SEMINARSKI RAD Proračun hidrauličkog sistema Uljna hidraulika i pneumatika
Uvod: Na slici je prikazan hidraulički sistem koji služi za pomjeranje tereta (A) težine G=18 kN. Hidraulički cilindar se zbog konstruktivnih razloga nalazi na udaljenosti l=800 mm od tereta (A). Ukupna dužina potiskivanja tereta (A) po kosoj ravni iznosi 2900 mm, nakon čega se hidraulički cilindar vraća u prvobitni položaj. Koeficijent trenja između površine tijela (A) i kose ravne je μ=0,17 . U toku kretanja klipa ostvaruju se slijedeće brzine: • V1=0,10 m/s • V2=0,25 m/s • V3=0,20 m/s • V4=0,45 m/s
od tačke B do tačke C od tačke C do tačke D od tačke D do tačke E od tačke E do tačke B
Tehnologija rada mehanizma zahtjeva da se klip sa tijelom zaustavi između tačke D i E pa je neophodno obezbijediti sigurno držanje sistema u zatečenom položaju. Postavljeni zadatak treba riješiti ugradnjom pumpe konstantnog kapaciteta. Potrebno je: A/ Prikazati konstrukciju hidrauličkog sistema i dati detaljan opis svih elemenata koji su prikazani B/ Proračunati hidraulički sistem B1/ Proračun najveće vrijednosti vanjske sile B2/ Proračun prečnika klipa i klipnjače B3/ Proračun potrebnog kapaciteta pumpe B4/ Proračun potrebnog pritiska pumpe
1
A/ Konstrukcija hidrauličkog sistema i detaljan opis svih elemenata koji su prikazani Princip rada datog hidrauličkog sistema: Promjena protoka vrši se podešavanjem prigušnog ili regulacionog ventila.Razlika količine ulja koju daje pumpa i količine koja je prtrebna hidrocilindru potiskuje se preko ventila za ograničenje pritiska u rezervoar.Upodručju sistema od pumpe do prigušnog ventila vlada pritisak podešen na ventilu za ograničenje pritiska.Ukupan gubitak energije u sistemu jednak je sumi dijela energije koji se na ventilu za ograničenje pritiska pretvori u toplotu i gubitaka u cjvovodu i elemntima hidrauličkog sistema.Preko razvodnika se upravlja smjerom protoka radnog medija.
Slika 1.0 Hidraulički sistem
Pozicija 1- pumpa Pumpe su strojevi u kojima se izvana dovedena mehanička energija transfomira u energiju radnog fluida.Za pogon pumpe obično se koriste elektromotori,a u mobilnoj hidraulici motori sa unutrašnjim sagorjevanjem.Pumpe se dijele u dvije osnovne kategorije:volumenske pumpe i dinamičke.Zapreminske pumpe transportuju fluid putem smanjenja zapremine komora u pumpi.Koriste se za relativno male protoke uz relativno velike visine dobave.Princip rada zapreminske pumpe prikazan je na slici 1.1.1.Pomjeranjem klipa ulijevo obavlja se faza usisa a pomjeranjem klipa udesno faza tlačenja (potiskivanja) cilindra.Takođe su prikazani usisni I tlačni ventil,koji su nužno prisutni.Kod pumpi se zbog nepovoljnog redoslijeda promjene pritiska najčešde se koristi samoradni ventil(bez vanjski intervencije).Tokom usisa,otvara se usisni ventil (donji) I zatvara tlačni (gornji) pomodu podpritiska u cilindru,dok se tokom tlačenja otvara tlačni ventil uz istovremeno zatvaranje usisnog ventila. 2
Slika 1.1Pricip rada zapreminske pumpe
Teorijski protok kroz zapreminsku pumpu jednak je proizvodu broja obrtaja n i radne zapremine pumpeV.Stvarni protok kroz pumpu jednak je: Q=
nV
- zapreminski stepen iskorištenja pumpe n- broj obrtaja pumpe [o/min ] V- specifični protok pumpe *
/o]
Snaga pumpe jednaka je umnošku momenta na spojci i ugaone brzine. P= Mω M- moment na vratilu [Nm] ω- ugaona brzina [s-1 ] Izraz za izračunavanje snage pumpe može se definisati kao
= - prirast pritiska u pumpi [bar],
- ukupni stepen iskorištenja pumpe
Pozicija broj 2-sigurnosni ventil Osiguravaju da pritisak u sistemu ne prijeđe maksimalnu dopušteniu vrijednost.Koriste se kao sigurnosni ventili (za zaštitu od prekomjernog pritiska),kao kočni ventili (za zaštitu od hidrauličkih udara )koji nastaju npr. prilikom zatvaranja razvodnika.Tipično se postavljaju na izlazu pumpe za zaštitu pumpe.U ventila za ograničavanje pritiska često se ugrađuju prigušni klipovi ili prigušnica za smanjenje brzine zatvaranja jer time sprečavamo nastajanje hidrauličkog udara što je osnovna bit sigurnosnog ventila.Na slici 1.2 prikazan je šema sigurnosnog ventila.Na ventilu se skračivanjem/produživanjem opruge namjesti željeni maksimalni pritisak pri kojem de pritisak na pladanj ventila savladati silu u opruzi,gurnuti pladanj i na taj način otvoriti ventil.Pritsak otvaranja veči je od pritiska zatvaranja ventila za 10-15%.
Slika 1.2 Sigurnosni ventil
3
Pozicija broj 3- razvodnik Razvodnici su uljno hidrauličke komponente koji priključak ulja pod pritiskom spajaju sa jednim ili više cjevovoda koju vodi ka i od izvršnog organa.Sa njima se vrši izbor smjera kretanja izvršnog organa.Razvodnici imaju više priključaka,pri čemu se priključak ulja pod pritiskom ,obično je to vod koji dolazi od pumpe ,označava sa P dok se priključak u povratnoj grani koji obično vodi ka rezervoaru označava sa R.Priključci koji spajaju razvodnik sa izvršnim organima označavaju sa A,B,C…Razvodnik se obično označava sa dva broja npr.m/n gdje je m broj priključaka a n broj položaja.Tako npr razvodnik 4/3 na slici 1.3 ima 4 priključka i 3 radna položaja.Ovakav razvodnik se najčešde koristi za upravljanje rada hidrauličkog cilindra.Razvodnici u kojima se strujanje obavlja u malim kanalima ili u procjepima što znači da u njima postoji veliki padovi pritiska to jest gubici energije.Zbog velikih prigušenja koji su prisutni u razvodnicima gubitak strujne energije se pretvara u toplotu što se manifestuje sa porastom temperature radnog fluida.Razvodnici su dakle lokalni otpori te se zato na njima pad pritiska,za jedan položaj klipa koji je definisan sa konstantnim procjepom određuje kao:
Δp= Međutim ovaj oblik za pad pritiska se rijetko upotrebljava,ved se koristi oblik preko protoka Δp=aV
2
a= a-koeficijent hidrauličke karakteristike i A mjerodavna površina poprečnog presjeka
Slika 1.3.1 Hidraulička karakteristika razvodnika
Slika 1.3 Razvodnik
Osnovne karakteristike hidrauličkih razvodnika su konstrukcija,nazivna veličina,broj radnih položaja,broj hidrauličkih priključaka i način aktiviranja.Prema konstrukciji razvodnici se mogu podjeliti na klipne,pločastei razvodnici sa sjedištem.Prema načinu aktiviranja hidrauličkih razvodnika može biti ručni,opružni,hidraulički,pneumatski I elektromagnetni. 4
Pozicija broj 4-prigušni ventil Kod najjedenostavnije konstrukcije prigušnih ventila protok je zavisan od veličine pritiska i temperature.Ventil prikazan na slici 1.4 ima ugrađen nepovratni ventil pa je protočan u oba smjera.kod toka ulja pravcem A-B protok ulja se prigušuje ovisno od veličine slobodne površine koja se formira u prostoru između sjedišta i konusnog klipa.Veličina površine protoka se podešava promjenom položaja vijka (2) i konusnog klipa. Kod toka ulja pravcemB-A otvara se nepovratni ventil ,pa ulje slobodno protiče kroz njega,što znači da se u tom pravcu ne vrši regulacija ulja. Kod konstantne vrijednosti slobodne površine kroz koju protiče ulje,protok je funkcija razlike pritisaka ispred i iza ventila,što znači da svaki poremećaj pritiska utiče na veličinu protoka kroz ventil.
Slika 1.4 Presjek nepovratno-prigušnog ventila 1.tijelo 2. vijak sa klipom 3. navrtka 4.tijelo nepovratnog ventila 5.opruga
Pozicija broj 5 -hidrocilindar Hidraulički cilindri se bitno razlikuju od pneumatskih cilindara.Zbog vedih tlakova i sila moraju biti robusnije konstrukcije,a i povedan je problem brtvljenja.Obzirom da je radni medij ulje pojavljuje se problem curenja ulja prodrlog kroz brtva pa je potrebno predvidjeti odvod tog ulja.Takođe prilikom pražnjenja cilindra mora se ulje odgovarajudem vodovima vratiti u rezervoar.Hidraulički cilindri imaju dva otvora(po jedan na prednjoj i na stražnjoj strani) za odzračivanje. Kroz te otvore održavanje se vrši pomodu vijka ili automatskog ventila za odzračivanje. Dijelovi hidrauličkog cilindra su prikazani na slici 1.5.
5
Slika 1.5 Hidraulički cilindar: 1-plašt,2-štap,3-klipnjača,4-prednji poklopac,5-stražnji poklopac,6-7- priključci za ulje
Cilindri mogu jednoradni i dvoradni.Kod jednoradnih cilindara ulje pod pritiskom dovodi se samo sa jedne strane klipa koji vrši koristan rad samo u jednom smjeru.Povratno kretanje ostvaruje se oprugom slika 1.5.1 ili težinom tereta slika 1.5.2
Slika 1.5.1
Slika 1.5.2
Dvoradni cilindri vrše rad u oba smjera.Za upravljanje dvoradnih cilindara koriste se razvodnici 4/2 i 5/2.Cilindri kod kojih je odnos prednje i stražnje površine 2:1 nazivaju se diferencijalni cilindri.Cilindri sa dvostranom slika 1.5.3 klipnjačom imaju jednaku prednju i stražnju površinu tako das u sile i brzine jednake u oba smjera.
Slika 1.5.3
Brzina kretanja klipa v jednaka je: v= Pri čemu je Q protok radnog fluida kroz priključni cjevovod,S aktivna površina klipa a zapreminski stepen iskorištenja .Sila klipnjače F jednaka je F= Pri čemu je raspoloživi pad pritiska ,a obzir mehanički i hidrauličke gubitke
mehanički stepen iskorištenja cilindra koji uzima u
6
Snaga cilindra P jednaka je
P= Pri čemu je
ukupni stepen korisnog dijelovanja cilindra (
0,7-0,9)
B/ Proračunati hidraulički sistem B1/ Proračun najveće vrijednosti vanjske sile
Slika 2.0
Najveda vanjska sila se javlja pri pomjeranju tereta od tačke C do tačke D jer tada imamo najvede ubrzanje(naravno posmatrjudi radni hod) pa shodno tome i najveda inerciona sila se javlja na tom dijelu. Na slici 2.0 je usvojen koordinatni sistem na osnovu kojeg demo težinu G razložiti na komponente i i prikazan pravac i smjer djelovanja sile trenja i sila inercije Fin. =Gsin 𝛼=18000sin45 =12728 (N)
=Gcos𝛼=12500cos45 =12728 (N) =
𝜇=12728*0,17=2164 (N)
Brzina kretanja klipa od tačke C do D je v=0,2 5m/s a vrijeme ubrzavanja se usvaja t=0,5 s pa je ubrzanje jednako: a=
=0,5m/s2
Najveda vrijednost vanjske sile je
F=Fin+Gx+Ft=m*a+ Gsin 𝛼 +
𝜇 =15809N
B2/ Proračun prečnika klipa i klipnjače 7
Prečnik klipa se računa prema slededem izrazu: D= Gdje je sila F-ukupna vrijednost vanjske sile a P-pritisak koji usvajamo P=100(bar) pri čemu je D=81.93(mm) na osnovu čega mi usvajamo standrdni prečnik D=100(mm)
Površinu klipa računamo kao A=
=78,5(cm2)
Prečnik klipnjače Prečnik klipnjače se računa prema slededem izrazu: d=
=56(mm)
Gdje je h=3,7(m)-hod klipa,a 𝜈=5-stepen sigurnosti a E=2,1*1011-modul elastičnosti
Površina klipnjače A1=
=53,9(cm2)
B3/ Proračun potrebnog kapaciteta pumpe
Zapremina klipa u području B-C: V1=A L1=78,5*80=6280(cm3)
Vrijeme pomjeranja klipa u području B-C: t1= L1/ v 1=8(s)
Kapacitet pumpe od B-C: Q1= V1/ t1=6280*60/8=47100(cm3/min)
Zapremina klipa u području C-D: 8
V2=A L2=78,5*180=14130(cm3)
Vrijeme pomjeranja klipa u području C-D: t2= L2/ v 2=7,2(s)
Kapacitet pumpe od C-D: Q2= V2/ t2=14130*60/7,2=117750(cm3/min)
Zapremina klipa u području D-E: V3=A L3=78,5*110=8635(cm3)
Vrijeme pomjeranja klipa u području D-E: t3= L3/ v 3=5,5(s)
Kapacitet pumpe od D-E: Q3= V3/ t3=8635*60/5,5=94200(cm3/min)
Zapremina klipa u području E-B: V4= A1 L4=53,9*370=19943(cm3)
Vrijeme pomjeranja klipa u području E-B: t4= L4/ v 4=8,2(s)
Kapacitet pumpe od E-B: Q4= V4/ t4=19943*60/8,2=145924(cm3/min) Najvedi protok,odnosno kapacitet pumpe je potreban za povratni hod E-B tako da na osnovu njega biramo karakteristike potrebne pumpe. Potrebni kapacitet pumpe: Qp=145924(cm3/min) Usvajamo broj obrtaja elektromotora n=1450 ob/min i zapreminski koeficijent iskorištenja η=0,9,pa na osnovu tih veličina i maksimalnog protoka Q4 računamo specifični kapacitet: q= Q4/n* η=111,82 (cm3/ob)
B4/ Proračun potrebnog pritiska pumpe
9
Na osnovu pritiska usvajamo brzinu strujanja od v=3,5 m/s pa je prečnik cjevovoda jednak d=√
=3,08 (cm)
Usvajamo prečnik d=35 (mm) Rejnoldsov broj jednak je
Re=
=2100
Koeficjent trenja 𝜆 je 𝜆=
=
=0,031
Dužine cijevi su sljedede: L1=3 m – od pumpe do razvodnika L2=1 m –od razvodnoka do prigušnog ventila L3=1m –od prigušnog ventila do cilindra Linijski gubici Δp𝜆=𝜆*ρ
=0,25 bar
Lokalni gubici(dvije krivine): Δpς=2ρς
=890*0,5*2*
=0,05 bar
Na osnovu protoka pumpe s dijagrama očitavamo pad pritiska na razvodniku : ΔpP-A=2,1 bar Na osnovu protoka pumpe s dijagrama očitavamo pad pritiska na prigušnom ventilu: ΔpP=1,5 bar Na osnovu usvojenog pritiska u cilindru koji iznosi P=100 bar preko Bernulijeve jednačine računamo prirast pritiska u pumpi: Δp=P+ ΔpP-A+ Δp𝜆+Δpς+ ΔpP =100+2,1+0,25+0,05+1,5=103,9 bar Sigurnosni ventil postaviti tako da se otvara pri pritisku od oko 106 bar-a.
Proračun potrebne snage elektromotora Minimalna snaga elektromotora za pokretanje pumpe se računa prema izrazu: 10
N= Δp *Q/ηP=31,5 kW Za ηP =0,8
Popis slika Slika 1.0-Hidraulički sistem 11
Slika 1.1- Pricip rada zapreminske pumpe Slika 1.2 -Sigurnosni ventil Slika 1.3.1 -Hidraulička karakteristika razvodnika Slika 1.3 -Razvodnik Slika 1.4 -Presjek nepovratno-prigušnog ventila Slika 1.5 -Hidraulički cilindar Slika 1.5.1-Jednostrani cilindar sa oprugom Slika1.5.2 -Jednostrani cilindar sa težinom G Slika 1.5.1-Klip sa dvostranom klipnjačom Slika 2.0 Prikaz sila na tijelu
12
