Hydraulik

Från Rilpedia

Texten från svenska Wikipedia

Hydraulik, av grekiskans hydor =vatten och aulo's =rör, är ett samlingsbegrepp för komponenter som ingår i ett hydrauliksystem, vanligen benämnt hydraulsystem. Hydraulsystem är inordnade i gruppen fluidsystem (både vätska och gas) där hydraulsystem arbetar med vätska och pneumatiksystem arbetar med gas. Ett hydraulsystem är en konstruktion avsedd att medelst en strömmande vätska överföra och/eller styra energi. Man skiljer mellan hydraulsystem även kallade hydrostatiska system och hydrodynamiska system.

Moderna hydraulsystem, allmänt

I hydraulsystem av typen hydrostatiska system är energiöverföring av deplacementstyp d.v.s. en vätska tvingas att strömma av en deplacerande pump varvid vätskan trycksätts motsvarande det tryck som lasten åstadkommer i form av ett lastmoment från en hydraulmotor eller lastkraften från en hydraulcylinder. Vätskans kompressibilitet, inkluderat eventuellt fri luft i vätskan, är i detta fall av stor betydelse för energiöverföringens verkningsgrad liksom de strömningsförluster som uppstår i förbindelserören mellan pumpar och motorer/cylindrar och strömningsförluster i mellanliggande ventiler. Den ideala energi som överförs i ett hydraulsystem är vätskans tryck gånger flödet. Till detta kommer en totalverkningsgrad i energiöverföringen som man överslagsmässigt kan sätta till η=70-75 % för att få en uppfattning om erforderlig storlek på kraftkällan i form av en el-motor eller dieselmotor som driver hydraulpumpen. Genom att arbeta med höga tryck (200-300 bar), låga strömningshastigheter (max. 4-5 m/s), små läckagespalter i pumpar, motorer och ventiler, ett optimalt viskositetsområde (15-30 cSt) och en "inkompressibel" vätska med lågt luftinnehåll kan en mycket hög verkningsgrad erhållas i energiöverföringen med totalverkningsgrader inkluderande effektförluster i hydraulpump och hydraulmotor/cylinder, upp mot 90 % för en enskild krets hydraulpump-hydraulmotor eller hydraulpump-hydraulcylinder.

Den trycksatta vätskan i hydraulsystem används inte enbart för att överföra energi utan svarar också för smörjning av de komponenter som ingår i systemet där smörjegenskaperna under skilda förhållande är av stor betydelse för komponenternas livslängd. Normalt används speciella oljor baserade på mineralolja med olika tillsatser för att främst minska viskositetens beroende av oljetemperaturen (högt viskositetsindex), förbättra oljans luftavskiljningsförmåga och förhindra oxidation vid högre temperaturer. För mobila maskiner är det i många applikationer ett krav att biologiskt nedbrytbara oljor används genom risken för stora läckage där mineralolja kan förgifta markområden och grundvatten.

Hydraulikens genombrott

Grävmaskin. Huvudfunktioner, hydraulik: Bomcylindrar, grävskopa, skoprotator och skoptilt, schaktblad, svängning överdel och larvbandsdrivning.

Bergborraggregat. Huvudfunktioner, hydraulik: Borrmaskin, borrmatning, bomcylindrar, drivning av dammsugarfläkt, hjälpvinsch vid terrängkörning och larvbandsdrivning.

Hydraulisk kraft- och momentutväxling, grundläggande princip.

Öppen respektive sluten krets

Hydrauliken inom ingenjörsteknisk verksamhet fick sitt stora genombrott volymmässigt i början av 1960-talet då de linstyrda grävmaskinerna ersattes med hydrauldrivna grävmaskiner. En hydraulisering i stor skala följde tätt därefter av i stort sett alla typer av anläggningsmaskiner, skogsmaskiner, jordbruksmaskiner, bergborraggregat, mobilkranar m.fl. maskintyper. Hydrauliken har inneburit en revolution för tillverkare av mobila maskinutrustningar genom möjligheten att enkelt kunna överföra stora effekter med hög verkningsgrad från en central kraftkälla till distribuerade förbrukare kombinerat med möjligheten till steglöst ställbar hydrostatisk kraft- och momentutväxling i energiöverföringen.

Den hydrostatiska energitransmissionen ger en mycket stor flexibilitet i maskinuppbyggnad med tekniska möjligheter som inte kan åstadkommas med annan teknik. Dessa möjligheter har också haft en mycket stor betydelse för mekaniseringen inom den mobila maskinsektorn och helt nya typer av maskinkoncept har utvecklats som inte hade varit möjliga utan hydraulik.

Energiöverföringen mellan kraftkälla och förbrukare sker genom användning av stålrör utefter fasta maskindelar eller med flexibla/böjliga hydraulslangar vid övergångar där maskindelarna rör sig i förhållande till varandra inom ett begränsat vinkelområde eller med svivlar vid större vinkelområden. Avstånd mellan kraftkälla och förbrukare på 20-40 m utgör inga problem om hydraulrör och slang dimensioneras rätt. Exempel: Med en hydraulledning med innerdiameter 25 mm överförs vid flödet 200 l/min (motsvarande en strömningshastighet på 7 m/s) och trycket 250 bar en effekt på 83 kW (111 hk).

Hydraulik för olika applikationsområden

I kommersiella sammanhang skiljer man på Mobilhydraulik och Industrihydraulik där komponenterna främst skiljer sig i avseende på inbyggnadsmått, vikt, driftsdata, krav på livslängder m.m., även om det inte finns någon skarp gräns mellan dessa områden. Man kan särskilja speciella grupper av hydraulkomponeter anpassade för olika miljöer som inom den marina sektorn, exempelvis hydraulik för oljeplattformar och fartyg som används i havsmiljö med hög luftfuktighet/saltvatten och hydraulik under vatten där det ställs speciella krav. En annan grupp är hydraulkomponenter för användning i explosionsfarliga miljöer, exempelvis i kolgruvor med explosiva gaser som inte helt kan ventileras bort. Hydraulik för flygplan intar en särställning inom hydrauliken där samtliga hydraulkomponenter är konstruerade för speciella driftsförhållanden med speciella tekniska lösningar och extrema krav på livslängder/säkerhet mot utmattningsbrott, omgivningstemperaturer och låg vikt. Dessa komponenter används aldrig för markbaserade maskiner.

Hydraulik för kraft och momentutväxling

En mycket viktig egenskap hos hydraulik, förutom i användning som energiöverföringsmetod, är möjligheten till mycket stora kraftutväxlingar/momentutväxlingar genom att utnyttja olika areor/deplacement som systemtrycket verkar på i analogi med en hävstång eller en remväxel. Den allra enklaste formen av ren kraftförstärkning med användning av hydraulik är en vanlig hydraulisk domkraft där en hydraulpump i form av en enkelverkande hydraulcylinder med en liten kolvarea är kopplad till en enkelverkande lyft-hydraulcylinder med en betydligt större kolvarea. Kraftutväxlingen är direkt proportionell mot förhållandet mellan de båda cylindrarnas kolvareor.

För en hydraulcylinder med en kolvdiameter på D=100 mm (D=10 cm) erhålls vid ett hydraultryck på 250 bar (25 MPa) en utgående kraft på cirka 20 ton. På motsvarande sätt ger en vanligt förekommande hydraulmotor på med ett deplacement = 1 000 cm³/varv (1 liter/varv), ett moment på c:a 6 300 Nm vid 400 bar. Detta motsvarar kraften av vikten 630 kg med en hävarm på 1 m. Ett exempel på en hydraulmotor inom det allra största deplacementsområdet för kommersiell verksamhet är en radialkolvmotor som har ett deplacement på 250 000 cm³/varv (250 lit/varv) med ett avgivet moment på nära 1.4 milj. Nm med ett maximalt utgående varvtal på 10 rpm. Momentet motsvarar kraften av en vikt på 14 ton med en hävarm på 10 m. Hydraulmotorn i detta fall väger c:a 10 ton. För att driva hydraulmotorn med full effekt erfodras en kraftkälla på c:a 1 460 kW (1 960 hk).

Hydraultrycket uttryckt i enheten bar som används i kommersiella mobila hydraulsystem ligger för typen öppna system normalt i området 200 - 250 bar, max. 300 bar, medan slutna system arbetar med tryck i området 250-350 bar, max. 500 bar. För hydraulpressar inom industriella tillämpningar arbetar man ofta med ännu högre tryck.

Grundläggande systemtyper

Öppna system (eng. Open-loop): I det öppna systemet, som är den vanligaste formen av hydraulsystem, leds hydrauloljan, efter att den uträttat ett arbete i hydraulcylindrar och hydraulmotorer, tillbaka till en med atmosfär förbunden hydraultank. Hydraulpumpens inloppsport är ansluten till hydraultanken under lägsta oljenivå. Pumpar med fast eller variabelt deplacement används.

Slutna system (eng. Closed-loop), används i praktiken enbart för energiöverföring mellan en hydraulpump med variabelt deplacement och en eller flera hydraulmotorer med variabelt eller fast deplacement. Hydrauloljan från hydraulmotorerna leds tillbaka direkt till pumpens inloppsport. Riktningsventil erfodras ej för att växla flödesriktningen till hydraulmotorn genom att pumpens deplacement kan styras för både positiv och negativ flödesriktning. För att ersätta de läckageförluster som uppstår i pump och motor samt kyla och filtrera den cirkulerande hydrauloljan, måste ny olja tillföras och ett visst utbyte av olja ske i den slutna kretsen. Detta åstadkoms med en s.k. matarpump som via 2 backventiler förser kretsen med ny olja till den sida som för tillfället utgör lågtrycksida. Normalt förses slutna system med en spolventil integrerad i hydraulmotorhuset som tappar av ett kontrollerat flöde från lågtrycksidan för att möjliggöra ett större utbyte av olja än vad enbart läckaget i pump och motor ger. Systemtypen används ofta för framdrivning av mobila maskiner som ett alternativ till andra typer av mekaniska och hydrodynamiska transmissioner och ger fördelar som steglöst variabel utväxling med möjlighet till flexibel styrning av utväxlingen efter belastning och driftssituation, hög reglerteknisk styvhet och möjlighet till hydrostatisk motorbromsning av maskinen med minimala hydraulikförluster genom att den slutna transmissionen kan uppta ett negativt moment från drivhjulen som matas in i dieselmotorn via hydraulpumpen som då arbetar som "hydraulmotor" och driver dieselmotorn som "kompressor". Möjligheten till motorbromsning, där även förluster i mekaniska utväxlingssteg mellan drivhjul och hydraulmotor i hög grad bidrar till ett motmoment, betyder att de ordinarie mekaniska bromsarna i normal drift sällan behöver utnyttjas och används i princip enbart som en extra nödbroms och som parkeringsbroms.

Öppet-center system (eng. Open-center): Riktningsventilen förbinder pumpens utlopp med tank i neutralläge. Vanlig systemtyp för enklare system med låg avgiven effekt där pumpen har fast deplacement.

Stängt-center system (eng. Closed-center): Riktningsventilen blockerar pumpens utlopp i neutralläge. Används generellt enbart med pumpar som har variabelt deplacement där pumpen avger 0-flöde när riktningsventilerna är i neutralläge.

2 typer av system med stängt-center:

Konstanttryck system (eng. Constant Pressure system, vanligen förkortat CP-system): Pumpen ger ett konstant tryck så länge maximalt pumpdeplacement inte utnyttjas. Pumptrycket motsvarar det tryck som maximalt kan erfordras för förbrukarna. Pumpens flöde anpassas automatiskt till summan av aktuellt flödesbehov för aktiverade förbrukare. CP-system är tekniskt enkla, är reglertekniskt mycket stabila, är enkla att bygga ut med fler förbrukare och har en mycket god respons (svarstid mellan aktivering av riktningsventilen till förbrukaren och en synbar rörelse hos förbrukaren) men ger stora energiförluster om förbrukarnas lasttryck varierar starkt och om det genomsnittliga lasttrycket är lågt i förhållande till inställt konstant pumptryck. CP-system motsvarar pneumatiska system i uppbyggnad där tryckkällan, kompressorn motsvarar hydaulpumpen.

Lastkännande system, allmänt. (eng. Load Sensing system, vanligen förkortat LS-system): Pumptrycket anpassas kontinuerligt efter det högsta lasttrycket vid flera samtidigt aktiverade förbrukare plus ett tryck ΔP_LS = trycket före riktningsventil minus trycket efter riktningsventil på cirka 20 bar som utgör den konstanta tryckdifferens som pumpens regulator arbetar med för att kunna avge konstant flöde vid en viss öppningsarea i riktningsventilen till förbrukaren. Pumpens avgivna flöde anpassas automatiskt till summan av aktuellt flödesbehov för samtidigt aktiverade förbrukare. När samtliga riktningsventiler står i neutralläge avger pumpen "0-flöde" med ett pumptryck motsvarande ΔP_LS-trycket. Lastkännande system är den vanligaste systemtypen för arbetshydraulik i mobila maskinutrustningar genom att både pumptryck och flöde automatiskt anpassas till aktuellt behov i varje driftssituation vilket ger en avsevärt högre systemverkningsgrad än CP-system. LS-system är dock tekniskt mer komplexa genom behovet av fler tillsatsventiler, är reglertekniskt mycket känsliga och har sämre respons än CP-system. Lastkännande system genererar alltid en "onödig" effektförlust som i genomsnitt uppgår till cirka 10 % av inmatad hydrauleffekt beroende av den nödvändiga konstanta tryckskillnaden ΔP_LS för att systemet pump-ventil ska fungera. ΔP_LS kan teoretiskt sättas mycket låg för att minimera den konstanta effektförlusten men då blir systemets svarstider för stora och pumpflödet alltför beroende av att hydrauloljan alltid har en viss maximal oljeviskositet.

4 varianter av lastkännande system:

(1) LS-system utan kompensatorer i riktningsventilerna. Förbrukaren med det högsta lasttrycket bestämmer pumptrycket. En tryckändring i det högsta trycket påverkar flödet till alla övriga funktioner. Fungerar bra om avvikelsen i lastryck mellan samtidigt aktiverade förbrukare är liten.

(2) LS-system med kompensatorer uppströms riktningsventilerna. Förbrukaren med det högsta lasttrycket bestämmer pumptrycket. Flödet till respektive förbrukare påverkas inte av övriga förbrukare under förutsättning att max. pumpdeplacement inte utnyttjas. När max. pumpdeplacement uppnås prioriteras den förbrukare som har det lägsta lasttrycket.

(3) LS-system med kompensatorer nedströms riktningsventilerna. Vanligast förekommande när tillgängligt pumpflöde ofta understiger önskat flöde vid flera samtidigt aktiverade funktioner. Fördel: Flödesförhållandet mellan samtidigt aktiverade funktioner bibehålls även när pumpen uppnår max. deplacement. Vanlig applikation: Grävmaskin.

(4) LS-system med kombinerat nedströms och uppströms kompensatorer. Funktioner med uppströms placerad kompensator blir prioriterad när max. pumpdeplacement uppnås. I övrigt som system (3).

Beräkningsexempel, effektbehov

Ett mobilt hydraulsystem bestående av en dieselmotordriven hydraulpump ska försörja ett antal förbrukare i form av hydraulcylindrar och hydraulmotorer. Vid maximal hydrauleffekt ska pumpen avge ett flöde Q = 280 lit/min, vid ett tryck; P = 250 bar. Ideal effekt som ska överföras från dieselmotorn till förbrukarna ges av;

E_ideal = (Q · P)÷ 600 kW = (280 · 250)÷ 600 = 117 kW.

Totalverkningsgraden kan överslagsmässigt sättas till η = 0,70. Av detta erhålls att kraftkällan (dieselmotorn) måste kunna avge en effekt;

E_diesel = 117 ÷ 0,7 = 167 kW.

Pumpens maximala deplacement V_pump bestäms av vid vilket minsta dieselmotorvarvtal som specificerat max. flöde skall finnas tillgängligt. Antag att flödet Q = 280 lit/min ska avges för varvtal större eller lika med 2000 rpm;

V_pump = (Q · 1000) ÷ 2000 = 140 cm³/varv.

Hydrodynamiska system

En annan typ av system utgör de hydrodynamiska systemen, även kallade rotodynamiska som definitionsmässigt är inordnade under den övergripande gruppen hydrauliska strömningsmaskiner. Ett exempel på ett sådant system är momentomvandlaren i en automatväxellåda för ett fordon som arbetar med olja som energiöverförande medium, bestående av en centrifugalpump som är ihopbyggd med en turbin till en kompakt enhet med mycket liten spalt emellan pump och turbin. Momentomvandlaren fungerar här som en flexibel koppling mellan ingående drivaxel från förbränningsmotorn till de mekaniska växelstegen i växellådan för att åstadkomma en ryckfri växling. (Momentomvandlare benämns ofta efter engelskans "converter", jmf "convertertransmission"). I de hydrodynamiska systemen är vätskeströmmen ej tvingande (ej deplacerande). Vätskerörelsen orsakad av centrifugalpumpens rotation innebär inte ovillkorligen en rörelse hos turbinen men alltid ett resulterande moment. Det överförda momentet är direkt beroende av vätskans hastighet till skillnad från de hydrostatiska systemen där utgående moment idealt är oberoende av vätskans hastighet.

Hydrauliska strömningsmaskiner

Hydrodynamiska system kan inordnas i den större gruppen Hydrauliska strömningsmaskiner. Dessa maskiner är definitionsmässigt en grupp av maskiner där den tekniskt intressanta energiomvandlingen sker genom en växelverkan mellan strömningsmaskinens rotor och den till strömningsmaskinen kontinuerligt passerande fluiden som kan utgöras av gas eller vätska. Maskiner som inordnas inom detta begrepp är exempelvis; centrifugalpumpar för vätska, vatten- och ångturbiner, propellrar, fläktar och gaskompressorer.

Några applikationsexempel där hydraulsystem utgör en väsentlig del av maskinkonceptet

• Grävmaskiner; grävarm, skopa, svängning överdel, framdrivning (transmission)
• Skogsmaskiner, skördare och skotare; arbetskranar, framdrivning (transmission), fällaggregat
• Gaffeltruckar; lyftcylindrar, tippning av lyftgaffelram, framdrivning (transmission)
• Hjullastare; skoplyft/tilt/grip, framdrivning (transmission)
• Mobilkranar; utskjut teleskopkran, kranlyft, svängning överdel, stödben, vinschar
• Jordbruksmaskiner och verktyg till jordbrukstraktorer
• Stålverk, valsverk
• Industriella hydraulpressar
• Plastsprutningsmaskiner
• Verktygsmaskiner
• Pappersmaskiner, drivning av valsar
• Lastbilar; styckegodskranar, lyftanordningar, stödben
• Flygplan; roder, klaffar och landställ
• Hydrauliska bergborraggregat; bomcylindrar, framdrivning (transmission), hydraulborrmaskin
• Bromssystem för fordon
• Större fartyg; roder, däckskranar, lastluckor mm.
• Mindre fartyg; drivning av huvudpropellrar, bogpropellrar mm.
• Oljeplattformar; kranar, vinschar, borrdrivning mm.
• Avfallskvarnar; drivning av klippvalsar
• Avfallskomprimatorer, drivning av pressplattan.
• Reglering av vattenturbiner, ledskenor samt löphjulsskovlar i kaplanturbiner.

Se även

• Rörströmning
• Pneumatik