Naprawa i regeneracja siłowników hydraulicznych tłokowych dwustronnego działania

Siłownik hydrauliczny bywa również nazywany silnikiem prostoliniowym w przeciwieństwie do silników hydraulicznych wytwarzających ruch obrotowy, nazywanych też hydromotorami. W swoim działaniu wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się ciśnienia w cieczach we wszystkich kierunkach, czego efektem jest dążenie cieczy do powiększenia objętości zbiornika, który wypełnia na skutek parcia na ściany zbiornika pod wpływem siły zewnętrznej (prawo Pascala). Jeżeli jedna ze ścian zbiornika będzie ruchoma, to parcie wywierane na ścianę przez olej pod ciśnieniem spowoduje jej przesunięcie. Jeżeli ten ruch wykorzystamy do wykonania jakiejś pracy, wówczas możemy powiedzieć, że mamy do czynienia z siłownikiem hydraulicznym, ponieważ dokonaliśmy zamiany energii zawartej w oleju pod ciśnieniem na pracę.

Prawo Pascala: „jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to (pomijając ciśnienie hydrostatyczne) ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu." Wersja uproszczona: „Ciśnienie zewnętrzne wywierane na ciecz lub gaz znajdujące się w naczyniu zamkniętym rozchodzi się jednakowo we wszystkich kierunkach.".

Wyżej opisane zasady dotyczą wszystkich siłowników niezależnie od ich budowy i zastosowanego medium roboczego, czyli gazu lub cieczy. My w tym artykule zajmiemy się siłownikami tłokowymi, pozostałe typy omówimy w kolejnych publikacjach.

Aby usystematyzować wiedzę i nazewnictwo elementów, przyjrzyjmy się budowie siłownika tłokowego.

Rys. 1. Przekrój słownika tłokowego dwustronnego działania

1. Ucho dna siłownika z łożyskiem wahliwym
2. Dno siłownika.
3. Nabka (przyłącze hydrauliczne)
4. Uszczelnienie tłokowe
5. Tłok
6. Uszczelka tłoka względem tłoczyska
7. Cylinder
8. Tłoczysko
9. Uszczelnienie dławnicy względem cylindra
10. Pierścienie prowadzące tłoczysko
11. Uszczelnienie dławnicowe
12. Pierścień zgarniający
13. Dławnica
14. Ucho tłoczyska z łożyskiem wahliwym

Budowa siłownika przedstawiona na rys. nr 1 jest najczęściej spotykanym ukompletowaniem w budowie maszyn. Występują oczywiście różne odmiany siłowników w różnych konfiguracjach montażu i budowy w zależności od miejsca instalacji i realizowanej funkcji, ale we wszystkich siłownikach występują elementy, które zostały przedstawione na rysunku.

To w wielkim skrócie podstawowe informacje na temat ogólnej budowy i teorii działania siłownika hydraulicznego. Do omówienia podstawowych działań przy naprawie lub regeneracji jest to przykład najlepszy, ponieważ każdy mechanik, jeżeli spotkał się choć raz w życiu z siłownikiem, to najprawdopodobniej był to właśnie taki siłownik lub jego pochodna.

Siłownik hydrauliczny – weryfikacja wycieków i demontaż siłownika

Jeżeli awaria siłownika polega na wyciekach zewnętrznych, a obsługa maszyny nie zgłasza żadnych innych niedomagań przed przystąpieniem do demontażu i naprawy siłownika, dobrze jest zweryfikować szczelność siłownika w miejscu użytkowania. Aby dokonać optycznej weryfikacji wycieków zewnętrznych, należy siłownik oczyścić z wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń, pozostawić w warunkach roboczych i obserwować do momentu stwierdzenia miejsca przecieku.

Po zdemontowaniu siłownika, jeśli to możliwe, należy opróżnić go z oleju, a następnie obejrzeć dokładnie miejsce i sposób montażu dławnicy zamykającej cylinder siłownika w celu ustalenia sposobu jej demontażu. Możemy spotkać się z co najmniej czterema sposobami osadzenia dławnicy w cylindrze. Najprostszy sposób to cztery szpilki gwintowane spinające dno siłownika z dławnicą. Drugi to gwintowane połączenie z cylindrem. W tym przypadku należy zwrócić uwagę, czy dławnica jest zabezpieczona przed samoczynnym wykręceniem np. kołkiem zabezpieczającym lub w inny sposób. Jest to ważne, ponieważ nieusunięcie zabezpieczenia może doprowadzić do uszkodzenia gwintu w dławnicy lub cylindrze, co doprowadzi do znacznego rozszerzenia prac remontowych, a czasem do zniszczenia elementów. Kolejnym sposobem jest osadzenie przy pomocy drutu zabezpieczającego. Choć zabrzmi to banalnie, aby zdemontować dławnicę, należy wyciągnąć drut. Niestety bywa to trudne. Przede wszystkim, jeżeli napotkamy problem z wyciągnięciem drutu, to nie należy próbować go wyciągać na siłę. Należy lekko wcisnąć dławnicę w cylinder (w trakcie pracy siłownika dławnica jest wypychana z cylindra i zaciska się na drucie, wciśnięcie dławnicy do środka powoduje zmniejszenie zaciśnięcia drutu w kanale). Jeżeli to nie da efektu, należy opłukać cylinder zalać płynem penetrującym. Czynności te niestety należy powtarzać do skutku, starając się nie urwać końcówki drutu. Nie należy również poszerzać ani przedłużać kanału, przez który jest wprowadzony drut, ponieważ powoduje to osłabienie sztywności osadzenia dławnicy i może być przyczyną przecieków i innych uszkodzeń cylindra. Często w siłownikach spotykamy osadzenie dławnicy na „ćwierćpierścienie”. Aby wyjąć pierścienie, trzeba wcisnąć dławnicę tak, aby było możliwe wyjęcie ćwierćpierścieni. W obydwu przypadkach możemy napotkać problem podniesienia krawędzi kanału, w którym są osadzone pierścienie lub drut. Jeżeli to możliwe, należy usunąć nadmiar materiału np. przy pomocy szlifierki pneumatycznej na ściernice trzpieniowe. Jeżeli jest to niemożliwe, należy po prostu wyciągnąć dławnicę „na siłę”. Jest to mało wyszukane rozwiązanie, ale wykonalne i skuteczne.

Po wyjęciu dławnicy wyciągamy z cylindra tłoczysko z tłokiem. Kolejnym krokiem jest demontaż tłoka. W starszych siłownikach spotyka się różnego rodzaju rozwiązania z pierścieniami sprężystymi lub półpierścieniami lub połączeniem obu sposobów. Najczęściej jednak tłoki są po prostu nakręcane na tłoczysko. Tutaj musimy również zwrócić uwagę na zabezpieczenie przed odkręceniem. Kołek bywa umieszczony prostopadle do osi tłoczyska pod pierścieniem prowadzącym, może być też po prostu wkręcony prostopadle do osi tłoczyska. Można ponadto spotkać kołek wkręcony od czoła tłoczyska w gwint między tłokiem i tłoczyskiem. Jeżeli nie znajdziemy żadnego zabezpieczenia, może to oznaczać, że tłok zabezpieczony jest klejem do gwintów. Najskuteczniejszy sposób stanowi nagrzanie tłoka, tak by klej się wypalił. Grzanie nie uszkadza termicznie tłoka ani tłoczyska, należy jedynie pamiętać, aby nie doprowadzić do płynięcia materiału. Niestety na pewno zniszczeniu ulegnie o-ring uszczelniający połączenie tłoka z tłoczyskiem, ale to nie jest problemem, bo i tak trzeba go wymienić. Przy odkręcaniu tłoka często trzeba chwycić za tłoczysko. Jeżeli nie mamy do dyspozycji imadła z miękkimi szczękami, możemy je zastąpić wkładkami wygiętymi, np. z blachy aluminiowej, osłaniającymi stalowe szczęki imadła. Nie wolno pod żadnym pozorem w nieosłonięte szczęki imadła chwytać chromowanej gładzi tłoczyska, chyba że jest ono uszkodzone i będziemy je wymieniać.

Po dokręceniu tłoka możemy zdjąć dławnice z tłoczyska. Zalecam zdejmowanie dławnicy od strony tłoka, a nie nakręcanego ucha. Ma to zaletę tylko przy zdejmowaniu dławnicy, niestety przy jej zakładaniu po wymianie uszczelnień od strony ucha robimy to „pod włos”, czyli wciskamy tłoczysko w uszczelkę od strony wargi, co ze względu na budowę uszczelki jest trudne i najczęściej prowadzi do uszkodzenia.

Po zdjęciu dławnicy z tłoczyska wyciągamy uszczelnienia. Jeżeli dławnica wyposażona jest w pierścienie prowadzące, to też je wyjmujemy. Dławnica wykonana z żeliwa najczęściej nie jest wyposażona w pierścienie prowadzące. Zdejmujemy również o-ring uszczelniający dławnice względem cylindra. Jeżeli przy o-ringu znajduje się pierścień przeciwwyciskowy, nie zdejmujemy go, chyba że mamy fabryczny zestaw naprawczy uszczelnień z pierścieniem. Pierścienie nie występują w ofercie handlowej standardowych uszczelnień technicznych, a przy wyjmowaniu często ulegają zniekształceniu. Zdejmujemy także uszczelnienia z tłoka.

Siłownik hydrauliczny – weryfikacja części siłownika

1. Sprawdzenie powierzchni chromowanej tłoczyska. Powłoka chromu powinna być gładka i nienaruszona. Wszelkie wgniecenia, zarysowania lub inne mechaniczne uszkodzenia powierzchni chromowanej dyskwalifikują tłoczysko, ponieważ będą powodowały przecieki. Należy też sprawdzić ,czy tłoczysko jest proste. Jakakolwiek widoczna krzywizna wzdłużna tłoczyska również dyskwalifikuje je z dalszej eksploatacji.
2. Kontrola stanu dławnicy. Dławnicę kontrolujemy wzrokowo, poszukując mechanicznych uszkodzeń. Szczególną uwagę zwracamy na miejsce osadzenie uszczelnień i powierzchnię współpracującą z tłoczyskiem. Podtoczenia, w których osadzone są uszczelnienia, muszą mieć gładkie nienaruszone powierzchnie. Jeżeli powierzchnia jest wypracowana, skorodowana lub ukruszone są krawędzie podtoczenia, należy uznać ją za uszkodzoną. Jeżeli dławnica jest żeliwna, to zwracamy uwagę, czy powierzchnia współpracująca z tłoczyskiem jest gładka. Jeżeli dławnica jest stalowa, to na pewno wyposażona jest w pierścienie prowadzące, plastikowe lub metalowe, które zawsze wymieniamy razem z uszczelkami.
3. Kontrola pasowania dławnicy z tłoczyskiem. Kontrolę przeprowadzamy, nakładając dławnicę na tłoczysko bez uszczelek. Pasowanie powinno być suwliwe bez wyczuwalnego luzu poprzecznego lub skośnego. Dławnica powinna się przesuwać po tłoczysku w sposób płynny bez wyczuwalnych zacięć. Nie sprawdzamy pasowania w przypadku dławnicy z pierścieniami prowadzącymi, tylko obowiązkowo wymieniamy pierścienie; chyba że miejsca osadzenia pierścieni wykazują wyraźne ślady uszkodzenia, wówczas musimy dokonać naprawy pasowania, stosując grubsze pierścienie prowadzące.
4. Kontrola osadzenia dławnicy w cylindrze. Jeżeli dławnica jest wkręcana, to wkręcamy ją bez uszczelnień w cylinder. Powinna się wkręcać płynnie bez zacięć do końca z minimalnym luzem. Duży luz może oznaczać odkształcenie cylindra. Należy wówczas dokonać kontroli kształtu cylindra, np. mierząc średnicę wewnętrzną suwmiarką w kilku miejscach. Jeżeli z pomiarów będzie wynikać, że tuleja ma owal, to będzie to powodować płukanie uszczelnienia dławnicy względem cylindra, czego efektem będzie przeciek oleju. W zależności od wielkości odchyłki kształtu wyciek będzie pojawiał się natychmiast lub po jakimś czasie eksploatacji. W przypadku dławnic osadzanych przy pomocy drutu lub pierścieni dławnica powinna wsuwać się z minimalnym oporem, nie wykazując luzu w żadnej osi względem cylindra. W razie wątpliwości należy wykonać pomiary jak opisano wyżej.
5. Kontrola tłoka. Tłok sprawdzamy podobnie do dławnicy. Tak samo przyglądamy się ogólnemu stanowi podtoczeń, w których osadzone są uszczelnienia. Powierzchnie nie powinny nosić żadnych śladów uszkodzenia. Tłoki żeliwne powinny mieć gładką powierzchnię, która współpracuje z cylindrem. Natomiast tłoki metalowe wyposażone są w pierścienie prowadzące lub pakiet uszczelnień tłokowych wyposażony w pierścienie prowadzące. W pierwszym wypadku obowiązkowo wymieniamy pierścienie, w drugim wymiana pakietu tłokowego rozwiązuje problem.
6. Kontrola pasowania tłoka z cylindrem. Jeżeli tłok jest wykonany z żeliwa lub z innego materiału bez wymiennych pierścieni prowadzących, należy sprawdzić pasowanie tłoka z cylindrem. W tym celu należy nakręcić tłok na tłoczysko i wprowadzić do cylindra bez dławnicy. Tłok powinien poruszać się w cylindrze płynnie i nie wykazywać luzu poprzecznego lub skośnego. Jeżeli jest wyczuwalny luz, należy dokonać naprawy pasowania. Można np. na tłoku osadzić pierścienie prowadzące, jeśli nie ma możliwości, trzeba wykonać nowy tłok.
7. Kontrola cylindra. Powierzchnia cylindra powinna być gładka. Może nosić jedynie ślady normalnej współpracy z tłokiem. Rysy, wgniecenia, owal cylindra są wskazaniem do wymiany. Efektem złego stanu cylindra może być samoczynne opadanie elementów napędzanych przez siłownik. Możemy się tez spotkać z sytuacją kiedy po długotrwałej eksploatacji cylinder ma kształt „beczkowaty” spowodowany na przykład tym że częściej wykonywane są krótkie skoki tłoka a rzadziej wykonywany jest pełny skok siłownika. Wówczas możemy mieć do czynienia z nierównomiernym zużyciem cylindra. Na szczęście problem występuje tylko w siłownikach starszego typu. Stosowane obecnie uszczelnienia tłokowe niwelują ten problem ponieważ w znacznym stopniu samoczynnie kompensują luz tłoka względem cylindra pod wpływem ciśnienia oleju.
    

Po dokonaniu weryfikacji elementów siłownika i usunięciu ewentualnych uszkodzeń lub wymianie uszkodzonych części możemy przystąpić do wymiany uszczelnień. Najprościej jest wymienić uszczelki na takie same, jakie były użyte przy zabudowie fabrycznej siłownika. W takim wypadku najlepiej jest posiadać zestaw naprawczy do siłownika. Jeżeli producent nie oferuje zestawu naprawczego, musimy uszczelnienia dobrać sami. Nie nastręcza to w większości przypadków problemu. Obecnie na rynku oferowanych jest wiele typów uszczelnień produkowanych przez wiele firmach. Istnieje też możliwość wykonanie uszczelnień „na miarę”, ale to już inny temat. Najczęściej wymiary uszczelek i ich typ można odczytać ze starej uszczelki. Jeżeli nie jest to możliwe, to możemy zdjąć wymiary zabudowy, bo właśnie one są wymiarami katalogowymi uszczelnień. W tym celu musimy zmierzyć średnice powierzchni, z którymi współpracuje uszczelka. Uszczelnienia metryczne mają wyłącznie pełne wymiary średnic, więc nawet przy niezbyt dokładnym pomiarze można ustalić wymiary uszczelnień. Choć odrobina doświadczenia w znacznym stopniu ułatwia zadanie. Przydatną wiedzą jest podział uszczelnień pod względem zastosowań i ciśnień roboczych.

Podstawowy podział to:

Jak wynika z powyższych ilustracji, występuje wiele rodzajów uszczelnień w każdej grupie uszczelek. Można je również podzielić pod względem użytego materiału. Jedno można przyjąć jako pewnik: uszczelkę gumową, gumowo-tkaninową lub z NBR-u można zastąpić uszczelką poliuretanową. Nie należy zastępować poliuretanu gumą lub pochodnymi, ponieważ uszczelki z poliuretanu mają wytrzymałość i żywotność znacznie większą od gumowych. Jak widać, temat uszczelnień technicznych i sposób ich doboru jest szerokim zagadnieniem. Należy mieć jednak świadomość, że dobór właściwej uszczelki do właściwego zastosowania w siłowniku jest niezmiernie ważny i ma duży wpływ na jakoścś dokonanej naprawy. Po dokonaniu wyboru właściwych uszczelnień należy je osadzić w podtoczeniach. Przy zakładaniu zwracamy szczególną uwagę, aby nie uszkodzić uszczelnień na krawędziach ponieważ będzie to powodować złe przyleganie uszczelnień do uszczelnianych powierzchni, co doprowadzi do wycieków. Najtrudniejsze do montażu są uszczelki tłokowe typu GER i podobne z powodu materiału, z którego wykonano pierścień zewnętrzny. W trakcie zakładania na tłok pierścień się rozciąga i samoczynnie nie wraca do pierwotnej średnicy, co stwarza później problem z włożeniem tłoka w cylinder. Jedyny sposób to użycie stożkowej tulei, dzięki której pierścień wraca do pierwotnej średnicy.

Po włożeniu uszczelnień na miejsce osadzenia możemy przystąpić do zmontowania siłownika. Tutaj należy postępować w odwrotnej kolejności jak przy demontażu. Zaczynamy od włożenia tłoczyska do dławnicy. Jak już wspomniałem, wkładamy tłoczysko od strony pierścienia zgarniającego, czyli z „włosem”, co gwarantuje, że uszczelka dławnicowa nie zostanie uszkodzona. Następnie montujemy tłok na tłoczysku i tak ukompletowany zestaw wkładamy w cylinder, kończąc czynności montażem dławnicy w cylindrze. Najważniejszą rzeczą jest, aby przy montażu nie używać zbyt wiele siły. Dobrze zweryfikowane i naprawione elementy oraz dobrze dobrane uszczelki nie mogą sprawiać problemów przy montażu. Jeżeli występują duże problemy przy montażu, oznacza to, że któryś z etapów naprawy został wykonany źle i trzeba wykonać go ponownie. Trzeba się starać tak wykonać montaż siłownika, żeby nie było problemu z ponownym rozebraniem.

Siłownik hydrauliczny – kluczowe czynniki w naprawie

W niniejszym artykule poruszony został w sposób ogólny temat naprawy siłownika tłokowego dwustronnego działania. Jest to czubek góry lodowej. Choć wielu uważa, że siłownik to bardzo proste urządzenie, w którym wymienia się gumki, w praktyce takie siłowniki stosowane są w tak wielu różnych aplikacjach, z wieloma różnymi układami sterującymi i zasilającymi, że ich wadliwe działanie lub zła naprawa może prowadzić do wielu na pozór niezwiązanych z nimi nieprawidłowości. Naprawiając siłownik, musimy brać pod uwagę, z jaką dynamiką pracuje urządzenie, na jakie siły zewnętrzne jest narażony siłownik w trakcie pracy, na sztywność układu, w którym jest zamontowany. Jaki rodzaj rozdzielaczy steruje siłownikiem? Jaka pompa zasila układ i z jaką dokładnością filtrujemy olej. Jak widać, jest wiele czynników, do których trzeba dopasować siłownik. Te najbardziej ważne to w tym przypadku materiały użyte do naprawy. Występuje kilka typów prętów chromowanych, z których wykonuje się tłoczyska. W zależności od ciśnień roboczych i miejsca montażu można użyć do wykonania tłoczyska prętów o różnych parametrach wytrzymałościowych. W zależności od prędkości posuwów należy stosować odpowiednie typy uszczelnień z materiałów, które nie płyną pod wpływem dużej dynamiki ruchu, a wytrzymują chwilowe gwałtowne wzrosty ciśnienia w trakcie hamowania w skrajnych położeniach tłoka. Jeżeli do sterowania używamy zaworów proporcjonalnych, to zabezpieczamy je znacznie dokładniejszymi filtrami, więc jeżeli użyjemy przy naprawie uszczelnień gumowo-tkaninowych, możemy spotkać się z problemem szybkiego zabrudzenia filtrów, ponieważ w trakcie eksploatacji z tych uszczelnień do układu trafia spora ilość włókniny. Innym problemem jest zawartość zanieczyszczeń metalowych w oleju, na które są wrażliwe pompy tłoczkowe i suwaki w rozdzielaczach proporcjonalnych. Możemy się z tym spotkać w przypadku gdy pierścienie prowadzące z metali kolorowych zastąpimy ze względów oszczędnościowych żeliwem. Jeżeli naprawa nie zostanie wykonana poprawnie, może się okazać, że nie przywrócimy prawidłowego działania urządzenia, ale sądząc, że siłownik po naprawie jest sprawny, zaczniemy poszukiwać awarii w innym miejscu, czyli zaczniemy szukać nieistniejącego uszkodzenia.

Podsumowując, należy przyjąć założenie, że naprawa siłownika jest tak samo ważnym działaniem jak naprawa każdego innego elementu układu hydrauliki. Należy do niej podchodzić z takim samym pietyzmem jak do naprawy innych elementów. Teza, że naprawa polega na „wymianie gumek”, nie ma nic wspólnego z prawdą. Do naprawy siłowników należy używać dobrych i właściwych materiałów, a naprawę powinien przeprowadzać dobrze przygotowany pracownik posiadający, jak wynika z niniejszego tekstu, niezbędną wiedzę, aby naprawę wykonać dobrze. Jeżeli w zakładzie nie posiadamy dobrego serwisanta ani odpowiedniego parku maszynowego do wykonania części zamiennych do siłownika, to lepiej jest powierzyć naprawę wyspecjalizowanemu warsztatowi, w którym naprawa zostanie wykonana ze znajomością tematu gwarantującą jakość i długotrwałe działanie naprawionego elementu.

Autor: Dariusz Niezdropa - właściciel firmy HYDROPRES Małdyty świadczącej usługi w zakresie projektowania, serwisowania i modernizacji układów hydrauliki siłowej, pneumatyki i automatyki przemysłowej. Przez blisko 10 lat pracował w dziale Utrzymania Ruchu fabryki DAEWOO-FSO Warszawa HANYANG-ZAS w Elblągu.
Posiada doświadczenie w projektowaniu, budowie oraz modernizacji maszyny i urządzeń wykorzystywanych w procesach produkcyjnych. Tworzył procedury i dokumentację oraz wdrażał normy jakościowe ISO w zakresie elementów pomiarowych wielkości elektrycznych, przepływu, termoregulacji i ciśnienia. Wdrażał program TQM (Total Quality Management – Zarządzanie Przez Jakość). Autor wielu wniosków racjonalizatorskich.

Hydropres L.D. Niezropa
ul. Prusa 3
14-330 Małdyty
tel. 505 804 375
dariusz.niezdropa@neostrada.pl