Circuit hidraulic închis

Un circuit hidraulic închis este un concept de circulație a fluidului în hidraulică, în care lichidul hidraulic circulă direct între pompă și consumator, fără a trece printr-un rezervor fără presiune. Conducta de retur a motorului este conectată la partea de aspirație a pompei, creând astfel un circuit de fluid închis. Circuitele hidraulice închise sunt utilizate în special acolo unde sunt necesare o dinamică ridicată, o construcție compactă și o reversibilitate continuă.

Bazele și modul de funcționare al circuitului hidraulic închis

Circuitul hidraulic închis se deosebește fundamental de circuitul deschis prin modul de conducere a fluidului. În loc să evacueze uleiul într-un rezervor după fiecare ciclu de lucru, conducta de joasă presiune returnează fluidul direct la partea de aspirație a pompei. Sistemul funcționează ca un circuit închis, în care uleiul hidraulic curge continuu între pompă și motor. Sensul de rotație și turația consumatorului pot fi controlate doar prin reglarea pompei, fără a fi necesare supape de distribuție.

Creșterea presiunii și conducerea fluidului

Pompa, de obicei o pompă variabilă cu pistoane axiale, pompează uleiul sub presiune ridicată către motor. Motorul transformă energia hidraulică în energie mecanică de rotație și returnează uleiul pe partea de joasă presiune către pompă. Deoarece în acest circuit nu există un rezervor mare care să servească drept tampon, presiunea sistemului trebuie reglată activ pe ambele conducte. Presiunile tipice de funcționare în circuitele hidraulice închise se situează între 300 și 450 bar, iar în aplicații speciale se pot atinge presiuni de până la 500 bar.

Rolul pompei de realimentare

Un circuit hidraulic închis nu poate funcționa fără componente suplimentare, deoarece scurgerile inevitabile de la pompă și motor scot volum de fluid din circuit. Pompa de realimentare, de obicei de tip constant, compensează acest volum diferențial. Ea pompează ulei proaspăt dintr-un mic rezervor de stocare în partea de joasă presiune a circuitului, menținând astfel presiunea minimă. Presiunile tipice de realimentare sunt cuprinse între 10 și 30 bar. Această presiune de precărcare previne cavitația pe partea de aspirație a pompei principale și asigură că circuitul rămâne întotdeauna complet umplut cu fluid.

Componentele unui circuit hidraulic închis

Pe lângă pompă și motor, circuitul hidraulic închis necesită mai multe componente suplimentare care asigură și protejează funcționarea. Fiecare dintre aceste componente îndeplinește o funcție specifică, care în circuitul deschis este acoperită de rezervor sau de concepte de supape mai simple.

Supapă de spălare

Supapa de spălare evacuează o parte din uleiul încălzit din partea de joasă presiune a circuitului și îl conduce prin intermediul unui răcitor către rezervorul de stocare. Deoarece uleiul din circuitul închis nu circulă printr-un rezervor, lipsește disiparea naturală a căldurii. Fără supapa de spălare, temperatura uleiului ar crește continuu, ceea ce ar modifica vâscozitatea și ar scurta durata de viață a componentelor. Cantitatea de ulei proaspăt alimentată înlocuiește simultan uleiul cald evacuat, având loc astfel un schimb continuu.

Supape de limitare a presiunii

Supapele de limitare a presiunii de pe ambele părți ale circuitului protejează sistemul împotriva vârfurilor de presiune nepermise. În special în cazul inversărilor rapide sau al schimbărilor bruște de sarcină pot apărea vârfuri de presiune de scurtă durată, care suprasolicită componentele. Supapele se deschid la atingerea presiunii limită setate și redirecționează uleiul de la partea de înaltă presiune către partea de joasă presiune. În multe variante, aceste supape sunt integrate direct în pompă sau în motor.

Supape de reținere

Supapele de reținere de pe conducta de realimentare asigură că uleiul de realimentare curge întotdeauna în conducta care se află în acel moment pe partea de joasă presiune. Deoarece la schimbarea direcției partea de înaltă presiune și cea de joasă presiune se inversează, supapele de reținere trebuie să efectueze automat această comutare. În același timp, ele împiedică uleiul sub presiune să se întoarcă din circuitul principal în conducta de realimentare.

Circuit hidraulic închis în comparație cu circuitul deschis

Comparația dintre circuitul închis și cel deschis evidențiază punctele forte și punctele slabe ale ambelor concepte. Alegerea conceptului de conducere a circuitului depinde de cerințele aplicației respective.

Circuitul deschis oferă avantaje în aplicații mai simple cu mai mulți consumatori, deoarece un rezervor central asigură alimentarea cu ulei a tuturor circuitelor. Circuitul hidraulic închis excelează acolo unde un singur acționator necesită dinamică ridicată și eficiență energetică.

Domenii de aplicare ale circuitului hidraulic închis

Circuitele hidraulice închise se regăsesc atât în hidraulica mobilă, cât și în instalațiile industriale staționare. Cerințele comune ale acestor aplicații sunt densitatea mare de putere, reglarea continuă a turației și a cuplului, precum și capacitatea de inversare rapidă.

Hidraulica mobilă

În hidraulica mobilă, circuitele hidraulice închise domină în cazul sistemelor de acționare a încărcătoarelor pe roți, excavatoarelor și încărcătoarelor telescopice. De asemenea, sistemele de acționare a troliurilor de pe macarale și nave, precum și sistemele de acționare a rotirii mecanismelor de rotire funcționează cu acest concept de circuit. Construcția compactă, fără rezervor mare, reprezintă un avantaj decisiv pentru vehiculele în care spațiul de montare și greutatea sunt limitate. Comanda continuă a deplasării prin reglarea pompei permite manevrarea și frânarea precisă prin sistemul hidraulic, ceea ce reduce uzura frânelor mecanice.

Instalații industriale staționare

În aplicațiile staționare, circuitele hidraulice închise sunt utilizate la prese, mașini de turnare prin injecție și laminoare. De asemenea, bancurile de testare și instalațiile de verificare utilizează acest concept atunci când sunt necesare timpi de ciclu rapizi și profile de mișcare reproductibile. Transmisiile industriale și acționările ventilatoarelor beneficiază de eficiența ridicată și de sensul de rotație reversibil fără supape de distribuție suplimentare. În turnătorii și laminatoare, sistemele compacte cu volum minim de ulei permit acționări de înaltă performanță într-un spațiu limitat.

Comanda și reglarea în circuitul hidraulic închis

Comanda unui circuit hidraulic închis se realizează în principal prin reglarea pompei principale. Unghiul de rotire al pompei cu pistoane axiale determină direcția de alimentare și debitul volumetric, prin care se controlează direct sensul de rotație și turația motorului. Această cuplare directă între reglarea pompei și comportamentul motorului permite timpi de reacție scurți și o calitate ridicată a reglării.

Comandă hidraulică

În cazul comenzii pur hidraulice, mecanismul de reglare al pompei este acționat prin presiuni de comandă. Supapele DA (supape de presiune și debit) reglează reglarea în funcție de presiunea sistemului și de comportamentul de deplasare dorit. Această soluție este utilizată frecvent în sistemele simple de acționare, unde nu este necesară o comandă electronică.

Reglare electrohidraulică

Circuitele hidraulice închise moderne utilizează din ce în ce mai mult reglări electrohidraulice. Supapele proporționale controlează mecanismul de reglare al pompei pe baza semnalelor electrice provenite de la un sistem de control superior. Acest lucru permite integrarea în sisteme automatizate care accesează și monitorizează cu precizie punctele de funcționare. Senzorii măsoară presiunea, temperatura și turația în timp real și pun datele la dispoziția sistemului de control pentru reglarea adaptivă. Reglarea electrohidraulică îmbunătățește eficiența, deoarece punctul de funcționare al pompei poate fi menținut întotdeauna în intervalul optim.

Întreținere și reparații

Întreținerea unui circuit hidraulic închis necesită o atenție specială, deoarece uleiul circulă continuu în circuit și impuritățile nu se pot depune în rezervor, așa cum se întâmplă în circuitul deschis. Particulele circulă în sistem până când sunt captate de filtru sau provoacă daune.

Calitatea uleiului și filtrarea

Puritatea uleiului este mai importantă într-un circuit hidraulic închis decât într-un sistem deschis. Conducta de alimentare este punctul central pentru filtrare, deoarece aici tot uleiul proaspăt alimentat trece prin filtru. Elementele de filtrare de înaltă calitate, cu o finețe adecvată, sunt indispensabile. Analizele periodice ale uleiului oferă informații despre particulele de uzură, conținutul de apă și modificările de vâscozitate.

Gestionarea temperaturii

Deoarece circuitul hidraulic închis nu oferă o răcire naturală prin intermediul unui rezervor mare, temperatura uleiului trebuie monitorizată și reglată în mod activ. Supapa de spălare evacuează un debit definit de ulei încălzit din circuit și îl conduce prin intermediul unui răcitor de ulei către rezervorul de stocare. Dimensionarea răcitorului trebuie adaptată la puterea disipată care trebuie eliminată. În cazul unei răciri insuficiente, temperatura uleiului crește, ceea ce scade vâscozitatea, reduce capacitatea de susținere a filmului lubrifiant și, în cele din urmă, duce la deteriorarea componentelor.

Monitorizarea scurgerilor

Cantitatea de realimentare este un indicator direct al stării circuitului. Dacă necesarul de realimentare depășește valoarea obișnuită de aproximativ 5 până la 10 la sută din debitul principal, acest lucru indică scurgeri interne crescute, care pot fi cauzate de uzura pistoanelor, a discurilor de comandă sau a garniturilor. Monitorizarea continuă a cantității de realimentare permite o întreținere bazată pe starea sistemului și previne defecțiunile neașteptate.

Avantajele și dezavantajele circuitului hidraulic închis

Decizia de a opta pentru un circuit hidraulic închis implică avantaje și dezavantaje specifice, pe care proiectanții trebuie să le evalueze în faza de proiectare.

Avantaje

• Eficiență energetică ridicată: pompa furnizează doar debitul volumetric efectiv necesar. La sarcină parțială și în repaus, consumul de energie scade semnificativ în comparație cu sistemele deschise cu pompe constante.
• Construcție compactă: renunțarea la un rezervor mare reduce considerabil volumul și greutatea instalației.
• Inversare rapidă: inversarea sensului de rotație se realizează exclusiv prin reglarea pompei, fără a fi necesară comutarea supapelor de distribuție. Acest lucru scurtează timpii de reacție.
• Reglare precisă: Turația și cuplul pot fi reglate continuu și cu precizie, ceea ce este indispensabil pentru sarcini exigente de deplasare și poziționare.
• Recuperarea energiei de frânare: în cazul sarcinilor care coboară, motorul poate funcționa ca o pompă și poate returna energia de frânare în circuit.

Dezavantaje

• Complexitate mai mare a sistemului: componentele suplimentare necesare, precum pompa de realimentare, supapa de spălare și supapele de reținere, cresc efortul de proiectare și punere în funcțiune.
• Capacitate limitată de alimentare a mai multor consumatori: un circuit hidraulic închis alimentează, de regulă, un singur consumator. Pentru mai mulți consumatori sunt necesare circuite separate sau circuite suplimentare complexe.
• Cerințe ridicate privind puritatea uleiului: impuritățile circulă în sistem și pot provoca daune dacă nu sunt filtrate la timp.
• Depistarea defectelor mai complexă: cuplarea strânsă a componentelor și lipsa controlului vizual asupra rezervorului fac diagnosticul mai complex decât în cazul sistemelor deschise.

Norme și standarde

Cerințele tehnice de siguranță pentru instalațiile hidraulice cu circuit hidraulic închis sunt reglementate de norma DIN ISO 4413. Această normă stabilește specificații privind limitarea presiunii, gestionarea scurgerilor, marcarea și punerea în funcțiune. În plus, se aplică cerințele generale privind fluidele hidraulice în ceea ce privește vâscozitatea, stabilitatea la temperatură și clasa de puritate. Producători precum Bosch Rexroth, Danfoss și Liebherr oferă instrucțiuni detaliate de proiectare pentru circuitele hidraulice închise, care depășesc cerințele standardelor și conțin reguli de dimensionare testate în practică.