Gesloten hydraulisch circuit

Een gesloten hydraulisch circuit is een concept voor vloeistofcirculatie in de hydraulica, waarbij de hydraulische vloeistof rechtstreeks tussen de pomp en de verbruiker circuleert, zonder door een drukloze tank te stromen. De retourleiding van de motor is verbonden met de zuigzijde van de pomp, waardoor een in zichzelf gesloten vloeistofcircuit ontstaat. Gesloten hydraulische circuits worden vooral gebruikt waar hoge dynamiek, een compacte constructie en traploze omkeerbaarheid vereist zijn.

Basisprincipes en werking van het gesloten hydraulische circuit

Het gesloten hydraulische circuit verschilt fundamenteel van het open circuit door de manier waarop de vloeistof wordt geleid. In plaats van de olie na elke werkcyclus naar een reservoir af te voeren, voert de lagedrukleiding de vloeistof direct terug naar de zuigzijde van de pomp. Het systeem werkt als een gesloten circuit, waarin de hydraulische olie continu heen en weer stroomt tussen de pomp en de motor. De draairichting en het toerental van de verbruiker kunnen uitsluitend via de instelling van de pomp worden geregeld, zonder dat er wegkleppen nodig zijn.

Drukopbouw en vloeistofgeleiding

De pomp, meestal een verstelbare pomp met axiale zuigers, voert de olie onder hoge druk naar de motor. De motor zet de hydraulische energie om in mechanische rotatie-energie en leidt de olie aan de lagedrukzijde terug naar de pomp. Aangezien er in dit circuit geen grote tank als buffer dient, moet de systeemdruk op beide leidingen actief worden geregeld. Typische werkdrukken in gesloten hydraulische circuits liggen tussen 300 en 450 bar; in speciale toepassingen kunnen drukken tot 500 bar worden bereikt.

Rol van de bijvulpomp

Een gesloten hydraulisch circuit kan niet zonder aanvullende componenten worden gebruikt, omdat onvermijdelijke lekkages bij de pomp en de motor vloeistofvolume uit het circuit onttrekken. De bijvulpomp, meestal uitgevoerd als constante pomp, compenseert dit verschil in volume. Deze pompt verse olie uit een kleine voorraadtank naar de lagedrukzijde van het circuit en houdt zo de minimumdruk op peil. Typische bijvuldrukken liggen tussen 10 en 30 bar. Deze voorspanningsdruk voorkomt cavitatie aan de zuigzijde van de hoofdpomp en zorgt ervoor dat het circuit altijd volledig met vloeistof gevuld blijft.

Onderdelen van een gesloten hydraulisch circuit

Naast de pomp en de motor vereist het gesloten hydraulische circuit verschillende extra componenten die de werking waarborgen en beschermen. Elk van deze componenten vervult een specifieke functie die in het open circuit wordt gedekt door de tank of eenvoudigere klepconcepten.

Spoelklep

De spoelklep voert een deel van de verwarmde olie af van de lagedrukzijde van het circuit en leidt deze via een koeler naar de voorraadtank. Aangezien de olie in het gesloten circuit niet door een tank circuleert, ontbreekt de natuurlijke warmteafvoer. Zonder spoelklep zou de olietemperatuur continu stijgen, wat de viscositeit verandert en de levensduur van de componenten verkort. De bijgevoerde hoeveelheid verse olie vervangt tegelijkertijd de afgevoerde warme olie, waardoor een continue verversing plaatsvindt.

Drukbegrenzingskleppen

Drukbegrenzingskleppen aan beide zijden van het circuit beschermen het systeem tegen ongewenste drukpieken. Vooral bij snelle omkeerbewegingen of plotselinge lastwisselingen kunnen kortstondige drukpieken ontstaan die de componenten overbelasten. De kleppen gaan open wanneer de ingestelde grensdruk wordt bereikt en leiden olie van de hogedruk- naar de lagedrukzijde. In veel uitvoeringen zijn deze kleppen direct in de pomp of de motor geïntegreerd.

Terugslagkleppen

Terugslagkleppen op de bijvulleiding zorgen ervoor dat de bijvulolie altijd naar de leiding stroomt die op dat moment aan de lagedrukzijde ligt. Aangezien bij een richtingsverandering de hogedruk- en lagedrukzijde van plaats wisselen, moeten de terugslagkleppen deze omschakeling automatisch volgen. Tegelijkertijd voorkomen ze dat drukolie uit het hoofdcircuit terugstroomt naar de bijvulleiding.

Gesloten hydraulisch circuit in vergelijking met een open circuit

De vergelijking tussen een gesloten en een open circuit toont de respectieve sterke en zwakke punten van beide concepten. De keuze van het circuitconcept is afhankelijk van de eisen van de betreffende toepassing.

Het open circuit biedt voordelen bij eenvoudigere toepassingen met meerdere verbruikers, omdat een centrale tank de olietoevoer naar alle circuits waarborgt. Het gesloten hydraulische circuit scoort daar waar een enkele aandrijving een hoge dynamiek en energie-efficiëntie vereist.

Toepassingsgebieden van het gesloten hydraulische circuit

Gesloten hydraulische circuits zijn zowel in mobiele hydraulica als in stationaire industriële installaties te vinden. De gemeenschappelijke eisen van deze toepassingen zijn een hoge vermogensdichtheid, traploze toerental- en koppelregeling en de mogelijkheid tot snel omkeren.

Mobiele hydraulica

In de mobiele hydraulica domineren gesloten hydraulische circuits bij de aandrijvingen van wielladers, graafmachines en verreikers. Ook lier-aandrijvingen op kranen en schepen en zwenkaandrijvingen van draaimechanismen werken met dit circuitconcept. De compacte constructie zonder grote tank is een doorslaggevend voordeel op voertuigen waar de inbouwruimte en het gewicht beperkt zijn. De traploze rijregeling via de pompverstelling maakt nauwkeurig manoeuvreren en remmen via de hydraulica mogelijk, wat de slijtage van mechanische remmen vermindert.

Stationaire industriële installaties

In stationaire toepassingen worden gesloten hydraulische circuits gebruikt bij persen, spuitgietmachines en walserijen. Ook testbanken en testinstallaties maken gebruik van dit concept wanneer snelle cyclustijden en reproduceerbare bewegingsprofielen vereist zijn. Industriële tandwielkasten en ventilatoraandrijvingen profiteren van de hoge efficiëntie en de omkeerbare draairichting zonder extra wegventielen. In gieterijen en walserijen maken compacte systemen met een minimaal olievolume krachtige aandrijvingen mogelijk in een beperkte ruimte.

Besturing en regeling in een gesloten hydraulisch circuit

De besturing van een gesloten hydraulisch circuit gebeurt voornamelijk via de verstelling van de hoofdpomp. De zwenkhoek van de axiale zuigerpomp bepaalt de verplaatsingsrichting en het debiet, waardoor de draairichting en het toerental van de motor direct worden geregeld. Deze directe koppeling tussen de pompverstelling en het motorgedrag maakt korte reactietijden en een hoge regelkwaliteit mogelijk.

Hydraulische besturing

Bij puur hydraulische besturing wordt het verstelmechanisme van de pomp bediend via stuurdrukken. DA-kleppen (druk- en doorstroomkleppen) regelen de verstelling afhankelijk van de systeemdruk en het gewenste rijgedrag. Deze oplossing wordt vaak toegepast in eenvoudige aandrijvingen, waar een elektronische aansturing niet nodig is.

Elektrohydraulische regeling

Moderne gesloten hydraulische circuits maken steeds vaker gebruik van elektrohydraulische regelingen. Proportionele ventielen sturen het verstelmechanisme van de pomp aan op basis van elektrische signalen van een bovenliggende besturing. Dit maakt integratie mogelijk in geautomatiseerde systemen die bedrijfspunten nauwkeurig aansturen en bewaken. Sensoren meten druk, temperatuur en toerental in realtime en stellen de gegevens ter beschikking van de besturing voor adaptieve regeling. De elektrohydraulische regeling verbetert de efficiëntie, omdat het werkpunt van de pomp altijd binnen het optimale bereik kan worden gehouden.

Onderhoud en service

Het onderhoud van een gesloten hydraulisch circuit vereist bijzondere aandacht, omdat de olie continu in het circuit circuleert en verontreinigingen zich niet in de tank kunnen afzetten, zoals in een open circuit. Deeltjes circuleren in het systeem totdat ze door het filter worden opgevangen of schade veroorzaken.

Oliekwaliteit en filtering

De zuiverheid van de olie is in een gesloten hydraulisch circuit kritischer dan in een open systeem. De bijvulleiding is het centrale punt voor de filtering, omdat hier alle bijgevulde verse olie door het filter stroomt. Hoogwaardige filterelementen met de juiste fijnheid zijn onontbeerlijk. Regelmatige olieanalyses geven inzicht in slijtagedeeltjes, watergehalte en veranderingen in viscositeit.

Temperatuurbeheer

Aangezien het gesloten hydraulische circuit geen natuurlijke koeling via een grote tank biedt, moet de olietemperatuur actief worden bewaakt en geregeld. De spoelklep voert een gedefinieerde volumestroom verwarmde olie uit het circuit af en leidt deze via een oliekoeler naar de voorraadtank. De afmetingen van de koeler moeten zijn afgestemd op het af te voeren vermogensverlies. Bij onvoldoende koeling stijgt de olietemperatuur, wat de viscositeit verlaagt, het draagvermogen van de smeerfilm vermindert en uiteindelijk leidt tot schade aan onderdelen.

Lekbewaking

De bijvulhoeveelheid is een directe indicator voor de toestand van het circuit. Als de bijvulbehoefte boven de gebruikelijke waarde van ongeveer 5 tot 10 procent van het hoofddebiet stijgt, duidt dit op verhoogde interne lekkages, die te wijten kunnen zijn aan slijtage aan zuigers, stuurplaten of afdichtingen. Een continue bewaking van de bijvulhoeveelheid maakt conditiegericht onderhoud mogelijk en voorkomt onverwachte uitval.

Voor- en nadelen van het gesloten hydraulische circuit

De keuze voor een gesloten hydraulisch circuit brengt specifieke voor- en nadelen met zich mee, die ontwerpers bij het ontwerp moeten afwegen.

Voordelen

• Hoge energie-efficiëntie: de pomp verpompt alleen het daadwerkelijk benodigde debiet. Bij deellast en stilstand daalt het energieverbruik aanzienlijk ten opzichte van open systemen met constantpompen.
• Compacte constructie: het ontbreken van een grote tank vermindert het bouwvolume en het gewicht van de installatie aanzienlijk.
• Snelle omkering: De draairichting wordt uitsluitend via de pompverstelling omgekeerd, zonder dat er wegventielen hoeven te worden omgeschakeld. Dit verkort de reactietijden.
• Nauwkeurige regeling: Toerental en koppel kunnen traploos en nauwkeurig worden ingesteld, wat onmisbaar is voor veeleisende rij- en positioneringstaken.
• Terugwinning van remenergie: Bij dalende lasten kan de motor als pomp werken en remenergie terugvoeren naar het circuit.

Nadelen

• Hogere systeemcomplexiteit: De benodigde extra componenten, zoals een bijvulpomp, spoelklep en terugslagkleppen, verhogen de kosten voor constructie en inbedrijfstelling.
• Beperkte mogelijkheid voor meerdere verbruikers: een gesloten hydraulisch circuit voorziet doorgaans één enkele verbruiker. Voor meerdere verbruikers zijn afzonderlijke circuits of complexe extra schakelingen nodig.
• Hogere eisen aan de zuiverheid van de olie: Verontreinigingen circuleren in het systeem en kunnen schade veroorzaken als ze niet tijdig worden gefilterd.
• Moeilijkere foutopsporing: De nauwe koppeling van de componenten en het ontbreken van visuele controle over de tank maken de diagnose complexer dan bij open systemen.

Normen en standaarden

De veiligheidstechnische eisen voor hydraulische installaties met een gesloten hydraulisch circuit worden geregeld door DIN ISO 4413. Deze norm legt voorschriften vast voor drukbegrenzing, lekgeleiding, markering en inbedrijfstelling. Daarnaast gelden de algemene eisen voor hydraulische vloeistoffen met betrekking tot viscositeit, temperatuurstabiliteit en zuiverheidsklasse. Fabrikanten zoals Bosch Rexroth, Danfoss en Liebherr bieden gedetailleerde ontwerprichtlijnen voor gesloten hydraulische circuits die verder gaan dan de normvereisten en beproefde dimensioneringsregels bevatten.