HIDRAULIKA I PNEUMATIKA I
Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci ZAVOD ZA KONSTRUIRANJE U STROJARSTVU Autor: Red. prof. dr. sc. Dubravka Siminiati
Korištena i literatura koja se preporučuje:
Prijenos energije i upravljanje Električki Mehanički Prijenos fluidima Hidraulički Ulje, voda, ostale tekućine
Pneumatski Zrak, ostali plinovi
ZAPAMTITE Tekućine ili plinovi
Hidraulika Pumpe
Pretvarači energije – mehaničku energiju u hidrauličku Analogne generatorima
Cijevi i spojevi
Analogni vodovima i terminalima
Ventili – Razvodnici Analogni relejima i kontrolerima – Protočni ventili – Tlačni ventili
Pneumatika Kompresori
Pretvarači energije – mehaničku energiju u pneumatsku Analogni generatorima
Cijevi i spojevi
Analogni vodovima i terminalima
Ventili – Razvodnici Analogni relejima i kontrolerima – Protočni ventili – Tlačni ventili
HIDRAULIKA
Fundamentalna znanost koja proučava zakonitosti kod tekućina je hidromehanika, a dijeli se na: g Hidrostatiku – zakonitosti tekućina u ravnoteži g Hidrodinamiku – zakonitosti tekućina u gibanju
Hidraulika Hidraulika je znanost koja se bavi tehničkom primjenom hidromehanike Uljna hidraulika dobila je naziv zbog primjene ulja kao medija za prijenos snage i informacija
Hidrostatski prijenosnici
Uređaji pomoću kojih se prenosi snaga i informacije od pogonskog do radnog stroja, a rade na principima hidrostatike nazivaju se hidrostatskim prijenosnicima.
Proces pretvorbe energije
Pogonski motor – EM ili motor s unutarnjim izgaranjem
Pumpa
Hidromotor
Radni stroj
Mehanička energija
Mehanička energija Pretvorba mehaničke energije u energiju tlaka radne tekućine
Pretvorba energije tlaka radne tekućine u mehaničku energiju
Glavni elementi hidrostatskog sustava prijenosa snage
PUMPA
AKTUATOR – HIDROMOTOR
POGONSKI STROJ
RADNI STROJ
CJEVOVOD ZA SPAJANJE PUMPE I HIDROMOTORA MEHANIČKA VEZA S RADNIM STROJEM
MEHANIČKA VEZA S POGONSKIM MOTOROM
Simbolični prikaz hidrostatskog sustava POGONSKI MOTOR
MEHANIČKA VEZA
AKTUATOR PUMPA
HIDRAULIČKA VEZA
HIDROMOTOR
MEHANIČKA VEZA
RADNI STROJ
Primjena hidrostatskih sustava za prijenos snage
¾ Mobilni sustavi ¾ Stacionarni sustavi
Primjeri primjene kod mobilnih sustava
Upravljanje zakrilcima i kormilom za kontrolu smjera letenja na avionima
Poklopci na grotlima
Rampa na trajektu
Servisna dizalica
Vitla
rovokopac.asx
cilindar bagera.asx
Damper.asx
Hidraulika na građevinskim strojevima i vozilima
Primjeri primjene u stacionarnim sustavima
Hidraulička preša Stroj za brizganje plastike
Obradni centar
Prednosti hidrostatskih sustava
1. Prijenos velikih sila s uređajima malih dimenzija 2. Bezstupanjska promjena brzine, brzine vrtnje, sila i momenata 3. Jednostavna kontrola svih parametara uz pomoć mjernih uređaja (manometara, termometara, mjerača protoka) 4. Jednostavna promjena smjera gibanja zbog malih zamašnih masa 5. Jednostavna pretvorba rotacijskog u pravocrtno gibanje i obrnuto
6. Podmazivanje elemenata uz pomoć radne tekućine 7. Mogućnost automatizacije pogona 8. Mogućnost ugradnje standardiziranih elemenata ili cijelih grupa 9. Konstruktivna sloboda kod slaganja elemenata i uređaja u prostoru
Nedostaci hidrostatskih sustava 1. Stupanj iskoristivosti relativno mali u odnosu na mehaničke prijenosnike snage; gubici zbog strujanja i curenja tekućine 2. Kompresibilnost radne tekućine; kašnjenje signala 3. Promjena viskoznosti radne tekućine s promjenom temperature i tlaka 4. Visoki zahtjevi za toćnošću izrade elemenata (viša cijena) 5. Visoki zahtjevi za čistoćom radne tekućine; stroge mjere za filtriranje i općenito održavanje sustava
Osnovni zakoni hidrostatike i hidrodinamike
Pascalov zakon F2
A2
s1
A1
s2
F1
Blaise Pascal (1623 – 1662)
F1 : F2 = A1 : A2
A2 F2 = F1 A1
Koliko je puta površina manjeg klipa veća od površine većeg klipa , toliko će puta biti povećanje sile F2 u odnosu na silu F1.
Princip rada hidrauličke preše je i osnovni princip rada hidrostatskog prijenosnika snage.
Jednadžba kontinuitetazakon o održanju mase Maseni protoci kroz presjeke A1 i A2: m& = ρ ⋅ A ⋅ v
& = ρ ⋅ A ⋅v m
ρ1 ⋅ A1 ⋅ v 1 = ρ 2 ⋅ A2 ⋅ v 2 Uz nepromijenjenu gustoću:
A1 ⋅ v 1 = A2 ⋅ v 2
Tekućina se ubrzava u smjeru suženja cijevi odnosno smanjuje joj se brzina u smjeru proširenja cijevi.
Bernoullijeva jednadžba – zakon o održanju energije Daniel Bernoulli (1700 -1782)
Općeniti oblik jednadžbe
p+
p+
ρ ⋅ v2 2
+ ρ ⋅ g ⋅ h = const
ρ ⋅v2 2
ENERGIJA HIDROSTATIČKOG TLAKA
+ ρ ⋅ g ⋅ h = const KINETIČKA ENERGIJA
ENERGIJA POLOŽAJA
Energija položaja se može u hidrostatskim sustavima zanemariti, pa zakon o održanju energije za takve sustave glasi:
p+
ρ ⋅v2 2
= const
Vrste strujanja u cijevima i prolazima Prilikom strujanja realne tekućine pojavljuje se trenje, kako u samoj tekućini tako i između stijenki i tekućine. Gubici nastali strujanjem realne tekućine kroz cijevi i prolaze u hidrostatskim uređajima, izražavaju se u obliku pada (gubitka) tlaka. U hidrauličkim instalacijama i cjevovodima strujanje može biti ili laminarno ili turbulentno.
Laminarno strujanje Kod laminarnog strujanja tekućina se kreće u slojevima okomito na smjer strujanja. Zbog toga je takvo strujanje i dobilo naziv slojevito strujanje (lat. lamina = sloj). Dakle, strujnice su paralelne s osi cijevi. y
v=0 r
Q
vmax p1
v max
p1 − p2 2 = r 4η l
l
x p2
Turbulentno strujanje Oblik strujanja fluida kod kojeg se dijelovi fluida gibaju nepravilno s neujednačenim lokalnim brzinama.
vmax v
Opis strujanja omogućava Poiseuilloeov zakon ali samo za uvjete laminarnog strujanja. Kod neke kritične brzine strujanja, strujanje će postati turbulentno, koje je karakterizirano kaotičnim gibanjem.
Reynoldsov broj Osborne Reynolds ( 1842 – 1912)
Re =
vd
ν
Kod strujanja u uljno hidrauličkim pogonima zbog pulzacija u strujanju te lokalnog smanjenja viskoznosti, granica prijelaza iz laminarnog u turbulentno strujanje je u granicama Re = 1900 … 3000.
ξ
Gubici strujanja u cijevima i prolazima l ρ ⋅v2 Δp = p1 − p2 = λR ⋅ ⋅ d 2 Koeficijent gubitaka
64 λ= Re
Za laminarno strujanje
Za turbulentno strujanje
Lokalni gubici tlaka
λ = 0,3164 ⋅ Re −0,25
Δp = ξ
ρv2 2
ξ
faktor lokalnih otpora
Gubici curenja u rasporima Raspora ima u svim hidrostatskim uređajima i od velikog su značaja za funkcioniranje uređaja. Dužina i širina raspora obično su preko 5 mm, dok je njihova visina između 5 i 20 μm. Zbog takvih dimenzija, strujanje je u rasporima laminarno, tj. Reynoldsova značajka ima malu vrijednost.
Ravni raspor
b ⋅ δ 3 p1 − p2 QL = ⋅ 12 ⋅ η l Koncentrični raspor
π ⋅ d ⋅ δ 3 p1 − p2 QL = ⋅ 12 ⋅ η l
Gubici curenja rastu s trećom potencijom veličine raspora
Ekscentrični raspor
(
π ⋅ d ⋅ δ 3 p1 − p2 QL = ⋅ ⋅ 1 + 1,5 ⋅ ε 3 12 ⋅ η l
)
δ=
D−d 2
ε=
e
δ
Tlačni udar – hidraulički udar
c
l
Tlačni udar nastaje uslijed nagle promjena tlaka u instalaciji zbog brze promjene brzine strujanja, izazvane naglim zatvaranjem ili otvaranjem protoka ulja.
Povećanje tlaka
Δp = c ⋅ ρ ⋅ v Brzina širenja zvuka
Srednja brzina strujanja
Brzina širenja zvuka:
E ol c=
ρ
E ol d i 1+ ⋅ Es s
Eol – modul elastično ulja di – protočni promjer cijevi ES – modul elastično materijala cijevi s – debljina stijenke cijevi ρ- gustoća ulja
Mjere za spriječavanje tlačnog udara u hidrostatskim sustavima: ugradnja akumulatora neposredno prije ventila za zatvaranje.
Kavitacija Kavitacija je pojava stvaranja šupljina unutar toka radnog medija.
Ako na nekom mjestu strujnog toka dođe do smanjenja apsolutnog tlaka (suženje presjeka), tako da tlak padne do tlaka zasićenja tekućine (kod zadane temperature), tekućina će početi isparavati pa će se pojaviti šupljine ispunjene parama, koja struja nosi sa sobom.
Kada mjehurići dođu u područje manje brzine tj. većeg tlaka, oni će implodirati (stisnuti se). Pri tome nastaju veliki udarci.
Dogodi li se to u blizini stijenke čvrstog materijala, nastaje njeno razaranje (kavitacijska korozija).
Zato je važno na kritičnim mjestima voditi računa o apsolutnom tlaku ( npr. na spoju usisnog voda i pumpe).
Pitanja za ponavljanje Pomoću kojeg se medija prenosi energija u hidrauličkim prijenosnicima? Pomoću kojeg se medija prenosi energija u pneumatskim prijenosnicima? Kako se naziva fundamentalna znanost koja se bavi proučavanjem zakonitosti kod tekućina i kako se dijeli? Što je hidraulika, a što uljna hidraulika? Što su to hidrostatski prijenosnici? Na kojem se principu zasniva rad hidrostatskih prijenosnika?
Kakav je slijed pretvorbe energije u hidrostatskih prijenosnika? Navedite glavne elemente hidrostatskog sustava prijenosa snage. Gdje se koriste hidrostatski sustavi? Navedite prednosti hidrostatskih sustava. Navedite nedostatke hidrostatskih sustava. Objasnite Pascalov zakon. Objasnite jednadžbu kontinuiteta; kako se još naziva taj zakon? Objasnite Bernoullijevu jednadžbu; kako se taj zakon još naziva?
Navedite vrste strujanja tekućina. Kakvo je to laminarno strujanje? Kakvo je turbulentno strujanje? Kako glasi Reynoldsov broj za cijevi i prolaze? Za koje vrijednosti Reynoldsovog broja prelazi laminarno u turbulentno strujanje u hidrostatskim sustavima? O čemu ovise gubici strujanja? Kako nazivamo još gubitke strujanja?
Koja veličina ima najveći utjecaj na curenje u rasporima? Zašto je bitno da raspori budu centrični? Koji je uzrok nastanku tlačnog udara? O čemu ovisi povećanje tlaka uslijed tlačnog udara? Kakvim se tehničkim rješenjem može spriječiti pojava tlačnog udara u hidrostatskim sustavima? Što je kavitacija? Kako nastaje kavitacijska korozija? Koje je najćešće mjesto pojave kavitacije?
Radna tekućina Radna tekućina* u hidrauličkom sustavu obavlja slijedeće osnovne funkcije: prenosi energiju prenosi signal (tlačni impuls) podmazuje pokretne dijelove strojeva i uređaja odvodi toplinu nastalu uslijed gubitaka u sustavu prigušuje, zbog tlačnih udara, nastalu buku i vibracije. *U stranoj literaturi koristi se pojam fluid (lat. fluidus – tekući) ili radni fluid (eng. working fluid), premda ga se može naći i u našoj tehničkoj literaturi. Budući da se u hidrauličkim sustavima pored hidrauličkih ulja koriste i neki drugi fluidi, usvojen je pojam radna tekućina.
Svojstva radne tekućine Radna tekućina je u hidrauličkim pogonima izložena visokom tlaku, gibanju i povišenim temperaturama. Ti utjecaji ne smiju bitno mijenjati svojstva radne tekućine. Zbog svega navedenog radna tekućina treba zadovoljiti mnogobrojne zahtjeve, kao što su: viskoznost treba biti od 20 do 30 mm2/s kod 50oC. Ne smije se bitno mijenjati s promjenom temperature. Smanjenjem viskoznosti, naime, povećava se curenje i smanjuje ukupan stupanj iskoristivosti sustava sposobnost podmazivanja, tj. treba tvoriti čvrst uljni film i na taj način spriječiti preveliko trenje međusobno pokretnih dijelova
z
treba štititi strojne dijelove od korozije
z
ne smije kemijski utjecati na savitljive gumene cijevi i brtve od sintetskih materijala
z
ne smije imati sklonost stvaranju pjene. Pojava pjene može dovesti do gubitka snage i pojave kavitacije
z
treba biti kemijski postojana
z
ne smije, miješajući se s vodom, stvarati emulziju (najviše do 1vol.%) da se ne bi promijenila viskoznost
treba se lako odvajati od zraka. Ako se u ulju nalazi zrak u obliku mjehurića utjecat će, između ostalog, na povećanje kompresibilnosti tekućine ne smije biti štetna po zdravlje, a zagrijana do radne temperature ne smije stvarati otrovne pare treba biti velikog toplinskog kapaciteta, kako bi kod povišenih temperatura mogla savladati veliko termičko opterećenje. Kratkotrajno se ulje može zagrijati i preko 100 oC, ali je normalna radna temperatura oko 60 oC
treba biti postojana na starenje (prije svega zbog termičkih utjecaja), jer se starenjem mijenjaju svojstva tekućine ne smije biti zapaljiva, plamište i točka samozapaljenja trebaju biti što je moguće viši tecište i temperatura na kojoj prestaje teći moraju biti što niže treba biti što je moguće manje kompresibilna, tj. treba biti velikog modula kompresibilnosti krutih čestica treba biti što manje kako se ne bi poremetila funkciju uređaja.
Da bi ulje imalo sva ova svojstva potrebno je koristiti razne aditive koje osnovnom ulju poboljšavaju svojstva. Najčešće se koriste mineralna ulja, u specijalnim slučajevima sintetska (kod povećane opasnosti od požara), emulzije s vodom (kod veliki potrošača), a najnoviji je trend primjena biorazgradivih ulja.
Fizikalna svojstva radnih tekućina
Kompresibilnost
3
ϑ 0f =
30 °C 50 °C 70 ° C 90 °C C 110 °
2 1,73
1
V0 V0 ⎛ Δp ⎞ K = −V0 ⎜ Δp = − Δp ⎟ =− ΔV V − V0 ⎝ ΔV ⎠ s
10 °C
299
Srednji adijabatski modul kompresije K
Srednji adijabatski modul kompresije:
K= f ( pe , ϑu )
4
x10 bar
Smanjenje volumena pri povećanju tlaka naziva se kompresija.
0
200 400 600 Pretlak pe / bar
800
0,7 0,5
υ = f ( pe , ϑu ) =1 10
°C
4
0f
ϑ
3 2
°C 0 9 0 °C C 7 ° 50 0 °C 3 °C 10
Relativna promjena volumena
ΔV V0 − V Δp − = = V0 V0 K
1,73
1 299
Relativna promjena volumena ΔV/ V0
% 5
1
0 100 200 400 600 Pretlak pe / bar
800
Zagrijano ulje, koje nije pod tlakom je kompresibilnije nego li hladno koje nije pod tlakom. U praksi se uzima da je rast modula kompresije linearan s porastom tlaka do 300 bara.
Gustoća Gustoća se definira kao omjer mase i volumena :
m ρ= V Gustoća se mijenja s promjenom tlaka i temperature. Podaci o gustoći hidrauličkih tekućina nalaze se u tablicama za temperaturu od 150C i atmosferskom tlaku od 1bara.
Gustoća ρ / kg/m 3
0,92
ρ = f (ϑu ,pe )
0,90
pe =8 00 600 bbar 400 bar 200 bar ar 0 bar
0,88 0,86 0,84 0,82
0,80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 15 Temperatura ϑu / °C Referentna temperatura
Ovisnost gustoće o temperaturi hidrauličke tekućine dana je izrazom:
ρϑ = ρ15 C − α (ϑu − 15 C ) 0
0
α = 0,65
kg/(m3 K).
Ovisnost gustoće o tlaku dana je izrazom:
ρ15 C ρp = 1 − κ T Δp 0
−11 ( ) κ T ≈ 65K75 ⋅10
Pa-1.
Izraz za promjenu gustoće kod istodobne promjene tlaka i temperature hidrauličke tekućine je:
ρ = ρϑ (1 + κ T Δp )
ν
Viskoznost Viskoznost je takvo svojstvo hidrauličkih tekućina, kojim je predstavljena veličinu unutarnjeg trenja između slojeva tekućine. Među slojevima se prema Newtonovom zakonu pojavljuje smično naprezanje, koje djeluje kao otpor kretanju čestica. tekućine. Profil brzine Udaljenost stijenki Δy
vx2
B Sloj 1
Sloj 2
A
vx1 Brzina strujanja
Δv τ =η Δy
Odnos kinematske i dinamičke viskoznosti:
η ν= ρ
ν [m2/s]
- kinematska viskoznost η [Pas] - dinamička viskoznost ρ [kg/m3] - gustoća.
1000
2
Kinematska viskoznost ν/ [mm /s]
500 10
100
0 68 46
Ovisnost viskoznosti o temperaturi (VT – odnos)
32
30
22
20 15 10 -30° -20° -10°
0° 10° 20° 40° 60° Temperatura ϑ / [°C ]
80°
100°
Ovisnost viskoznosti o tlaku (VP – odnos)
S povećanjem tlaka povećava se i viskoznost ulja, a osobito je taj utjecaj potrebno uzeti u obzir za tlakove iznad 100 bara. Ti se podaci obično daju u tablicama.
Hidrostatski strojevi
Princip rada pumpi i hidromotora I kod pumpe i kod hidromotora pretvorba se energije postiže pokretanjem radnog elementa. Osnovni je princip rada hidrostatskih strojeva neprestana promjena volumena radnih komora (volumetrički strojevi).
Kod pumpi se u fazi povećanja volumena radne komore stvara podtlak u odnosu na spremnik radne tekućine, zbog čega se komora puni – faza usisavanja. Kada se pod utjecajem djelovanja radnog elementa volumen komore smjanjuje nastaje faza tlačenja. Pri tome se radnoj tekućini predaje energija, koju ona predaje hidromotoru.
U komore hidromotora radna tekućina dolazi pod visokim tlakom, pri čemu potiskuje radne elemente, a volumen se radne komore povećava. Hidraulička energija radne tekućine predaje se preko radnih elemenata, izlaznom vratilu u vidu mehaničke energije. Izlaz radne tekućine iz hidromotora je pod nekim malim tlakom.
Promjena volumena radnih komora postiže se različitim gibanjem radnih elemenata: ¾ translacijskim, ¾ rotacijskim ili ¾ rotacijsko-translacijskim gibanjem
Zapamtite: Veličina tlaka posljedica je opterećenja vratila hidromotora.
Protok pumpe/hidromotora Protok je volumenska količina radne tekućine koju daje stroj u jedinici vremena
Teorijski protok pumpe/hidromotora
Qth = Q1 ⋅ n
[
Q1 = q1 ⋅ 2π m / okr
[
n min −1 , s −1
[
q1 m 3 / rad
]
3
]
Specifični protok
Brzina vrtnje vratila stroja
] Specifični protok Qth = q1 ⋅ 2π ⋅ n = q1 ⋅ ω
Stvarni protok pumpe/hidromotora Stvarni je protok manji od teorijskog za veličinu iscurjele tekućine. PUMPA
Q p = Qth , p − QLp
HIDROMOTOR
QM = Qth ,M + QLM
QLp , QLM Q
Iscurjela radna tekućina
Qth
QLP Qp
Qth
Q
Δp=const
Qth
Qp
Q1=const QLp
QP n
Δp
Teorijska snaga pumpe/hidromotora Teorijska snaga je ona koja je ekvivalentna teorijskom protoku pri danom padu tlaka (razlika tlakova na ulazu i izlazu) kroz stroj.
Pth =Q th ⋅Δp = Q1 ⋅ n ⋅ Δp [W ] U mehaničkim sustavima je:
Pth = Tth ⋅ ϖ
Q1 ⋅ n ⋅ Δp Tth = = = q1 ⋅ Δp [Nm] ω 2π ⋅ n Pth
Stupanj iskoristivosti pumpe/hidromotora Stupanj iskoristivosti ovisi o veličini volumetričkih (curenja) i mehaničkih (trenja) gubitaka.
Volumetrički stupanj iskoristivosti Pokazuje kolike se stvarni protok razlikuje od teorijskog.
PUMPA
HIDROMOTOR
Qth, p − Q Lp Q Lp ηVp = = =1− Qth, p Qth, p Qth, p Qp
ηVM =
Qth, M QM
Q M − Q LM Q LM = =1− QM QM
Mehanički stupanj iskoristivosti Pokazuje koliko se odvedeni moment razlikuje od dovedenog. PUMPA
η mp =
Tth , p Tul
Tul = Tth, p − Tgp
Tul
- moment na ulazu u pumpu
T gp
- gubici momenta izazvani trenjem i hidrauličkim gubicima u pumpi
HIDROMOTOR
Tizl
Tizl η mM = Tth,M
- moment na vratilu hidromotora
Tizl = Tth,M − TgM
Ukupni stupanj iskoristivosti
PUMPA
η tp = η vp ⋅ η mp
HIDROMOTOR
ηtM = ηvM ⋅ η mM
Pogonska snaga na vratilu pumpe η tp =
Qp Qth, p
⋅
Tth, p Tul
=
Qp Q1 p ⋅ n p
⋅
Q1 p ⋅ Δp 2π ⋅ Tul
Pul =
=
Q p ⋅ Δp Tul ⋅ ϖ p
η tp =
Q p ⋅ Δp Pul
Q p ⋅ Δp
η tp
Pogonska snaga na vratilu hidromotora Qth, M Tizl Q1M ⋅ n M Tizl ⋅ = ⋅ η tM = Q1M ⋅ Δp QM Tth QM 2π
ηtM
Tizl ⋅ϖ M Pizl = = QM ⋅ Δp QM ⋅ Δp
Pizl = Q M ⋅ Δp ⋅ η tM
Podjela hidrostatskih strojeva Prema obliku radnih elemenata dijele se na: 1. Zupčaste strojeve – radni elementi zupčanici 2. Vijčane strojeve – radni elementi vijčanici 3. Krilne strojeve – radni elementi krilca 4. Klipne strojeve – radni elementi klipovi
Zupčasti strojevi U osnovi mogu raditi i kao pumpe i kao hidromotori. Radni elementi su im zupčanici. Promjena volumena postiže se rotacijskim gibanjem radnih elemenata. Spadaju u grupu hidrostatskih strojeva kojima se protok ne može regulirati.
Prednosti: ¾ vrlo jednostavne konstrukcije i sigurni u pogonu, osobito
kod niskih tlakova ¾ cijena im je niža u odnosu na druge strojeve Nedostaci: ¾ mali stupanj iskoristivosti ( u najboljem slučaju 90 %) ¾ velike pulzacije i šumovi ¾ mala trajnost ¾ veliki pritisci u ležajima
Prema maksimalnom tlaku dijele se u tri grupe: ¾ 0,6 MPa – jednostavna konstrukcija ¾ 6 MPa – potrebna veća preciznost kod izrade ¾ 20 MPa – vrlo složene konstrukcije Primjena: ¾ Široka primjena na mobilnoj hidraulici ¾ Na stacionarnim strojevima uglavnom alatnim strojevima ¾ Kod servoupravljanja na vozilima
Konstrukcijske karakteristike i način rada zupčastih strojeva
Zupčaste pumpe s vanjskim ozubljenjem Izrađuju se najčešće s dva evolventna zupčanika s ravnim zubima. Postoje i izvedbe s srednjim pogonskim i dva pogonjena zupčanika. Zbog visokog nivoa buke koji stvaraju u radu (68-88 dB), izrađuju se i s kosim evolventnim ozubljenjem s nagibom zuba 5-80.
Zupčaste pumpe s unutarnjim ozubljenjem Pumpa sa sastoji od kućišta, zupčanika s unutarnjim ozubljenjem i zupčanika s vanjskim ozubljenjem. Zupčanik s vanjskim ozubljenjem je pogonski, s unutarnjim pogonjeni. Zupčanik s unutarnjim ozubljenjem je smješten u kućištu s izvjesnom zračnošću. Kretanje zupčanika s vanjskim ozubljenjem izaziva rotaciju zupčanika s unutarnjim ozubljenjem, te oni zajedno rotiraju. Pri tome na mjestu gdje zupčanici izlaze iz zahvata nastaje potlak, radna tekućina ulazi u radnu komoru, ispunjava međuzublja i transportira u tlačnu komoru. Srp je nepokretan i služi za razdvajanje usisne od tlačne komore.
Zupčasti strojevi s cikloidnim ozubljenjem Iz osnovne konstrukcije zupčaste pumpe s unutarnjim ozubljenjem razvila se zupčasta pumpa s cikloidnim ozubljenjem. Kinematika je identična, ali je zupčanik s vanjskim ozubljenjem napravljen s jednim zubom manje nego li zupčanik s unutarnjim ozubljenjem. Takva geometrija osigurava potpuno odvajanje usisne od tlačne zone, te nije potreban dodatni element (srp) koji će ih odvajati.
Konstrukcijske karakteristike i način rada vijčanih strojeva
Radni elementi vijčanih pumpi su vijčanici. Obavljaju rotacijsko gibanje. Nemaju mogućnost regulacije protoka. Prednosti: ¾ protok bez pulzacija, ¾ miran rad ¾ pouzdane u radu i velik vijek trajanja Nedostaci: ¾ niži radni tlakovi ¾ mala specifična snaga ¾ relativno visoka cijena Primjena: ¾ dobavne pumpe za ložišta ¾ u sustavima za podmazivanje ¾ u procesnoj industriji
Rotacijom pogonskog vretena u jednom i pogonjenog vretena u suprotnom smjeru, zahvaća se radna tekućina na usisnoj strani u prostor između dva zavoja i translacijski se potiskuje prema tlačnoj strani. Brtvljenje između niskotlačne i visokotlačne zone ostvaruje se po crti dodira vretena i kućišta.
Konstrukcijske karakteristike i način rada krilnih strojeva
Prednosti: ¾ male dimenzije i kompaktna konstrukcija ¾ neznatna pulzacija protoka, mala buka ¾ povoljan volumetrički stupanj iskoristivosti ¾ mogućnost regulacije protoka (jednoradni - povoljno u primjeni kod upravljanja i regulacije) Nedostaci: ¾ osjetljivi na vršne tlakove (lom krilaca) ¾ nepovoljan mehanički i ukupan stupanj iskoristivosti ¾ jednostrano opterećenje rotora i vratila (jednoradni) ¾ nemogućnost regulacije protoka (višeradni i izvedba s lopaticama u statoru). Primjena: ¾ glavna primjena kod alatnih strojeva ¾ dozirne pumpe u procesnoj industriji
Radni elementi krilnih strojeva su krilca. Radni elementi obavljaju rotacijsko-translacijsko gibanje. Pojedinim vrstama strojeva može se regulirati protok.
STATOR KRILCA USIS
ROTOR
TLAK
VRATILO
Pumpa je sastavljena od statora, rotora i krilaca, koja su umetnuta u žljebove usječene u rotoru. Centar rotora je pomaknut u odnosu na os statora za veličinu ekscentričnosti (e). O veličini ekscentričnosti ovisi protok pumpe. Stoga su česte izvedbe pumpi s promjenljivom veličinom ekscentričnosti, odnosno protoka.
Uslijed djelovanja centrifugalne sile i sile opruga, koje su smještene s donje strane krilaca, u području povećanja zazora, krilca se izvlače iz žljebova rotora. Radne komore, ograničene površinama dvaju susjednih krilaca, bočnim stranama, te površinama rotora i statora, povećavaju se, pa se uslijed stvorenog podtlaka, komore pune radnom tekućinom. U području smanjenja zazora, krilca se zbog djelovanja sile pritiska na mjestu kontakta površine statora i krilca, uvlače u rotor, pa se volumen komora smanjuje. U tom području se radni medij pod tlakom potiskuje iz pumpe.
Višeradni (balansirani) krilni strojevi
Da bi se povećao protok pumpi, odnosno moment torzije hidromotora, rade se posebne izvedbe kućišta s više komora. Kod takvih konstrukcija, u svakoj je komori po jedan proces usisavanja i tlačenja radne tekućine. Kod takvih izvedbi nije moguće regulirati protok.
Konstrukcijske karakteristike i način rada klipnih strojeva
Klipni se strojevi dijele prema položaju radnih elemenata u odnosu na pogonsko vratilo na: Aksijalno klipni strojevi
Radijalno klipni strojevi
Redni klipni strojevi
Aksijalno klipni strojevi Teorijski svaki stroj može raditi i kao pumpa i kao hidromotor. Radni elementi su im klipovi. Imaju mogućnost regulacije protoka. Maksimalni radni tlakovi su im preko 40 MPa. Kada rade kao hidromotori mogu razvijati moment do 3000 Nm.
Aksijalno klipni strojevi s kosom pločom
Način rada pumpe Pokretanjem pogonskog vratila pokreće se cilindarski blok budući su mehanički vezani. Klipovi koji su preko kliznih papučica naslonjeni na kosu ploču počinju se izvlačiti odnosno uvlačiti u cilindrima. U fazi izvlačenja povećava se radni prostor te se uslijed stvorenog potlaka tekučina usisava, a kada se cilindar uvlači, smanjuje se volumen radne komore te se tekućina potiskuje pod tlakom.
Način rada hidromotora Iz pumpe dolazi radni medij pod visokim tlakom. Pri tome potiskuje sve cilindre koji su vezani dovodni kanal razvodnog zrclala. Tangencijalna komponenta sile tlaka stvara moment kojim se počinje rotirati cilindarski blok, a isto tako i pogonsko vratilo s njim mehanički vezano. Izlaz radne tekućine iz radne komore cilindara preko zajedničkog izlaznog kanala na razvodnom zrcalu je pod nekim malim tlakom.
Specifični protok aksijalno klipne pumpe s kosom pločom
KOSA PLOČA POGONSKO VRATILO
PAPUČICA
CILINDARSKI BLOK
RAZVODNO ZRCALO 0- POLOŽAL
h – hod klipa A – povšina poprečnog presjeka klipa DT – diobeni promjer za α = 0 α - nagib ploče Z – broj klipova
KLIP
h = Dt ⋅ tan α
- hod klipa
Q1 = z ⋅ A ⋅ h = z ⋅ A ⋅ DT ⋅ tan α
Aksijalno klipni stroj s nagnutim bubnjem
Način rada pumpe Zakretanjem pogonskog vratila počinju se zakretati i klipovi koji su preko kuglastih ležajeva vezani na prirubnicu vratila. Zajedno sa klipovima počinje rotirati i cilindarski blok. Zbog izvedenog nagiba bloka, klipovi se također pomiču aksijalno u cilindrima. Svi cilindri u kojima se povećava radna komora spojeni su na usisni kanal razvodnog zrcala i u toj fazi oni usisavaju radnu tekućinu. U području u kojem se klipovi približavaju razvodnom zrcalu smanjuje se volumen radnih komora te klipovi potiskuju radnu tekućinu u tlačni kanal razvodnog zrcala.
Način rada hidromotora Ulje pod visokim tlakom dolazi u cilindre koji su u tom momentu spojeni sa dovodnim kanalom razvodnog zrcala. Cilindri bivaju potiskivani, a tangencijalna komponenta sila tlaka koja se pojavljuje zbog nagiba bubnja izaziva rotaciju cilindarskog bloka i pogonskog vratila. U fazi kada se klip približava razvodnom zrcalu ulje s minimalnim tlakom odlazi iz hidromotora.
Specifični protok aksijalno klipne pumpe s nagnutim bubnjem POGONSKO VRATILO
h – hod klipa 0- POLOŽAJ
A – površina poprečnog presjeka klipa DT – diobeni promjer kuglastih ležajeva
KLIP CILINDARSKI BLOK
α - nagib bubnja z – broj klipova
RAZVODNO ZRCALO
Q1 = z · A · h = z · A · DT · sinα
Radijalno klipni strojevi Radijalno-klipni strojevi mogu raditi i kao pumpe i kao hidromotori. Klipovi su im smješteni radijalno u odnosu na pogonsko vratilo. Postoji mogućnost da se aksijalno u smjeru pogonske osi smjesti više redova radijalno smještenih cilindara. Mogu razvijati tlakove do 35 MPa. Mogu razvijati momente do 170 000 Nm.
Vrste radijalno klipnih strojeva Radijalno klipni strojevi dijele se u dvije grupe: g S klipovima u rotoru
g S klipovima u statoru
Konstrukcijske karakteristike i način rada radijalno-klipnih strojeva
Radijalno-klipni strojevi s klipovima u rotoru S pogonskom je vratilom (3) čvrsto spojen rotor (2) u kojem se smješteni klipovi (4). Klipovi se pomiču radijalno u svojim cilindarskim prostorima zbog izvedene ekscentričnosti između osi statora (7) i osi rotora. Cilindri također rotiraju zajedno s rotorom i pri tome se oslanjaju na stazu statora preko valjčića (5), koji se kotrljaju smješteni u žljebovima (6). Da se spriječe poprečne sile između klipa i cilindra, klipovi i rotor se vode preko valjnih ležaja (8). Dovod i odvod radne tekućine obavlja se preko razvodnih kanala u priključku (1). Postoji li mogućnost da se stator uz pomoć ručnog kotača (9), navojnog vretena (10) i matice (11) na osovini (12) zakrene, tada se promijeni ekscentričnost između statora i rotora. Tako se promijeni hod klipa u cilindru, odnosno promijeni se protok. Premda se ovakvi tipovi strojeva u praksi najčešće koriste kao hidromotori, mogu raditi i kao pumpe.
Radijalno-klipni strojevi s klipovima u statoru KLIP
VRATILO
RAZVODNIK
PAPUČICA
EKSCENTAR
Spada u grupu sporohodnih strojeva. Klipovi su preko hidrostatski kompenziranih papučica naslonjeni na ekscentar pogonskog vratila. Dovod i odvod radne tekućine se obavlja preko razvodnika iz kanala visokog i kanala niskog tlaka , a povezani su s radnim prostorom cilindara.
Specifični protok radijalno klipnih pumpi
d K2 ⋅ π d K2 ⋅ π Q1 = z ⋅ ⋅h = z⋅ ⋅ 2e 4 4 Moment torzije radijalno klipnih motora Q1 z 2 T= ⋅ Δp M = ⋅ d K ⋅ e ⋅ Δp M 2π 4 dK – promjer klipa z – broj klipova (neparni 5,7,9) e - ekcentričnost između osi statora i rotora
Visokomomentni radijalni hidromotori Visokomomentni radijalni hidromotori imaju u rotoru smješteno 8 do 15 cilindara, koji se oslanjaju na odrivnu stazu koja je izvedena najčešće u obliku visoke sinusoide. Oslanjanjem na odrivnu stazu klipovi bivaju pomicani pod djelovanjem tlaka iz pumpe i vraćani onoliko puta unutar pune rotacije koliko je izvedeno bregova na odrivnoj stazi. Na taj se način hidromotoru movećava moment.
Pulzacije protoka i momenta klipnih strojeva Pulzacija protoka uzrok je i drugim pojavama u hidrostatskom sustavu: RADNI ELEMENT
PULZACIJA PROTOKA
PULZACIJA TLAKA
POJAVA BUKE
SVOJSTVA TLAČNOG ULJA
DJELOVANJE INSTALACIJE
TRENUTAČNI UKUPNI PROTOK
Nastanak ukupnog protoka klipne pumpe sa 6 cilindara TLAČENJE
TRENUTAČNI PROTOK SVAKOG CILINDRA
USISAVANJE
Hidromotori s ograničenim gibanjem Grupa hidrostatskih strojeva koja se koristi isključivo kao hidromotori, tj. pretvarači hidrauličke u mehaničku energiju. Dijele me u dvije grupe: g Hidromotore s pravocrtnim gibanjem – cilindri g Hidromotore s ograničenim rotacijskim gibanjem – moment
cilindri
Cilindri
Cilindri na grabilici bagera
Dijele se u dvije grupe: 1. Jednoradni 2. Dvoradni
Jednoradni cilindri
Samo se sa strane klipa može dovesti ulje pod tlakom. Rad se obavlja samo u jednom smjeru. Radna tekućina struji u prostor klipa na kojem se zbog djelovanja protusile (opterećenje teretom) stvara tlak. Nakon savladavanja protusile klip se počinje pomicati. U povratnom hodu, klipni je prostor povezan cjevovodima sa spremnikom. Povratni hod se odvija ili djelovanjem vlastite težine, opruge ili tereta.
Jednoradni teleskopski cilindri
A1 A3 A2
A
Uvijek kada su potrebni veliki hodovi cilindara, a ugradni je prostor mali, koriste se teleskopski cilindri. Dužina hoda im može biti i 8 puta veća od iste dimenzije standardnog cilindra. Najveću primjenu imaju u mobilnoj hidraulici.
Kako cilindar mora dati konstantnu silu koja je jednaka:
F = p⋅ A i ako pumpa šalje konstantni protok:
Q = v⋅ A tada su odgovarajući tlakovi koje mora dati pumpa, odnosno brzine kojima se giba pojedini klip teleskopskog cilindra sljedeći:
F p1 = A1
(miminalni tlak)
Q v1 = A1
(minimalna brzina)
· ·
F p4 = A4
(maksimalni tlak)
Q v4 = A4
(maksimalna brzina)
Dvoradni cilindri - diferencijalni
Pomicanje klipa cilindra obavlja se djelovanjem tlaka radne tekućine s obje strane klipa. Pod uvjetom istog tlaka i protoka što ga daje pumpa: U radnom hodu je:
F1 = p ⋅ A1
U povratnom hodu: Kako je:
A1 f A2
F2 = p ⋅ A2 F1 f F2
Q A1 Q v2 = A2
v1 =
v1 p v 2
Dvoradni cilindar s prolaznom klipnjačom
A
B
Ukoliko je potrebno ostvariti iste sile i brzine gibanja klipa u oba smjera gibanja klipa, tada se koriste cilindri s prolaznom klipnjačom. Skuplji su od diferencijalnih cilindara, a zbog tri izvedena brtvena mjesta imaju velike gubitke trenja.
Moment cilindri
Moment cilindar s nazubljenim klipom
Ukoliko je potrebno ostvariti ograničeno rotacijsko gibanje (< 3600), tada se koriste moment cilindri. Ovaj je sastavljen od klipa s nazubljenim letvom, koji je u zahvatu s jednim zupčanikom montiranim na pogonskom vratilu. Smjer rotacije ovisi s koje se strane cilindra dovodi ulje pod tlakom.
Moment na pogonskom vratilu je:
d T = p ⋅ A⋅ 2 A – površina klipa d – diobeni promjer zupčanika
Moment cilindri s krilcima
Zbog kompliciranog izvođenja brtvljenja na pravokutnim površinama, koriste se za tlakove do 120 bar. Moment na vratilu moment cilindra je:
T = p ⋅ A ⋅ rm ⋅ z
A – površina krilca rm - srednji polumjer krilca z – broj krilaca
Na pogonskom vratilu smješteno je krilce (mogu biti 2 i 3). Smješteni su u kućištu, s montiranim segmentom, i sa svake strane segmenta po jedan priključak za dovod radne tekućine. Ovisno na koji se priključak dovodi radna tekućina pod tlakom, ovisi smjer rotacije vratila. Zbog konačne dimenzije krilca i segmenta, kut zakretanja kod moment cilindra je: S jednim krilcem je α < 3000 S dva krilca je α < 1200 S tri krilca je α < 700
SEGMENT
ROTOR S KRILCEM
Pitanja za ponavljanje Koje osnovne funkcije obavlja radna tekućina u hidrostatskim sustavima? Koliku kinematsku viskoznost mora imatu ulje? Zašto je poželjno da se viskoznost ne mijenja s povećanjem temperature? Što znači imati dobro svojstvo podmazivanja? Koju temperaturu smije imati radna tekućina tokom rada? Što se dodaje uljima da bi imala sva potrebna svojstva dobre radne tekućine? Navedite vrste ulja koja se koriste kao radne tekućine u hidrostatskim sustavima. Što je to kompresibilnost fluida?
Napišite izraz za relativnu promjenu volumena. Napišite izraz za gustoću. Koji parametri utječu na promjenu gustoće radne tekućine? Kako glasi definicija viskoznosti? Kako glasi Newtonow zakon za viskoznost? Kakav je odnos kinematske i dinamičke viskoznosti? Koji parametri utječu na promjenu viskoznosti? Koji je osnovni princip rada hidrostatskih strojeva? Napišite izraz za ukupni stupanj iskoristivosti pumpe i hidromotora. Podjela hidrostatskih strojeva prema vrstama radnih elemenata.
Navedite vrste zupčastih strojeva Opišite zupčastu pumpu. Opišite način rada zupčaste pumpe. Opišite način rada zupčastog hidromotora. Kakvo gibanje obavljaju radni elementi vijčanih pumpi? Kakvo gibanje obavljaju radni elementi krilnih strojeva? Koji su osnovni dijelovi krilne pumpe? Kojim se parametrom mijenja protok krilne pumpe?
Opišite princip rada krilnih pumpi/motora. Što se postiže dvoradnom krilnom pumpom/motorom? Navedite vrste klipnih strojeva i zašto se tako dijele? Koliki su maksimalni radni tlakovi kod klipnih strojeva? Opišite način rada aksijalno klipnih pumpi/motora s kosom pločom. Opišite način rada aksijalno klipnih strojeva s nagnutim bubnjem. Napišite izraz za specifični protok za obje vrste aksijalno klipnih pumpi.
Navedite vrste radijalno klipnih strojeva. Napišite izraz za specifični protok radijalno klipnih pumpi. Zašto su visokomomentni radijalni hidromotori dobili taj naziv? Koji je razlog pojavi pulzacija kod klipnih strojeva? Navedite podjelu hidromotora s ograničenim gibanjem. Navedite podjelu cilindara. Na koji se način osigurava povrat klipnjače kod jednoradnih cilindara? Zašto se dvoradni cilindri nazivaju diferencijalni?
U kojim se slučajevima koriste teleskopski cilindri? U kojim se slučajevima koriste cilindri s prolaznom klipnjačom? Navedite neke tipove moment cilindara. Kako glasi izraz za moment što ga daje moment cilindar s ozubljenom klipnjačom? Kako glasi izraz za moment na cilindru s krilcima? Koliki su kutevi zakretanja moment cilindra s jednim, dva i tri krilca?
REGULACIJSKI UREĐAJI
U regulacijske uređaje spadaju sve vrste ventila. Njihova je funkcija: g regulacija smjera protoka radne tekućine g regulacija tlaka radne tekućine g regulacija protoka radne tekućine Prema svojoj funkciji se ventili dijele na: razvodne ventile (razvodnike) tlačne ventile protočne ventile
Razvodni ventili Razvodnim se ventilima regulira smjer protoka radne tekućine. Dijele se u tri grupe: g s klipom koji se pomiče aksijalno g s rotirajućim klipom g ventilski razvodnici
a)
b)
c)
a) Neutralni položaj – Cilindar miruje. Pumpa tlači ulje i preko razvodnika se vraća u spremnik. Tlak ulja je takav da pokrije gubitke strujanja do spremnika. b) Izvlačenje klipa cilindra – Ulje dolazi na klipnu stranu cilindra. Tlak ovisi o opterećenju na klipnjači. Ulje sa strane klipnjače vraća se u spremnik. c) Uvlačenje klipa cilindra - Ulje pod tlakom dolazi na stranu klipnjače. Klip se uvlači. Ulje sa strane klipa odlazi u spremnik.
Direktno aktivirani razvodnici
Ručno upravljanje razvodnikom
Hidrauličko ili pneumatsko upravljanje razvodnikom
Indirektno upravljani razvodnici Elektro-hidraulički aktiviran razvodnik s opružnim centriranjem
Proporcionalni razvodnici
Izlazna veličina (protok) proporcionalna je jakosti struje ulaznog signala. Upravljački tlak pomiče klip glavnog razvodnika sve do one vrijednosti kada se sila tlaka izjednači sa silom u opruzi.
Izbor razvodnika prema funkciji
2
Upravljanje jednoradnim cilindrom
Upravljanje dvoradnim cilindrom
1
Upravljanje dvoradnim cilindrom (s neutralnim položajem)
Tlačni ventili
Zaporni ventili Osnovna je uloga zapornih ventila zatvaranje protoka u jednom smjeru, a dozvoljavaju ga u drugom smjeru. Izvode kao ventili sa sjedištem: s kuglicom ili stošcem kao zapornim elementom. Postoje dvije osnovne izvedbe zapornih ventila: nepovratni ventil deblokirajući nepovratni ventil
Nepovratni ventili Uloga je nepovratnog ventila da propusti struju radne tekućine kada ona dostigne tlak kojim se može savladati sila opruge (ili masa kuglice ili konusa), koja drži kuglicu ili konus naslonjene na sjedište ventila. U suprotnom smjeru strujanje nije moguće. a) Nepovratni ventil s kuglicom b) Nepovratni ventil s konusom c) Simbol nepovratnog ventila opterećenog oprugom d) Simbol nepovratnog ventila bez opruge
Deblokirajući nepovratni ventil Deblokirajući nepovratni ventil ima funkciju nepovratnog ventila u jednom smjeru strujanja radne tekućine, a u drugom smjeru postaje protočni ventil.
Ventil za ograničenje tlaka Uloga je ventila za ograničenje tlaka zaštita sustava od preopterećenja. Ako se zbog prevelikog opterećenja na hidromotoru, zahtijeva od pumpe tlak veći od onog na kojeg je podešen ventil za ograničenje tlaka, on se otvora i propušta izvjesnu količinu radne tekućine iz tlačnog voda pumpe u spremnik.
Indirektno upravljani ventil za ograničenje tlaka
Za protoke veće od 150 l/min koriste se indirektno upravljani ventili za ograničenje tlak. Takvi ventili osiguravaju manje pulzacije protoka i tlaka.
Regulator tlaka Ukoliko je u nekom dijelu hidrauličkog kruga potrebno održavati konstantni tlak, ugrađuje se regulator tlaka.
U slučaju povećanja tlaka pN-K klip (2) pomaknut će se suprotno djelovanju opruge (3) te prigušiti otvor (1). Zbog povećanja pada tlaka u ventilu tlak pN-K će pasti na reguliranu vrijednost.
Ventili za regulaciju protoka
Ukoliko se cilindar ili hidromotor snabdijevaju radnom tekućinom iz pumpe konstantnog protoka, a iz nekog je razloga potrebno promijenti brzinu gibanja klipa ili brzinu vrtnje vratila hidromotora, tada se u tlačni vod ugrađuje prigušni ventil uz pomoć kojeg se smanjuje protok. Na taj se način umjetno stvara otpor koji u sustavu predstavlja određeni gubitak. Višak radne tekućine odvodi se preko ventila za ograničenje tlaka. Q = Q1+Q2 Q – protok iz pumpe Q1 – protok prema cilindru Q2 – protok kroz ventil za ograničenje tlaka
Prigušni ventili Prigušni ventili izvode se s konstantnim prigušenjem ili se prigušenje može mijenjati. Konstantno prigušenje a) Prigušnica b) Blenda Regulirano prigušenje c) Prigušenje iglom d) Prigušenje rasporom e) Prigušenje utorom f) Prigušenje utorom g) Prigušenje zavojnicom h) Prigušenje zavojnicom
Dvograni regulator protoka Da bi se isključio utjecaj oscilacija tlakova, potrebno je osigurati da na prigušnom mjestu vlada uvijek isti pad tlaka (pz-pSy). To se postiže s klipom, koji se naziva i tlačna vaga, kao pokretno prigušno mjesto. Opruga potiskuje klip u smjeru otvaranja i drži ga zatvorenog kada kroz ventil nema strujanja. Ako kroz ventil protječe tekućina, na klip će djelovati sila koja nastaje od tlaka koji uvijek djeluje na dvije površine. FF p z − p Sy = p z ⋅ AK = p Sy ⋅ AK + FF
AK
Uvjet ravnoteže pokazuje, da je na prigušnom mjestu pad tlaka proporcionalan sili u opruzi. Kako nastaju vrlo mali hodovi u opruzi, može se uzeti da je sila u opruzi približno konstatna.
Naraste li tlak na ulazu u ventil, pomaknut će se klip u smjeru zatvaranja. Pri tome se smanji protok koji struji prema prigušniku tako dugo dok se tlak na ulazu ne smanji, a zahvaljujući tome što razlika tlakova na ulazu i izlazu postane jednaka sili u opruzi podijeljenoj s površinom AK. Protok dakle ostane konstantan. Ako se promijeni tlak na izlazu (poveća ili smanji) pomiče se klip tako dugo dok se ponovo ne ostvari uvjet:
p z − p Sy =
FF AK
Kod dvogranog se regulatora protoka višak tekućine odvodi u spremnik preko ventila za ograničenje tlaka. To znači da pumpa uvijek radi s maksimalnim tlakom. Pogodno samo za niskotlačne sustave.
Trograni regulator protoka Višak se tekućine odvodi izravno iz regulatora protoka u spremnik. Pogodno sustave.
za
visokotlačne
P-Q karakteristika prigušnika i ventila za regulaciju protoka PRIGUŠNIK
VENTIL ZA REGULACIJU PROTOKA
Kod prigušnika je protok ovisan o razlici tlakova na mjestu prigušenja, što znači da s povećanjem pada tlaka protok raste. Viskoznost se mijenja prema:
ν=
ξ ⋅v⋅d 64 ⋅ l
Kod regulatora protoka protok je neovisan o razlici tlakova, koji djeluju na ulazu i izlazu iz ventila. Ugrađuju se tamo tamo gdje je i pored različitih opterećenja potrošača potrebno ostvariti konstantnu radnu brzinu.
Razdjelnik protoka Ukoliko jedna pumpa mora snabdijevati dva potrošača, tada se ugrađuje razdjelnik protoka.
Qges = Qlinks + Qrechts
Qlinks = konst Qrechts
Pitanja za ponavljanje Što su to regulacijski uređaji? Kako se dijele ventili i kakve su im funkcije? Objasnite simbolično označavanje razvodnih ventila. Objasnite način rada proporcionalnog razvodnika. Objasnite funkciju zapornog ventila te navedite vrste zapornih ventila. Nacrtajte simbole nepovratnih ventila? U kojim se slučajevima koriste deblokirajući nepovratni ventili? Koju ulogu imaju ventili za ograničenje tlaka i gdje se ugrađuju?
U kojim se slučajevima koriste indirektno upravljani ventili za ograničenje tlaka? Kakvu ulogu ima regulator tlaka u hidrostatskim sustavima i gdje se ugrađuje? Što se postiže ugradnjom prigušnog ventila? Navedite vrste prigušnih ventila te njihovo simbolično označavanje. Objasnite način rada dvogranog ventila za regulaciju protoka. Objasnite način rada trogranog ventila za regulaciju protoka. Nacrtajte p-Q karakteristiku prigušnika i regulatora protoka. Kada se ugrađuju razdjelnici protoka?
POMOĆNI UREĐAJI
Cjevovodi 1. Kruti cjevovodi – najčešće čelične cijevi, šavne i bešavne (hladno valjane) ovisno o tlaku koji vlada u cjevovodu - za čvrsto spajanje elemenata 2. Savitljivi cjevovodi – koriste se u slučajevima kada se radni element giba, ili je cjevovod potrebno često demontirati
Sve se cijevi moraju odabrati ili proračunati prema: h radnom tlaku h brzini strujanja h minimalnom polumjeru savijanja
Kruti cjevovodi Osnovni kriteriji za izbor materijala cijevi je čvrstoća cijevi, hrapavost površine i homogenost materijala. Najviše se koriste bešavne hladno valjane čelične cijevi (obavezno za visoke tlakove) i šavne cijevi za niskotlačne cjevovode. Izuzetno se koriste cijevi od bakra, mesinga i aluminija. Protočni promjer cijevi
d = 4,607
Q vsr
d – m – protočni promjer cijevi Q – m3/s - protok vsr – m/s – srednja brzina strujanja
vsr
Proračun debljine stijenke cijevi
D⋅ p s= ⋅ν 200 ⋅ σ dop s – mm – debljina stijenke D – mm – vanjski promjer cijevi p – bar - tlak u cijevi
σdop - dopušteno naprezanje materijala na tlak
ν - faktor sigurnosti (2-4)
Savitljivi cjevovodi Na svim onim mjestima gdje nije moguće ugraditi krute cijevi, ugrađuju se savitljive: spojevi s pokretnim dijelovima, prostorno teško spojiva mjesta, spojevi koji se skidaju i premještaju i sl. Materijal savitljivih cijevi podložan je starenju, osjetljiv na vibracije i visoke temperature, veće brzine strujanja itd. GUMA, POLIESTER, POLIURETAN
ČELIČNA MREŽA
Postavljanje savitljivih cijevi
Priključci Priključcima se spajanju uređaji i cjevovodi. Priključci za međusobno spajanje krutih cijevi i krutih cijevi s uređajima
e)
a) Priključak s prstenom koji se utiskuje u cijev b) Priključak sa steznim prstenom c) Priključak za konusno formirani završetak cijevi d) Priključak za završetak cijevi na koju je zavaren konusni dio e) Spoj cijevi sa zavarenom prirubnicom
Brzorastavljive spojnice
Brzorastavljive spojnice se koriste za povremeno spajanje ili odvajanje elemenata hidrauličkih sustava od energetskog priključka. Utikač i utičnica imaju nepovratne ventile kojima se spriječava izlaz ulja nakon prekida veze.
Brtve i brtveni elementi
Brtveni elementi u hidraulici sprečavaju prodor ulja u okolinu ili unutar sustava. Ovisno o namjeni, različitih su konstrukcijskih izvedbi. Razlikuju se prema: h Stupnju brtvljenja koji valja ostvariti h Vrsti i statusu kretanja h Tlaku u sustavu h Statusu dodira h Vrsti materijala iz kojeg su izrađeni Apsolutna nepropusnost traži se kod prodora hidrauličke tekućine prema van. Propusnost prema van smatra se neispravnošću sustava. Unutar sustava potrebna je propusnost u obliku stvaranja mazivog sloja zbog podmazivanja.
Vrste brtvljenja
Spremnici
Spremnici su posude za držanje hidrauličke tekućine.
Namjena im je višestruka: h Pohranjuju dovoljnu količinu hidrauličke tekućine za nesmetan i pravilan rad sustava h Omogućuju hlađenje hidrauličke tekućine (po potrebi i grijanje ugradnjom grijača) h Omogućuju nesmetano izdvajanje plinova h Omogućuju izdvajanje vode
Konstrukcija spremnika Za izradu se spremnika koriste Al - limovi, čelični limovi ili limovi od nehrđajućeg čelika.
Volumen spremnika
Vsp = z ⋅ Q p
Z – 3…8 - broj optoka u minuti Qp – protok pumpe u l/min
Filteri
Filteri omogućavaju normalan rad sustava i povećavaju njegovu trajnost. Zračnosti između kliznih elemenata su do 20 μm, a za servosustave do 3 μm, pa je u skladu s time potrebno osigurati i finoću filtriranja ulja. Regulacijski ventili
Ventil sa sjedištem
Krute čestice u struji radne tekućine djeluju abrazivno, oštećujući fine klizne površine, sjedišta ventila, a u rasporima se zaglavljuju i utiskuju u plohe. Posljedice: g Jače istjecanje ulja zbog lošijeg brtvljenja g Blokiranje rada kliznih dijelova
Erozija na brtvenim površinama
g Promjena karakteristika regulacije protoka g Smanjenje trajnosti
Karakteristike filtera Karakteristike filtera se iskazuju na sljedeći način: h Finoćom filtriranja h Količinom izdvojenih čestica h Količinom protoka kroz filter h Padom tlaka
βx =
n( x ) na ulazu n( x ) na izlazu
βx- omjer broja čestica određene veličine x prije filtriranja i broja čestica iste veličine nakon filtriranja
Ugradnja filtera GLAVA FILTERA
ČAŠICA FILTERA
POKLOPAC FILTERA
POVRATNI FILTER
TLAČNI FILTER
ULOŽAK FILTERA
Ugradnja filtera u hidraulički sustav
Hidraulički akumulatori
Hidraulički akumulatori su spremnici hidrauličke tekućine pod tlakom.
Funkcije su im sljedeće: h Akumuliranje energije h Korištenje akumulirane hidrauličke energije prema po potrebi h Trenutno osiguranje energije kod prestanka rada pumpe (kvar, nestanak energije za pokretanje pumpe i sl.) h Nadomjestak hidrauličke tekućine kod gubitka curenjem h Štednja energije h Prigušenje udara i pulzacija
Način rada hidrauličkog akumulatora
U tijelu akumulatora nalazi se razdjelni član (mijeh, membrana ili klip), kojim se odvajaju plin (najčešće dušik) i hidraulička tekućina. Osnovni parametri za dimenzioniranje akumulatora su tlak, volumen i temperatura. Procesi koji se zbivaju s plinom prilikom ekspanzije odn. kompresije su najčešće politropski (između adijabate i izoterme). Akumulator se prije puštanja u rad puni plinom na tlak p1 i volumen V1. Ugradnjom u hidraulički sustav, prilikom punjenja tekućinom plin se sabija na određeni tlak i volumen, pa će tlak tekućine biti jednak tlaku plina. Ukoliko u sustavu padne tlak ispod vrijednosti p2, iz akumulatora će poteći tekućina u sustav.
Tipovi hidrauličkih akumulatora
AKUMULATOR S MEMBRANOM AKUMULATOR S MIJEHOM
AKUMULATOR S KLIPOM
Uređaji za hlađenje i grijanje
Toplinska bilanca hidrauličkog sustava Grijanje iz okoliša Aktivna površina elemenata najviše spremnika
Gubici u pumpama i hidromotorima
HIDRAULIČKI SUSTAV Gubici strujanja u cijevima i lokalni gubici Hladnjaci
U hidrauličke se sustave ugrađuju hladnjaci ili grijači. To ovisi o uvjetima rada sustava. Razlog tome je što ulje mora imati određenu viskoznost kako bi rad sustava bio ispravan. Uobičajena temperatura ulja je od 40oC do 50oC, a samo u iznimnim slučajevima i do 80oC. U sustavima s malim protokom energije dovoljno je hlađenje u spremniku. Kod većih snaga, kao i u uvjetima visoke temperature okoliša, ugrađuju se hladnjaci (najčešće vodom hlađeni). U uvjetima niskih temperatura, ulje na početku rada sustava nema dovoljnu viskoznost, pa se stoga koriste grijači. To su najčešće električni grijači ili grijači s vodenom parom ili toplim zrakom (ugrađuju se u spremnike ulja).
REGULACIJA RADOM HIDROSTATSKOG SUSTAVA
Vrste kružnih tijekova
OTVORENI KRUŽNI TIJEK
ZATVORENI KRUŽNI TIJEK
POLUOTVORENI KRUŽNI TIJEK
UPRAVLJANJE PRIGUŠENJEM
PUMPOM KONSTANTNOG PROTOKA
PUMPOM S REGULIRANIM PROTOKOM
“LOAD SENSING”
Preko sustava za povratnu dojavu o opterećenju udešavaju se vrijednosti tlaka i protoka prema potrebama potrošača. Regulaciju je moguće ostvariti protokom.
pumpom s konstantnim ili reguliranim
SEKUNDARNA REGULACIJA Sustavna regulacija potrošača. Regulira se brzina vrtnje hidromotora. Kada se u određenim slučajevima dovodi energija hidromotoru, motor počinje raditi kao pumpa da bi održao konstatnu brzinu vrtnje. Ovaj se način rada primjenjuje tamo gdje: 1. Više potrošača radi paralelno, a dio se energije može vratiti u sustav kao npr. u slučajevima kočenja jednog hidromotora pri čemu se tom energijom mogu pogoniti drugi potrošači 2. Zbog stalnog ponavljanja ciklusa rada moguće je iskoristiti akumuliranu energiju unutar sustava (gradski autobusi, viličari, brodska vitla itd.)
POVEZIVANJE ELEMENATA HIDRAULIČKOG SUSTAVA
Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3
Δp = Δp1 = Δp2 = Δp3
Q = Q1 = Q2 = Q3
Q = Q1 + Q2 + Q3
Vraćanje klipa cilindra kod nestanka električne struje – primjena hidrauličkog akumulatora
Hidraulički sklopovi za sinkronizaciju rada cilindara
1
2
SINKRONIZACIJA UZ POMOĆ MEHANIČKE VEZE KLIPNJAČA
1
2
SINKRONIZACIJA SERIJSKIM POVEZIVANJEM ELEMENATA
Serijska veza razvodnika U isto se vrijeme ne može aktivirati više potrošača bez utjecaja na promjenu sile i brzine. Moguće su sve kombinacije uključivanja razvodnika.
Paralelna veza razvodnika Moguće je pomicanje više potrošača u isto vrijeme. Tlak pumpe će se podesiti prema najmanjem otporu, tj. najnižem potrebnom tlaku. To znači da će se početi izvlačiti klipnjača cilindra s najnižim potrebnim tlakom.
Hidraulički regulator protoka pumpe B
A x1
x2
px / pxmax
-Q1 / Q 1max
+Q1 / Q 1max
Dovođenjem upravljačkog ulja na priključak x1, usisna strana pumpe je B, a tlačna A. Kada se upravljačko ulje dovede na priključak x2 situacija je obrnuta. Kada su tlakovi x1 i x2 isti, klip regulatora je rasterećen, a protok pumpe jednak je 0. Regulacijskim vijcima podešava se najveći protok pumpe.
Regulator tlaka pumpe Zadaća je regulatora tlaka pumpe, da nakon što se postignene određena vrijednost tlaka, dovedu radne elemente pumpe u takav položaj da je protok jednak 0. Q
p
Veza je tlačnog voda pumpe i klipne strane hidrauličkog regulatora preko ventila za ograničenje tlaka. Na cjevovodu, koji spaja ventil i cilindar sa spremnikom postavljena je prigušnica, pa je tako osigurano da impuls tlaka bude prvo odveden prema regulatoru. Pumpa radi stalno u području maksimalnog protoka, bez obzira na veličinu tlaka, a nakon dostizanja tlaka koji je podešen na ventilu za ograničenje tlaka, on se otvara i klip regulatora se pomiče u lijevo tako da protok postane jednak 0.
Regulator snage pumpe Zadaća je regulatora snage osigurati takav odnos tlaka u sistemu i protoka koji daje pumpa da je zadovoljen uvjet: P = Q p = konst
Klipna komora regulatora povezana je s tlačnim vodom pumpe, pa na klip djeluju dvije sile; sila opruge, koja se mijenja s promjenom dužine pomaka x i hidraulička sila s desne strane. U području tlakova od p0 do p1, sila opruge je veća od hidrauličke sile, pa pumpa radi s maksimalnim protokom. U tom području snaga raste s porastom tlaka. Kada se dostigne tlak p1, snaga pumpe ima najveću vrijednost, a sila u opruzi postaje manja od hidrauličke sile. Klip se pomiče u lijevo sve do položaja kada se sila u opruzi i hidraulička sila ne izjednače. Pri tome se protok pumpe smanjuje. Nakon što tlak postane najveći, protok pumpe ima najmanju vrijednost.
Hidrostatski mjenjač
PUMPA S REGULACIJOM PROTOKA
VENTILI ZA OGRANIČENJE TLAKA
SKLOP ZA REGULACIJU PUMPE
HIDROMOTOR KONSTATNOG PROTOKA
HIDROMOTOR
NEPOVRATNI VENTILI ZA NADOPUNU
VENTILI ZA OGRANIČENJE TLAKA
PUMPA POMOĆNA PUMPA
Regulacija brzine vrtnje hidromotora regulacijom pumpe Q1p ≠ konst
np = konst
Q1M =konst
nM ≠ konst
Qp Pp p
Qp
TM
Pp
TM p
nM
Regulacija brzine vrtnje hidromotora regulacijom hidromotora Q1p = konst
np = konst
Q1M ≠ konst
nM ≠ konst
Qp Pp
TM
p
p
Pp
TM Qp
nM
Regulacija brzine vrtnje hidromotora regulacijom i pumpe i hidromotora Q1p ≠ konst
np = konst
Q1M ≠ konst
nM ≠ konst
Qp Pp
Pp
p
p
TM Qp
REGULACIJA PUMPOM POVEĆANJEM Q1p
TM
REGULACIJA HIDROMOTOROM SMANJENJEM Q1M
nM
PNEUMATIKA
UVOD
Pneumatski sustavi omogućavaju prijenos energije stlačenim zrakom. Naziv pneumatika potječe od grčke riječi pneuma – dah, vjetar.
Uporaba stlačenog zraka datira od početka stvaranja civilizacije. Prije nove ere datiraju opisi pneumatskih uređaja (npr. kovački mijeh). Za potrebe ratovanja Ktesibios (3. st. p.K.) konstruirao je pneumatski cilindar za povećanje dometa katapulta. KOMPRIMIRANI ZRAK
PREDNOSTI I NEDOSTACI STLAČENOG ZRAKA KAO POGONSKOG I UPRAVLJAČKOG MEDIJA
Prednosti g Sigurnost – nema opasnosti od eksplozije i požara g Brzina – radni elementi postižu velike brzine gibanja;
pneumatski cilindri 1 – 2 m/s, udarni cilindri do 10 m/s. g Jednostavan prijenos energije – cjevovodima g Skladištenje – stlačeni se zrak sprema u spremnike, od kojih se neki mogu i prenositi g Neosjetljivost na preopterećenje – pneumatski se radni elementi mogu opteretiti do zaustavljanja, a da se pri tome ne oštete
na temperaturu – s dehidriranim stlačenim zrakom, pneumatski elementi mogu raditi od –20oC do +70oC (u posebnim izvedbama i do 200oC).
g Neosjetljivost
g Neosjetljivost na radijaciju, magnetsko i električno polje te zagađenost atmosfere promjena brzine – rotacije pneumatskih motora i translacije pneumatskih cilindara
g Kontinuirana
g Podešavanje duljine hoda – uz pomoć graničnika
g Čistoća – stlačeni je zrak čist, te kod eventualnog propuštanja, kao i ispuha u atmosferu ne onečišćuje okoliš g Nema povratnih vodova – nakon izvršenog rada, zrak se preko prigušivača zvuka ispušta u atmosferu g Jednostavno održavanje – zbog visokog stupnja standardiziranosti elemenata, zamjena je jednostavna
Nedostaci g Stlačivost zraka g Proizvodnja stlačenog zraka je skupa – skuplja od ekvivalentnog medija za isti roizvedeni rad ostvaren električnom energijom ili uljima g Buka kod ekspanzije zraka u atmosferu g Bez dodatnih uređaja nije moguće postići male i konstantne brzine izvršnih elemenata g Prijenos signala na velike udaljenosti nije moguć – zbog gubitka tlaka zraka
OPIS STANJA PNEUMATSKOG SUSTAVA
TLAK Tlak je sila na površinu p = F / A [N/m2 = Pa] 106 Pa = 1 MPa = 10 bara Atmosferski tlak – tlak na površini zemlje izazvan težinom zraka u atmosferi. Varira od mjesta do mjesta, ali se za pneumatske sustave smatra da je konstantan i da iznosi 1 bar.
Apsolutni tlak = manometarski tlak + atmosferski tlak
Apsolutni tlak u bar
Pretlak u bar
Atmosferski tlak
Numerički primjer Površina klipa Statička sila 3000 N Atmosferski tlak Površina klipnjače
Manometarski tlak
Atmosferski tlak
PROTOK Zraku se, kao kompresibilnom fluidu, volumen mijenja u ovisnosti o tlaku i temperaturi. Kao standardna vrijednost uzima se protok kod apsolutnog tlaka od 1 bara i na temperaturi od 20oC. Protok se zraka izražava u m3/min, l/min ili l/s.
SVOJSTVA ZRAKA Za potrebe pneumatskih proračuna zrak se može smatrati mješavinom dušika (78%) i kisika (21%) uz dodatak vode i nečistoća. Smatra se idealnim plinom za temperature i tlakove koji vladaju u normalnom pneumatskom sustavu. Fizikalne konstante zraka su: Molekularna masa..................... 28,96 kg/kmol Gustoća kod 15oC i 1 bar......... 1,21 kg/m3 Plinska konstanta...................... 286,9 J/kg K
Relativna vlažnost je omjer sadržaja vode u atmosferi i sadržaja vode u zasićenom zraku kod iste temperature. Točka rošenja je ona temperatura kod koje nastupa izdvajanje vode iz zraka. Admin: Admin: Numerički Numeričkiprimjer primjer
Sadržaj vode u kg u 100 m3 zraka za određeni tlak i temperaturu Manometarski tlak u bar
EKSPANZIJA I KOMPRESIJA PLINOVA
U pneumatskin se sustavima tijekom proizvodnje stlačenog zraka te rada aktuatora događaju i kompresija i ekspanzija zraka. Kompresija i ekspanzija znače promjenu volumena zraka, međutim promjena volumena izaziva i promjenu tlaka i temperature. Premda je zrak mješavina plinova, rezultati su zadovoljavajući ako ga se smatra idealnim plinom (čist i suh plin). U proračunima je potrebno, apsolutnog tlaka i temperature.
stoga,
koristiti
vrijednosti
Plinski zakoni
Boyle-Mariotteov zakon Edme Mariotte (1620 –1684) – francuski fizičar
Robert Boyle (1627 –1691) – irski filozof i znanstvenik
Volumen se mijenja inverzno s promjenom tlaka kod konstantne temperature (izotermna promjena stanja)
V2 p1 = V1 p2
ili
p1 V1 = p 2 V 2 = k
Animacija Boyle –Mariottovog zakova
Charlesov zakon (Gay – Lussac)
Joseph Louis Gay – Lussac (1778 – 1850) Francuski kemičar i fizičar
Jacques Charles (1746 – 1823) - Francuski matematičar i fizičar Volumen se mijenja proporcionalno s promjenom apsolutne temperature kod konstantnog tlaka (izobarna promjena stanja)
V1 T1 = V 2 T2
ili
V1 V 2 = =k T1 T2
Animacija Charlesovog zakona
Amontonov zakon Guilliaume Amontons (1663 – 1705) – francuski fizičar
Tlak mase danog plina mijenjat će se proporcionalno promjeni apsolutne temperature, kod konstatnog volumena.
p1 T1 = p 2 T2
ili
p1 p 2 = =k T1 T2
Daltonov zakon
John Dalton (1776 –1844) engleski kemičar i fizičar
Totalni tlak mješavine plinova jednak je sumi parcijalnih tlakova pojedinog plina u mješavini. Parcijalni su tlakovi oni, koje bi svaki plin imao kada bi sam zauzimao isti volumen kao mješavina.
1
p = ∑ pn 1
Amagatov zakon
Emile Amagat (1841 – 1915) – francuski fizičar
Volumen mješavine plinova jednak je sumi volumena pojedinih plinova, ako su temperatura i tlak isti.
Poissonov zakon
Siméon-Denis Poisson (1781 – 1840) – francuski matematičar i fizičar
U procesu, gdje nema razmjene topline s okolišem, odnos između tlaka i volumena slijedi relaciju:
κ
κ
p1 V1 = p 2 V 2
κ=
cp cv
Jednadžba stanja plina Jednadžba stanja plina nastala je kombinacijom BoyleMariotteovog zakona i Charlesovog zakona, a glasi:
pV = m R T
Zakoni termodinamike
1. Glavni zakon termodinamike “Toplina je ekvivalentna mehaničkom radu”
2. Glavni zakon termodinamike Toplina ne prelazi nikada sama od sebe s hladnijeg na toplije tijelo”
Ekspanzija i kompresija zraka
Postoje 4 teorijska načina kompresije i ekspanzije zraka Kao praktični procesi koriste se samo izotermni i izentropski (adijabatski) Postoji i 5. način – politropa, koji se nalazi između izoterme i adijabate. Postoji u realnom pneumatskom sustavu jer se promjene ne događaju niti kod konstatne temperature niti bez razmjene topline s okolišem.
Izotermna kompresija (konstantna temperatura)
p1 V1 = p2 V2 = k
Grafički predstavlja hiperbolu u p –V dijagramu Rad kompresije je predstavljen osjenčenom površinom.
⎛ p2 ⎞ W = ∫ p dV = p1 V1 ln⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ p1 ⎠ V1 V2
Adijabatska (izentropska) kompresija
(nema
razmjene topline)
κ
pV = k Rad kompresije je predstavljen osjenčenom površinom u p –V dijagramu. κ −1 ⎤ ⎡ κ ⎛ p2 ⎞ κ ⎢ W = ∫ V dp = p1 V1 ⎜⎜ ⎟⎟ − 1⎥ ⎥ ⎢⎝ p1 ⎠ κ −1 p1 ⎥⎦ ⎢⎣ p2
Politropska kompresija Svi izrazi koji vrijede za izentropsku kompresiju vrijede i i za politropsku samo što se eksponent κ zamjenjuje s eksponentom n (1< n < 1,4). U stacionarnom radu nemoguće je dostići izotermnu kompresiju, većinom je to puno bliže izetropskoj. Izoterma predstavlja samo teoretski cilj, pa se i stupanj iskoristivosti sustava računa na bazi izotermnog procesa.
Admin: Admin: Primjeri Primjeri3.3.i i4.4.
PROIZVODNJA I DISTRIBUCIJA STLAČENOG ZRAKA U sustav za proizvodnju i distribuciju stlačenog zraka spadaju sljedeći uređaji i elementi: ½ kompresori ½ sušionici zraka ½ spremnici zraka ½ cijevi
KOMPRESORI U industriji se najčešće koriste volumetrički kompresori, koji se dijele na dvije grupe: klipni i membranski rotacijski
Klipni kompresori Klipni se kompresori dijele na: jednostupanjske višestupanjske
Druga je podjela na: jednoradne dvoradne
JEDNOSTUPANJSKI I VIŠESTUPANJSKI KLIPNI KOMPRESORI
Jednostupanjski klipni kompresor
Dvostupanjski klipni kompresor
JEDNORADNI I DVORADNI KLIPNI KOMPRESORI
Dvoradni, dvostupanjski klipni kompresor
MEMBRANSKI KOMPRESORI
LAMELASTI KOMPRESORI
Lamele (krilca)
Rotor
Stator
VIJČANI KOMPRESORI
REGULACIJA RADOM KOMPRESORA Kontrola radom kompresora prema potrebama sustava može se obavljati na 4 načina: 1. Kontinuiranom promjenom količine ulaznog zraka u kompresor prekidom ili prigušivanjem ulazne količine zraka KONTROLA
PREMA SUSTAVU ULAZ ZRAKA
KOMPRESOR
ULAZNI VENTIL
SPREMNIK ZRAKA
2. PROMJENOM BRZINE VRTNJE – uporabom AC ili DC elektromotora. Ova metoda se uglavnom manje primjenjuje u praksi i to uglavnom u industrijskim pogonima ali ne i u mobilnim sustavima 3. RASTEREĆENJEM – uz pomoć otvaranja usisnog ventila u klipnom kompresoru. Mana ove regulacije je povećani nivo buke u radu kompresora 4. PRESTANKOM RADA KOMPRESORA - uz pomoć startera na EM automatski se prekida rad (najviše 20 puta u satu) - uz pomoć automatskog uključivanja spojke za spajanje s EM
SUŠENJE ZRAKA Stlačeni zrak nakon izlaska iz kompresora sadrži veću količinu vode te ga je potrebno osušiti. Koriste se tri načina sušenja: 1. Kemijski ili apsorpcijski 2. Fizikalni ili adsorpcijski 3. Termički ili postupak podhlađivanja
KEMIJSKI ILI APSORPCIJSKI POSTUPAK SUŠENJA ZRAKA
Vlaga iz zraka veže se za određenu tvar (higroskopnu) – magnezijev perklorat, litijev klorid, kalcijev klorid itd.
- Jednostavna
konstrukcija uređaja
- nema mehaničkog trošenja - nema utroška energije - potrošak kemikalija - kemikalije su jako korozivne
FIZIKALNI ILI ADSORPCIJSKI POSTUPAK SUŠENJA ZRAKA
Vezuje se vlaga na površini određenih krutih tvari – SiO2 (silikagel) i Al2O3
- utrošak
materijala mali
- prikladno za industrijske svrhe - visoki postotak sušenja - utrošak energije za regeneraciju
SUŠENJE PODHLAĐIVANJEM
Zrak se podhlađuje čime se snižava točka rošenja (-1,7 oC) - složen
uređaj
- nema utroška materijala - pogodan za industriju - utrošak energije
Admin: Admin: Numerički Numeričkiprimjer primjer 5.5.
SPREMNICI ZRAKA Uloga spremnika zraka u pneumatskom sustavu: ½ usklađivanje rada kompresora s potrošnjom zraka u sustavu ½ ublažavanje promjena tlaka kod potrošnje zraka u sustavu ½ smirivanje zračnih udaraca pri radu klipnog kompresora ½ izdvajanje ulja i kondenzata iz stlačenog zraka
Horizontalni spremnik zraka
Vertikalni spremnik zraka
KOMPRESORSKA STANICA SIGURNOSNI VENTIL MANOMETAR
SIGURNOSNI VENTIL
SEPARATOR MJEŠAVINE STOP VENTIL
MEĐUHLADNJAK
PRIGUŠIVAČ BUKE
MANOMETAR
HLADNJAK MOTOR
SPREMNIK ZRAKA
AUTOMATSKA DRENAŽA
DVORADNI KOMPRESOR S DVA STUPNJA
USISNI FILTER
KOMPRESORSKA STANICA ZA VELIKI INDUSTRIJSKI POGON
KOMPRESORSKA STANICA ZA MALI I SREDNJI INDUSTRIJSKI POGON
Admin: Admin: primjer primjer
PRIPREMA STLAČENOG ZRAKA Unatoč filteru zraka na usisu u kompresor, te sušilu stlačenog zraka, još se uvijek u vodovima nailazi na: ½ Izlučeni kondenzat ½ ulje iz kompresora ½ karbonizirane ostatke ulja ½ čestice prašine ½ produkte korozije
Sve te nečistoće nepoželjne su u pneumatskim uređajima, koji imaju vrlo fine klizne površine i male zračnosti, zbog čega ne bi ispravno radili, a vijek bi im se trajanja skratio.
PRIPREMNA GRUPA Prije svakog pneumatskog uređaja ili grupe uređaja postavljaju se elementi, koji pripremaju zrak u stanje prikladno za rad. Pripremnu grupu čine: filter – pročišćivač zraka regulator tlaka nauljivač
FILTER Čišćenje se obavlja uz pomoć tri efekta: ½centrifugalnog – zrak koji ulazi tangencijalno dobiva rotaciju, zbog čega teže čestice u struji zraka bivaju potisnute na čašicu filtera i padaju na dno ½ inercijskog – čestice zbog promjene smjera strujanja, zbog djelovanja sile inercije nastavljaju kretanje prema dolje, gdje se talože ½ filtrirajućeg – struja zraka mora proći kroz uložak filtera (sinter bronca ili porozna keramika) – otvori 5 do 40 μm
Ispust kondenzata iz čašice filtera
Izdvojeni kondenzat i druge nečistoće ne smiju preći oznaku na čašici filtera, jer bi ih struja zraka mogla ponovo povući za sobom. Ispuštanje se obavlja preko vijka za ispust koji se nalazi na dnu čašice. Za udaljena mjesta ili gdje je mali broj ljudi u nadzoru pogona, koriste se automatski ispuštači.
Automatski ispuštač kondenzata
REGULATOR TLAKA Regulator ulogu:
tlaka
ima
trojaku
½ regulacije tlaka ½ promjene protoka ½ održavanja konstantnog
izlaznog (sekundarnog) tlaka
Princip rada regulatora tlaka Na ulaznoj (primarnoj) strani tlak zraka mora biti veći od zahtijevanog tlaka na izlaznoj (sekundarnoj) strani regulatora. Podešavanje izlaznog tlaka vrši se regulacijom sile u opruzi. Ako je sila u opruzi, veća od sile koju stvara tlak zraka na površini membrane, potiskuje razvodni element ventila i propušta stlačeni zrak na izlaz sekundarnog voda. Porastom tlaka na izlaznoj strani, pomiče se membrana i sabija oprugu, te zatvara prolaz zraku. Ako je tlak zraka na izlazu jos uvijek veći od podešenog, membrana i dalje sabija oprugu i pri tome otvara otvor za odzračivanje. Uz regulator tlaka u sekundarnom vodu je ugrađen manometar za kontrolu reguliranog tlaka.
NAULJIVAČ
Uloga je nauljivača ubaciti u struju stlačenog zraka finu uljnu maglicu koja služi za podmazivanje precizno obrađenih pokretnih površina pneumatskih ventila i aktuatora.
Princip rada nauljivača Nauljivač radi na principu Venturijeve cijevi. V2 p2 A2 ρ V1 p1 A1 ρ
Temeljem Bernoullijeve jednadžbe: ρ ⋅ v12 ρ ⋅ v 22 p1 + = p2 + 2 2
Pad tlaka u suženju:
p1 − p2 = Δp =
Iz jednadžbe kontinuitet: v1 ⋅ A1 = v2 ⋅ A2
v2 = v1 ⋅
ρ ⋅ (v22 − v12 ) 2 A1 A2
Zbog pada tlaka u suženom dijelu, siše se ulje iz spremnika i raspršuje u struju zraka. Obično je to 1 do 10 kapi na 1m3 zraka ili 1 do 2 kapi/min Mineralno ulje kin. viskoznosti oko 45 cSt na 20oC
CJEVOVODI
Za pneumatske instalacije koriste se cijevi iz: Čelika, najčešće iz nehrđajućeg ABS (Acrylonitrile – Butadiene – Styrene) Bakrene Aluminijske Plastične Gumene
PRIKLJUČCI Materijal – bronca (najčešće) USJEČNI PRSTEN MATICA
T -PRIKLJUČAK KUTNI PRIKLJUČAK
Pad tlaka zraka kroz cijevi
Prolaskom zraka kroz cijevi, tlak se u sustavu mijenja, a s time i temperatura, ovisno o vrsti ekspanzije. Zbog tih promjena, matematička analiza protoka i tlaka vrlo je komplicirana. Zanemarivanjem promjene temperature u sustavu, pad se tlaka može približno izračunati korištenjem poluempirijske formule temeljene na mirnom protoku kroz glatke cijevi okruglog presjeka.
Pad tlaka u cijevi:
f ⋅ L ⋅ Q2 Δp = 5 d ⋅ pm gdje je: p – pad tlaka – bar f – faktor trenja (uzima se 500) L – dužina cijevi – m Q – protok – l/s d – unutarnji promjer cijevi – mm pm – srednji apsolutni tlak po duljini cijevi – bar
Pad tlaka može se odrediti i pomoću sljedećeg nomograma: Unutarnji promjer cijevi
Dužina cijevi /m
Protok zraka
Referentna crta
Referentna crta
Pad tlaka/bar
Admin: Admin: 22numerička numerička primjera primjera
Pitanja za ponavljanje Prednosti stlačenog zraka kao medija za prijenos snage i informacija Nedostaci stlačenog zraka kao medija za prijenos snage i informacija Kako se definira atmosferski tlak? Kolika je njegova prosječna vrijednost? Što je to apsolutni tlak? Što je to standardni protok? Navedite vrste regulacija za rad kompresora? Navedite načine sušenja zraka? Koje su uloge spremnika zraka?
Što je to relativna vlažnost? Kako glasi jednadžba izotermne promjene stanja Kako glasi jednadžba adijabatske promjene stanja? Kako glasi jednadžba politropske promjene stanja? Koji uređaji služe za proizvodnju i distribuciju stlačenog zraka? Koja se vrsta kompresora koristi u industriji? Koji uređaji čine pripremnu grupu zraka? Koji se efekti koriste u filteru za pročišćavanje zraka? Na kojem principu radi automatski ventil za ispust kondenzata? Koje uloge ima regulator tlaka? Opišite princip rada regulatora tlaka? Na kojem principu radi nauljivač zraka? Od kojeg se materijala rade cijevi za pneumatske sustave?
PNEUMATSKI ELEMENTI Pneumatski elementi je skupni naziv za funkcionalne cjeline, koje rade s stlačenim zrakom. Dijele se na: izvršne ili radne elemente (aktuatori) upravljačke elemente pomoćne elemente
SIMBOLI ZA OZNAČAVANJE PNEUMATSKIH ELEMENATA
Simboli su definirani normom DIN ISO 1219. Pneumatskim se simbolima grafički, jednoznačno određuje funkcija pneumatskih elemenata. Simbolima se ne definira konstrukcijsko rješenje i veličina elementa.
Osnovni simboli
IZVRŠNI ELEMENTI (AKTUATORI)
Pneumatski izvršni elementi pretvaraju potencijalnu energiju stlačenog zraka u translacijsko ili rotacijsko gibanje
TRANSLACIJSKI IZVRŠNI ELEMENTI
Standardni cilindri Najjednostaviniji uređajI koji potencijalnu energiju stlačenog zraka pretvaraju u rad s pravocrnim gibanjem. Osnovni izvršni element u pneumatici – uz jednostavne mehaničke dodatke može ostvariti njihajuće ili ograničeno rotacijsko gibanje Prema načinu rada dijele se na: jednoradne dvoradne Prema konstrukciji se dijela na: klipne membranske
Dijelovi pneumatskog klipnog cilindra
Košuljica – čelične cijevi, fino vučene, honiranje i po potrebi tvrdo kromirane; aluminijske ili mesingane cijevi Klip i klipnjača – uglavnom iz CrNi čelika, tvrdo kromirani Brtve – Perbunan, Viton, PTFE
Jednoradni klipni cilindri Pneumatski izvršni element, koji ostvaruje koristan rad samo u jednom smjeru. Pod djelovanjem tlaka zraka klip se s klipnjačom kreće u smjeru prema naprijed (u pravilu). Povrat se može ostvariti na više načina: 1. nekom vanjskom silom (npr. težinom alata) 2. djelovanjem sile ugrađene opruge 3. reduciranim tlakom, koji stalno djeluje preko jednog ventila 4. zračnim jastukom – stalni spremnik zraka
Povrat klipa cilindra
Simulacija rada jednoradnog klipnog cilindra
Maksimalna dužina hoda je do 100 mm Ekonomični su u potrošnji stlačenog zraka Koriste se za: ½ stezanje predmeta ½ izbacivanje nakon obrade ½ utiskivanje ½ dodavanje ½ pomicanje itd.
Nisu prikladni na onim mjestima gdje je bitna određena brzina gibanja klipa u povratnom hodu
Proračun sile na klipu jednoradnog klipnog cilindra
F1 = A1 ⋅ p do − A2 ⋅ p 2 − Fo − FT A1 - površina klipa sa stražnje strane – m2 A2 - površina klipa s prednje strane – m2 pdo- tlak dobave (napajanja) – Pa P2 - tlak na strani A2 - Pa Fo - sila opruge – N FT - sila trenja - N Sila trenja ovisna je o trenju između brtvi i stjenke cilindra, tlaku i brzini kretanja, i u praksi se uzima da je:
FT = (0,1K 0,2) ⋅ A1 ⋅ p do
Također se vrijednost A2 p2 može zanemariti jer je vrlo mala. Rezultat toga jest:
F1 = k ⋅ A1 ⋅ p do − Fo
gdje je faktor k = 0,8 – 0,9
Jednoradni membranski cilindri Membranski se pneumatski cilindri najčešće izvode s: ½ tanjurastom membranom ½ “putujućom membranom”
Membranski cilindar s “putujućom membranom”
Membranski cilindar s tanjurastom membranom
Simulacija rada jednoradnog membranskog cilindra s tanjurastom membranom
½ Ostvaruju velike sile ½ maksimalna dužina hoda 80 mm ½ povrat se ostvaruje pomoću opruge i silom prednapona
membrane
Dvoradni klipni cilindri
Dvoradni klipni cilindri obavljaju koristan rad u oba hoda, naprijed i natrag. Pomak klipa i klipnjače se ostvaruje dovođenjem stlačenog zraka s jedne i s druge strane klipa. To znači da se djelovanjem stlačenog zraka, u bilo kojem smjeru, obavlja rad.
Proračun sila na klipu dvoradnog klipnog cilindra Budući da su površine na koje djeluje stlačeni zrak različite, različite su i sile prema naprijed i prema natrag.
F1 = A1 ⋅ p do − A2 ⋅ p 2 − FT
Sila prema naprijed je: Sila prema natrag je:
F2 = A2 ⋅ p do − A1 ⋅ p1 − FT
Gdje su: -
DC2 ⋅ π A1 = 4 2 A2
(D =
DC
C
− d K2 4
)
stražnja površina klipa prednja površina klipa
promjer cilindra
- d K promjer klipnjače - p1 , p 2
ostatni tlak zraka u komori koja se odzračuje
- FT sila trenja
Mogu se prihvatiti sljedeća pojednostavljenja: A1, 2 ⋅ p1, 2 = (0,3K 0,4 ) ⋅ A ⋅ p do FT = (0,1K 0,2 ) ⋅ A ⋅ p do
Pri čemu se uvršavanjem gornjih izraza dobije:
F = k ⋅ A ⋅ p do Gdje je k = 0,4 – 0,6 ( u krajnjem položaju k = 1) A - korisna površina klipa.
Simulacija rada dvoradnog klipnog cilindra
v
vsr
V=0
Cilindar s udesivim ublaživačima udara
Za potrebe izbjegavanja udara klipa u prednji ili stražnji poklopac, cilindrima se ugrađuju udesivi ublaživači udara (amortizeri).
Pri kraju hoda klipa, manji klip zatvara protok zraka prema priključku za odzračivanje te se taj zrak, koji služi kao ublaživač, mora polako odzračivati preko udesivog prigušenja.
SPECIJALNI CILINDRI
Cilindri s dvostranom klipnjačom
Cilindar ima klipnjaču s obje strane klipa. Sile su na jednoj i drugoj strani klipa jednake. Koristi se u slučajevima kada zbog malog ugradnog prostora za ugradnju nekih upravljačkih elemenata, jedan cilindar mora obavljati i rad s jedne strane a sa druge neku upravljačku funkciju.
Tandem cilindri
Dva cilindra spojena jedan iza drugog, zovu se tandem cilindri.
Sila na klipnjači je gotovo dvostruko veća od sile samo jednog cilindra. Produkt tlaka i površine obaju klipova se zbrajaju. Izlazna klipnjača je zbog toga malo pojačana.
Simulacija rada tandem cilindra
Koriste se na mjestima gdje nema prostora za povećanje promjera cilindra, a za proces rada je potrebna veća sila.
Višepoložajni cilindri
To su cilindri sastavljeni od najmanje dva dvoradna cilindra. Spojeni su svojim stražnjim poklopcima.
Cilindri s različitim hodovima mogu ostvariti 4 položaja vrha klipnjače. To se postiže različitim aktiviranjem pojedinih ili oba cilindra. Posebne izvedbe mogu imati i do 12 položaja.
Cilindar bez klipnjače Cilindri imaju samo klip koji se kreće od jednog do drugog poklopca. U sredini klipa nalazi se sloj permanentnih magneta, koji privlačnom magnetskom silom drže kliznu obujmicu s vanjske strane košuljice cilindra. Ona također ima slog permanentnih magneta suprotnog pola. Ta sila je tako jaka da se pomak klipa u cilindru prenosi na pomak klizne obujmice. Ako sila na obujmicu toliko naraste da je zaustavi, zaustavlja se i klip jer je magnetska sila jača od sile koju može proizvesti tlak zraka na površinu klipa. Košuljica mora biti s vanjske strane kvalitetno obrađena radi klizanja obujmice.
Simulacija rada cilindra bez klipnjače
Za sada se rade cilindri promjera do 50 mm i dužine hoda do 10 m.
Primjenjuju se tamo gdje su potrebni veliki hodovi.
Udarni cilindri
Konstruirani su tako da se omogući brzo kretanje klipa, korištenjem kinetičke energije klipa s klipnjačom i eventualnim alatom.
U cilindru je ugrađena pretkomora sa suženjem. U njoj tlak raste do određene vrijednosti, kada se uspije odmaknuti klip od brtve, te zrak naglo prodire u cilindar. Taj zračni udar ubrzava kretanje klipa, tako da se postignu brzine i do 10 m/s. Povrat klipa je kao i kod standardnih dvoradnih cilindara.
Simulacija rada udarnog cilindra
Koriste se za kovanje, zakivanje, utiskivanje, štancanje i sl.
ROTACIJSKI IZVRŠNI ELEMENTI
Rotacijski izvršni elementi mogu ostvariti neprekidnu vrtnju ili samo ograničeni broj okretaja ili dijela jednog okretaja. Zato se dijele na: zaokretne cilindre rotacijske pneumatske motore.
ZAOKRETNI CILINDRI
To su cilindri čiji je radni hod pretvoren u zaokret izlaznog vratila za veći broj krugova ili samo dio kruga.
Cilindri sa ozubljenom letvom
Na dijelu klipnjače dvoradnog cilindra izvedena je ozubljena letva koja je u zahvatu sa zupčanikom. Pomak klipa prenosi se na okretanje zupčanika i izlaznog vratila na kojem je montiran zupčanik. Vijak na kraju cilindra omogućava podešavanje dužine hoda, a time i kuta zakretanja vratila. Takvi cilindri imaju najviše dva puna okreta vratila unutar maksimalne dužine hoda klipa.
Cilindri sa zaokretnom pločom
Ovaj cilindar malo podsjeća na pravi cilindar. Kod njega se tlakom zraka zakreće ploča, a zaokret se prenosi na izlazno vratilo. Ovi cilindri imaju zaokret unutar jednog kruga, s malim izlaznim momentom. U zadnje se vrijeme dosta koriste, jer se jednostavno udešava kut zakretanja, a na svom putu mogu uključivati različite tipove senzora.
ROTACIJSKI PNEUMATSKI MOTORI Pneumatski rotacijski strojevi pretvaraju potencijalnu energiju stlačenog zraka u mehaničku energiju vrtnje. Prema konstrukcijskim rješenjima dijele se na: klipne rotacijske strojeve lamelaste rotacijske strojeve rotacijske strojeve s više rotora zračne turbine.
Klipni rotacijski motori
Radijalno klipni
Aksijalno klipni Djelovanjem stlačenog zraka klip se kreće naprijed ili natrag. Taj pomak se prenosi na koljenasto vratilo. Zamašnjak omogućava ravnomjerniji rad. Radi jednoličnijeg rada, većih brzina i momenta ugrađuje se više cilindara. Kod aksijalnih klipnih motora klipovi djeluju na njišuću ploču, koja pomak pretvara o okretanja vratila. Ovi motori mogu raditi s oba smjera okretanja, a karakteristike su im: - brzina vrtnje do 5000 min-1 - snaga 1,5 – 19 kW (kod tlaka od 7 bar).
Lamelasti pneumatski motori
Najčešća im je primjena u ručnim alatima: brusilice i bušilice jer je povoljan odnos težine i snage.
PNEUMO – HIDRAULIČKI ELEMENTI
Dio nedostataka stlačenog zraka otklanja se uključivanjem hidrauličkog medija. On pomaže da se ostvare: - sile veće od 0,3 MN - male i jednolične brzine kretanja, koje nije moguće ostvariti samo sa stlačenim zrakom zbog njegove stlačivosti. U pneumo – hidrauličkim pogonima hidraulički sustav nema svoj poseban pogon, već je to sustav sa zatvorenom cirkulacijom. Tlak u ulju postiže se tlakom zraka. Osnovne grupe pneumo – hidrauličkih uređaja su: zamjenjivači tlačnog medija pojačala tlaka
uređaj za posmak.
Zamjenjivači tlačnog medija
Simbol zamjenjivača tlačnog medija Shema zamjenjivača tlačnog medija Prednosti nestlačivosti ulja najjednostavnije se koriste u uređajima koji «zamjenjuju» tlačne medije. Na zamjenjivač tlačnog medija dovodi se stlačeni zrak, koji svoj tlak prenosi na ulje koje dalje struji u cilindar. Protok ulja može se regulirati prigušnicom. Zbog nestlačivosti ulja tlak nakon prigušenja ne pada, što nije slučaj sa stlačenim zrakom. Zbog sporog dotoka ulja, cilindar se sporo kreće, ali uz istu veličinu sile. Razlikovanje ulja od stlačenog zraka u simbolima se iskazuje punom strelicom. U njima nije predviđeno označavanje ulja crticama ili šrafurom, makar se one često dodaju radi boljeg razlikovanja.
Pojačalo tlaka
Simbol pojačala tlaka
Korištenjem različitih površina klipova u pojačalima tlaka pretvara se određeni tlak zraka u znatno viši tlak ulja. To pojačanje može biti i do 80 puta. Površina klipa pneumatskog dijela pojačala u odnosu na površinu klipa hidrauličkog dijela predstavlja odnos pojačanja. Volumen ulja u cilindru pojačala je zbog toga relativno mali, te radni cilindar priključen na taj tlak, ako je većeg promjera ima vrlo mali hod. To je razlog da se koriste pojačala s pomakom klipa radnog cilindra s radnim tlakom do trenutka potrebe za većom silom, a tada se uključuje pojačanje. Pojačala se izvode s fiksnim odnosom pojačanja 1:4, 1:16, 1:32, 1:50 i 1:80.
Jednostavni sklop s pojačalom tlaka
Pojačalo tlaka s mogućnošću korištenja dvaju tlakova
Uređaj za posmak
Problem malih i jednoličnih brzina kretanja pneumatskih cilindara lako se može riješiti ugradnjom pretvarača tlačnog medija. Preko ugrađenog prigušnog ventila s mogućnošću udešavanja protoka regulira se brzina kretanja cilindra. Ipak to rješenje ima svojih problema. Radni cilindar s jedne strane koristi ulje pod tlakom, a s druge strane stlačeni zrak. S vremenom ulje «procuri» kroz brtve na klipu i dolazi u prostor stlačenog zraka. Nakupljeno ulje počinje djelovati kao graničnik, a i dolaskom u ventile izaziva poremećaj njihovog rada. Postoje neka tehnička rješenja i za taj problem ali se u praksi pokazalo da je najbolje odvajanje uljnog od pneumatskog sustava.
Pneumo-hidraulički uređaj za posmak – paralelna izvedba
Pitanja za ponavljanje Što se ubraja u pneumatske elemente? Definirajte izvršne elemente Podjela standardnih pneumatskih cilindara Navedite dijelove pneumatskih klipnih cilindara Jednoradni cilindri te kako se ostvaruje povratnih hod kod njih? Za koje se svrhe koriste jednoradni pneumatski cilindri? Navedite vrste jednoradnih membranskih cilindara Kako rade dvoradni pneumatski cilindri? O čemu ovisi brzina gibanja klipa dvoradnog cilindra? Navedite vrste specijalnih pneumatskih cilindara Navedite vrste rotacijskih izvršnih elemenata.
Opišite princip rada pneumatskih cilindara s ozubljenom letvom Opišite princip rada pneumatskog cilindra s zaokretnom pločom. Navedite vrste pneumatskih rotacijskih motora? Navedite razloge za korištenje pneumo-hidrauličkih uređaja. Opišite princip rada p.-h. Uređaja kao zamjenjivača tlačnog medija Opišite princip rada pneumo-hidrauličkog pojačala Opišite princip rada pneumo-hidrauličkog uređaja za posmak.
PNEUMATSKI UPRAVLJAČKI ELEMENTI Zajednički naziv za sve elemente koji sudjeluju u upravljačkom lancu do izvršnih elemenata. Isti elementi mogu imati različite funkcije i to u : • Energetskom dijelu – pretvaranje energije stlačenog zraka u koristan rad • Informacijskom dijelu – primanje, obrada i davanje signala (informacije) izvršnim elementima Upravljački elementi imaju zajednički naziv ventili.
UPRAVLJAČKI LANAC
Podjela ventila prema funkciji: razvodnici – usmjeravanje protoka zaporni ventili – zatvaranje protoka protočni ventili – regulacija protoka tlačni ventili – regulacija tlaka cijevni zatvarači – isključivanje dijela mreže
Razvodnici Razvodnici su ventili, koji propuštaju, zatvaraju i usmjeravaju tok radnog medija. Tip se razvodnika određuje prema: • broju priključaka • broju položaja (stanja) • načinu aktiviranja • načinu vraćanja • veličini priključaka
Primjer označavanja jednog razvodnika 1. Broj priključaka – 4 2. Broj položaja – 2 3. Način aktiviranja – mehanički 4. Način vraćanja – oprugom A P
B
5. Veličina priključka – mora se posebno specificirati, ali ne na simboličnom prikazu
Konstrukcijska rješenja razvodnika
Kuglasti razvodnik
Tanjurasti razvodnik
Razvodnik s kulisom
Klipni razvodnik
Razvodnik s dva priključka i dva položaja 2/2
Upravljanje jednoradnim cilindrim s dva razvodnika 2/2
Razvodnik s tri priključka i dva položaja 3/2
Upravljanje dvoradnim cilindrom s dva razvodnika 3/2
Upravljanje jednoradnim cilindrim s razvodnikom 3/2
Ručno aktiviranje razvodnika 3/2
Pneumatsko aktiviranje razvodnika 3/2
Tanjurasti razvodnik 3/2
Upravljanje jednoradnim pneumatskim cilindrom
Primjena razvodnika 5/2
Upravljanje dvoradnim pneumatskim cilindrom
ZAPORNI VENTILI Nepovratno – prigušni ventili
Naizmjenično zaporni ventili (ILI – ventili) Dolazak stlačenog zraka na bilo koji ulaz odmiče brtveni element u ventilu, zatvara drugi ulaz i propušta zrak na izlaz.
Koristi se u pneumatskim sklopovima gdje signali dolaze na jedno mjesto s više strana
Uvjetno zaporni ventil (I – ventil)
Tlak će se na izlazu pojaviti samo ako postoji tlak zraka na oba ulaza.
U pneumatskim se sklopovima koristi tamo gdje je za postojanje izlaznog signala uvjet postojanje dva ulazna signala.
Brzoispusni ventili Ispušta stlačeni zrak u atmosferu preko velikog otvora. Koristi se za povećanje brzine klipa, budući da se zrak direktno odzračuje u atmosferu, a ne preko vodova i razvodnika.
Razvodnik s kašnjenjem izlaznog signala Razvodniku spremnik.
se
dodaje
prigušno-nepovratni
ventil
i
zračni
Stlačeni zrak prolazi kroz prigušnik u spremnik. Potrebno je neko vrijeme da u spremniku naraste tlak toliko da može proizvesti silu na klipu razvodnika čime će se savladati sila u opruzi.
Vakuumski uređaj – ejektor Koristi se efekt ejektora za stvaranje vakuuma.
P
Dolaskom stlačenog zraka na ulaz P, stvara se potlak na priključku U. Dodatnim vodom ulazi zrak u spremnik iznad brzoispusnog ventila. U trenutku prestanka dovoda stlačenog zraka, prestaje ejektorski efekt, zrak se iz spremnika odzračuje pomicanjem brtve brzoispusnog ventila. Zrak struji prema priključku U i izbacuje radni predmet.
Pneumatski bezkontaktni senzori Uređaji koji mijenjaju svoje stanje (funkciju) bez dodira, dolaženjem predmeta u njegovu blizinu. Tipovi senzora: pneumatska brana pneumatska refleksna sapnica magnetski aktiviran prekidač
Pneumatska brana
Slično fotoćeliji, između predajne i prijemne sapnice uspostavlja se struja zraka. Prolaskom predmeta između sapnica presijeca se mlaz zraka, što se na prijemnoj sapnici registrira kao pad tlaka.
MAGNETSKI AKTIVIRANI PREKIDAČI – granični prekidači
Permanentni magnet ugrađen u klip cilindra aktivira prekidač dolaskom u njegovu blizinu. U magnetskom polju pločica se pomiče i propušta struju zraka od priključka 1(P) na izlaz 2(A).
PNEUMATSKI INDIKATORI OBOJENI PLAŠT PROZIRNA KAPICA KLIP TLAK ZRAKA
To su vizualni pokazivači postojanja tlaka u vodu. Prozirna kapica tvori takav lom svjetla i refleksiju od sjajno izbočene plohe, da dok nema tlaka zraka u vodu, stvara privid neupaljene lampice. Pod tlakom zraka pomiče se klip, koji podiže plastični plašt u boji. Lom svjetlosti je tada takav, da se boja plastike reflektira i lampica «zasvijetli» u toj boji.
PRIMJERI PNEUMATSKOG UPRAVLJANJA
STEZANJE RADNOG KOMADA Projektni zadatak:
Predmet za obradu potrebno je jednoradnim pneumatskim cilindrom stegnuti i držati stegnutim do kraja obrade. Nakon toga treba ga otpustiti, uzeti obrađeni komad i postaviti drugi Položajna skica:
Pneumatska shema upravljanja:
PREBACIVANJE SKRETNICE Projektni zadatak:
Prebacivanje skretnice na ulaz jedne odnosno druge staze ostvaruje se pomakom klipnjače dvoradnog cilindra. Pomak u jedan odnosno drugi položaj obavlja se posebnim tipkalom.
Položajna skica:
Pneumatska shema upravljanja: 1.0
1.2
1.3
PRIMJERI PRIMJENE LOGIČKIH FUNKCIJA
ILI – funkcija (disjunkcija, logičko zbrajanje)
Zapis za ILI-funkciju: A=X+Y Čita se: U vodu A ima tlaka (signala) samo ako postoji tlak (signal) u vodu X ili pak u vodu Y, ili u oba Tablica istine:
X 0 0 1 1
Y 0 1 0 1
A 0 1 1 1
ILI – funkciju u pneumatici ostvaruje naizmjenično zaporni ventil
Primjer primjene ILI – funkcije POMAK TRANSPORTNE TRAKE Projektni zadatak:
Transportna traka opskrbljuje četiri radna mjesta proizvodima za rad. Njen pomak za jedan korak ostvaruje se jednim kratkim signalom pomoću tipkala, koji se nalaze na jednom radnom mjestu. Taj signal aktivira kretanje cilindra prema naprijed. Cilindar svojim hodom i zahvatnim zubom pomakne kotač trake za jedan segment kruga. Čim je to izvršio (dolaskom u svoj krajnji položaj) cilindar se vraća natrag.
Položajna skica:
Pneumatska shema upravljanja:
Pravilo: Broj ILI - ventila je za 1 manji od broja ulaza
(u predhodnom primjeru su 4 ulaza i 3 ILI – ventila)
Obilježavanje pneumatskih elemenata u shemama prema VDI 3226: • Cilindri: 1.0, 2.0, 3.0 itd.
• Glavni razvodnik: 1.1, 2.1, 3.1 itd. • Razvodnici koji šalju signale glavnom razvodniku: a) za kretanje klipa prema naprijed: 1.2, 1.4, 1.6 itd. b) za kretanje klipa prema natrag: 1.3, 2.3, 3.3 itd. • Elementi između glavnog razvodnika i cilindra: 1.01, 1.02, 1.03 itd. • Zajednički elementi svim cilindrima (npr. pripremna jedinica): 0.1, 0.2 itd. • Upravljački vodovi crtkanom crtom, glavni vodovi punom crtom.
I – funkcija (konjunkcija, logičko množenje)
Zapis za I-funkciju: A = X &Y Čita se: U vodu A ima tlaka (signala) samo ako postoji tlak (signal) u i vodu X i u vodu Y. Tablica istine:
X 0 0 1 1
Y 0 1 0 1
A 0 0 0 1
I – funkciju u pneumatici ostvaruje uvjetno - zaporni ventil
Primjer primjene I – funkcije DOBAVA PROIZVODA IZ SPREMNIKA
Projektni zadatak:
Dodavač proizvoda iz spremnika na transportnu traku može se pokrenuti jedino ako ima proizvoda u spremniku i ako je dodavač došao u svoj uvučeni položaj. Uvjet je i da je ručno tipkalo aktivirano.
Položajna skica:
Pneumatska shema upravljanja:
BLOKIRAJUĆI SIGNAL Prilikom rada više cilindara može se pojaviti blokirajući signal. Blokirajući signal blokira daljnje odvijanje programa.
U većini slučajeva to je nepoželjan signal. Postoji više metoda za njegovu eliminaciju, a konstruirani su i posebni ventili pomoću kojih se takav signal eliminira.
Otkrivanje blokirajućeg signala g Klipnjača cilindra 1.0 izašla i aktivirala kretanje klipnjače cilindra 2.0
s 1.0
g Signal je na priključku 12 glavnog razvodnika 2.1
2.0 t
g Klipnjača cilindra 1.0 po programu ostaje u izvučenom položaju, tako da signal 12 ostaje trajno g Kako se klipnjača cilindra 2.0 mora uvući, doći će signal na 14
12 14 2.1
g Novi signal neće pokrenuti razvodnik 2.1 jer postoji signal 12 – blokirajući signal
VDMA metoda za prikaz rada cilindara
Dijagram put - vrijeme
Brzina kretanja klipnjače cilindra crta se kao konstantna od početka do kraja hoda. “normalno” kretanje – crta s nagibom od 45o “sporo” kretanje (dodana prigušenja) – crta s nagibom od 30o “brzo” kretanje (dodan brzoispusni ventil) – crta s nagibom od 60o
• dužina hodova klipnjača cilindra za sve cilindre jednaka • svi parametri u dijagramu neovisni o promjeru cilindra • za veći broj cilindara, dijagram svakog od njih crta se jedan iznad drugog, a njihovi međusobni utjecaji crtaju se strelicama
Primjer rješavanja blokirajućeg signala PRESA ZA ZAKIVANJE
Projektni zadatak:
U presi za zakivanje potrebno je dva dijela spojiti zakovicom. Nakon umetanja dijelova u presu, ručno se aktivira radni ciklus. Ciklus se sastoji od stezanja dijelova cilindrom 1.0 i zakivanja cilindrom 2.0. Klipnjača cilindra 1.0 kreće se sporo, a klipnjača cilindra 2.0 brzo u hodu naprijed.
Položajna skica:
Dijagram put - vrijeme:
Pneumatska shema upravljanja:
Razvodnici 1.3 i 2.2 sa zglobnim ticalom
