjadující strukturu ventilu, b zjednodušená grafická znaka se škrticím ventilem závislým na viskozit kapaliny, c zjednodušená grafická znaka se škrticím ventilem nezávislým na viskozit kapaliny Energetická bilance pohonu ízeného škrticím ventilem je velmi špatná, celková úinnost je asto mnohem nižší než teoretických c = 0,38. Výsledkem je nejen maení energie, ale i nutnost pídavného chlazení a nižší životnost pracovní kapaliny. astým ešením je použití regulaního hydrogenerátoru s regulací na konstantní tlak, viz obr. 3.2.19, jako energeticky úsporného zdroje tlaku. Udržuje konstantní tlak v systému, aniž se maí energie na pojistném ventilu. Celková úinnost systému se zvýší na teoretických c = 0,666. Obr. 3.2.19 Energeticky úsporný zdroj tlaku 1 regulaní hydrogenerátor s regulací na konstantní tlak Obvody pro zvedání a spouštní hmotné zátže Jednoduché zaízení pro zvedání a spouštní hmotné zátže pedstavuje hydraulický zvedák, viz schéma na obr. 3.2.20. Zvedání zajiš uje runí pumpa, spouštní se dje povolením uzavíracího ventilku 5, který zde funguje též jako škrticí ventil. Problematika zvedání a spouštní hmotné zátže se liší od problematiky posouvání hmotné zátže v tom, že pi zvedání a spouštní hmotné zátže psobí na hydromotor trvalá aktivní síla, kterou je teba pi zvedání pekonávat, naopak pi spouštní je teba hydromotor brzdit. V obvodu na obr. 3.1.21 je brzdní zajištno škrticím ventilem 5. Zastavení hydromotoru v libovolné poloze je možné pouze vypnutím pohonu. Pi vypnutí pohonu 1 bude ovšem zátž velmi pomalu ale trvale klesat v dsledku prtokových ztrát v rozvádi 3. 39

Obr. 3.2.20 Obvod hydraulického zvedáku 1 runí pumpa (hydrogenerátor s pímoarým pohybem), 2 hydromotor se zátží, 3, 4 jednosmrné ventily, 5 uzavírací ventil Obr. 3.2.21 Píklad obvodu pro zvedání a spouštní hmotné zátže 1 hydrogenerátor, 2 pímoarý hydromotor teleskopický, 3 rozvád, 4 pojistný ventil, 5 škrticí ventil, 6 jednosmrný ventil V pípad zvedání a spouštní hmotné zátže rotaním hydromotorem na obr. 3.2.22 se zastavení zátže v libovolné poloze eší pestavením rozváde 2 do stední polohy a použitím tzv. parkovací mechanické brzdy na hídeli bubnu (není zakreslena). 40

Obr. 3.2.22 Píklad obvodu pro zvedání a spouštní hmotné zátže 1 rotaní hydromotor, 2 rozvád, 3 škrticí ventil, 4 jednosmrný ventil Pro bezpené zastavení a držení hmotné zátže v zastavené poloze používáme nejastji hydraulické zámky, a to bu jednostranný hydraulický zámek, nazývaný též ízený jednosmrný ventil, pokud zatžovací síla nemní smysl, nebo dvojstranný hydraulický zámek, pokud zatžující síla mní smysl. Obr. 3.2.23 Píklad obvodu pro zvedání a spouštní hmotné zátže se zajištním v zastavené poloze ízeným jednosmrným ventilem 41

Legenda k obr. 3.2.23: 1 ízený jednosmrný ventil, 2 pojistný ventil s obtokem, 3 škrticí ventil s dvoucestnou tlakovou váhou slouží k ízenému spouštní zátže, obtok pes jednosmrný ventil pi zvedání zátže Píklady obvod jsou na obr. 3.2.23 a 3.2.3. V prvním pípad zatžující síla nemní smysl, v druhém pípad zatžující síla mní smysl. Na obr. 3.2.3 je dvojstranný hydraulický zámek realizován zvláštním zapojením dvou ízených jednosmrných ventil. Všimnme si na obr. 3.2.3, že trvalá zatžující síla F nemusí být vyvozována pouze hmotnou zátží. Obvod na obr. 3.2.24 využívá k ízenému peklápní hmotné zátže tzv. brzdicí ventily 8 a 9. Pojistné ventily 10 a 11 brání nebezpenému petížení hydromotoru ze strany zátže, kdy by mohlo dojít k prasknutí hadic. Obr. 3.2.24 Píklad obvodu pro peklápní hmotné zátže pomocí brzdicích ventil 1, 2 hydrogenerátory, 3, 4 nepímo ízené pojistné ventily s odlehením pomocí dálkov ovládaných dvojpolohových rozvád, 5, 6 jednosmrné ventily, 7 nepímo ízený típolohový rozvád, 8, 9 brzdicí ventily, 10, 11 pojistné ventily 42

3.2.2. Proporcionální ídicí technika Proporcionální ídicí technika pracuje s prvky jako jsou proporcionální rozváde, proporcionální tlakové ventily, proporcionální škrticí ventily atd. Vyznaují se spojitým ízením tlaku a prtoku elektrickým signálem malého výkonu. Tvar ídicího signálu lze snadno naprogramovat na pipojené elektronické ídicí kart, nebo zadávat extern z poítae. Proporcionální rozvád plní souasn funkci zmny smru prtoku a zmny velikosti prtoku. Proporcionální technika spojuje výhody moderní elektroniky s moderní hydraulikou pi dostupné cen, bez zvýšených nárok na istotu kapaliny nebo na provoz a údržbu. Je kompromisem mezi kvalitou ízení a cenou. Proporcionální technika je urena pro nejrznjší aplikace v prmyslu, kde klasická ídicí technika již nestaí. Struktura proporcionálních prvk je znázornna blokov na obr. 3.2.25. u elektronický i elektromechanický F,x zesilova pevodník u proporcionální ventil akní len (ventil, rozvád) Q,p u hydromotor Obr. 3.2.25 Struktura proporcionálních prvk Zatímco akní (výkonové) leny se píliš neliší od obdobných len klasických prvk, velmi asto mají i stejné pipojovací rozmry pro stejnou svtlost prvku, podstatný rozdíl je v použitém elektromechanickém pevodníku. Elektronický zesilova bývá bu proveden jako samostatný díl (elektronická karta apod.) nebo je souástí elektromechanického pevodníku. Píklad provedení pímo ízeného proporcionálního rozváde je na obr. 3.2.26. Obr. 3.2.26 Proporcionální rozvád se snímaem polohy (Rexroth) 1, 6 proporcionální elektromagnety, 2, 5 pružiny, 3 tleso, 4 šoupátko, 7, 8 odvzdušovací šrouby, 9 sníma polohy šoupátka 43

Základním konstrukním prvkem je tyhranové šoupátko s drážkami. Ty mohou být trojúhelníkové, obdélníkové, obdélníkové odstupované nebo plkruhové. Proporcionální elektromagnety jsou speciální elektromagnety napájené stejnosmrným proudem, které díky své konstrukci vyvozují na kotv bu sílu (silové elektromagnety) nebo dráhu (zdvihové elektromagnety) úmrnou elektrickému proudu tekoucímu cívkou. Silový elektromagnet vyvíjí sílu úmrnou elektrickému proudu jen v uritém rozsahu zdvihu, pibližn na cca 1,5 mm. Elektromagnet se oznauje jako tlaný, to znamená, že kotva se ze základní polohy vysouvá a psobí na pipojenou mechanickou souást tlakem. Zdvihový elektromagnet vyvíjí zdvih pímo úmrný elektrickému proudu. Zdvih kotvy bývá obvykle 3 5 mm. Proti psobící síla ovlivuje pesnost dosažené polohy. Zpesnní lze dosáhnout použitím polohové zptné vazby. Tvar drážek uruje statickou s - Q charakteristiku. Trojúhelníkovou drážkou se dosáhne progresivního prbhu charakteristiky, obdélníkovou drážkou lineární charakteristiky. Pozitivním pekrytím hran šoupátka se dosáhne necitlivosti v oblasti nulové polohy. Pro adu aplikací se vyžaduje pásmo necitlivosti až 25% celkového zdvihu. Statická I - Q charakteristika, viz obr. 3.2.27, se mí pro rzné tlakové spády p v na proporcionálním rozvádi. Tlakový spád p v je souet tlakových spád pi prtoku kapaliny rozvádem v obou smrech, tedy na dvou škrticích drážkách. Jmenovitý prtok Q n se uvádí pi tlakovém spádu p v = 1 MPa. prtok Q (dm 3.min -1 ) ídicí proud I (v % I max ) Obr. 3.2.27 Statická I Q charakteristika proporcionálního rozváde Hystereze mže init 5...6% zdvihu, a k tomu se pidává chyba opakovatelnosti zpsobená promnnými pasivními odpory, neistotami a hydrodynamickými silami, která iní 2...3% zdvihu, a získáme tak pomrn nepesný zpsob ízení. U rozvád se snímaem polohy, viz obr. 3.2.26, je chyba hystereze i opakovatelnosti nižší než 1%. Z dynamických charakteristik se udává pechodová charakteristika, viz obr. 3.2.28. Z pechodové charakteristiky je patrné, že uvedené rozváde nejsou mimoádn rychlé. 44