Zamknięty obwód hydrauliczny

Zamknięty obieg hydrauliczny to koncepcja obiegu w hydraulice, w której płyn hydrauliczny krąży bezpośrednio między pompą a odbiornikiem, bez przepływu przez zbiornik bezciśnieniowy. Przewód powrotny silnika jest połączony ze stroną ssącą pompy, tworząc w ten sposób zamknięty obieg płynu. Zamknięte obwody hydrauliczne są stosowane przede wszystkim tam, gdzie wymagana jest wysoka dynamika, kompaktowa konstrukcja i płynna zmiana kierunku obrotów.

Podstawy i działanie zamkniętego obwodu hydraulicznego

Zamknięty obieg hydrauliczny różni się zasadniczo od obiegu otwartego sposobem przepływu płynu. Zamiast odprowadzać olej do zbiornika po każdym cyklu roboczym, przewód niskociśnieniowy kieruje płyn bezpośrednio z powrotem do strony ssącej pompy. System działa jako zamknięty obieg, w którym olej hydrauliczny przepływa w sposób ciągły między pompą a silnikiem. Kierunek obrotów i prędkość obrotową odbiornika można regulować wyłącznie poprzez regulację pompy, bez konieczności stosowania zaworów kierunkowych.

Wzrost ciśnienia i przepływ płynu

Pompa, zazwyczaj pompa o zmiennej wydajności z tłokami osiowymi, tłoczy olej pod wysokim ciśnieniem do silnika. Silnik przekształca energię hydrauliczną w mechaniczną energię obrotową i kieruje olej po stronie niskiego ciśnienia z powrotem do pompy. Ponieważ w tym obwodzie nie ma dużego zbiornika pełniącego rolę bufora, ciśnienie w układzie musi być aktywnie regulowane na obu przewodach. Typowe ciśnienia robocze w zamkniętych obwodach hydraulicznych wynoszą od 300 do 450 barów, a w specjalnych zastosowaniach mogą osiągać nawet 500 barów.

Rola pompy uzupełniającej

Zamknięty obieg hydrauliczny nie może działać bez dodatkowych elementów, ponieważ nieuniknione wycieki z pompy i silnika powodują utratę objętości płynu z obiegu. Pompa uzupełniająca, najczęściej w wersji pompy stałej, wyrównuje tę różnicę objętości. Pompa ta tłoczy świeży olej z małego zbiornika do strony niskiego ciśnienia obwodu, utrzymując w ten sposób minimalne ciśnienie. Typowe ciśnienia uzupełniające wynoszą od 10 do 30 barów. To ciśnienie wstępne zapobiega kawitacji po stronie ssącej pompy głównej i zapewnia, że obieg pozostaje zawsze całkowicie wypełniony płynem.

Elementy zamkniętego obiegu hydraulicznego

Oprócz pompy i silnika zamknięty obieg hydrauliczny wymaga kilku dodatkowych elementów, które zapewniają i chronią jego działanie. Każdy z tych elementów pełni określoną funkcję, która w obiegu otwartym jest realizowana przez zbiornik lub prostsze konstrukcje zaworów.

Zawór spłukujący

Zawór spłukujący odprowadza część podgrzanego oleju ze strony niskiego ciśnienia obwodu i kieruje go przez chłodnicę do zbiornika. Ponieważ olej w obwodzie zamkniętym nie krąży przez zbiornik, brakuje naturalnego odprowadzania ciepła. Bez zaworu spłukującego temperatura oleju stale by rosła, co zmieniałoby jego lepkość i skracało żywotność elementów. Dodawana ilość świeżego oleju zastępuje jednocześnie odprowadzony olej ciepły, co zapewnia ciągłą wymianę.

Zawory ograniczające ciśnienie

Zawory ograniczające ciśnienie po obu stronach obiegu chronią układ przed niedopuszczalnymi skokami ciśnienia. Szczególnie podczas szybkich zmian kierunku lub nagłych zmian obciążenia mogą wystąpić krótkotrwałe skoki ciśnienia, które powodują przeciążenie elementów. Zawory otwierają się po osiągnięciu ustawionego ciśnienia granicznego i kierują olej ze strony wysokiego ciśnienia na stronę niskiego ciśnienia. W wielu wersjach zawory te są zintegrowane bezpośrednio z pompą lub silnikiem.

Zawory zwrotne

Zawory zwrotne na przewodzie uzupełniającym zapewniają, że olej uzupełniający zawsze przepływa do przewodu znajdującego się aktualnie po stronie niskiego ciśnienia. Ponieważ podczas zmiany kierunku strony wysokiego i niskiego ciśnienia zamieniają się miejscami, zawory zwrotne muszą automatycznie dostosować się do tej zmiany. Jednocześnie zapobiegają one cofaniu się oleju pod ciśnieniem z obwodu głównego do przewodu uzupełniającego.

Obieg hydrauliczny zamknięty w porównaniu z obiegiem otwartym

Porównanie obiegu zamkniętego i otwartego pokazuje mocne i słabe strony obu koncepcji. Wybór koncepcji obiegu zależy od wymagań danego zastosowania.

Obieg otwarty ma zalety w prostszych zastosowaniach z wieloma odbiornikami, ponieważ centralny zbiornik zapewnia zasilanie olejem wszystkich obiegów. Zamknięty obieg hydrauliczny sprawdza się tam, gdzie pojedynczy napęd wymaga dużej dynamiki i efektywności energetycznej.

Obszary zastosowań zamkniętego obwodu hydraulicznego

Zamknięte obwody hydrauliczne znajdują zastosowanie zarówno w hydraulice mobilnej, jak i w stacjonarnych instalacjach przemysłowych. Wspólnymi wymaganiami tych zastosowań są wysoka gęstość mocy, płynna regulacja prędkości obrotowej i momentu obrotowego oraz możliwość szybkiej zmiany kierunku obrotów.

Hydraulika mobilna

W hydraulice mobilnej zamknięte obwody hydrauliczne dominują w napędach jezdnych ładowarek kołowych, koparek i ładowarek teleskopowych. Również napędy wciągarek na dźwigach i statkach, a także napędy obrotowe mechanizmów obrotowych działają w oparciu o tę koncepcję obiegu. Kompaktowa konstrukcja bez dużego zbiornika stanowi decydującą zaletę w pojazdach, w których przestrzeń montażowa i masa są ograniczone. Płynne sterowanie jazdą poprzez regulację pompy umożliwia precyzyjne manewrowanie i hamowanie za pomocą układu hydraulicznego, co zmniejsza zużycie hamulców mechanicznych.

Stacjonarne instalacje przemysłowe

W zastosowaniach stacjonarnych zamknięte obwody hydrauliczne są wykorzystywane w prasach, wtryskarkach i walcowniach. Również stanowiska testowe i urządzenia kontrolne wykorzystują tę koncepcję, gdy wymagane są krótkie czasy cyklu i powtarzalne profile ruchu. Przekładnie przemysłowe i napędy wentylatorów korzystają z wysokiej wydajności i możliwości zmiany kierunku obrotów bez dodatkowych zaworów kierunkowych. W odlewniach i walcowniach kompaktowe systemy o minimalnej objętości oleju umożliwiają stosowanie napędów o dużej mocy na ograniczonej przestrzeni.

Sterowanie i regulacja w zamkniętym obwodzie hydraulicznym

Sterowanie zamkniętym obiegiem hydraulicznym odbywa się przede wszystkim poprzez regulację pompy głównej. Kąt obrotu pompy tłokowej osiowej określa kierunek przepływu i natężenie przepływu, co pozwala na bezpośrednią kontrolę kierunku obrotów i prędkości obrotowej silnika. To bezpośrednie sprzężenie między regulacją pompy a pracą silnika zapewnia krótki czas reakcji i wysoką jakość regulacji.

Sterowanie hydrauliczne

W przypadku sterowania czysto hydraulicznego mechanizm regulacji pompy jest uruchamiany za pomocą ciśnień sterujących. Zawory DA (zawory ciśnieniowe i przepływowe) regulują regulację w zależności od ciśnienia w układzie i pożądanego zachowania pojazdu. Rozwiązanie to jest często stosowane w prostych układach napędowych, gdzie sterowanie elektroniczne nie jest wymagane.

Sterowanie elektrohydrauliczne

Nowoczesne zamknięte obwody hydrauliczne coraz częściej wykorzystują regulację elektrohydrauliczną. Zawory proporcjonalne sterują mechanizmem regulacyjnym pompy na podstawie sygnałów elektrycznych z nadrzędnego układu sterowania. Umożliwia to integrację z systemami zautomatyzowanymi, które precyzyjnie ustawiają i monitorują punkty pracy. Czujniki rejestrują ciśnienie, temperaturę i prędkość obrotową w czasie rzeczywistym i udostępniają dane układowi sterowania w celu adaptacyjnej regulacji. Regulacja elektrohydrauliczna poprawia wydajność, ponieważ punkt pracy pompy może być zawsze utrzymywany w optymalnym zakresie.

Konserwacja i utrzymanie

Konserwacja zamkniętego obwodu hydraulicznego wymaga szczególnej uwagi, ponieważ olej krąży w obwodzie w sposób ciągły, a zanieczyszczenia nie mogą osadzać się w zbiorniku, jak ma to miejsce w obwodzie otwartym. Cząsteczki krążą w układzie, dopóki nie zostaną wychwycone przez filtr lub nie spowodują uszkodzeń.

Jakość oleju i filtrowanie

Czystość oleju ma większe znaczenie w zamkniętym obwodzie hydraulicznym niż w układzie otwartym. Przewód uzupełniający jest kluczowym punktem filtrowania, ponieważ to właśnie tam cała uzupełniana świeża ilość oleju przechodzi przez filtr. Niezbędne są wysokiej jakości wkłady filtracyjne o odpowiedniej dokładności. Regularne analizy oleju dostarczają informacji na temat cząstek zużycia, zawartości wody i zmian lepkości.

Zarządzanie temperaturą

Ponieważ zamknięty obieg hydrauliczny nie zapewnia naturalnego chłodzenia za pomocą dużego zbiornika, temperatura oleju musi być aktywnie monitorowana i regulowana. Zawór spłukujący odprowadza określony przepływ ogrzanego oleju z obiegu i kieruje go przez chłodnicę oleju do zbiornika zapasowego. Wymiary chłodnicy muszą być dostosowane do mocy rozpraszanej, którą ma odprowadzać. W przypadku niewystarczającego chłodzenia wzrasta temperatura oleju, co obniża jego lepkość, zmniejsza nośność filmu smarnego i ostatecznie prowadzi do uszkodzeń elementów.

Monitorowanie wycieków

Ilość uzupełnianego oleju jest bezpośrednim wskaźnikiem stanu obiegu. Jeśli zapotrzebowanie na uzupełnienie przekracza typową wartość wynoszącą około 5 do 10 procent głównego przepływu objętościowego, wskazuje to na zwiększone wycieki wewnętrzne, które mogą wynikać ze zużycia tłoków, tarcz sterujących lub uszczelek. Ciągłe monitorowanie ilości uzupełnianego płynu umożliwia konserwację opartą na stanie i zapobiega nieoczekiwanym awariom.

Zalety i wady zamkniętego obwodu hydraulicznego

Decyzja o zastosowaniu zamkniętego obwodu hydraulicznego wiąże się z konkretnymi zaletami i wadami, które konstruktorzy muszą rozważyć podczas projektowania.

Zalety

• Wysoka efektywność energetyczna: Pompa tłoczy tylko faktycznie potrzebny przepływ objętościowy. Przy częściowym obciążeniu i w stanie spoczynku zużycie energii znacznie spada w porównaniu z systemami otwartymi z pompami stałoprężnymi.
• Kompaktowa konstrukcja: rezygnacja z dużego zbiornika znacznie zmniejsza objętość i masę instalacji.
• Szybka zmiana kierunku obrotów: zmiana kierunku obrotów odbywa się wyłącznie poprzez regulację pompy, bez konieczności przełączania zaworów kierunkowych. Skraca to czas reakcji.
• Precyzyjna regulacja: prędkość obrotową i moment obrotowy można regulować płynnie i precyzyjnie, co jest niezbędne w przypadku wymagających zadań związanych z jazdą i pozycjonowaniem.
• Odzysk energii hamowania: podczas opuszczania ładunku silnik może pracować jako pompa i oddawać energię hamowania z powrotem do obwodu.

Wady

• Większa złożoność systemu: Niezbędne elementy dodatkowe, takie jak pompa uzupełniająca, zawór spłukujący i zawory zwrotne, zwiększają nakłady związane z konstrukcją i uruchomieniem.
• Ograniczona możliwość podłączenia wielu odbiorników: Zamknięty obieg hydrauliczny zazwyczaj zasila pojedynczy odbiornik. W przypadku wielu odbiorników konieczne są oddzielne obiegi lub skomplikowane obwody dodatkowe.
• Wyższe wymagania dotyczące czystości oleju: zanieczyszczenia krążą w układzie i mogą powodować uszkodzenia, jeśli nie zostaną odpowiednio wcześnie odfiltrowane.
• Bardziej skomplikowane wykrywanie usterek: ścisłe powiązanie komponentów i brak wizualnej kontroli nad zbiornikiem sprawiają, że diagnostyka jest bardziej złożona niż w przypadku układów otwartych.

Normy i standardy

Wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa instalacji hydraulicznych z zamkniętym obiegiem hydraulicznym reguluje norma DIN ISO 4413. Norma ta określa wytyczne dotyczące ograniczenia ciśnienia, prowadzenia wycieków, oznakowania i uruchomienia. Ponadto obowiązują ogólne wymagania dotyczące płynów hydraulicznych w zakresie lepkości, stabilności temperaturowej i klasy czystości. Producenci tacy jak Bosch Rexroth, Danfoss i Liebherr oferują szczegółowe wskazówki projektowe dotyczące zamkniętych obwodów hydraulicznych, które wykraczają poza wymagania norm i zawierają sprawdzone w praktyce zasady wymiarowania.