Konštrukcia hydraulických systémov je disciplinovaný proces premeny energie hlavného pohonu na presne riadený mechanický pohyb prostredníctvom stlačenej tekutiny. Priamy záver: spoľahlivý hydraulický systém je postavený na štyroch rozhodnutiach urobených v poradí – nastavte pracovný tlak, dimenzujte prietok, vyberte architektúru okruhu a vyberte komponenty s overenými menovitými hodnotami. Keď inžinieri preskočia túto sekvenciu a preskočia priamo na výber komponentov, typickými dôsledkami je prehrievanie, pomalý pohyb pohonu, kavitácia čerpadla a nákladné opravy v teréne. Táto príručka zjednocuje pracovný tok návrhu, metódy určovania veľkosti, páky efektivity a bežné chyby, doplnené tabuľkami, ktoré môžete použiť ako referenciu pri skutočnej kontrole návrhu.
Základné princípy dizajnu, ktoré určujú výkon hydraulického systému
Každý hydraulický systém sa riadi rovnakými fyzikálnymi zákonmi. Tlak vytvára silu, prietok vytvára rýchlosť a súčin týchto dvoch definuje hydraulickú silu. Úlohou konštruktéra je dodať tento výkon pohonu s prijateľnými stratami a predvídateľným správaním v rámci celej prevádzkovej obálky.
Pracovný tlak je prvým parametrom, ktorý treba opraviť, pretože riadi veľkosť každého ďalšieho komponentu. Priemyselné stroje bežne bežia medzi 100 bar a 210 bar, zatiaľ čo mobilné zariadenia, kde záleží na hmotnosti, zvyčajne pracujú pri 250 baroch alebo vyšších. Vyšší tlakový strop umožňuje menšie fľaše a menšie zásobníky, ale tiež zvyšuje vnútorné úniky, tvorbu tepla a náklady na hadice, armatúry a tesnenia.
Prietok určuje rýchlosť pohonu a priamo nastavuje výtlak čerpadla. Valec s priemerom 50 mm, ktorý sa musí vysunúť o 400 mm za 4 sekundy, potrebuje pred započítaním netesností prietok 11,8 l/min. Pokles tlaku na ventiloch a armatúrach sa rovná štvorcu rýchlosti prúdenia, takže priemery potrubí a hadíc musia byť zvolené tak, aby sa rýchlosť tekutiny udržala pod 4,5 m/s na tlakovej strane a pod 1,5 m/s na spiatočnej strane.
Bezpečnostné rozpätia používané v profesionálnych recenziách dizajnu:
- Rozpätie tlaku: poistný ventil nastavený o 10 až 20 % nad maximálny pracovný tlak, aby sa predišlo nepríjemnému vypnutiu.
- Rozpätie toku: 15% rezerva prietoku čerpadla pre vnútorné netesnosti a opotrebovanie komponentov počas životnosti stroja.
- Okraj valca: zníženie sily valca o 10%, aby sa zohľadnilo trenie a odpor tesnenia tyče.
- Veľkosť nádrže: objem nádrže aspoň 2,5-násobok prietoku čerpadla za minútu pre dobré odvzdušnenie alebo 3-násobok pre cykly s vysokým zaťažením.
Typické hodnoty tlaku, prietoku, viskozity a čistoty uvádzané pri návrhu hydraulického systému | Dizajnový parameter | Typický rozsah | Primárny vplyv |
| Pracovný tlak | 100 až 210 barov priemyselné; 250 bar mobil | Veľkosť komponentov, sila, výber tesnenia |
| Prietok | 1 až 100 l/min pre typické pohonné jednotky | Rýchlosť pohonu, priemer potrubia, výtlak čerpadla |
| Trieda viskozity kvapaliny | ISO VG 32, 46 alebo 68 | Vnútorná netesnosť, správanie pri studenom štarte, pevnosť filmu |
| Pracovný cyklus | 10 až 100 % prevádzkového času | Tepelné zaťaženie, veľkosť zásobníka, potreba chladiča |
| Úroveň filtrácie | ISO 4406 18/16/13 alebo jemnejšie pre servosystémy | Životnosť komponentov, stabilita ventilu |
Architektúra obvodov: Otvorená slučka, uzavretá slučka a držanie záťaže
Pred výberom jednotlivých komponentov musí inžinier definovať topológiu obvodu. Najbežnejšou architektúrou je okruh s otvorenou slučkou, kde sa kvapalina nasáva zo zásobníka, dodáva sa do ovládača cez smerový ventil a po vykonaní práce sa vracia do zásobníka. Okruhy s otvorenou slučkou dominujú pevným priemyselným zariadeniam, pretože sú jednoduché, odolné voči kontaminácii a ľahko sa riešia problémy.
Systémy s uzavretou slučkou cirkulujú kvapalinu priamo medzi čerpadlom a motorom, pričom úniky nahrádza iba malé plniace čerpadlo. Tieto obvody poskytujú vyššiu účinnosť pri aplikáciách s nepretržitým rotačným pohybom, ako sú pohony navijakov a koľajové pohony, ale vyžadujú presnejšiu filtráciu a hlbšie pochopenie stability slučky. Pre väčšinu strojov s lineárnym pohybom, ako sú lisy, zdviháky a svorky, je tou správnou voľbou otvorená slučka s dobre navrhnutým ventilovým potrubím.
Uchytenie nákladu je samostatné konštrukčné rozhodnutie, ktoré nikdy nesmie byť premyslené. Vertikálne záťaže potrebujú vyvažovacie ventily, pilotne ovládané spätné ventily alebo mechanické zámky, aby sa zabránilo posunu. Klasickým poruchovým režimom je horizontálne unášanie valca vplyvom gravitácie, keď cievka smerového ventilu vnútorne presakuje. Vyvažovacie ventily s pilotným pomerom 3:1 až 8:1 sú štandardným riešením a ich praskací tlak musí byť nastavený aspoň o 30 % nad protitlakom vyvolaným záťažou.
Súčasťou architektúry obvodov sú aj akumulátory. Vakový alebo piestový akumulátor môže uchovávať energiu pre potreby špičkového pohybu, zmenšovať veľkosť čerpadla, tlmiť tlakové špičky alebo pôsobiť ako zdroj núdzového spúšťania. Pre aplikácie s krátkou špičkou vysokého prietoku, po ktorej nasleduje dlhá doba nečinnosti, môže akumulačný okruh znížiť požiadavky na prietok čerpadla až o 60 %, s priamymi úsporami na výkone motora a výrobe tepla.
Úplné spracovanie fyziky za týmito obvodmi sa objavuje v našom vysvetlení princíp fungovania hydraulického systému . Keď je návrh okruhu stanovený, mnohí výrobcovia uprednostňujú obstaranie čerpadla, ventilov a nádrže ako jednu vopred zmontovanú jednotku. A vlastná hydraulická stanica ktorá sa zhoduje so schémou zapojenia eliminuje riziko nesúladu veľkosti portov a zjednodušuje inštaláciu na strane výrobcu stroja.
Veľkoobchodní výrobcovia hydraulických čerpacích staníc, továreň OEM / ODM Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd je Čína OEM / ODM výrobcovia hydraulických čerpacích staníc a továreň hydraulických čerpacích staníc, sme sp... Zobraziť produkt → - Okruhy s otvoreným stredom: prietok čerpadla sa vracia do nádrže pri nízkom tlaku pri nečinnosti, najlepšie pre stroje s jedným pohonom.
- Okruhy s uzavretým stredom: prietok čerpadla je blokovaný na ventile, čo umožňuje, aby tlak zostal vysoký pre rýchlu odozvu na systémoch s viacerými pohonmi.
- Obvody snímania zaťaženia: čerpadlo prispôsobuje prietok a tlak aktuálnej potrebe, čím znižuje straty v pohotovostnom režime o 30 až 50 %.
- Regeneračné okruhy: Olej na strane tyče je počas vysúvania vedený späť na stranu piestu, čím sa zvyšuje rýchlosť bez dodatočného prietoku čerpadla.
Dimenzovanie komponentov: Praktický návod krok za krokom
Najrýchlejší spôsob, ako pochopiť hydraulické dimenzovanie, je prejsť konkrétnym príkladom. Zvážte zdvíhaciu plošinu, ktorá musí zdvihnúť 3 000 kg nákladu o 200 mm zdvihu za 6 sekúnd. Konštrukčný tlak je nastavený na 160 barov.
Krok 1 — Výpočet požadovanej sily. Gravitačná sila je 3 000 kg vynásobená 9,81 m/s², čo sa rovná 29,43 kN. Pridajte 10% prídavok na trenie, čím získate 32,4 kN ako požadovanú silu piestu.
Krok 2 — Vyberte vŕtanie valca. Plocha piesta je sila delená tlakom: 32 400 N delené 16 MPa sa rovná 2 025 mm². Tomu zodpovedá priemer otvoru 50,8 mm, takže ďalšia štandardná veľkosť otvoru je 50 mm. Pri kontrole výberu vŕtanie 50 mm pri 160 baroch poskytuje 31,4 kN, čo je o niečo menej ako odhad zahŕňajúci trenie; stupňovanie až do 63 mm poskytuje 49,9 kN, čo je bezpečnejšia voľba pre produkčný zdvih.
Krok 3 — Určite požadovaný prietok. Zdvih 200 mm za 6 sekúnd dáva rýchlosť piesta 33,3 mm/s. Pri vŕtaní 63 mm je plocha piesta 3 117 mm², takže prietok je 6,23 l/min. Pridaním 15% rezervy úniku sa získa projektovaný prietok 7,2 l/min.
Krok 4 — Dimenzujte čerpadlo a hnací motor. Pri 1 450 ot./min. objem zubového čerpadla 5,0 cm3/ot dodáva 7,25 l/min. Hydraulický výkon sa rovná tlaku vynásobenému prietokom deleným 600: 160 bar x 7,2 l/min / 600 = 1,92 kW. Za predpokladu 85% účinnosti čerpadla musí inštalovaný motor poskytovať výkon aspoň 2,26 kW, takže 2,2 kW motor je minimum, pričom 3 kW ako robustnejšia voľba, ak je pracovný cyklus nepretržitý.
Prehľad veľkostí pre 3-tonovú zdvíhaciu plošinu so zdvihom 200 mm a 6-sekundovým cyklom | Parameter | Vypočítaná hodnota | Vybraný komponent |
| Sila valca | 32,4 kN (s trením) | Valec s priemerom 63 mm pri 160 baroch |
| Rýchlosť piestu | 33,3 mm/s | Zodpovedá požadovanému času cyklu |
| Prietok čerpadla | 7,2 l/min s rezervou | Zubové čerpadlo 5,0 cm3/ot pri 1 450 ot./min |
| Výkon motora | 2,26 kW pri účinnosti 85 %. | Štvorpólový elektromotor s výkonom 3 kW |
Pre konštruktérov, ktorí chcú preskočiť opakované výpočty veľkostí na podobných strojoch pomocou vopred pripraveného stroja pohonná jednotka zdvíhacej plošiny šetrí čas a znižuje riziko obstarávania. Tieto jednotky už zodpovedajú skupine čerpadla, motora, nádrže a ventilu prevádzkovej triede aplikácie, pričom je potrebné špecifikovať iba valec a spojovacie hadice.
Veľkoobchodný výrobca pohonných jednotiek zdvíhacej plošiny, továreň Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd je Čína OEM / ODM výrobcovia pohonných jednotiek zdvíhacej plošiny a továreň, Špecializujeme sa na celé ... Zobraziť produkt → Účinnosť, výroba tepla a tepelný manažment
Hydraulické systémy premieňajú mechanickú energiu na hydraulickú energiu a potom späť na mechanický pohyb. Každá fáza premeny stráca určitú energiu na teplo. Typický systém zubového čerpadla s pevným objemom s proporcionálnymi ventilmi má celkovú účinnosť 55 až 75 %, čo znamená, že 25 až 45 % vstupného výkonu sa stáva teplom. Ak stroj odoberá 10 kW a účinnosť systému je 65 %, tepelné zaťaženie dosiahne 3,5 kW, čo je dostatočné na zvýšenie 100 l nádrže o 50 °C za menej ako dve hodiny bez chladiča.
Najúčinnejšie opatrenia efektívnosti zoradené podľa vplyvu: čerpadlá s premenlivým objemom, ktoré znižujú prietok počas pohotovostného režimu; ovládacie prvky snímania zaťaženia, ktoré prispôsobujú tlak nákladu; akumulátorové obvody, ktoré posúvajú uloženú energiu do špičkových fáz; a nízkotlakové ventily s väčšími otvormi cievky.
Typická energetická účinnosť bežných typov hydraulických čerpadiel používaných v dizajne priemyselných systémov | Typ čerpadla | Typická účinnosť | Úroveň hluku | Aplikácia Best Fit |
| Vonkajšie zubové čerpadlo | 75 až 85 % | Stredná | Stroje s pevným prietokom, cenovo citlivé |
| Lopatkové čerpadlo | 85 až 92 % | Nízka | Priemyselné energetické jednotky, mierny tlak |
| Axiálne piestové čerpadlo | 90 až 95 % | Nízka to medium | Vysoký tlak, variabilný prietok, mobilná prevádzka |
Dimenzovanie výmenníka tepla sa riadi jednoduchým pravidlom. Keď je známe tepelné zaťaženie v kilowattoch, vydeľte ho prípustným nárastom teploty nad okolitú teplotu vynásobeným koeficientom prestupu tepla typu chladiča. Napríklad tepelná záťaž 3 kW s nárastom o 30 °C a koeficientom 0,025 kW/°C·m² vyžaduje 4 m² účinnej chladiacej plochy. Väčšina komerčných vzduchom chladených výmenníkov tepla uvádza ich rozptylovú kapacitu pri štandardnom teplotnom rozdiele, takže výber je priamym vyhľadávaním, keď je tepelná záťaž pevne stanovená.
Pri strojoch, ktoré pracujú prerušovane s dlhými prestávkami, správne dimenzovaný zásobník s chladiacimi rebrami z hliníkového plechu často eliminuje potrebu chladiča oleja. V aplikáciách s nepretržitou prevádzkou, ako sú lisy alebo pohony dopravníkov, je termostatický obtok z poistného ventilu späť do nádrže jednoduchým, ale účinným spôsobom, ako udržať teplotu oleja v optimálnom rozmedzí 40 až 55 °C.
Úvahy o konštrukcii hydraulického systému špecifického pre aplikáciu
Konštrukcia hydraulického systému nie je nikdy čisto teoretická; aplikácia určuje priority. Zdvíhač zadných dverí namontovaný na nákladnom vozidle a svorka presného obrábacieho stroja zdieľajú rovnaké základné rovnice, ale ich konštrukčné obmedzenia sú na opačných koncoch spektra.
Mobilné a automobilové systémy
Mobilná hydraulika, ako sú zdvíhacie plošiny, sklápače a zdvíhacie pracovné plošiny, fungujú z 12 V alebo 24 V DC zdroja. Konštrukčné obmedzenia sú vážne: obmedzená kapacita batérie, kompaktný obal a zimné studené štarty. Tieto systémy zvyčajne používajú zubové čerpadlá poháňané jednosmerným motorom, integrované rozdeľovače a malé zásobníky, ktoré slúžia ako konštrukčné montážne dosky. 24 V systém s maximálnym odberom 120 A môže dodať približne 2,4 kW hydraulického výkonu, čo určuje praktický limit zdvihového objemu čerpadla a prevádzkového tlaku. Pre túto triedu zariadení, kompakt Jednosmerná dvojčinná pohonná jednotka integruje čerpadlo, motor, nádrž a smerové ventily do najmenšej možnej plochy, čo je rozhodujúcim faktorom pre mnohé inštalácie vo vozidlách.
Výrobcovia jednosmerného dvojčinného zdroja, veľkoobchodný závod - Ningbo Panic Hydr Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd je čínsky výrobca jednosmerných dvojčinných pohonných jednotiek a továreň OEM / ODM, špecializujeme sa na celé ... Zobraziť produkt → Priemyselné pevné zariadenia
Priemyselné stroje sú poháňané trojfázovými striedavými motormi, takže výkon je menej obmedzený, ale prioritou je hluk, teplo a prevádzkyschopnosť. Stratégiou návrhu je použiť veľkoryso dimenzovaný zásobník, nízkorýchlostné čerpadlá na udržanie hluku pod 75 dB(A) a solenoidové ventily s manuálnym ovládaním na riešenie problémov. Priemysel obrábacích strojov navyše vyžaduje filtráciu podľa ISO 4406 16/14/11 alebo jemnejšiu, pretože servoventily majú vôle v rozsahu 2 až 5 mikrometrov. Úplná referencia o tejto kategórii je k dispozícii v Sprievodca výberom AC hydraulickej pohonnej jednotky , ktorá porovnáva konfigurácie a prevádzkové triedy bežne používané v továrenských zariadeniach.
Zdvíhacie a manipulačné zariadenia
Zdvíhacie plošiny, nožnicové zdvíhacie plošiny a vyrovnávacie mostíky sú kategóriou, v ktorej diskusii o dizajne dominuje bezpečnosť. Vyvažovacie ventily musia mať svoje riadiace pomery prispôsobené pomeru plochy valca a rýchlosť spúšťania musí zostať stabilná aj pri plne naloženej plošine. Euro-norma EN 1570 vyžaduje maximálnu rýchlosť spúšťania 135 mm/s na nákladných výťahoch a hydraulický okruh bez tečenia. Tieto stroje ťažia zo synchronizovaných okruhov valcov pomocou rozdeľovačov prietoku alebo proporcionálnych ventilov so spätnou väzbou polohy spolu s obtokovým ventilom údržby, ktorý umožňuje manuálne spustenie plošiny pri výpadku prúdu.
- Morské a korozívne prostredie: špecifikujte nerezové alebo zinkovo-niklové komponenty a demineralizovanú hydraulickú kvapalinu.
- Vysokorýchlostné pohony: použite diferenciálne valce a regeneračné okruhy na zníženie potreby čerpadla počas rýchleho posuvu.
- Miesta s vysokou nadmorskou výškou alebo extrémnymi teplotami: upravte nastavenie odľahčenia tlaku a vyberte kvapalinu s nízkou viskozitou, aby ste zaistili odozvu pri studenom štarte.
Bežné konštrukčné chyby hydraulického systému a ako sa im vyhnúť
Údaje o zlyhaní v teréne od výrobcov strojov opakovane poukazujú na tie isté chybné kroky pri návrhu. Rozpoznanie týchto vzorov na začiatku kontroly návrhu chráni projekt pred prepracovaním a stroj mimo servisnej pozície.
- Predimenzovanie čerpadla a poddimenzovanie nádrže. Veľké čerpadlo vytvára vysoký prietok, ktorý musí nádrž skrotiť. Ak je objem nádrže nižší ako 2,5-násobok prietoku za minútu, unášanie vzduchu a pena sa stávajú chronickými problémami. Oprava: prepočítajte objem nádrže podľa zavedeného pravidla.
- Ignorovanie poklesu tlaku pri dlhých hadiciach. 10 m hadica s vnútorným priemerom 1/4 palca môže spotrebovať 15 až 25 barov tlaku pri 20 l/min. Táto strata tlaku sa prejaví ako strata sily v ovládači a dodatočné teplo. Oprava: pred rozložením hadíc použite kalkulačku poklesu tlaku.
- Výber ventilov len podľa prietoku bez kontroly tlakových hodnôt. Ventil dimenzovaný na 60 l/min pri 50 baroch môže predčasne zlyhať pri 200 baroch v dôsledku nedostatočnej pevnosti telesa a vnútornej netesnosti. Oprava: overte menovitý tlak v údajovom liste pri skutočnom prevádzkovom tlaku.
- Považovať filtráciu za dodatočný nápad. Znečistenie spôsobuje viac ako 70 % porúch hydraulických komponentov. Filter spätného vedenia dimenzovaný na 10 mikrometrov s indikátorom bypassu je minimum; servosystémy vyžadujú filtráciu v tlakovom potrubí pri 3 mikrometroch. Oprava: zabudujte plán filtrovania do P&ID, nie ako doplnok.
- Zabudnite na prúdenie na strane tyče v dvojčinných valcoch. Pretože tyč vytláča objem tekutiny, spätný tok môže byť vyšší ako prietok čerpadla. Ak sú vratná hadica a ventil príliš malé, vzniká spätný tlak a znižuje sa využiteľná sila. Oprava: vždy vypočítajte pomer plochy a dimenzujte vratnú cestu pre prietok na strane tyče.
- Žiadna tepelná úľava na zablokovaných hlavových vedeniach. Keď je vertikálny valec držaný vyvažovacím ventilom, zachytený olej expanduje s teplotou a môže vytvoriť tlak nad 1 000 barov. Oprava: nainštalujte vysokotlakový tepelný poistný ventil nastavený na 250 až 300 barov na zachytené vedenie.
Často kladené otázky o dizajne hydraulických systémov
Aký tlak by som mal použiť pri návrhu nového hydraulického systému?
Začnite s tlakom 160 barov pre stacionárne priemyselné stroje a 210 barov pre mobilné zariadenia. Tieto hodnoty umožňujú najširší výber štandardných valcov, čerpadiel a hadíc. Zatlačte na 250 bar alebo viac, len ak si obmedzenia hmotnosti alebo obalu vynútia menší balík komponentov, a pamätajte, že každé zvýšenie tlaku o 10 % zvyšuje vnútorný únik a tvorbu tepla nelineárne.
Ako vypočítam prietok čerpadla pre danú rýchlosť valca?
Vynásobte plochu otvoru piestu požadovanou rýchlosťou vysúvania a potom pridajte 10 až 15 % pre únik. Napríklad valec s priemerom 63 mm a plochou 3 117 mm² s rýchlosťou 50 mm/s potrebuje 9,35 l/min. Pridajte rezervu úniku a vyberte ďalší štandardný objem čerpadla nad touto hodnotou. Na výpočty rýchlosti sťahovania vždy používajte oblasť na strane tyče.
Kedy sa oplatí uzavretý hydraulický okruh za dodatočné náklady?
Zvoľte uzavretú slučku, keď stroj strávi viac ako 60 % času cyklu nepretržitým rotačným pohybom, ako sú pohony navijakov, priemyselné miešačky alebo pásové pohony. V týchto prípadoch rekuperovaná energia a zvýšenie účinnosti o 15 až 20 % v otvorenom okruhu odôvodňuje dodatočnú zložitosť čerpadla a filtrácie. Pre jednoduché lineárne pohyby, ako je zdvíhanie a upínanie, je otvorená slučka lacnejšia, ľahšie sa udržiava a je spoľahlivá.
Ako zabránim zvýšeniu teploty oleja nad 60°C?
Najprv znížte tvorbu tepla prispôsobením prietoku čerpadla požiadavkám, potom skontrolujte, či je objem zásobníka aspoň 2,5-násobkom prietoku čerpadla za minútu. Ak tepelné zaťaženie stále presahuje prirodzený rozptyl nádrže, pridajte olejový chladič s núteným obehom vzduchu dimenzovaný na minimálne 1,5-násobok očakávaného tepelného zaťaženia. Udržujte chladiaci okruh aktívny počas nečinnosti, ak má pracovný cyklus časté špičky vysokého prietoku.
Akú úroveň filtrácie vyžaduje moderný hydraulický systém?
Bežný systém smerového ventilu potrebuje ISO 4406 18/16/13 alebo čistič, čo zvyčajne znamená 10 mikrometrový spätný filter. Systémy proporcionálnych alebo servoventilových ventilov vyžadujú 16/14/11 alebo lepší s použitím 3 mikrometrového tlakového filtra. Skontrolujte tolerančnú krivku kontaminácie od výrobcu ventilu a zabudujte indikátor stavu filtra, aby údržba mohla vymeniť prvky pred otvorením obtoku.
Mal by som v mojom návrhu použiť zubové čerpadlo alebo piestové čerpadlo?
Zubové čerpadlo používajte, keď je požiadavka na prietok pevne stanovená, pracovný tlak zostáva pod 250 barov a záleží na prvých nákladoch. Použite axiálne piestové čerpadlo, keď sa prietok musí meniť podľa potreby, tlak presahuje 250 barov alebo ak úspory energie vďaka snímaniu zaťaženia môžu vrátiť vyššie náklady na čerpadlo do 18 mesiacov. V prípade strojov s viacerými pohonmi so sporadickými požiadavkami na prietok, piestové čerpadlo s reguláciou tlakového kompenzátora takmer vždy vyhrá na celkových nákladoch na vlastníctvo.
