Circuit hidraulic deschis

Un circuit hidraulic deschis descrie o structură de circuit hidraulic în care lichidul hidraulic curge înapoi de la pompă la rezervor prin supape de distribuție și consumatoare, unde este colectat într-un rezervor de stocare ventilat atmosferic. Acest tip de circuit este deosebit de răspândit în hidraulica mobilă, deoarece oferă o structură simplă și permite o disipare eficientă a căldurii.

Structură și principiu de funcționare

Circuitul hidraulic deschis este format din mai multe componente esențiale, dispuse într-o ordine definită. Pompa hidraulică aspiră uleiul hidraulic dintr-un rezervor deschis și îl transportă în sistem cu un debit constant sau reglabil. De acolo, lichidul ajunge prin conducte de presiune la distribuitoarele care funcționează ca elemente de control și direcționează fluxul de ulei către consumatorii individuali.

Consumatorii pot fi cilindri hidraulici pentru mișcări liniare sau motoare hidraulice pentru acționări rotative. După trecerea prin consumatori, uleiul se întoarce în rezervor prin conducte de retur. Acest circuit închis al lichidului hidraulic este: pompă, consumator, rezervor, pompă. Rezervorul este deschis către atmosferă, ceea ce justifică denumirea de „circuit deschis”.

O supapă de limitare a presiunii (DBV) protejează sistemul împotriva presiunilor excesive. Aceasta este conectată ca supapă de siguranță în paralel cu pompa și se deschide la atingerea presiunii maxime setate, pentru a devia uleiul în exces direct în rezervor. Între pompă și supapa de limitare a presiunii nu trebuie să existe nicio barieră sub formă de supapă.

Poziția neutră și fluxul de ulei

În poziția neutră a supapelor de distribuție, când nu trebuie să aibă loc nicio mișcare a consumatorilor, trecerea de la partea de presiune (P) la partea de rezervor (T) în supapă este deschisă. Uleiul hidraulic curge aproape fără presiune prin supapele hidraulice înapoi în rezervor. Presiunea din sistem crește numai atunci când este acționată o supapă de distribuție și uleiul este deviat către un consumator care creează o contrapresiune.

Acest mod de funcționare diferă fundamental de alte sisteme: uleiul circulă continuu, fără a exista o presiune ridicată permanentă. Doar cererea unui consumator generează presiunea de lucru necesară.

Tipuri de pompe în circuit deschis

Sistemele hidraulice cu sursă de presiune funcționează, în general, în circuit deschis. Ca sursă de presiune se utilizează diferite tipuri de pompe. Pompele constante, cum ar fi pompele cu roți dințate, transportă un debit constant, indiferent de starea de încărcare. Acestea se caracterizează prin structura simplă, robustețe și costuri reduse.

Pompele cu roți dințate interne oferă în plus un nivel de zgomot redus, ceea ce le face atractive pentru mașini-unelte și aplicații mobile. Pompele cu inel dințat după principiul gerotorului permit turații de acționare foarte mici, de la 10 la 250 rpm, și sunt therefore potrivite pentru acționări directe fără reductor intermediar.

Alternativ, se pot utiliza și pompe cu debit variabil, care adaptează debitul volumetric la necesarul real. În combinație cu sistemele de detectare a sarcinii, eficiența poate fi crescută semnificativ, deoarece este pompată doar cantitatea de ulei necesară în momentul respectiv.

Mișcări paralele și multiple

O caracteristică importantă a circuitului deschis este comportamentul în cazul mișcărilor multiple. Dacă mai mulți consumatori sunt acționați simultan, debitul volumetric se împarte în funcție de rezistențe. Uleiul urmează calea celei mai mici rezistențe, ceea ce poate duce la viteze diferite ale consumatorilor.

În cazul conectării în paralel a mai multor consumatori, viteza fiecărui cilindru sau motor depinde de raportul de sarcină. Un consumator cu o rezistență redusă la sarcină primește un debit mai mare decât unul cu o rezistență ridicată. Prin urmare, pentru mișcări multiple precise sunt necesare măsuri suplimentare, cum ar fi supape de distribuție a curentului sau regulatoare de debit individuale pentru fiecare consumator.

Debitul total disponibil al pompei limitează numărul și viteza funcțiilor operate simultan. Cu cât mai mulți consumatori funcționează în paralel, cu atât mai lent se mișcă actorii individuali, deoarece debitul total este împărțit.

Avantajele circuitului deschis

Circuitul hidraulic deschis oferă mai multe avantaje tehnice și economice. Structura simplă reduce considerabil costurile de investiție și de întreținere. Numărul de componente necesare este ușor de gestionat, ceea ce minimizează riscul de erori.

Disiparea căldurii reprezintă un avantaj central. Deoarece uleiul hidraulic circulă continuu prin rezervor, căldura generată poate fi transferată în mediul înconjurător. Rezervorul funcționează ca schimbător de căldură și rezervor de răcire. Dacă este necesar, răcitoarele de ulei externe pot fi integrate cu ușurință în conducta de retur.

Rezervorul ventilat atmosferic permite compensarea ușoară a modificărilor de volum cauzate de fluctuațiile de temperatură și presiune. Impuritățile se pot depune în rezervor, iar calitatea uleiului poate fi menținută prin filtre de retur. Accesul deschis facilitează întreținerea și controlul nivelului uleiului.

Pierderile de ulei din cilindri și supape nu reprezintă o problemă, deoarece uleiul proaspăt este alimentat permanent din rezervor. Nu este necesară o pompă de alimentare pentru a compensa scurgerile.

Dezavantaje și limite

Circuitul deschis prezintă și limitări. Circulația continuă a uleiului generează pierderi de debit, care trebuie eliminate sub formă de căldură. În cazul pompelor constante, în poziția neutră, întreaga capacitate de pompare este pompată fără presiune în rezervor prin intermediul distribuitorului, ceea ce duce la un randament slab.

Consumul de energie este mai mare decât în cazul sistemelor închise cu pompe reglabile, deoarece pompa funcționează chiar și atunci când nu sunt activate consumatoare. Sistemele de detectare a sarcinii pot reduce acest dezavantaj, dar cresc complexitatea sistemului.

Timpul de reacție este mai lung decât în cazul circuitelor închise, deoarece presiunea trebuie să fie generată mai întâi la acționarea unei valve. Prin urmare, circuitul deschis este mai puțin potrivit pentru aplicații foarte dinamice cu inversări rapide de mișcare.

Rezervorul trebuie să fie dimensionat suficient pentru a asigura disiparea căldurii, aerisirea și separarea impurităților. Acest lucru crește greutatea și spațiul necesar pentru întreaga instalație.

Domenii de aplicare

Circuitul hidraulic deschis domină în domeniul hidraulicii mobile. Utilajele de construcții, cum ar fi excavatoarele, încărcătoarele pe roți, macaralele și stivuitoarele, utilizează această structură de circuit pentru funcțiile lor de lucru. Simplitatea și robustețea sunt factori decisivi în acest caz, deoarece aceste mașini trebuie să funcționeze în mod fiabil în condiții dificile.

În tehnologia agricolă, circuitele deschise sunt utilizate la tractoare, combine agricole și mașini de lucru autopropulsate. Comanda încărcătoarelor frontale, a echipamentelor atașate sau a dispozitivelor de ridicare se realizează de obicei prin intermediul supapelor de distribuție în sisteme deschise.

Aplicațiile staționare se regăsesc în mașini-unelte, prese și instalații de producție, atunci când nu sunt impuse cerințe maxime în ceea ce privește dinamica și eficiența energetică. Pentru operațiuni simple de ridicare, strângere și presare, circuitul deschis este o soluție economică.

Oriunde trebuie controlate mai multe funcții independente cu cicluri de sarcină diferite, circuitul deschis oferă flexibilitate și o extensibilitate ușoară.

Comparație cu circuitul închis

În circuitul hidraulic închis, uleiul este condus direct de la consumator înapoi la pompă, fără a trece prin rezervor. Acest circuit se regăsește în special la transmisiile hidrostatice cu pompă variabilă și motor hidraulic, de exemplu pentru transmisiile de deplasare.

Circuitul închis permite funcționarea în 4 cadrane, adică acționarea și frânarea în ambele sensuri de rotație. Direcția de mișcare este determinată de direcția de pivotare a pompei variabile. Timpii de reacție sunt mai scurți, deoarece sistemul este permanent sub presiune.

Cu toate acestea, circuitul închis este mai complex din punct de vedere constructiv. Acesta necesită o pompă de alimentare pentru compensarea pierderilor prin scurgeri și pentru răcire. Disiparea căldurii este mai dificilă, deoarece uleiul rămâne în circuitul de lucru. Componentele suplimentare, cum ar fi supapele de spălare și supapele de siguranță ale circuitului, sporesc complexitatea și costurile.

Pentru acționările cu cilindri puri fără recuperare de energie, circuitul închis nu oferă aproape niciun avantaj. Punctele sale forte sunt acționările reversibile cu schimbări frecvente de direcție și cerințe dinamice ridicate.

Creșterea eficienței prin detectarea sarcinii

Circuitele deschise moderne utilizează tehnologia Load-Sensing pentru a îmbunătăți eficiența energetică. O pompă variabilă adaptează automat debitul la necesarul consumatorilor. O conductă de măsurare înregistrează cea mai mare presiune de sarcină din sistem, iar pompa reglează debitul astfel încât să se producă doar o cădere de presiune redusă la supape.

Acest lucru reduce considerabil pierderile prin strangulare și generarea de căldură. Consumul de energie scade, deoarece pompa pompează doar cantitatea de ulei necesară. În poziția neutră, debitul este redus la minimum, ceea ce elimină aproape complet pierderile de putere.

Sistemele Load Sensing necesită valve speciale cu racorduri LS și o pompă de reglare echipată corespunzător. Costurile de investiție sunt mai mari, dar se amortizează prin economiile de energie și sarcina termică redusă.

Criterii importante de proiectare

La proiectarea unui circuit hidraulic deschis trebuie luați în considerare mai mulți parametri. Pompa trebuie dimensionată astfel încât să poată furniza debitul volumetric maxim al tuturor consumatorilor care funcționează simultan. În plus, ar trebui prevăzută o marjă de siguranță de 10 până la 20 la sută.

Dimensiunea rezervorului depinde de timpul de staționare al uleiului, care trebuie să asigure o disipare suficientă a căldurii și o aerisire adecvată. Valoarea orientativă este de două până la trei ori debitul pompei pe minut. În cazul unei sarcini termice mai mari, pot fi necesare răcitoare de ulei.

Secțiunile transversale ale conductelor trebuie alese astfel încât viteza de curgere în conductele de presiune să nu depășească 4 până la 6 metri pe secundă, iar în conductele de retur 2 până la 3 metri pe secundă. Vitezele prea mari generează pierderi de presiune, încălzire și cavitație.

Supapa de limitare a presiunii este reglată la aproximativ 10 până la 20 la sută peste presiunea maximă de lucru. Aceasta servește exclusiv ca element de siguranță și nu ar trebui să se activeze în condiții normale de funcționare.

Rezumat

Circuitul hidraulic deschis reprezintă cea mai răspândită structură de circuit în hidraulica mobilă. Punctele sale forte sunt structura simplă, disiparea bună a căldurii și întreținerea ușoară. Pentru aplicații cu mai mulți consumatori independenți, cicluri de sarcină diferite și cerințe dinamice moderate, acesta este soluția optimă din punct de vedere economic.

Prin utilizarea conceptelor moderne de reglare, cum ar fi Load-Sensing, dezavantajele tradiționale în ceea ce privește eficiența energetică pot fi reduse semnificativ. Combinația dintre tehnologia dovedită și controlul inteligent face ca circuitul deschis să fie atractiv și pentru aplicații viitoare, în care fiabilitatea și ușurința întreținerii sunt prioritare.