Podręcznik

Jak pokazuje rysunek 30 do wytworzenia natężenia przepływu cieczy hydraulicznej Q mają zastosowanie odpowiednie pompy hydrauliczne. (O ich rodzajach powiemy w module 3-cim niniejszej publikacji). Pompa hydrauliczna zasysa ciecz hydrauliczną ze zbiornika i wtłacza do układu za pośrednictwem linii przesyłowej wysokiego ciśnienia. Tą podstawową koncepcję układu hydraulicznego ilustruje rysunek 31. 

Rysunek 31: Układ hydrauliczny z pompą cieczy i linią przesyłową wysokiego ciśnienia

Przyjmuje się do obliczeń, że pompa cieczy bez względu na jej konstrukcję (czy tłokowa, czy zębata, itp.) tłoczy objętość V przypadającą na pojedynczy suw jej tłoka czy, tak jak to ma miejsce na rysunku 31 przypadającą na jeden pełny obrót kół zębatych pompy. Zatem przy takim sposobie uzyskania przepływu cieczy hydraulicznej objętościowe natężenie przepływu Q wyrazi się zależnością:

gdzie: n – liczba obrotów zestawu kół zębatych na minutę.
Układ hydrauliczny z rysunku 31 działa następująco: uruchomienie (zalanej) pompy zębatej przy napełnionym zbiorniku cieczy hydraulicznej i takiej, jak na rysunku 31 pozycji pracy rozdzielacza oraz zaworu bezpieczeństwa spowoduje powstanie odpowiedniej wartości ciśnienia cieczy hydraulicznej w instalacji tym większego, im większe będzie ciśnienie przeciwdziałające wynikające z obciążenia w postaci widocznego na rysunku ciężaru do pokonania, umieszczonego na tłoku podnoszącym. Ciecz hydrauliczna zacznie płynąć z kierunku zbiornika cieczy, poprzez pompę cieczy i dalej, poprzez linię przesyłową wysokiego ciśnienie i lewą komorę rozdzielacza, „odsłoniętą” przez jego tłok sterujący. Przyjmując, że tłok podnoszący nie zajął jeszcze górnego skrajnego położenia (tzn. nie został maksymalnie wysunięty) następuje unoszenie ciężaru aż do momentu zatrzymania tłoka podnoszącego w górnym położeniu, w którym to położeniu zostaje unieruchomiony istniejącymi ograniczeniami na ruch tego tłoka do momentu zmiany stanu położenia tłoka sterującego rozdzielacza. 
Należy zaznaczyć, że zatrzymanie tłoka podnoszącego w położeniu maksymalnego wysuwu nie wywołuje zatrzymania pracy pompy cieczy, zatem wysokie jego ciśnienie w dalszym ciągu występuje w tłoczącej części instalacji hydraulicznej. Aby nie dopuścić przez to do uszkodzenia elementów tej instalacji musi wystąpić zadziałanie zaworu bezpieczeństwa, który wcześniej ustawiono na odpowiednią wartość ciśnienia (progowego) cieczy hydraulicznej w części tłoczącej instalacji. Samoczynne zadziałanie zaworu bezpieczeństwa poprzez uniesienie jego „grzybka” wywołuje odsłonięcie przelotu (do tej pory zamkniętego), który łączy linię przesyłową wysokiego ciśnienia ze zbiornikiem cieczy. Pojawia się tzw. mały obwód hydrauliczny, który charakteryzuje się przepływem cieczy w układzie: zbiornik cieczy – pompa cieczy – zawór bezpieczeństwa – zbiornik cieczy.
Jest raczej wiadomym, że uniesienie ciężaru na maksymalną wysokość i trwanie w tym położeniu nie będzie trwało wiecznie i musi wystąpić opuszczenie tego ciężaru. Aby to umożliwić należy, co widać z rysunku 31 wypuścić (wylać) ciecz (objętość) z przestrzeni spod tłoka podnoszącego do zbiornika cieczy. Realizuje to tłok sterujący rozdzielacza. Przesunięcie tłoka w kierunku: PRAWO powoduje zasłonięcie („lewym tłoczkiem”) wlotu cieczy od strony pompy cieczy i połączenie objętości spod tłoka podnoszącego („prawy tłoczek”) ze zbiornikiem cieczy za pośrednictwem przewodu powrotnego. Ciecz wypływa spod tłoka podnoszącego („wspierana” przez ciężar) do zbiornika cieczy i następuje ruch tłoka podnoszącego w kierunku dolnym. (Czytelnik się domyśla, że podczas czynności opuszczania ciężaru pompa cieczy nieustannie pracuje lub może pracować). Gdy to nastąpi czynność podnoszenia ciężaru za pośrednictwem tłoka podnoszącego można powtarzać, gdyż jak widzimy uchodząca ciecz i z zaworu bezpieczeństwa i z przestrzeni spod tłoka wraca „w to samo miejsce”.        
Pompy cieczy (hydrauliczne) napędzane są zazwyczaj napędami o stałych prędkościach obrotowych swoich wałów, co skutkuje tzw. stałym wydatkiem tych pomp, czyli określoną stałą wydajnością Q w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia co oznacza w praktyce niezmienną prędkość tłoka podnoszącego, co niekiedy może być niekorzystne. Jednym z możliwych rozwiązań zmniejszenia prędkości natężenia przepływu cieczy Q jest wykorzystanie tzw. zaworu dławiącego, który umieszcza się w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia prowadzącej do aktora, w naszym przypadku do zespołu rozdzielacza z siłownikiem z rysunku 31. Taki „zmodyfikowany” pod tym kątem układ hydrauliczny zilustrowano na rysunku 32.

Rysunek 32: Układ hydrauliczny z dławieniem przepływu w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia

Widoczny na rysunku 32 zawór dławiący powoduje, że natężenie przepływu Q ulega zmniejszeniu do wartości Q1 na skutek zastosowanych rozwiązań technicznych zaworu. (Widoczny na rysunku prosty sposób dławienia przepływu przez ten zawór dławiący poprzez ściskanie przewodu linii przesyłowej jest oczywiście tylko iluzoryczny i w praktyce jest bardziej wyszukany). Natężenie przepływu cieczy przez ten zawór dławiący określa wtedy następująca zależność:

gdzie:    k  –  współczynnik zależny od gniazda oraz trzpienia zaworu dławiącego;
    S  –  określona powierzchnia szczeliny dławiącej w zaworze dławiącym;
    $\Delta p$ – różnica ciśnień p1 – p2.     
Działanie układu hydraulicznego z zaworem dławiącym z rysunku 32 jest następujące: po uruchomieniu pompy cieczy oraz wywołaniu natężenia przepływu cieczy I, dławiące działanie zaworu powoduje wzrost ciśnienia I1, co odbywa się tuż przed zaworem dławiącym. Na skutek tego wystąpi powiększanie się spadku ciśnienia cieczy $\Delta p$ i wzrost prędkości jej przepływu v w miejscu dławienia. Skutki wystąpienia przekroju dławiącego w myśl zasady wcześniej przedstawionej zaczynają być niwelowane przez zwiększającą się prędkość cieczy v co oznacza, że w dalszym ciągu natężenie przepływu Q pozostaje bez zmian. Dopiero wtedy, gdy wartość ciśnienia p1 zrówna się z wartością ciśnienia cieczy pmax otwiera się zawór bezpieczeństwa, odprowadzając część cieczy do zbiornika cieczy. Ten moment otwarcia zaworu bezpieczeństwa oznacza, że natężenie przepływ cieczy nie zwiększa się i teraz wynosi Q1. Mniejsze natężenie przepływu cieczy oznacza oczywiście mniejszą prędkość przemieszczania się tłoka podnoszącego, czyli również i podnoszonego ciężaru. (Czytelnik na pewno zauważył, że warunkiem skutecznego dławienia natężenia przepływu cieczy Q w układzie jak na rysunku 32 jest zastosowanie odpowiednio „nastawionego” na p_max zaworu bezpieczeństwa. Bez tego ostatniego o dławieniu przepływu Q nie może być mowy).   
Zilustrowany na rysunku 32 sposób ograniczenia natężenia przepływu cieczy poprzez wykorzystanie zaworu dławiącego jest stosunkowo prosty technicznie w realizacji i nie ma nic wspólnego z osiągnięciami współczesnej techniki napędu pomp cieczy, zwłaszcza wykorzystania płynnej regulacji prędkości obrotowych ich wałów. Korzyść z tego jest łatwa do zauważenia – płynna regulacja natężenia przepływu cieczy Q zamiast ustalonej na stałe przez zawór dławiący i zawór bezpieczeństwa. Schemat takiego rozwiązania pokazano na rysunku 33. 

Rysunek 33: Schemat układu hydraulicznego z płynną regulacją natężenia przepływu Q za pomocą nowoczesnego napędu

Rysunek 33 pokazuje, że silnik elektryczny napędzający pompę zębatą cieczy jest de facto jednym z elementów nowoczesnego napędu. Drugim elementem jest falownik, który wykorzystując przekształcanie energii elektrycznej sterują silnikiem elektrycznym zamiast konwencjonalnego jego sterowania, czyli bezpośredniego podłączenia silnika do trzech faz sieci zasilającej. Korzyścią takie rozwiązania jest płynna regulacja prędkości obrotowej wirnika silnika elektrycznego, a co za tym idzie wirnika pompy cieczy. To oznacza precyzyjne według odpowiedniego algorytmu sterowanie wartością natężenia przepływu cieczy I, które jak wiemy zależy od wydajności pompy zębatej, a ta z kolei zależy od prędkości obrotowych „swoich” zębów. Rysunek 34 przedstawia rodzinę charakterystyk pomp zębatych, ilustrujących wpływ prędkości obrotowej wirnika na uzyskiwaną przez nich wartość natężenia przepływu Q. [Źródło: Bucher hydraulics].

Rysunek 34: Charakterystyka wydajności rodziny pomp AP05 od obrotów napędu 

Rysunek 34 pokazuje rodzinę charakterystyk pomp zębatych serii AP05. Nadmieńmy tylko, że są to pompy szeroko stosowane w nowoczesnej hydraulice z powodu ich niezaprzeczalnych cech, takich jak niski koszt oraz duża niezawodność. Liczby przy charakterystykach w „ramkach” to tzw. wyporność poszczególnej pompy.