ETAPELE PROIECTARII SISTEMELOR DE ACTIONARE HIDRAULICA

1. Recomandari generale de proiectare

Proiectarea sistemelor de actionare hidraulica, ca orice activitate de proiectare, consta in materializarea unei idei tehnice sau a unor cerinte impuse de utilizare pentru un anumit produs. Ea se finalizeaza cu desenul de ansamblu si desenul de executie ale reperelor componente, pe care se precizeaza toate dimensiunile, conditiile tehnice si indicatiile speciale, astfel incat sa se asigure obtinerea caracteristicilor tehnico-functionale ale sistemului de actionare ce a facut obiectul proiectarii. In intreaga activitate de proiectare se are in vedere rolul functional de la care de fapt se porneste, si in raport cu care se orienteaza desfasurarea proiectarii: calculul de rezistenta, alegerea materialelor, forma constructiva, tehnologia de executie, eficienta economica, etc.

Pentru solutionarea acestor probleme se concentraza munca de conceptie cel putin sub aspectul continuarii conditiilor specifice fiecarei dar, in mod firesc, si sub aspect creator, novator. Adesea, dintre mai multe alternative de solutionare, este necesar, ca pe baza unor criterii, sa se adopte solutia optima.

Marea diversitate a sistemelor de actionare hidraulica ce pot interveni in raport cu cerintele actionarii cat mai largi a proceselor si utilajelor tehnologice fixe sau mobile da un caracter de complexitate activitatii de calcul si proiectare a acestor utilaje. Proiectarea si realizarea unor sisteme de actionare hidraulica de calitate, reprezinta o problema interdisciplinara la care trebuie sa-si aduca contributia de inalta calificare, inginerul constructor de utilaje, inginerul proiectant de sisteme de actionare hidraulica, inginerul specializat in proiectarea si executia elementelor hidraulice si eventual inginerul automatist, specializat in sisteme de comanda si conducere automata.

Proiectarea sistemelor de actionare hidraulica reprezinta un proces complex a carei desfasurare depinde de o serie de factori obiectivi: tipul de utilaj actionat, parametrii functionali ai actionarii, ambianta de functionare, exigentele speciale de ordin dinamic, compatibilitatea cu echipamentul standard si accesibilitatea comeciala a acestuia , etc. , precum si subiectivi: gradul de cunoastere a utilajului actionat, de gradul de cunoastere teoretica si exeperimentala a informatiilor in care se aprofundeaza aceste cunostiinte, exeperienta de proiectere a inginerului hidraulician, etc. Ordonarea etapelor de proiectare trebuie precedata de o ordonare exacta a multitudinii de idei, experienta inginerului proiectant de sisteme hidraulice spunandu-si aici cuvantul. Ordonarea trebuie sa fie minutioasa pentru a nu periclita functionarea ireprosabila si economicitatea instalatiei.

Decizia pentru abordarea unui sistem de actionare hidraulica pentru un utilaj tehnologic se ia tinand cont de urmatoarele conditii:

-cererile de vanzare a utilajului;

-interesul impus de cumparatori;

-motive de concurenta;

-prospectarea pietei;

-tendintele dezvoltarii actionarilor hidraulice;

-ideile proprii in abordarea proiectarii;

Desi sistemele de actionare hidraulica au structuri diverse, particulare obiectivului si utilajului actionat, calculul si proiectarea lor se poate desfasura pe baza unei metode unice si sistematice, valabila pentru orice sistem, care sa parcurga urmatoarele etape;

-stabilirea de catre beneficiar sau proiectant, adesea in colaborare a temei de proiectare cu precizarea tuturor caracteristicilor si performantelor functionale principale necesare;

-studiul tehnico-economic pentru justificarea necesitatii instalatiei hidraulice proiectate si apoi a solutiei constructive- functionale adoptate pentru conceperea acesteia;

-elaborarea schemei de actionare hidraulica prin transpunerea conditiilor functionale pe mecanismele componente ale utilajului actionat, stabilirea tipurilor motoarelor hidraulice de

actionare, a interactiunii acestora cu utilajul actionat, etc; predimensionarea schemei pe baza unor calcule preliminare specifice rolului ei functional sau pe baza dimensiunilor de gabarit al utilajului actionat, precizate prin tema de proiectare;

-determinarea optiunilor esentiale privind echipamentele hidraulice ce vor intra in componenta schemei de actionare de tip standard sau proportionale, a pompelor cu debit fix sau reglabil si a sistemului de comanda sau reglaj;

-calculul de dimensionare a componentelor din schema de actionare hidraulica cu stabilirea marimilor de gabarit ce caracterizeaza geometria fiecarui subansamblu component;

-materializarea schemei cu elementele hidraulice de distributie, reglaj si protectie standard sau proportionale, cu generatoarele si motoarele hidraulice aferente cat si cu elementele hidraulice auxiliare, etc,;

-calculul de verificare a performantelor functionale ale intregului sistem de actionare;

-elaborarea documentatiei de executie si stabilirea formei si structurii finale,a dimensiunilor de gabarit si a cotelor de prindere a subansamblelor hidraulice in cadrul utilajului actionat;

-descrierea modurilor de functionare, exploatare, intretinere si reconditionare.

Ordinea de elaborare sistematica a proiectului unei instalatii este reprezentata in fig. 1.

La stabilirea problemelor specifice ce intervin in proiectarea echipamentelor si sistemelor de actionare hidraulica trebuie avut in vedere:

-tendinta cresterii presiunilor nominale de lucru.. Aceasta conduce la reducerea substantiala a gabaritului echipamentelor, deci, la miniaturizarea acestora, avand ca efect cresterea eficientei economice si performantelor lor dinamice. Astfel in constructia de masini si utilaje se sconteaza pe cresterea presiunii de lucru pana la 40 . .60 Mpa. Utilajele miniere, excavatoarele, masinele de ridicat, masinele grele de constructii, etc; lucreaza deja cu presiuni intre 7 . .42 Mpa, iar in urmatorii 15 ani se va ajunge la aceste tipuri de masini , precum si la altele, la valori de 56 . .70 Mpa.

-asigurarea fiabilitatii sistemului. Cecetarile actuale au aratat ca elementul slab al unui circuit hidraulic il constituie mediul hidraulic, deoarece 80% din defectarile sistemului se datoresc transformarilor care au loc in acesta. Presiunea, viteza si temperatura din sistem influnteaza asupra vitezei de imbatranire a lichidului de lucru. La randul sau aceasta imbatranire influenteaza intensitatea uzurii elementelor componente ale sistemului hidraulic, iar produsele uzurii abrazive si erozive contribuie in mod substantial la imbatranirea mediului hidraulic.

-reducerea nivelului de zgumot. Cecetarile experimentale arata ca la majoritatea utilajelor, nivelul de zgomot este in limitele 85 . 95 dB, iar in timpul functionarii masinii la turatie maxima, acesta se ridica la 95 . .100 dB si depinde intr-o oarecare masura de zgomotul sistemului hidraulic, care are si un domeniu de frecventa nefavorabil. Sursele cu cel mai mare nivel de zgomot le constituie pompele, distribuitoarele, supapele si conductele hidraulice. Pentru reducerea zgomotului, se recomanda reducerea turatiilor, a cantitatii de aer care intra in pompa si a pulsatiilor de debit, prin unele modificari ale cinematicii pompei si a sistemului de distributie, prin utilizarea unei flanse amortizoare utilizate la fixarea pompei;

-diminuarea sau reducerea totala a pierderilor de debit prin etansari, prin reducerea jocurilor tehnologice din ajustajele componente in miscare relativa, sau utilizarea in exclusivitate a unor elemente de etansare de a caror calitate depind pierderile de debit si fortele de frecare pe care le genereaza;

-diminuarea pierderilor de presiune prin diminuarea coeficientilor pierderilor locale si longitudinale de presiune.Se constituie astfel ca principiu de proiectare continuitatea sectiunii de curgere pe circuitele sistemului hidraulic de actionare;

-cresterea durabilitatii pieselor cu frecare datorita sistemului hidraulic de actionare;

In corespondenta cu particularitatile constructiv - functionale ale echipamentelor si sistemelor hidraulice de actionare se pot defini cateva principii generale de proiectare, dupa cum urmeaza:

-principiul pierderilor energetice minime;

-principiul gabaritului minim si al maximei miniaturizari;

-principiul tipizarii si normalizarii raportat la subansamble de actionare sau chiar la intreaga structura a instalatiei hidraulice;

In proiectare sunt de observat interconectarile reciproce intre aceste principii, primele doua fiind dependente de principiul constructive-functional de proiectare- continuitatea sectiunilor de curgere.

Principii de elaborare a temei de proiectare.

Aceasta constituie actul de conceptie de cea mai inalta calificare si responsabilitate. De capacitatea ei de a fixa - sistematic, complet si précis - conditiile functionale, constructive si economice ale instalatiei ce urmeaza sa se proiecteze, depinde inca din start, in proportie de cel putin 50%, calitatea obiectului .proiectat. La elaborarea temei este necesara totala colaborare intre constructorul utilajului si proiectantul de scheme hidraulice, bun cunoscator al elementelor hidraulice susceptibile de a materializa schema.

Primul trebuie sa precizeze cat mai complet urmatoarele:

-numarul de mecanisme de actionat, tipul miscarilor (de translatie, de rotatie, sau oscilatie), sensul de actionare (simplu sau dublu) si marimea curselor de lucru;

-ciclul de lucru al mecanismelor actionate cu precizarea parametrilor functionali necesari:forte, momente,viteze si acceleratii liniare si unghiulare, evolutia in timp si spatiu a acestor componente mecanice- constanta sau variabila;

-relatiile de dependenta functionala intre mecanismele actionate;

Proiectantul schemei de actionare hidraulica va  preciza in colaborare cu constructorul restul de date privind:

-locul de amplasare si modul de prindere in utilaj a elementelor hidraulice de executie si a elementelor de distibutie, reglaj si protectie;

-tipul comenzilor si posibilitatile de amplasare pe utilaj a elementelor de comanda si conducere a sistemului hidraulic (manual, mecanic, electric, etc.)

3. Elaborarea schemei de actonare hidraulica.

Schema hidraulica pricipala se elaboreaza de catre proiectant tinand seama de toate cerintele impuse de tema de proiectare si in functie de o serie de factori,cum arfi;

-tipul si caracteristicele functionale ale mecanismelor actionate;

-echipamentul accesibil commercial;

-opiniile obiective si subiective ale proiectantilui,etc.;

Schema hidraulica principala reprezinta in mod obligatoriu prima etapa din procesul de proiectare solicitat prin tema. In general, orice schema hidraulica trebuie sa resolve cateva probleme dupa cum urmeaza:

-tipul de circuit pompa-motor hidraulic rotativ ( deschis sau inchis);

-modul si mijloacele de realizare a functiilor hidraulice:executia, generarea energiei hidrostatice, distributia si comanda, reglajele, protectiile si asigurarile necesare.

3.1. Circuite hidraulice specifice sistemelor de actionare.

Eseu: CAIET DE SARCINI pentru executia infrastructurii din beton armat Referat: Manual de reabilitare termica a cladirilor prin imbunatatirea protectiei termice a peretilor exteriori

Sistemele de actionare hidraulica se realizeaza, in cea mai mare parte, pe baza unuia sau mai multor circuite de baza, cu actionare singulara sau multipla, cu reglare rezistiva sau volumica, etc. Pentru fiecare tema de proiect de actionare hidraulica exista un sir de circuite de baza posibil a fi folosite. Alegerea optima se poate face pe baza cerintelor pe care sistemul trebuie sa le satisfaca, domeniul de utilizare al instalatiei si experienta proiectantului.

In tabelul 1 sunt expuse cateva criterii privind stabilirea circuitului hidraulic de actionare pentru o aplicatie data.

In sistemele de actionare hidraulica, frecvent apar situatii in care este necesara actionarea independenta a motoarelor hidraulice, atunci cand trebuie evitata influentarea reciproca a unor miscari.

Tabelul 1

Daca sistemul este avantajos prin pretul de cost al instalatiei, descarcarea pompei prin supapa de siguranta la presiuni mai mari decat cea nominala () este insotita de pierderi energetice substantiale, aceasta ducand la reducerea pronuntata a randamentului energetic al instalatiei. Aceste pierderi sunt si mai mari in perioadele in care din motive functionale motorul este neactionat si intregul debit al pompei PV este trimis la rezervor prin supapa de siguranta (Ssig)

Daca in cazul pompelor cu debit constant (fig.), reglarea vitezelor poate fi asigurata cu rezistente reglabile (drosele) sau cu regulatoare de debit, reglarea vitezelor la puteri medii si mari se realizeaza cu ajutorul combinatiilor a doua sau mai multe pompe cu debit constant (fig.3.), cuplate intre ele, sau a unei singure pompe cu debit reglabil (fig.4.).

Cele doua solutii permit obtinerea unor randamente energetice superioare imbunatatind raportul dintre vitezele maxime si minime in instalatie. Comanda de comutare la capat de cursa cat si reglarea debitului pentru diferitele viteze de lucru se face prin intermediul unor distribuitoare sau supape de cuplare - decuplare (fig.3.) sau intr-un circuit de reglare automata a pompei (fig.5.), randamentul sistemului fiind maxim.

Extinderea ciclogramei de lucru a motorului hidraulic cu asigurarea momentana a unor debit e mari impune introducerea in circuitul hidraulic a unui acumulator hidraulic (fig.4.). Folosirea acumulatorului AH duce la cresterea randamentului energetic al actionarii prin faptul ca este posibila utilizarea unei pompe cu debit constant dimensionata la un debit mediu, urmand ca debitul maxim necesar vitezelor mari sa fie realizat prin cumularea debitului pompei cu cel furnizat de acumulator.

Economisirea de pompe volumice, motoare de antrenare si rezervoare, reducerea puterii instalate, reducerea gabaritului si a zgomutului sunt argumente pentru utilizarea acumulatoarelor in instalatiile hidraulice de actionare (fig.4.).

Daca in schemele hidraulice in circuit deschis (fig. 4.) se utilizeaza pentru actionarea atat a motoarelor hidraulice rectilinii cat si a celor rotitoare, schemele in circuit inchis se utilizeaza practic numai la actionarea hidromotoarelor rotative la puteri mai mari (fig.6.). Caracteristica lor este ca uleiul evacut din hidro-motor este dirijat spre conducta de aspiratie a pompei, ducand astfel la reducerea volumului rezervorului, deci a gabaritului instalatiei. Schimbarea sensului de rotatie a hidromotorului se face prin schimbarea sensului de refulare al pompei.

Schemele hidraulice in circuit inchis se folosesc in special in instalatiile utilajelor mobile care reclama folosirea de rezervoare de capacitate redusa. Avantajele si dezavantajele acestor scheme sunt in general,in raport invers cu cele de la schemele in circuit deschis.

4.Analiza structurala a schemelor de actionare hidraulica.        

Principial un sistem de actionare hidraulica se compune dintr-o serie de echipamente electrice, hidraulice si mecanice care transforma printr-o serie de conversiuni intermediare de energie, cu reglarea si distibutia parametrilor hidraulici, marimea de intrare (tensiunea U si curentul I ), la motorul electric de antrenare , intr-o marime de iesire (momentul si turatia sau forta si viteza ) pentru mecanismul actionat. Din structura globala a sistemului hidraulic se disting: subsistemul hidraulic de actionare (generatorul energiei hidraulice si executia), subsistemul de distributie, comanda si reglare, subsistemul pentru reglarea debitelor si presiunilor, subsistemul auxiliar si de masura si control. Un element esential al sistemelor de actionare este fluidul de lucru, care prin proprietatile fizico-chimice influenteaza in mod hotarator fiabilitatea in exploatarea sistemului.

Executia se realizeaza cu motoare hidraulice de translatie sau de rotatie (motoare rapide sau motoare lente ). Alegerea unuia sau altuia din tipurile de baza trebuie facuta in corelare cu tema instalatiei si parametrii geometrici si functionali ai motoarelor oferite de cataloagele de produs. Alegerea motoarelor hidraulice se face in baza urmatoarelor criterii:

-motoarele de translatie sunt mai simple consructiv, mai ieftine, mai fiabile si realizeaza deplasari liniare fara piese de transformare; in schimb ocupa la aceeasi putere hidraulica un gabarit mai mare, realizeaza deplasari pe distante limitate, angajeaza mase mari de lichid in sistem;

-motoarele de rotatie rapide, prezinta in raport cu cele de translatie, caracteristici inverse.

-motoarele de rotatie lente, permit fata de cele rapide, eliminarea reductoarelor mecanice pentru realizarea vitezelor mici de rotatie (sub 50 rot/ min); in schimb, angajeaza mase mari de lichid in sistem si nu pot realiza viteze mari de rotatie (in general peste 500 rot/min )

Alegerea generatoarelor energiei hidraulice se face in functie de presiunile si debitele maxime ce au fost stabilite pentru fiecare motor in parte, la faza precedenta. Pe langa criteriul accesibilitatii comerciale, la alegerea generatorului se are in vedere urmatoarele:

-tipul de pompa (cu roti dintate, cu palete culisante sau pistonase axiale ), care se alege este dictat in general, de nivelul presiunii maxime;

-marimea pompei (capacitatea, exprimata in ) si turatia de antrenare a ei sunt dictate in general, de nivelul debitului maxim;

-numarul de surse de alimentare nu este neaparat egal cu numarul de motoare actionate, ci in general mai mic decat acesta, datorita posibilitatilor de grupare a mai multor motoare.

-daca o sursa de alimentare urmeaza sa alimenteze unul sau mai multe motoare cu debite intr-un raport prea mare, atunci fie se trece pe doua surse separate,de debite, fie se foloseste o pompa cu debit reglabil manual sau automat, fie o pompa de debit mai mic si un acumulator:

-dupa precizarea pompelor necesare, este util sa se faca un bilant energetic,in scopul de a verifica gradul de utilizare a puterii totale,instalate.

Distibutia mediului lichid pe circuite este asigurata de aparate de distrubutie care, datorita schemelor lor interne de comutare si a legaturilor dintre ele, au posibilitatea de a conecta liniile de alimentare a motoarelor cu liniile de surse de presiune si cele de evacuare in asa fel incat, pe baza informatiilor primite de la sistemul de comanda, sa realizeze ciclul de functionare dorit al motoarelor.

Distribuitoarele sunt realizate intr-o gama larga de scheme interne de comutare cu doua, trei sau mai multe pozitii de lucru, cu doua, trei sau mai multe cai de circulatie, doua, trei, patru sau mai multe orificii de legatura, conducand in final la scheme de distributie diferite.

Reglarea presiunilor si debitelor de lucru se efectueaza cu supape de deversare si de reductie, si respectiv cu rezistente hidraulice (drosele ) si regulatoare de debit cu doua si trei cai, ce se plaseaza pe trasele corespunzatoare.

Protectia elementelor si circuitelor din schema se realizeaza cu supape de descarcare, pentu evitarea suprasarcinilor, filtre de ulei, pentru evitarea impurificarii, schimbatoare de caldura, pentru evitarea temperaturilor nedorite in sistem, etc.

Schemele reprezentative prezentate in fig. 2,3 6 scot in evidenta structura si componentele unui sistem de actionare hidraulica.

5. Evaluarea parametrilor hidraulici.

In procesul de proiectare apar numeroase "bifurcari " ale variantelor posibile, creand dileme care nu-si gasesc solutia in relatii de calcul sau in instructiuni univoce, ci in acte de optiune in care sunt analizate atat rationamentele obiective cat si cele subiective tinand seama de consideratiile teoretice si cele experimentale. In cazul instalatiilor de actionare hidraulica,proiectantul are de facut optiuni privind nivelul de lucru si solutia constructiva de principiu.

Valoarea presiunii de lucru   p, decide calitatea acelorasi componente. Aceasta determina impreuna cu fortele, vitezele si alte marimi impuse proiectantului dimensiunea si prin aceasta si costul instalatiei. La alegerea valorii maxime a presiunii de lucru, se ia in consideratie presiunea nominala de lucru si pierderile de presiune in circuitul hidraulic. O determinare precisa a pirderilor de presiune se poate face numai in momentul cand elementele au fost definitivate.

Tendinta generala in constuctia instalatiilor hidraulice este de a ridica nivelul presiunilor de lucru. Greutatea minima a unei instalatii hidraulice se obtine la o presiune instalata de cca. 30 Mpa, iar costul minim la presiuni de cca. 20 Mpa. Totodata fiabilitatea instalatiei scade cu presiunii de lucru.

La alegerea presiunii de lucru se mai au in vedere nivelul de zgomot admis, regimul dinamic dorit, accesibilitatea comerciala la componentele de inalta presiune, conditiile de exploatare sau intretinere, etc. Ponderea acestor factori in ansamblul instalatiei reprezinta unul din cele mai importante acte de optiune si competenta pe care le face proiectantul intalatiei. Unele recomandari privind domeniul de presiuni de lucru pentru diferite tipuri de instalatii sunt date in tab. si tab. 3. Valorile recomandate ale presiunilor de lucru constituie un optim atat din punct de vedere functional cat si economic.