Straty výkonu sú aj v hydraulike
Pri prenose výkonu vznikajú straty, ktoré nemožno vylúčiť, ale iba do určitej miery obmedziť. Niekedy sa hovorí namiesto výkonu o prenose energie. Aby nevznikali nejasnosti, je potrebné tieto dva svojim významom rozdielne pojmy bližšie definovať. Ako je v odbornej verejnosti známe, výkon sa udáva v kilowattoch a energia v kilowatthodinách. Jednoducho povedené, ak teda prenášaný výkon vynásobíme časom, dostaneme prenesenú resp. spotrebovanú energiu, a je úplne jedno o aký druh energie sa jedná.
V mobilnej poľnohospodárskej technike sa výkon motora na pracovné mechanizmy, ale aj hnacie kolesá, prenáša najčastejšie ozubenými kolesami, klinovými prípadne aj plochými remeňmi, valčekovými reťazami, tlakovým olejom a najnovšie aj elektrickým prúdom. Prenos výkonu vývodovým hriadeľom je historicky najstarší.
Pretože v traktoroch (hydrostatické prevodovky, trojbodový záves, vonkajšie hydraulické okruhy, servoriadenie), ale aj v ostatnej mobilnej poľnohospodárskej technike, je prenos výkonu tlakovým olejom už samozrejmosťou, je aj ďalší obsah tohto príspevku zameraný na jedno z technických riešení, ktoré umožňuje obmedziť straty výkonu v hydraulických obvodoch.
Hydrostatický a hydrodynamický tlak a prenos výkonu
Prenos výkonu tlakovým olejom je všeobecne známy pod názvom „hydrostatický“ prenos, prípadne prevod. Tento názov je odvodený od pojmu „hydrostatický“ tlak, ktorý nezávisí od rýchlosti prúdenia kvapaliny a dokonca pôsobí aj pri nulovej rýchlosti kvapaliny. Na druhej strane hydrodynamický tlak výlučne závisí na rýchlosti prúdiacej kvapaliny a využíva sa v hydrodynamických spojkách a meničoch. Niektoré traktory FENDT s typovým označením TURBOMATIK, mali už v minulosti za motorom umiestnenú hydrodynamickú spojku, ktorá umožňovala plynulý rozbeh traktora pod zaťažením.
Vnútorný a vonkajšie hydraulické okruhy traktorov
Súčasné traktory sú okrem hydraulických okruhov servoriadenia a prevodovky štandardne vybavené vnútorným hydraulickým okruhom, ktorý slúži na ovládanie a reguláciu trojbodového závesu a niekoľkými vonkajšími hydraulickými okruhmi na ovládanie strojov a náradí pripojených k traktoru. Vo vysokovýkonových traktoroch sa na dodávku tlakového oleja 100 a viac litrov oleja za minútu pri tlaku 200 barov do vnútorného i vonkajších hydraulických okruhov najčastejšie používa piestový regulačný hydrogenerátor (čerpadlo) s premenlivým geometrickým objemom. V traktoroch s nižším výkonom motora (pod 100 kW) sa používa zubový hydrogenerátor s konštantným geometrickým objemom, pre dodávku tlakového oleja okolo 60 litrov za minútu a tlaku 200 barov.
Straty výkonu v hydraulike
Straty výkonu v hydraulických obvodoch vznikajú vždy, pokiaľ je v hydrogenerátor v činnosti, aj keď nie je zaťažený. Je to spôsobené hydraulickým odporom, ktoré kladú prietoku oleja jednotlivé hydraulické prvky (rozvádzače, ventily aj samotné potrubie). Tento stratový výkon je v rozsahu 1 až 2 kW a možno mu zabrániť jedine vypnutím pohonu hydrogenerátora.
K najväčším stratám výkonu potrebného na pohon hydrogenerátora dochádza napr. pri použití vonkajšieho okruhu hydrauliky traktora na vyklápanie korby prívesu, keď piest priamočiareho hydromotora (hydraulického valca) dostane do krajnej dorazovej polohy a obsluha traktora drží ovládaciu páku stále v činnej polohe rozvádzača, teda mimo neutrálnej resp. plávajúcej polohy. K takémuto nežiaducemu stavu môže za určitých okolností dôjsť dokonca aj pri ovládaní vonkajšieho hydraulického okruhu traktora joystickom. V tomto prípade sa otvorí poistný ventil hydrogenerátora a všetko dodávané množstvo oleja prúdi do odpadu, napr. pri dodávke (prietoku) oleja 60 litrov za minútu a tlaku 200 barov predstavuje stratový výkon 20 kilowattov.
Praktický výpočet stratového výkonu
Pre praktické výpočty je vhodné uviesť, že jeden megapascal (MPa) sa rovná 10 barom, teda platí: 1 MPa = 10 bar, potom, keď tlak v megapascaloch vynásobíme prietokom v litroch za sekundu dostaneme výkon priamo v kilowattoch. Vo vyššie uvedenom prípade potom platí rovnica: 200 barov = 20 megapascal x 1 liter za sekundu = 20 kilowattov. Pri otvorenom poistnom ventile je prietok oleja škrtený, takže celý výkon 20 kilowattov sa mení na teplo, a v konečnom dôsledku spôsobuje ohrievanie olejovej náplne.
Obmedzenie stratového výkonu
V súčasnosti existuje niekoľko technických riešení, ktoré umožňujú obmedziť straty výkonu v hydraulike traktorov. V prípade, že ako zdroj tlakového oleja je použitý axiálny piestový hydrogenerátor 1 (Obr. 1), so šikmou regulačnou doskou 2, potom pri vysunutí piesta 8 do pravej krajnej polohy priamočiareho hydromotora 7 stúpne tlak na maximálnu hodnotu, v dôsledku čoho sa otvorí poistný ventil a olej prúdi do odpadu. Súčasne sa piest 3 snímača tlaku 5 presunie proti sile pružiny 4 do ľavej polohy a prestaví šikmú regulačnú dosku 2 takmer do kolmej polohy, teda na minimálnu dodávku tlakového oleja.
Týmto spôsobom sa zníži stratový výkon na minimum, aj keď obsluha stále drží rozvádzač v činnej polohe.
Z popisu funkcie a činnosti vyššie uvedeného systému je zrejmé, že sa v podstate jedná o reguláciu prietoku v závislosti na tlaku, teda, čím vyšší tlak, tým nižší prietok, čo je nevýhoda tohto systému. Ďalšou nevýhodou je, aj napriek tomu, že po stránke konštrukčnej je jednoduchý, nemožno ho použiť v hydraulických obvodoch so zubovým teda neregulačným hydrogenerátorom s konštantným geometrickým objemom. Prevádzkové vlastnosti tohto systému závisia okrem parametrov hydrogenerátora, predovšetkým od charakteristiky pružiny 4 snímača tlaku 5 a nastavení resp. od otváracieho tlaku poistného ventilu. Vhodnou kombináciou jednotlivých parametrov možno dosiahnuť stav, že hydrogenerátor bude pri určitých otáčkach pracovať na konštantný výkon. Samozrejme, že existuje aj ďalšia možnosť a tou je regulácia otáčok hydrogenerátora.
Systém „Load sensing“
Systémy obmedzujúce straty výkonu v hydraulických sústavách sú v odbornej verejnosti známe pod pojmom LOAD SENSING (v preklade to znamená „citlivosť na zaťaženie“). Okrem už vyššie popísaného pomerne jednoduchého systému s uvedenými výhodami a nevýhodami, existuje celý rad ďalších a zložitejších, ktoré eliminujú nevýhody popísaného systému. Vzhľadom ku konštrukčnej zložitosti, si každý takýto systém vyžaduje samostatný príspevok, ktorý bude uverejnený v niektorom budúcom čísle Roľníckych novín.
Na záver bude určite vhodné pripomenúť, že v každej hydraulickej sústave sa vyskytujú určité netesnosti, ktoré spôsobujú úniky tlakového oleja, často do okolitého prostredia. Sú to predovšetkým rýchlospojky, hadicové spoje, priamočiare hydromotory a pod. Pokiaľ sa jedná o drobné netesnosti a doslova miniatúrne úniky tlakového oleja (niekoľko mililitrov), tieto nemajú doslova žiadny vplyv na straty výkonu, ale skôr sú nežiadúce z hľadiska environmentálneho a tiež straty z následného doplňovania olejovej náplne. Pri súčasných cenách PHM nemožno zanedbať ani zvýšené náklady na olej, najmä pri vyššom počte kusov rôznej poľnohospodárskej techniky.
