Blok hydrauliczny

Blok hydrauliczny, zwany również blokiem zaworowym lub blokiem sterującym, to solidny metalowy element, w którym wykonano otwory i kanały służące do przepływu płynu hydraulicznego. Służy on jako centralna jednostka rozdzielcza i montażowa dla zaworów i innych elementów hydraulicznych, które są przykręcane bezpośrednio do jego powierzchni. W ten sposób blok hydrauliczny zastępuje sieć pojedynczych rur i łączy elementy ze sobą za pomocą wewnętrznych kanałów.

Podstawy i budowa bloku hydraulicznego

Blok hydrauliczny stanowi strukturalny i przepływowy kręgosłup wielu instalacji hydraulicznych. Zamiast tworzyć każde połączenie między pompą, zaworami i odbiornikami za pomocą pojedynczych rur lub węży, blok integruje wszystkie ścieżki przepływu w swoim wnętrzu. Konstruktorzy montują elementy hydrauliczne bezpośrednio na obrobionych powierzchniach bloku, gdzie komunikują się one z kanałami wewnętrznymi za pomocą standardowych schematów przyłączeniowych.

Schemat otworów i przebieg kanałów

Schemat otworów opisuje rozmieszczenie i przebieg wszystkich otworów w bloku hydraulicznym. Każdy otwór stanowi kanał, którym przepływa olej pod ciśnieniem, olej powrotny lub olej wyciekający. W miejscach, gdzie kanały się krzyżują lub stykają, powstają przecięcia. Przecięcia te muszą być starannie zaplanowane, ponieważ niekorzystna geometria prowadzi do turbulencji przepływu i strat ciśnienia. Konstruktorzy dbają o to, aby kanały miały odpowiedni przekrój poprzeczny, a przejścia były jak najbardziej proste. Głębokie otwory często kończą się zaślepkami gwintowanymi, które pozostają dostępne z zewnątrz, aby w razie potrzeby można było wykorzystać otwory odpowietrzające lub kontrolne.

Powierzchnie montażowe i schematy przyłączy

Powierzchnia bloku hydraulicznego zawiera powierzchnie montażowe dla zaworów, dławików, zaworów zwrotnych lub zaworów ograniczających ciśnienie. Powierzchnie te są frezowane i wiercone zgodnie z ustalonymi normami, aby pasowały do nich komponenty różnych producentów. Schematy przyłączy określają położenie przyłączy ciśnieniowych, roboczych i powrotnych, a także otwory mocujące. Przestrzeganie tych norm zapewnia wymienność i ułatwia montaż.

Typy bloków hydraulicznych

Bloki hydrauliczne można podzielić według ich konstrukcji na kilka typów, z których każdy spełnia różne wymagania dotyczące elastyczności, zajmowanej przestrzeni i obciążenia ciśnieniowego.

Konstrukcja monoblokowa

W konstrukcji monoblokowej cały schemat przełączania jest umieszczony w jednym bloku. Wszystkie kanały, gniazda zaworów i przyłącza są połączone w tym jednym elemencie. Ta konstrukcja charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną i kompaktowością. Nadaje się do zastosowań o ograniczonej przestrzeni montażowej i wysokich ciśnieniach roboczych, w których schemat przełączania jest stały i nie ma potrzeby późniejszej rozbudowy. Zmiany w schemacie przełączania wymagają jednak nowego bloku.

Konstrukcja warstwowa i z płytami pośrednimi

W konstrukcji warstwowej konstruktorzy układają pojedyncze płyty jedna na drugiej, przy czym każda płyta zawiera zawór lub pełni określoną funkcję. Płyty pośrednie łączą sąsiednie zawory pod względem przepływu. Ta modułowa konstrukcja pozwala na późniejsze rozbudowanie bloku hydraulicznego lub wymianę funkcji bez konieczności ponownego wytwarzania całego bloku. Zawory są rozmieszczone w układzie wzdłużnym lub pionowym. Do tej konstrukcji przeznaczone są w szczególności zawory CETOP zgodne z normą ISO 4401.

Bloki specjalne dostosowane do potrzeb klienta

W przypadku złożonych lub nietypowych wymagań producenci wytwarzają bloki hydrauliczne dostosowane do potrzeb klienta. Te bloki specjalne często łączą elementy konstrukcji monoblokowej i warstwowej oraz dodatkowo integrują zawory wkręcane, przyłącza gwintowane lub uchwyty czujników w indywidualnie określonych pozycjach. Nakład konstrukcyjny jest większy, ale za to blok można optymalnie dopasować do instalacji.

Normy i interfejsy

Normalizacja powierzchni montażowych i schematów przyłączeniowych ma decydujące znaczenie dla kompatybilności bloków hydraulicznych i montowanych na nich zaworów.

ISO 4401 i CETOP

Norma ISO 4401, znana historycznie również jako CETOP RP 121H, definiuje standardowe powierzchnie montażowe dla zaworów kierunkowych. Norma określa rozmieszczenie otworów, średnice otworów i oznaczenia przyłączy. Typowe rozmiary to NG 03 (CETOP 03), NG 05 (CETOP 05) i NG 06 (CETOP 06). Oznaczenia przyłączy są zgodne z jednolitym schematem: P oznacza przyłącze ciśnieniowe, A i B przyłącza robocze do odbiornika, T powrót, a Y wyciek oleju. Ta standaryzacja pozwala na łączenie zaworów różnych producentów w tym samym bloku hydraulicznym.

DIN 24340 i inne normy

Norma DIN 24340 uzupełnia normę ISO 4401 o dalsze szczegóły dotyczące przyłączy zaworów i rozmiarów. Wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa całej instalacji hydraulicznej, w której zamontowany jest blok hydrauliczny, określa norma DIN ISO 4413. Norma ta reguluje takie aspekty, jak ograniczenie ciśnienia, monitorowanie wycieków i wyłączanie awaryjne, które mają również wpływ na konstrukcję bloku.

Materiały na bloki hydrauliczne

Wybór materiału zależy od ciśnienia roboczego, środowiska oraz wymagań dotyczących masy w danym zastosowaniu.

Bloki aluminiowe są stosowane przede wszystkim w zastosowaniach mobilnych, gdzie ważna jest waga. Bloki stalowe i żeliwne dominują w stacjonarnym sektorze przemysłowym, gdzie ciśnienia rzędu 350 barów i wyższe są normą. Stal nierdzewna jest zarezerwowana do zastosowań specjalnych, na przykład w odsalaniu wody morskiej lub w przemyśle chemicznym.

Produkcja bloków hydraulicznych

Produkcja bloku hydraulicznego wymaga precyzji, ponieważ wewnętrzne kanały muszą być dokładnie wypozycjonowane i wywiercone bez przecięć.

Obróbka CNC

Konwencjonalna produkcja odbywa się na wiertarkach i frezarkach sterowanych numerycznie (CNC). Z pełnego bloku materiałowego maszyny wiercą kanały w kilku osiach, wykonują gwinty i frezują powierzchnie montażowe. Głębokie otwory stawiają szczególne wymagania w zakresie prowadzenia narzędzi i chłodzenia, aby zapewnić dokładność wymiarową i jakość powierzchni. W miejscach przecięcia konstruktorzy stosują zaślepki gwintowane, które pozostają dostępne z zewnątrz i uszczelniają kanały.

Produkcja addytywna

Produkcja addytywna otwiera nowe możliwości dla bloku hydraulicznego. Zamiast wiercić kanały w litej masie, proces druku buduje strukturę kanałów warstwa po warstwie. Pozwala to na tworzenie zakrzywionych i rozgałęzionych kanałów bez przecięć i bez zatyczek. Według doniesień pozwala to zmniejszyć objętość bloku o ponad 50 procent, ponieważ nie są potrzebne żadne proste otwory ani otwory dostępowe. Produkcja addytywna nadaje się obecnie przede wszystkim do mniejszych bloków i zastosowań specjalnych, ponieważ dostępne rozmiary i wybór materiałów są nadal ograniczone.

Zasady projektowania i minimalizacja strat ciśnienia

Dobrze zaprojektowany blok hydrauliczny minimalizuje straty ciśnienia wynikające z tarcia, zmian kierunku przepływu i zmian przekroju w kanałach. Konstruktorzy przestrzegają przy tym kilku zasad:

• Wystarczające przekroje kanałów: Średnice otworów muszą być dostosowane do maksymalnego przepływu objętościowego. Zbyt wąskie przekroje zwiększają prędkość przepływu, a tym samym straty na tarcie.
• Krótkie i proste trasy: każda zmiana kierunku powoduje opór przepływu. Dlatego przebieg kanałów powinien być możliwie najbardziej bezpośredni i zawierać jak najmniej zmian kierunku.
• Gładkie powierzchnie: chropowatość powierzchni kanałów wierconych wpływa na tarcie. Kanały wiercone CNC osiągają wartości Ra poniżej 0, 8 µm, co jest wystarczające dla większości zastosowań.
• Płaskie kąty przecięcia: tam, gdzie kanały się krzyżują, płaskie kąty przejścia zmniejszają turbulencje. Konstruktorzy unikają prostopadłych przecięć, o ile pozwala na to przestrzeń montażowa.
• Symulacja CFD: Symulacje przepływu pomagają wcześnie wykryć i usunąć wąskie gardła oraz martwe strefy w schemacie otworów, zanim blok zostanie wyprodukowany.

Zastosowania bloków hydraulicznych

Bloki hydrauliczne znajdują zastosowanie w niemal wszystkich obszarach techniki płynów, gdzie konieczne jest kompaktowe i szczelne połączenie wielu zaworów.

• Mobilne maszyny robocze: koparki, dźwigi, ładowarki kołowe i ciągniki wykorzystują bloki hydrauliczne, aby w oszczędny sposób umieścić wiele zaworów sterujących. Ze względu na mniejszą wagę preferowane są tutaj bloki aluminiowe.
• Prasy i wtryskarki: W przetwórstwie tworzyw sztucznych i w dziedzinie obróbki plastycznej bloki hydrauliczne sterują złożonymi cyklami zamykania, prasowania i otwierania. Ciśnienia często wynoszą od 280 do 350 barów.
• Obrabiarki: W frezarkach i tokarkach CNC bloki hydrauliczne sterują urządzeniami mocującymi, zmieniaczami narzędzi oraz obiegami chłodziwa.
• Technika okrętowa i offshore: W tym przypadku stosuje się bloki ze stali nierdzewnej, które są odporne na korozyjne środowisko morskie i sterują mechanizmami sterowymi, wciągarkami oraz dźwigami pokładowymi.
• Huty i zakłady hutnicze: W walcowniach bloki hydrauliczne pracują w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem, sterując klatkami walcowniczymi i przenośnikami.

Konserwacja i utrzymanie

Sam blok hydrauliczny nie ma ruchomych części i dlatego zasadniczo nie wymaga częstej konserwacji. Niemniej jednak istnieją aspekty, na które operatorzy muszą zwracać uwagę.

Szczelność i korki

Korki gwintowane, które zamykają otwory przecinające, mogą się poluzować pod wpływem wibracji lub stać się nieszczelne w wyniku starzenia. Regularne kontrole wzrokowe pod kątem wycieków oleju w miejscach zamontowania korków należą do rutynowych przeglądów instalacji. W przypadku nieszczelności korki można dokręcić lub wymienić bez konieczności demontażu bloku.

Czystość oleju

Wewnętrzne kanały bloku hydraulicznego są trudno dostępne po zakończeniu produkcji. Zanieczyszczenia, które dostaną się do kanałów podczas montażu lub w wyniku starzenia się oleju, mogą negatywnie wpływać na działanie przykręcanych zaworów. Skuteczne filtrowanie oleju i przestrzeganie zalecanych terminów wymiany oleju mają zatem decydujące znaczenie dla żywotności bloku hydraulicznego.

Ochrona przed korozją

W przypadku bloków wykonanych z aluminium lub stali bez powłoki powierzchniowej skroplona woda na powierzchniach zewnętrznych może prowadzić do korozji, która w dłuższej perspektywie atakuje powierzchnie uszczelniające. Odpowiednia powłoka powierzchniowa lub lakierowanie chroni blok i zapewnia zachowanie wymiarów powierzchni montażowych.

Trendy rozwojowe

Rozwój bloków hydraulicznych charakteryzuje się kilkoma trendami. Produkcja addytywna umożliwia tworzenie coraz bardziej złożonych geometrii kanałów, których nie da się wykonać przy użyciu konwencjonalnych technik wiercenia. Zintegrowanie uchwytów czujników bezpośrednio w bloku pozwala na pomiar ciśnienia, temperatury i natężenia przepływu w centralnych punktach bez konieczności stosowania dodatkowych punktów przyłączeniowych. Jednocześnie cyfryzacja sprzyja wykorzystaniu symulacji CFD i automatycznego generowania schematów wiercenia, co skraca czas projektowania i poprawia jakość bloków pod względem przepływu. HK Hydraulik towarzyszy tym zmianom, oferując szeroką gamę standardowych i specjalnych bloków, które można dostosować do zmieniających się wymagań.