Przykłady zastosowania hydrauliki do napędu maszyn można znaleźć już w pracach starożytnych wynalazców. Chyba najstarsze rozwiązania techniczne wykorzystujące ciecz do napędu to koło młyńskie. Pierwsze wzmianki na jego temat można odnaleźć już 240 r. p.n.e., a prace Archimedesa i Herona z Aleksandrii na temat wody i maszyn prostych były podstawą do dalszego rozwoju idei wykorzystania wody do napędu. Swój wkład w tę dziedzinę miał również żyjący na przełomie XV i XVI w. Leonardo da Vinci, geniusz swoich czasów, który do napędu swoich maszyn przewidywał zastosowanie wody jako nośnika energii.
Co prawda od koła młyńskiego do współczesnych układów hydrauliki siłowej musiało minąć prawie dwa, jak nie więcej, tysiące lat, jednak ideę koła młyńskiego bez problemu odnajdziemy we współczesnych pompach łopatkowych czy łopatkowych silnikach hydraulicznych. Choć koło młyńskie wykorzystuje energię kinetyczną płynącej lub spadającej wody pochodzącą od grawitacji, to u podstaw pomysłu wykorzystanie cieczy do transportowania energii legły te same przesłanki co w układach hydraulicznych.
Samo słowo „hydro” pochodzące z łaciny, oznaczające wodę, czyli ciecz, stało się przedrostkiem kojarzonym z wykorzystaniem płynów w zastosowaniach technicznych i nie tylko. Wracając do przesłanek, o których wspomniałem wcześniej, to od dawna wszyscy konstruktorzy i wynalazcy widzieli, że woda (czytaj ciecz) jest prosta w transportowaniu, ponieważ zawsze przybiera kształt naczynia, w którym się znajdzie, wystarczy więc wykopać kanał w ziemi i woda popłynie.
Można zamiast kanału w ziemi zastosować rurę i wówczas ciecz popłynie tam, gdzie będziemy tego chcieli, a do wymuszenia przepływu zamiast grawitacji wykorzystać dowolną pompę i w zasadzie mamy funkcjonalny układ zasilania hydrauliki siłowej. Oczywiście ta paralela oparta jest na szeregu wielkich uproszczeń, ale do wejścia w zasadniczy temat artykułu jest w sam raz.
Łatwość transportu energii przy pomocy cieczy
To podstawowa zaleta układów hydrauliki siłowej. Wystarczy przypomnieć sobie, jak wyglądały w przeszłości maszyny, w których energia była przekazywana przy pomocy wałów i pasów transmisyjnych czy przekładni kątowych z wykorzystaniem kół zębatych. Cała ta masa wirujących elementów opasywała korpusy maszyn, robiła wiele hałasu i stanowiła zagrożenie dla obsługi. Hydraulika siłowa rozwiązuje te problemy. Płynący w rurach olej nie wytwarza hałasu i nie tworzy zagrożenia dla operatora maszyny.
Wszelkie wirujące elementy transportujące energię wytwarzają drgania
W przemyśle, a zwłaszcza w obrabiarkach drgania są zmorą, która ma zasadniczy wpływ na dokładność wykonania produkowanego detalu. Najbardziej jaskrawym przykładem są szlifierki , w których nawet mikrodrgania powodują spadek gładkości obrabianej powierzchni i wałek zamiast okrągły staje się graniasty. Hydraulika siłowa likwiduje ten problem, ponieważ płynący w rurach olej nie wytwarza drgań. Natomiast pompę i silnik hydrauliczny jako elementy wirujące łatwo jest odseparować pod względem drgań przy pomocy węży hydraulicznych, które nie pozwalają na przenoszenie się drgań na korpus maszyny.
Łatwa regulacja parametrów technologicznych
W systemach hydrauliki siłowej jest kolejnym oczywistym atutem hydrauliki. O ile przy mechanicznym transporcie energii regulacja prędkości posuwów najczęściej jest stopniowa, a regulacja bezstopniowa jest skomplikowana i oparta na przekładniach pasowych lub ciernych, to hydraulika oferuje płynną regulację przepływu oleju, co pozwala na bardzo dokładne dobranie parametrów produkcyjnych. Jeszcze trudniejszym problemem w mechanice jest regulacja siły przenoszonej na element roboczy. Tu po raz kolejny hydraulika pokazuje swoją przewagę nad mechaniką. Wystarczy w odpowiednim miejscu układu zastosować zawór regulujący ciśnienie robocze w układzie, aby uzyskać możliwość płynnej regulacji.
Wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości wirowania
to kolejny atut hydrauliki siłowej. Przy zastosowaniu tłokowych silników hydraulicznych możemy bez konieczności stosowania przekładni zębatych uzyskać wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości wirowania napędzanego elementu. Ma to niebagatelne znaczenie w napędach maszyn przemysłowych, a w połączeniu z łatwą regulacją ciśnienia i przepływu umożliwia idealne dobranie parametrów roboczych do technologii.
Duże siły przykładane do elementów roboczych maszyny
Niezbędne we wszelkiego rodzaju prasach, giętarkach i tym podobnych maszynach przy zastosowaniu hydrauliki siłowej, uzyskujemy tak po prostu. Stosując odpowiedni siłownik, możemy w zasadzie uzyskać każdą siłę, jaką potrzebujemy, a przy zastosowaniu wzmacniacza hydraulicznego możemy multiplikować ciśnienie robocze pompy praktyczne bez ograniczeń. W praktyce ograniczeniem jest tylko wytrzymałość ciśnieniowa rur i sztywność korpusu maszyny i oczywiście wymogi technologiczne.
Łatwość przetwarzania energii transportowanej przez olej
W układach hydrauliki siłowej spotykamy dwa rodzaje elementów przetwarzających energie na pracę. To silniki ruchu obrotowego i silniki liniowe. Te dwa elementy popularnie zwane siłownikiem i silnikiem hydraulicznym zapewniają w konstrukcjach maszyn realizację wszystkich ruchów i posuwów. Siłowniki hydrauliczne w swoim działaniu i budowie są bardzo prostymi urządzeniami. Silniki zębate też do najbardziej skomplikowanych nie należą, ale za to dają całą gamę możliwych rozwiązań w technice, których realizacja w inny sposób byłaby trudna, skomplikowana i kosztowna. Siłowniki często bywają wykorzystywane jako element konstrukcyjny maszyny co upraszcza ich budowę.
Łatwość sterowania kierunkiem i rozdziałem energii
Transport energii przy pomocy rozwiązań mechanicznych zawsze nastręcza konstruktorom wiele problemów. Muszą stosować w wielu miejscach silniki elektryczne albo używać przekładni dzielących moment obrotowy wchodzący do przekładni na kilka mniejszych wychodzących do poszczególnych odbiorników. W hydraulice takiego podziału dokonujemy przy pomocy rozdzielaczy, które zamontowane na bloku stanowiącym kolektor zasilający realizują nam funkcję dzielenia strumienia oleju i regulacji kierunku przepływu.
Elementy hydrauliki siłowej cechują się zwartą budową
To jest wielka zaleta układu hydraulicznego. Aby uzyskać duże siły, szybkie przepływy, wcale nie musimy stosować dużych elementów. W hydraulice wykorzystujemy zawory pilotujące spełniające funkcję serwomechanizmów, które powodują, że duże siły potrzebne do regulacji ciśnienia czy przepływu otrzymujemy z samego układu hydraulicznego. Znacznie ogranicza to gabaryty zaworów i rozdzielaczy je realizujących. W ten sposób uzyskujemy bardzo zwartą i ograniczona gabarytowo zabudowę, co w efekcie powoduje, że konstrukcja maszyny jest zwarta i estetyczna.
Hydraulika siłowa współcześnie to nie tylko siłowniki, pompy, rozdzielacze czy zawory. Współczesna hydraulika siłowa to także proporcjonalne sterowanie i możliwość ciągłego pomiaru ciśnienia i przepływu. W połączeniu z układami automatyki przemysłowej tworzy nam całkowicie nowe środowisko, w którym rzeczy niemożliwe stają się realne. Dzięki zastosowaniu proporcjonalnego sterowania otrzymujemy do ręki narzędzie, które pozwala nam w sposób dowolny kształtować proces produkcji. Dzięki zaworom proporcjonalnym możemy w sposób płyny regulować siłę i prędkość jej narastania.
Dzięki rozdzielaczom proporcjonalnym możemy bez ograniczeń regulować prędkość posuwów roboczych i jej narastanie i spadanie w jednostce czasu. Gdy połączymy razem te cechy, to otrzymujemy możliwość kontrolowania i zmiany wszystkich parametrów ruchu, czyli siły, prędkości narastania oraz spadku obydwu tych parametrów i to w uzależnieniu od czasu. Ile trzeba byłoby poświęcić wysiłku, aby uzyskać taki efekt mechanicznie? A na tym nie koniec: przy zastosowaniu przetworników ciśnienia i przepływu możemy jeszcze kontrolować zadane parametry i korygować występujące różnice w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że hydraulika wraz z nowoczesnym układem sterowania oferuje nam niespotykane możliwości kontroli procesu produkcji i czuwania nad jej jakością.
Ten proces może być permanentny, ponieważ możemy te parametry zapisywać w pamięci komputera sterującego maszyną i w przypadku anomalii stwierdzić, kiedy i gdzie się pojawiły, aby jak najdokładniej zdiagnozować błędy i w przyszłości wyeliminować je z procesu produkcji. Na tym nie koniec. Nowoczesne rozdzielacze mogą być wyposażone w czujniki położenia suwaka. To otwiera kolejną możliwość. Marzenie każdego serwisanta. Diagnozę awarii przy pomocy komputera.
Mając czujniki ciśnienia, przepływu i położenia suwaków w rozdzielaczach, możemy praktycznie sprawdzić stan układu hydraulicznego, nie wychodząc z biura, a na pewno wytypować miejsce wystąpienia awarii. W skrócie oznacza to, że możemy zdalnie diagnozować awarie, co otwiera nam kolejną możliwość: prowadzenie serwisu zdalnego. Wystarczy, że specjalista przez połączenie internetowe przeprowadzi nam diagnostykę układu i powie, co niedomaga, i co trzeba zrobić, aby usunąć awarię.
W taki sposób marzenia każdego szefa Utrzymania Ruchu zostałyby spełnione. Niestety, wszystko, co przytoczyłem, jest możliwe, ale pewnie nigdy nie doczekamy się maszyny, która sama zdiagnozuje awarię i przeprowadzi swoją naprawę. Moim celem zresztą nie było snucie kosmicznych wizji przemysłu 2000.1, tylko wskazanie zalet zastosowania hydrauliki siłowej w maszynach przemysłowych. Nawet jeżeli eksploatowane przez nas maszyny nie posiadają tych wszystkich możliwości, to i tak można dostrzec oczywiste zalety zastosowania hydrauliki siłowej do ich napędu.
Od ponad 30 lat zajmuję się układami hydraulicznymi i z autopsji wiem, że hydraulika ta wkrada się do różnych dziedzin techniki coraz bardziej. Nie wynika to z mody czy upodobania konstruktorów, tylko z oczywistych zalet, które w niniejszym tekście starałem się przedstawić. Z oczywistych powodów nie omówiłem wszystkich zalet i różnic między mechanicznymi a hydraulicznymi napędami, bo tekst rozrósłby się do kilkuset stron, a tę rolę z chęcią pozostawię podręcznikom. Mam nadzieję, że udało mi się wskazać podstawowe zalety stosowania hydrauliki siłowej, co pomoże Państwu w codziennej walce ze złośliwością rzeczy martwych.
autor: DARIUSZ NIEZDROPA Pracował w DAEWOO-FSO Warszawa HANYANG-ZAS w Elblągu w Dziale Utrzymania Ruchu. Wdrażał normy ISO i TQM. Od 2000 r. właściciel firmy HYDROPRES Małdyty. Wykonawca i serwisant wielu aplikacji hydrauliki siłowej, pneumatycznych i sterowań PLC. Autor publikacji z zakresu hydrauliki siłowej, automatyki przemysłowej oraz systemów pneumatycznych.
artykuł ukazał się w czasopiśmie Nowoczesny Przemysł nr 1/2024
