Przewody hydrauliczne
Podstawą elastycznych połączeń hydraulicznych są węże hydrauliczne czyli elastyczne elementy do przesyłania płynów (w przypadku hydrauliki) lub gazów (dla pneumatyki) z jednego punktu do drugiego. Sam wąż jednak jest niewystarczający aby zapewnić przesył wspomnianego medium. Jedyny przypadek kiedy można uznać, że sam wąż wystarczy, to sytuacja w której chcielibyśmy przelewać płyn z jednego zbiornika do drugiego, ale to nie jest rozwiązanie, które nas interesuje z punktu widzenia połączeń w układach hydraulicznych. W naszym przypadku chcemy zapewnić stałe, bezpieczne i szczelne połączenie miedzy poszczególnymi podzespołami układu. W tym celu posłuży nam przewód hydrauliczny czyli zespół składający się w zasadzie z samego węża i połączeń krańcowych. To właśnie wąż jest elastyczną częścią zespołu, a jego rodzaj zależy od aplikacji i środowiska w jakim będzie pracował.
Węże gumowe – budowa i klasyfikacja
Jeżeli popatrzymy na budowę węża, to można wyodrębnić tu trzy kluczowe elementy (warstwy), tj. warstwę wewnętrzną - tą która ma bezpośrednio kontakt z medium jakie płynie w wężu, wzmocnienie (zbrojenie) odpowiedzialne za parametry wytrzymałościowe węża oraz warstwę zewnętrzną odpowiedzialną za zabezpieczenie wzmocnienia.
W zależności od normy, zgodnie z którą został wykonany wąż, jego budowa może posiadać różne rodzaje i ilości wzmocnienia oraz różne rodzaje warstw wewnętrznych i zewnętrznych. Nie mniej jednak węże hydrauliczne możemy podzielić na dwie główne grupy: węże gumowe oraz węże termoplastyczne. Jeszcze do niedawna na rynku górowały węże gumowe, ale silny rozwój rynku tworzyw sztucznych spowodował znaczący wzrost sprzedaży węży termoplastycznych z uwagi na ich zalety w stosunku do węży gumowych. Globalny rynek węży hydraulicznych został wyceniony na 1,94 mld USD w 2020 r. i oczekuje się, że osiągnie 2,85 mld USD do 2027 r., przewiduje się także, że światowy rynek węży termoplastycznych osiągnie wartość 4,01 mld USD do 2030 r. Należy tu jednak podkreślić, że rynek węży termoplastycznych jest znaczenie większy, gdyż obejmuje on nie tylko węże hydrauliczne, ale szeroką gamę węży przemysłowych.
Warstwa wewnętrzna inaczej nazywana jako rura (ang. tube).
Jej funkcją jest przechowywanie i transport medium roboczego. Ponadto chroni również zewnętrzne elementy wzmocnienia węża przed ewentualną agresją transportowanej cieczy. Materiał rury wybierany jest spośród wielu kauczuków syntetycznych. Skład chemiczny związków powinien być dobrany tak, aby spełniał wymagania aplikacji, w której będzie pracował wąż. Zasadniczo istnieje kilka typowych rodzin materiałów zapewniających specjalne właściwości stosowanych w połączeniach hydraulicznych,
Wzmocnienie inaczej nazywane zbrojeniem (ang. reinforcement).
Sama rura z pewnością nie może zapewnić odporności na ciśnienie transportowanego płynu. W rzeczywistości, jak wspomniano powyżej, konstrukcja rury uwzględnia jedynie jej zgodność z płynem, który ma transportować. Z uwagi na bardzo szeroki zakres ciśnień występujących w układach hydraulicznych węże muszą posiadać odpowiednie wzmocnienia. Element ten został właściwie nazwany wzmocnieniem, ponieważ jego zadaniem jest nadanie wężowi odpowiedniej wydajności ciśnieniowej, inaczej mówiąc odpowiednich właściwości mechanicznych.
Zastosowany rodzaj zbrojenia klasyfikuje węże w dwóch podstawowych rodzinach:
• węże z oplotem plecionym (stalowym lub tekstylnym).
• węże z oplotem spiralnym (stalowym).
Należy pamiętać, że wytrzymałość ciśnieniowa węża musi być wyższa niż ciśnienie robocze. Współczynnik bezpieczeństwa jest zdefiniowany jako stosunek ciśnienia rozrywającego do maksymalnego ciśnienia roboczego. Dla zastosowań hydraulicznych współczynnik bezpieczeństwa jest wymagany przez międzynarodowe standardy na poziomie 4:1, niektóre specjalne zastosowania statyczne, na przykład czyszczenie wodą (ISO 7751) mają współczynnik bezpieczeństwa 2,5:1. W przypadku zastosowań niskociśnieniowych (do 100 barów) można zastosować wzmocnienia tekstylne takie jak tkaniny nylonowe, wiskozowe lub poliestrowe. Gdy ciśnienie wzrasta, potrzebne są mocniejsze materiały i stosuje się wtedy spirale lub plecionki z drutu stalowego. Węże w oplocie drucianym posiadają na ogół jedną lub dwie warstwy zbrojenia (w niektórych przypadkach nawet trzy), podczas gdy węże spiralne mają zwykle cztery lub sześć warstw. Zastosowanie plecionek i spiral można również mieszać w zależności od wymagań konkretnego projektu. Pomiędzy każdą warstwą oplotów lub spiral umieszcza się warstwę pośrednią gumy lub taśmę przerywającą, aby uzyskać efekt połączenia i zapobiec zużyciu ciernemu między drutami.
Wzmocnienie a) plecione, b) spiralne
Oplot z tkaniny to tkanina pleciona, często impregnowana klejem gumowym. Jest to najlepsze rozwiązanie, gdy wymagana jest minimalna waga i rozpraszanie ciepła, a niewymagana jest wysoka odporność ciśnieniowa.
Na rynku dostępne są też węże bez osłony, zbrojone oplotem plecionym ze stali nierdzewnej, ale są to węże z rurą wykonaną z PTFE zamiast gumy. Daje to możliwość zastosowania węża do bardzo wysokich temperatur medium.
Warstwazewnętrzna inaczej nazywana osłoną (ang. cover).
Środowisko, maszyny i sami operatorzy mogą uszkodzić zbrojenie. Do jego ochrony służy osłona, najbardziej zewnętrzny element węża. Istnieje kilka rodzajów osłon, każda projektowana jest w zależności od określonych wymagań: ekonomiczności, bezpieczeństwa, odporności na ścieranie, odporności chemicznej itp. Nawet estetyka to cecha związana z wyborem osłony (np. kolor). Gumowa osłona może być gładka lub też posiadać specyficzne „zawijane” wykończenie, które może sugerować, że warstwa zewnętrzna została nawinięta z taśmy. Nie jest to jednak prawdą, gdyż specyficzne „zawijane” wykończenie to efekt, który powstaje podczas wulkanizacji, ponieważ stosuje się mokrą taśmę nylonową aby zabezpieczyć gumę przed rozpłynięciem i zagwarantować jednakową grubość warstwy zewnętrznej na całym obwodzie węża i na całej jego długości. Po procesie wulkanizacji taśma nylonowa zostaje usunięta i pozostawia wąż z odciskiem. Stosowana jest również wulkanizacja wolna, podczas której wąż jest bezpośrednio wulkanizowany bez jakiejkolwiek metody owijania lub kształtowania. Para o wysokiej temperaturze styka się bezpośrednio z zewnętrzną gumową osłoną węża. Pozwala to zaoszczędzić czas i materiały podczas całego cyklu produkcyjnego. W przypadku osłony szczególną uwagę należy zwrócić na zachowanie tolerancji wymiarów i unikanie lokalnych defektów.
W celu lepszego zrozumienia kryteriów wyboru w zakresie inżynierii, projektowania i budowy węży warto wspomnieć o głównych normach międzynarodowych dotyczących węży w oplocie drucianym i tekstylnym oraz węży ze spiralą drucianą. Ogólnie rzecz biorąc, Europa i rynki tradycyjnie związane z Europą mają tendencję do odwoływania się do norm EN, podczas gdy rynki amerykańskie i rynki tradycyjnie związane z Ameryką do norm SAE. Obie normy określają minimalne wymagania i właściwości dla wszystkich różnych kategorii węży. Poniżej, w tabeli przedstawiono normy najbardziej kluczowe dla węży gumowych stosowanych w układach hydrauliki siłowej.
Normy określają głównie:
• wymiary fizyczne (średnice wewnętrzne, zewnętrzne, grubość osłony itp.),
• wymagania hydrostatyczne tj. maksymalne ciśnienie robocze/rozrywające,
• minimalny promień gięcia,
• wymagania dotyczące testowania i kwalifikacji.
W celu konsolidacji wszystkich norm wprowadzono normy ISO, które mają na celu połączenie zarówno SAE, jak i EN w jeden spójny dokument obowiązujący na całym świecie.
W praktycznym ujęciu możemy podzielić węże gumowe na: węże z oplotem plecionym tekstylnym – jedno i dwu oplotowe, węże z oplotem plecionym stalowym – jedno i dwu oplotowe oraz węże z oplotem spiralnym – cztero i sześcio oplotowe. Ilość i rodzaj zastosowanych oplotów ma znaczący wpływ na wytrzymałość ciśnieniową węża, należy jednak pamiętać, że to nie sama wytrzymałość węża definiuje nam wytrzymałość ciśnieniową przewodu hydraulicznego, lecz znaczenie ma tu też rodzaj zastosowanego systemu połączenia.
W tabeli powyżej przedstawiono zestawienie wytrzymałości ciśnieniowej przewodów hydraulicznych, gdzie kolumny stanowią podział ze względu na rozmiar zastosowanego węża. Jak można zauważyć rozmiar przedstawiony jest w dwóch jednostkach miary: w calach oraz wspomnianych już wcześniej dashach. Nie są to jedyne jednostki jakie stosuje się przy wymiarowaniu węży. Na rynku funkcjonuje jeszcze jedna miara, a mianowicie średnica nominalna DN (ang. Nominal Diameter), stanowiąca zaokrąglenie miary w milimetrach. W przypadku węży hydraulicznych rozmiar podaje się jako średnicę wewnętrzną węża. Wyjątek stanowią tutaj węże PTFE i zgodne z normą SAE 100 R5, gdzie podany rozmiar dotyczy średnicy zewnętrznej rury, tj. warstwy wewnętrznej węża. Poniżej przedstawiono typowe rozmiary węży hydraulicznych.
Dobór właściwej średnicy węża jest kluczowy, aby zapewnić prawidłowe funkcjonowanie układu hydraulicznego. Zastosowanie zbyt małej średnicy lub za dużej może skutkować dużymi stratami ciśnienia lub co gorsze, prowadzić do powstania turbulentnego przepływu, a co za tym idzie, do pojawienia się kawitacji. Prawidłowy dobór średnicy wymaga znajomości wartości natężenia przepływu [l/min] oraz prędkości przepływu [m/s]. Przepływ w układzie hydraulicznym jest z reguły znany lub też łatwy do określenia - znając parametry zastosowanej pompy hydraulicznej. Problem dla użytkowników układów hydraulicznych stanowi dość często prędkość przepływu. Z pomocą przychodzi tutaj norma PN-ISO 4413:2011, gdzie podane są maksymalne wartości, których nie należy przekraczać w zależności od umiejscowienia w układzie:
a) dla linii ssących: 1,2 m/s,
b) dla linii ciśnieniowych: 5 m/s,
c) dla linii powrotnych: 4 m/s.
Na podstawie tych dwóch danych, tj. natężenia przepływu i prędkości można, korzystając z diagramu przedstawionego na poniżej, w łatwy sposób określić wymaganą średnicę przewodu. Diagram ma też zastosowanie w przypadku połączeń sztywnych.
Posługiwanie się diagramem jest bardzo łatwe. Na osi po lewej stornie wybieramy punkt odpowiedniej dla danej linii prędkości, a na osi po prawej punkt odpowiedni do natężenia przepływu w układzie. Łącząc te dwa punkty linią otrzymamy na przecięciu ze środkową osią wartość średnicy nominalnej. W przypadku gdy punkt przecięcia wypadnie pomiędzy dwoma wartościami przyjmuje się zawsze wartość wyższą, aby nie przekroczyć maksymalnej zalecanej prędkości przepływu.
Wszystkie kluczowe informacje dotyczące węża hydraulicznego, tj. norma w jakiej został wykonany, rozmiar, ciśnienie robocze WP (ang. Working Pressure), zakres temperatur w jakich może pracować oraz datę produkcji można zawsze znaleźć na oznaczeniu, na jego warstwie zewnętrznej, o ile w związku z użytkowaniem nie zostały oznaczenia wytarte.