A load-sensing rendszerek működése

Szakcikkek - 2009-12-22 10:59:47 nyomtatás cikk nyomtatása



Az ünnepek előtti utolsó cikkünkben egy olyan témával kedveskedünk a hidraulika iránt érdeklődő olvasóinknak, mely olyan különleges és könnyed, mint a karácsonyi vacsora: a load-sensing rendszerek működési elvét mutatjuk be.

A 60-as évek vége felé néhány fiatal mérnökből álló csoport összegezte az addigi hidraulikus rendszerek előnyeit és hátrányait.

A nyitott rendszerek, melyek állandó térfogatáram kiszorítású fogaskerék-szivattyúkkal működnek, állandó térfogatáramot biztosítanak. Szükséges egy nyomáshatároló-szelep beépítése a rendszerbe, hogy a rendszernyomás ne léphesse túl a maximálisan megengedhető értéket. Ha a nyomáshatároló-szelep kinyit, a teljes térfogatáram keresztül megy rajta, fölösleges teljesítményt kivéve a rendszerből, nagy hőterheléseket előidézve.

A zárt rendszer ezzel szemben rendelkezik a térfogatáram változtathatósága által nyújtott előnyökkel, és felesleges a nyomáshatároló szelep alkalmazása is.
A maximális rendszernyomást egy kompenzátor ellenőrzi, mely, ha áll a rendszer - túlterhelés miatt -, tehermentesíti a szivattyút.
A szivattyú mindaddig fenntartja a maximális nyomást, amíg a terhelés fönnáll, illetve a rendszer ismét készenléti állapotba nem kerül.
Hátránya, hogy a rendszer mindig igyekszik fenntartani a maximális nyomást, minden körülmény között. Vannak azonban olyan esetek, ahol nagy térfogatáram szükséges alacsony nyomás mellett. A zárt rendszer azonban ilyenkor is magasan tartja a nyomást, fölöslegesen energiát pocsékolva, nagy hőterhelést előidézve a rendszerben.

A mérnökök, ezen rendszertulajdonságokat alapul véve, azt a feladatot tűzték ki maguk elé, hogy egy olyan rendszert fejlesszenek ki, mely az összes eddig felsorolt előnyökkel rendelkezik, a hátrányokat azonban kiküszöböli.
Az ideális rendszer csak a szükséges térfogatáramot biztosítja, a feladat elvégzéséhez szükséges nyomás mellett. Tehát mind a nyomás, mind a térfogatáram változtatható kell, hogy legyen. Klasszikus megoldásokkal ez sem zárt, sem nyitott rendszer esetén nem megvalósítható. A nyomást oly módon akarták változtatni, hogy a rendszer azt önszabályzó módon állítsa be a megfelelő értékre.
Nyilvánvaló volt, hogy a feladathoz leginkább egy állítható dugattyús szivattyú a megfelelő kiindulópont.

Kulcsfontosságú volt a fejlesztésnél egy olyan kompenzátor kifejlesztése, amely érzékeli a rendszer nyomás-, illetve térfogatáram- szükségletét, és reagálásra készteti a dugattyús szivattyút.

Mit takar a Load-sensing kifejezés?

Egyszerűen fogalmazva, egy olyan rendszert, mely érzékeli a nyomás, illetve térfogatáram- szükségletet, és annak megfelelően szabályozza a nyomást, illetve a térfogatáramot.

A megvalósításhoz szükséges elemek:

- Változtatható szállítású dugattyús szivattyú, kompenzátorral ellátva, mely biztosítja, hogy a szivattyú alacsony nyomáson (200PSI) álljon készenlétben. A kompenzátor érzékeli a térfogatáram- változás igényét, és az alapján változtatja a térfogatáramot. A szivattyúnak ugyancsak érzékelnie kell a változó nyomást, és reagálnia kell rá. A nyomás a terhelés függvényében változik.

- Útváltó szelep, érzékelőkkel ellátva (járatok, szelepek). Ha rendszer üzemen kívül van, készenléti állapotban elvágja a motor vagy munkahenger felől érkező nyomásjel útját, így automatikusan alacsony nyomású készenléti állapotba kerül a rendszer. Ha az útváltó szelep állása változik, a motor vagy munkahenger nyomásigényét a szivattyú felé továbbítja, ahol az válaszol rá. A térfogatáram igényt szintén az útváltó állása határozza meg. A térfogatáram szükséglet egy jeltovábbító csatornán keresztül jut el a szivattyúhoz.

A színek jelentése

KékOda/Vissza vezető ágban - Bármely, nem magasnyomás alatt lévő olaj

Zöld - „Csapdába esett olaj” - Bármely, sem a szivattyúhoz, sem a visszafolyó ághoz nem csatlakozó olaj

Rózsaszín - Alacsony nyomású készenléti állapot

Piros - Üzemi nyomáson lévő olaj

Lila - Magas nyomású készenlét

Sárga - Alacsony nyomás alatti üzem -Indításkor

A működés tanulmányozásához szükséges elemek megismerése (egyszerűsített ábrák)

Axiáldugattyús szivattyú, tárcsával, aktuátor hengerrel



Kompenzátor, mely figyeli a rendszert, és állítja a szivattyú szállítását



Rendelkezik egy magasnyomású kompenzáló tolattyúval, mely rugóerő ellen dolgozik, és 3000PSI nyomásnál nyit, illetve egy nyomás-térfogatáram kompenzáló tolattyúval, mely 200PSI nyomásnál nyit.



Az utolsó kettő fő alkotóelem az irányítószelep és a munkahenger. Valós esetben több is lehet belőlük, mi azonban az egyszerűség kedvéért csak egyet-egyet veszünk alapul.



Középállásban mind a szivattyú, mind a munkahenger felőli csatornák zárva vannak.
Az alsó szelep addig marad zárva, amíg a szivattyúnyomás el nem éri a munkahengerben lévő nyomást.
A fölső szelepből mindig annyi van amennyi irányítószelep van a rendszerben. Ez határozza meg, hogy a kompenzátor mikor csatlakozhat a rendszerhez, nagyobb nyomást előidézve.



A rendszer működése

Tegyük fel, hogy a rendszert épp most indítjuk!
Mivel nincs rendszernyomás, a nyomás-térfogatáram kompenzáló tolattyú a rugó miatt balra mozdul el, így az aktuátor hengerben lévő olaj közvetlenül a tartályba ömlik.



Mivel a nincs nyomás a tárcsát (kart) mozgató aktuáló hengerben, ezért a kar teljes mértékben kitér. Ebben a helyzetben a szivattyú maximális áramot biztosít.



Indításkor a munkafolyadék belép az irányítószelepbe, itt azonban a zárt csatornák miatt nem tud továbbfolyni. A folyadék a kompenzátorban a rudak bal oldalán fejt ki erőt.



Ha a nyomás eléri a 200PSI-t, a nyomás-térfogatáram határoló tolattyú jobbra mozdul el, így a nyomás eljut az aktuáló hengerbe, mely a rugó ellenében mozdul el, nullához közeli állásba. Ezt az állást alacsony nyomású készenléti állásnak nevezzük. Ha a rúd balra mozdul, a szivattyú ismét szállítani fog. Ilyenkor csak a belső szivárgások ellensúlyozásához elegendő térfogatáramot biztosítja a szivattyú.



A rugókamrában lévő olaj az irányító szelep irányába áramlik.



Itt egy kis nyíláson keresztül a tartály üregbe folyik.



Most nézzük meg, mi történik, ha az irányító szelepet balra mozdítjuk el!
Első észlelhető változás, hogy a munkahengerben lévő nyomás a szenzor-szelepen át a rugó kamrába terjed, ahol a tolattyúra balra ható erőt fejt ki. Ugyanebbe az irányba hat a rugó is (200PSI). A rugóerő és a folyadék nyomásából származó erő összeadódik, balra mozdítva el a tolattyút, a tárcsát felügyelő hengerből kiáramló folyadék előtt szabaddá téve az áramlást, így késztetve nagyobb tömegáram előállítására a szivattyút.



Mivel az útváltó szelep tolattyúját elmozdítottuk, a folyadék el tud jutni az alsó szelepen keresztül a munkahengerbe.
A rés (orifice) annyira szűk, hogy nem okoz jelentős nyomásveszteséget.



Most nézzük meg a nyomások alakulását!
Jól látható, hogy a nyomás a szivattyú felől lévő ágban egységesen 800PSI, majd az irányváltó szelepen áthaladva 200PSI-t esik, épp annyit, amekkora nyomást a kompenzátor alsó rugója kifejt, így itt 600PSI lesz a nyomás.



Ezen az ábrán az irányváltó tolattyú még jobban elmozdult balra. A tolattyú e helyzetben kisebb ellenállást fejt ki a folyadékra, mivel a folyadék tágabb réseken keresztül folyik, mint az előző esetben. Ezt az ellenállás csökkenést a kompenzátor érzékeli, ezért nagyobb térfogatáram előállítására készteti a szivattyút, hogy a nyomásveszteség ismét ugyanannyi legyen(jelleggörbe!)



Ha ismét elhelyezzük a nyomásmérőket, azt tapasztaljuk, hogy bár a rúd kisebb ellenállást fejt ki a folyadékra, mint az előző esetben, mégis ugyanúgy 200PSI nyomás különbséget észlelhetünk az irányváltó szelep két oldala között. Az aktuátor mindig akkorára igyekszik beállítani a térfogatáramot, hogy az irányváltón a nyomásveszteség mindig 200PSI legyen!



Így egy igen hatékony hidraulikus rendszert kapunk, mivel a szivattyú csak 200PSI-jal nagyobb nyomást állít elő az üzemileg szükségesnél. A rendszer automatikusan alkalmazkodik a változó nyomáshoz, illetve a folyadékáram igényhez.

Végül a munkahengerben lévő dugattyú elérkezik felső holtpontjához, megszűnik a folyadékszállítás, az irányváltó-szelep mindkét oldalán azonos lesz a nyomás.
A kompenzátor két oldalán szintén azonos lesz a nyomás. A 200PSI rugó balra nyomja el az alsó rudat. Amikor a nyomás eléri a 3000PSI-t a kompenzátor felső rúdja jobbra mozdul, így az ellenőrző henger ismét megtelik olajjal,a szivattyú abbahagyja a szállítást.



A szivattyú mindaddig fenntartja a nagy nyomású készenléti állapotot, míg a terhelés fennáll, vagy az útiranyító szelep rúdját semleges helyzetbe nem teszik. A szivattyú csak akkora folyadékáramot biztosít amekkora elegendő a belső szivárgás ellensúlyozására.

Ezen az ábrán az irányító-szelepet középső állásban találjuk. A kompenzátor jobb oldali kamrájából a nyomás a kis résen keresztül távozik.
A szivattyút szabályzó henger ismét megtelik folyadékkal, gyakorlatilag megszűnik a folyadékszállítás. Ismét 200PSI-ra állítja be a rendszer a nyomást.



Ivicsics Miklós Ferenc tanulmánya alapján
Konzulens: Dr. Balpataki Antal


Remélem, eddigi cikkeinket hasznosnak és kellően érdekesnek találta. Tartsa meg jó szokását, és olvasson minket a továbbiakban is!

Kellemes karácsonyi ünnepeket kívánunk!


A Szakcikkek rovat további cikkei:

Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával IV.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok XI.
Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával III.
Földmunkagépek minőségi vizsgálata I.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok X.



A gépnet.hu legfrissebb hírei:

Az SSAB öt új termékcsaládot vezet be az egyedi ügyféligények kielégítésére
Strenx acél: magasság határok nélkül
Melior Laser: beszállítói pozíció új iparágakban
Laser Plus: acél, ami tökéletes simaságot garantál
Ruukki Laser Plus – tökéletes sima felület a lézervágás után



Legolvasottabb a gépneten:

BOSCH DLE 50 digitális lézeres távolságmérő TESZT!
Új anyagtípus: bórral ötvözött acél
Prémium termékek és szolgáltatások prémium vevőknek
„Az év gépe 2010” választás nyertesei
Geotermikus hőerőmű Iklódbördöcén