Hidraulika

PNEUMATIKA I HIDRAULIKA

PNEUMATIKA i HIDRAULIKA I dio: Hidraulika Joško Petrić FSB Zagreb

Mehatronika i robotika (3.g.) Konstrukcijski smjer (meh. i roboti, 4.g.)

prof.dr.sc. Joško Petrić prof.dr.sc. Željko Šitum dr.sc. Mihael Cipek [email protected];; ured 309/4; tel. 6168-385 [email protected] [email protected];; ured 305; tel. 6168-437 [email protected] [email protected];; ured 308/1; tel. 6168-375 [email protected]

HIDRAULIKA I PNEUMATIKA (2+2) Proizvodno inženjerstvo (obr. sustavi, 5.g.) Utorak 8-10, prostorija 308 Ponedjeljak 13-15, prostorija 311

Sadržaj kolegija Kolegij upoznaje i uvodi u područje hidraulike i pneumatike. Upoznaju se fizičke osnove, elementi, njihovi simboli, te jednostavniji sustavi i upravljanje takvim sustavima.

HIDRAULIKA 

Uvod  

Ciljevi: Ciljevi: Razumjeti funkcioniranje osnovnih elemenata i jednostavnijih sustava hidraulike i pneumatike Poznavanje simbola i razumijevanje shema Moći odrediti osnovne karakteristike elemenata i sustava Biti sposoban projektirati jednostavniji hidraulički i pneumatski sustav













Definiranje hidraulika i pneumatike Primjene, prednosti i nedostaci, povijesni osvrt

Fizičke osnove Svojstva fluida Pumpe i motori Cilindri Ventili Ostali elementi

(Analiza (Anal iza i sinteza)

1

 

Hidraulički sustavi Planiranje i održavanje sustava

PNEUMATIKA 







Uvod Elementi Pneumatsko upravljanje Elektropneumatika

Predavanja – četvrtak 11 - 14 h (dvorana (dvorana III) Vježbe – 



auditorne – ponedjeljak 13 – 15 h (dvorana (dvorana III) laboratorijske –  Laboratorij u TŠ Ruđera Boškovića (u poslijepodnevnim terminima ut. (ili sri.), (početkom studenog, krajem studenog, te u prvoj polovici prosinca)  Laboratorij za automatiku i robotiku, A -307

SERVO i PROPORCIONALNI SUSTAVI

Pohađanje nastave i ispiti Za potpis: 75 % pohađanja predavanja i vježbi (zbirno) Ispit:

prolaz na kolokviju: 40 % ukupno,


(predviđeno za one koji redovito pohađaju nastavu, tj. imaju pravo na potpis, nije predviđen rezervni rok)

redoviti ispit – pismeni i usmeni, prolaz pismenog iznad iznad 50 %, pismeni vrijedi za dva usmena

Literatura 

http://titan.fsb.hr/~jpetric/Udzbenici - Petrić, “Hidraulika”, “Hidraulika”, 2013. http://titan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja - Petrić, slajdovi slajdovi s predavanja predavanja http://titan.fsb.hr/~mcipek - Cipek, Petrić, Petrić, razni materijali materijali



Nikolić: Pneumatika i elektropneumatika, elektropneumatika, Zrinski, 2007.

 

Siminiati: Uljna hidraulika, Sveuč. u Rijeci, 2012. Korbar: Pneumatika i hidraulika, 2007, www.vuka.hr ...



 



+ usmeni (na kraju)

+ usmeni (na kraju) (predviđeno za one koji redovito pohađaju nastavu, tj. imaju pravo na potpis, nije predviđen rezervni rok)



Ispit: 2 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni,

3 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni,



Hidraulika i pneumatika (PI-OS):

Ivantysyn & I vantysynova: Hydrostatic Pumps and Motors, Tech Books International, 2003. R.W.Henke: Fluid Power Systems & Circuits G.R.Keller: Hydraulic System Analysis

... Web stranice proizvođača i organizacija:  BoschRexroth, Festo, ...  http://www.hydraulicspneumatics.com/  http://fluid.power.net/

(I: čet. 01.12.2016., 01.12.2016., II: čet. 22.12.2016) redoviti ispit – pismeni i usmeni, prolaz pismenog iznad iznad 50 %, pismeni vrijedi za dva usmena

Što je pneumatika i hidraulika? Hidraulika & pneumatika: pneumatika: dio pogonske tehnike gdje se rješenje raznih pogonskih zadataka izvršava pomoću pretvorbe, upravljanja, regulacije i prijenosa energije putem tekućeg ili plinovitog stlačenog medija. (Fluidtechnik von A bis Z, Ölhydraulik und Pneumatik ) Hidraulika: prijenos energije i informacija putem stlačene tekućine Hidraulika: (kapljevine): hidrodinamika hidrostatika Pneumatika: energija i informacija prenose se stlačenim plinom, Pneumatika: najčešće stlačenim zrakom

2

 

Hidraulički sustavi Planiranje i održavanje sustava

PNEUMATIKA 







Uvod Elementi Pneumatsko upravljanje Elektropneumatika

Predavanja – četvrtak 11 - 14 h (dvorana (dvorana III) Vježbe – 



auditorne – ponedjeljak 13 – 15 h (dvorana (dvorana III) laboratorijske –  Laboratorij u TŠ Ruđera Boškovića (u poslijepodnevnim terminima ut. (ili sri.), (početkom studenog, krajem studenog, te u prvoj polovici prosinca)  Laboratorij za automatiku i robotiku, A -307

SERVO i PROPORCIONALNI SUSTAVI

Pohađanje nastave i ispiti Za potpis: 75 % pohađanja predavanja i vježbi (zbirno) Ispit:



(predviđeno za one koji redovito pohađaju nastavu, tj. imaju pravo na potpis, nije predviđen rezervni rok)

redoviti ispit – pismeni i usmeni, prolaz pismenog iznad iznad 50 %, pismeni vrijedi za dva usmena

Literatura 

http://titan.fsb.hr/~jpetric/Udzbenici - Petrić, “Hidraulika”, “Hidraulika”, 2013. http://titan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja - Petrić, slajdovi slajdovi s predavanja predavanja http://titan.fsb.hr/~mcipek - Cipek, Petrić, Petrić, razni materijali materijali



Nikolić: Pneumatika i elektropneumatika, elektropneumatika, Zrinski, 2007.

 

Siminiati: Uljna hidraulika, Sveuč. u Rijeci, 2012. Korbar: Pneumatika i hidraulika, 2007, www.vuka.hr ...



 



+ usmeni (na kraju)

+ usmeni (na kraju) (predviđeno za one koji redovito pohađaju nastavu, tj. imaju pravo na potpis, nije predviđen rezervni rok)



Ispit: 2 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni,

3 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni,



Hidraulika i pneumatika (PI-OS):

Ivantysyn & I vantysynova: Hydrostatic Pumps and Motors, Tech Books International, 2003. R.W.Henke: Fluid Power Systems & Circuits G.R.Keller: Hydraulic System Analysis

... Web stranice proizvođača i organizacija:  BoschRexroth, Festo, ...  http://www.hydraulicspneumatics.com/  http://fluid.power.net/

(I: čet. 01.12.2016., 01.12.2016., II: čet. 22.12.2016) redoviti ispit – pismeni i usmeni, prolaz pismenog iznad iznad 50 %, pismeni vrijedi za dva usmena

Što je pneumatika i hidraulika? Hidraulika & pneumatika: pneumatika: dio pogonske tehnike gdje se rješenje raznih pogonskih zadataka izvršava pomoću pretvorbe, upravljanja, regulacije i prijenosa energije putem tekućeg ili plinovitog stlačenog medija. (Fluidtechnik von A bis Z, Ölhydraulik und Pneumatik ) Hidraulika: prijenos energije i informacija putem stlačene tekućine Hidraulika: (kapljevine): hidrodinamika hidrostatika Pneumatika: energija i informacija prenose se stlačenim plinom, Pneumatika: najčešće stlačenim zrakom

2

Što je pneumatika i hidraulika? Hidrostatika: Osnovni princip rada hidrostatičkih strojeva i sustava zasnovan je na Pascalovom zakonu iz 1651. god.: „ U fluidu u mirovanju tlak se širi jednoliko u svim smjerovima“. smjerovima“.

F 1

To znači da je moguće je prenositi sile koristeći tlak fluida, a tlak p u sustavu predstavlja omjer sile F koja djeluje na fluid i pripadajuće površine A .

x 1

x 2 2

A1

F 2 2

Blaise Pascal: Pascal: 19. lipnja 1623. – 1662. 1662.,, francuski francuski matematičar, fizičar, filozof i izumitelj

A2

p

Thisimagecann otcurrently bedisplayed.

Što je pneumatika i hidraulika?

Proglašen danom zaposlenih u hidraulici i pneumatici (Fluid Power Professional‘s Day International Fluid Power Society Society - IFPS www.ifps.org )

Što je pneumatika i hidraulika? Porijeklo riječi „hidraulika“ dolazi od grčkih riječi za vodu ( hýdōr ) i cijev (aulós ). ). Engl. izraz, njem. izraz ? “Fluid power”

Dobra i sažeta definicija za hidrauliku i pneumatiku (odnosno fluid power – tehniku fluida ) jest: To je tehnologija korištenja svojstava stlačenog fluida u g eneriranju, upravljanju i prijenosu snage.

Tokk energije kroz hidraulički sustav To (isto važi i za pneumatski sustav)

„pneuma” – gr. dah

Što je pneumatika i hidraulika? Pretvorba mehaničke energije u energiju fluida, i obrnuto, obavlja se u hidrauličkim strojevima. Princip rada jednog hidrostatičkog stroja prikazan je na primjeru jednostavne linearne klipne pumpe. Hidrostatičke pumpe rade tako da „uhvate“ određeni volumen fluida u nekom prostoru tijekom ciklusa usisavanja, prenose ga dalje raznim elementima (klipovima, zupčanicima, vijcima, krilcima, ..), a zatim se prostor u koji je fluid uhvaćen smanjuje tijekom ciklusa tlačenja. Fluid se šalje dalje u hidraulički sustav, sustav, a tlak u sustavu ovisi o otporima unutar hidrauličkog sustava. Ciklusi usisavanja i tlačenja neprestano se izmjenjuju i preklapaju (npr (npr.. ako s e zamisli više klipova koji su u različitim fazama). Hidrostatički motori rade naprosto obrnut proces proces – stlačeni fluid „gura“ mehaničke elemente motora motora (opet su to klipovi, zupčanici, krilca, ..) koji onda obavljaju neki rad.

Što je pneumatika i hidraulika? Positive displacement machines - taj pojam dobro ilustrira „volumenski“ princip rada hidrostatičkih strojeva ( displacement – – volumen, istiskivanje, premještanje), (njem.– Verdrängermaschinen ) Tehnička enciklopedija : pumpe se dijele na dinamičke i volumenske. volumenske.

Dinamičke (non – p.d.m.) se definiraju definiraju kao pumpe u kojima se se kapljevina prenosi djelovanjem sila koje na njih djeluju u prostoru što je neprekidno povezan povezan s usisnim i tlačnim cjevovodima cjevovodima pumpe. (primjer turbinske, centrifugalne, ..). U volumenskim pumpama kapljevine se prenose pomoću periodičkih promjena volumena prostora što ga zauzima kapljevina, a koji se povremeno i naizmjenično povezuje s usisnim i tlačnim cjevovodima pumpe (time je omogućen znatno veći radni tlak volumenskih (hidrostatičkih) strojeva).

3

Jedan osnovni hidraulički krug

Hidraulička shema

Prednosti i nedostaci Prednosti i nedostaci

Prednosti Gustoća snage

Prednosti Gustoća snage

Elektromotorni pogon s permanentnim magnetima volumenska gustoća momenta je oko 0.03 Nm/cm3 (u usporedbi s gustoćama momenta i snage s drugim elektromotorima, taj stroj zbog pobude s permanentnim magnetima visoke energije je među boljima).

F = p ⋅ L ⋅ h

F = I ⋅ B ⋅ L ⋅ sin α

P = T ⋅ ω = p ⋅ L ⋅ h ⋅ r ⋅ ω

P = T ⋅ ω = I ⋅ B ⋅ L ⋅ sin α ⋅ r ⋅ ω

I = J ⋅ b ⋅ h

Prednosti i nedostaci Prednosti Gustoća snage Posljedica lakoće i male veličine – veliki omjer okretnog momenta i momenta tromosti hidrauličkog motora, dakle velika sposobnosti ubrzanja. R ed veličine omj era okretnog momenta i momenta tromosti za man je hidromotore kreće se oko 105 Nm/kgm2, dok se ubrzanje većih neopterećenih hidromotora kreće oko 0.3�105 rad/s2, a onih manjih i do 3.4�105 rad/s2 pri tlaku od 200 bara. Takve vrijednosti su znatno bolje od električnih pogona. Štoviše, kako pri rotacij i nema pojava poput protu-elektromotorne sile , mogućnost ubrzanja je približno konstantna za cijelu radno područje brzina hidromotora. Takva značajka posljedica je svojstva hidrostatičkih strojeva, koji u idealnom slučaju (zanemarujući gubitke curenja i kompresibiln osti tekućine) daju isti volumenski protok, bez obzira na tlak tekućine. Obrnuto onda vrijedi da je i tlak hidromotora konstantan (time i moment), bez obzir a na protok (odnosno brzinu vrtnje). To dakako vrijedi za idealni slučaj.

Hidromotor ima gustoću momenta od oko p /63 Nm/cm3. To znači da za neki sustav sa tlakom p od oko 200 bara, gustoća momenta je više od 3 Nm/cm3, - 100 puta više od elektromotora! Za veći tlak, razlika bi bila proporcionalno veća. Ipak - idealan slučaj! Realno – 5 do 10 x bolje

Prednosti i nedostaci Prednosti Gustoća snage Jednostavna realizacija linearnog gibanja Dobre mogućnosti upravljanja Dobra dinamika (male inercije) Jedostavno osiguranje od preopterećenja Dobro podmazivanje i odvođenje topline putem fluida

Nedostaci Slabija korisnost (zbog trenja i gub itaka curenjem) Povećana potreba za održavanjem (zbog nečistoće i trošenja komponenti) Osjetljivost s ekološkog gledišta (bučnost, curenje, opasnost požara) Nedovoljno poznavanje

4

Primjena

Tržišno stanje Promet opremom hi & pn 2006.g.: svijet 27*10_9 € (Europa ≈ 50 %)

Hidraulika / pneumatika ≈ 72 / 28 % Mobilna / industrijska hidraulika

≈

75 / 25 %

Očekivani rast hi & pn u razdoblju 2006.-2017. > 40 % (Global Industry Analyst Report ) Porast tržišta prijenosnika i pogona, te općenito mehatronike kompenzira porast udjela el. pogona

Tržište strojeva za injekcijsko presanje (kalupljenjem)

Hidraulika za F zatvaranja > 4000 kn Brzina ubrizg. 600-800 mm/s (hidr.) vs 500 mm/s (el.) Japan hidr. strojevi 30 % SAD 50 % EU > 80 %

Sigurnost i norme Hidraulički sustav uslijed nepažnje prilikom projektiranja ili rukovanja može biti opasan za ljude i okolinu. Pri tom ta opasnost u načelu nije niti veća ni manja od adekvatnih električnih ili mehaničkih pogona ili prijenosnika. Međutim, važno je poštovati kako specifične sigurnosne upute proizvođača opreme, tako treba poštovati i procedure prilikom projektiranja, korištenja ili održavanja opreme ako su one definirane p reporukama ili normama. Preporuke sigurnosti: http://www.ifps.org/uploads/certification/Safety/IFPS_Safety_Web.pdf • •

Neke specifičnosti za sigurnost u hidraulici: ozljede uslijed ubrizganog fluida pod tlakom – odmah liječniku! Prolijevanje ili prskanje fluida – opasnost od okliznuća, požara ...

Tijekom rada sa strojevima uvijek treba nositi zaštitnu opremu, koristiti dane sigurnosne procedure, a maksimalan oprez potreban je ako je u sustavu pohranjena energija (sustav pod tlakom, akumulatori, podignu ta masa, ..)

Povijesni osvrt Hidraulika: (grč.: hydraulikos, hydraulos (vodene orgulje), hydor (voda) + aulos (cijev)) Vodeni sat, navodnjavanje, mlinovi (Mezoptamija, Egipat, Grčka, ..) Hidrostatika 250 g.p.n.e. (Arhimed, Ktesibios (regulator protoka za vodeni sat)) Heronova Pneumatica (skripta o uređajima s povratnom vezom – reg. protoka ..) Pascal 1651.g: “Bilo koja promjena tlaka u bilo kojoj to čki nestišljivog fluida u mirovanju prenosi se jednako u svim s mjerovima” Projekt hidrauličke prese, Pascal, 17 st. Izradba prese, Bramah, 1795. g. 19 st., pneumatika u industriji (alati, zračni čekići, zračna pošta) i građevinarstvu 20 st., hidrostatički prijenosnici, servo ventili Zadnjih 50 g. omjer snage i mase poboljšao se 10 do 20 puta! (Već za II sv.r. 0.3 kg/kW) 21 st., optimizacija, integracija s elektronikom, mehatronika, novi materijali i fluidi, upravljanje, dijagnostika, štednja energije, ekologija, .. “Fluid Power”: tehnologija korištenja svojstava stlačenog fluida u generiranju, upravljanju i prijenosu snage.

Sigurnost i norme Veliki broj normi! ISO (TC 131 – FP systems) Druge norme (SAE, DIN, ...) Udruženja CETOP (Europa), (C omité E uropéen des T ransmissions O léohydrauliques et P neumatiques ), Krovna organizacija lokalnih udruga iz 16 europskih zemalja (npr VDMA, ..) NFPA (Sj.Am.) JFPA (Japan) CHPSA (Kina) Certificiranja: IFPS CETOP

5

Fizičke osnove

Fizičke osnove

Fizičke veličine

Varijable snage

Tlak Volumenski protok Snaga Moment

Domena

Translacija

Hidrostatički prijenosnik Osnovni hidrodinamički izrazi

Rotacija

Torricelli Bernoulli Protok kroz prigušno mjesto Jednadžbe očuvanja mase, kol. gibanja i energije

Elektrika Hidraulika

Energetske varijable

e (t)

f (t)

p (t)

q (t)

napor

tok

Kol. gibanja Kol. gibanja p [Ns]

Pomak, istiskivanje Put x [m]

Kutna kolgib. P [Nms]

Θ [rad]

Sila

Brzina

F [N]

v [m/s]

Okr. moment T [Nm]

Kutna brzina

Napon e [V]

El. struja I [A]

Vezni m. tok λ [V s]

Naboj Q [C]

Tlak

Vol. protok Q [m3/s]

Kol. gib.tlaka p [Pas]

Volumen V [m3]

p [Pa]

ω [rad/s]

Spremnik energije

Kut

p (t)

q (t)

Masa

Opruga

Mom. tromosti mase Zavojnica

Torzijska opruga

Masa fluida u gibanju

Kondenzator Akumulator

+ potrošači energije!

Tlak Modeliranje dinamičkog sustava: po toku energije i po toku signala

Zakon promjene hidrostatičkog tlaka u fluidu (tlak se povećava dubinom):

p= F / A Pa = N/m 2

p( h) = p 0 + ρ g h

bar = 10 5 Pa 1 MPa = 10 bar 1000 psi ≈ 70 bar

x& B +

K ( x A − x B ) = D x& B

K K xB = x A D D

Relativni tlak (u odnosu na atmosferski), gage pressure pretlak i potlak (vakum) Apsolutni tlak (nap. – kako to usporediti s elektrikom ?) Diferencijalni tlak, � p Napomena: ISO 5598, Fluid Power systems & components

Pitanje:

- Vocabulary

Volumenski protok

Redoslijed podizanja?

Q = v�A

m

m x

1

F

2

3

l/min = 1/60000 m /s

Napomena : radi se o volumenskom protoku, za razliku od

masenog ([kg/s]), koji češće koristimo u pneumatici

U pneumatici se koristi također i volumenski protok [m3/min]

A

A2

A1

A2 = 10 ⋅ A1

F

〉

mg ⋅ A1 + mg ⋅ A2

Jedinični volumen nekog rotacijskog hidr. stroja predstavlja radni volumen stroja tijekom jednog okretaja, odnosno idealnu količinu fluida koju može istisnuti tijekom jednog okretaja (ili ciklusa): /n V = Q

6

Snaga

∆ p = p 1 − p 2 F = ∆ p ⋅ A dx = v ⋅ dt

P Ekvivalent mehaničkoj snazi dan je slikom:

Hidraulički stroj (rotacijski sustav)

Q = v ⋅ A ∆ p = p1 − p 2

Rad klipa je:

V = 2π ⋅ A ⋅ d / 2 T = ∆ p ⋅ Ak ⋅ d / 2 =

dW = F ⋅ dx = ∆ p ⋅ A ⋅ v ⋅ dt = ∆ p ⋅ Q ⋅ dt

∆ p ⋅V 2π

ω = 2π ⋅ n

Snaga je: P=

Odnosno:

dW dt

P [kW ] =

dW = T ⋅ d ϕ =

∆ p ⋅V ⋅ 2π ⋅ n ⋅ dt = ∆ p ⋅ n ⋅V ⋅ dt 2π

Q = V ⋅ n

= ∆ p ⋅ Q

P=

∆ p [bar ]⋅ Q [l/min ]

dW dt

= ∆ p ⋅ Q

600

Osnovni hidrodinamički izrazi Hidraulički stroj (rotacijski sustav) Torricellijeva formula Q

1

dp

Iz mehanike krutog tijela mogu se dobiti n eki osnovni izrazi koji povezuju tlak, protok i brzinu strujanja tekućine. Torricellijev izraz za brzinu istjecanja tekućine kroz mali otvor slijedi iz j. slobodnog pada ( h = 0.5 g · t 2, te v = g · t ):

2

Q1 = Q2 = Q

v = 2 ⋅ g ⋅ h

V 1 ⋅ n1 = V 2 ⋅ n2 n2 n1

=

V 1 V 2

Može se izraziti i pomoću tlaka (jer je p = F / A = ( ρ�A�h�g )/ A ):

ako je P1 = P2 T 1 T 2

=

( P = T ⋅ ω = T 2π n) ⇒

V 1 V 2

p = 0.5 ⋅ ρ ⋅ v 2

Značajan izraz: tlak tekućine koji se razvija zbog promjene brzine strujanja, i obrnuto, brzina nastala zbog ∆ p.

Jednadžba protoka kroz prigušno mjesto:

Bernoullijeva jednadžba (iz 1738.) p1

p2 1 2

h1

h2

A3 〈〈 A1 ⇒ v3 〉 v1 p1 = p3 +

Ako se prethodna j. doda zakonu promjene hidrostat. tlaka u fluidu ( p(h ) = p0 + ρ g h ) dobije se: p(h ) = p 0 + ρ ⋅ g ⋅ h + 0.5 ⋅ ρ ⋅ v 2 Ili, dodatkom pada tlaka zbog trenja: p = const. = p 0 + ρ ⋅ g ⋅ h + 0.5 ⋅ ρ ⋅ v 2 + p tr

v3 =

ρ v32 2

2 ∆ p

ρ

Q = α k A0

2 ∆ p

ρ

A 3= αc· A0

7

Koeficijenti kontrakcije za različite oblike prigušnih mjesta

Jednadžba održanja mase

&1 m

&3 m

Hidraulički otpor:

&2 m dm dt

Q=

1 ∆ p R H

R H =

d

∫ ρ dV

dt V

& = ρ Q = ρ v A m

ρ

&1 − m &2 = m &3 m

2 ⋅ α c ⋅ A0

v1 A1 − v2 A2 = A3

nelin.

Jednadžba očuvanja količine gibanja

=

dl dt

Primjer:

Količina gibanja tijela umnožak je n jegove mase i brzine (vekt.). Promjena k.g. u vremenu jednaka je sumi vanjskih sila (vekt.) koje djeluju na tijelo. Za jednodim. protok: F = m

dv = m⋅a dt

F 1 = ρ ⋅ v1 ⋅ Q = ρ ⋅ A1 ⋅ v12 F 2 = ρ ⋅ v2 ⋅ Q = ρ ⋅ A2 ⋅ v22

F = A ⋅ p 1 − A ⋅ p 2 p1 A − p 2 A = ρ ⋅ A ⋅ l ⋅

Q=

dv dt

iz Q = A · v slijedi: p 1 − p 2 =

ρ ⋅ l dQ ⋅ A dt

v2 v1

=

A1 A2

Koristeći Q = A �v slijedi da je rezultirajuća sila F (F = F2 – F1 ) : Izraz kaže da se neki promatrani dio fluida ne može ubrzati, bez da postoji neka razlika tlaka koja djeluje na promatrani dio fluida.

 A1

F = ρ ⋅ v12 ⋅ A1 

 A2



 1



 A2

− 1 = ρ ⋅ Q 2 

−

1

 

A1 

Jednadžba očuvanja energije Jedan od temeljnih zakona u prirodi je prvi glavni zakon (stavak) termodinamike, koji predstavlja osnovu za proučavanje veza između različitih oblika energije, i međusobnih djelovanja između njih. To je zakon očuvanja energije, a po tom zakonu en ergija se ne može ni stvoriti niti uništiti tijekom nekog procesa, nego ona može samo promijeniti svoj oblik. Kada se unutarnja energija tijela, dovedena toplina, te izvršeni rad, prošire sa bilo kakvim drugim oblikom energije, onda je zakon očuvanja energije: Q H = U 2 − U 1 + W + E p + E k + ∑ E Q H – dovedena toplina U 2 – U 1 – prirast unutarnje energije tijela W – odvedeni mehanički rad Ep – potencijalna energija tijela Ek – kinetička energija tijela ∑E – svi drugi oblici energije

Nap.: svi oblici energije su u Joulima [J]. Konvencija predznaka, odnosno izraza „dovedena“ toplina i „odvedeni“ rad je prema Clausiusovoj konvenciji predznaka.

Princip očuvanja energije, odnosno njene pretvorbe, upravo je suština hidraulike. Mehanički rad pretvara se u hidrauličku energiju, kompresija i trenje povećavaju temperaturu ulja, hidraulička energija ponovo se pretvara u mehanički rad, itd. Toplina koja se odvodi preko stijenki spremnika u okolinu, ili putem izmjenjivača topline, predstavlja gubitak energije. Prilikom projektiranja hidrauličkog sustava, te kasnije prilikom njegove eksploatacije i održavanja, važno je imati na umu navedenu ravnotežu energije. Na primjer, svaki porast temperature ulja iznad predviđenog (i dopuštenog) znači da se energetska ravnoteža sustava poremetila, te je potrebno poduzeti određene mjere za sprječavanje toga.

8

Zakon održanja impulsa

Hidraulički otpor, kapacitet i induktivitet R H

=

∆ p

C H

Q

=

Q

L H =

p&

r

∆ p

d

r

d

r

∑ F = dt I = dt (m v )

Q&

Gdje su F vanjske sile

p

∫ dt

Sila strujanja F str je jednaka sumi vanjskih sila s negativnim predznakom:

C H

P = ∆ p ⋅ Q

R H

E = ∫ pdV ;

V

p p L H

∫ Qdp p

V

∫ dt

r

F str = −

p p

r

∑ F

Q

R H Laminarno strujanje fluida (tok fluid formira “lamine”, i kreće se samo u smjeru gradijenta tlaka). Veza protoka i tlaka je linearna (Ohmov zakon): Q = �p / R H

Hidraulički otpor, kapacitet i induktivitet

Kod turbulentnog strujanja veza protoka i tlaka je nelinearna: R H =

∆ p

Q

C H

=

Q

L H

p&

Q = K v √�p (K v koeficijent protoka prigušnog mjesta) Važi za prigušnice sa “oštrim rubom”

∆ p

=

Q&

(Nap: veza sa elektrikom?)

Diskriminator laminarnog i turbulentnog strujanja je Reynoldsov broj (Re=vDρ / µ )

LH

LH Cjevovod:

F = m ⋅ a = A ⋅ l ⋅ ρ ⋅ a a=

F a

dv dt

L H

=

m A2

Cil

⋅

A dt

= A ⋅ ∆ p

∆ p =

L H

=

Cilindar:

1 dQ

=

F a A

=

l ⋅ ρ A

l ⋅ ρ dQ A

⋅

dt 4

[ kg / m ]

& = L H ⋅ Q

Motor:

L H =

J Mot

 V Mot     2π 

2

A

l

u = L ⋅

di dt

9

Serijski i paralelni spoj elemenata Q1

Zatvoreni i otvoreni hidraulički krug

Q2

∆ p 2

∆ p1

∆ p3

Q1 ∆ p1

Q2 ∆ p2

Q3

Q3

∆ p3

HIDRAULIČKI FLUIDI Kompresibilnost

Zadaci fluida: 

Prenosi energiju



Podmazuje (ležaji, klizne površine)



Odvodi toplinu



Štiti od korozije



Odstranjuje nečistoće i abrazive (do filtra i rezervoara)



Brtvi (ponegdje)

Ostala svojstva: 























Toplinska svojstva (spec. top. kapacitet, širenje i vodljivost) Zapaljivost Podmazivost Korozivnost Termička i mehanička stabilnost Pjenjenje Otapanje plinova Kompatibilnost Toksičnost Emulzivnost Tlak isparavanja Točka tečenja Napomena: svojstva više ili manje ovise o tlaku i temperaturi, pa su promjene tijekom rada moguće.

Viskoznost f (t, p)

Gusto ća f (p, t)

Svojstva fluida

Ostala svojstva

Gustoća fluida Gustoća ili masena gustoća nestlačivog materijala ρ [kg/m3] jest njegova masa m po jedinici volumena V kojeg zauzima: m ρ = V

Gustoća je u pravilu promjenljiva veličina, koja ovisi o tlaku i temperaturi. Kod plinova (u pneumatici) takve promjene gustoće su znatne, pa se gustoća izražava pomoću jednadžbe stanja plina. Kod krutih tijela i tekućina promjene su puno manje (često se zanemaruju). Porast tlaka uvijek povećava gustoću materijala. Porast temperature gotovo uvijek, zbog širenja materijala, smanjuje njegovu gustoću. Iznimke su rijetke - npr. neposredno iznad temperature ledišta vode (od 0º do 4ºC), porast temperature povećava njenu gustoću. Recipročna vrijednost gustoće je specifični volumen v [m3/kg], koji se češće koristi u nauci o toplini, a nekad se koristi i specifična težina γ (γ = ρ�g , [N/m3]).

10

Stlačivost (kompresibilnost) fluida dp dV =− V K

V je volumen [m3], p tlak [N/m2], a K je volumenski modul

elastičnosti [N/m2 = Pa]. Može se uočiti da modul elastičnosti ima dimenziju tlaka, a negativni predznak pokazuje da prirastu tlaka odgovara smanjenje volumena. Volumenski modul elastičnosti na engleskom je bulk modulus , a na njemačkom Kompressionsmodul . Modul elastičnosti recipročna je vrijednost koeficijenta volumenske stlačivosti β [1/Pa]: 1 β =

Stlačivost (kompresibilnost) fluida Koeficijent stlačivosti ili kompresibilnosti β mjera je promjene volumena fluida kako se mijenja tlak fluida (odnosno njegovo naprezanje): β = −

Koeficijent stlačivosti može se definirati pri izotermnoj promjeni stanja (kao prethodno, T = konst.), ili pri adijabatskoj promjeni. Iz prethodne jedn. slijedi:

K

dV = − β ⋅V ⋅ dp

Ponegdje se modul elastičnosti fluida označava sa β . Ovdje je sa β označena recipročna vrijednost modula elastičnosti, koji je označen sa K , o čemu treba voditi računa.

Stlačivost (kompresibilnost) fluida

  1  ∂V    = 1  ∂ρ  V  ∂ p  T ρ  ∂p  T

Stlačivost (kompresibilnost) fluida Određivanje modula elastičnosti iz p-V dijagrama

Za malu promjenu mase važi (iz ρ = m /V ): dm = ρ dV + V d ρ

Kako se masa sama po sebi ne može promijeniti, za dm = 0 slijedi: −

1 1 dρ = dV ρ V

Dakle, (prvi izraz za stlačivost) smanjenje volumena uslijed porasta tlaka može se izraziti: dV = −

V dp K

Tangentni i sekantni modul elastičnosti, obzirom na nelin. krivulje.



Određivanje modula elastičnosti iz p-V dijagrama Tangentni i sekantni modul elastičnosti, obzirom na nelin. krivulje. U praksi je sekantni češći: V ∆V tan α s =

∆ p

=− 0 K

Dakle, slijedi važan izraz:

F = ( p 0 + ∆ p ) ⋅ A

V ∆V = − 0 ∆ p K

Krutost “opruge”: k=

V ∆V = − 0 ∆ p K Napomena: brojni su članci na temu mod. el.

∆F ∆ p ⋅ A2 K ⋅ A2 K ⋅ A = = = ∆h ∆V V 0 h0 ∆h

Dinamika?

∆V = A ⋅ ∆ h

A

h0 V 0 = A ⋅ h0

11


F = ( p 0 + ∆ p ) ⋅ A

V ∆V = − 0 ∆ p K

Derivacijom, dobiva se protok uslijed stlačivanja: Q=

∆h

Q = C H ⋅ ∆ p&

Gdje je C H = V 0 /K .

A

h0

d∆V V 0 d∆ p = ⋅ dt K dt

Analogijom, može se izraziti hidraulički kapacitet:

∆V = A ⋅ ∆h

V 0 = A ⋅ h0

→ Kapacitet pohrane energije je veći što je veći volumen, i što je manji K . Znači za razliku od kvalitete dinamičkih odziva, za pohranu energije poželjan je što manji K .

Stlačivost (kompresibilnost) fluida Ono što u praktičnim primjenama značajno utječe na modul elastičnosti fluida u hidrauličkom sustavu, jest zrak koji se nalazi „zarobljen“ u tekućini. Kako zrak ima puno manji modul elastičnosti od bilo koje tekućine, tako se bitno smanjuje modul elastičnosti. Uz to, na modul elastičnosti utječu i fleksibilna crijeva, koja se koriste na pokretnim dijelovima strojeva. Ona također smanjuju ukupni, ili efektivni modul elastičnosti. Razvojem ekvivalentnog sustava opruga, koji će zamijeniti elastičnost tekućine, zraka i crijeva, može se napisati i izraz za ukupni ili efektivni modul elastičnosti Ke : 1 1 V a 1 1 = + + K e K l V e K a K c

indeksi: e - ekviv., l – liquid, a – air, c – cijevi, crijeva, i sl.



Primjeri:

Primjeri:

Utjecaj zraka u tekućini na smanjenje modula elastičnosti tekućine je vrlo velik. Modul elastičnosti zraka je oko 1.4 bar (adijabatski), ili oko 1 bar (izotermni) Modul elastičnosti mineralnog ulja oko 18000 bar (na temperaturi od oko 20ºC). Modul elastičnosti vode je oko 22000 bar. Navodi se da 0.1 % neotopljenog zraka u mineralnom ulju smanjuje njegov modul elastičnosti za oko 7 % (na sobnoj temperaturi), dok 1 % zraka smanjuje modul elastičnosti mineralnog ulja za čak 55 %. Međutim, porastom tlaka utjecaj zraka na modul elastičnosti tekućine može se značajnije smanjiti. Pitanje vrijednosti modula elastičnosti u praksi nije nimalo jednostavno. Gdje je to pitanje važno, na primjer u sustavima gdje se zahtijevaju visoke dinamičke sposobnosti i preciznost, tome treba obratiti posebnu pažnju.

U posudu volumena 1 litra, u kojoj je mineralno ulje pod tlakom od 10 bar doda se još 1 ml ulja. Pitanje je za koliko će narasti tlak u posudi? (Modul elastičnosti ulja je 1,8�103 Mpa) ∆ p = K

0.001 −∆V = 18000 = 18 bar V 0 1

Dakle, dodavanjem samo 1 ml ulja u posudu od 1 l, tlak će narasti sa 10 na 28 bar. Ako bi se isti primjer pokazao sa zrakom umjesto ulja (ako se pretpostavi da je Kzraka = 0.1 Mpa, uz izotermnu promjenu): ∆ p = K

0.001 −∆V =1 = 0.001 V 0 1

bar

Viskoznost U krutim t ijelima posmično naprezanje uzrokuje deformaciju tijela koje tada pohranjuje potencijalnu energiju kao opruga. Fluidi se ponašaju različito. Kao reakcija na konstantno smično naprezanje, fluidi se kontinuirano deformiraju, oslobađajući toplinu. Smično naprezanje fluida τ proporcionalno je brzini kutne deformacije . Veza između te dvije veličine naziva se dinamička viskoznost ili apsolutna viskoznost fluida µ :

τ = µ ⋅

dx& dy

Viskoznost je mjera otpora fluida koji se podvrgava smičnom naprezanju, odnosno to je svojstvo otpornosti tekućine prema smičnoj ili kutnoj deformaciji. Fluidi koji poštuju linearni odnos naprezanja i brzine kutne deformacije (prethodna jedn.) zovu se „newtonski“ (većina fluida koja se koriste u hidraulici jesu newtonski fluidi).

12

A

Viskoznost

x& F

dy

d x&

Prema Newtonovom zakonu (o laminarnom viskoznom tečenju iz 1686.):

τ=

F A

=η

d x& dy

⇒

F – sila koja uzrokuje gibanje A – kontaktna površna D – brzina smicanja Kinematička viskoznost je:

dinamička viskoznost je η

υ=

η ρ

=

τ

[Pa s]

D

[mm2 /s] ili [cSt]

Viskoznost

Sila viskoznog trenja je:

F =

µ ⋅ A x& y

Koeficijent viskoznog trenja c (c = µA /y ) proporcionalan je dinamičkoj viskoznosti µ tekućine, površini dodira A , a obrnuto je proporcionalan debljini fluida y . Obzirom da je kod hidrauličkih strojeva debljina fluida mala (može biti nekoliko mikrona), tako i sila viskoznog trenja može biti značajnija, pa stoga i izgubljena energija takvim trenjem. Jedinica za dinamičku viskoznost je Pa·s (Pascal sekunda). Koriste se još neke jedinice, npr. centiPoise (cP). U hidraulici se dosta često koristi i kinematička viskoznost ν , koja je omjer dinamičke viskoznosti µ i gustoće ρ . Jedinica kinematičke viskoznosti je mm2/s, ili centiStoke (cSt) (1 mm2/s = 1 cSt). Postoje još neke jedinice koje se koriste, uglavnom u V.Britaniji i SAD-u, poput Newt i Saybolt Universal seconds (SSU).

Viskoznost

Viskoznost može dosta ovisiti o temperaturi, pa i o tlaku. Kod većine fluida koji se koriste u hidraulici, viskoznost značajno ovisi o temperaturi fluida. S porastom temperature viskoznost tekućina pada (kod idealnih plinova raste). Ovisnost viskoznosti o temperaturi kod hidrauličkih fluida često se prikazuje dijagramima. Tu je prikazana ovisnost za mineralna ulja s nekoliko različitih stupnjeva viskoznosti (VG, viscosity grade ). Stupnjevi viskoznosti govore o kinematičkoj viskoznosti pri 40°C (referentna temperatura prema ISO). Na ovisnost viskoznosti fluida o temperaturi ukazuje indeks viskoznosti (VI). Što je krivulja viskoznosti strmija, indeks viskoznosti je veći. Poželjan je što viši indeks viskoznosti, dakle da viskoznost bude što ravnomjernija. Tipičan indeks viskoznosti za mineralna ulja je oko 100. Indeks viskoznosti definiran je normom DIN ISO 2909, i opisuje promjenu viskoznosti ovisno o promjeni temperature. Viskoznost ovisi također i o tlaku, međutim u znatno manjoj mjeri nego o temperaturi. Međutim, ako hidraulički sustav radi na većim tlakovima, razmatranje viskoznosti u ovisnosti o t laku može biti preporučljivo. Načelno, kod porasta tlaka i viskoznost raste (dakle, suprotno ponašanje nego kod porasta temperature).

Utjecaj temperature na viskoznost

Tropski uvj.

Indeks viskoznosti, Waltherova formula

Skydrol (phosphate-ester) (zrakopl. fl.)

Polarni uvj.

13

Primjer, (crpka SD 40):

Viskoznost Na odabir viskoznosti fluida utiče minimalna temperatura okoliša prilikom pokretanja sustava, maksimalna radna temperatura sustava (na koju utiče i temperatura okoliša), te optimalno i dozvoljeno područje viskoznosti za komponente hidrauličkog sustava. Previsoka viskoznost znači veliki pad tlaka u su stavu, povećanu temperaturu i gubitke, dok preniska viskoznost znači loše podmazivanje, povećano trošenje, te povećane gubitke curenjem.

Viskoznost: Min 7 cSt Max 1600 cSt Conti. 12 – 60 cSt Temperatura: Min –40 Max 104 Conti. 82

Može se načelno reći da se optimalna viskoznost (ovisno o elementima) kreće između 16 i 36 cSt, dok je za maksimalni životni vijek ležaja poželjna minimalna viskoznost od 25 cSt.

VG prema ISO klasama viskoznosti (ISO 3448)

Gubici i viskoznost e g a n s i c i b u G

Utjecaj tlaka na viskoznost

Ukupno Uslijed trenja Uslijed curenja Din. viskozitet

Primjer:

Toplinska svojstva fluida: Spec. topl. kapacitet Specifična toplina (c ) je ona količina topline (QH ) koju treba dovesti tvari mase (m ) 1 kg da bi temperatura (T ) porasla 1 ºC. Specifični toplinski kapacitet općenito se mijenja s temperaturom, (za vodu pokazuje minimum na oko 30ºC). Specifična toplina mineralnog ulja ima vrijednot oko 40% vrijednosti vode (dakle cmin.ulja ≈ 0.4 cvode ). Što se tog podatka tiče, voda je bolji hidraulički fluid od ulja, jer zahtijeva više n ego dvostruko veću količinu topline da se postigne jednaka temperatura jednake mase fluida. Ipak, ako se hladi, to znači da je potrebno odvesti više nego dvostruko veću količinu topline vodi da bi imala istu temperaturu kao ista masa ulja (to je razlog što se rabe izmjenjivači topline ulje-vode, dakle, 1 kg vode svoju temperaturu podigne za 1ºC da bi ohladio oko 2.5 kg ulja za 1ºC).

14

Toplinska svojstva fluida:

Toplinska svojstva fluida:

Toplinsko širenje

Toplinska vodljivost

Fluid se širi s povećanjem temperature (uz iznimke, npr. pri promjeni faze).

Radi primjera, koeficijent vodljivosti topline mineralnog ulja je oko 0.14 W/m K, vode (pri stanju 1 bar i 20ºC) je 0.6 W/m K, niskougljičnog čelika je 50 W/m K, a aluminija 221 W/m K. Dakle, mineralno ulje slabi je provodnik topline (po koeficijentu vodljivosti topline približava se toplinskim izolatorima).

Značajniji utjecaj na toplinsko širenje fluida može imati toplinsko širenje spremnika u kojem je fluid smješten (dakle, cijevi, crijeva, spremnik, ..). Koeficijenti toplinskog širenja: mineralno ulje = 0.0007 1/ºC (konstantan je s promjenom temperature), voda = 0.00036 1/ºC pri 40ºC, za neke materijale spremnika: čelik 22�10-6 1/ ºC bakar 34�10-6 1/ ºC aluminij 48�10-6 1/ ºC visokotlačno crijevo ≈ 450�10-6 1/ ºC

Ostala svojstva fluida: Zapaljivost U mnogim primjenama nužno je da hidraulički fluid bude što teže zapaljiv, te da ne podržava gorenje. Različite su definicije i norme koje govore o zapaljivosti fluida. Prilikom definiranja obično se razlikuju temperature plamišta, gorenja, zapaljenja i samozapaljenja. Za mineralna ulja te temperature su razmjerno niske (uljne pare planu na oko 150ºC (plamište), dok je temperatura samozapaljenja na oko 350ºC).

Zapaljivost „Fire resistant fluids ” – nisu potpuno negorivi, gotovo svi fuidi gore ako je dovoljno visoka temperatura. Međutim, oni prestaju goriti kada se ukloni izvor zapaljenja.

Tijekom II sv. rata započela ispitivanja (vojna tehnika, požari hidrauličkog fluida) 1956. g. 262 rudara poginulo u Belgiji, započela procedura o definiranju opasnosti o zapaljivosti hidrauličkih fluida...

Primjer: zapaljivost fluida (vrijeme do zapaljenja) HFA – ulje u vodi HFC – polimeri u vodi

Ostala svojstva fluida: Podmazivost To je mjera mogućnosti fluida da nosi veliki teret zadržavajući svojstvo niskog trenja. Na podmazivost djeluje dosta faktora, jedan od najvažnijih je svakako viskoznost. Tendencija poboljšanja radnih svojstava hidrauličkih strojeva vrlo je zahtjevna glede podmazivanja. Povećani tlakovi i brzine, uz smanjenje tolerancija zazora (radi smanjenja gubitaka curenjem), negativno utječu na podmazivost. Radi poboljšanja podmazivosti fluidima se dodaju različiti aditivi.

15

Ostala svojstva fluida:


Korozivnost

Termička i mehanička stabilnost

Važno je da fluidi ne potiču, odnosno da sprječavaju formiranje korozije hidrauličkih elemenata. Obično fluidi sadrže aditive radi inhibicije korozije.

Termička i mehanička stabilnost osiguravaju da fluid zadrži svoja svojstva unatoč izloženosti radnim naprezanjima i povišenoj temperaturi. Poželjno je da se fluid opire reakcijama sa zrakom, te da ne stvara krute čestice u fluidu (okside) ili talog.



Pjenjenje

Otapanje plinova

Pjenjenje tekućine je stvaranje emulzije s plinovima, pogotovo zrakom. Pjenjenje ulja nije poželjno jer može rezultirati kavitacijom, povećanom bukom te intezivnim trošenjem elemenata. Također smanjuje se modul elastičnosti fluida, te posljedičnim slabijim dinamičkim svojstvima sustava. Pjenjenje se može smatrati prvenstveno konstrukcijskim problemom. Uobičajeni izvori pjenjenja su npr. prenizak nivo ulja u spremniku, te prebrz protok kroz povratnu liniju.

Pitanje topivost plina u tekućini dano je Henryevim zakonom, gdje se tvrdi da je topivost plina proporcionalna parcijalnom tlaku pare iznad tekućine. Plinovi u rastvorenom obliku manje utječu na svojstva hidrauličkih tekućina. U području smanjenog tlaka plinovi se izdvajaju iz tekućine u obliku mjehurića. Otapanje i izdvajanje plinova ne odvija se jednakom brzinom (brže je izdvajanje).



Emulzivnost

Kompatibilnost i toksičnost

Mogućnost fluida da se opire stvaranju emulzije sa vodom zove se deemulzivnost. Najčešće je poželjno da se hidraulički fluid opire stvaranju emulzije s vodom, te da omogući separaciju i odvajanje vode (voda je teža od mineralnog ulja pa potone na dno spremnika, odakle se periodički može odvojiti). Voda najčešće dolazi kao kondenzat iz zraka koji se stvara u spremniku.

Fluid mora biti kompatibilan sa različitim elementima u sustavu, tj. treba biti što inertniji u rekciji s materijalima koji čine hidraulički sustav (osnovni konstrukcijski materijal elemenata, brtve, završne obrade elemenata, itd.). Fluidi ne bi smjeli biti otrovni za živa bića koja dođu u dodir s njima. Posebno je to naglašeno za sustave koji rade u prehrambenoj ili farmaceutskoj industriji. Također fluidi ne bi smjeli poticati alergijske reakcije.

16



Tlak isparavanja

Točka tečenja

To je tlak pri kojem na određenoj temperaturi fluid iz kapljevite prelazi u parnu fazu. Poželjno je da pri određenoj temperaturi fluid počinje isparavati pri što nižem tlaku. Naime, isparavanje fluida, te njegovo ponovo ukapljivanje znači kavitaciju u sustavu, koja je vrlo nepoželjna pojava.

To je najniža temperatura pri kojoj fluid još teče (još je likvidan). Poželjno je da točka tečenja bude što niže.

Kavitacija Općenito: oksidacija (starenje fluida) je proces reakcije fluida s kisikom. Posljedica je zgušnjavanje i ljepljivost fluida, te taloženje, što vodi kvarovima sustava. Higroskopska svojstva fluida – sadržaj vode ovisi o temperaturi, relativnoj vlažnosti i kemijskom sastavu fluida. Dozvoljen sadržaj vode (prema uputama većih proizvođača komponenti) je do 0.1%. Hidrolitička stabilnost je svojstvo fluida da se ne razgrađuje u prisustvu vode (primjer sol – otopi se, ali se ponovo može izdvojiti isparavanjem vode). Testovi: npr TAN broj ( Total Acid Number ), ukazuje na potencijalne probleme

Dinamički proces gdje plinska šupljina raste i kolabira u tekućini. Plinske šupljine nastaju uslijed rastopljenog plina ili isparene tekućine onda kada je tlak manji od tlaka zasićenja plina (plinska kavitacija, Henryjev zakon) ili tlaka pare tekućine (parna kavitacija).

Lit.: G.E.Totten, V.J.DeNegri: Handbook of Hydraulic Fluid Technology, CRC Press 2012.

Kavitacija Kavitacija opisuje proces koji uključuje začetak, rast i imploziju (urušavanje u sebe) parnih ili plinskih mjehurića koji se javljaju u tekućini. Javlja se na mjestu na kojem unutar hidrauličkog sustava tlak padne na razinu tlaka isparavanja (zasićenja) tekućine. Kada nakon pojave isparavanja fluid ponovo dođe u područje viših tlakova, dolazi do implozije mjehurića, i na tim mjestima se može pojaviti vrlo visoki tlak.

Kavitacija

Naime, kada lokalni tlak tekućine padne dovoljno, otopljeni (rastvoreni) zrak se pojavljuje i ulazi u mjehuriće. Ako lokalni tlak dalje pada, nastaje isparavanje tekućine, i mjehurići se ispunjavaju parom. Ponovnim porastom tlaka, mjehurići prvo prestaju rasti, a zatim počnu nestajati. Njihovo nestajanje uzrokuje otapanje zraka i kondenzacija pare. Ako se mjehurić koji je pretežno ispunjen parom podvrgne naglom porastu tlaka, tada je njegova implozija vrlo nagla, te nastaju vrlo veliki lokalni tlačni špicevi (mogu iznositi i više tisuća bara). U slučaju da je mjehurić pretežno ispunjen zrakom, onda je njegova implozija manje intenzivna i manje štetna. Mjehurić će biti pretežno ispunjen zrakom, ako je njegovo stvaranja sporije.

17

STRUJANJE FLUIDA KROZ CJEVOVODE I PRIGUŠNA MJESTA

Strujanje fluida - Reynoldsov broj

Prolazeći kroz cijevi, crijeva, priključke, te različita otporna mjesta, stvaraju se otpori fluidu uslijed njegovog trenja o stijenke, te trenja unutar samog fluida.

Priroda strujanja ovisi o uvjetima. Kakva su oni, govori Re broj:

Važni podaci glede provođenja fluida u nekom hidrauličkom sustavu su veličine i priroda protoka (prosječni i vršni, je li pulsirajući, ravnomjerni, ili neki drugačiji), zatim tlak , te dozvoljeni gubici. Načelno, što su cjevovodi većeg promjera, gubici će biti manji. S druge strane težina i volumen hidrauličkog sustava će biti veća, sustav će biti skuplji zbog veličine elemenata, ali i zbog utrošenog rada na spajanju i savijanju takvih cijevi i priključaka. Dakle, nužan je dobar kompromis.

Re = v - brzina strujanja fluida L – karakteristična linearna dimenzija µ – din. viskoznost ρ - gustoća ( d – promjer cijevi )

ρ v L µ

Re daje omjer između inercijskih ( ρ· v²) i viskoznih sila ( µ· v/L) koje djeluju na fluid u strujanju.

Strujanje fluida - Reynoldsov broj Strujanje fluida - Reynoldsov broj Za niske Reynoldsove brojeve prevladavaju viskozne sile, a strujanje je laminarno (u paralelnim slojevima, laminama). Za visoke Reynoldsove brojeve prevladavaju inercijske sile fluida, a strujanje je turbulentno. Rješenjem jednadžbi strujanja za jednodimenzionalne nestišljive viskozne fluide (Navier-Stokes), dolazi se do Bernoullijeve jednadžbe za visoke Reynoldsove brojeve, dok se za niske Reynoldsove brojeve dolazi do Newtonovog zakona viskoznosti - dvije su vrste strujanja prilično različite. Kod laminarnog strujanja pad tlaka uslijed t renja dan je linearnom vezom (prvog reda), pa se otpor može interpretirati kao u (istosmjernoj) elektrici. Kod tu rbulentnog strujanja pad tlaka uslijed trenja proporcionalan je kvadratu protoka pa je veza pada tlaka i protoka nelinearna

Granicu laminarnog i turbulentnog strujanja određuje kritični Reynoldsov broj, koji je različit za različite fluide, te za različite profile kroz koji fluid struji. Za strujanje kroz glatke okrugle cijevi fluida niže viskoznosti, poput plinova i vode, granični Re se obično uzima 2300. Za ulja obično se uzima laminarno strujanje za Re < 1400, dok je turbulentno za Re > 3000. U području između postoji prijelazni, ili mješoviti režim strujanja. Za ventile i druga otporna mjesta kritični Reynoldsov broj u pravilu je dosta niži.

Stacionarno strujanje u ravnoj cijevi

Stacionarno strujanje u ravnoj cijevi Pad tlaka u ravnoj cijevi uslijed trenja određuje se slijedećim izrazom (Darcy-Weisbachova j.): 2 l ρ v ∆ p = λ d 2 Gdje su l dužina cijevi, d promjer cijevi, ρ gustoća, v je brzina strujanja fluida. λ je koeficijent trenja (f (Re)).

Koeficijenti trenja pri strujanju fluida (Moodyev dijagram)

Za laminarno strujanje koef. trenja λ se može izraziti kao λ = 64/Re Za računanje Reynoldsovog broja kao karakteristična linearna dimenzija uzima se hidraulički promjer d h. Brzina strujanja računa se kao v = Q / A , a umjesto dinamičkog viskoziteta može se uvrstiti kinematički ( µ = ρ �ν ) Tada Re postaje: pov. pop. Q dh Re = υ A

gdje je:

4 A dh = O

Relativna hrapavost

presjeka

opseg

19

Strujanje kroz lokalne otpore Strujanje kroz lokalne otpore Uz ravne cijevi, hidraulički fluid provodi se i kroz kraća, ali zakrivljenija mjesta s naglim promjenama presjeka (npr. različiti priključci, ulazni i izlazni otvori, koljena, lukovi, grananja, suženja i proširenja, ventili, itd.). Na tim mjestima također nastaju gubici, koji, ako su takva mjesta brojna, mogu biti znatni. Pad tlaka na takvim, „lokalnim“ otporima može se izraziti na slijedeći način: ρ v 2 ∆ p = ζ 2

Primjeri:

gdje je ζ koeficijent (lokalnih) gubitaka

Ukupni pad tlaka

Ukupni pad tlaka Ukupni pad tlaka u nekom hidrauličkom cjevovodu može se izračunati pomoću Bernoullijeve jednadžbe, te dodajući gubitke strujanja u ravnom dijelu cjevovoda i lokalne gubitke. Uz to može se dodati suma pada tlaka ∆ pv na pojedinim elementima, poput ventila, filtera ili slično. Kataloški podaci najčešće sadrže dijagrame (∆ p -Q ) kojim se izražava pad tlaka na pojedinom elementu, ovisno o protoku (najčešće je to 1 do 5 bar).

Primjer:

Izraz za ukupni pad tlaka je slijedeći: 2 2     ρ v i2 ρ v i2  p 1 + ρ v 1 + ρ g h 1  −  p 2 + ρ v 2 + ρ g h 2  = ∑ λ i l i + ∑ ζ i + ∑ ∆p v i     2 2 2 i i     i d i 2

Dakle, za računanje pada tlaka na slici potrebno je zbrojiti pad tlaka u ravnim dijelovima cjevovoda (ima 4 sekcije), pad tlaka na lokalnim otporima (ima ih 3), te pad tlaka na jednom ventilu (označen sa ∆ pv 1). Lokalne brzine strujanja računaju se iz protoka Q koji je konstantan (v i=Q / Ai ).

Otpori strujanja u uskim otvorima: Otpori strujanja u uskim otvorima

Mali okrugli otvor

Izvod i okolnosti jednadžbe prigušnice dane su prethodno. Q = α c ⋅ A0

2 ∆p ρ

Važno je napomenuti, jednadžba je izvedena korištenjem Bernoullijeve jednadžbe, gdje dominiraju inercijske sile u fluidu. Znači ta jednadžba vrijedi za stacionarno strujanje nestišljivog fluida s većim iznosima Reynoldsovog broja. U slučaju kada fluid struji sa vrlo malim iznosima Reynoldsovog broja, pri strujanju dominira Newtonov zakon viskoznosti. τ = µ ⋅

Q=

π r 4 ⋅ ∆ p 8 µ l

dx& dy

Iz Navier-Stokesovih jednadžbi za male iznose Reynoldsovog broja može se stići do Poiseuilleove jednadžbe za protok fluida kroz mali okrugli otvor...

20

Otpori strujanja u uskim otvorima:


Mali pravokutni otvor

Ekscentrični okrugli otvor

Q=

b h3 ⋅ ∆ p 12 µ l

Q=

π R ( R − r ) 3  3 2  ⋅  1 + ε  ⋅ ∆ p 6 µ l  2 

Gdje je ekscentričnost:

ε =

e R − r

Jednadžba vrijedi ako je l mnogo veći od h (l >100h ), te ako je b dosta veći od h . Kako se često radi o opisu slučaja curenja kroz zazore, koji su kod hidrauličkih strojeva često reda veličine nekoliko mikrometara (µm), tako je često zadovoljen l >100h . Napominje se da za b lendu (prigušnicu sa kratkim prigušnim putem, omjer l /d je manji od 1.5 (d je promjer prigušnog mjesta, odnosno svjetlog otvora).


Iz prethodnih jednadžbi očito je da je protok kroz uske otvore proporcionalan razlici tlakova, i površini presjeka otvora (svjetlom otvoru), a obrnuto proporcionalan viskoznosti fluida, te dužini otvora. Protok kroz uske otvore u pravilu znači curenja iz sustava, odnosno gubitke. Npr. iz jednadžbe za pravokutni otvor može se uočiti da protok kroz zazor zavisi o trećoj potenciji visine zazora h , odnosno tolerancijama mjera. Dakle, što je manja tolerancija mjera, biti će i manje curenje kroz otvore, odnosno gubici. Međutim, manji zazori znače kvalitetniju izradbu, a pitanje podmazivanja postaje teže. Dakle, nužan je kompromis! Isto vrijedi i za ekscentričnosti kod prstenastih otvora.

Nestacionarno strujanje U nekom hidrauličkom sustavu strujanje f luida podložno je stalnim promjenama: ventili se otvaraju i zatvaraju, može biti spojeno više aktuatora koji rade ili stoje, pumpe isporučuju fluid manje ili više neravnomjerno (pulsirajuće), itd. Fluid se svojom inercijom suprostavlja promjenama gibanja, a zbog stlačivosti može pohraniti energiju. Sve zajedno ima za posljedicu to da se strujanje fluida u nekom hidrauličkom sustavu radije podvrgava zakonima kompleksne impedancije nego „običnog“, Ohmovog otpora. Dakle, analogija je bliža izmjeničnim električnim krugovima sa kapacitetom i induktivitetom.

Otpori strujanja u uskim otvorima: Značajno je ukazati na razliku kod jednadžbe prigušnice i jednadžbi strujanja kroz uske otvore: U jednadžbi prigušnice veza između pada tlaka i protoka je nelinearna (drugog reda), međutim u izrazu nema viskoznosti. U jednadžbama str. kroz uske otvore veza pada tlaka i protoka je linearna (prvog reda), ali izrazi su funkcija viskoznosti fluida. Viskoznost većine fluida koja se koriste u h idraulici značajno ovise o temperaturi. Dakle, protok kroz prigušnice ne bi trebao ovisiti o temperaturi, za razliku od protoka kroz uske otvore. Potrebno je napomenuti da se prigušno mjesto sa tu rbulentnim strujanjem u engleskoj literaturi naziva orifice , a na njemačkom Blende , dok se prigušno mjesto sa laminarnim strujanjem naziva throttle , odnosno Drossel . Zazori, gdje je također laminarno strujanje nazivaju se gap(s) , odnosno Spalt(en) . Napominje se da je za blende (turbulentno str.) definiran omjer dužine l i promjera otvora d prigušnog mjesta l < 1.5d , dok je za prigušnice (laminarno str.) isti omjer definiran kao l >> d . U hrvatskom jeziku korisno bi bilo razlikovati ove dvije vrste p rigušnih mjesta, pa se ono prvo može nazvati blenda ili fina prigušnica (kako se i koristi u nekoj literaturi), dok drugo može biti samo prigušnica. Ipak, često se koristi izraz prigušnica, koja obuhvaća obje vrste prigušnih mjesta (a pri tom je važno imati na umu razlike u prirodi strujanja kroz njih!).

Nestacionarno strujanje Induktivitet fluida u cijevi može se lako izračunati, ako se fluid u cijevi presjeka A i dužine l razmatra kao kruto tijelo mase m . Sila F potrebna za ubrzavanje fluida a je slijedeća: F = m ⋅ a = A ⋅ l ⋅ ρ ⋅

Jer je

a=

1 dQ A dt

dv dQ = l ⋅ ρ ⋅ dt dt

. Ako se uvrsti da je ∆ p = F / A , tada slijedi: ∆ p =

l ⋅ ρ dQ & ⋅ = L H ⋅ Q A dt

Što odgovara izrazu u elektrici, kojim se povezuje napon i promjena jakosti struje u =L �di /dt .

21

Nestacionarno strujanje: hidraulički udar

Nestacionarno strujanje Dakle, hidraulički induktivitet L H proporcionalan je dužini cijevi l i gustoći fluida ρ , a obrnuto je proporcionalan površini presjeka cijevi A : L H =

l ⋅ ρ A

Treba dodati da se hidraulički induktiviteti hidrauličkog cilindra ili motora drugačije izražavaju ( L H = m / A 2 za cilindar, odnosno L H = I /(V/2 ) 2 za motor). π

Podsjetimo se:

Nestacionarno strujanje: hidraulički udar Kinetička energija dijela fluida je: Ek = 0.5 ⋅ ρ 0 ⋅ V 0 ⋅ v 02 Potencijalna energija zbog elastične deformacije je: Ep = 0.5 ⋅ ρ 0 ⋅ V 0 ⋅ ∆h 2

Odnosno, vrijedi slijedeće: V Ep = 0.5 ⋅ 0 ⋅ ∆p 2 K

Izjednačavanjem kinetičke i pot. energije porast tlaka je: ∆ p = v 0 ⋅ ρ 0 ⋅ c

Gdje je c izraz za brzinu širenja zvuka (odnosno brzina širenja udarnog vala): K c =

Hidraulički udar predstavlja nagli i veliki porast tlaka u slijed isto tako nagle promjene brzine strujanja fluida (npr. zbog naglog zatvaranja ventila). Tada se taj tlak širi cjevovodom velikom brzinom, i često uzrokuje zvuk poput kucanja čekićem po cijevi (engleski izraz za pojavu je water hammer, njemački je Druckstoß ). Pojednostavljen izraz za porast tlaka uslijed naglog zaustavljanja fluida koji teče kroz cijev može se izvesti iz bilance kinematičke energije jednog dijela fluida u strujanju, i potencijalne energije naglo zaustavljenog fluida.

Nestacionarno strujanje: hidraulički udar c za tekućine iznosi od oko 1000 m/s (neka min. ulja) do oko 1480

m/s (voda).

Iz jednadžbe je vidljivo da porast tlaka prvenstveno ovisi o početnoj brzini fluida v 0 (brzina c i gustoća ρ su zadane za određeni fluid). Također, iz već spominjanog razmatranja impedancije cjevovoda, te poznavanjem brzine c za konkretan fluid, može se izračunati i kritično vrijeme zatvaranja ventila u cjevovodu. Dakle, za izbjegavanje hidrauličkog udara postoje više opcija: smanjenjem početne brzine strujanja fluida (korištenjem šire cijevi na primjer), ili ugradnjom akumulatora, ili eventualno ventila za ograničenje tlaka, ili polaganijim zatvaranjem ventila.

ρ 0

Nestacionarno strujanje: promjena tlaka uslijed promjene volumena spremnika

Nestacionarno strujanje: promjena tlaka uslijed promjene volumena spremnika

Zanimljivo je razmotriti što se događa s tlakom u nekom spremniku, ako je volumen spremnika varijabilan, te ako istovremeno postoji dotok fluida u spremnik. To je slučaj koji je čest u hidrauličkim sustavima, a može se ilustrirati na primjerima hidrauličkog cilindra, ili hidrauličkog akumulatora.

Masa fluida u promatranom volumenu je:

Fluid ulazi u nekakav promatrani volumen spremnika (gdje je stanje fluida p, V, m, ρ ) protokom Q s lijeva, dok klip cilindra na desnoj strani može mijenjati promatrani volumen spremnika.

Diferencijal gustoće fluida jest:

= ρ ⋅V

d ρ dV ⋅ V + ρ ⋅ dt dt Iz jednadžbe očuvanja mase, maseni protok je dan sa:

Diferencijal mase je:

& = m

& = ρ ⋅ Q m

d ρ ρ = ⋅ p& dt K

Gdje je K modul elast. fluida. Uvrštavanjem prethodnog, dobiva se izraz za promjenu tlaka u nekom promatranom volumenu uslijed dotoka fluida i promjene volumena: p& =

1 / CH

K  dV  Q −  V  dt 

22

PUMPE (CRPKE) i MOTORI (hidraulički strojevi) CRPKE (PUMPE) Pretvaraju mehaničku u hidrauličku energiju (energiju stlačenog fluida).



MOTORI Pretvaraju hidrauličku energiju u gibanje (aktuatori)



Podjela crpki i motora: (“ Positive displacement” )  Hidrostatičke  Hidrodinamičke

Hidrostatičke (Opis za pumpe) Potiskuju

fluid svakim okretom (ili pokretom) crpnog elementa (zupčanika, krila, vijka, klipa, ..), i to tako da pomičući se «ekspandiraju », stvaraju prostor između crpnih elemenata i « hvataju fluid » u tom prostoru. Rotiranjem crpnih elemenata taj prostor se zatim reducira i potiskuje fluid izvan crpke. Rade dobro za fluide šireg područja viskoznosti, posebno visokih, te podnose (odnosno generiraju) visoke tlakove, dobar omjer veličine i snage, efikasne u širem području rada, dobra volumenska efikasnost, mogu pokriti široki raspon zahtjeva za brzinom i tlakom

Hidrodinamičke (Opis za pumpe) Kinetičkom energijom crpe fluid.

Daju velike protoke, manje efikasne za šira područja rada pumpi (tlak - protok karakteristika). To su centrifugalne, te crpke sa aksijalnim i radijalnim protokom. One su jeftinije, lakše za održavanje, jednostavne i pouzdane.

Hidrostatičkim pumpama protok ne ovisi (makar teoretski – curenje) o tlaku (za razliku od hidrodinamičkih), pa se negdje za njih kaže da s u pumpe konstantnog protoka ( constant flow ). (Napomena: ne vodeći računa o varijabilnosti volumena). Ne smije se zatvoriti izlazni protok hidrostat. pumpi (potrebno je koristiti v.z.o.t.).

Podjela pumpi

Podjela motora

23

Vrste hidrauličkih strojeva (© Purdu Purduee Unive University rsity) )

Povijesni osvrt (© Purd Purdue ue Unive University rsity) )

Varijabilnost volumena


Mogućnost varijabilnosti volumena pumpe ili motora značajna je: kontinuirani varijabilni prijenosnik (CVT) dobava pumpe može se prilagođavati potrebama opterećenja, (energetski efikasni pogoni ili prijenosnici).

Mogućnost varijabilnosti volumena pumpe ili motora značajna je: kontinuirani varijabilni prijenosnik (CVT) dobava pumpe može se prilagođavati potrebama opterećenja, (energetski efikasni pogoni ili prijenosnici).

Varijabilni volumen: krilne jednokomorne, te aksijalno klipne pumpe i motori

Varijabilni volumen: krilne jednokomorne, jednokomorne, te aksijalno klipne klipne pumpe i motori

Digitalne pumpe i motore, kao nadolazeće izvedbe: one su u pravilu radijalno-klipne konstrukcije, a varijabilnost volumena osiguravaju im periodi otvaranja i zatvaranja ventila za distribuciju fluida (načelo PWM-a).

Digitalne pumpe i motore, kao nadolazeće izvedbe: one su u pravilu radijalno-klipne konstrukcije, a varijabilnost volumena osiguravaju im periodi otvaranja i zatvaranja ventila za distribuciju fluida (načelo PWM-a).


Simboli

Mehanizmi koji mijenjaju volumen pumpi ili motora: mehanički pogonjeni (npr. ručnom polugom), hidraulički pogonjeni (npr. hidrauličkim cilindrom kojim se upravlja ventilima), elektro-hidraulički elektro-hidraulič ki (npr. h idrauličkim cilindrom kojim se upravlja ventilima posredstvom elektrike i elektromagneta), elektro-mehanički (npr. polugom, ili polužjem kojima se upravlja posredstvom elektrike, elektromagneta i/ili elektromotora). Varijabilnost volumena znatnije poskupljuje pumpu ili motor (vrlo grubo, grubo, jedan hidraulički stroj varijabilnog volumena košta od 30% pa na više, u odnosu na identičan stroj fiksnog volumena). Važno je napomenuti napomenuti da se promjena promjena dobave pumpe može mijenjati i promjenom broja okretaja kojom se pumpa okreće (primarni pogon (elektromotor, motor sa unutarnjim izgaranjem) mora imati mogućnost promjene broja broja okretaja) – kod EM skupo (znatno skuplje nego promjenljivi volumen pumpe), a zbog velikog momenta inercije električnog motora dinamička svojstva mogu biti znatno lošija.

Crpka

Motor

Crpka Crp ka - mot motor or

24

Zatvoreni i otvoreni hidraulički krug

Radni režim

Načelne prednosti zatvorenog kruga su neka bolja svojstva (dinamički odzivi, preciznost, kompaktnost), dok su nedostaci slabija mogućnost hlađenja, te složenije u pravljanje sustavom.

Suprotan smjer okretanja ( n ) i momenta (T ) u režimu pumpe, znači da je potrebno „dovesti“ „dovesti“ moment pomoću pomoću nekog pogona (EM ili motor sa unutarnjim izgaranjem), da bi generirali protok (tj. tlak, ako postoje otpori u hidrauličkom sustavu). Motorni režim ima isti smjer okretanja i momenta, što znači da on „daje“ moment teretu. Pumpe i motori imaju vrlo sličnu konstrukciju, a nekad su identični.

Simboli pojedinih konfiguracija pumpi, pumpi-motora i motora

Tablica transformacija

n

T

D

2 π

Q

Q

1

n

D

∆ p

∆p

D

D

T

2 π D – – jedinični volumen

hidr. stroja [m3/okr] ili [cm3/okr]. Napomena: n =ω /2π

Značajke hidrauličkog stroja Q

Značajke hidrauličkog stroja

Q

p = const

n = const

n

∆ p

T

T

n = const

∆ p

p = const

n

Maksimalni moment ograničen je maksimalnim dozvoljenim tlakom ∆ p , dok je maksimalni broj okretaja ograničen maksimalnim protokom Q (pri tom se ne smije prijeći ni maksimalna brzina vrtnje).

25

Zakoni sličnosti

Zakoni Zak oni slič sličnos nostiti - prim primjer jer

Na osnovi geometrijskih sličnosti razvijenih za tu rbostrojeve i ostale hidrodinamičke strojeve, mogu se dati zakoni sličnosti i za hidrauličke strojeve (korisni pri brzom i površnom proračunu):

Zadana je pumpa od 40 cm3/okr, čiji je maksimalan broj okretaja 5000 okr/min. Maksimalni radni tlak je 40 Mpa (400 bar). Potrebno je pronaći broj okretaja i snagu pumpe od 90 cm3/okr. Dakle, faktor sličnosti λ je: V 90

n = λ −1 ⋅ n 0

λ = 3

2

P = λ ⋅ P0 V = λ 3 ⋅ V 0

=3

V 0

40

= 1.31

Maksimalni broj okretaja veće pumpe iznosi: n = 1.31−1 ⋅ 5000 = 3817okr/min

T = λ 3 ⋅ T 0

Gdje je λ faktor sličnosti, a n, P, V i T su broj okretaja, snaga, volumen i moment hidrauličke pumpe ili motora. Indeks 0 označava početnu veličinu (referenciju).

Moment (ako je maksimalni radni tlak jednak), maksimalni protok i snaga iznose: ∆ p ⋅ V 40 ⋅ 106 ⋅ 90 ⋅ 10−6 = = = T

2π

573 Nm

2π

−6

Qmax = V ⋅ nmax = 90 ⋅ 10

⋅ 3817 = 0.344 m3/okr

P = ∆ p ⋅ Q = 40 ⋅ 106 ⋅ 0.344 ⋅ 1 /60 = 230 kW

Gubici hidrauličkih strojeva Dvije vrste gubitaka: volumenski (protok, curenja, DIN ISO 4391) hidrauličko-mehanički (moment, trenja krutih tijela i strujanja fluida) Gubitke je teško precizno odrediti i izraziti matematičkim modelom

Volumenski gubici

Ako se razmotri nanovo pitanje protoka kroz zazore, protoci su proporcionalni razlici tlaka, visini zazora (na treću potenciju), ili radijusu, ili ekscentricitetu, a obrnuto su proporcionalni viskozitetu. Slično je i kod turbu lentnog strujanja (proporcionalno korijenu razlike tlakova, a viskoziteta nema u relaciji. D akle, protoci ne bi trebali ovisiti o brzini vrtnje strojeva. Ipak, praktična ispitivanja pokazuju po kazuju određenu zavisnost, vjerojatno zbog utjecaja brzine vrtnje na viskozitet fluida (preko izmjene topline) u određenim režimima, te također zbog nepotpunog punjenja komora pumpe, koje je ovisno o brzini vrtnje te iste pumpe.

Volumenski gubici Q ef = Qth − Q L Volumenski gubici QL mogu se podijeliti: na vanjske gubitke curenjem Qe unutarnje gubitke curenjem Qi , V Qk = n ⋅ ∆V ) gubitke zbog stišljivosti fluida Qk , ( ∆V = − K 0 ∆ p gubitke zbog nepotpunog punjenja komora hidrauličkog stroja Qf

Hidrauličko-mehanički gubici Gubici momenta mogu se podijeliti na četiri grupe: ovisni o kvadratu kvadratu brzine (posljedica trenja uslijed turbulentnog strujanja fluida, te momenta potrebnog za promjenu količine gibanja. Također posljedica su ležaja koji se kotrljaju ispunjeni uljem, te posljedica rotirajućih dijelova pumpi ili motora unutar kućišta ispunjenih uljem (bućkanje) ), proporcionalni proporciona lni brzini (viskozno trenje) trenje) , proporcionalni proporciona lni tlaku (uglavnom u ležajima, suho trenje, trenje, prop. normalnoj sili), neovisni o radnim parametrima (npr. prednaprezanja opruga, opruga, naprezanja koja djeluju na brtve, i slično. Navedeni gubici konstantni su za neki hidraulički stroj, a pretežno ovise o kvaliteti izradbe stroja. Za kvalitetnije strojeve gotovo su zanemarivi).

26

Hidrauličko-mehanički gubici

Gubici i viskoznost e g a n s i c i b u G

Ukupno Uslijed trenja Uslijed curenja Din. viskozitet

Stupanj korisnog djelovanja, primjer jedne AK crpke

Stupanj korisnog djelovanja Definicije: DIN ISO 4391

η 1

η hm

η vol

η

η hm

1

η vol η tot

η tot

0

p / p max

0

1

1

n / n max

Q = x ⋅ A

Pulsacije

1

1

Pulsacije: (Qmax – Qmin)/Qsr

Q sr

π

3π

2π

ω t

Q = x ⋅ A

1

Q sr

1

2

# cilindara

1

3

4

5

6

7

8

9

10

7.6

1.5

4.9

A

x

π

3π

2π

ω t

13.4 29.3 4.9 13.4 2.5

2 Q = x ⋅ A

Q sr

3

1 π

2

1 2π

2 3π

ω t

27

Usisna značajka pumpe

Usisna značajka pumpe

Kako fluid nije moguće vući nego samo gurati, pozitivna razlika tlaka između spremnika i usisa mora osigurati guranje fluida u usisne komore pumpe. Dakle, u slučaju da na spremnik djeluje atmosferski tlak, pumpa bi trebala stvoriti određeni podtlak. Usisna sposobnost pumpe najviše ovisi o vrsti (konstrukciji) pumpe, te o brzini vrtnje pumpe. Što se pumpa brže vrti, daje veći protok, ali je i usisna potreba veća. Prema definiciji, neto-pozitivna specifična usisna energija pumpe Ysp najmanja je vrijednost zbroja specifične energije apsolutnog tlaka p ul / ρ i specifične kinetičke energije v 2/2 na najvišem mjestu (ili u sredini) poprečnog presjeka na ulazu u pumpu, umanjenog za specifičnu energiju (apsolutnog) tlaka isparavanja kapljevine p p / ρ , pri kojoj pumpa može trajno raditi s nominalnom brzinom vrtnje uz nominalni protok:  p ul − p p v   ρ + 2    min

Y sp = 

2 

Usisna značajka pumpe Preporuke:

Sposobnost samostalnog usisavanja potrebnog fluida. Označava najniži nivo potrebnog tlaka fluida na usisu za dani broj okretaja, ili max brzinu okretanja crpke za dani ulazni tlak kod kojeg još uvijek imamo zadovoljavajuće punjenje fluidom. Osnovni uzrok nepotpunog punjenja je prekid stu pca tekućine kao rezultat separacije zraka rastopljenog u ulju uslijed pada tlaka, te usljed isparavanja tekućine. Drugim riječima, pad tlaka ispod p krit je osnovni razlog nepotpunog punjenja. Za hidrostatičke crpke p aps do 0.4 bara (za nominalni n ), najčešće 0.8 – 0.9 bara. Ovisi o vrsti crpke.

Usisna značajka pumpe, primjer 1600 2000 2400 1800 2000

2350 o/min

1.0

Kada god je moguće, dobro je da je visina usisa pumpe ispod nivoa fluida u spremniku („ flooded inlet “). Potrebno je eliminirati sve nepotrebne otpore na usisu (svakako izbjegavati mrežice, filtere).

Qe / Qi

0.75

Usisni vod treba biti što kraći i ravniji, te dovoljno širokog presjeka (da usisna brzina fluida bude po mogućnosti manja od 1 m/s).

zupcasta crpka aksijalno-klipna crpka 0.5 Index e – efektivni Index i – na ulazu

Usisna značajka crpke, primjer

0.75

pi

1.4

Usisna značajka crpke smještaj crpke (5 alternativa)

Ako max br. okr. kod p aps = 1 bar iznosi 1200 o/min, onda kod vrtnje od 1500 o/min minimalni tlak na ulazu treba biti 1,9 bara

28

Klasifikacija motora, prema rasponu brzina i momenata

Značajke, za motore Ponašanje pri niskoj brzini rotacije (mogućnost ravnomjernog gibanja pri niskim okretajima i pri opterećenju – ovisi o volumenskim gubicima, o stickslipu, kapacitivnosti fluida i cijevi). Ponašanje pri pokretanju (nadilaženje statičkog trenja)

Motori za niske brzine (0 – 250 rpm), LS Motori za visoke brzine, HS (Motori za srednje brzine (do 800 rpm)) LSHT (low speed – high torque) Za visoke brzine (zupčasti, AK, krilni)

Mogućnost ubrzanja (T/J )

Za niske brzine (RK)

Usporedba stupnja korisnosti hidromotora

Usporedba stupnja korisnosti motora, nastavak

1.0 low speed motor

LS u prednosti pred HS+reduktorom zbog boljeg stupnja korisnosti, kompaktnosti, veće gustoće snage i boljeg ubrzanja (manji J )

high speed motor

0.9

η t

high speed motor + gear

0.8

0

75

150

225

300

[rpm]

n

Osnovne značajke crpki i motora: Vrsta Volumen (koliki je, te da li je fiksan FD ili varijabilan VD) Tlak (radni i maksimalni) Brzina vrtnje (min i max) Snaga, moment Usisna moć (za crpku) Radno područje viskoznosti i temperature Stupanj korisnosti

Važni zahtjevi za crpke i motore: Učinkovitost u cjelokupnom radnom području Što manja bučnost Pouzdanost, čak i u slučaju složenijeg opterećenja Male dimenzije, mala masa, mali moment tromosti, niska cijena, povoljno održavanje, laka ugradnja Mogućnost integracije upravljačkih uređaja Široko područje viskoznosti Kontinuirano podešavanje volumena kod jedinica s promjenljivim volumenom Niske pulsacije protoka (za crpke), te razvijanje ravnomjerne brzine i momenta (za motore)

29

Izbor crpke i motora

Izbor crpke i motora, nastavak

Zahtjevi radnog tlaka u sustavu Zahtjevi protoka u sustavu Dopušteni broj okretaja Relacije – tlak – protok – broj okr. Promjenljivost volumena crpke Usisna značajka Stupanj korisnosti Ubrzanje i reverziranje Ponašanje na niskim okretajima Ponašanje pri pokretanju

Otpornost na kontaminacije, zahtjevi filtracije Životni vijek (vezano sa opterećenjem) Značajke fluida Buka Temperatura sustava Održavanje, dijelovi Tip pogona, smještaj crpke Kompaktnost Preciznost izrade (zazori i montaža) Cijena i ukupna ekonomska značajka

ZUPČASTE S VANJSKIM OZUBLJENJEM

ZUPČASTE S VANJSKIM OZUBLJENJEM

Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti

Zupčaste s vanjskim ozubljenjem

ZUPČASTE S VANJSKIM OZUBLJENJEM Prednosti Nedostaci Volumen

Jednostavne i povoljne cijene; mali volumen, velika g ustoća snage; robustne, pogodne za teške uvjete. Jedino fiksnog volumena; one visoke efikasnosti su skupe; bučne. 0.1 – 50 do 300

(min – max, [cm3])

Brzina

300 do 700 – 2000 do 8000

(min – max, [rpm])

Tlak

80 do 350; 400

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka, FD motor 1. kućište

2. prirubnica

3. vratilo

4., 5. čahure ležaja

6. poklopac

7. pogonski z.

8. pogonjeni z. 9. brtva

Primjena

Najšire korištena crpka za jednostavnije zahtjeve u mobilnoj h., u industrijskoj h. Kao motor (s lošim startnim karakt.)

30

ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM


1. kućište

Manji zupčanik ima 2 ili više zubaca manje od prstena, te su odijeljeni razdjeljnikom u obliku polumjeseca

Zona tlačenja

2. poklopac

3. pogonsko vratil o sa zupčanikom

4. zupčanik s unutarnjim ozubljenjem


Zona usisa

Razdjeljnik u obliku polumjeseca ( Crescent )

Prstenaste (Gerotor) crpke

PRSTENASTE

Pomoću posebnih profila zubaca može se postići da unutarnji zupčanik ima samo jedan zubac manje od vanjskoga, i na taj način se eliminira razdjeljnik. Na taj način razlika brzine dva zupčanika je manja, što daje tiše funkcioniranje, i duži radni i servisni vijek.

31


PRSTENASTE, Orbit princip

ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM Prednosti Nedostaci

Tihe, nepulsirajuće i trajne; mali volumen, velika gustoća snage; robustne. Jedino fiksnog volumena; skupe.

Volumen

1 do 5 – 50 do 700


Brzina

300 do 1500 – 2000 do 5000


Tlak

80 do 300; 100 do 300

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka, FD motor Primjena

Gdje se zahtjeva tišina te mali u gradbeni prostor.


VIJČANE

PRSTENASTE Prednosti Nedostaci

Male instalacijske dimenzije, velika gustoća snage; jednostavna konstrukcija; robustne, za teške radne uvjete; razmjerno velikog volumena, tihe Jedino fiksnog volumena; razmjerno slaba korisnost

Volumen

10 do 50 – 200 do 800

sa dva vijčanika:


Brzina

10 do 50 – 200 do 2000


Tlak

do 200; do 260

(radni, max, [bar])


Kao jeftina crpka FD za j ednostavnije primjene. Crpka za hidrauličke upravljačke sustave. Kao sporohodni motor opće uporabe. U mobilnoj hidraulici.


VIJČANE Sa tri vijčanika:

VIJČANE crpke Prednosti

Tihe, nepulsirajuće; dugotrajne i pouzdane.

Nedostaci

Jedino fiksnog volumena; skupe; za niski tlak i niske gustoće snage 1 do 5 – 4000 do 70000

Volumen (min – max, [cm3])

Brzina

– 2000 do 20000


Tlak

7 do 100; 10 do 210

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka Primjena

Crpka za gorivo (gdje j e ulje gorivo), za sustave za podmazivanje, u hidrauličkim dizalima.

32

KRILNE Krilne (lamelne), engl. vane, njem. Flὕgel.

Jednokomorne (“unbalanced”), (do 160 bar) fiksnog i promjenljivog volumena

Dvo- ili više-komorne (tlačno uravnotežene (do 250 bar), “balanced”), fiksnog su volumena

KRILNE PROMJENLJIVI VOLUMEN

“Overcenter” princip – promjena toka fluida bez promjene smjera okretaja rotora Problem: razmjerno veliko trenje između krilaca (aksijalno pomičnih) i rotora, te krilaca i statora → ograničen radni tlak


KRILNE, S KLIZNIM KRILIMA Prednosti Nedostaci Volumen

Male instalacijske dimenzije uslijed kompaktne konstrukcije; mala bučnost i pulsacije; VD, pogodna za razna upravljanja Mali st.kor.djel.; za razmjerno niski tlak, osjetljive na vršne tlakove (lom krilaca) 5 do 10 – 200 do 400

KRILNA, DVOKOMORNA

)

.


Brzina

10 do 400 – 1000 do 4000


Tlak

50 do 250; 100 do 280

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motor Primjena

Alatni strojevi i općenito u strojarstvu.

33

KRILNA S FIKSNIM KRILIMA tlak

Krilna trikomorna

usis

KRILNA S ROTIRAJUĆIM KRILIMA Nepulsirajući protok pomoću dvije krilne crpke s fiksnim krilima

Kotrljajuća krilca

Kotrljajuća krilca

KLIPNE PRINCIP RADA KRILNE VIŠEKOMORNE (FD, inače slične po svemu kao prethodne) KRILNE s rotirajućim krilima (FD, mali h-m gubici, te dobre startne karakteristike. Veliki volumenski gubici. Ponekad se koriste kao servo-motor).

34

RADIJALNO KLIPNE

S ekscentričnim blokom (“external piston support”)

RADIJALNO KLIPNE

S ekscentričnom osovinom (“internal piston support”)

RADIJALNO KLIPNI

S ekscentričnim blokom (“external piston support”)

S ekscentričnom osovinom (“internal piston support”)

RADIJALNO KLIPNA S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM


RADIJALNO KLIPNA S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM Klip kao nepovratni ventil

RADIJALNO KLIPNI S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM (“WITH INTERNAL SUPPORT”) Prednosti Nedostaci

Za visoki tlak, velika gustoća snage; dobra učinkovitost; moguće razmjerno visoke brzine Skupe; manje kompaktne od aksijalno klipnih;

Volumen

2 do 10 – 1000 do 8000


Brzina

2 do 10 – 300 do 12000


Tlak

120 do 400; 250 do 700

(radni, max, [bar])


Robustne crpke za visoki tlak, mobilne primjene, preše.

35


RADIJALNO KLIPNI

RADIJALNO KLIPNI S EKSCENTRIČNIM BLOKOM (“WITH EXTERNAL SUPPORT”) Prednosti Nedostaci Volumen

Za visoki tlak, velika gustoća snage; dobra učinkovitost; vrlo visok moment na malim brzinama Skupe; manje kompaktne od aksijalno klipnih ; nisu za visoke brzine. 10 – 2000 do 65000


Brzina

1 do 5 – 50 do 800


Tlak

180 do 400; 450

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka, VD crpka, FD motor Primjena

U stacionarnim primjenama, kao pogon za vozila, vitla, mješalice za cement.

AKSIJALNO KLIPNE, PROMJENLJIVI VOLUMEN

AKSIJALNO KLIPNE

Razvodna ploča, osigurava odvajanje fluida pod visokim (P) i niskim tlakom (T)

AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNOM PLOČOM


AKSIJALNO KLIPNI SA ZAKRETNOM PLOČOM Prednosti Nedostaci Volumen

Za visoki tlak; VD pogodan za p rimjene s upravljanjem; dobra učinkovitost; mali moment inercije; prolazna osovina Skupe; duže od radijalno klipnih; problemi s trošenjem na klipovima; razmjerno mali kut zakreta ploče 0.1– 500


Brzina

5 do 20 – 300 do 18000


Tlak

100 do 450; 600

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motor, crpke s kompenzacijom tlaka, “load-sensing” crpka, servo crpka Primjena Univerzalno primjenljiva za veće zahtjeve: hidrost. Prijenosnici, poljoprivredni i građevni strojevi, brodogradnja, alatni strojevi, zrakoplovstvo, testni uređaji.

36

AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNIM BUBNJEM

AKSIJALNO KLIPNE S ZAKRETNIM BUBNJEM (VARIJABILNOG VOLUMENA)


AKSIJALNO KLIPNI SA ZAKRETNIM BUBNJEM Prednosti Nedostaci Volumen

Za visoki tlak; VD pogodan za p rimjene s upravljanjem; najbolja učinkovitost; manji problemi s trošenjem; mali moment inercije; veliki volumeni Skupe; duže od radijalno klipnih; problemi s trošenjem na klipovima; visoke sile upravljanja kod varijabilnih 1.5 – 1000


Brzina

5 do 20 – 500 do 8000


Tlak

120 do 450; 500

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motor Primjena

Univerzalno primjenljiva za veće zahtjeve: hidrost. Prijenosnici, poljoprivredni i građevni strojevi, brodogradnja, alatni strojevi, zrakoplovstvo, testni uređaji.


LINERNI KLIPNI Još se nazivaju povratno – translatorne (engl. reciprocating )

LINEARNI KLIPNI Prednosti

Za visoki tlak; dobra učinkovitost;

Nedostaci

Velike dimenzije; samo FD

Volumen

5 do 10 – 50 do 100


Brzina

– 1500 do 3000


Tlak

200 do 500; 750 do 1200

(radni, max, [bar])

Najčešća izvedba FD crpka Primjena

Crpka sa malim protocima ali vrlo visokim tlakovima za posebne primjene.

37

NEKI NOVI TIPOVI HIDRAULIČKIH STROJEVA: ARTEMIS INTELLIGENT POWER LTD.

ARTEMIS INTELLIGENT POWER LTD. Each cylinder has two actively controlled poppet valves, one to each of the high and low pressure manifolds. When idling (left in the diagram below) the fluid flows in and out around the low pressure valve. The high pressure valve remains closed and isolates the reciprocating cylinder from the high pressure fluid. When pumping (right), the microprocessor closes the low pressure valve to send fluid to the high pressure s ervice.

6 cylinder Digital Displacement™ Pump / Motor in pumping sequences

Mala masa i volumen, male pulsacije, tiha, jeftina:

INNAS

Floating cup

The core of the Floating Cup principle is the shaft on which the rotor plate is fixed. The pistons are locked onto the rotor: there is no movable joint between the pistons and the rotor. The pistons are double faced. Unlike conventional axial pistons machines the pistons are not running in a collective cylinder block or barrel. Instead each piston has its own cuplike cylinder. The cylinders are supported by means of a barrel, one on each side of the rotor. To create a positive displacement the barrel plates have to be maneuvered in an angular position. This makes the cylinders move up and down over the pistons.

Aksijalno klipna crpka sa zakretnim bubnjem visokog stupnja korisnog djelovanja US EPA (Enviroment Protection Agency ) & UMich Ann Arbor – značajna poboljšanja postojeće tehnologije: - Vrlo veliki kut zakreta na malim brzinama → veliki moment (na velikim se ne može tako zakrenuti, ali tada nije ni potrebno) - Veliki η (posebno na djelomičnom opterećenju) - Brze promjene volumena - Mogućnost reverziranja (IV kv. operacije, uz pomoć ventila)

CILINDRI Aktuator F = p x A Razmjerno dobar η (0.84 – 0.96; teleskopski 0.74 – 0.86; servo +0.99) Podjele: Jednoradni Dvoradni 



38

CILINDRI Prema načinu proizvodnje:

- standardne (obuhvaćeni normama, npr. ISO 3322, DIN ISO 33220) - serijske (serijski se proizvode, ali nisu normirani) - specijalne

Cilindri Svaki hidraulički cilindar se sastoji od os novnih dijelova:      

klipa klipnjače glave cilindra dna cilindra cijevi cilindra ili kućišta (ovisno o konstrukciji) priključaka i pomoćnih komponenti (vijci, matice, osigurači i sl.)

Ti dijelovi se međusobno mogu spojiti na više načina. Spajanje cijevi cilindra sa glavom i dnom može se izvesti n avojem, navojnim šipkama ili vijcima, te zavarivanjem.

Klipnjača Klipnjača je element cilindra koji prenosi silu sa klipa na izvršni dio konstrukcije koja mora obaviti neki rad. Na jedan kraj klipnjače učvršćuje se klip dok je drugi kraj poveznica sa izvršnim elementom konstrukcije. Mogu biti u obliku šipke ili cijevi. Materijali od kojih se izrađuju klipnjače su: čelici za poboljšavanje ( Č1530 u poboljšanom stanju-najčešće primjena), nehrđajući čelici i razni drugi za specijalne namjene. Veoma bitna je površina klipnjače koja mora posjedovati dobra tribološka svojstva zbog klizanja kroz glavu cilindra. Površina je kromirana, a za teške uvjete rada i zakaljena. Postupak kaljenja se provodi indukcijski kako bi se samo površina zakalila a jezgra ostala žilava. Za okolinu gdje je povećana koncentracija elektrolita klipnjača se dodatno prije postupka kromiranja još prevlači slojem nikla.

Cilindri – načini pričvrščenja - nogicama za vodoravnu ili horizontalnu ugradnju - prirubnicom za dno ili glavu cilindra kod vodoravne i vertikalne ugradnje - zaokretna izvedba sa uškom - zaokretna izvedba sa rukavcem

Klip Funkcija klipa je da uslijed djelovanja tlaka na njegovu površinu preko klipnjače ostvaruje silu u smjeru djelovanja tlaka. Kako bi iskoristivost djelovanja klipa bila što veća potrebno je kvalitetno brtvljenje na klipu. Kod većih hodova klipa potrebno je i kvalitetno vođenje kako bi broj radnih ciklusa bio što veći. Klipovi se mogu izrađivati od: čelika za automate, konstrukcijskih čelika, čelika za cementiranje, čelika za poboljšavanje, nehrđajućih čelika, nodularnog lijeva, kositrene bronce, aluminijeve bronce, te drugih materijala za specijalne namjene. Izbor materijala ovisi o uvjetima u kojima cilindar radi i konstrukciji samog cilindra. Klipovi se izrađuju tokarenjem jer su osno simetrične geometrije kao i svi ostali dijelovi cilindra (osim u specijalnim slučajevima). Kontura klipa sadržava utore za vodilice i brtve. Sami utori su polirani jer kvaliteta obrađene površine mora zadovoljavati određene kriterije. Proizvođači brtvi daju u tablicama podatke potrebnih površinskih obrada utora za brtve, te tolerancije mjera. Potrebno srednje aritmetičko odstupanje profila treba biti između 0.2 i 0.8 �m.

Glava i dno cilindra Glava cilindra ili prednji poklopac ima funkciju vođenja klipnjače i brtvljenja brtvama smještenim u njoj. Služi još za smještanje priključka za radnu tekućinu i odzračivanje, također kod cilindara sa regulacijom prigušenja za ugradnju vijaka za regulaciju, stezanje hidrauličkog cilindra za konstrukciju i još neke druge specijalne zahtjeve. Glave cilindara izrađuju se od: konstrukcijskih čelika, čelika za poboljšavanje, čelika za cementiranje, nodularnog lijeva, čelika za automate, kositrene bronce i sličnih materijala ovisno o konstrukciji. Kao i kod klipa isti su zahtjevi kod obrade za kvalitetu brtvenih površina. Dno cilindra ili stražnji poklopac služi za zatvaranje cijevi, smještanje priključka i odzračivanje, ugradnja vijka za regulaciju prigušenja, stezanje cilindra na konstrukciju bilo to kruto sa vijcima ili na način da se ugradi ušica sa kliznim ili zglobnim ležajem i ostale specijalne namjene. Materijali koji se primjenjuju za izradu dna su isti kao i kod glave.

39

Cijev cilindra (košuljica, plašt) Cijev cilindra ili košuljica ima funkciju vođenja klipa. Materijali od koje se najčešće izrađuju cijevi su konstrukcijski čelici , a mogu biti honovane ili bešavne precizno vučene cijevi. Često su koriste cijevi koje su dobivene oblikovanjem deformiranjem (roliranjem?). Provlačenjem alata kroz cijev materijal se plastično deformira, te se dobiva veća tvrdoća površinskog sloja materijala gdje klizi klip, a površinska hrapavost postiže se do 0.2 �m.

Jednoradni Plunger (“uronjeni” ) ili cilindar bez klipa 



Bez unutarnjeg vođenja S unutarnjim vođenjem

U slučaju da se koristi odljevak ili neki drugi oblik poluproizvoda za vođenje klipa tada se naziva kućištem hidrauličkog cilindra. Za krače hodove izrađuju se kućišta sa slijepom rupom, a kod dužih hodova kućišta su probušena cijelom dužinom. Kućišta se koriste kod specijalnih namjena hidrauličkih cilindara. Primjerice kod alatnih strojeva za posmična gibanja, steznih u ređaja, potiskivalica i dubilica, brizgalica plastike, te slične namjene gdje je potrebno ostvariti linearno gibanje.

Jednoradni Cilindar s povratnom oprugom

Dvoradni diferencijalni

s prolaznom klipnjačom

Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara Tandem

Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara Teleskopski, jednoradni i dvoradni

Cilindri s brzim hodom (jedno i dvoradni)

40

Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara

Konstrukcija cilindara s šipkama za učvrščenje (kompaktno rješenje)

Servo-cilindar

Konstrukcija cilindara s okruglom osnovom (robustno rješenje, zavareno ili s navojem)

Prigušenje krajnjih položaja cilindra Preporuke korištenja hidrauličkih cilindara sa prigušenjem su: - Kod brzina v < 0,1m/s klip se može gibati bez prigušenja - Kod brzina 0.1> v > 0,3 m/s potrebno je kočenje s prigušnicama ili kočnim ventilima - Kod brzina v > 0,3 m/s potrebni su posebni zahvati kočenja Kod prigušivanja krajnjih položaja treba uzeti u obzir da suma energije cilindra ne bude veća od energije prigušenja

Prigušenje krajnjih položaja cilindra

Pričvrščenje cilindara (izvijanje, Euler) F = K / S

Tip 1 jedan kraj slobodan, drugi upet

K =

π 2 2 s k

Tip 2oba kraja vođena osloncem

⋅ E ⋅ J

K [N]; E [N/mm]; J [mm4]; S = 3.5

Tip 3Tip 4 jedan kraj vođen osloncem oba kraja kruto upeta a dru i e upet

41

VENTILI Ventili su uređaji (elementi) za upravljanje ili regulaciju pokretanja, zaustavljanja, usmjeravanja, te tlaka i protoka fluida pod tlakom dobavljenog crpkom ili pohranjenog u akumulatoru (DIN/ISO 1219).

Ventili, podjela Prema načinu pokretanja 

 



Ručno Mehanički Hidraulički ili pneumatski Električni (el-mag., koračni, moment mot.,..)

Ventili, podjela prema izradbi Sa razvodnim klipom (klizni) Sa sjedištem (kugla, stožac, tanjur, ..) Klizni rotirajući

Ventili, podjela prema funkciji Razvodnici Tlačni ventili Protočni ventili Nepovratni ventili

Prema načinu izmjene položaja: 



Dvopoložajni (on-off, schaltend ) Proporcionalni

RAZVODNICI

Razvodnici, primjeri protoka i upravljanja

en. Directional control v ., nj. Wegeventil Funkcija “razvođenja” fluida, ali i druge fkc. Označavanje 2/2, 3/2, 4/3, 5/3, ... P, T, A, B, L, X, Y, 



Primjeri protoka i upravljanja..

42

Razvodnici, konstrukcija S razvodnim klipom (klizni) Sa sjedištem =

Razvodnici, prekrivanja

Razvodnici, sa sjedištem kugla, stožac, tanjur

Razvodnici, karakteristike

Razvodnici, prekrivanja

Kriteriji odabira: priključci/br.položja i pokretanje; prekrivanje; nazivna veličina; svojstva i područje djelovanja (statičko i dinamičko) Zatvoreni centar

Otvoreni centar



Nazivna veličina NV NV 6 (40 – 80 l/min)  NV 10 (60 – 120)  NV 16 (100 – 240)  NV 25 ( 160 – 500) 

direktno upravljani

posredno upravljani Plivajući centar

Tandem centar

43

Razvodnici, karakteristike

Razvodnici, direktno upravljani do NV 10

Dinamičko ograničenje

Elektromagneti

Razvodnici, posredno upravljani NV 16 i više g.v

suhi (treba ih odvojiti brtvljenjem – trenje, gubici) ispunjeni uljem (suvremenije rješenje)

2 - pilot ventil p.v.

Neke značajke:

Snaga (potrošnja) Napajanje Zaštita

NV 6 –30 W NV 10 – 50 W DC 24 V (standard); DC 12V; AC (Npr. IP65)

Radna temperatura 1 - glavni ventil

Frekvencija i (uklj. 20 – 100 ms; vrijeme uključivanja isklj. 10 – 60 ms)

Ugradnja, priključci Uglavnom pokriveno standardima (npr. DIN 24340)

44

NEPOVRATNI VENTILI hidraulički integrirani krugovi: olakšavaju montažu i održavanje, smanjuju curenje i značajno smanjuju instalacije

Načelno, dozvoljavaju protok fluida u jednom smjeru, a ne dozvoljavaju u drugom Koriste se za zatvaranje jednog smjera protoka fluida, zatim za realizaciju različitih paralelnih tokova (premosnica, „by-passa“), te za dobivanje određenog pretlaka u nekom dijelu hidrauličkog kruga („backpressure“). check valve (eng), sperrventile (njem)

Konstruirani su s sjedištem (kugla, stožac, tanjur), tako da izoliraju dio kruga bez propuštanja (curenja)

NEPOVRATNI VENTILI Osnovna podjela je na: 



Nepovratni ventil (obični) Nepovratni ventil s deblokadom

Nepovratni ventili, obični S oprugom (tlak otvaranja 0.5; 1.5; 3; 5 bar) Bez opruge (ugrađuju se vertikalno) Izvedeni za različite ugradnje (u liniji, kao ugradbeni, kao ploče..) Koriste se za by-pass, za zatvaranje jednog smjera toka fluida, ili za dobivanje određene pretenzije ( backpressure )

Uz to mogu se spomenuti i slijedeći ventili kojima je osnova nepovratni ventil: 





Prigušno-nepovratni ventil Nepovratni ventil za predpunjenje Naizmjenično zaporni ventil

Nepovratni ventili, obični

simbol

Nepovratni ventili, obični Realizacija ispravljačkog spoja (Graetzov spoj)

45

Nepovratni ventili, s deblokadom

Nepovratni ventili, s deblokadom deblokiranjem se omogućuje protok u oba smjera s hidrauličkom deblokadom ( pilot operated check valve ) s električnom deblokadom (omogućava deblokadu bez rada crpke)

primjer





simbol

Nepovratni ventili, s deblokadom, dvostruki

Nepovratni ventili, za predpunjenje U naravi su to nep. ventili s hidrauličkom deblokadom, ali velikih dimenzija (NV 40 – 500) Služe za predpunjenje velikih cilindara uz izoliranje glavnog hidrauličkog kruga pod tlakom, npr kod preša

Prigušno-nepovratni v.

Naizmjenično zaporni v. Naizmjenično zaporni ventil (engl. shuttle valve , njem. Wechselventil ) ima dva ulazna priključka i jedan izl azni. Tlak na jednom ulazu izolira drugi ulaz, dok je prolaz prema izlazu otvoren (vrijedi i obrnuto). Koristi se na primjer u „Load-sensing“ sustavima za mjerenje tlaka opterećenja. i obrnuto. U pneumatici je čest u funkciji logičkog „ILI“ ventila.

46

TLAČNI VENTILI Zadatak je utjecaj na tlak u hidrauličkom sustavu, ili u nekom njegovom dijelu. Održavanje konstantnog tlaka u određenom režimu rada jedan je od najvažnijih zadataka u upravljanju hidrauličkim krugom. Osim sigurnosne funkcije, time se upravlja silama i momentima aktuatora. Osim ventila u tu svrhu mogu se koristiti i crpke promjenljivog volumena. Sigurnosna funkcija ograničenja tlaka jednostavno se postiže ugradnjom tlačnih ventila. Po konstrukciji mogu biti  

Sa sjedištem Klizni

Po načinu upravljanja su  

Direktno upravljani Posredno upravljani

TLAČNI VENTILI Tlačni ventili imaju još neke funkcije: 

  

Pražnjenje sustava (ventili za pražnjenje, odnosno ventili za punjenje akumulatora) Rasterećenje sustava (ventil za rasterećenje) Tlačno uravnoteženje sustava (ventil za regulaciju razlike ili omjera tlakova) Sekvencijalno uključenje dijelova sustava (proslijedni ili sekvencijalni ventil)

TLAČNI VENTILI Prema funkciji osnovna podjela jest na:  

ventil za ograničenje tlaka regulator tlaka

Tlačni ventili imaju još neke funkcije: 

 





Pražnjenje sustava (ventili za pražnjenje, odnosno ventili za punjenje akumulatora) Rasterećenje sustava (ventil za rasterećenje) Tlačno uravnoteženje sustava (ventil za regulaciju razlike ili omjera tlakova) Sekvencijalno uključenje dijelova sustava (proslijedni ili sekvencijalni ventil) Svi nabrojeni ventili građeni su slično kao i ventil za ograničenje tlaka ili regulator tlaka, međutim imaju različite hidrauličke spojeve, premosnice, i/ili omjere površina, tako da je njihovo otvaranje i zatvaranje specifično za svaku funkciju.

Tlačni ventili, podjela Osnovna razlika između funkcija ventila za ograničenje tlaka (druckbegrenzung, pressure relief ), “sigurnosni ventil” i reguatora tlaka ( druckminder, Druckregelventil ili Druckreduzierventil, pressure reducing ) “reducir-ventil”: ventil za ograničenje tlaka

Svi nabrojeni ventili građeni su slično kao i ventil za ograničenje tlaka ili regulator tlaka, međutim imaju različite hidrauličke spojeve, premosnice, i/ili omjere površina, tako da je njihovo otvaranje i zatvaranje specifično za svaku funkciju. Npr. ventil za pražnjenje sustava omogućava preusmjeravanje protoka iz pumpe u spremnik uz održavanje radnog tlaka. Ventil za rasterećenje obavlja istu funkciju, ali bez održavanja radnog tlaka.

Ventil za ograničenje tlaka

ograničavaju tlak u sustavu na neki postavljeni. Ako se nadmaši postavljeni tlak, višak fluida odvode u spremnik.

regulator tlaka

P

P

T

A

Ventil za ograničenje tlaka, ravnoteža sila F = p•A

47

Ventil za ograničenje tlaka, izvedbe

Ventil za ograničenje tlaka, posredno upravljani pilot ventil

Direktni (sa sjedištem) Posredno upravljani (sa sjedištem i klizni*)

glavni ventil

* Na slici je direktni klizni

Ventil za ograničenje tlaka, posredno upravljani

Ventil za ograničenje tlaka, karakteristike Karakteristike za direktno upravljani (isprekidano) i za posredno upravljani (puna linija) Područje rada: gornje (određena površinom i silom opruge) donje (prilikom max otvora dolazi do prigušenja (prekomjernog). Za posredne to je najmanji tlak funkcioniranja (1.5 – 4.5 bara)).

Simbol

Regulator tlaka Za razliku od ventila za ograničenje tlaka koji djeluju na primarni tlak, ovi služe da djeluju na sekundarni tlak

Direktni – bolji su npr. za zaštitu od tlačnih špica

Regulator tlaka (dvosmjerni)

simbol

48

Regulator tlaka

Regulator tlaka

direktni i posredno upravljani, uglavnom klizne konstrukcije

dvosmjerni i trosmjerni

Slijedni ventili, ventili za pražnjenje vrlo slični ventilima za ograničenje tlaka, ali imaju drugu funkciju Slijedni – uključuju dio po dio kruga (druckzuschalt, pressure sequencing ) (isti kao v.o.t., ali curenje mora biti riješeno direktnim dovodom da ne djeluje na silu uključivanja) Ventili za pražnjenje (ili za punjenje akumulatora) (druckabschalt, pressure cut-off )

v. za pražnjenje

Slijedni ventili, ventili za pražnjenje Gibanje: desni pa lijevi cilindar (odnosno samo lijevi, ako desni miruje)

slijedni, direktni i posredno upravljani

Slijedni ventili, ventili za pražnjenje Usmjerava se tok fluida na punjenje akumulatora dok se ne napuni

PROTOČNI VENTILI Utjecajem na protok mijenjajući otvor prigušnog elementa, protočnim ventilima utječe se na brzinu gibanja aktuatora iznimka je razdjeljnik protoka

49

Protočni ventili, podjela

Prigušnice i blende PRIGUŠNICE I BLENDE blenda

prigušnica

PROTOČNI VENTILI

Prigušnica: dugi prigušni put (l > 100 h ), laminarno strujanje

REGULATORI PROTOKA

Blenda (ili fina prigušnica): kratki prigušni put, turbulentno strujanje

blenda

RAZDJELJNICI PROTOKA prigušnica

Prigušnice i blende, Q – dp karakteristika

Prigušnice i blende

Q = α ⋅ A 2 / ρ ⋅ ∆ p Q

A

Q Prigušnica (kvadratni profil) Qv

blenda

=

b ⋅ h3 12 ⋅ η ⋅ l

Qv = α ⋅ A ⋅

Prigušnice i blende, geometrijske karakteristike

⋅ ∆ p

uz

100 < l;

h << b

l

Q

2r

Q=

2⋅∆ p

ρ

dp

π ⋅ r 4 ⋅ ∆ p 8 ⋅η ⋅ l

f (t )

Prigušnice i blende Jedna blenda, presjek

50

Prigušnice i blende, ovisnost o dp

Prigušnice i blende prigušno- nepovratni ventil

Regulatori protoka

Regulatori protoka Mjerna (metering ) prigušnica A 2 (koja se može podesiti) može biti iza (upstream ) ili ispred (downstream ) tlačnog kompenzatora, odnosno upravljačke prigušne površine A 1. Nema značajnijeg utjecaja na funkciju.

F F p 1* A k = p 2* A k+ A k *( p 1 -p 2) = F F dp = F F / A k = const.

upstream

simbol

Regulatori protoka

Regulatori protoka regulatori protoka mogu biti : dvosmjerni (2-way ) (oni prethodni) trosmjerni (3-way) – za razliku od serijskog spoja mjerne prigušnice A 2 i upravljačke prigušne površine A 1 kod dvosmjernog r.p., ovdje su one u paraleli.

Mjerna (podešavajuća) prigušnica može biti iza ( upstream ) ili ispred (downstream ) tlačnog kompenzatora. Nema značajnijeg utjecaja na funkciju.







upstream

downstream

Nap: obzirom na odvod viška fluida u spremnik, trosmjerni r.p. može biti smješten samo u tlačnom vodu ( meter-in prigušenje)

downstream

dvosmjerni

trosmjerni

51

Načini prigušenja protoka Prigušenje izlaznog toka

Prigušenje ulaznog toka

Prigušenje premosnice (by-pass)

(meter-out)

(meter-in)

Načini prigušenja protoka

Za sve vrste opterećenja, posebno za vlačna. Tlak na strani klipnjače intenziviran: Nema gubitka tlaka pred aktuatorom. Čak i neopt. aktuator je pod punim tlakom.

Često kod alatnih strojeva. Mali gubici u određenom područ ju.

Finije podešavanje brzine moguće.

Daje ravnomjernije gibanje aktuatora.

Podešavanje nije najbolje.

Generirana toplina uslijed prigušenja ide u aktuator.

Toplina ide u spremnik.

Toplina ide u spremnik .

Nije pogodna za podešavanje brzine motora.

P og od na z a mo to re .

N ij e p og od na z a krugove sa akumulatorom

Za teret koji se suprotstavlja izlasku klipnjače, te za male snage (zbog gubitaka). Kod sustava malog tlaka oprez kod izbora.

P

P

T

P

T

T

Kolebanje protoka u slučaju da se protok crpke koleba.

Razdjeljnici protoka dijeli protok (princip rada sličan regulatoru protoka - tlačno-kompenzirani protok)

UGRADBENI 2/2 VENTILI Ugradbeni ili logički ventili (2- Wege- Einbauventilen ; (slip-in )Cartridge valve 2/2 ili logic valve ) Mogu imati funkciju razvodnika i tlačnih ventila (također i protočnih ventila) Izvedba sa sjedištem ili klizna Ugrađuju se u standardizirane upravljačke blokove Početkom 70-tih radi kompaktnosti, posebno za veće snage Danas se dosta koriste kod preša, strojeva za plastiku, te u teškim strojevima, Za velike protoke, gotovo se isključivo koriste oni

Ugradbeni ventili Mogu se smatrati ventilima “bez tijela”, sve dok ih se ne umetne u kućište screw-in cartridges – za manje dimenzije, slično klasičnim (in-line ) razvodnicima slip-in cartridges – ono što se smatra tipičnim ugradbenim (logičkim) ventilima, obično za velike dimenzije

slip - in

screw - in

52

Ugradbeni 2/2 ventili, kako f unkcioniraju

Ugradbeni 2/2 ventili, kako f unkcioniraju

Sile zatvaranja:

X

Upravljanje x može se napajati zajednički (spojen s A), ili odvojeno Primjer: funkcija 3/2 razvodnika i ventila za ograničenje tlaka

p X � A X + F opruge Ax

p 0

Sile otvaranja: p A � A A i p B � A B B

AB

AA

AA

A AB

Ugradbeni 2/2 ventili, prednosti Niz prednosti i funkcija, međutim za njihovo dobro funkcioniranje potrebno ih je dobro poznavati i razumjeti njihovo funkcioniranje.

Velik raspon protoka

Mogućnost finih operacija

Kompaktne dimenzij e

Min im alni vršni tlakovi

Razne funkcije može vršiti (također i sa 1 jedinicom)

Dobre značajke održavanja, mala osjetljivost na nečistoću

Malo curenje

Mogu raditi na velikim tlakovima, i velikim snagama

Vrlo kratko vrijeme prebacivanja

Standardizirane instalacijske dimenzije

AKUMULATORI Pohranjuje hidrauličku energiju Uloge:









B

X

A



Ax

B

Spremnik energije za krugove koji je kratko koriste (kratki rad crpki) – velike preše, starteri diesel motora, kotači zrakoplova, podizni kreveti u bolnicama, poljoprivredni strojevi, itd. Pokrivanje potrebe za kratkotrajnom vršnom hidrauličkom energijom Operacije u nuždi Kompenzacije curenja Amortizacija udara, te neravnomjernosti protoka i tlaka

B

T

A

A

B A T

OSTALI ELEMENTI AKUMULATORI FILTERI SPREMNICI FLUIDA CJEVOVODI PRIKLJUČCI, PRIKLJUČNE PLOČE I ARMATURE BRTVE IZMJENJIVAČI TOPLINE MJERNA OPREMA I PRETVARAČI

AKUMULATORI, vrste S masom S oprugom Plinski 





klipni s mijehom membranski

53

p

AKUMULATORI, kako rade

p 3 p 2

3

p0V 0

2

p1V 1

1

p 1 p 0

W 12 V 3 V 2

1. Bez predpunjenja plinom

2. Predpunjen plinom

3. Fluid pohranjen

4. Fluid poslan u krug

AKUMULATORI, plinski, s mijehom plinski su punjeni s N2 (dušik, inertan, zbog opasnosti od eksplozije)

AKUMULATORI, plinski, klipni

p2V 2 0

p3V 3 V 1

V 0

V

p 0 – tlak predpunjenja plina p 2 – maksimalni radni tlak p 1 – minimalni radni tlak p 3 – maksimalni tlak V 0 = V 1 – V 2 korisni volumen akumulatora Obično: p 0 = 0.9 p 1 i p 3 = 1.1 p 2 (ali ovisi o tipu i primjeni akk.) Rad: W 12=kp 2V 1 (k izo =0.368; k adb =0.308)

adijabatsko pražnjenje do 1 min; izotermno pražnjenje više od 3 min

AKUMULATORI, plinski, membranski Zavarena izvedba Izvedba s navojem

AKUMULATORI, plinski, osnovne značajke klipni

s mijehom zavaren i

do 250 l

do 3.5 l

membranski

s navojem v-tlačni

n -tlačn i

do 10 l do 50 l

do 450 l

Max. dozv. brz. klipa 4 – 6 l 4 – 6 l/s do 40 l/s do 140 l/s do 3.5 m/s (3 m/s) Max protok Max protok do 350 bar

do 210 bar do 400 bar do 550 bar do 35 bar

Vertikalna ugradnja, U zrakoplovima se dosta koristi sporije reagiraju

54

AKUMULATORI, uloge, pokrivanje vršnih opterećenja

Usporedba: klipni - s mijehom KLIPNI

S MIJEHOM

10:1

4:1

Za vrlo velike protoke jedina opcija

Ipak: brz. klipa ograničena na 3 m/s

KOMPRESIJSKI OMJER PROTOK

TEŽINA TEMPERATURA

Lakši ( i do 40%) Ako su temp. vrlo visoke (> 120 C) bolje rješenje

ODRŽAVANJE OSTALO

Lakši za čišćenje i popravak Sklon stick-slipu (mane kao i cilindri) Može se staviti senzor pozicije (za φ > 100 mm)

Bolji za sustave s ditheringom

Primjer: teret 50 t; 8 x φ 250 mm cilindri; 4 s hod gore ili dole, 20 s mirovanje BEZ AKUMULATORA

S AKUMULATOROM

Pumpa (litre!):

120

35

Cijena (USD):

5.000

330

Spremnik (l):

300

100

Cijena (USD):

300

100

Cijena ulja (75% vol. spr.):

340

95

-

50

Cijena (USD):

-

2.700

Pogon (kW):

30

13

6.500

2.400

Akumulator (l):

Pogon s opremom, cijena: Tlačni ventil, cijena (USD): Cijena instalacije (cca. USD):

AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi

90

60

12.000

6.000

Cijena uštede energije godišnje (USD):


800


55

AKUMULATORI, uloge, natezanje kablova

AKUMULATORI, uloge, natezanje prijenosnih elemenata

AKUMULATORI, uloge, prigušenje pulsacija

AKUMULATORI, uloge, prigušenje kod servo ili proporcionalnih ventila

AKUMULATORI, uloge, opružno djelovanje

Opružno djelovanje, primjer Citroen Activa

56

Pohrana energije - usporedbe

Pohrana energije - usporedbe LS zamašnjaci

Ragone plot

HS zamašnjaci

Li-ion baterije

Ultrakondenzator

Hidro-pneu. akumulator

Gustoća en. 0.005- 0.03 0.05 - 0.13 kWh/kg (kWh/m3) (0.15 - 17) (0.15 - 17) Gustoća 1 5 snage kW/kg

0.1 - 0.2

0.005

0.0005 0.002 (2)

0.25 - 1

0.4 - 3

Cijena Eur/kWh

220 - 500

60020000(+)

≈

500

1800 - 7 500

≈

10

12000 15000

Ostala važna pitanja: broj ciklusa, područje temperature, očitavanje stanja, ekološka prihvatljivost, sigurnost, samopražnjenje, ...

FILTERI

Filteri

Da bi hidraulički (i pneumatski) sustav dobro funkcionirao, neophodna je zadovoljavajuća čistoća fluida. Posebno to dolazi do izražaja kod sustava visokih zahtjeva (skupi, precizni, rade pod visokim tlakom ...). O čistoći fluida brinu filteri. Izvori kontaminacije fluida:   

Površinski Dubinski

Eksploatacija (trošenje, ulaz prljavštine izvana ( mjesta curenja, odušci rez.)) Proizvodnja (strugotina, pijesak, prljavština..) Održavanje i montaža sustava (strugotina, prljavština, novi fluid, . .)

Posljedice kontaminiranog fluida (smatra se uzrokom 75% problema):    

Blokada ventila Povećano curenje Promjene svojstava sustava Totalno otkazivanje rada sustava

O nivou kontaminacije i filterima brine niz st andarda (ISO DIS 4406; CETOP RP 70H; SAE 749D; ..)

Filteri

Filteri Važan je stupanj separacije nečistoće βx filtera:

β x =

nu ni

Gdje su: x – veličina čestica [µm] n u – broj ulaznih čestica >= x (prije filtera) n i – broj izlaznih čestica >= x (nakon filtera)

Efikasnost filtera: E x =

β x − 1 ⋅ 100 β x

Npr.: β 10 = 15000 / 200 = 75 (referentna vrijednost) E 10 = 98.5 %

57

Filteri, zazori kod hidrauličkih elemenata

Filteri, klasa čistoće fluida za pojedine elemente

primjeri

Filteri, smještaj filtera Primjer: 1. 2. 3. 4. ISO 22/21/18

ISO 16/14/11

Količina nečistoće

4.000 kg/god.

25 kg/god.

Očekivani radni vijek crpke

2 god.

> 14 god.

Filteri, smještaj

Povratna linija (1) Tlačna linija (7) Usisna linija (3) Bypass (ili off-line) (8) Filter ulijevanja (2) Odušak za zrak (2)

Filteri, zaprljanje i otpor protjecanju fluida 20

Tlak filtriranja treba biti dovoljan da “provede” fluid kroz filter (čak i fini), ali previsoki tlak komplicira konstrukciju filtera i kućišta. Prevelika brzina strujanja fluida kroz filter nije poželjna (umanjuje učinkovitost), kao ni pulsacije tlaka i protoka. Pad tlaka kroz filter (opasnost, povratni tlak ili kavitacija!). Povratna linija – dobro za mnoge primjene, tipični filter 10 µm, opasnost od povr. tlaka. Tlačna linija – visoki tlak, pa su mogući i vrlo fini filteri (2 µm ili manje). Manje učinkovit, ali također skup (investicija + održavanje).

18 16 14

] r a b [ a k a l t

12 10

d a P

8

Usisni filter – mogao bi biti idealan, ali nije – dapače! Opasnost od kavitacije, te od oštećenja elemenata crpke zbog jakog podtlaka (krilne i aksijalno klipne crpke!)

6

Off-line – Sve je odlično, osim cijene (investicijske)!

2

4

0

0

10

20

30

40 50 60 Kontaminacija [%]

70

80

90

100

58

SPREMNICI FLUIDA

Filteri, konstrukcija Primjer, tlačni filter

Osim pohrane fluida služi i za njegovu «pripremu» (hlađenje, ispuštanje zraka, slijeganje nečistoća, smirivanje , ..), zato postoje razne preporuke ili pravila za njihovo konstruiranje (pregrade, visine i položaji priključaka, itd.) Izvedbe lijevane (Al, manji, do 60 l) i zavarene (čelik) Veličina spremnika 

stacionarna hidraulika 3 – 5 Q [l/min]



mobilna hidraulika 1 –2 Q [l/min]



zrakoplovna hidraulika 0.5 – 1 Q [l/min]

PRIKLJUČCI, PRIKLJUČNE PLOČE I ARMATURE

CJEVOVODI krute i fleksibilne optimalni promjer (Re broj, tabele), promjeri savijanja i pravila postavljanja Radni tlak

Preporučena brzina strujanja fluida

< 50 bar

4 m/s

50 - 100 bar

4 - 5 m/s

100 - 200 bar

5 - 6 m/s

> 200 bar

6 - 7 m/s

Usisna linija

0.5 – 1 m/s

Povratna linija

3 m/s

BRTVE

razni standardi (ISO, NPT, NPTF, BSP, ...)

BRTVE, materijali, kompatibilnost s fluidima

statičke (X, R i O prsten) dinamičke (brtve klipa i klipnjače) prsteni-vodilice (trake i krute) brisači (jednosmjerni i dvosmjerni)

59

IZMJENJIVAČI TOPLINE

MJERNA OPREMA I PRETVARAČI Mjerenje: 









Tlak Protok Temperatura Hod Brzina

Pretvarači 

Tlak-el.signal

Modularni ventili Integrirani hidraulički krugovi (IHC) 



Hidraulika –dodatna poglavlja



Manje curenje Bolja pouzdanost Lakše održavanje

Blokovi (engl. manifolds) Posebno prikladno za ugradbene 2/2 ventile Joško Petrić

Jedan tipični hidr. krug na dva načina: Slogovi (engl. stack) ili „sendvič” ventili – horizontalni i vertikalni

Klasična „in-line” instalacija

Vertikalna „sendvič” instalacija

60

Varijanta „sendvič” instalacije na cilindru:

Pitanje: pronađite pogrešku..

Pojačala Jednoradna Dvoradna Pumpe

Pitanje: objasnite funkciju jednog kruga pojačala

Sinkronizacija gibanja 2 cilindra

Za L = 1m

61

Djelitelj protoka (pogreška 10%) Dva regulatora protoka (5%)

„Master” cilindar (1%)

Serijski spojeni cilindri s prolaznom klipnjačom (1%) Serijski spojeni obični dvoradni cilindri (2%)

Dvostruka pumpa (od 5 do 2 %)

Rotirajući djelitelj protoka (10%)

Regulacija volumena pumpi Servo upravljanje (< 1%)

Po tlaku

62

Po protoku („Load sensing”)

Po snazi

Po tlaku i protoku

HIDRAULIČKI SUSTAVI Planiranje sustava, sustavna procedura Hidraulički sustavi, sistematizacija Hidrostatički prijenosnici

PLANIRANJE I IZRADBA HIDRAULICKOG SUSTAVA POTICAJ, NARUDŽBA

Koraci prilikom projektiranja hidrauličkog sustava

PRECIZNO DEFINIRANJE ZADATAKA I CILJEVA SHEMA FUNKCIONIRANJA I HIDRAULICKASHEMA

DOKUMENTACIJA

SLICNA RJESENJA

DA

NE

DIJAGRAM STANJA I HIDRAULICKASHEMA PROJEKTIRANJE AKTUATORA ODREDITI TOK SNAGE I UPRAVLJACKOGSIGNALA IZBOR UPRAVLJACKE JEDINICE IZBOR HIDRAULICKOG IZVORA

63

Planiranje sustava

NE

STANDARDAN IZVOR?

NE

DA

P RI LA GO DL JI V?

NE

I DE NT IC NO ?

DA

OKVIRNA KALKULACIJA

NE

POSLOVNE AKCIJE?

CIJENA (EKONOMICNOST)?

NE

DA

DA

PONUDA

X

NE

PRIHVACANJE? DA

DA

Dijagram gibanja – prikazuje slijed gibanja, potrebne sile ili momente, te potrebne brzine odziva Dijagram opterećenja – daje slijed sa potrebama za protokom i tlakom, ili samo tlakom Dijagram stanja – prikazuje slijed svih funkcija elemenata potrebnih za izvršenje zadatka.

PROJEKTIRANJE, IZRADBA I ISPITIVANJE HIDRAULICKOG SUSTAVA

Dijagram stanja, primjer

Planiranje sustava: projektiranje aktuatora Definiranje radnog tlaka (uzeti u obzir tražene sile, te gubitke. To je u stvari procjena pada tlaka u sustavu.) Nominalna sila: Fn = p*A = p*Q/v Može se uočiti da nivo radnog tlaka utječe i na protok i na dimenzije opreme ( η , cijena opreme, st andardi). Primjeri uobičajenih radni tlakovi [bar]: alatni strojevi 50 – 100 (300); preše 250 – 315 (400 – 600+); injekcijsko kalupljenje 150 – 210; kazališta i scene 100 – 150; regulatori parnih turbina 120 – 250; pokretni mostovi, liftovi, ustave i brane 100 – 250; rudarstvo 200 – 420; poljoprivredni strojevi do 100; tranportni sustavi, buldožeri 160 – 250; u pomorstvu 150 – 200 (300); .... Odabir aktuatora:  

Planiranje sustava: Tok snage i upravljačkog signala, upravljačke jedinice Odabir svih ventila i pribora potrebnog za pravilno funkcioniranje hidrauličkog sustava. Osnova je shema funkcioniranja i dijagram stanja.

Cilindri: brzina, hod, sila, .. Motori: brzina, moment (vršna i radna, te pokretanja), vrsta opterećenja, volumen, kutno ubrzanje, bučnost ..

Cijena sustava Ukupna cijena = cijena kupnje + cijena eksploatacije Cijena kupnje: troškovi projektiranja, troškovi komponenata i sustava, troškovi instalacije, troškovi puštanja u pogon Cijena eksploatacije: troškovi energije, troškovi održavanja, troškovi skladištenja rezervnih dijelova

64

HIDRAULIČKI SUSTAVI , sistematizacija UPRAVLJANJE PRIGUŠENJEM

HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta I

POTISKIVANJEM

pogon napajan crpkom koja daje konstantni protok. Protok (odnosno potrebna količina fluida! ) prema potrošaču dozira se ventilom. Razlika protoka koji daje crpka, i koji je potreban potrošaču odlazi u spremnik. Tlak ovisi o opterećenju (teretu) potrošača.

HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta II

HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta III

pogon koji ima konstantan tlak, a protokom (količinom fluida ) potrebnom potrošaču upravlja se prigušenjem. Hidraulička energija stoji uvijek na raspolaganju s konstantnim tlakom. Višak energije pretvara se u toplinu.

Promjenom potrebnog fluida (protokom) upravlja se gibanjem potrošača. Promjenljiv volumen može imati crpka, motor, ili oboje. Načelno, nikakav ventil nije poreban između. Dostavlja se samo onoliko energije koliko je potrebno potrošaču (uz pokrivanje gubitaka). Hidrostatički prijenosnik snage, hidrostatička transmisija

HIDROSTATIČKI PRIJENOSNIK SNAGE, tipična shema

HIDRAULIČKI SUSTAVI, varijanta IV «Secondary control» ili «Load matching», tlak u sustavu je konstantan, upravlja se promjenom volumena potrošača (odnosno motora-crpke (unit )).

3 5 1

M

4

2

6

7

3

65

Hidraulika

Recommend Documents