Olej hydrauliczny jako optymalne medium robocze do zasilania przyrządów obróbkowych

Aby procesy produkcyjne były efektywne, wymagana jest ich optymalizacja w aspekcie szybkości i powtarzalności mocowania, odpowiednich sił mocujących, bezpieczeństwa i ergonomii dla operatora, niezawodności i bezpieczeństwa dla maszyny oraz odpowiedniej żywotności. W przypadku obróbki seryjnej zasadność inwestycji w przyrządy obróbkowe jest niepodważalna. Pozwalają one bowiem na powtarzalne i bezpieczne mocowanie detali w możliwie najkrótszym czasie. 
Zarówno olej hydrauliczny, jak i sprężone powietrze stanowią media robocze, które pozwalają na zasilanie komponentów wykonawczych i charakteryzują się takimi zaletami, jak [2] [3] [4] [5]:

• przeciążalność, tzn. zdolność do obciążenia aż do zatrzymania,
• możliwość bezstopniowej regulacji prędkości i siły poprzez zmianę ciśnienia,
• możliwość ciągłego monitorowania parametrów,
• możliwość automatyzacji,
• montaż za pomocą znormalizowanych elementów,
• duża trwałość pod warunkiem odpowiedniej eksploatacji.
   

Na początkowym etapie projektowania przyrządu obróbkowego trzeba odpowiedzieć na zasadnicze pytanie: jakim medium i w jaki sposób zasilać komponenty mocujące? 

Powietrze

W zdecydowanej większości zakładów produkcyjnych sprężone powietrze jest ogólnodostępne – wymagają tego maszyny obróbkowe, procesy i inne urządzenia pomocnicze. Panuje zatem powszechne przekonanie, że sprężone powietrze może być odpowiednim czynnikiem roboczym, zasilającym komponenty mocujące. Faktycznie, sprężone powietrze charakteryzuje się szeregiem niepodważalnych zalet, takich jak np. [1]:

• dostępność powietrza jako czynnika roboczego,
• łatwy transport i magazynowanie,
• brak znaczącego wpływu temperatury na czynnik roboczy,
• łatwa obsługa,
• bezpieczeństwo i większa czystość. 
   

Jednakże należy mieć świadomość wad sprężonego powietrza jako czynnika roboczego, do których zaliczyć można m.in. [1][2][3] [6]:

• konieczność odpowiedniego przygotowania powietrza, w tym odpowiednie naolejenie,
• olbrzymią ściśliwość, nawet 2000 razy większą od oleju hydraulicznego,
• niskie wartości uzyskiwanych sił,
• duży hałas,
• wysokie koszty energii,
• bardzo duże straty w przypadku nieszczelności układów oraz trudności w lokalizacji nieszczelności,
• wysoką elastyczność kinematyczną układu poprzez ściśliwość powietrza,
• brak możliwości kumulowania powietrza w celu uzupełnienia jego ubytków – konieczność nieprzerwanego podpięcia do instalacji sprężonego powietrza w celu utrzymania właściwego ciśnienia. 
   

Czystość powietrza jako czynnika roboczego jest ważną cechą, która jest niezwykle istotna w niektórych dziedzinach przemysłu (np. przemysł farmaceutyczny i medyczny, przemysł drzewny i papierniczy, praca w clean roomach) i to w tych przypadkach możliwości wyboru medium roboczego ograniczają się do powietrza lub – alternatywnie – do rozwiązań elektromechanicznych. W pozostałych dziedzinach przemysłu jako medium robocze stosowany może być olej hydrauliczny. 

Oleje

Oleje hydrauliczne i układy hydrauliczne, w przeciwieństwie do sprężonego powietrza, nie powielają ich wad. Głównymi zaletami układów hydraulicznych są:

• brak ściśliwości medium roboczego, a co za tym idzie – brak zwłoki w reakcji elementów wykonawczych,
• dobre tłumienie drgań,
• możliwość uzyskania płynnego ruchu,
• znacznie większe siły generowane przez komponenty wykonawcze,
• brak ryzyka korozji komponentów,
• możliwość kumulowania oleju pod ciśnieniem w akumulatorach ciśnienia i wykorzystanie go do uzupełnienia ubytków – możliwa praca bez podpiętego źródła zasilania,
• niższy hałas,
• łatwa lokalizacja wycieków,
• dobre smarowanie komponentów.

Stosując olej hydrauliczny jako medium robocze, należy również mieć na uwadze jego ograniczenia [2] [4]:

• zależność od temperatury – zmiana temperatury wpływa na lepkość kinematyczną oleju, przez co zmieniają się jego właściwości,
• ze względu na wysokie ciśnienia robocze większe niebezpieczeństwo w przypadku wycieku,
• wycieki mogą prowadzić do zabrudzeń,
• wrażliwość na zapowietrzenie.
   

Bardzo ważnym czynnikiem, który należy uwzględnić przy wyborze medium roboczego, są koszty uzyskania ciśnienia, a tym samym siły, w elemencie wykonawczym.

Zasilacze hydrauliczne

Zasilacze hydrauliczne przeznaczone do przyrządów obróbkowych mogą pracować w trojaki sposób:

• podpięte na stałe, w trybie wyłączenia (Rysunek 2),
   

  

  
   
• podpięte na stałe, w trybie przelewu (Rysunek 3),
   

  

  
   
• w systemie rozłącznym (Rysunek 4).
   

  

Kompresory pneumatyczne pracują zazwyczaj w trybie wyłączenia, co oznacza, że po uzyskaniu odpowiedniego ciśnienia w zbiorniku silnik zostaje wyłączony.

Praca w trybie wyłączenia oznacza automatyczne wyłączenie silnika po uzyskaniu ciśnienia roboczego. Wyłącznik decydujący o momencie wyłączenia i ponownego włączenia silnika pracuje zazwyczaj w 10–15% pętli histerezy. Oznacza to generowanie ciśnienia w zakresie Pnom +/- 10–15%.

Praca w trybie przelewu oznacza stałe włączenie silnika pompy; ciśnienie generowane jest jednak tylko w przypadku inicjacji ruchu lub konieczności uzupełnienia jego spadków i sterowane jest za pomocą rozdzielacza, który kieruje olej do układu lub do zbiornika. Praca w trybie przelewu stosowana jest w przypadku silników >3 kW i w przypadku bardzo dużych przepływów oraz w przypadku bardzo częstych ruchów siłowników. W momencie pracy bez generowania ciśnienia olej cyrkuluje swobodnie pomiędzy pompą i zbiornikiem, a silnik pracuje jedynie na kilku procentach swojej mocy.

Praca w trybie rozłącznym polega na dostarczaniu oleju tylko w momencie przezbrojenia przyrządu. W pozostałym czasie zasilacz jest całkowicie odłączony od przyrządu obróbkowego, a za uzupełnienie ewentualnych ubytków ciśnienia lub kompensację wzrostu ciśnienia odpowiedzialny jest akumulator hydrauliczny.

Głównymi różnicami pomiędzy zasilaczami hydraulicznymi a kompresorami pneumatycznymi są moce silników, wydatki natężenia przepływu i osiągane ciśnienia.
W przypadku zasilaczy hydraulicznych najczęstsze ciśnienie robocze to 250 barów, natężenia przepływu na poziomie 3,5 l/min i silniki zasilające rzędu 1,5 kW. W takim przypadku zasilacze pracują najczęściej w trybie wyłączenia, w którym pętla histerezy [7]
decyduje o konieczności włączenia silnika pompy i uzupełnienia ciśnienia. W przypadku szczelnych układów włączenie silnika pompy może następować raz na kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt minut, co przekłada się na niższe zużycie energii.

Kompresory pneumatyczne

Kompresory pneumatyczne generują zazwyczaj 10 barów, pozwalają uzyskać od 186 l/min natężenia przepływu i wyposażane są w silniki >1,5 kW [6].
W praktyce nie stosuje się jednak małych kompresorów przeznaczonych tylko do przyrządu obróbkowego, a wykorzystuje się instalacje istniejące w zakładzie, które zasilane są kompresorami o mocach rzędu 15 kW i więcej. W przypadku układów pneumatycznych dodatkowym niekorzystnym aspektem są znaczne straty ciśnienia, wynikające z dużych prędkości przepływu. Przy przewodzie o średnicy nominalnej Ø4 mm i długości 1000 mm oraz ciśnieniu zasilania 7 barów (przepływ 240 l/min) straty ciśnienia wynoszą aż 8%; dla układu hydraulicznego przy przepływie 2,5 l/min i ciśnieniu 250 barów straty ciśnienia wynoszą w zasadzie 0%. 
Równie istotnym czynnikiem są gabaryty elementów wykonawczych (siłowników). Zgodnie z prawem Pascala generowana siła jest iloczynem ciśnienia i pola powierzchni, na którą to ciśnienia działa:

F = p • S [N]

Gdzie: F – siła [N], p – ciśnienie [MPa], S – pole powierzchni [mm2]

Zatem, przy ciśnieniu zasilania 250 barów (25 MPa) dla hydrauliki i 7 barów (0,7 MPa) dla pneumatyki siłowniki, aby wygenerować siłę 4,5 kN, muszą mieć pole powierzchni tłoka równą:

• ok. Ø16 mm dla siłownika hydraulicznego,
• ok. Ø92 mm dla siłownika pneumatycznego.
   

Tak duża różnica w polach powierzchni przekłada się na gabaryty komponentów oraz na zapotrzebowanie na medium robocze. Na rysunku 5 pokazano porównanie gabarytów cylindrów o ww. średnicach i skoku 50 mm.
Ważnym aspektem jest charakter narastania ciśnienia – w przypadku układów hydraulicznych ciśnienie narasta w sposób ciągły i jest związane z wysoką sztywnością kinematyczną medium roboczego [6]. W przypadku układu pneumatycznego ciśnienie przyrasta nieliniowo: w pierwszym etapie kompensowana jest ściśliwość medium, a dopiero w późniejszym etapie narasta ciśnienie. Przekłada się to na problemy z regulacją i większą bezwładność komponentów, co w przypadku przyrządów obróbkowych może doprowadzić do chwilowego odmocowania detalu lub mocowania ze zbyt małą siłą, a to z kolei niesie ze sobą ryzyko wypadku lub awarii.
Podsumowując: zarówno układy pneumatyczne, jak i hydrauliczne charakteryzują się i dużą ilością zalet, i ograniczeń. Jednak ze względu na małą ściśliwość i sztywność kinematyczną oleju, możliwość kumulowania w akumulatorach ciśnienia, stabilność i powtarzalność olej hydrauliczny jest właściwym wyborem w znakomitej większości przyrządów obróbkowych do zastosowań przemysłowych oraz w systemach zautomatyzowanych, zapewniając stabilność i ciągłość produkcji.

Bibliografia

1. Sawicki J., Hydraulika i Pneumatyka. Część 1. Mechanika cieczy i gazów z elementami mechaniki płynów biologicznych, Bydgoszcz: Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, 2014. 
2. Węsierski Ł.N., Pneumatyka. Elementy i układy, Rzeszów: Uniwersytet Rzeszowski, 2015. 
3. Lipski J., Zwolak E., Balas W., Hydrauliczne urządzenia środków transportu, Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1980. 
4. Orzechowski Z., Prywer J., Zarzycki R., Mechanika płynów z inżynierii środowiska, Warszawa: WNT, 1997. 
5. Król S., Niekontrolowane powietrze kosztuje krocie. Jak nie tracić na sprężonym powietrzu? „Pod Kontrolą”, lipiec 2012. 
6. Szydelski Z., Olechowicz J., Elementy napędu i sterowania hydraulicznego i pneumatycznego, Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1986. 
7. Atlas Copco, [na:]  https://www.atlascopco.com/content/dam/atlas-copco/local-countries/poland/documents/2935084649.pdf. [dostęp: 26 kwietnia 2024].
8. Roemheld.