Irányítóelemek szerepe

Feladata:

A hidraulikus körfolyamat egyik részén közölt mechanikai energiát az áramló közeg egy másik részébe elviszi. Pechünkre az energia megmaradás törvénye itt is működik, ezért a közölt energiának mindig többnek kell lennie, mint amennyit vissza szeretnénk nyerni.

Nézzünk egy hétköznapi példát.

A szükséges mechanikai energiát szolgáltathatja egy traktor motorja. A hidraulikus rendszer működtetését tengelykapcsolón keresztül szivattyú segítségével valósítja meg. A szivattyú a motor forgó mozgását hidraulikus energiává alakítja át, a szivattyúnál mérhető teljesítmény (P1).

Példakedvéért legyen egy trágyaszóró működtetése a cél. Csővezetékeken keresztül a trágyát szóró, forgatótányér hidraulikamotorhoz kisebb-nagyobb veszteségekkel jut el a már nyomással rendelkező hidraulika olaj. A hidraulika motor tengelyén leadott teljesítmény (P2) kisebb, mint a szivattyú.

Vizsgáljuk meg kicsit részletesebben hol, s milyen mértékű veszteségek lépnek fel.

Rögtön az olaj belépésekor már a szűrőn, tapasztalhatunk némi nyomásesést, mely jellemző  a szűrési finomságra, valamint a szűrő eltömődésére. Ha fogaskerekes szivattyúról beszélünk, akkor a fogaskerekek, ill. olaj fallal való érintkezéséből, súrlódásából keletkező hőenergia távozik a szabadba. A csőhálózatnak jellemzően az átmérők és a hossz, ill. az idomok függvényében van egy csőellenállása, amire szintén el kell használni, néhány százalékot a rendelkezésre álló energiánkból. A csavarzatokon, gyorscsatlakozókon is van némi nyomásesés. Jellemző az útváltószelepeken mérhető nyomásesés, mely a leggondosabb megválasztás esetén is számottevő.

Mezőgazdasági gépek hidraulikai rendszerek egyik nélkülözhetetlenek elemei az irányítóelemek.

Irányítóelemeknek nevezzük a mozgásirányt befolyásoló elemeket (ÚTVÁLTÓK), az erőt/nyomatékot befolyásoló elemeket (NYOMÁSIRÁNYÍTÓK), a mozgás jellemzőket meghatározó elemeket (ÁRAMIRÁNYÍTÓK) és végül a zárószelepeket (VISSZACSAPÓK)

I. Útváltók

A nyomóközeg elindítására, megállítására, térfogatáram-irányának megváltoztatására szolgáló szelepeket útváltóknak nevezzük. Elnevezésük a hasznos csatlakozóinak és működési funkciójuknak számát tükrözi. Legegyszerűbb útváltó (1.ábra) a 2/2 –s, ami pl. az egyik helyzetben összeköti a nyomóágat egy munkaponttal, másik helyzetben ezt az összeköttetést megszünteti.

Mezőgazdaságban a leggyakrabban a 4/3 útváltó (2. ábra) fordul elő.

Ez tehát azt jelenti, hogy négy csatlakozási pont van rajta, és három módón kapcsolja őket össze. Első helyzetben a nyomóágat az egyik munkaponttal, a tartályágat pedig a másik munkaponttal köti össze. Középső helyzetben mindkét ágat és munkapontot lezár, a második – miért is a második? Erre még visszatérünk- helyzetben pedig a nyomág és a tartályág első helyzethez képesti munkapont összeköttetéseit felcseréli. Jelölés rendszerben a nyomóágat „P”, tartály (tank) „T”, munkapontokat pedig „A, ill. B”-vel szokás illetni. A középső helyzetet nevezzük nyugalmi helyzetnek, legtöbbször rugó tartja ott. Az első helyzetet „1”-val jelöljük. A másodikat - és ím, hát a magyarázat a második elnevezésére: a nyugalmi helyzettel kezdjük a sorszámozást Ő a nulla helyzet- „2”-vel jelöljük. Vízszintes ábrázolásnál mindig balról jobbra haladunk az elnevezésekben (3.ábra)

Mint látjuk a kapcsolási képek sok félesége indokolttá teszi, a különböző kapcsolások elnevezését betűkkel és számokkal. Jelölés mindig a gyártók specifikációjából derül ki, típusváltásnál érdemes meggyőződni mit mire váltunk le.
Az útváltók beépíthetőségének fontos kritériumoknak kell megfelelni, nézzük néhány gyakorlati megközelítést. Útváltó működtetésekor a rugóerőt, és a szelepben kialakult ellenerőt le kell tudni győzni. Minél nagyobb térfogatáramokról beszélünk, annál kisebb üzemi nyomások a megengedettek. A dinamikus teljesítményhatár tulajdonképpen azt a térfogatáramot jelenti, amit az útváltó, még az adott nyomáson biztonsággal elvisel. Ez nem azt jelenti, hogy szétrobban, hanem az útváltó szelepénél olyan nagy erők lépnek fel, hogy nem tudjuk kezelni, átváltani. A statikus teljesítményhatár a nyomástól, szennyeződéstől, viszkozitástól, tolattyúátmérő, pontosság, vezérlési sűrűségtől függő értékhatár. Egy átlagember számára az előzőekben említett határértékeknél sokkal izgalmasabb a nyomáskülönbség, mely az útváltóba belépő és az útváltóból kilépő nyomásesést jelenti. Ez az érték legtöbbször mért értéket jelent, hiszen szinte lehetetlen pontosan kiszámítani. A különböző gyártók mérési eredményeinek összehasonlíthatóságának érdekében ezt a mérést DIN szabvány rögzíti. Az átváltási idők meghatározása ISO szerint történik.
Irányítóelemek megjelenési formái szerint alaplapos, ill. szekcionált kivitel, mely elsősorban ipari felhasználásban terjedt el. A monoblokk elterjedése főként a mobil hidraulikában terjedt el.  
Felépítésük és működésük szerint 3 főcsoportba sorolhatóak. A tolattyús, ülékes és a forgótolattyús. Egyszerű felépítése, alacsony veszteségek, sokrétű kivitel, könnyűkezelhetőség miatt a tolattyús működtetésűek a legelterjedtebb típus.

1. Tolattyús útváltók

A tolattyús útváltók egy nagy pontossággal házfuratba illesztett mozgatható tolattyúval készülnek. A ház anyaga többnyire öntvény, vagy acél, melybe furatot öntenek, esztergálnak. A nagypontosságú furatokba gyűrűcsatornákat öntenek, vagy esztergálnak, mely csatornákat a vezérlődugattyú mozgása kapcsolja össze, ill. szét. Jellemző, hogy a mozgóeleme lineáris tolattyú, mely zárófelülettel párhuzamosan mozdul el és az összes áramlási csatornával kapcsolatban van. A tömítést elsősorban a furat és a tolattyú között lévő rés és fedési hossz határozza meg. Másrészt viszont függ a közeg viszkozitásától, hőmérséklettől, nyomástól. A tolattyús vezérlésű útváltóknál figyelembe kell venni a szivárgási veszteséget, mely nem csak a rendszerünk hatásfokát rontja, hanem működési zavarokat okozhat. Milyen zavarok lehetségesek? Például egy álló hidraulika motor zárt szelepállás ellenére is képes forogni. De ne essünk kétségbe, vannak speciális, un. szivárgásmentes tolattyús útváltók, melyek megoldják ezt a problémát. Vezérlés szempontjából közvetlen és elővezéreltek lehetnek.

a) Közvetlen vezérlés

Ha a tolattyúvezérlés működtetéséhez közvetlenül mechanikai erő elégséges, akkor beszélünk közvetlen vezérlés, ez lehet kézi, elektromos, pneumatikus, egyéb működtetés. Közvetlen működtetési módnak a méretek szabnak határt, ésszerűségi okokból NG10-s méretig alkalmazzák. Kivételt képeznek a kézi vezérlésűek, mert ők készülnek akár NG32 méretben is. Régi mezőgazdasági gépeken elsősorban kézi útváltók (4. ábra), esetleg bowdenes vezérléssel, manapság azonban az elektromos vezérlés az elterjedt.

b) Elővezérelt

NG 10-s méret felett a tolattyús útváltók elővezérléssel működnek. Az elővezérelt útváltók tulajdonképpen két szelepből állnak. A főszelepből (5. ábra) és az elővezérlő szelepből áll.

Az elővezérlő szelep általában közvetlen vezérlésű, melyet elektromágnessel működtetünk. Az elővezérlő szelep felerősíti a vezérlő jelet és így mozdítja el a főszelep tolattyúját.
Átváltási idő befolyásolására az elővezérlő és a főszelep közé egy áramirányítót építenek be.
c) Résolajmentes tolattyús útváltók (csúszótömítéses útváltók)
 A tolattyú és a furat tömítését nem egymásközti nagy pontosságú illesztéssel oldják meg, hanem különböző tömítőelemeket helyeznek el közéjük. Ez természetesen nagyobb súrlódó erőt is jelent, vagyis működtetésére sokkal nagyobb erő szükséges, ezért, vagy kézi, vagy elővezérelt kivitelben forgalmazzák.

2. Forgótolattyús útváltók

Manapság nem használatos. Rossz nyomáskiegyenlítési tulajdonsága miatt, kisebb üzemi nyomásoknál volt használatos. A mai nagy nyomású (160 bar) rendszereknél használata nehezen oldható meg.

3. Ülékes útváltók

A ház furatában kialakított üléken egy alakzáró ellendarab végzi el a zárást. Az ülék dugattyú formája szerint lehet golyó, kúp, tányér alakú. Több előnye mellett sajnos van néhány hátrányos tulajdonsága mely miatt a felhasználási területe nem széles. De nézzük először néhány előnyét. A záró térben a növekvő nyomás fokozza zárást. Nincs szivárgás, nagy nyomásoknál is használható. A rövid löket miatt nagy nyomásveszteségek lépnek fel, kapcsolás alatt nyomáslökés jön létre. Működtetés szempontjából közvetlen vezérlésűt és elővezérlésűt különböztetünk meg.

a) Közvetlen vezérlésű ülékes útváltók

Hasonlóan, mint az előzőekben tárgyalt közvetlen vezérlésű tolattyús szelepeknél az ülékdugattyú vezérlését közvetlenül egy mechanikus szerkezet végzi, ez többnyire kézi-karos működtetést jelent. NG10-s méretig használatos.

b) Elővezérelt ülékes útváltók  

Szintén hasonlóan, mint az előzőekben tárgyalt tolattyús szelepeknél az ülékdugattyú vezérlését egy kisebb névleges méretű vezérlő szelep végzi. (6.ábra)

A DIN szabvány ugyan a tolattyús és az ülékes szelepeket ugyanúgy jelöli, de a gyakorlatban az ülékes útváltókat az egyértelműség kedvéért visszacsapó szelepként ábrázoljuk.
Nagy előnyük, hogy kevésbé érzékenyek a berágódásra. Az ülékes útváltók akár 1000 bar-ig is alkalmazhatóak, a tolattyús útváltók 300-400 bar-ig.

II. Nyomáshatárolók

A zárt alaphelyzetű bemenetén a nyomás állandó (7.ábra). A bemenő nyomás egy mérőfelületre hat és az ebből származó hidraulikai erő a záróelemet egy előfeszített rúgó erővel szemben mozgatja. Térfogat áram növekedéskor nagyobb szelepnyitáshoz, nagyobb rugóerő tartozik, az erőegyensúlynak megfelelően a bemeneti nyomás növekszik. Ülékes és tolattyús kivitelben egyaránt előfordulnak. Mindkét kivitelnél létezik közvetlen és elővezérelt típus. A közvetlen vezérelt nyomáshatárolóknál egy elem szolgálja a mérést és a zárást. Nagyobb térfogatáramoknál a rugóerő négyzetes növekedése miatt, a rugó helyszükséglete oly mértékben megnövekszik, hogy normál méretű kialakítást nem tenne lehetővé, ezért terjedhetett el az elővezérelt nyomáshatároló. Melyeknél a mérőtag szerepét egy közvetlen vezérlésű nyomáshatároló veszi át. A nyomáshatároló szelepek működésének elvén használjuk a nyomáskapcsoló szelepeket, melyek a beállított nyomás elérésekor, vagy rákapcsolnak, vagy lekapcsolnak bizonyos hidraulikus rendszereket.

III. Áramirányítók (Fojtó, áramállandósítók)

A mozgási sebesség befolyásolására használjuk. Rendkívül egyszerű elven működnek, a folyadékáram keresztmetszetét szűkítik, ill. bővítik (8.ábra). A fojtás helyén a nagyobb nyomáskülönbség nagyobb térfogatáramot eredményez. Az áramállandósítóknak feladatuk szerint a nyomásingadozások ellenére is a beállított értéken tartsák a térfogatáramot.

IV. Zárószelepek

A visszacsapószelepek az egyik irányba megengedik a szabad áramlást, nyitónyomás szükséges (0,5-5 bar), amely érték elérése után nyit a visszacsapó. A másik irányba pedig zár. A zárást ülék és az ülékre illeszkedő test biztosítja. A záródó test alakja lehet golyó, kúpos test, tányér. A biztos zárást rugóerő biztosítja, ill. az ellentétesen áramló közeg nyomása. A vezérelt visszacsapószelepeknél a nyitást egy vezérlőnyomással lehet megszüntetni.

A 9. ábrán egy egyszerű visszacsapószelep szerkezeti kialakítását láthatjuk. Általában cső alakú szelepházban, benne kialakított szelepülék, a szelepülékre egy záróelem zárrugóval. Ha az ábrán kék színnel jelzett közeg nyomása a zárótest felületén a rugóerőnél nagyobb erőt tud kifejteni, akkor a zárótest az ülékről elemelkedik és a pirossal jelzett közeg felé beindulhat az áramlás. Ha a pirossal jelzett közeg nyomása által zárótestre kifejtett erő és a rugóerő összege nagyobb, mint a kék közegé, akkor a visszacsapó lezár.