INTRODUCERE N HIDRAULIC

Definirea domeniului

Se cunoate ca hidraulica se ocupa cu transferul de energie i de informaii cu ajutorul

lichidelor, care pot fi uleiurile minerale, lichidele greu inflamabile i mai recent, uleiurile vegetale.

Domeniul este clasificat, n mare, n hidrostatic (n care energia este transmis cu ajutorul presiunii

statice, generate de pompe de regul la presiuni mari i viteze de curgere mici) i hidrodinamic

(unde transferul se realizeaz pe baza energiei cinetice, de regul la presiuni mici i viteze mari de

curgere). Subdomeniul abordat n lucrare este cel al hidrostaticii, numit pentru simplitate

hidraulic sau hidraulica uleiului. Un sistem hidraulic din acest subdomeniu, cuprinznd pompe,

ventile, motoare precum i elemente nemictoare auxiliare cum sunt conductele, filtrele,

acumulatori, rezervoare, rcitoare, etc., se prezint n fig.1.1.

P T

A B

VLP

P

parte motorica

parte decomand

conducte sielementeauxiliare

partegeneratorica

parteconductiva

ventil distribuitor

acumulator filtru

pompa

motor

rezervor

Figura 1.1 Componentele sistemului hidraulic

Opiunea pentru o acionare hidraulic fa de cele mecanice i electrice se face pe baz

de criterii cuprinse n tabelul 1.1.

Tabelul 1.1 Comparaie ntre tipurile de acionri

Tipul transferului

Criteriu

mecanic

electric

hidraulic

Densitate de for foarte mare mic foarte mare

Transferabilitate pe

distane medii

foarte mic foarte mare relativ mare

comandabilitate mic mare mare

siguran Aproximativ egal pentru toate acionrile

randament relativ mare mic foarte sczut

Flexibilitate

constructiv, ofert

componente

mic (scump)

foarte mare (ieftin)

mare (scump)

Din tabel rezult c principalul avantaj n favoarea acionarii hidraulice este acela al densitii mari

de for. Comparnd un motor hidraulic cu unul electric din punct de vedere al acestei densiti,

care n hidraulic corespunde presiunii, iar n electrotehnic mrimii S.B.a (msurate n bari), n

primul caz acesta este de 500 i mai mare, iar n al doilea caz de 0,5 4 bar. Aceasta diferen face ca raportul greutilor celor dou motoare sa fie de 14:1, raportul gabaritelor de 26:1,

momentul de inerie masic de 72:1 (cu implicaii mari n timpul de accelerare, sau de rspuns la o

excitaie treapta, ceea ce definete calitatea dinamic. Un al doilea mare avantaj este acela al

realizrii mult mai simple a micrilor motoarelor liniare de vitez relativ mic, att de deficitare n

acionarea electric.

Istoric, sinoptic, dezvoltri, tendine corelate cu oportunitatea temei n cercetare

Omenirea a folosit deja, de milenii, energia de poziie a apei, prima roat de ap fiind

semnalat cu 200 de ani .e.n.. Pe aceasta baz au perpetuat pn n timpurile noastre morile de

ap i pe urm centralele hidraulice. n evul mediu, ordinul clugresc al cistercienilor era cel mai

specializat n domeniu [ ]. Pn la descoperirea mainii cu aburi, singurele surse de energie pentru

lucrul mecanic erau vntul, apa i muchii. O descoperire semnificativ dar nefolosit pn n

secolul nostru a fost aceea a pompei cu roti dinate (Kepler, 1600). De o importan deosebit i

exploatat cu mic ntrziere au fost lucrrile lui Pascal, care n 1653 a stabilit principiul presei

hidraulice, care st i azi la baza sistemelor de acionare hidraulic. Aplicarea industrial a acestui

principiu a realizat-o englezul Bramah, n 1795 pentru o presa hidraulic cu ap. Odat cu

descoperirea mainii cu aburi de ctre J. Watt, hidrostatica a putut fi folosit n Anglia n forma

reelelor de ap sub presiunea generat de pompe pentru acionarea prin motoare cu pistoane ale

mainilor (morilor). Dezvoltrile maritime ale Angliei n secolul 19 au condus la dezvoltarea de ctre

Armstrong a unui ir ntreg de maini i componente hidrostatice folosite pe vapoare pentru vinciuri

i macarale cu scripei. Multe elemente de comanda de atunci stau la baza celor de azi.

Odat cu dezvoltarea acionrilor electrice, la nceputul acestui secol, cele hidraulice i-au

pierdut importana tehnic, deoarece cele electrice au facilitat un transfer de energie mult mai

simplu. Reimpulsionarea hidraulicii a fost declanat de Janney, n 1905, prin folosirea uleiului sub

presiune ca mediu de transfer. El a construit un variator hidraulic cu maini cu pistoane axiale. n

1910 s-a realizat un regulator pentru turbine hidrostatic, pentru mainile de for pe baza de ap.

Tot n 1910 Shaw a introdus mainile cu pistoane radiale pentru mediul ulei.

O adevrat dezvoltare a mainilor cu pistoane axiale a nceput n 1930 datorit lui

Thomas. n 1936, Vickers a realizat primul ventil pilotat pentru reglarea presiunii, iar n 1936 Mercier

a construit acumulatorii hidropneumatici.

Deceniul al 6-lea al secolului trecut a constituit punctul de plecare al hidraulicii moderne, al

servohidraulicii, prin trecerea funciilor de comand a energiei hidraulice pe seama electrotehnicii i

apoi a electronicii i prin introducerea circuitelor de reglare automat moderne. Pe plan tiinific

punctul s-a asociat cu apariia lucrrilor lui Blackburn, Lee i Shearer. Dezvoltarea furtunoas a

hidraulicii a nceput n anul 1950 n toate domeniile de automatizare industrial. Astzi, domeniul

cunoate dezvoltri exponeniale, cifrele de afaceri anuale pe o ar mare productoare de

componente hidraulice fiind de ordinul miliardelor de dolari.

Conceptul de servohidraulic cruia i va servi i prezenta lucrare, cuprinde toate

domeniile hidraulicii, n care componentele hidraulice lucreaz n circuite de reglare automat i la

care semnalele de intrare sunt amplificate hidraulic. Mrimile astfel reglate sunt, de regul, sau

mrimi mecanice ca deplasri, viteze, acceleraii i fore pentru micri liniare, respectiv unghiulare,

frecvene de rotaie (turaii) i momente de rotaie, sau mrimi hidraulice: debit i presiune. Legtura

dintre aceste mrimi se face prin putere:

==== MvFPQpP mh

Ca semnalele de intrare n circuitul de reglare automat se pot folosi mrimi mecanice, hidraulice,

pneumatice i ndeosebi electrice. Aceste semnale vor comanda energia hidraulic cu care vor fi

antrenate motoarele hidraulice. Raportul ntre energia semnalelor de comand i cea comandat

atinge azi valori de ordinul 84 1010 . Domeniul de folosire a servohidraulicii cuprinde ntreaga zon a automatizrilor i a

tehnicilor comenzii la distan n instalaii staionare sau mobile, maini-unelte, maini pentru

materiale plastice, maini de ncercat vehicule de for terestr, marin i aerospaial.

Apariia servohidraulicii a constituit un rspuns la cerinele, din ce n ce mai ridicate,

prioritare dinamicii comportrii, adic la promptitudinea i precizia rspunsului sistemului la variaii

ale semnalelor de comand i a perturbaiilor. n acest sens a devenit necesar implementarea

informaticii, aflat de asemenea n dezvoltare exploziv, alctuindu-se triunghiul hidraulic -

electronic (i electrotehnic) informatic, care st la baza dezvoltrilor mecatronice de azi.

Mecatronica de azi pretinde ns comportri semi-inteligente i inteligente care s asigure

sistemului o conduit adaptiv la perturbaii (de ex. frna ABS, amortizorul inteligent, etc.).

Apariia servohidraulicii a determinat i desprirea dintre hidraulica convenional alb-

negru, folosind semnale de tip DA i NU i hidraulica proporional, care admite cu continuitate

semnale cuprinse ntre acestea, domeniu definit ca tehnic proporional. Noile tehnici derivate

din disciplina de matematic (logica Fuzzy) sau din teoria reelelor neuronale sintetice (derivate din

tiina comportrii creierului uman) au condus la apariia i dezvoltarea unor noi conduite de reglare

automat, strategii de reglare, apropiate de conduita comportamentului uman, elibernd omul de

jugul subordonrii energetice i de comand, care l fceau sa se simt un subansamblu al mainii

fr de care aceasta nu poate funciona, deschizndu-i-se astfel calea spre realizarea funciei de

creaie.

n apropiere de zilele noastre, din considerente ecologice, a aprut i nevoia folosirii unor

lichide biodegradabile (uleiurile vegetale), precum i alte metode de comand a energiei cu ajutorul

lichidelor electroreologice, care sub influenta unor cmpuri electrice i schimb rapid (milisecunde)

vscozitatea [ ].

Sinoptic recapitulativ privitor la comportarea lichidelor hidraulice

Creterea exigenelor cu privire la comportarea n regim staionar i tranzitoriu a mainilor

a impus luarea n considerare, n msur crescnd, a diferenei dintre lichidele ideale (lipsite de

mas/inerie, lipsite de frecri i incompresibile, care nu pot prelua energie cinetic i nu necesit

energie de transport) i lichidele reale n spe uleiul hidraulic, care dovedesc, datorit prezenei

masei, frecrilor i elasticitii, un comportament dinamic oscilant (ca n mecanic oscilatorul

omogen constituit din: mas, arc, amortizor sau n electrotehnic: bobin, capacitate, rezisten). n

acest fel se definete inductivitatea hidraulic L (pentru uleiul dintr-o conduct de lungime l i arie

A, ca:

=4H m

kgA

lL (1)

Diferena de presiune la capetele conductei va fi:

dtdQLp H =

analog cu electrotehnica, unde:

dtdiLu E =

Aceasta inductivitate este cauzatoare de inerie i ntrzieri.

A doua caracteristica este aceea a capacitaii hidraulice datorit elasticitii lichidului (o

coloana de ulei este de cca. 140 de ori mai puin rigid dect o coloana de oel de aceeai

dimensiune). Deformaia elastic (deci variaia de volum) crete odat cu creterea presiunii:

dpEVdV

u

0 = (2)

de unde, capacitatea hidraulic se definete ca:

==Nm

EV

dpdVC

5

u

0H (3)

de unde prin integrare, se obine:

= QdtC1p H (4) sau pentru o capacitate constant:

= QdtC1p H (5) mrime analoag cu tensiunea pe o capacitate electric:

= idtC1u E (6) Mrimea cea mai important din punct de vedere al comenzilor hidraulice este rezistena hidraulic,

care constituie i obiectul lucrrii de fa. Ea apare datorit vscozitii lichidului i are cea mai

mare importan pentru comportarea sistemelor hidraulice. n analogie cu electrotehnica unde

Riu = , ea se definete n principiu ca: HRQp = (7)

Pentru legarea n serie a acestor componente, n analogie cu electrotehnica unde

++= idtC1dtdiLRiu EEE (8)

rezult ecuaia diferenial:

++= QdtC1dtdQLRQp HHH (9) unde RH este o rezistena liniar la curgere,

dQdp

Aa cum se va vedea, n practic, spre deosebire de electrotehnic, datorit dependenei

exponeniale a lui Q fata de p , rezistena este puternic neliniar.