Połączenia hydrauliczne stanową kluczowy lecz dość często zaniedbywany element układów hydraulicznych. W świetle przedstawionych zagadnień w poprzednich rozdziałach można jednak łatwo zauważyć, że prawidłowy dobór połączeń hydraulicznych ma istotny wpływ na niezawodne działanie całego układu. Zasadniczo połączenia hydrauliczne można podzielić na dwie główne grupy: połączenia elastyczne potocznie nazywane wężami i połączenia sztywne czyli inaczej rury. Zanim jednak przejdziemy do ich szczegółowego omówienia, należy podkreślić, że niezależnie od tego jaki typ połączenia wybierzemy, charakteryzować się będą one jedną cechą wspólną jaką jest rodzaj zastosowanego przyłącza. Pod pojęciem przyłącza rozumie się element umożliwiający zespolenie węża bądź rury z innym elementem układu hydraulicznego np. siłownikiem, zaworem czy pompą. Najczęściej stosowanym typem przyłączy są elementy gwintowane nie mniej jednak można się też spotkać z elementami wtykowymi np. typu STECKO – stosowanymi głównie w górnictwie. W zależności od zastosowanego typu połączenia elementy przyłączeniowe będą nieco inaczej nazywane. Dla węży będą to końcówki do węży lub inaczej zakucia natomiast w przypadku rur będą to elementy złączne (nakrętki, pierścienie). W układach hydrauliki siłowej raczej nie stosuje się rur gwintowanych w przeciwieństwie do hydrauliki wodnej niskociśnieniowej. Oprócz elementów przyłączeniowych stosowanych do wykonania połączeń sztywnych jak i elastycznych w układach hydrauliki siłowej stosuje się szeroką gamę elementów złącznych, potocznie nazywanych adapterami hydraulicznymi, umożliwiających łączenie ze sobą różnych rodzajów gwintów lub dających możliwości redukowania połączeń. Elementy te zostaną opisane w osobnym rozdziale.
Rodzaje gwintów i uszczelnień
Jeśli chodzi o konstrukcję maszyn wyróżnić możemy dwie podstawowe grupy połączeń mechanicznych:
1. Połączenia nierozłączne - takie, w których przy rozłączeniu połączenia łączniki i (lub) części łączone ulegają uszkodzeniu (nitowe, spawane, zgrzewane, lutowane, klejone).
2. Połączenia rozłączne - takie, które można rozłączać i łączyć ponownie bez uszkodzenia części złączonych i łączników (wciskowe, gwintowe, kształtowe).
Połączenia gwintowe w konstrukcji maszyn są połączeniami rozłącznymi, w których zasadniczym elementem połączenia gwintowego jest łącznik, składający się zazwyczaj ze śruby z gwintem zewnętrznym i nakrętki z gwintem wewnętrznym. Skręcenie ze sobą obu gwintów łącznika tworzy połączenie gwintowe. W układach hydrauliki siłowej mamy pełną analogię, gdyż mamy jeden element przyłączeniowy z gwintem zewnętrznym i drugi z gwintem wewnętrznym. Nie istniej możliwość połączenia dwóch elementów o tym samym gwincie (zewnętrznym lub wewnętrznym) bez konieczności zastosowania dodatkowego elementu złącznego. W połączeniach gwintowanych układów hydraulicznych występuje jeszcze jedna bardzo ważna kwestia, a mianowicie zapewnienie szczelności połączenia. Niestety tylko dwa rodzaje połączeń gwintowanych stosowanych w hydraulice siłowej gwarantują nam uszczelnienie na samym gwincie. Pozostałe wykorzystują inne rozwiązania konstrukcyjne aby zapewnić szczelność połączenia.
układach hydrauliki siłowej najczęściej spotyka się gwinty: metrycznei calowe. O ile z gwintami metrycznymi nie ma większego problemu bo ich rodzina nie jest tak rozbudowana to w przypadku gwintów calowych podział jest szerszy. Nie mniej jednak możemy wyróżnić kilka głównych typów gwintów stosowanych w połączeniach hydraulicznych: metryczny zwykły (M), metryczny francuski (GAS), calowy rurowy Whitwortha (BSP – British Standard Pipe), calowy zunifikowany (UN - Unified National), calowy zunifikowany drobnozwojny (UNF - Unified National Fine), calowy rurowy Briggsa (NPT - National Pipe Thread). Każdy z tych gwintów ma budowę i rozmiary określone odpowiednią normą ale należy tu zwrócić szczególną uwagę, że w przypadku połączeń hydraulicznych obowiązują odrębne normy i standardy uwzględniające oprócz samego typu gwintu również rodzaj uszczelnienia.
Główne standardy jakie można spotkać w przypadku połączeń hydraulicznych to:
• Połączenia standardu DIN (Deutsches Institut für Normung),
• Połączenia standardu BSP (British Standard Pipe),
• Połączenia standardu SAE (Society of Automotive Engineers),
• Połączenia standardu NF (Norme Française),
• Połączenia standardu JIS (Japanese Industrial Standard).
Zanim przejdziemy do omawiania poszczególnych rodzajów gwintów zacznijmy od sklasyfikowania występujących rodzajów mechanizmów uszczelniających.
Pierwszym rodzajem jest uszczelnienie na gwincie. Uszczelnienie w tym wypadku uzyskiwane jest przez spłaszczenie krawędzi gwintów podczas wkręcania gwintu zewnętrznego (męskiego) w złącze żeńskie (gwint wewnętrzny). Zazwyczaj przód złączy męskich jest węższy niż tył złączy, dlatego często określa się je mianem gwintów stożkowych. Uszczelnienie to ma jedną główną wadę a mianowicie bardzo łatwo uszkodzić takie połączenie poprzez zbyt mocne dokręcenie. Zdecydowanie wskazane jest w tym przypadku stosowanie klucza dynamometrycznego.
Uszczelnienie na gwincie
Uszczelnienie O-Ring
Kolejny rodzaj uszczelnienia to uszczelnienie pierścieniem uszczelniającym o przekroju kołowym - uszczelnienie O-Ring potocznie też określane jako flat-face. W tym przypadku dociśnięcie pierścienia typu O-Ring do powierzchni płaskiej gwarantuje nam uszczelnienie się połączenia. Występują dwa miejsca umiejscowienia pierścienia uszczelniającego: na czole gwintu zewnętrznego lub przy jego podstawie.
Ten typ mechanizmu uszczelniającego powinien być preferowanym wyborem w zastosowaniach wysokociśnieniowych, gdyż gwarantuje najlepszą szczelność połączenia, szczególnie w przypadku wysokich wibracji. Wadą jednak tego rodzaju uszczelnienia jest niższa odporność na wysoką temperaturę, gdyż z reguły pierścienie uszczelniające wykonane są z gumy olejoodpornej typu NBR, której wytrzymałość temperaturowa sięga +110°C. Aby zwiększyć odporność termiczną można zastosować pierścienie na bazie kauczuku fluorowego FKM z odpornością do +205°C, jednak w niektórych specyficznych aplikacjach nawet ta temperatura może okazać się zbyt niska.
Najlepszą odporność termiczną gwarantuje uszczelnienie typu metal na metal inaczej nazywane też uszczelnieniem na stożku. Uszczelnienie następuje w miejscu, w którym dwie skośne powierzchnie męska i żeńska stykają się i są blokowane w sobie przez dokręcenie gwintowanej nakrętki. Powierzchnie uszczelniające mogą być wypukłe lub wklęsłe (gniazdo) na złączu męskim lub w główce rury żeńskiej
Uszczelnienie metal na metal
Uszczelnienie metal na metal z O-ringiem
Ostatnim rodzajem uszczelnienia jest uszczelnienie na stożku z pierścieniem O-Ring. Uszczelnienie tego typu łączy w sobie funkcjonalność uszczelnienia stożkowego z dodatkowym O-ringiem. O-ring znajduje się w skośnej powierzchni uszczelniającej tak, że po skręceniu gwintowanej męskiej i żeńskiej części, powierzchnie uszczelniające zaklinują się i jednocześnie odkształcą O-ring między nimi gwarantując dodatkowe uszczelnienie.
Przedstawione typy mechanizmów uszczelniających dotyczą przede wszystkim połączeń przewodów hydraulicznych zarówno sztywnych jak i elastycznych natomiast należy jeszcze wspomnieć o rodzajach uszczelnień jakie występują w przypadku elementów złącznych montowanych bezpośrednio w gniazda podzespołów hydrauliki, które łączy się przewodami tj. zaworów, bloków przyłączeniowych, siłowników, silników, pomp, filtrów , chłodnic itd.
Typy uszczelnień elementów złącznych do gniazd (korpusów)
Najpopularniejszym uszczelnieniem jest uszczelnienie typu E, czyli ze specjalnym podtoczonym rowkiem w którym umieszczona jest uszczelka elastomerowa. Nieco inną konstrukcje ma uszczelnienie typu G, w którym nie występuje rowek ale zastosowane jest również uszczelnienie elastomerowe w postaci O-ringa dodatkowo zabezpieczonego pierścieniem ograniczającym zapobiegającym odkształceniu uszczelnienia O-ring w kierunku poziomym. W elementach złącznych nastawnych stosuje się typ H, stanowiący modyfikację typu G poprzez zastosowanie dodatkowego pierścień podtrzymującego od góry. Uszczelnienie typu B jest uszczelnieniem metal na metal. Posiada specjalną wargę, która podczas dokręcania elementu złącznego wrzyna się w materiał gniazda. Ostatni typ to typ A czyli element z płaskim wypustem stanowiącym oparcie dla dodatkowego elementu uszczelniającego w postaci np. podkładki miedzianej lub metalowo gumowej. Bez zastosowania dodatkowej podkładki uszczelniającej typ A sam się nie uszczelnia.
Jak można zauważyć uniwersalnym mechanizmem uszczelniającym jest uszczelnienie na gwincie, które można zastosować bezpośrednio do podłączenia przewodów prosto do podzespołów układu bez konieczności stosowania dodatkowy elementów złącznych. Takie rozwiązanie jednak ma jedna kluczową wadę, gdyż wymaga okręcania całego przewodu przy montażu i demontażu oraz nie daje możliwości ustalenia pożądanego położenia. Pomimo swojej wady znajduje szerokie zastosowanie w urządzeniach i podnośnikach typu ENERPAC.
Jak wspomniano na początku tego rozdziału omówione typy mechanizmów występują w elementach złącznych i połączeniach hydraulicznych w różnych połączeniach z różnymi rodzajami gwintów zgodnie z wymienionymi standardami, a zatem przyjrzyjmy się teraz rodzajom gwintów występujących w połączeniach hydraulicznych.
Rozpatrywanie rodzajów gwintów zacznijmy od krótkiego przypomnienia czym jest gwint, a mianowicie jest to śrubowe nacięcie na powierzchni walcowej lub stożkowej, zewnętrznej lub wewnętrznej. Komplementarne gwinty wewnętrzny i zewnętrzny mają tak dobrany kształt, że pasują do siebie. Ruch obrotowy elementu z gwintem zewnętrznym powoduje przesuwanie się tego elementu względem elementu z gwintem wewnętrznym.
Do podstawowych parametrów gwintu zaliczamy:
• średnica gwintu d: jest to średnica walca opisanego na zewnętrznych wierzchołkach gwintu. Średnica ta odpowiada średnicy wewnętrznej D nakrętki;
• średnica podziałowa śruby d2 i nakrętki D2: jest to średnica walca podziałowego, którego oś pokrywa się z osią gwintu, a powierzchnia boczna przecina zarys gwintu w taki sposób, że szerokość występu i bruzdy są sobie równe;
• podziałka gwintu: odległość pomiędzy wierzchołkami gwintu w przekroju wzdłużnym śruby lub nakrętki;
• skok gwintu P: przesunięcie osiowe po jednym obrocie śruby (wielokrotność podziałki jeżeli gwint nie jest jednokrotny);
• zaokrąglenie szczytu i dna bruzdy gwintu R: w gwintach trójkątnych unika się pozostawiania ostrych krawędzi szczytu gwintu, jak i bruzdy gwintu, gdyż powoduje to spiętrzenie naprężeń w obszarze takiego karbu. Promień R typowo wynosi około jedną dziesiątą część skoku gwintu;
Parametry definiujące geometrię gwintu
Gwinty najogólniej można podzielić ze względu na system miar na dwie grupy:
metryczne– kąt zarysu gwintu wynosi 60°, a wymiar skoku podany jest w [mm]
calowe – kąt zarysu to 60° lub 55°, wymiar skoku podany jest w ilości zwoi gwintu na 1 cal (czyli 25,4 mm)
W obu grupach można wyodrębnić jeszcze podział gwintów ze wzg. na pochylenie: walcowei stożkoweoraz ze względu na umiejscowienie: zewnętrzne(męskie) i wewnętrzne(żeńskie).
Gwint a) walcowy b) stożkowy
Występuje też jeszcze podział ze wzg. na kierunek na gwinty prawe i lewe. Rodzajów gwintów występuje bardzo wiele, ale niektóre z nich zostały objęte procesem normalizacji i dzięki temu to one są najważniejsze i najczęściej stosowane w przemyśle oraz w urządzeniach codziennego użytku.
Gwint metryczny M (ang. ISO metric fine) – o zarysie trójkątnym walcowym, kąt 60°, który jest stosowany w większości krajów europejskich, w tym również w Polsce, o oznaczeniu M – metryczny zwykły i MF – metryczny drobnozwojny.
Gwint rurowo-walcowy G (ang. Whitworth PipeThread)– gwint calowy o zarysie trójkątnym walcowym, kąt 55°, stosowany w połączeniach, gdzie wymagana jest szczelność gwintu.
Gwint amerykański zunifikowany UNC, UNF (ang. American UnifedCoarseThread) – gwint calowy o zarysie trójkątnym walcowym, kąt 60°, UNC- amerykański zunifikowany zwykły, UNF – amerykański zunifikowany drobnozwojny.
Gwint Whitwortha BSW, BSF (ang. Whitworth Thread) – gwint calowy o zarysie trójkątnym walcowym, kąt 55°, BSW – Whitwortha zunifikowanyzwykły, BSF – Whitwortha zunifikowany drobnozwojny.
Gwint trapezowy metryczny Tr (stara nazwa symetryczny ang. Trapezoidal Thread)– gwint stosowany w połączeniach ruchomych, występujący w urządzeniach przenoszących duże obciążenia (podnośniki samochodowe), pracujących przy małych prędkościach.
Gwint do rurek instalacyjnych stalowych Pg – gwint stosowany w instalacjach elektrycznych oraz systemach łączności. Naa Pg wywodzi z języka niemieckiego „Panzergewinde”. NPT o zbieżności 1:16 – (ang. American Standard Taper PipeThread) – gwint stożkowy, stosowany najczęściej, ale bez szczelności na gwincie. Szczelność na gwincie możemy uzyskać stosując gwint NPTF.
Gwint amerykański rurowo-stożkowy NPTF (ang. Dryseal) o zbieżności 1:16 ze szczelnością uzyskiwaną na gwincie. Gwint NPTF posiada te same wymiary otworu pod gwint oraz skok jak NPT. Stosuje się go w dokładnie pasowanych połączeniach.
ACME– amerykański trapezowy calowy, ogólnego zastosowania.
Stub ACME – gwint trapezowy calowy o niskim profilu. Zastosowanie ma w układach napędowych, pokrywach cylindrów oraz mechanizmach kierowniczych.
UNEF (ang. UnifiedNationalExtra Fine ThreadSeries)– stosuje się w przypadkach krótkiego gwintu lub cienkościennej ścianki rur.
UN ( ang. UnifiedNationalConstantPitch ThreadSeries ) – gwint o stałej podziałce zależnej od wielkości gwintu.
UNS ( ang. UnifiedNationalThreadsOf Special DiametersAnd Pitches ) – gwinty ze specjalnymi średnicami oraz podziałkami gwintu.