Terhelésszabályozott hidraulikus rendszerek

Dr. Hantos Tibor  e. docens
Csikós Gábor tervezőmérnök

A mobil munkagépek hidraulikus rendszerétől egyre nagyobb hatékonyságot követelünk meg adott beépített teljesítmény mellett, és egyre gazdaságosabb üzemeltetést várunk el a rendszerektől. Ezeket a fokozott követelményeket fojtásos körfolyammal és az azt kiszolgáló hagyományos állandó folyadékszállítású fogaskerekes szivattyúkkal - még ha a változó folyadékigénynek megfelelõen a szükséges teljesítményt több szivattyú között el is osztjuk -  már nem lehet kielégíteni. Megoldást kínálnak a változtatható folyadékszállítású szivattyúk, melyekkel a fojtásokon létrejövõ veszteségek nagy részét ki lehet küszöbölni.

Az ilyen rendszerű hidraulika szivattyúk közül csak a dugattyúsak képesek a mobil gépeknél megkövetelt nagy nyomásokat (akár 40–45 MPa-t, vagyis 400–450 bar-t) biztosítani.

Hogy a gépkezelő minden figyelmét a tényleges munkavégzésre (vezetésre ill. a munkaszerelék működtetésére) fordíthassa, mentesíteni kell õt a szivattyú állításának feladatától. Ezt legkönnyebben automatikus szabályozással érhetjük el, amelyre a leginkább a nyomás- és/vagy térfogatáram szabályozott szivattyúk alkalmasak.

A nyomásszabályozott szivattyúk a beállított maximális rend szernyomás elérésekor a szállított folyadékmennyiség csökkentésével (akár Q=0 liter/perc-ig) akadályozzák meg a nyomás további növekedését. Ezzel elkerülhető, hogy a felesleges folyadékmennyiség – a konstans szállítású szivattyúktól eltérő módon – ne a nyomás határolón keresztül fűtse a rendszert, hanem be se kerüljön a rendszerbe. A teljesítményszabályozott szivattyúk a beállított határteljesítmény elérésekor csökkentik a szivattyú folyadékszállítását, a pillanatnyi nyomáshoz igazítva azt.

Mindkét rendszer hátránya, hogy részterheléseknél is fenntartja szabályozott jellemzőjét, vagyis nyomásszabályozott szivattyúnál, ha a munkahengert kisebb erõ terheli, a szivattyú akkor is a maximális nyomáson üzemel, a teljesítményszabályozott szivattyúnál pedig, ha a munkavégzéshez kisebb teljesítmény is elegendő, a hidraulika szivattyú akkor is a maximális teljesítményen üzemel.

A rendelkezésre álló és a szükséges nyomás illetve teljesítmény közötti különbséget pedig a rendszeren belül kell felemészteni, rendszerint valamilyen fojtással (például a vezérlőtolattyú nyitásának – keresztmetszetének változtatásával). Ez a veszteség pedig közvetlenül hővé alakul és a hidraulika olajat melegíti, ezért a hűtőteljesítmény növeléséhez vezet.

E veszteségek elkerülésére a megoldást egy olyan szivattyú jelenti, mely mindig a munkahengert terhelőerőnek megfelelő nyomást és a gép kezelője által megkívánt munkahenger sebességnek megfelelő folyadékmennyiséget biztosítja, vagyis a kezelő által igényelt sebesség (folyadékmennyiség) függvényében érzékelné a munkahenger tényleges terhelését. Ezért nevezik az ilyen szerkezetű szivattyúkat terhelésérzékelő (angol megfelelője szerint Load–Sensig: LS), vagyis terhelésszabályozott szivattyúknak. A szivattyú ilyen szabályozásához a mobilhidraulikában hagyományosan alkalmazott hidraulikus vezérlőegységet is át kell alakítani, hiszen valamilyen módon érzékelni kell a munkavégző egység mindenkori terhelését (az erőt vagy nyomatékot).

A hidraulikus rendszer elemei
Terhelésszabályozott szivattyú

A rendszer fõ eleme egy változtatható folyadékszállítású szivattyú, melyet nyitott körfolyamban működtetünk, mivel egyszerre több munkahenger (hidromotor) működtetése zárt körfolyamban csak korlátozottan lehetséges. A mobilhidraulikában állítható szivattyúként az axiáldugattyús típusok a legelterjedtebbek, ezekről rendel kezünk a legrégibb és a legszerteágazóbb tapasztalatokkal.

Így ezek működése a felépítésük és kiforrott konstrukciójuk miatt a legmegbízhatóbb, élettartamuk ma már összemérhető a meghajtó dízelmotorok élettartamával. Ezért a terhelésszabályozott rendszerek alapját is az axiáldugattyús változtatható folyadékszállítású szivattyúk képezik.

A terhelésszabályozott rendszerek utóbbi évek alatt történt gyors elterjedésének köszönhetően ma már mobil munkagépek és járművek minden fajtájára az alkalmazás igényeinek megfelelően specializált, változtatható folyadékszállítású axiáldugattyús szivattyú egységeket fejlesztettek ki a gyártók. Ma már nemcsak az eddig jól bevált ferdetárcsás konstrukciókat választhatjuk, hanem például speciálisan a haszonjárművekhez kifejlesztett ferdetengelyű konstrukciót is. A szivattyútípus a hagyományos fogaskerekes szivatytyúk helyére készült, tehát a sebességváltóra közvetlenül felszerelhető és folyadékszállításának irányát (a konstans szállításúaknál) a kihajtó tengely forgásirányának megfelelően, egyszerűen át lehet állítani. A legújabb kivitelû KVA típusú, axiáldugattyús, ferdetengelyes szabályozott szivattyúk háza speciálisan úgy került kialakításra, hogy szükség esetén két másik kihajtótengely közé is beépíthető.

Nézzük meg, hogy e szivattyútípusnak milyen speciális követelményeknek kell megfelelnie:

1. a szivattyúnak alkalmasnak kell lennie nyitott körfolyamban való működtetésre (a rendszerekben több-kevesebb munkahenger mindig található)

2. a dízelmotor teljes fordulatszám tartományában üzemképesnek kell lennie

3. a szabadtéri munkavégzés következtében meg kell felelnie a változó környezeti feltételeknek (hőmérséklet, csapadék, szennyeződés, por, pára stb.)

4. károsodás nélkül kell elviselnie a kézi működtetés miatt fellépő igen durva üzemeltetési feltételeket (jelentősen és gyorsan változó terhelések, a kezelőszemélyzet sokszor kíméletlen bánásmódja stb.),

5. kis helyigény és jó teljesítmény-tömeg viszony.

A terhelésszabályozott hidrosztatikus hajtások fejlődésük 1985-ös kezdete óta jelentős területeket hódítottak meg a mobil munkagépek területén. A szivattyúk és vezérlőegységek különböző kombinációi alkalmasak a legkülönbözőbb igények kielégítésre is. Ma már a nagyteljesítményű építőipari és földmunkagépek elképzelhetetlenek ilyen rendszerű hajtások nélkül. Alkalmazásuk a hatékonyságnövelés, energia megtakarítás és a könnyebb kezelhetőség elengedhetetlen feltétele.

6. megbízhatóság, hosszú élettartam.

Az elsõ három feltételnek a jó szívási tulajdonságú és a szennyeződésre viszonylag érzéketlen szivattyútípusok felelnek meg. Ilyenek az axiáldugattyús szivattyúk, azok közül is a ferdetengelyes kialakítások (1. ábra), melyeknél kicsik a dugattyúsebességek, rövidek az áramlási utak és igen kedvezőek a dugattyúk súrlódási viszonyai.

E szerkezeti kialakítás hátrányaként ferdetárcsás szivattyúszerkezethez képes a folyadékszállítás állításának bonyolultságát és a szabályozás minőségét rontó nagy mozgatott tömegeket szokták felhozni. Ebben az alkalmazási esetben (nyitott körfolyamatok) a folyadékszállítás irányát működés közben nem kell változtatni, így az állítás tartománya kisebb, ezért az állító szerkezet egyszerűbb.

A korszerű dugattyúegységgel (a ferdetengely dőlésszöge eléri a 40o-ot, egy darabból álló dugattyú dugattyúgyűrű tömítésekkel) és mozgatható vezérlőtárcsával készült szivattyúknál a tömegbeli különbségek is csökkentek.

Az 1. ábrán látható ferdetengelyes axiáldugattyús szivattyú tömege nem csak a ferdetárcsás konstrukcióval, hanem a fogaskerekes szivattyúkéval is összemérhető. A táblázatból jól látható, hogy mind az állítható, mind a konstans szivattyúknál a ferdetengelyes kialakítás fajlagos teljesítménye a legkedvezőbb, nem is beszélve a fogaskerekes szivattyúk sokkal rosszabb volumetrikus hatásfokáról.

Ahhoz hogy a szivattyú állítása terhelésérzékelő szabályozásként működjön, érzékelnie kell a terhelés (pl. munkahenger által kifejtett erő) legyőzéséhez szükséges nyomást. Ezt a terheléssel arányos nyomásjelet kell visszacsatolnunk a szivattyú folyadékszállításának állítóegységéhez (2. ábra).

Az így működő terhelésszabályozott rendszer a folyadékmenynyiség igény növekedésekor (a vezérlőtolattyú áramlási keresztmetszetének nyitásakor) folyamatosan növelné a szivattyú folyadék szállítását, aminek csak a szivattyú mérete és az állítási tartomány vége (pl. a ferdetengely maximális dőlésszöge) szab határt. E szabályzási határ (szivattyú maximális folyadékszállítása) elérésétől kezdve a szivattyú tovább már nem szabályoz, hanem állandó folyadékszállítású szivattyúként viselkedik. Ha pedig adott munkavégzési sebességnél a terhelés folyamatosan nő, akkor ez visszahatva fokozatosan növeli a szivattyú nyomását, ez pedig már csak a hidraulikus rendszer korlátozott szilárdsága miatt sem engedhető meg. Ezért valamilyen formában a terhelésszabályozástól függetlenül a hidraulikus rendszer maximális nyomását is korlátozni kell. Ezt megtehetnénk egy egyszerű nyomáshatárolóval is, de ekkor a szivattyú ezt a nyomást érzékelné legyőzendő terhelésként és továbbra is a maximális folyadékmennyiséget szállítaná, függetlenül a munkahenger tényleges folyadékigényétől. A felesleget pedig a nyomáshatárolón keresztül veszteség formájában kellene elvezetni. Egyszerűbb megoldás a szivattyú szabályozás kiegészítése egy nyomásszabályzó fokozattal a 2. ábrán látható megoldás szerint. Ez maximális terhelőerőnél felülbírálja a terhelés szerinti szabályozást és a szivattyú ezután, mint nyomásszabályozott szivattyú

Terhelésszabályozott axiáldugattyús szivattyú (Bosch Rexroth, KVA7VO típus)

KVA7VO107DRS/63R-MEK64 típusú terhelésszabályozott axiáldugattyús szivattyú (Bosch Rexroth) üzemel mindaddig, míg a terhelőerő kisebb nem lesz a beállított maximumnál.

Vezérlőtömb

A szabályozáshoz szükséges terhelés érzékelésére legalkalmasabb hely a folyadékáram nagyságának és irányának a kezelő személy által vezérelt meghatározására szolgáló vezérlőtömb (mobil blokk) végrehajtó szerv (munkahenger) oldali kimenete. Ennek a pontnak (5. ábra „A” vagy „B” ágnak) a nyomása szabályozza a szivattyú folyadékszállítását.

A szabályozójel visszavezetése miatt szükségessé vált a hagyományos mobilblokk szerkezetének átalakítása. Az új vezérlőegység kialakításakor figyelembe kellett venni, hogy több különböző terhelésű munkahenger egyidejű működtetésekor:

• ki kell választani a mindenkori legnagyobb nyomást,
• biztosítani kell, hogy eltérő nyomással működő munkahengerek esetében is azok a munkagép kezelője által kívánt (a munkafolyamatnak megfelelő) sebességgel működjenek, nyomásváltozáskor pedig a sebességek változatlanul maradjanak,
• a szivattyú maximális folyadékszállítását meghaladó folyadékigénynél is változatlan maradjon a munkahengerek sebessége közti arány (pl. a legnagyobb terhelésű henger ne álljon le),
• illetve egyes kiemelt fogyasztók sebessége az elégtelen folyadék szállítás ellenére se csökkenjen.

Ezek a követelmények azonban már túllépnek a hagyományos LS szabályozás lehetőségein, így annak egy továbbfejlesztett változatához vezetnek. Az ilyen tulajdonságú rendszereket nevezzük terhelés független térfogatáram elosztású (LUDV–lastduckunabhängige Durchflussverteilung) rendszereknek.

A legnagyobb nyomás kiválasztására a vezérlőegységbe épített vagyszelepek szolgálnak (lásd 4. ábra), az eltérő munkanyomások (terhelések) kiegyenlítését (a folyadékmegosztás arányának biztosítására) pedig a vagy a vezérlőél után (4. ábra) vagy a vezérlőél előtt (5. ábra) bekötött speciális nyomáskülönbség állandósító szelepek végzik. A terhelés érzékelőkört a visszacsapó szelepek lezárják, ezért a terhelés nyomásának csökkenésekor külön szelepnek kell gondoskodni e kör nyomásmentesítéséről (dekompressziójáról).

A nyomásmentesítő szelep döntő fontosságú a terhelésérzékelő kör érzékenysége, stabilitása és átmeneti folyamatai szempontjából.

Ez általában a rendszerhez illesztett valamilyen speciális jelleggörbével rendelkező egyszerű áramlásszelep, mely vagy a vezérlőtömbben, vagy a szivattyúban (lásd pl. 2. ábra) található meg. Az így kialakított vezérlés megőrzi a hagyományos 6/3-as vezérlőtolattyús rendszer előnyeit, felépítése egyszerű, működése biztonságos marad. Kiküszöböli a hagyományos fojtásos vezérlések nyomásfüggőségét. Terhelésváltozás hatására nem fog változni a munkahenger sebessége, hiszen éppen a vegyes szabályozás (szivattyú + vezérlőegység) miatt a vezérlőélen létrejövő nyomáskülönbség végig állandó marad. Megszűnnek a párhuzamos működtetéssel kapcsolatos problémák (a kisebb nyomással működő hengerek nem élveznek elsőbbséget működéskor). A nyomáskülönbség kiegyenlítő szelepek vezérlőélek utáni bekötése pedig megszünteti a maximális folyadékszállítás felett jelentkező folyadék megosztási problémát, ilyenkor a vezérlőtömb mintegy áramosztóként fog működni.

Természetesen a mobil blokk korábban használatos funkciót biztosító elemei továbbra is megmaradnak, mint például a szekunder biztonsági szelepek, utánszívók, tehertartó szelepek, stb. Megoldható az eltérő finomszabályozás, a működés és működtetés változatossága, az egyedi kapcsolások és szabályozási jellemzők munkagépre optimalizált beállítása.

A rendszer

Ma már a terhelésszabályozás megbízhatóan és pontosan működik.

A kezelőszemélyzet biztonsággal számíthat az egyenletes szabályozásra, a vezérlőtolattyú működtetésével kiadott parancsok köz vet lenül és arányosan kerülnek végrehajtásra. Az arányosságot a tolattyú élek megfelelő kialakításával egyszerűen lehet biztosítani, teljes mértékben kompenzálva a változó nyomásból és viszkozitásból származó hatásokat.

Az utóbbi években ezek a rendszerek igen kemény alkalmazási körülmények között igazolták létjogosultságukat a mobil munkagépekben.

Sikeresen alkalmazták:

• kotrógépekben (ahol fontos követelmény többfajta funkció egyidejű használata, miközben egyik funkció leállása sem megengedett),
• homlokrakodókban (itt fontos az egyes funkció előresorolása (pl. kormányzás prioritása, résolaj mentes tehertartás, gyorsjárati kapcsolások, tehersüllyesztéskor „úszó” helyzetű vezérlőtolattyúk beépítése),
• univerzális kotrórakodóknál (az előző két követelménycsoportot egy csokorban kell meg oldani),
• daruknál, ahol speciális biztonsági feladatok fontosak, mint például:
  • nyomatékhatárolás helyzet és teher szerint
  • billenés érzékelés
  • funkciókorlátozás
  • teleszkóp kitolás megtagadása, stb.

E speciális követelmények kielégítésére alakították ki a szivattyúk és mobil vezérlőtömbök munkagép specifikus változatait.

A terhelésszabályozás beépítése az állandó folyadékszállítású szivattyúkénál költségesebb, de ez a költség gazdaságos üzemeltetésben (pl. üzemanyag takarékosság, ritkább szivattyú csere) és a munkagép termelékenységének, hatékonyságának növelésében, jobb kezelhetőségében bőségesen megtérül.