Témata
Reklama

Moderní hydraulické pohony ve výuce i v praxi

Na katedře hydromechaniky a hydraulických zařízení fakulty strojní Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava byl od akademického roku 2013–2014 otevřen nový obor navazujícího magisterského studia s názvem Hydraulika a pneumatika.

Ve skutečnosti nejde o obor nový – letos to bude třicet let od zavedení specializace s názvem Technologie výroby a projekce hydraulických mechanismů, která se po třech letech změnila na obor Hydraulické a pneumatické stroje a zařízení. Pod tímto názvem obor přetrvává dodnes. Katedra je vybavena kvalitními laboratořemi: laboratoří mechaniky tekutin, laboratoří tekutinových mechanismů s hydraulickými praktikátory (obr. 1), laboratoří proporcionální techniky a servotechniky (obr. 2), laboratoří pneumatiky s praktikátory a počítači, laboratoří pro vědu a výzkum aj.

Reklama
Reklama
Reklama

Téma z praxe, z podniků a projekčních kanceláří

V tomto akademickém roce ukončí studium 19 studentů bakalářského studia a 22 studentů magisterského studia. Řada z nich si pro své závěrečné práce volí téma z praxe, z podniků a projekčních kanceláří, se kterými katedra spolupracuje. Zadavatelé jim nejen poskytují konzultace, nýbrž jim též umožňují praxi ve své firmě a v nejednom případě je pak ve firmě i zaměstnají.

Obr. 1 A Laboratoř tekutinových mechanismů s hydraulickými praktikátory

Zatím většina absolventů nachází zaměstnání v Ostravě a okolí, v případě studentů z moravských krajů pak ve svém regionu, a přes zájem podniků z českých krajů tam odchází jen minimum absolventů.

Vědecko-výzkumná činnost katedry se zaměřuje na tři oblasti: oblast proudění tekutin a metody numerického modelování proudění, oblast hydraulických pohonů a mechanismů a na oblast pneumatických pohonů a mechanismů.

V oblasti hydraulických pohonů a mechanismů se katedra zaměřuje zejména: na výzkum v oblasti dynamiky hydraulických, resp. elektro-hydraulicko-mechanických systémů; na problematiku energeticky úsporných hydraulických pohonů; na problematiku použití ekologicky šetrných a těžko zápalných pracovních kapalin v hydraulických obvodech; na výzkum v oblasti proudění plastických maziv a jiných nenewtonovských kapalin a na jejich aplikace u mazacích systémů.
V tomto pojednání se však nechci zabývat jen historií oboru, případně současným stavem oboru, ale též oborem jako takovým. Omezím se však pouze na hydrauliku, protože pneumatikou se zabývá samostatný příspěvek v této příloze.

Co je to vlastně hydraulika?

Tuto otázku musíme každoročně zodpovídat studentům 2. ročníku bakalářského studia, které chceme získat pro studium oboru. Každý student bakalářského studia má jakési povědomí o oborech, jako je konstrukce, technologie, energetika, robotika nebo informatika, ale téměř žádnou představu o tom, co je hydraulika a pneumatika. Ze střední školy zná maximálně Pascalův zákon a jeho nejznámější aplikaci – hydraulický lis. Pokud ho chceme získat pro obor, musíme mu dát mnohem více informací: co hydraulika umí, kde se používá, kde může absolvent po absolvování školy získat zaměstnání aj.

Odpovědi na mnohé tyto otázky zajímají nejen studenty, nýbrž i širokou odbornou veřejnost. Hydrauliku lze nalézt nejen u lisů, ale i u dalších strojů, v dopravě pozemní, lodní i letecké, při manipulaci s materiálem, v hutích, při těžbě a zpracování nejrůznějších surovin, ve stavebnictví, vojenství a dokonce i v divadlech a v pouťových atrakcích. Asi nejrozšířenější použití hydrauliky je u mobilních pracovních strojů.

V širším významu je to vše, co má spojitost s prouděním kapalin nebo s mechanismy, kde přenos energie mezi vstupem a výstupem zprostředkovává kapalina. V užším významu hydraulikou rozumíme mechanismus s hydraulickým pohonem nebo přímo hydraulický pohon. Hydraulický pohon je jeden z dlouhé řady známých i méně známých pohonů, jako jsou například elektrické pohony, pneumatické pohony, spalovací motory, reaktivní motory atd.

Rozlišujeme hydraulický pohon, který využívá k přenosu energie mezi vstupem a výstupem tlakovou energii pracovní kapaliny – takový pohon se nazývá hydrostatický, a hydraulický pohon, který využívá k přenosu kinetickou energii pracovní kapaliny – takový pohon se nazývá hydrodynamický. Tento příspěvek je zaměřen především na hydrostatické pohony a mechanismy.

Každý pohon se vyznačuje specifickými vlastnostmi, které určují jeho oblast použití. Toto pojednání si klade za cíl podat základní informace o vlastnostech, chování, parametrech, výhodách i nevýhodách a možnostech aplikace hydraulických pohonů.

Co nabízí moderní hydraulika?

Třebaže počátky hydrostatiky se dají nalézt již ve starověku, její základy položil Archimédes ve 3. století př. n. l., éra skutečně moderní hydrauliky nastává až začátkem 20. století v souvislosti s použitím minerálního oleje jako pracovní kapaliny.

Moderní hydrostatické pohony se vyznačují vlastnostmi, které nejlépe vyniknou při srovnání s jejich největšími konkurenty, tedy s pohony elektrickými a pohony pneumatickými.

Přednosti hydraulických pohonů

Za hlavní přednosti a výhody hydraulických (přesněji hydrostatických) pohonů ve srovnání s pohony elektrickými a pneumatickými se považují zejména následující. Přímočarý hydromotor, tzv. hydraulický válec, který vyvine přímočarý pohyb přímo, bez nutnosti převodu rotačního pohybu na přímočarý. Tato asi nejvýznamnější výhoda se uplatňuje u strojů a mechanismů, kde translační pohyb převládá. Příkladem jsou mechanismy na mobilních pracovních strojích: složitý kinematický pohyb lopaty rýpadla by se dal jinými pohony realizovat jen obtížně.

Obr. 2 C Laboratoř proporcionální techniky a servotechniky
Obr. 2 D Rotační servopohon

Přímočaré hydromotory se vyrábějí sériově (a tedy poměrně levně) běžně pro průměr pístu do cca 500 mm, zdvih do cca 14 m a pracovní tlak 32 MPa. Takovýto hydromotor vyvine sílu na pístnici až 6,2 MN. Na zakázku lze vyrobit téměř neomezeně velký přímočarý hydromotor.

Hydraulika je nejen záležitostí velkých sil, ale i vysokých momentů. Největší pomaluběžné vysokomomentové rotační hydromotory vyvinou točivý moment až 1 000 000 Nm, přičemž se vyznačují mnohem menšími rozměry než elektromotory stejného výkonu a točivého momentu. Uvádí se, že hydromotor je zhruba desetkrát menší (rozměry i hmotností) než běžný asynchronní elektromotor.

Pomaluběžný vícekřivkový hydromotor lze provozovat při plném zatížení v otáčkách blízkých nule, aniž by se objevilo drhnutí.

Obr. 2 B Lineární servopohon v laboratoři servopohonů. Na jeho návrhu se podíleli studenti.

Dynamika motoru souvisí s rozměry rotoru motoru a jeho hmotností. Setrvačný moment rotoru hydromotoru je řádově stokrát menší než setrvačný moment rotoru elektromotoru. Proto je běžný hydromotor až stokrát rychlejší než běžný elektromotor. Úhlové zrychlení ε dosahuje u axiálních pístových i radiálních pístových hydromotorů hodnot ε = dω/dt = 50 000 – 85 000 s-2.

Hydraulický pohon lze přetížit až do zastavení, ale jen krátce. Poté hrozí přehřátí pracovní kapaliny.

A v neposlední řadě se řízení hydraulických pohonů provádí dvěma zcela odlišnými způsoby, nazýváme je stručně ventilové řízení a objemové řízení. Zjednodušené schéma řízení hydraulického pohonu je uvedeno na obr. 3.

Obr. 5. Zjednodušené schéma řízení hydraulického pohonuEM – elektromotor, HG – hydrogenerátor, AČ – akční členy řízení, HM – hydromotor, PM – pracovní mechanismus, E1 – elektrická energie, E2 – mechanická energie, E3 – tlaková energie pracovní kapaliny

Podle schématu na obr. 5 lze řídit rychlost hydromotoru: změnou geometrického objemu hydrogenerátoru VG; změnou geometrického objemu hydromotoru VM a změnou průtoku do hydromotoru, realizovanou průtočnými řídicími prvky (škrticími ventily, proporcionálními rozváděči, proporcionálními regulačními ventily, servoventily); řídicí veličina je zde charakterizována parametrem φ, kde φ = Q/Qmax. Hodnota φ se pohybuje v rozsahu φ = (0 … 1).

První dva způsoby označujeme stručně jako objemové řízení, třetí způsob pak jako ventilové řízení. Oba způsoby se velmi podstatně liší.

Charakteristika ventilového řízení:

- Je přesné, rychlé, citlivé. Při použití zpětné vazby lze řídit dojezd hydromotoru na polohu s přesností až ±1 µm. Co se týká rychlosti řízení, velmi rychlé ventily, tzv. servoventily, mají vlastní frekvenci až f0 = 400–500 Hz, levné tzv. průmyslové servoventily pak 20–30 Hz. Běžné proporcionální rozváděče jsou schopné řídit s frekvencí 3–5 Hz.
- Energetická účinnost ventilově řízeného pohonu je nízká. Při optimálním nastavení je účinnost pohonu rovna asi ηc = 0,5–0,6. Skutečnost bývá často mnohem horší.
- Pohon je „měkký“, tedy poddajný; vlivem změn zatěžující síly nebo momentu pak značně kolísají otáčky nebo rychlost pohonu.

Charakteristika objemového řízení

- Vyznačuje se mnohem vyšší účinností, je tedy energeticky úsporné. Celková účinnost pohonu se pohybuje v závislosti na použitých prvcích v rozsahu ηc = 0,7–0,83.
- Řízení geometrického objemu je pomalejší, doba přestavení geometrického objemu z nuly na maximum činí tR = 50–250 ms a odpovídá přibližně době přestavení běžného proporcionálního rozváděče. Polohové řízení je možné, nedosahuje však přesnosti běžné u ventilového řízení.
- Poddajnost pohonu je nízká, otáčky při zatížení se sníží u kvalitního pohonu (axiální pístový hydrogenerátor i hydromotor) jen asi o 3–5 %.

Nevýhody hydraulických pohonů

Stručně lze vyjmenovat několik hlavních nevýhod vůči pohonům elektrickým a pneumatickým. Je nutná péče o pracovní kapalinu, to znamená permanentní filtraci pracovní kapaliny, hlídání teploty pracovní kapaliny, nutnost výměny pracovní kapaliny aj. Je obtížnější diagnostika poruch než u pohonů elektrických a pneumatických. Poměrně snadno se v obvodu sleduje tlak, mnohem hůře průtok. Nalezení poruchy je často obtížné, velkou roli hraje zkušenost opravářů. Výchova odborníků na hydrauliku není systémová, a to nejen pracovníků v provozu a údržbě, ale i na úrovni středoškolského studia, jak již bylo zmíněno na začátku tohoto příspěvku.

Problematikou výchovy odborníků v oboru hydrauliky jsme začali a problémy s výchovou odborníků jsme skončili. Je to tedy uzavřený kruh, který se snad nejlépe daří řešit až na úrovni vysokých škol. Fakulta strojní VŠB navazuje kontakty se středními školami, nabízí školení pro pedagogy na středních školách s cílem prezentace hydrauliky mezi středoškolskými studenty. Nabízí i školení pro pracovníky v provozech a údržbě, pro konstruktéry a projektanty. Snad bude mít tato snaha odpovídající odezvu.

doc. Ing. Bohuslav Pavlok, CSc.

VŠB-TU Ostrava, katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení

doc. Ing. Bohuslav Pavlok, CSc.

bohuslav.pavlok@vsb.cz

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 140713
Datum: 25. 06. 2014
Rubrika: Monotematická příloha / Fluidní technika
Autor:
Firmy
Související články
25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Tlumené zastavení přímočarých hydromotorů

Hydraulické pohony s přímočarými hydromotory ovládají v mnoha aplikacích poměrně velké setrvačné hmoty. Pokud dojde k přerušení nebo změně směru průtoku pomocí standardního rozváděče, dochází často k nežádoucímu zakmitání hmot, které je způsobené vůlemi v mechanizmu a stlačitelností kapaliny. Proto se využívá několika konstrukčních řešení, která zajišťují plynulé zastavení pohybu.

Související články
Hydropneumatické odpružení

Hydropneumatické odpružení je rychlejším a cenově příznivějším řešením díky stavebnicovým/modulárním regulačním systémům. Hydropneumatické systémy odpružení nápravy vozidla nebo kabiny vozidla zvyšují komfort a výkonnost vozidel.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Hydraulika & pneumatika

Hydraulika je technická disciplína zaměřená na využití mechanických vlastností tekutin nejen pro technické účely. Pneumatika je technický obor zabývající se přeměnou stlačeného vzduchu na mechanický pohyb.

Hydraulika a pneumatika. Quo vadis?

Vážení čtenáři, opět po roce se vám dostává do rukou letní vydání magazínu MM Průmyslové spektrum věnované hydraulice a pneumatice. Ve své úvaze se pokusím najít odpověď na úvodní otázku, tedy kam tyto tradiční obory směřují.

Proporcionální technika

Česká asociace pro hydrauliku a pneumatiku, sekce České strojnické společnosti, pořádá odborný seminář na téma Proporcionální technika. Půjde o proporcionální techniku v oboru hydrauliky. Představeny budou proporcionální ventily a servoventily pro řízení tlaku a průtoku pracovní kapaliny v hydraulických obvodech, včetně ukázek jejich aplikace v hydraulických mechanismech.

Nové hodnocení výzkumných organizací

Poslední rok je jedním z ústředních témat výzkumné komunity konec platnosti metodiky hodnocení výzkumných organizací z roku 2013 a příprava nové metodiky hodnocení tzv. M2017+. Je pravda, že metodika 2013 přinesla výraznou devalvaci aplikovaného výzkumu, hlavně pokud jde o tvorbu aplikovaných výsledků.

Výzkumné a vývojové technologie v Řeži jsou příležitostí pro český výzkum a prům

Centrum výzkumu Řež s.r.o. (CVŘ) je výzkumná organizace, která navazuje na tradici jaderného výzkumu v řežském údolí a rozšiřuje jej do oblastí nových technologií ve sféře základního i aplikovaného, tzv. předkomerčního výzkumu. Je provozovatelem dvou výzkumných reaktorů a celé řady technologií pro výzkum a vývoj v jaderné oblasti.

Transfer znalostí do praxe podnikajícími akademiky v České republice

Stejnojmenná studie přináší první kvantitativní vhled do rozsahu a forem transferu znalostí skrze podnikatelské aktivity akademiků v České republice. Ukazuje, že čeští akademici se podnikatelským příležitostem rozhodně nevyhýbají. Zjištění kontrastují s rozšířeným povědomím o slabém podnikatelském duchu v akademické sféře formovaném statistikami o nízkém objemu prostředků vydávaných podnikatelskými subjekty na smluvní výzkum a nákup licencí od výzkumných organizací. Na základě těchto výsledků diskutujeme doporučení pro veřejnou politiku.

Vždy se snažíme konkurenci předběhnout

Špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s důrazem na mezinárodní spolupráci je hlavním cílem Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), vědecko-výzkumného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

Našimi „nerostnými surovinami“ musejí být mozky a know-how

K aktuálním problémům v oblasti výzkumu, experimentálního vývoje a inovací, efektivity jejího financování a implementace výsledků do praxe se v rozhovoru vyjadřují místopředseda vlády pro vědu, výzkum a inovace a předseda Rady pro výzkum, vývoj a inovace a Rady pro konkurenceschopnost a hospodářský růst MVDr. Pavel Bělobrádek, Ph.D., MPA, a předseda Technologické agentury ČR (TA ČR) Ing. Petr Očko, Ph.D.

Veletrh Věda Výzkum Inovace Nové místo pro propojení vědecko-výzkumné a aplikační sféry

Ve dnech 28. února až 2. března letošního roku se na brněnském výstavišti uskuteční 2. ročník Veletrhu Věda Výzkum Inovace. O zkušenosti s pořádáním tohoto veletrhu a o jeho smyslu pro odbornou a širokou veřejnost se s námi v rozhovoru podělil jeho manažer Ing. Martin Janča, Ph.D.

Podpora výzkumu, vývoje, inovací a podnikání pod jednou střechou

Technologické centrum Akademie věd ČR (TC) je organizací s již více než 20letou tradicí, která podporuje rozvoj inovačních firem a mezinárodní transfer technologií, zapojení českých výzkumných organizací do Evropského výzkumného prostoru a také disponuje specialisty pro strategické analýzy a studie v oblasti výzkumu, vývoje a inovací. Za dobu své existence pomohlo TC řadě firem s hledáním zahraničních obchodních partnerů, se vstupem na mezinárodní trhy a výzkumným organizacím se zapojením do mezinárodních výzkumných projektů. Jestliže jste návštěvníky Veletrhu Věda Výzkum Inovace, věříme, že následující řádky vám přinesou inspirativní čtení a třeba i motivaci nás na našem stánku oslovit, či alespoň sledovat naše aktivity.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit