Open hydraulisch circuit

Een open hydraulisch circuit beschrijft een hydraulische schakelstructuur waarbij de hydraulische vloeistof van de pomp via wegkleppen en verbruikers terugstroomt naar de tank en daar wordt opgevangen in een atmosferisch geventileerde voorraadbak. Deze vorm van circuit is vooral gangbaar in de mobiele hydraulica, omdat het een eenvoudige opbouw biedt en een effectieve warmteafvoer mogelijk maakt.

Opbouw en werkingsprincipe

Het open hydraulische circuit bestaat uit verschillende essentiële componenten die in een bepaalde volgorde zijn gerangschikt. De hydraulische pomp zuigt hydraulische olie uit een open tank en voert deze met een constant of regelbaar debiet naar het systeem. Van daaruit stroomt de vloeistof via drukleidingen naar de wegeventielen, die als regelelementen fungeren en de oliestroom naar de afzonderlijke verbruikers leiden.

De verbruikers kunnen hydraulische cilinders voor lineaire bewegingen of hydraulische motoren voor roterende aandrijvingen zijn. Na door de verbruikers te zijn gestroomd, vloeit de olie via retourleidingen terug naar de tank. Deze gesloten weg van de hydraulische vloeistof is: pomp, verbruiker, tank, pomp. De tank staat daarbij open naar de atmosfeer, wat de benaming “open circuit” rechtvaardigt.

Een drukbegrenzingsventiel (DBV) beschermt het systeem tegen ongeoorloofde hoge drukken. Het wordt als veiligheidsklep parallel aan de pomp geschakeld en opent bij het bereiken van de ingestelde maximale druk om overtollige olie rechtstreeks naar de tank af te voeren. Tussen de pomp en het drukbegrenzingsventiel mag geen afsluiting door een klep mogelijk zijn.

Neutrale stand en oliestroom

In de neutrale stand van de wegkleppen, wanneer er geen beweging van de verbruikers mag plaatsvinden, is de doorgang van de drukzijde (P) naar de tankzijde (T) in de klep geopend. De hydraulische olie stroomt daarbij vrijwel drukloos door de hydraulische kleppen terug naar de tank. De druk in het systeem stijgt pas wanneer een wegklep wordt bediend en de olie wordt omgeleid naar een verbruiker die een tegendruk opbouwt.

Deze werking verschilt fundamenteel van andere systemen: de olie circuleert continu zonder dat er permanent hoge druk op staat. Pas wanneer een verbruiker erom vraagt, wordt de benodigde werkdruk gegenereerd.

Soorten pompen in een open circuit

Hydraulische installaties met een drukbron werken over het algemeen in een open circuit. Als drukbron worden verschillende soorten pompen gebruikt. Constante pompen, zoals tandwielpompen, leveren een constant debiet, ongeacht de belasting. Ze worden gekenmerkt door een eenvoudige constructie, robuustheid en lage kosten.

Binnenwielpompen bieden bovendien een laag geluidsniveau, wat ze aantrekkelijk maakt voor werktuigmachines en mobiele toepassingen. Tandwielpompen volgens het gerotorprincipe maken zeer lage aandrijfsnelheden van 10 tot 250 tpm mogelijk en zijn daarom geschikt voor directe aandrijvingen zonder tussenversnellingsbak.

Als alternatief kunnen ook regelbare pompen worden gebruikt, die het debiet aanpassen aan de werkelijke behoefte. In combinatie met load-sensing-systemen kan de efficiëntie aanzienlijk worden verhoogd, omdat alleen de momenteel benodigde hoeveelheid olie wordt gepompt.

Parallelle en meervoudige bewegingen

Een belangrijk kenmerk van het open circuit is het gedrag bij meervoudige bewegingen. Als meerdere verbruikers tegelijkertijd worden gebruikt, wordt het debiet verdeeld over de weerstanden. De olie volgt de weg van de minste weerstand, wat kan leiden tot verschillende snelheden van de verbruikers.

Bij een parallelle schakeling van meerdere verbruikers is de snelheid van elke cilinder of motor afhankelijk van de belastingsverhouding. Een verbruiker met een lage belastingsweerstand krijgt meer volumestroom dan een verbruiker met een hoge weerstand. Voor nauwkeurige meervoudige bewegingen zijn daarom aanvullende maatregelen nodig, zoals stroomverdelerventielen of individuele debietregelaars voor elke verbruiker.

Het beschikbare totale debiet van de pomp beperkt het aantal en de snelheid van gelijktijdig werkende functies. Hoe meer verbruikers parallel werken, hoe langzamer de afzonderlijke actuatoren bewegen, omdat het totale volumestroom wordt verdeeld.

Voordelen van het open circuit

Het open hydraulische circuit biedt verschillende technische en economische voordelen. De eenvoudige opbouw vermindert de investerings- en onderhoudskosten aanzienlijk. Het aantal benodigde componenten is overzichtelijk, wat de kans op storingen minimaliseert.

De warmteafvoer is een belangrijk voordeel. Omdat de hydraulische olie continu door de tank stroomt, kan de gegenereerde warmte daar aan de omgeving worden afgegeven. De tank fungeert als warmtewisselaar en koelreservoir. Indien nodig kunnen externe oliekoelers eenvoudig in de retourleiding worden geïntegreerd.

De atmosferisch geventileerde tank maakt een eenvoudige compensatie van volumeveranderingen door temperatuur- en drukschommelingen mogelijk. Verontreinigingen kunnen zich in de tank afzetten en de oliekwaliteit kan worden gehandhaafd door terugloopfilters. De open toegang vergemakkelijkt het onderhoud en de controle van het oliepeil.

Olielekkage bij cilinders en kleppen vormen geen probleem, omdat er voortdurend verse olie uit de tank wordt aangevoerd. Er is geen voedingspomp nodig om lekkages te compenseren.

Nadelen en beperkingen

Het open circuit heeft ook beperkingen. De continue oliecirculatie veroorzaakt stromingsverliezen die als warmte moeten worden afgevoerd. Bij constante pompen wordt in de neutrale stand het volledige debiet via de wegklep drukloos in de tank gepompt, wat een slecht rendement tot gevolg heeft.

Het energieverbruik is hoger dan bij gesloten systemen met regelbare pompen, omdat de pomp ook pompt wanneer er geen verbruikers zijn geactiveerd. Load-sensing-systemen kunnen dit nadeel verminderen, maar verhogen de complexiteit van het systeem.

De reactietijd is langer dan bij gesloten circuits, omdat de druk pas moet worden opgebouwd wanneer een klep wordt bediend. Voor zeer dynamische toepassingen met snelle bewegingsomkeringen is het open circuit daarom minder geschikt.

De tank moet voldoende groot zijn om warmteafvoer, ontluchting en vuilafscheiding te garanderen. Dit verhoogt het gewicht en de benodigde ruimte van de totale installatie.

Toepassingsgebieden

De open hydraulische kringloop domineert in de mobiele hydraulica. Bouwmachines zoals graafmachines, wielladers, kranen en vorkheftrucks gebruiken deze schakelstructuur voor hun werkfuncties. De eenvoud en robuustheid zijn hier doorslaggevende factoren, omdat deze machines onder zware omstandigheden betrouwbaar moeten werken.

In de landbouwtechniek worden open circuits gebruikt in tractoren, maaidorsers en zelfrijdende werktuigen. De besturing van frontladers, aanbouwapparatuur of hefinrichtingen gebeurt doorgaans via wegkleppen in open systemen.

Stationaire toepassingen zijn te vinden in werktuigmachines, persen en productie-installaties, wanneer er geen hoge eisen worden gesteld aan dynamiek en energie-efficiëntie. Voor eenvoudige hef-, span- en persprocessen is het open circuit een economische oplossing.

Overal waar meerdere onafhankelijke functies met verschillende belastingscycli moeten worden aangestuurd, biedt het open circuit flexibiliteit en eenvoudige uitbreidbaarheid.

Vergelijking met de gesloten kringloop

In de gesloten hydraulische kringloop wordt de olie door de verbruiker rechtstreeks terug naar de pomp geleid, zonder omweg via de tank. Deze schakeling wordt vooral aangetroffen bij hydrostatische transmissies met een regelpomp en een hydromotor, bijvoorbeeld voor aandrijvingen.

De gesloten kringloop maakt 4-kwadrantwerking mogelijk, d. w. z. aandrijving en remmen in beide draairichtingen. De bewegingsrichting wordt bepaald door de zwenkrichting van de regelpomp. De reactietijden zijn korter omdat het systeem permanent onder druk staat.

Het gesloten circuit is echter constructief complexer. Het heeft een voedingspomp nodig om lekverliezen te compenseren en voor koeling. De warmteafvoer is moeilijker, omdat de olie in het werkcircuit blijft. Extra componenten zoals spoelklepjes en circuitveiligheidskleppen verhogen de complexiteit en de kosten.

Voor pure cilinder aandrijvingen zonder energieterugwinning biedt het gesloten circuit nauwelijks voordelen. De sterke punten liggen bij omkeerbare aandrijvingen met frequente richtingsveranderingen en hoge dynamische eisen.

Efficiëntieverhoging door load sensing

Moderne open circuits maken gebruik van load-sensing-technologie om de energie-efficiëntie te verbeteren. Hierbij past een regelpomp het debiet automatisch aan de behoefte van de verbruikers aan. Een meetleiding registreert de hoogste belastingsdruk in het systeem en de pomp past het debiet zo aan dat er slechts een geringe drukval over de kleppen ontstaat.

Dit vermindert de smoorsverliezen en warmteontwikkeling aanzienlijk. Het energieverbruik daalt, omdat de pomp alleen de daadwerkelijk benodigde hoeveelheid olie levert. In de neutrale stand wordt het debiet tot een minimum beperkt, waardoor het vermogensverlies vrijwel wordt geëlimineerd.

Load-sensing-systemen vereisen speciale kleppen met LS-aansluitingen en een overeenkomstig uitgeruste regelpomp. De investeringskosten zijn hoger, maar worden terugverdiend door energiebesparing en een lagere thermische belasting.

Belangrijke ontwerpcriteria

Bij het ontwerp van een open hydraulisch circuit moet met verschillende parameters rekening worden gehouden. De pomp moet zo worden gedimensioneerd dat deze het piekdebiet van alle gelijktijdig werkende verbruikers kan leveren. Bovendien moet een veiligheidsmarge van 10 tot 20 procent worden ingecalculeerd.

De grootte van de tank is afhankelijk van de verblijftijd van de olie, die moet zorgen voor voldoende warmteafvoer en ontluchting. Als richtwaarde geldt twee tot drie keer het pompdebiet per minuut. Bij een hogere thermische belasting kunnen oliekoelers nodig zijn.

De leidingdiameters moeten zo worden gekozen dat de stroomsnelheid in drukleidingen niet hoger is dan 4 tot 6 meter per seconde en in retourleidingen niet hoger dan 2 tot 3 meter per seconde. Te hoge snelheden veroorzaken drukverlies, opwarming en cavitatie.

De drukbegrenzingsklep wordt ingesteld op ongeveer 10 tot 20 procent boven de maximale werkdruk. Deze dient uitsluitend als veiligheidselement en mag bij normaal bedrijf niet worden geactiveerd.

Samenvatting

Het open hydraulische circuit is de meest voorkomende schakelstructuur in de mobiele hydraulica. De sterke punten zijn de eenvoudige opbouw, de goede warmteafvoer en het ongecompliceerde onderhoud. Voor toepassingen met meerdere onafhankelijke verbruikers, verschillende belastingscycli en gematigde dynamische eisen is dit de economisch optimale oplossing.

Door het gebruik van moderne regelconcepten zoals load-sensing kunnen de traditionele nadelen op het gebied van energie-efficiëntie aanzienlijk worden verminderd. De combinatie van beproefde technologie en intelligente besturing maakt het open circuit ook aantrekkelijk voor toekomstige toepassingen waarbij betrouwbaarheid en onderhoudsvriendelijkheid voorop staan.