SISTEME DE ACTIONARE HIDROSTATICA

1. Introducere.

Instalatiile de actionare hidrostatica sunt foarte diverse. Ele nu pot fi intelese si cu atat mai putin proiectate fara a cunoaste principiile de functionare si de asociere ale elementelor pe care le au la baza.

Literatura de specialitate prezinta unele dintre aceste principii, cum sunt: circuite hidraulice inchise si deschise; conexiuni serie, paralel si mixt, cu una sau cu mai multe surse, cu unul sau mai multe motoare. Consideram insa ca atat notiunea cat si obiectul actionarii hidrostatice, prin continutul complex, presupun abordarea si din alte puncte de vedere al descrieii structurii circuitelor. Dintre aceste puncte de vedere sunt mai importante:

caracerul fluctuant sau constant al presiunii din instalatia; presiunea ca mijloc de reglare al fortelor si cuplurilor;

tipul circuitului, inchis sau deschis din punct de vedere al circulatiei informatiilor V_M, V_E;

tipul circuitului din punct de vedere al separarii circuitelor purtatoare de informatii, de circuitele purtatare de energie;

tipul circuitului, dupa modul de conexiune al elementelor componente;

tipul circuitul, dupa numarul de surse si numarul de consumatori.

Circuite cu una sau mai multe pompe si unul sau mai multe motoare

1. Circuitele cu mai multe motoare hidraulice

Prezenta mai multor motoare intr-o instalatie hidraulica semnifica necesitatea de a se realiza un numar egal de actionari simultane sau declarate cu viteze comune sau diferite, in acelasi conditii de incarcare sau in conditii diferite.

Instalatii cu motoare alimentate si comandate independent. In cazul cel mai complex fiecare motor realizeaza programul sau in anumite conditii de viteza (turatiei) in forta (cuplu). In figura 1. este prezentata principal o instalatie care contine mai multe motoare hidraulice liniare alimentat fiecare de la o pompa proprie. Prin comanda corespunzatoare a distribuitoarelor cu sertar motoarele pot lucra simultan sau defazat. Directiile dupa care lucreaza motoarele si vitezele de lucru pot fi

de asemenea, aceleasi sau diferite.

Figura 1.

Figura

Instalatii cu motoare alimentate unic sau reflex in serie, dar comandate independent. In unele cazuri, cum este cel ilustrat de instalatia din figura , mai multe motoare sunt actionate de fluidul sub presiune primit de la o pompa unica. Prezenta a cate unui distribuitor de comanda pentru fiecare motor permite realizarea unui numar mare de programe, motoarele fiind legate intre ele doar prin aceea ca, in cazul in care fiecare executa o deplasare spre stanga sau spre dreapta, fuidul trece dintr-un motor intr-altul.

Ansamblul de viteze pe sensuri de miscare ale motoarelor este descris de relatiile din tabelul 1 unde s-au notat prin a si b campurile ariilor :

*** respectiv ; .

Tabelul 1

Instalatii cu motoare alimentate unic in paralel si comandate prin presiune In fugura 3. este prezentata schema unei instalatii care contine doua motoare hidraulice MH₁ si MH₂ cu diametrele D₁ si D Pentru F₁=F₂ si D₁>D₂, mai intai se deplaseaza in sus pistonul motorului MH₁; dupa ce acesta a realizat cursa, creste presiunea si pistonul motorului 2 se ridica si el.

Figura 3.

Daca D₁=D₂ si F₁<F₂ cel care misca mai intai este pstonul motorului MH₁, iar daca F₂<F₁ pistonul motorului MH₂ realizeaza primul cursa urmat de pistonul motorului MH₁.

In figura 4 este prezentata schema unei instalatii care realizeaza actionarea succesiva prin motoarele MH₁ si MH₂ comandate prin presiune.

Pentru pozitia 1 a lui SD se deplaseaza spre dreapta mai intai motorul MH₁; cand acesta a ajuns la capat, presiunea creste si comanda deschiderea supapei de presiune SP₁ care dirijeaza fluidul MH₂ delasandu-l pe acesta spre dreapta. Pentru distribuitorul cu sertar SD pe pozitia 2, actioneaza mai intai in miscare spre stanga motorul MH₂; dupa oprirea miscarii pistonului presiunea comanda deschiderea supapei SP₂ ceea ce dirijeaza fluidul catre MH₁care astfel se misca spre stanga. Supapele S_s1,2 fac posibila eliminarea fluidului din camerele pasive ale motoarelor, spre rezervor.

Figura 4.

Instalatii cu motoare alimentate unic in paralel si comandate cu sertaras pilot. In cazul instalatiei din figura 5 comanda de intrare in actiune a motorului MH₂ este data de motorul MH₁ dupa ce acesta a realizat o anumita etapa a carei realizare conditioneaza, reflex, functionarea lui MH

Pentru pozitia 1 a lui SD pistonul motorului MH₁ se deplaseaza spre dreapta; sertarul distribuitorului pilotat mecanic fiind pe pozitia 1, motorul MH₂ nu lucreaza. Cand o cama montata pe tija pistonului lui MH₁ sau pe organ mobil solidarizat cu el actioneaza asupra lui SDP, acesta trece pe pozitia 2 si pistonul motorului MH₂ se deplaseaza spre dreapta. Pentru inversare se trece SD pe pozitia 2, fluidul patrunde atat in MH₁ cat si in MH₂ miscand pistoanele lor spre stanga. Dupa ce cama relaxeaza SDP, evacuarea fluidului din camera din stanga motorului din camera din stanga motorului MH₂ se face prin S_s.

Fig. 5.

3. Instalatii cu faze de deplasare rapida

Deplasarile rapide sunt intanlite destul de frecvent in functionarea mai multor instalatii de actionare hidrostatica din domeniul utilajelor pentru constructii, al masinilor-unelte etcProiectarea rationala a instalatiilor care trebuie sa realizeze si deplasari rapide fie anterior cursei de lucru, fie in retragere rapida, conduce la

obtinerea unor importante economii de timp auxiliar precum si de energie de actionare.

3.1. Instalatii cu deplasare rapida prin diferenta de sectiune.

Consideram un motor hidraulic diferential cu sectiunile A₁ si A₂, ca cel din

Figura 3.1.

figura 6, a ; instalatia functioneaza la presiune reglabila limitata prin suprafata SNI.

Functionarea este urmatoarea: (-) pe pozitia 0 a lui SD pompa refuleazp prin filtrul in rezervor; motorul MH se afla in pozitia limita din stanga de la sfarsitul fazei comandate SD, realizat cu 2; (-) pentru pozitia 1 a lui SD, figura 6,b, pompa tine sub presiune aproximativ egala (p₁ p₂) ambele suprafete ale motorului MH; drept urmare forta utila exprimata prin relatia:

; este dirijata spre dreapta, iar debitul Q₂ expulzat din dreapta se insumeaza cu Q_p pentru a-l forma pe Q₁. Viteza de deplasare se scrie pornind de la legea lui Kirckhoff in ochiul O:

;

care devine, dupa transformari si tinand seama ca Q₂=vA₂

;

Daca fluidul din camera din dreapta a motorului ar fi fost trimis la rezervor sub o alta presiune p₂ s-ar fi obtinut o forta utila:

si o viteza v₁<v si egala cu:

asa cum rezulta din compararea relatiilor cu si cu ; cu notatiile p₂=k_p*p si unde k_p, k_D sunt constatate subunitate, rapoartele fortelor si vitezelor sunt

; F_u1>F_u

respectiv

; v₁<v

(-) pentru pozitia 2 a lui SD se realizeaza cursa de lucru spre stanga cu forta utila si viteza de lucru:

; .

4.Sisteme de etansare

Dispozitivul de etansare este folosit pentru a asigura gradul necesar de etanseitate al asamblarilor fixe si mobile ale pieselor sau subansamblelor masinilor

si mecanismelor . Functionarea corespunzatoare a dispozitivelor de etansare influenteaza esential fiabilitatea masinilor si mecanismelor in care sunt montate

Proiectarea unei etansari presupune rezolvarea urmatoarelor probleme principale:

• excluderea scurgerilor mediului etansat ;
• excluderea patrunderii impuritatilor in spatiul interior al masinii sau mecanismului ;
• asigurarea simplitatii constructive a dispozitivului si a demontarii acestuia ;
• obtinerea conditiilor mentionate prin cea mai ieftina metoda ;

De multe ori este imposibila rezolvarea tuturor acestor conditii, eficacitatea generala a dispozitivului de etansare depinzind de rationalitatea compromisului utilizat .

Sistemele de etansare - intrebuintate in practica - reprezinta de fapt o combinatie din cateva dispozitive de etansare. Astfel de combinatii originale sunt foarte multe si sunt destinate functionarii in conditii speciale sau deosebit de grele.

Una din clasificarile posibile ale dispozitivelor de etansare este indicata in figura 4.1:

Fig.4.1. Clasificarea dispozitivelor de etansare.

Pentru a putea corespunde conditiilor de functionare , materialele garniturilor de etansare trebuie sa prezinte multiple proprietati. Alegerea celui mai

rational material constituie o problema dificila, datorita faptului ca adesea sunt cerute proprietati contradictorii.

In cele ce urmeaza - ca urmare a caracterului de indrumar de proiectare pentru constructia de masini al prezentei lucrari - se vor trata doar cele mai importante si mai utilizate dispozitive de etansare.

4.1. Etansari de contact.

Comportarea etansarilor cu contact este influentata de mediul etansat, calitatea suprafetei si de frecarea dintre suprafetele de contact. Rugozitatea suprafetelor influenteaza calitatea si fiabilitatea etansarii, determinand fortele de frecare si, prin urmare, si uzura garniturilor de etansare.

Pentru obtinerea unei etansari corespunzatoare este necesar ca rugozitatea suprafetei - pe care aluneca buza de etansare - sa nu depaseasca 0,4μm .

Muchia bazei de etansare a garniturilor manseta trebuie indreptata intotdeauna inspre mediul etansat, aflat sub presiune.

Pentru o buna functionare mansetele trebuie unse in permanenta si, in special, la pornirea masinii sau mecanismului. In cazul in care mediul etansat nu prezinta proprietati unguente se prevede un spatiu cu lubrifiant cuprins intre doua garnituri, echipat cu un dispozitiv de alimentare.

4.1.1. Garnituri manseta de translatie cu profil V.

Constructiv, manseta V are doua buze de etansare(fig. 4.) - interioara si exterioara - care pot fi mai putin flexibile (fig. 4.2,a.), folosite pentru presiuni mai mari sau constante, si mai putin flexibile (fig. 4.,b), asigurand etansarea si la presiuni mici; canalul circular din garnitura din fig. 4.,b permite marirea elasticitatii.

Fig. 4. Garnituri manseta de translatie cu profil V

Manseta V este utilizata, de obicei intr-un set de garnituri (fig. 4.3.), numarul garniturilor fiind dependent de presiunea ce trebuie etansata. In tabelul sunt prezentate recomandarile privind alegerea numarului de mansete V intr-un set.

Fig. 4.3. Set de garnituri manseta, cu profil V

Tabelul

Seturile de mansete V se utilizeaza, in special, la etansarea pieselor cu miscare de translatie; nu sunt recomandate la miscari de rotatie sau la miscari de translatie cu viteze mari de alunecare, prezentand - in acest caz - o frecare insemnata.

Spatiul in care se monteaza setul de garnituri si tija pistonului trebuie prevazute cu tesituri pentru ca setul de garnituri sa poata fi montat cu usurinta si fara deteriorare (tabelul 3.). Se recomanda ca rugozitatea suprafetelor tijelor pistoanelor si plunjerelor sa fie de R_a<= 0,3 μm.

Tabelul 3.

Garniturile manseta de translatie cu profil V sunt standardizate prin STAS 7905-67.

Exemple de utilizare a etansarilor cu garnituri manseta de translatie cu profil V sunt prezentate in fig.4.4.

Fig. 4.4. Etansare de tip arbore cu set de trei garnituri.

Etansare de tip arbore cu set de patru garnituri ; inelele de presare si de reazem sunt executate din teflon.

Etansarea unei tije de piston, in ambele sensuri, cu doua seturi de garnituri V; se prevede ungerea suplimentara a garniturilor.

Etansarea unui piston cu set de garnituri V; garniturile, inelul de rezemare si inelul de presare sunt executate din teflon.

Etansarea unui piston, in ambele sensuri, cu garnituri cu profil V.

Fig. 4.5. Etansarea unei tije de piston cu set de garnituri V, cu presare permanenta printr-un arc elicoidal: [a] - garniturile si inelul de presare sunt confectionate din teflon; [b] - numai garniturile V sunt din teflon.

Etansare de tip arbore cu set de garnituri V, cu presare permanenta; [a] - cu arcuri disc ; [b] - cu arc elicoidal, cu reglare.

4.1.Garnituri manseta de translatie cu profil U

Tipurile constructive principale de mansete cu profil U sunt prezentate in fig.4.6. Manseta U - spre deosebire de celelalte tipuri - este montata liber in locas, nefiind presata axial; sunt presate initial numai buzele de etansare

Fig. 4.6.principalele tipuri constructive de mansete de translatie de tip U.

Dimensiunile locasurilor garniturilor manseta cu profil U sunt standardizate prin STAS 7906-67.

La garnitura manseta cu profil U de tip SIMRIT 250(vezi fig.4.6,f) inelul din material plastic permite etansarea mediilor cu presiuni mai mari comparativ cu garnitura obisnuita. Inelul de presare 1 de la garniturile manseta din fig.4.6,g poate fi executat din material plastic sau dintr-un cauciuc de duritate mai mare decat materialul garniturii. Partea cu insertii textile - de la garniturile manseta, de tip SIMRIT 400 (fig. 4.6, h) - mareste rezistenta la uzura a acestor garnituri si imbunatateste conditiile de functionare.

Garniturile COMPACT S8, S24 si S25 (fig.4.7.) pot fi considerate ca o forma speciala a garniturilor manseta cu profil U.

Fig. 4.7. Garnituri COMPACT de forma speciala.

Este posibila functionarea in conditiile unei ungeri necorespunzatoare ca urmare a faptului ca suprafata fin structurata a partii cu insertii textile retine mediul etansat. Partea cu insertii ofera o siguranta impotriva patrunderii garniturii in jocurile dintre suprafetele in miscare, micsorand prin aceasta uzura garniturii. Existenta inelului din material plastic permite solicitari mult mau mari ale garniturilor manseta. La garniturile COMPACT tip S25 sunt prevazute doua buze suplimentare de etansare (pe partea inferioara a partii cu insertii textile si au o suprafata de contact mult mai mare. Se recomanda a fi utilizate la etansarea cilindrilor hidarulici, in conditii grele de functionare (vibratii, solicitari cu soc). Garniturile COMPACT se monteaza cu joc axial in locasuri. Limitele de utilizare ale garniturilor COMPACT sunt indicate in tabelul 4.

Tabelul 4.

Garniturile manseta cu profil U tip Park-O-Pak (tabelul 5.), sunt de fapt o combinatie intre mansetele cu profil U si inelele O, cumuland avantajele ambelor tipuri de etansari si prezentand o rezistenta mare la uzura.

Tabelul 5.

In fig.4.8. sunt prezentate cateva exemple de utilizare a diferitelor tipuri constructive de garnituri manseta cu profil U.

Fig. 4.8. Etansarea unui piston cu garnituri U montate liber.

Etansare de tip alezaj, cu garnituri de tip U si inele de reazem, in ambele sensuri; pentru presiuni mici.

Etansare de tip arbore cu garnituri Usi inel de presare din cauciuc; forta de presare a garniturii se poate regla manual.

Etansarea unui arbore cu miscare de rotatie, in cazul presiunilor de valoare medie ale mediului etansat.

Etansare de tip arbore, cu garnituri U; pentru presiuni mici, cu inel de reazem.

Etansare de tip arbore, cu garnituri U si inele de presare din cauciuc; pentru presiuni mari.

Etansarea tijei unui piston - la presiuni mari - cu garnitura U cu inel de presare.

Etansarea unui cilindru de actionare hidraulic cu garnituri U de tip PARK-O-PAK.

4.Etansari prin inele profilate .

Etansarile prin inele profilate sunt foarte diverse ca tipuri constructive si ca dimensiuni si se caracterizeaza, in general, prin :

dimensiuni mici de gabarit radiale ;

simplitatea montajului;

eficacitate mare ;

nu este necesara reglarea ;

posibilitatea utilizarii intr-un domeniu larg de presiuni, temperaturi si medii etansate ;

pierderi prin frecare relativ mici ;

cost scazut .

4.1.Etansari prin inele profilate de tip O.

Inelul O este cel mai utilizat tip de inel. Etanseaza in ambele sensuri.Este o etansare ieftina. Exceptand aplicatiile navale, strangerea diametrala este de cca 10%.

In cazul tolerantelor normale, etasarile prin inele O pot functiona la o presiune maxima de 100 daN/cmSe utilizeaza la miscari de translatie, de rotatie si in cazul miscarilor oscilatorii. Pentru a elimina posibilitatea de extrudare a inelului O in interstitiul dintre piesele in miscare sipentru a extinde domeniul de functionare al inelelor O la presiuni mai mari se intrebuinteaza inele laterale de reazem (fig.4.9.).Daca presiunea actioneza intr-o singura directie, inelul se amplaseaza in partea opusa spatiului sub presiune(fig. 4.9,a.) ; in cazul in care presiunea actioneaza in ambele directii, inelelese monteaza pe ambele parti ale inelului O(fig. 4.9,b.)^*[De obicei, se prevad inele lateralede reazem de ambele parti ale inelului O ai cand presiunea actioneaza mumai intr-un sens, pentru a se evita eventualele erori de montaj]. Aceste inele de reazem se executa din teflon, cauciuc rigid sau chiar piele, teflonul fiind cel mai recomandat.

Fig. 4.9. Exemple de utilizare a inelelor laterale de reazem la inelele O.

Fig. 4.10. Forma canalelor pentru montarea inelelor O.

Inelele O sunt standardizate prin STAS 7320-71.    Inelele O utilizate la etansarile mobile se monteaza numai in locasuri cu sectiune dreptunghiulara(fig. 4.10,a.), de tip alezaj sau arbore; dimensiunile acestor locasuri sunt date in STAS 7319-71. Se folosesc si canale trapezoidale (fig. 4.10,b.), numai daca la viteze mici de deplasare si la etansari fixe; se micsoreaza posibilitatea extrudarii inelului in jocuri si se micsoreaza frecarea.

In ceea ce priveste duritatea materialului inelelor O- in cazul etansarilor fixe - sunt recomandate urmatoarele valori :

pentru presiuni care variaza pulsatoriu : ;

pentru ;

pentru ;

fiind recomandata o duritate a arborelui de cca 60 HRC.

In cazul etansarilor mobile se recomanda urmatoarele valori ale duritatii materialului inlelor O :

pentru ;

pentru ;

In cazul in care se intrebuinteaza inele laterale de reazem inlele O pot functiona corespunzator si la presiuni mai mari : la incarcare statica si la incarcare dinamica. Asigurarea ungerii corespunzatoare a suprafetelor de frecare - la etansarile mobile cu inele O - reprezinta o conditie necesara si esentiala pentru buna functionare a acestora.

In figurile 4.11. si 4.1 sunt prezentate doua exemple de montare a inelelor O in etansari fixe si mobile.

Fig. 4.11. Utilizarea inelelor O - etansari fixe si mobile - la un cilindru pneumatic.

Fig. 4.1 Utilizarea inelelor O, cu si fara inele metalice laterale, la etansareaunui cilindru dintr-un sistem hidraulic de actionare.