FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

SEMINARSKI RAD IZ KOLEGIJA ''DEFORMACIJSKI STROJEVI I POSTUPCI''

ak. godina 2013/14.

POGON HIDRAULIČNIH PREŠA

Seminar izradio: Vedran Babić

Profesor: dr.sc. Zdenka Keran

Zagreb 25.11.2013.

SADRŽAJ:

1. Uvod........................................................................................................................................1

2. Hidraulični pogon...................................................................................................................2

2.2. Elementi hidrauličnog pogona.................................................................................3

2.3. Prednosti i nedostaci hidrauličnog pogona...............................................................6

3. Pogonski sustav hidraulične preše..........................................................................................7

4. Konstrukcija pogona hidraulične preše...................................................................................8

5. Literatura...............................................................................................................................11

1. UVOD

Hidraulične preše koriste se za slobodno kovanje većih i težih otkovaka, za kovanje u

ukovnjima, za skidanje srha te za radove u limu. Koriste se kod velikih otkovaka da bi se

izbjegli veliki batovi koji negativno utječu na okolinu te za obradu materijala lošije

plastičnosti koji ne podnose udarce i nagle promjene oblika. Iako prema vrsti kovanja postoje

konstruktivne raznolikosti među hidrauličnim prešama, zajedničke karakteristike su im male i

jednolike brzine gibanja alata, miran rad, nešto niža produktivnost od batova te veća cijena

[1].

Pogon hidrauličnih preša funkcionira na principu ravnomjerne raspodjele

hidrostatskog tlaka u sustavu cijevi te na temelju zakonitosti da tlak p [N/m 2] koji djeluje na

površinu A [m2] stvara silu F [N] koja je jednaka umnošku tlaka i površine (F = p · A) [2].

Hidraulična preša omogućuje da se primijenjena sila (F1) duž nekog puta pretvori u

veću silu (F2) duž manjeg puta i da se sila poveća onoliko puta koliko je površina gonjenog

hidrauličnog cilindra (A2) veća od površine pogonskog hidrauličnog cilindra (A1). Taj princip

je pojednostavljeno prikazan na slici 1 [3].

Slika 1. Princip rada hidraulične preše [3]

U ovom seminarskom radu objasnit će se osnove hidrauličnog pogona te kako je on

ostvaren kod hidrauličnih preša.

1

2. HIDRAULIČNI POGON

Hidraulični pogon se temelji na prijenosu sile tekućinom (najčešće mineralnim uljem).

Zadaci hidrauličnog pogona mogu uključivati pretvorbu, prijenos i upravljanje energijom.

Osnovni elementi hidrauličnog pogon su hidraulična pumpa, hidraulični fluid, cjevovod,

upravljački elementi i hidraulični motor (ili hidraulični cilindar). Hidraulična pumpa služi za

pretvorbu mehaničkog rada u energiju hidrauličkog fluida. Za pogon pumpe najčešće se

koristi elektromotor. Hidraulični fluid, cjevovod i upravljački elementi služe za prijenos

energije i upravljanje. Hidraulični motor ili hidraulični cilindar služe za pretvorbu energije

fluida u mehanički rad.

Dvije su osnovne mogućnosti regulacije, odnosno prilagođavanja energije pumpe

potrebnoj energiji motora, tj. cilindra. Regulacija je moguća prigušivanjem tlaka ili

regulacijom protoka hidraulične pumpe ili hidrauličnog motora.

Hidraulični pogon se primjenjuje u situacijama koje zahtijevaju velike sile, brzine i

ubrzanja, male i jednolične pomake i brzine, visoku točnost pozicioniranja u međupoložajima

te složeniju regulaciju. Koristi se u vrlo širokom području koje obuhvaća alatne strojeve,

poljoprivredne strojeve, šumarske strojeve, cestovna i tračnička vozila, brodogradnju,

zrakoplovnu industriju, energetiku, rudarstvo, vojnu industriju, svemirsku tehniku, itd.

Na slici 2. prikazana je principijelna shema hidrauličnog pogona. Glavni razvodnik

hidrauličnog cilindra (A) je 4/3 razvodnik (B) koji se aktivira električki, a centriran je

oprugama. U centralnom položaju protok hidraulične pumpe (C) preusmjerava se natrag u

spremnik ulja (D). H-Q karakteristika volumetričke pumpe (C) gotovo je vertikalna (opasnost

od oštećenja pri preopterećenju), pa je pumpu potrebno zaštititi ventilom za ograničenje tlaka,

tj. sigurnosnim ventilom (E). Nepovratni ventil (F) sprječava natražno strujanje i pojavu

preniskog tlaka u sustavu. Također, uz filtar ulja (G) često se paralelno priključuje nepovratni

ventil (H), kojemu je potreban izvjestan tlak za otvaranje (ima funkciju ograničenja tlaka),

kako bi se izbjegao preveliki pad tlaka zaprljanog filtra ulja [3]

2

Slika 2. Principijelna shema hidrauličnog pogona [3]

2.1. Elementi hidrauličnog pogona

Glavni elementi hidrauličnog pogona su hidraulična pumpa, hidraulični fluid,

hidraulični ventili (razvodnici, nepovratni ventili, tlačni ventili i protočni ventili), hidraulični

motor (rotacijski motor, cilindar, zakretni motor), hidraulični akumulator i hidraulični filtri.

Hidraulična pumpa je stroj u kojemu se izvana dovedena mehanička energija (rad

pogonskog stroja) pretvara u energiju radnog fluida. Zavisno od priključivanja, često isti stroj

može raditi i kao pumpa i kao motor (za takav stroj se kaže da je reverzibilan, ali

reverzibilnost također može značiti i samo mogućnost vrtnje u oba smjera). Za pogon pumpe

često se koriste elektromotori, a u mobilnoj hidraulici motori s unutrašnjim izgaranjem.

Pumpe se dijele u dvije osnovne grupe: volumenske pumpe (volumetričke) i dinamične

pumpe (najčešće strujne, tj. turbopumpe). Volumenske pumpe transportiraju fluid (ostvaruju

povećanje tlaka i protoka) putem smanjenja volumena komora u pumpi, a koriste se za

3

relativno male protoke, uz relativno velike visine dobave. Turbopumpe u rotoru predaju snagu

fluidu tako da pokretne lopatice ostvaruju silu pritiska na fluid. Primjenjuju se za relativno

velike protoke i male visine dobave, pa se zato u hidraulici u principu ne koriste.

Hidraulični fluid ili radni fluid hidrauličnog pogona je fluid koji se koristi u

hidrauličnom pogonu, a služi za prijenos energije od hidraulične pumpe do hidrauličnog

motora. Izbor odgovarajućeg radnog fluida ima bitan utjecaj na ispravan rad, trajnost,

pouzdanost i ekonomičnost hidrauličnog pogona. Izbor fluida utječe i na izbor hidrauličnih

dijelova (filtri, ventili, brtve) koji se projektiraju za određenu vrstu fluida. Vrste radnih fluida

koji se koriste u hidraulici su voda i vodene emulzije, mineralna ulja, sintetički fluidi te tekući

metali i legure.

Hidraulični ventili ili hidraulični upravljački elementi su uređaja za regulaciju i

usmjeravanje hidrauličnog fluida. Moguće funkcije ventila uključuju: propuštanje,

zaustavljanje i promjenu smjera fluida te regulaciju protoka i tlaka. Hidraulični ventili dijele

se na razvodnike, nepovratne ventile, tlačne ventile i protočne ventile.

Hidraulični razvodnik usmjerava tok hidrauličnog fluida propuštanjem, zatvaranjem ili

promjenom smjera toka. Osnovne karakteristike hidrauličnih razvodnika su konstrukcija,

nazivna veličina, broj radnih položaja, broj hidrauličnih priključaka i način aktiviranja. Uz

ove podatke od interesa su i nazivni protok, maksimalni radni tlak i materijal razvodnika,

naročito brtvi. Oznaka broja priključaka i radnih položaja obično se piše ispred riječi

razvodnik (npr. 4/3 razvodnik označava razvodnik s 4 priključka i 3 radna položaja.

Nepovratni ventil dozvoljava protok samo u jednom smjeru (poput diode u

elektronici). Pladanj ventila može imati oblik kugle, stošca, tanjura ili čahure. Ventil može biti

neopterećen ili opterećen (s oprugom).

Tlačni ventil utječe na tlak u hidrauličnom pogonu ili dijelu pogona. On je izvršni dio

za upravljanje i regulaciju tlaka. Tlačni ventili se prema funkciji dijele na ventile za

ograničavanje tlaka, redoslijedne ventile i redukcijske ventile. Poželjna bi bila vodoravna

karakteristika tlačnih ventila (konstantan tlak bez obzira na protok). Međutim, pad tlaka na

ventilu umjereno se povećava s povećanjem protoka kroz ventil.

Protočni ventil je ventil koji prigušivanjem utječe na protok u sustavu, a može biti

protočni upravljački ventil i regulator protoka.

4

Hidraulični motor (hidromotor, aktuator) je hidraulični izvršni dio. Oni, suprotno

pumpama, pretvaraju energiju fluida u mehanički rad. Hidraulični motori dijele se na

rotacijske motore, cilindre i zakretne motore. Cilindri i zakretni motori imaju pomak

ograničen dvjema krajnjim točkama.

Rotacijski hidraulični motori imaju u osnovi jednaku konstrukciju kao i pumpe, pa se

često isti stroj može prema potrebi koristiti kao pumpa ili motor (reverzibilni stroj). Prema

brzini vrtnje razlikuju se sporohodni (do 1000 o/min) i brzohodni motori. Budući da je snaga

motora jednaka umnošku momenta i brzine vrtnje (Pm = M · ω), za istu snagu motora uz

smanjenje brzine mora se povećavati moment. Zato sporohodni motori često zahtijevaju veliki

moment, tzv. LSHT-motori (low speed – high torque).

Hidraulični cilindar ili linearni hidraulični motor je najčešći izvršni dio u hidrauličnom

pogonu koji služi za pretvorbu energije hidrauličnog fluida u mehanički rad (izvršna sila se

kreće po pravcu). Njegova ulazna veličina jest hidraulični fluid pod tlakom koji djeluje na

površinu klipa hidrauličnog cilindra. Time uzrokuje pravocrtno gibanje klipa, a kao posljedica

toga i klipnjače koja je povezana s teretom. Tako se energija hidrauličnog fluida pretvara u

provodljivu snagu koja djeluje pravocrtno.

Zakretni hidraulični motor ima ograničen kut zakreta, a zakretno kretanje ostvaruje

direktno ili indirektno. Direktno zakretanje ostvaruje se pomoću krila (poput krilnog motora s

jednim krilom) unutar cilindra s fiksnom radijalnom pregradom između tlačnog i usisnog

dijela. Maksimalni zakret takvog motora iznosi oko 300°. Indirektno zakretanje ostvaruje se

pomoću cilindra preko zubne letve i zupčanika uz maksimalni zakret od oko 720°.

Hidraulični akumulator je posuda koja iz hidrauličnog pogona preuzima izvjestan

volumen hidrauličnog fluida pod tlakom, pa prema potrebi taj fluid vraća u sustav.

Hidraulični filteri imaju zadatak da razinu prljavštine ulja smanje na dozvoljenu

vrijednost. Time se hidraulični dijelovi štite od prekomjernog trošenja i povećava se

pouzdanost rada hidrauličnog pogona. Finoća filtriranja odgovara promjeru najveće čestice u

obliku kugle koja može proći kroz filtar. Za servo-ventile zahtijeva se točnost i do 3 µm.

Nečistoće se dijele na unutarnje i vanjske. Unutarnje nastaju trošenjem i otkidanjem čestica

hidrauličnih dijelova, a vanjske su posljedica lošeg brtvljenja sustava prema okolini (filter za

zrak na spremniku, brtve na cilindrima itd.) [4].

5

2.2. Prednosti i nedostaci hidrauličnog pogona

Prednosti hidrauličnog pogona su:

moguće postizanje velikih sila,

velika gustoća snage,

jednostavnost pretvorbe energije hidrauličnog fluida u mehanički rad,

mala tromost (inercija),

automatsko prilagođavanje potrebne sile,

moguće pokretanje pod punim opterećenjem,

jednostavno i neprekidno podešavanje brzine, sile, momenta, itd,

moguće nagle promjene smjera i brzina,

moguće velike i izuzetno male brzine,

lako se ostvaruje linearno gibanje,

precizno pozicioniranje,

jednostavnost zaštite od preopterećenja,

jednostavnost podmazivanja i odvođenja topline,

visoka pouzdanost i ekonomičnost u radu,

jednostavno i jeftino održavanje.

Nedostaci hidrauličnog pogona su:

potrebno je generirati (uskladištiti) hidrauličnu energiju,

potrebni su povratni vodovi,

relativno visoka cijena uređaja i elemenata,

specifičnost (male serije) i preciznost izvedbi,

ograničene brzine strujanja ulja,

promjena karakteristika ulja (s temperaturom i tlakom, starenje),

relativno prljav pogon [4].

3. POGONSKI SUSTAV HIDRAULIČNE PREŠE

6

Pascalov zakon je temeljni zakon hidrostatike, koji kaže da se u tekućini koja se nalazi

u zatvorenoj posudi tlak širi jednako na sve strane, tj. čestice tekućine prenose tlak u svim

pravcima jednako. Na tom principu djeluje i hidraulična preša. Ako posuda ispunjena

tekućinom ima dva otvora različite površine, u kojima su smješteni pokretni klipovi,

a površina drugog klipa je n puta veća, tada ako na mali klip djelujemo određenom silom, na

veliki klip će djelovati sila n puta veća. Hidraulična preša omogućuje da se

primijenjena sila duž nekog puta pretvori u veću silu duž manjeg puta (naravno rad jedne i

druge sile je isti) [5].

Sila koja djeluje na bat preše ovisi o procesu koji se izvodi. Iz tog razloga, tlak p koji

djeluje na površinu cilindra također ovisi o deformacijskom procesu se izvodi. Mjerenjem tog

tlaka može se direktno izračunati sila koja djeluje na bat. Maksimalna sila bata može se

odrediti ograničavanjem maksimalnog hidrauličnog tlaka preko sigurnosnog ventila na bilo

kojoj poziciji bata.

Snaga pogona hidraulične preše ovisi o volumnom protoku hidrauličnog fluida V̇

[m3/s] (stoga i o brzini bata), o hidrauličnom tlaku p, silama na batu te mehaničkim i

električnim gubicima ηges. To je vidljivo iz sljedećeg izraza:

P=˙V ∙ pηges

Za razliku od mehaničkih preša, kod hidrauličnih preša obično nema dostupne rezerve

energije. Prema tome, cijela snaga mora se primijeniti tijekom operacije deformiranja. Iz tog

razloga, hidraulične preše zahtijevaju značajnu veću pogonsku snagu od mehaničkih preša.

Da bi se hidraulična preša otvorila i zatvorila, tok fluida se promijeni te cilindar krene

u drugom smjeru. Vrijeme ciklusa sastoji se od niza promjenjivih komponenti, pri čemu

postoji optimalna vrijednost postavki preše za svaki set matrica. Na vrijeme ciklusa stoga

utječu ukupni takt, radni takt, sila oblikovanja i sila tlačnog prstena. Pogonska snaga računa se

na temelju pomaka klipa naspram vremenske krivulje (slika 3.) koje je povezana s

vremenskom konstantom preše [2].

7

Slika 3. Pomak-vrijeme dijagram [2]

4. KONSTRUKCIJA POGONA HIDRAULIČNE PREŠE

Sila kliznog cilindra, učvršćenog na krunu preše, djeluje direktno na malj. Nominalna

sila preše je suma svih aktivnih površina svih cilindara pomnožena s hidrauličnim tlakom.

Slijed pokreta preše tijekom ciklusa preše izvršen je kliznim cilindrom s kontrolom pomaka.

Na koliko će točaka cilindar biti pogonjen (jedna, dvije ili četiri točke) određeno je na osnovi

statičkih proračuna. Na slici 4. nalazi se načelni prikaz hidrauličnog cilindra koji pogoni malj

hidraulične preše.

8

Slika 4. Pogon hidraulične preše [2]

Hidraulični sustav podijeljen je na nekoliko funkcionalnih sklopova, što je prikazano

na slici 5. Hidraulični fluid je pohranjen u spremniku za ulje. U svim cijevima do pumpi ili

cilindara nalazi se fluid iz spremnika ulja. Sustav hidrauličnog pogona, koji se sastoji od

pumpi i motora, oblikuje stukturnu jedinicu zajedno sa spojkom i poveznom prirubnicom.

Mogu se koristiti potopne pumpe koje se nalaze u spremniku ulja ili pumpe montirane na

nosače u temelju preše. Motori pokreću pumpe preko elastične spojke. Pumpe dobivaju fluid

preko usisnih cjevovoda, a fluid se prenosi do kontrole ventila preko visokotlačnih cjevovoda.

Sustav kontrole ventila vodi hidraulični fluid odgovarajućim jedinicama. Povratni tok je

vođen natrag do spremnika ulja. Pomoćna jedinica djeluje u zaobilaznom krugu udaljenom od

glavnog hidrauličnog toka. U toj jedinici fluid recirkulira kroz filtre i hladnjake u odvojenom

krugu. Time se postiže pročišćavanje i hlađenje hidrauličnog fluida kako bi se osigurala

pouzdanost preše u svakom trenutku.

9

Slika 5. Funkcionalni sklopovi hidraulične preše [2]

Ako pumpa dovodi fluid do akumulatora tlaka, moguće je smanjiti potrošnju energije

iz glavne električne mreže. Velike količine hidrauličnog ulja mogu u kratkom vremenu biti

povučene akumulatorom tlaka, što mora biti dopunjeno pumpom prije sljedećeg ciklusa preše.

Ako nakon izvlačenja ulja slijedi dug period mirovanja, akumulator može biti opskrbljivan

malom pumpom. Međutim, kod procesa koji zahtijevaju velike količine hidrauličnog ulja u

brzom slijedu, na raspolaganju mora biti veća snaga dobave. Za taj primjer nije pogodan

pogon s akumulatorom tlaka, zbog toga jer je potreban veliki akumulator i velika pumpa. Za

preše za duboko vučenje s kratkim ciklusom i vremenom transporta također nije pogodan

takav pogonski sustav jer nije moguće postići takva vremena [2].

10

5. LITERATURA

[1] Ivo Slade: Alatni strojevi 1, skripta za 3. razred strojarskih tehničkih škola, 1. Tehnička

škola Tesla

[2] Schuler: Metal forming handbook, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1998.

[3] http://hr.wikipedia.org/wiki/Hidrauli%C4%8Dki _pogon, posjećen 5.11.2013.

[4] Radoslav Korbar: Pneumatika i hidraulika, Veleučilište u Karlovcu, 2007.

[5] Ivica Sorić: Statika fluida, Kemijsko – tehnološki fakultet Sveučilišta u Splitu, 2011.

11