Jak obiecałem w poprzednim tekście skupimy się dzisiaj na siłownikach dwustronnego działania zwracając uwagę na cechy charakterystyczne i zastosowania z nich zastosowania. Na wstępie można odnieść wrażenie, że temat jest na tyle znany i prosty że o czym tu dywagować. Jednak dla bardziej dociekliwych postaram się zwrócić uwagę na kilka szczegółów, które mogą poszerzyć sposób postrzegania tych elementów.
Na początku tekstu winien jestem Państwu jednak erratę,ponieważ w tekście o siłownikach teleskopowych (Vademecum hydrauliki siłowej część 6.2) znalazła się błędna informacja o siłownikach teleskopowych dwustronnego działania. Jako, że moje teksty powstają na podstawie doświadczenia i autopsji, a nie wyczytanej internetowej wiedzy podawanej przez profesora „googla” to i jej poziom ulega ciągłej ewaluacji. W dodatku chodzi również o siłownik dwustronnego działania wiec będzie to całkiem na temat. Tak więc wpadł w ostatnim czasie w moje ręce siłownik teleskopowy dwustronnego działania, który nie wymaga specjalnego sekwencyjnego sposobu sterowania. W poprzednim tekście pisałem o dosyć specyficznym rozwiązaniu siłownika ze specjalnym sposobem sterowania przy pomocy dwóch rozdzielaczy wymuszających sekwencję działania, który tak naprawdę stanowi hybrydę siłownika teleskopowego z siłownikiem tłokowym. W praktyce jednak spotkamy siłowniki, które nie wymagają żadnego specjalnego sterowania, a posiadają wszystkie cechy siłownika teleskopowego, z tą jedną cechą, że zwykły siłownik teleskopowy składa się pod wpływem działania siły zewnętrznej, może być na przykład grawitacji, czy jak w wywrotkach pod ciężarem skrzyni ładunkowej. Ten typ siłownika ruch w kierunku składania ma również sterowany. W zasadzie można stosować go tak samo jak siłowniki tłokowe z tą jednak różnicą, że zachowuje się najważniejszą cechę siłownika teleskopowego, czyli wielokrotnie większy skok , od długości siłownika w pozycji złożonej. Jak to działa? Otóż całe „clou” problemu stanowi jego budowa, a dokładniej podział na dwie objętości robocze. W siłownikach tłokowych to właśnie tłok dokonuje podziału wnętrza cylindra na dwie objętości robocze.
Rys. 1 siłownik teleskopowy dwustronnego działania.
Na rysunku 1 pokazana jest budowa siłownika teleskopowego dwustronnego działania. Nie będę opisywał poszczególnych elementów, ponieważ są one takie same jak w normalnych siłownikach teleskopowych. W opisie skupimy się na różnicach. Dla ułatwienia na rys. 1 obie przestrzenie robocze i kanały zasilające zostały oznaczone kolorami. Kolor żółty pokazuje jak zasilana jest przestrzeń robocza siłownika, która odpowiada za wysuwanie teleskopów. Kolorem zielonym zaznaczona jest przestrzeń robocza odpowiadająca za chowanie teleskopów. Jak widać rozwiązanie jest genialne w swej prostocie, a cały smaczek zawarty jest w podziale przestrzeni roboczych. Jak widać każdy teleskop został zakończony tłokiem ( kolor brązowy i beżowy). Właśnie tłok stanowi różnicę między zwykłym teleskopem a teleskopem dwustronnego działania bo jak pisałem to tłok dokonuje podziału przestrzeni roboczych . W przypadku siłownika teleskopowego każdy z elementów ma swój tłok. W powiązaniu ze sposobem zasilania który wynika z konieczności doprowadzenia oleju do właściwych przestrzeni roboczych i po tych wszystkich zmianach budowy otrzymujemy siłownik teleskopowy dwustronnego działania. To na tyle jeżeli chodzi o posypywanie głowy popiołem. Przechodzimy do podstawowego tematu tej części Vademecum.
Nie będę oczywiście zajmował się tu najpopularniejszymi zastosowaniami, ale chciałbym zająć się kilkoma niuansami. W większości tekstów na temat siłowników dwustronnego działania wspominałem o tym, że za siłę z jaką pracuje siłownik odpowiada ciśnienie robocze panujące w siłowniku oraz średnica cylindra, a dokładniej powierzchnia robocza tłoka.
Rys.2 Siłownik dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem.
Rys.3 Siłownik dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem.
Na rysunku 2 pokazano schematyczną budowę siłownika dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem. Jeżeli porównamy rzut A-A z rzutem B-B zauważymy, że pole powierzchni tłoka różni się na obu rzutach. Zależność tę można opisać:
Pole powierzchni tłoka Pt na rzucie B-B
Pt = P2
Pole powierzchni tłoka Pt na rzucie A-A
Pt=P2-P1
Co z tego wynika? Otóż dowiadujemy się, że obie strony tłoka nie będą nigdy miały tej samej powierzchni. Efektem tego będzie różna siła wytwarzana przez siłownik w trakcie wysuwania tłoczyska od siły w trakcie chowania tłoczyska. Spróbujmy więc policzyć te siły przy ciśnieniu roboczym 100bar ( 100kg/cm2) przy założeniu, że:
P1 = 50cm2
P2= 100cm2
Siłę oznaczymy literą F
a ciśnienie literą B
W takim przypadku
F = Pt x B
Podstawiamy dane dla rzutu B-B
F1 = P2 x B
F1 = 100cm2 x 100kg/cm2 = 10000kg
Postawiamy dane dla rzutu A-A
F2= (P2-P1) x B
F2 = (100cm2 – 50cm2) x 100kg/cm2 = 5000kg
Jak wynika z tego prostego obliczenia przy tak przyjętych wartościach różnica wyniesie 50% wartości siły F1 do F2. Jakie to ma znaczenie? Otóż w najprostszych zastosowaniach siłownika z jednostronnym tłoczyskiem wynika z tego, że napędzany element będzie miał dwa razy większą siłę w „jedną stronę” niż w „drugą stronę”. Ale co w sytuacji gdy obie strony siłownika zasilimy jednocześnie? W takim wypadku zaczną się dziać już ciekawsze rzeczy. Taki przypadek przedstawia rysunek 5. Biorąc pod uwagę co wyliczyliśmy wcześniej musimy przyjąć, że siła F1 będzie większa od siły F2. Jeżeli tak to siłownik z powodu tej różnicy zacznie wysuwać tłoczysko, ale z siłą pomniejszoną o wartość siły przeciwdziałającej temu ruchowi czuli w naszym przypadku z siłą 5000kg. Daje to ciekawe możliwości biorąc pod uwagę zastosowanie takiej prawidłowości w eksploatacji maszyny. Na przykład w wielu wtryskarkach stosuje się to zjawisko do zmniejszania siły przy zamykaniu formy. Wówczas mówimy o „zabezpieczeniu formy”. Funkcja ta pozwala zamykać formę we wtryskarce do pewnego momentu ze zmniejszoną siłą, co ma ją zabezpieczyć przed zniszczeniem gdy by coś zostało w jej wnętrzu.
Rys 5
Ciekawe jest co dzieje się z kierunkiem przepływu oleju w tak zasilanym siłowniku. Niebieskie strzałki na rys 5 pokazują nam jak płynie olej między króćcami A i B. Wynika z tego, że olej z króćca A wypływa i wpływa do króćca B. Skąd takie zachowanie? Mamy tu do czynienia z przekładnią hydrauliczną. Co to jest przekładnia hydrauliczna? Tak jak w całej mechanice jest to stosunek jednej wartości do drugiej. Wartości mogą być róże: ramię – dźwignia, średnica- przekładnia zębata lub pasowa, powierzchnia – przekładnia hydrauliczna. Różne urządzenia ale zasada ta sama, to znaczy że z mniejszego dzięki przekładni możemy uzyskać większe lub na odwrót. Przekładnia hydrauliczna dzięki różnicy powierzchni tłoka pozwala uzyskać z mniejszego ciśnienie większe. W siłowniku z jednostronnym tłoczyskiem mamy właśnie do czynienia z takim zjawiskiem niejako w sposób naturalny. Przepływ oleju z Ado B odbywa się dzięki temu że po stronie A powstaje wyższe ciśnienie dzięki przekładni hydraulicznej niż ciśnienie zasilania, a że w naczyniach połączonych zawsze panuje to samo ciśnienie to olej dążąc do wyrównania go przepływa z króćca A do B. Zjawisko takie ma zastosowanie w celu wytworzenia dodatkowego strumienia oleju zasilającego ruch w trakcie wypychania tłoczyska i jest wykorzystywane do przyspieszania posuwów jałowych w maszynach bez konieczności instalowania dodatkowego źródła oleju (pompa/akumulator).
Rys. 6
Rysunek 6 i rys 3 pokazuje nam siłownik z dwustronnym tłoczyskiem. Przy założeniu, że po obu stronach siłownika mamy tę samą średnicę tłoczyska to siły F1 i F2 będą przyjmowały tę samą wartość . Oczywiście w tym wypadku nie wytworzy nam się przekładnia hydrauliczna, czego efektem będzie brak jakiejkolwiek reakcji siłownika na podanie jednocześnie tego samego ciśnienia do przyłączy A i B jak na rys 6. Przepływ oleju w takiej sytuacji nastąpi tylko i wyłącznie w efekcie oddziaływania różnych sił zewnętrznych na tłoczyska siłownika. Dlatego w zasadzie nie stosuje się takiego sposobu zasilania tych siłowników. Można oczywiście w ten sposób odprężyć napięty układ mechaniczny. W takim wypadku olej przepływający między króćcami spowoduje kontrolowany ruch elementów pod wpływem siły zewnętrznej, będziemy mieli wówczas do czynienia ze zjawiskiem amortyzacji ruchu podobnym do występującego w samochodowych amortyzatorach hydraulicznych. Nie to jest jednak tą najciekawszą cechą takiego siłownika. Dzięki temu że mamy dwa tłoczyska tej samej średnicy mamy tę samą powierzchnie tłoka ,o czym było wyżej ale mamy również tę samą objętość roboczą siłownika to znaczy, że Q1 = Q2 na rys 3. Ta sytuacja daje nam nowe implikacje. Jakie to ma znaczenie eksploatacyjne? Otóż jednakowa objętość siłownika przy ruchu w obydwu kierunkach oznacza, że przy stałej wydajności pompy czy szerzej przy stałych parametrach strumienia oleju zasilającego uzyskamy tę sama szybkość posuwu i wartość siły przy ruchu w obie strony. Najprostszym przykładem jest zastosowanie takiego siłownika we wspomaganiu układu kierowniczego we wszelkiego rodzaju pojazdach użytkowych, choćby sztaplarce czy ciągniku rolniczym. Elementem sterującym pracą siłownika w tym przypadku jest orbitrol. Nie będę się zajmował nim dłużej, ale dla zrozumienia problemu, jest to połączenie rozdzielacza obrotowego z pompą zębatą napędzaną manualnie przy pomocy kręcenia kierownicą. Jako że pompa zębata ma określoną wydajność na obrót to łatwo sobie uzmysłowić, że dzięki zastosowaniu siłownika z dwustronnym tłoczyskiem do skręcenia kół od prawej do lewej będziemy potrzebowali tyle samo obrotów kierownicy, co w kierunku przeciwnym. Jest to oczywisty warunek, aby kierowca mógł zapanować nad pojazdem. Wyobraźmy sobie sytuację w której prowadzimy samochód i przy tym samym wychyleniu kierownicy w jedną stronę samochód skręca bardziej niż w drugą. Podobną sytuację mamy w maszynce sterowej na jachtach. Płetwa steru napędzana jest dokładnie z takiego samego powodu siłownikiem z dwustronnym tłoczyskiem. Ważne jest tez to że w obydwu kierunkach do kół czy do płetwy sterowej przykładamy tę sama siłę.
Postanowiłem poświęcić tym zagadnieniom więcej czasu ponieważ w trakcie praktyki zawodowej na początku sam często zadawałem sobie pytanie jak to możliwe a później mnie często pytano dlaczego tak jest. W serwisie układów hydraulicznych ustalenie przyczyny wadliwego działania maszyny zawsze jest uzależnione od zrozumienia zjawisk zachodzących w trakcie przepływu oleju i sposobu jego oddziaływania na poszczególne elementy układu. Znajomość zasad rządzących działaniem najprostszych siłowników hydraulicznych może w dużej mierze ułatwić diagnozowanie awarii. Dam jeden prosty przykład. Często zdarza się awaria która polega na tym że tłoczysko siłownika wysuwa się ale nie chce się schować, jeżeli zasterujemy ruch w przeciwną stronę. Najczęstszym uszkodzeniem nie jest blokowanie przepływu przy powrocie z siłownika czy uszkodzenie zaworu zwrotno-dławiącego,lub zwrotnego sterowanego odpowiadającego za blokowanie siłownika w określonej pozycji. Bardzo często mamy do czynienia z odkręceniem się tłoka z siłownika i wówczas w sytuacji gdy podamy ciśnienie w kierunku wysuwania tłoczyska to siłownik wykonuje ruch tak jakby był nurnikiem, a gdy podamy zasilanie w odwrotnym kierunku to tłok odsuwa się od tłoczyska i następuje przelew oleju do zbiornika.
W tej części vademecum to już wszystko. Mam nadzieję, że ta odrobina teorii nie spowodowała u czytających negatywnych odruchów i powrócicie Państwo do lektury mojego cyklu. W kolejnym tekście skupimy się, tak jak obiecałem w pierwszej części o siłownikach, na uszczelnieniach technicznych spotykanych w siłownikach hydraulicznych i nie tyko. To będzie dopiero ciekawy temat bo okaże się pewnie, że „ wymiana gumek” (tak często mówią klienci, gdy dzwonią w sprawie naprawy siłownika) nie jest taka prosta jak by się wielu wydawało.