465;(., ,5 65+,9/6<+ ((5+901- ,5 ),:;<905.:;,*/50,2 Kernboek 2a
Herzien door: A. Drost W.H.J. van Nistelrooij R.F.A. Sars Redactie: R.F.A. Sars
Montage en onderhoud Aandrijf- en besturingstechniek K er nbo e k 2a
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
Herzien door A. Drost W.H.J. van Nistelrooij R.F.A. Sars Redactie R.F.A. Sars Oorspronkelijke auteurs A. Drost W.H.J. van Nistelrooij J. Ouwehand R.F.A. Sars Vormgeving binnenwerk en omslagontwerp TwinMedia bv, Culemborg Zetwerk PrePressMediaPartners, Wolvega Tekeningen CADDesign, Utrecht F. Hessels, Almere-Stad ThiemeMeulenhoff ontwikkelt leermiddelen voor Primair Onderwijs, Algemeen Voortgezet Onderwijs, Beroepsonderwijs en Volwasseneneducatie en Hoger Beroepsonderwijs Meer informatie over ThiemeMeulenhoff en een overzicht van onze leermiddelen: www.thiememeulenhoff.nl of via onze klantenservice (088) 800 20 16 ISBN 978 90 06 90146 7 Vierde druk, eerste oplage, 2011 Š ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2011 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieÍn, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieÍn uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16 Auteurswet j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl., dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieÍn in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden. Deze uitgave is voorzien van het FSC-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw voor het gebruikte papier op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
V
Woord vooraf Sinds eind jaren negentig is de serie Transfer de methode voor techniekopleidingen in het middelbaar beroepsonderwijs, zoals elektrotechniek, werktuigbouwkunde en mechatronica. De ontwikkelingen in de techniek en het onderwijs staan niet stil. Op basis van gebruikersonderzoek bleek dat docenten tevreden zijn over de inhoud van de boeken, maar dat de boeken aan actualisering toe waren door veranderingen in de techniek en het onderwijs. Belangrijk vond men wel dat de structuur van de boeken als zodanig behouden bleef. Daarom is dit boek in samenspraak met bedrijven herzien. Daarbij is door de auteurs een zorgvuldige afweging gemaakt tussen basiskennis, verdiepende kennis en actualiteit. Er is extra aandacht besteed aan de toegankelijkheid van de boeken voor de deelnemers. Elk hoofdstuk start met een aansprekend praktijkvoorbeeld. Het geeft antwoord op de vraag van de deelnemer: “Waarom moet ik dit eigenlijk weten?� De leesbaarheid van de boeken is voor de deelnemers aanzienlijk verbeterd. Daarnaast wordt nu elk kernboekhoofdstuk afgesloten met de belangrijkste kernpunten. De serie Transfer is ontwikkeld voor zelfstandig leren en werken. Aan de hand van de werkboeken worden de deelnemers door de leerstof in het kernboek geleid. De kernboeken bevatten voldoende theorie, waardoor u onafhankelijk van uw didactiek, onderwijssysteem of regio altijd de juiste theoretische borging van uw onderwijs heeft. Wij hopen dat u met plezier zult werken met onze herziene boeken uit de serie Transfer. Indien u vragen of suggesties heeft dan waarderen wij het bijzonder wanneer u contact met ons opneemt.
De uitgever
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
VII
Inhoudsopgave 1
Basi ssc h ak el i n gen hyd r auliek
1.1 1.2
1.6
Inleiding Stuurschuiven 1.2.1 Inleiding 1.2.2 Schakeloverlap stuurschuiven 1.2.3 Middenstand stuurschuiven Drukregelkleppen 1.3.1 Inleiding 1.3.2 Indirect gestuurde veiligheidskleppen 1.3.3 Volgordekleppen en -ventielen 1.3.4 Reduceerventielen Lastonafhankelijke volumestroomregelingen 1.4.1 Tweeweg stroomregelkleppen 1.4.2 Drieweg stroomregelkleppen Regelingen voor negatieve belasting 1.5.1 Stilstaan onder belasting 1.5.2 Bewegen onder negatieve belasting Kernpunten
2 2 2 4 5 9 9 9 11 13 14 15 16 17 17 19 22
2
H y drau l i sc h e sy stemen
27
2.1 2.2
Inleiding Accu’s en accuschakelingen 2.2.1 Hydraulische accu’s 2.2.2 Veiligheidsvoorzieningen 2.2.3 Accuschakelingen Gesloten systemen 2.3.1 Bescherming tegen te hoge drukken 2.3.2 Regeling slagvolume 2.3.3 Aanpassing draairichting
28 28 28 29 31 32 33 34 36
1.3
1.4
1.5
2.3
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
VIII
2.4
E N
O N D E R H O U D
2 A
2.6
Schakelen van hydraulische uitvoerorganen 2.4.1 Differentiaalschakelingen 2.4.2 IJlgangschakelingen 2.4.3 Tandemschakelingen Gelijkloop van hydraulische uitvoerorganen 2.5.1 Inleiding 2.5.2 Gelijkloop bij serieschakelingen 2.5.3 Gelijkloop bij parallelschakelingen Kernpunten
38 38 40 42 46 46 47 49 53
3
Stromi n g en leid ing en
57
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
3.8
Inleiding Laminaire en turbulente stroming De leidingkarakteristiek Het getal van Reynolds De continuĂŻteitsregel, leidingtabellen en grafieken Berekening leidingweerstand en drukverlies 3.6.1 WeerstandscoĂŤfficiĂŤnt van rechte leidingen 3.6.2 WeerstandscoĂŤfficiĂŤnt van bochten en afsluiters Filters in leidingen 3.7.1 Zuigfilters 3.7.2. Retourfilters 3.7.3 Magnetische separators 3.7.4 Elektrostatisch filteren Kernpunten
58 58 59 64 67 72 73 76 79 80 82 83 83 83
4
Verdri n ger p o mp en
85
4.1 4.2
Inleiding Verdringerpompen 4.2.1 Enkelwerkende plunjerpomp 4.2.2 Windketels 4.2.3 Dubbelwerkende plunjerpomp 4.2.4 Differentiaalpomp 4.2.5 Membraanpomp Roterende verdringerpompen 4.3.1 Tandwielpomp 4.3.2 Schottenpomp
86 86 87 88 90 90 91 92 92 94
2.5
3.7
4.3
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
M O N T A G E
INHOUDSOPGAVE
IX
4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
4.3.3 Wormpomp 4.3.4 Enkelwormpomp of monopomp 4.3.5 Lobbenpomp 4.3.6 Slangenpomp Opbrengsten en opvoerhoogten van verdringerpompen 4.4.1 Opbrengsten van verdringerpompen 4.4.2 Opvoerhoogten 4.4.3 Vloeistof en damp 4.4.4 Opbrengstgrafieken 4.4.5 Voorbeelden 4.4.6 De pershoogte 4.4.7 Manometrische opvoerhoogte Vermogen en rendementen p-V-diagrammen van verdringerpompen Invloed van een luchtzak op een verdringerpomp Uitvoeringen van verdringerpompen Kernpunten
96 97 97 99 100 100 101 102 107 108 111 111 113 114 116 119 124
5
C en tri f u gaal pom pen
129
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
Inleiding Constructie en werking van centrifugaalpompen Absolute en relatieve snelheden Bewegingen van een vloeistof in een waaier Opvoerhoogten van een centrifugaalpomp Het pompvermogen van een centrifugaalpomp De opbrengstgrafiek van de centrifugaalpomp Schakelen van centrifugaalpompen 5.8.1 Serie schakelen 5.8.2 Parallel schakelen Waaiers Cavitatie De netto zuigoverdruk NPSH Pompkarakteristieken Invloed van de waaiermiddellijn centrifugaalpompen Leidingkarakteristiek, pompkarakteristiek en werkpunt Opbrengstregelingen Uitvoeringen centrifugaalpompen In bedrijf stellen en onderhoud van pompen Kernpunten
130 131 132 133 135 136 137 138 138 139 140 144 145 150 153 155 159 161 168 170
4.4
5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
X
E N
O N D E R H O U D
2 A
6
Programmeer bar e bes t ur ing
175
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9
Inleiding Digitale besturingssystemen Digitale invoereenheid Digitale geheugensystemen Central Processing Unit (CPU) Digitale uitvoereenheid Programmeereenheid PLC-uitvoeringsvormen Kernpunten
176 177 179 180 181 183 184 185 188
7
Basi sb egr ip p en p r o g r ammeer t alen
189
7.1 7.2
7.6
Inleiding Instructies 7.2.1 Algemene werking 7.2.2 IL-basiselementen Statements Function Block Diagram 7.4.1 Algemene werking 7.4.2 FBD-functieblokken Ladderdiagrammen 7.5.1 Algemene werking 7.5.2 LD-basiselementen 7.5.3 LD-programmering met functieblokken Kernpunten
190 190 190 191 193 194 194 195 199 199 199 201 203
8
Sen soren
205
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
Inleiding Magnetische sensoren Inductieve sensoren Capacitieve sensoren Optische sensoren Weerstandsensoren 8.6.1 LDR-sensoren 8.6.2 PTC- en NTC-sensoren 8.6.3 Druk- en krachtsensoren Schakelen met sensoren
206 206 209 211 213 216 217 218 219 223
7.3 7.4
7.5
8.7
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
M O N T A G E
INHOUDSOPGAVE
XI
8.8 8.9 8.10
Uitvoeringsvormen sensoren Fundamentele prestaties sensoren Kernpunten
226 228 231
9
Sequ en ti al Fu n cti on Char t
233
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6
Inleiding Algemene werking SFC-basiselementen Actieparameters Basismanipulaties Kernpunten
234 234 236 238 241 245
10
Bestu ri n gen met Fu nct io n Char t s
247
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6
Inleiding EN-divergentie (gelijktijdige sequenties) OF-divergentie (vertakkingen) Subroutines (herhaling van sequenties) PLC-tellers en function charts Kernpunten
248 248 249 250 252 256
11
E l ek trom otoren
257
11.1 11.2 11.3
Inleiding Gelijkstroommotoren Draaistroommotoren 11.3.1 Synchrone draaistroommotoren 11.3.2 Asynchrone draaistroommotoren 11.3.3 Schakelcomponenten Het principe van draaistroom Magnetisch draaiveld bij draaistroommotoren Kooianker draaistroommotoren Opbouw SKA-draaistroommotoren Koppel-toerenkromme asynchrone draaistroommotor Principe eenfase-inductiemotor Principe universeelmotor Draairichting en toerenregeling universeelmotoren Kernpunten
258 258 259 259 260 261 263 264 267 271 272 275 277 279 281
11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
XII
E N
O N D E R H O U D
2 A
12
Aan l oopr eg eling en
283
12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11
Inleiding Voedingen van draaistroommotoren Aansluiting draaistroommotor op het driefasennet Aansluiting draaistroommotor op eenfasenet Inschakelen van een draaistroommotor Principe softstarters Regeling rotatiefrequentie met meerpolige motoren Regeling rotatiefrequentie met meertoerenmotoren Principe frequentieregelaars Opbouw frequentieregelaars Kernpunten
284 284 286 288 290 292 293 294 297 299 304
13
Sch ak el - en beveilig ing s co mp o nent en
305
13.1 13.2
Inleiding Nokkenschakelaars 13.2.1 Samenstelling nokkenschakelaars 13.2.2 Gebruik schemablad 13.2.3 Handbediende ster-driehoekschakelaar Contactors 13.3.1 Opbouw contactor 13.3.2 Hoofdstroomcontacten en stuurstroomcontacten 13.3.3 Codering contacten 13.3.4 Hulpcontactors Beveiliging 13.4.1 Contactdruk en contactbeveiliging 13.4.2 Motorbeveiligingsschakelaars Schakelen van motoren met contactors 13.5.1 Omkeerschakeling zonder vergrendeling 13.5.2 Omkeerschakeling met vergrendeling 13.5.3 Omkeerschakeling met vergrendeling en beveiliging 13.5.4 Omkeerschakeling met vergrendeling, beveiliging en akoestische signalering 13.5.5 Automatische ster-driehoekschakelaars 13.5.6 Beveiliging eenfasemotor 13.5.7 Aansluiten softstarter Kernpunten
306 306 306 310 311 313 313 314 315 316 317 317 319 322 322 323 325
13.3
13.4
13.5
13.6
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
M O N T A G E
326 327 329 330 332
INHOUDSOPGAVE
XIII
14
Vermogen en uitvoering draaistroommotoren 335
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7
14.8
Inleiding Belastingen bij wisselspanning RL-schakelingen Vermogen bij wisselspanning Rendement Vermogen driefasenmotoren Uitvoering draaistroommotoren 14.7.1 Normen 14.7.2 Isolatieklassen 14.7.3 Bouwvormen 14.7.4 Koeling 14.7.5 Beschermingsklassen Kernpunten
336 337 338 340 343 345 347 347 348 349 354 355 357
15
Hy drau l i sch e b erek e ning en en r eg eling en
359
15.1 15.2
Inleiding Theoretisch vermogen 15.2.1 Effectief vermogen Proportionele hydrauliek 15.3.1 Proportionele magneet met positie-opnemer 15.3.2 Lastdrukcompensator Proportionele basisschakelingen 15.4.1 Gelijkloop met wegopnemers 15.4.2 Pompen met regelbaar volume 15.4.3 Pompen met regelbaar volume en druk Proportionele systemen in de hydrauliek 15.5.1 Snelheidsregeling 15.5.2 Lastdrukregeling Proportionele versterkerkaart 15.6.1 Inleiding 15.6.2 Gestabiliseerde voeding 15.6.3 Ingangssignaal 15.6.4 Versnellings- en vertragingstijd 15.6.5 Uitgangssignaal 15.6.6 Controleren verplaatsing 15.6.7 Weg-tijddiagram 15.6.8 Positioneren via rampfuncties
360 360 361 364 366 368 369 369 370 372 373 373 375 376 376 378 378 379 380 381 381 383
15.3
15.4
15.5
15.6
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
XIV
15.7
15.8
15.9
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
Sturen en regelen 15.7.1 Standaardsignalen regelkring 15.7.2 De aan/uit-regelaar 15.7.3 De continue regelaar De hydraulische servoklep 15.8.1 Torsiemotoren 15.8.2 Vaan-tuitsysteem 15.8.3 Hoofdplunjer met elektrische terugkoppeling Kernpunten
384 386 387 389 390 390 391 392 398
I l l u strati everant wo o r d ing
403
Tref woorden reg is t er
405
Basisschakelingen hydrauliek
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
2
1. 1
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
I n l ei di n g
Hydrauliek wordt tegenwoordig veel als krachtoverbrenging toegepast. In plaats van een mechanische overbrenging wordt de kracht van de motor overgebracht met hydraulische olie. Een eenvoudig hydraulisch systeem is opgebouwd uit de volgende onderdelen: – een aggregaat; – een stuurschuif; – uitvoerorganen, zoals cilinders of een motor. In een hydraulisch systeem worden ook drukregelkleppen en doorstroomregelkleppen toegepast. Het doel van doorstroomregelkleppen is om de vloeistofdoorstroom naar een uitvoerorgaan te beperken, waardoor deze langzamer beweegt. Een drukventiel heeft de volgende functies: – de hydraulische installatie beveiligen tegen overdruk; – de volumestroom pas naar een uitvoerorgaan doorschakelen nadat een ingestelde druk is bereikt; – de druk bij een uitvoerorgaan beperken (reduceren). Werkt de belasting in dezelfde richting als de bewegingsrichting van een uitvoerorgaan (negatieve belasting) dan zijn er regelkleppen noodzakelijk om het voorijlen tijdens het bewegen en piekdrukken bij het afremmen van het uitvoerorgaan te voorkomen. In dit hoofdstuk wordt de werking van veel voorkomende regelkleppen besproken.
1. 2
Stu u rsc huiven
1.2.1
Inleiding
In figuur 1.1 wordt cilinder A bediend door een handbediende 4/3-stuurschuif met een automatische middenstand. Hydraulische stuurschuiven bestaan uit een huis met ringvormige kamers en een plunjer met ringvormige inkepingen. De ringvormige kamers zijn verbonden met de aansluitingen op de stuurschuif. Als de plunjer wordt verschoven, verbindt hij de aansluitpunten of sluit hij ze juist af. Enkele veel voorkomende mogelijkheden zie je in figuur 1.2. De schakelstanden met de parallelle en gekruiste pijlen noemen we de werkstanden van de schuif. De tussenliggende stand wordt de middenstand genoemd en komt in verschillende uitvoeringen voor. Zo kunnen in de middenstand alle aansluitingen geopend of gesloten zijn.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
3
H Y D R A U L I E K
A
P
R
ringvormige kamer
plunjer
huis
M
R
a toepassing
A
P
B
R
b uitvoering
Figuur 1.1 Handbediende 4/3-stuurschuif
A B
A B
A B
A B
P R
P R
P R
P R
a gesloten
b kortsluitstand
c geopend
d differentiaalstand
Figuur 1.2 Veel voorkomende middenstanden
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
4
M O N T A G E
1.2.2
E N
O N D E R H O U D
2 A
Schakeloverlap stuurschuiven
De afdichting tussen twee gesloten aansluitingen wordt bereikt door de passing van de plunjer en het huis. In tegenstelling tot kleppen sluiten schuiven niet hermetisch af. De mate van afdichting hangt af van de afmetingen van de afdichtspleet (overlap) en de viscositeit van de hydraulische vloeistof. De overlap kan positief of negatief zijn. In figuur 1.3a zie je een plunjer met een positieve overlap. Bij het schakelen van de plunjer wordt eerst de verbinding tussen aansluiting P en aansluiting R afgesloten, voordat de nieuwe verbinding tussen P en A tot stand komt. R
x1
P
A
x2
a x1 < x2
R
x1
b x1 > x 2
P
A
x2
R
x1
P
A
x2
c x1 ⍽ x 2
Figuur 1.3 Schakeloverlapplunjer
In figuur 1.3b gebeurt het tegenovergestelde met de verbindingen. Bij het schakelen van de plunjer wordt de verbinding tussen P en A al gemaakt, voordat de verbinding tussen P en R wordt afgesloten. Het voordeel van de positieve overlap ten opzichte van de negatieve overlap is dat werkleiding A tijdens het schakelen niet drukloos wordt. Hierdoor kan de cilinder of hydromotor niet terugzakken tijdens het inschakelen van de werkstand. Bij het uitschakelen heeft de positieve overlap echter als nadeel dat drukleiding P korte tijd is afgesloten van zowel aansluiting A als aansluiting R. Hierdoor krijgen we een ongewenste drukpiek, die niet voorkomt als we een plunjer met een negatieve overlap toepassen. In figuur 1.3c zie je een nuloverlap. Bij een nuloverlap wordt een verbinding gelijktijdig geopend en gesloten. Het voordeel van de nuloverlap is dat nauwkeurige regeling van de vloeistofstroom naar het uitvoerorgaan mogelijk is. Plunjers met een nuloverlap worden gebruikt bij servoventielen waarmee we uitvoerorganen nauwkeurig kunnen positioneren.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
1.2.3
B A S I S S C H A K E L I N G E N
5
H Y D R A U L I E K
Middenstand stuurschuiven
In figuur 1.4 zie je twee hydraulische cilinders A en B. Beide cilinders worden bediend door een direct elektrisch gestuurde 4/3-stuurschuif met een geopende middenstand. A ring FA
A
A
_
A
+
P
FB
B
B
_
B
+
R
M
Figuur 1.4 Serieschakeling van twee cilinders
In de getekende ruststand wordt de hydraulische vloeistof drukloos rondgepompt. Als we aan ĂŠĂŠn van de cilinders een pluscommando of een mincommando geven, loopt de desbetreffende cilinder uit of in. Hierbij levert de pomp een druk die nodig is voor het overwinnen van de belasting.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
6
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
Als we beide cilinders gelijktijdig bedienen, krijgen we een heel andere werking. Stel, we geven zowel cilinder A als cilinder B een pluscommando. De hydraulische vloeistof stroomt dan van de pomp naar cilinder A (dekselzijde). De olie van de stangzijde van cilinder A stroomt daarna naar de dekselzijde van cilinder B. Om de belasting FB te overwinnen hebben we een bepaalde oliedruk aan de dekselzijde van die cilinder nodig. Deze druk komt ook aan de stangzijde van cilinder A te staan en drukt op het ringvormige oppervlak van zuiger A. De pompdruk op zuiger A moet dus behalve FA ook de kracht overwinnen die naar links gericht is op het ringvormige oppervlak. Je kunt hydraulische uitvoerorganen ook parallel schakelen. In figuur 1.5 zie je daarvan een voorbeeld. M A
B
P
R
M
Figuur 1.5 Parallelschakeling van twee cilinders en een hydromotor
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
7
Twee cilinders en een hydromotor krijgen door een aggregaat hydraulische energie. Het kenmerkende van de parallelschakeling is dat we in principe geen gelijkloop kunnen realiseren. Als we van elk uitvoerorgaan het 4/3- of 4/2-ventiel bedienen, loopt eerst het uitvoerorgaan uit dat de laagste belasting heeft te overwinnen. Daarna loopt het op ĂŠĂŠn na laagst belaste uitvoerorgaan uit, enzovoorts. Als je de uitvoerorganen afzonderlijk wilt bedienen, moet je voorkomen dat de hydraulische vloeistof drukloos over de andere stuurschuiven wordt rondgepompt. De middenstand van alle uitvoerorganen moeten daarom gesloten zijn. Om in de ruststand toch drukloos rond te kunnen pompen moet er dus een extra voorziening komen. In figuur 1.6 zie je een hydraulische cilinder, die we regelen met een indirect elektrisch bediende 4/3-stuurschuif. In de middelste stand (de ruststand) van de stuurschuif moeten we ervoor zorgen dat spoel C van het 2/2-ventiel niet bekrachtigd is. Het 2/2-ventiel opent dan en laat de olie drukloos passeren. Dat wil dus zeggen dat de installatie in de ruststand drukloos rondpompt. Als we een plus- of een mincommando aan de 4/3-stuurschuif geven, wordt gelijktijdig spoel C van het 2/2-ventiel bekrachtigd. We krijgen een drukopbouw en de plus- of minspoel heeft een stuurleiding naar de kopse zijde van de plunjer geopend. De 4/3-stuurschuif verschuift hydraulisch en het commando wordt uitgevoerd.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
8
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
_
2 A
+
P
R
C
M
Figuur 1.6 Drukloos rondpompen met een 2/2-ventiel
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
1. 3
D ru k regel k l eppen
1.3.1
Inleiding
9
H Y D R A U L I E K
Een veiligheidsklep zorgt ervoor dat de druk in een bepaald deel van een hydraulisch systeem een maximale waarde niet overschrijdt. In figuur 1.7a zie je de meest elementaire vorm van een direct gestuurde veiligheidsklep, uitgevoerd met een klep en een zitting.
R R R
P
demper
P
P
a klep
b klep met demper
c symbool
Figuur 1.7 Direct gestuurde veiligheidskleppen
Bij een overdruk wordt de klep van de zitting opgetild waardoor olie naar de retourleiding stroomt. Hierdoor daalt de druk waardoor de klep weer sluit. Tijdens zijn werking opent en sluit deze veiligheidsklep dus voortdurend, wat veel geluid en slijtage geeft. In figuur 1.7b zie je dezelfde veiligheidsklep maar nu uitgevoerd met een demper die deze nadelen voorkomt.
1.3.2
Indirect gestuurde veiligheidskleppen
In figuur 1.8 zie je een indirect gestuurde veiligheidsklep die bestaat uit een combinatie van een hoofdveiligheidsklep met een voorstuurklep.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
10
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
voorstuurklep
klep restrictie
R
P
a hoofdveiligheidsklep met voorstuurklep
b symbool
Figuur 1.8 Indirect gestuurde veiligheidsklep
Bij overdruk wordt de voorstuurklep van de zitting opgetild, waardoor olie via de restrictie door de hoofdklep gaat stromen. Hierdoor ontstaat een drukverschil over de hoofdklep waardoor deze opent. De hydraulische vloeistof kan nu rechtstreeks naar de retourleiding stromen. In figuur 1.9 zie je ook een indirect gestuurde veiligheidsklep. Het verschil met de veiligheidsklep in figuur 1.8 is, dat de ruimte tussen de hoofdklep en de voorstuurklep een extra kanaal X heeft. Als we kanaal X via een 2/2-ventiel met de tank verbinden, wordt de ruimte boven de hoofdklep drukloos en gaat de hoofdklep open, zonder dat we daarvoor de afsteldruk hebben bereikt.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
11
stelschroef
C
lichte veer
C R
P voorstuurklep
X
X
hoofdklep R restrictie R
P
a uitvoering
b symbool
Figuur 1.9 Drukloos rondpompen met een indirect gestuurde veiligheidsklep
1.3.3
Volgordekleppen en -ventielen
In figuur 1.10a zie je een voorbeeld van een hydraulische schakeling waarbij eerst een cilinder A uitloopt. Als de druk in het systeem een bepaalde waarde bereikt, loopt cilinder B uit.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
12
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
A
2 A
B
A
B
R R
B A
restrictie P
R
a toepassing
b uitvoering
Figuur 1.10 Volgordeventiel
Om dit te bereiken kunnen we een gewoon veiligheidsventiel gebruiken. Het verschil is dat we het direct gestuurde gedeelte niet op de afvoerleiding aansluiten, maar direct op een leiding naar cilinder B. Hierbij wordt een schakeling in een bepaalde volgorde geregeld. In dat geval spreken we van een volgordeventiel. In figuur 1.10b zien we dat het ventiel is uitgevoerd met een schuif. In dat geval spreken we niet van een volgordeklep maar van een volgordeventiel. De schuif opent meer naarmate de druk hoger wordt. Omdat een indirect elektrisch bediend hoofdschakelelement met een geopende middenstand is gebruikt, krijgen we een probleem met de benodigde schakeldruk. In het hoofdschakelelement is daarom een restrictie aangebracht, waardoor in de middelste stand van deze schuif de vloeistof enige weerstand ondervindt. In de leiding tussen de pomp en de restrictie krijgen we een druk die voldoende is om het hoofdschakelelement via het elektrische stuurelement te bedienen. In de middelste stand van het hoofdschakelelement wordt de vloeistof dus niet drukloos maar onder schakeldruk rondgepompt.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
1.3.4
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
13
Reduceerventielen
In figuur 1.11 zie je een deel van een hydraulisch schema dat bestaat uit een hoofdgedeelte en een gedeelte met een speciale toepassing.
reduceerventiel
p1
p2
R A B
P R
a toepassing
b uitvoering
Figuur 1.11 Reduceerventiel
De druk p1 kan een systeemdruk van bijvoorbeeld 200 ¡ 105 Pa zijn, terwijl de druk p2 een stuurdruk van bijvoorbeeld 20 ¡ 105 Pa is. Om de druk p2 te kunnen regelen, gebruiken we een reduceerventiel. In dit geval is gekozen voor een direct gestuurd ventiel. Bij reduceerventielen veroorzaakt niet de ingangsdruk maar de uitgangsdruk de beweging van de schuif. Als we een reduceerventiel gebruiken, kunnen we in een aantal gevallen door externe oorzaken hogere druk na het ventiel krijgen. In figuur 1. 12a zie je een voorbeeld van zo’n drukverhoging.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
14
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
A
R B
A
R
B
a drukverhoging door externe oorzaken
b uitvoering
c symbool
Figuur 1.12 Direct gestuurd reduceerventiel met correctie-uitlaat
Hier worden twee walsrollen op elkaar gedrukt met een kracht die recht evenredig is aan de druk na het reduceerventiel. In de plaat die we willen walsen zit een verdikking. Deze verdikking drukt de cilinder naar beneden waardoor we een hogere druk na het reduceerventiel krijgen. Deze druk wordt met een veiligheidsklep of veiligheidsventiel beneden een maximale waarde gehouden. Hier hebben we dus twee componenten nodig. In figuur 1.12b zie je een direct gestuurd drieweg reduceerventiel dat de functies van het reduceer- en veiligheidsventiel combineert. Hierbij onderbreekt de stijgende uitgangsdruk de toevoer van de vloeistof naar de cilinder. Aansluitend wordt een verbinding tussen de uitgang en het reservoir geopend.
1. 4
L aston afhankelijke vo lumes t r o o mr eg eling en
Hydraulische energie heeft twee grootheden, namelijk druk en stroming. Als we invloed willen uitoefenen via het hydraulisch systeem, dan kunnen we dat alleen doen door de druk of de stroming aan te passen. Met drukregelkleppen kun je de druk in een hydraulisch systeem of een gedeelte daarvan beĂŻnvloeden.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
15
Je gebruikt stroomregelkleppen om de bewegingssnelheid van gebruikers te beĂŻnvloeden. Met een stroomregelklep verander je de doorlaat in een vloeistofstroming. Met twee- en drieweg stroomregelkleppen kun je (onafhankelijk van het drukverschil over de smoring) een constante volumestroom regelen. We noemen dit een lastonafhankelijke snelheidsregeling.
1.4.1
Tweeweg stroomregelkleppen
In figuur 1.13 zie je de tweeweg stroomregelklep of serieklep. F p3
7 /min
Fl
Fr
p2 p1
7 /min
10 /min
3 /min
P R
a principe
b gelijkrichtschakeling
Figuur 1.13 Tweeweg stroomregelklep
In de stroomregelklep zie je een stuurschuif waarover een drukverschil p1 – p2 staat. Na de stuurschuif zie je een instelbare smoring in serie geschakeld waarover een drukverschil p2 – p3 staat. Als het drukverschil over de smoring constant blijft, stroomt er door deze smoring ook een constant debiet. De druk p1 werkt inwendig op de linkerzijde en rechterzijde van de schuif en heeft geen invloed op de werking.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
16
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
Voor de krachten geldt: Fl ⍽ p2 ¡ A Fr ⍽ p3 ¡ A ⍚ Fveer De krachten Fl en Fr zijn bij evenwicht van de schuif even groot. Als we Fl en Fr aan elkaar gelijkstellen, krijgen we: p3 ¡ A ⍚ Fveer ⍽ p2 ¡ A Fveer ⍽ A ¡ (p2 – p3) De oppervlakte van de stuurschuif is een constante, zodat de instelling van de veer een vast drukverschil over de smoring geeft. Als de belasting stijgt en daardoor de druk p3 toeneemt, moet ook de druk p2 toenemen om het drukverschil over de smoring constant te houden. Als p3 toeneemt, wordt de kracht Fr via een stuurkanaal ook groter. De schuif verplaatst zich naar links waardoor de druk p2 toeneemt. Daardoor wordt ook Fl groter en krijgen we een nieuwe evenwichtstoestand. Bij een belastingafname ontstaat het omgekeerde. De pompcapaciteit is groter dan het debiet dat door het stroomregelventiel wordt afgenomen. Het vloeistofvolume dat de pomp te veel levert, wordt door de veiligheidsklep onder de volle pompdruk overgestort. In figuur 1.13a zie je een voorbeeld met getallen. Je ziet nu meteen de nadelen van dit regelventiel: – de druk p1 loopt op tot de veiligheidsdruk; – het teveel aan vloeistof wordt over de volle druk afgevoerd, wat energieverlies geeft (warmteontwikkeling). In figuur 1.13b zie je een gelijkrichtschakeling met een tweeweg stroomregelklep en vier terugslagkleppen. Zoals je ziet kan de vloeistof maar in ÊÊn richting door de stroomregelklep stromen, zodat er terugslagkleppen nodig zijn. De vloeistofstroom kan alleen aan de dekselzijde over de stroomregelklep stromen. Hierdoor is de ingaande en uitgaande snelheid van de zuiger altijd gelijk.
1.4.2
Drieweg stroomregelkleppen
In figuur 1.14 zie je een drieweg stroomregelklep of parallelklep. De werking van deze klep is gelijk aan die van de tweeweg stroomregelklep.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
p3
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
17
7 /min
p2 R p1
10 /min
0 /min
3 /min
Figuur 1.14 Drieweg stroomregelklep
Doordat de driewegklep een eigen reservoiraansluiting R heeft, is er echter een belangrijk verschil. Het teveel aan olie wordt onder een lagere druk naar het voorraadvat overgestort. In figuur 1.14 zie je dit ook met getallen weergegeven.
1. 5
R egel i n gen voor n eg at ieve belas t ing
Bij hydrauliek kun je met zeer grote krachten werken. EĂŠn van de voordelen van hydrauliek is dat de vloeistof niet samendrukbaar is en een cilinder dus in de uitgeschoven positie kan blijven staan. Als op de cilinder echter een uitwendige kracht werkt, geeft dit een grote druk in de persleidingen.
1.5.1
Stilstaan onder belasting
In figuur 1.15a zie je een voorbeeld van een cilinder die stilstaat onder belasting.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
18
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
P
2 A
R
a zonder gestuurde terugslagklep
+ S
H B B gestuurde terugslagklep A
H
Z
A
_
H
P
Z
+
R
b met gestuurde terugslagklep
c uitvoering
Figuur 1.15 Gestuurde terugslagklep bij negatieve belasting
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
19
De druk die door de auto op de cilinder wordt opgewekt, staat ook op de stuurschuif. Deze schuif lekt altijd, dus na verloop van tijd komt de auto steeds lager te staan. Om het lekken van olie te voorkomen, kunnen we in de persleiding een gestuurde terugslagklep plaatsen. Als de cilinder in de uitgeschoven positie staat, wordt de druk in de persleiding opgevangen door de gestuurde terugslagklep. Zie figuur 1.15c. Kleppen kunnen in principe niet lekken. In figuur 1.15b zie je een 4/3-schuif waarbij in de middenstand drukloos wordt rondgepompt. De stuurleiding Z zorgt ervoor dat geen druk onder de gestuurde terugslagklep staat. Dit is nodig om te voorkomen dat de klep gaat lekken. Om te voorkomen dat bij leidingbreuk de zuiger met auto naar beneden valt, kunnen we direct aan de cilinder een blokkeerklep monteren. Zie figuur 1.16. veer
kogel
aansluiting cilinder
B
A
B
A
a uitvoering
b symbool
Figuur 1.16 Leidingbreukventiel
In de blokkeerklep wordt een kogel door een lichte veer uit de kogelzitting gehouden. Als een leiding of slang breekt, heeft de vloeistof die uit de cilinder komt bijna geen weerstand en stroomt zeer snel door de blokkeerklep. Door het grotere drukverschil over de blokkeerklep komt er een grotere kracht op de kogel te staan. De kogel sluit tegen de veer in en de neergaande zuigerbeweging wordt geblokkeerd. Vaak is de blokkeerkracht zo groot dat we na reparatie van de leiding of slang ook de blokkeerklep moeten vervangen. De kogel is namelijk aan de kogelzitting gaan hechten.
1.5.2
Bewegen onder negatieve belasting
Bij veel hydraulische aandrijvingen kan de richting van de cilinderbewegingen gelijk worden aan de beweging van de last. We hebben dan een negatieve belasting. Als we bij de garagebrug een H–-slag van de hydraulische cilinder willen,
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
20
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
maakt de auto de H–-slag al mogelijk, zodat de cilinder zeer snel inloopt. Hij kan zelfs voorlopen op de toevoer van de hydraulische vloeistof aan de stangzijde van de cilinder. Hierdoor krijgen we een ongecontroleerde beweging. We kunnen dit voorijlen voorkomen met een afvoersmoring (ventiel). Het nadeel van deze afvoersmoring is dat we deze moeten afstellen op de grootte van de last. Bij een zwaardere last moet de afvoersmoring een grotere tegendruk leveren om voorijlen te voorkomen. Daarnaast kunnen de drukken ontoelaatbaar hoog worden als we de afvoersmoring moeten gebruiken aan de stangzijde van de cilinder. Balanceerkleppen
In figuur 1.17 zie je een laadkraan waarvan cilinder A de hijsbeweging levert.
_
A
+
A
FL
P
R
balanceerklep S
X
P R
Y
X
P R
a laadkraan
b balanceerklep
Figuur 1.17 Toepassing balanceerklep
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
21
H Y D R A U L I E K
Bij een wisselende last is de benodigde tegendruk bij het dalen ook wisselend. We kunnen voorijlen van de last voorkomen door een balanceerklep te gebruiken. Om de balanceerklep tegen de veerdruk in te openen hebben we druk bij X nodig. Als de cilinder tijdens de A–-slag wil voorijlen, neemt de druk in de stuurleiding X af. Daardoor gaat de klep minder ver open. De hydraulische cilinder gaat langzamer bewegen en de druk in de toevoerleiding kan weer toenemen. Hierdoor kan de balanceerklep zich weer verder openen. Om de schuifbewegingen geleidelijker te laten verlopen, wordt in de stuurleiding X een smoring S aangebracht. In beide bewegingsrichtingen wordt de snelheid geregeld met een toevoersmoring. Rembalanceerkleppen
In figuur 1.18 zie je een hydraulische lier. Deze lieren worden vaak op schepen en takelwagens gebruikt. B
C
X Y
D
W
E
P
a situatie
R
b schema
Figuur 1.18 Hydraulisch aangedreven lier
De liertrommel wordt aangedreven door hydromotor D. Als het 4/3-ventiel A in de middenstand staat, zijn de hydraulische leidingen naar de hydromotor drukloos en houdt de veer van cilinder E de lieras geremd. Als we het 4/3-ventiel schakelen, neemt de druk in de hydraulische leidingen toe en licht de rem via de wisselklep W (OF-functie). Tijdens het opwikkelen van de lier stroomt de vloeistof
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
22
M O N T A G E
E N
O N D E R H O U D
2 A
via terugslagklep B. Tijdens het vieren moet de hydraulische vloeistof de balanceerklep C passeren. Bij het stoppen van de lierbeweging neemt echter de druk achter de hydromotor D plotseling toe. Om het remmen geleidelijker te laten verlopen is een extra stuurleiding Y aangebracht. Zie figuur 1.18b. Deze opent bij een te hoge druk klep C, zodat deze als remklep functioneert.
1. 6
Kern pu nt en
Het doel van een veiligheidsventiel is om een hydraulische installatie te beveiligen tegen overdruk. – Directe veiligheidsventielen werken bij relatief kleine drukwaarden en opbrengsten. De druk opent via een stuurleiding 햲 een normaal gesloten hoofdklep 햳 tegen de instelbare veerdruk 햴, zodat de olie onder druk van P naar het reservoir (R) kan stromen. 1
1
pv
pr = 0
P
pv
pr = 0
R
2
2
3
4
3
a direct veiligheidsventiel
b voorgestuurde veiligheidsklep pv
pr = 0
2
4
5
c voorgestuurde veiligheidsklep inclusief rondpompen Figuur 1.19
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE
1
B A S I S S C H A K E L I N G E N
H Y D R A U L I E K
23
– Bij een voorgestuurd veiligheidsventiel stroomt de stuurolie 햲 via een restrictie in de hoofdklep naar een stuurklepje 햾. Als de stuurklep tegen de instelbare veerdruk 햴 wordt geopend, valt de druk achter de hoofdklep 햳 weg en opent deze zich. – Om drukloos rondpompen via het veiligheidsventiel mogelijk te maken, kun je de stuurdruk 햾 achter de hoofdklep 햳 via een elektrisch bediend normaal geopend 2/2-ventiel 햜 weg laten vallen. pa _ < p +10 . 105 Pa b
p
3
b
pa < _ pb
2
pb
5
4
1 2
3 p veer
5
10 . 10 Pa
a volgordeventiel
b reduceerventiel
pa
p
b
6
2
4
3
c extern gestuurd drukventiel Figuur 1.20
Het doel van een volgordeventiel is om de volumestroom pas naar een uitvoerorgaan door te schakelen nadat een ingestelde druk is bereikt. – De druk opent het stuurklepje 햾 van het volgordeventiel tegen de instelbare veerdruk 햴. De normaal gesloten hoofdklep 햳 opent daarop de toevoer naar een tweede uitvoerorgaan. Achter een volgordeventiel heerst dus een druk pb.
0RQWDJH HQ RQGHUKRXG LQGE