Introductieles voor cursus Hydrauliek - hoofdstuk 1
Hoofdstuk 1
In de werktuigbouwkunde is hydrauliek een aandrijf-, besturings- en regeltechniek. Deze techniek wordt veel gebruikt voor de aandrijving van (mobiele) machines.
Figuur 1. Toepassingen van hydrauliek
In de aandrijftechniek kennen we twee bewegingen:
- Lineair of rechtlijnig
- Roterend of draaiend
Lineaire bewegingen worden vaak met cilinders gedaan, roterend met hydromotoren. Om deze bewegingen te realiseren maken we gebruik van een vloeistof (meestal hydraulische olie) die door een pomp in beweging wordt gebracht. Door de weerstand die de oliestroom ondervindt, wordt druk opgebouwd.
Hydraulische installaties kom je in heel veel werkgebieden tegen. Als monteur of technicus in nieuwbouw en/of bij onderhoud en reparatie, heb je belangrijk werk. Daarvoor heb je inzicht nodig in de opbouw en werking van hydraulische componenten en systemen. In systemen is het belangrijk dat je de samenhang van componenten goed begrijpt. Alleen dan kun je veilig onderhoud plegen en storing zoeken en eventueel systemen aanpassen, verbeteren en ontwerpen.
In dit hoofdstuk komen de volgende onderwerpen aan bod:
- Wat is hydrauliek?
- Toepassingen van hydrauliek
Inleiding
In een hydraulische installatie brengt een vloeistof een energie over. Dat gebeurt door de vloeistofstroom (flow) naar een cilinder of motor te pompen. Zodra de vloeistofstroom een weerstand ondervindt, wordt er druk opgebouwd. Die weerstand is bijvoorbeeld de last (kracht) op een cilinder die wordt aangedreven. Bij een roterende aandrijving is dat het koppel dat nodig is om de roterende last aan te drijven.
Hydraulische aandrijving bij een sluis:
Figuur 2. Hydraulische sluisdeur
In de onderstaande animatie zie je hoe dit werkt bij een hydraulisch bediende sluisdeur. De elektromotor drijft de hydropomp aan. De hydropomp pompt olie vanuit het reservoir naar de stuurklep. Als je de stuurklep in de stand: ‘sluisdeur openen’ zet, stroomt er olie naar de bodemzijde van de cilinder. De weerstand die de cilinder ondervindt, bepaalt de druk in het systeem. Met andere woorden: de druk wordt bepaald door de kracht die het kost om de sluisdeur te openen. De olie oefent een kracht uit op de zuiger van de cilinder. De cilinder beweegt uit en sluit de sluisdeur.
Klik hier voor de video:
Figuur 3. Animatie van een Hydraulische installatie van een sluis
Als je de stuurklep in de middenstand zet, kan er geen olie naar de cilinder stromen. De sluisdeur kan nu niet bewegen. Hij wordt door de cilinder ‘onder controle gehouden’/vastgezet. Als je de stuurklep in de stand ‘sluisdeur sluiten’ zet, stroomt er olie naar de stangzijde van de cilinder. De olie oefent een kracht uit aan de andere kant van de zuiger. De cilinder beweegt in en opent de sluisdeur. Hoe meer kracht dat kost, hoe hoger de druk wordt.
Energie omzetten en overbrengen
In een hydraulische installatie zet de hydropomp mechanisch energie om in hydraulische energie. De vloeistof transporteert deze hydraulische energie naar een hydromotor of een hydraulische cilinder. De hydromotor of de cilinder zet de hydraulische energie weer om in mechanische energie en brengt daarmee een last in beweging.
Figuur 4. Energieomzettingen in een hydraulische installatie
In de tabel in figuur 5 zie je wat er bedoeld wordt met lage en hoge oliedruk in hydraulische installaties.
Figuur 5. Oliedruk in hydraulische installaties
Het symbool van druk is p (Engels: ‘pressure’). De SI-eenheid van druk is pascal (Pa). Op manometers van installaties lees je de druk meestal af in bar. Hiervoor geldt: 1 bar = 100.000 Pa. In deze lesstof gebruiken we verder de eenheid bar.
Druk en kracht
Een druk die wordt uitgeoefend op een vloeistof die zich in een geheel gevuld en gesloten vat bevindt, plant zich in alle richtingen voort. Dit is de wet van Pascal. In hydraulische installaties wordt dit principe gebruikt om krachten over te brengen.
Figuur 6. Principe wet van Pascal
Figuur 7. Een eenvoudig hydraulisch systeem
Volumestroom
De volumestroom wordt bepaald door het slagvolume van de pomp en het toerental waarmee de pomp wordt aangedreven. Het slagvolume is de hoeveelheid olie die per omwenteling uit de pomp komt en wordt in de praktijk uitgedrukt in cm3/omw.
Volumestroom en snelheid
De snelheid waarmee een hydraulische cilinder of een hydromotor beweegt hangt af van:
- Het zuigeroppervlak van de cilinder of het slagvolume van de hydromotor
- De hoeveelheid olie die per tijdseenheid naar de cilinder of de hydromotor stroomt, de volumestroom of flow
De hoeveelheid olie per tijdseenheid noem je de volumestroom (qv). De SI-eenheid voor volumestroom is m3/s. In de praktijk wordt de volumestroom aangegeven in liter per minuut (l/min). De volumestroom wordt in de praktijk vaak aangeduid met de hoofdletter Q. Daarom wordt in deze map ook verder gewerkt met Q.
De pomp levert deze volumestroom aan de installatie. Daarvoor geldt: hoe groter de volumestroom is die de pomp levert, hoe sneller de cilinder of de hydromotor zal bewegen.
In figuur 8 zie je twee cilinders met een cilinderinhoud van 10 liter. Pomp 1 levert een volumestroom Q = 10 l/min. In theorie duurt het in bewegen van cilinder 1 dan precies 1 minuut. Pomp 2 levert een volumestroom Q = 20 l/min. Daarmee duurt het in bewegen van cilinder 2 30 seconde.
Figuur 8. Snelheid cilinders bij verschillende pompopbrengst
WLC
In figuur 9 is de installatie in rust getekend. De volumestroom van de pomp stroomt nu via de stuurklep rechtstreeks terug naar het reservoir. Op de manometer op de pompuitgang lees je bijna niets af. De weerstand, ofwel de druk, is minimaal en wordt bepaald door de weerstand van de leidingen en componenten waar de olie doorheen stroomt. Je noemt dat de Weerstand van Leidingen en Componenten, afgekort WLC. Dat is ook het antwoord dat je in dit soort situaties moet geven.
Figuur 9. De weerstand die de olie in deze situatie ondervindt noem je WLC: Weerstand Leidingen en Componenten
Combinatie van technieken
Hydrauliek wordt vaak gecombineerd met andere (aandrijf)technieken, zowel mechanisch als elektrotechnisch. Hierbij heeft elke techniek specifieke kenmerken en voor- en nadelen.
Voordelen van hydrauliek:
- Hydraulische componenten zijn relatief klein en ze kunnen grote krachten overbrengen (grote krachtdichtheid)
- Je kunt hydraulische cilinders en hydromotoren, in combinatie met een besturing, zeer nauwkeurig positioneren
- De snelheden zijn traploos regelbaar
- Hydraulische componenten zijn betrouwbaar, hebben een lange levensduur en hebben weinig onderhoud nodig
- Hydraulische componenten zijn gestandaardiseerd, waardoor je ze eenvoudig kunt vervangen
- Hydrauliek is zeer flexibel in het overbrengen van vermogen over een grote afstand
Nadelen van hydrauliek:
- Er kunnen lekkages ontstaan
- Een hydraulische installatie is gevoelig voor vuil
Door goed te ontwerpen, schoon te werken en te onderhouden kun je deze nadelen minimaliseren.