SE MI NA RSKI R AD Proračun hidrauličkog sistema Uljna hidraulika i pneumatika
Uvod: Na slici je prikazan hidraulički sistem koji služi za pomjeranje tereta (A) težine G=18 kN. Hidraulički cilindar se zbog konstruktivnih razloga nalazi na udaljenosti l=800 mm od tereta (A). Ukupna dužina potiskivanja tereta (A) po kosoj ravni iznosi 2900 mm, nakon čega se hidraulički cilindar vraća u prvobitni položaj. Koeficijent trenja između površine tijela (A) i kose ravne je μ=0,17 . U toku kretanja klipa ostvaruju se slijedeće brzine: •
•
•
•
V1=0,10 m/s od tačke B do tačke C V2=0,25 m/s od tačke C do tačke D V3=0,20 m/s od tačke D do tačke E V4=0,45 m/s od tačke E do tačke B
Tehnologija rada mehanizma zahtjeva da se klip sa tijelom zaustavi između tačke D i E pa je neophodno obezbijediti sigurno držanje sistema u zatečenom položaju. Postavljeni z adatak treba riješiti ugradnjom pumpe konstantnog kapaciteta.
Potrebno je: A/ Prikazati konstrukciju hidrauličkog sistema i dati detaljan opis svih elemenata koji su prikazani B/ Proračunati hidraulički sistem B1/ Proračun najveće vrijednosti vanjske sile B2/ Proračun prečnika klipa i klipnjače B3/ Proračun potrebnog kapaciteta pumpe B4/ Proračun potrebnog pritiska pumpe
1
A/ Konstrukcija hidrauličkog sistema i detaljan opis svih elemenata koji su prikazani Princip rada datog hidrauličkog sistema:
Promjena protoka vrši se podešavanjem prigušnog ili regulacionog ventila.Razlika količine ulja koju daje pumpa i količine koja je prtrebna hidrocilindru potiskuje se preko ventila za ograničenje pritiska u rezervoar.Upodručju sistema od pumpe do prigušnog ventil a vlada pritisak podešen na ventilu za ograničenje pritiska.Ukupan gubitak energije u sistemu jednak je sumi dijela energije koji se na ventilu za ograničenje pritiska pretvori u toplotu i gubitaka u cjvovodu i elemntima hidrauličkog sistema.Preko razvodni ka se upravlja smjerom protoka radnog medija.
Slika 1.0 Hidraulički sistem
Pozicija 1- pumpa Pumpe su strojevi u kojima se izvana oveena mehanička energija transfomira u energiju ranog fluia.Za pogon pumpe obično se koriste elektromotori,a u mobilnoj hiraulici motori sa unutrašnjim sagorjevanjem.Pumpe se dijele u dvije osnovne kategorije:volumenske pumpe i
inamičke.Zapreminske pumpe transportuju fluid putem smanjenja zapremine komora u pumpi.Koriste se za relativno male protoke uz r elativno velike visine dobave.Princip rada zapreminske pumpe prikazan je na slici 1.1.1.Pomjeranjem klipa ulijevo obavlja se faza usisa a
pomjeranjem klipa uesno faza tlačenja (potiskivanja) cilinra.Takođe su prikazani usisni I tlačni ventil,koji su nužno prisutni.Ko pumpi se zbog nepovoljnog reoslijea promjene pritiska najčešde se koristi samoradni ventil(bez vanjski intervencije).Tokom usisa,otvara se usisni ventil (donji) I
zatvara tlačni (gornji) pomodu popritiska u cilinru,ok se tokom tlačenja otvara tlačni ve ntil uz istovremeno zatvaranje usisnog ventila. 2
Slika 1.1Pricip
rada zapreminske pumpe
Teorijski protok kroz zapreminsku pumpu jednak je proizvodu broja obrtaja n i radne zapremine pumpeV.Stvarni protok kroz pumpu jednak je: Q=
nV
- zapreminski stepen iskorištenja pumpe n- broj obrtaja pumpe [o/min ] V- specifični protok pumpe *
/o]
Snaga pumpe jenaka je umnošku momenta na spojci i ugaone brzine. P= Mω M- moment na vratilu [Nm] -1
ω- ugaona brzina [s ] Izraz za izračunavanje snage pumpe može se efinisati kao
= - prirast pritiska u pumpi [bar],
- ukupni stepen iskorištenja pumpe
Pozicija broj 2-sigurnosni ventil
Osiguravaju a pritisak u sistemu ne prijeđe maksimalnu opušteniu vrijenost.Koriste se kao sigurnosni ventili (za zaštitu o prekomjernog pritiska),kao kočni ventili (za zaštitu o hirauličkih udara )koji nastaju npr. prilikom zatvaranja razvonika.Tipično se postavljaju na izlazu pumpe za zaštitu pumpe.U ventila za ograničavanje pritiska često se ugrađuju prigušni klipovi ili prigušnica za smanjenje brzine zatvaranja jer time sprečavamo nastajanje hirauličkog uara što je osnovna bit sigurnosnog ventila.Na slici 1.2 prikazan je šema sigurnosnog ventila.Na ventilu se skračivanjem/prouživanjem opruge namjesti željeni maksimalni pritisak pri kojem de pritisak na pladanj ventila savladati silu u opruzi,gurnuti pl aanj i na taj način otvoriti ventil.Pritsak otvaranja veči je o pritiska zatvaranja ventila za 10-15%.
Slika 1.2
Sigurnosni ventil
3
Pozicija broj 3- razvodnik Razvonici su uljno hirauličke komponente koji priključak ulja po pritiskom spajaju sa jenim ili više cjevovoa koju voi ka i o izvršnog organa.Sa njima se vrši izbor smjera kretanja izvršnog organa.Razvonici imaju više priključaka,pri čemu se priključak ulja po pritiskom ,obično je to vo koji olazi o pumpe ,označava sa P ok se priključak u povratnoj grani koji obično voi ka rezervoaru označava sa R.Priključci koji spajaju razvonik sa izvršnim organima označavaju sa A,B,C…Razvodnik se obično označava sa va broja npr.m/n gje je m broj priključaka a n broj položaja.Tako npr razvonik 4/3 na slici 1.3 ima 4 priključka i 3 rana položaja.Ovakav razvonik se najčešde koristi za upravljanje raa hirauličkog cilinra.Razvonici u kojima se strujanje obavlja u malim kanalima ili u procjepima što znači a u njima postoji veliki paovi pritiska to jest gubici energije.Zbog velikih prigušenja koji su prisutni u razvonicima gubitak strujne energije se pretvara u toplotu što se manifestuje sa porastom temperature radnog fluida.Razvodnici su dakle lokalni otpori te se zato na njima pa pritiska,za jean položaj klipa koji je efinisan sa konstantnim procjepom oređuje kao:
Δp= Međutim ovaj oblik za pa pritiska se rijetko upotrebljava,ved se koristi oblik preko protoka Δp=aV
2
a= a-koeficijent hirauličke karakteristike i A mjeroavna površina poprečnog presjeka
Slika 1.3.1
Hidraulička karakteristika razvodnika
Slika 1.3
Razvodnik
Osnovne karakteristike hirauličkih razvonika su konstrukcija,nazivna veličina,broj ranih položaja,broj hirauličkih priključaka i način aktiviranja.Prema konstrukciji razvonici se mogu pojeliti na klipne,pločastei razvonici sa sjeištem.Prema načinu aktiviranja hirauličkih razvonika može biti ručni,opružni,hiraulički,pneumatski I elektromagnetni. 4
Pozicija broj 4-prigušni ventil
Kod najjedenostavnije konstrukcije prigušnih ventila protok je zavisan od veličine pritiska i temperature.Ventil prikazan na slici 1.4 ima ugrađen nepovratni ventil pa je protočan u oba smjera.kod toka ulja pravcem A- B protok ulja se prigušuje ovisno od veličine slobodne površine koja se formira u prostoru između sjedišta i konusnog klipa.Veličina površine protoka se podešava promjenom položaja vijka (2) i konusnog klipa.
Kod toka ulja pravcemB- A otvara se nepovratni ventil ,pa ulje slobodno protiče kroz njega,što znači da se u tom pravcu ne vrši regulacija ulja. Kod konstantne vrijednosti slobodne površine kroz koju protiče ulje,protok je funkcija razlike pritisaka ispred i iza ventila,što znači da svaki poremećaj pritiska utiče na veličinu protoka kroz ventil.
Slika 1.4 Presjek nepovratno-prigušnog ventila 1.tijelo 2. vijak sa klipom 3. navrtka 4.tijelo nepovratnog ventila 5.opruga
Pozicija broj 5 -hidrocilindar Hiraulički cilinri se bitno razlikuju o pneumatskih cilinara.Zbog vedih tlakova i sila moraju biti robusnije konstrukcije,a i povedan je problem brtvljenja.Obzirom a je rani meij ulje pojavljuje se problem curenja ulja prorlog kroz brtva pa je potrebno previjeti ovo tog ulja.Takođe prilikom pražnjenja cilinra mora se ulje ogovarajudem voovima vratiti u rezervoar.Hiraulički cilinri imaju va otvora(po jean na prenjoj i na stražnjoj strani) za ozračivanje. Kroz te otvore oržavanje se vrši pomodu vijka ili automatskog ventila za ozračivanje. Dijelovi hirauličkog cilinra su prikazani na slici 1.5.
5
Slika 1.5
Hidraulički cilindar: 1- plašt,2- štap,3-klipnjača,4-prednji poklopac,5-stražnji poklopac,6-7- priključci za
ulje
Cilindri mogu jednoradni i dvoradni.Kod jednoradnih cilindara ulje pod pritiskom dovodi se samo sa jene strane klipa koji vrši koristan ra samo u jenom smjeru.Povratno kretanje ostvaruje se oprugom slika 1.5.1 ili težinom tereta slika 1.5.2
Slika 1.5.1
Slika 1.5.2
Dvorani cilinri vrše ra u oba smjera.Za upravljanje voranih cilinara koriste se razvonici 4/2 i 5/2.Cilinri ko kojih je onos prenje i stražnje površine 2:1 nazivaju se iferencijalni cilinri.Cilinri sa vostranom slika 1.5.3 klipnjačom imaju jenaku prenju i stražnju površinu tako as u sile i brzine jednake u oba smjera.
Slika 1.5.3
Brzina kretanja klipa v jednaka je: v=
Pri čemu je Q protok ranog fluia kroz priključni cjevovo,S aktivna površina klipa a zapreminski stepen iskorištenja .Sila klipnjače F jenaka je F= Pri čemu je raspoloživi pa pritiska ,a obzir mehanički i hirauličke gubitke
mehanički stepen iskorištenja cilinra koji uzima u
6
Snaga cilindra P jednaka je
P= Pri čemu je B/
ukupni stepen korisnog dijelovanja cilindra (
0,7-0,9)
Proračunati hidraulički sistem
B1/ Proračun najveće vrijednosti vanjske sile
Slika 2.0
Najveda vanjska sila se javlja pri pomjeranju tereta o tačke C o tačke D jer taa imamo najvede ubrzanje(naravno posmatrjudi rani ho) pa shono tome i najveda inerciona sila se javlja na tom dijelu. Na slici 2.0 je usvojen koorinatni sistem na osnovu kojeg demo težinu G razložiti na komponente i
i prikazan pravac i smjer djelovanja sile trenja
=Gcos= = =
in
i sila inercije F .
=Gsin =18000sin45 =12728 (N) 12500cos45 =12728 (N)
12728*0,17=2164 (N)
Brzina kretanja klipa o tačke C do D je v=0,2 5m/s a vrijeme ubrzavanja se usvaja t=0,5 s pa je ubrzanje jednako: a=
=0,5m/s2
Najveda vrijenost vanjske sile je in
F=F +Gx+Ft=m*a+ Gsin
+
=15809N
B2/ Proračun prečnika klipa i klipnjače 7
Prečnik klipa se računa prema sleedem izrazu:
D= Gdje je sila F-ukupna vrijednost vanjske sile a P- pritisak koji usvajamo P=100(bar) pri čemu je D=81.93(mm) na osnovu čega mi usvajamo stanrni prečnik D=100(mm)
Površinu klipa računamo kao
=78,5(cm2)
A=
Prečnik klipnjače Prečnik klipnjače se računa prema sleedem izrazu:
d=
=56(mm)
11
Gdje je h=3,7(m)-hod klipa,a =5-stepen sigurnosti a E=2,1*10 -moul elastičnosti
Površina klipnjače
=53,9(cm2)
A1=
B3/
Proračun potrebnog kapaciteta pumpe
Zapremina klipa u poručju B-C: 3
V1=A L1=78,5*80=6280(cm )
Vrijeme pomjeranja klipa u poručju B-C: t1= L1/ v
=8(s)
1
Kapacitet pumpe od B-C: Q 1= V1/ t1=6280*60/8=47100(cm /min) 3
Zapremina klipa u poručju C-D: 8
3
V2=A L2=78,5*180=14130(cm )
Vrijeme pomjeranja klipa u poručju C-D: t2= L2/ v
=7,2(s)
2
Kapacitet pumpe od C-D: Q 2= V2/ t2=14130*60/7,2=117750(cm /min) 3
Zapremina klipa u poručju D-E: 3
V3=A L3=78,5*110=8635(cm )
Vrijeme pomjeranja klipa u poručju D-E: t3= L3/ v 3=5,5(s)
Kapacitet pumpe od D-E: Q 3= V3/ t3=8635*60/5,5=94200(cm /min) 3
Zapremina klipa u poručju E-B: 3
V4= A1 L4=53,9*370=19943(cm )
Vrijeme pomjeranja klipa u poručju E-B: t4= L4/ v
=8,2(s)
4
Kapacitet pumpe od E-B: Q 4= V4/ t4=19943*60/8,2=145924(cm /min) 3
Najvedi protok,onosno kapacitet pumpe je potreban za povratni ho E -B tako da na osnovu njega biramo karakteristike potrebne pumpe. 3
Potrebni kapacitet pumpe: Q p=145924(cm /min)
Usvajamo broj obrtaja elektromotora n=1450 ob/min i zapreminski koeficijent iskorištenja η=0,9,pa na osnovu tih veličina i maksimalnog protoka Q 4 računamo specifični kapacitet: 3
q= Q 4/n* η=111,82 (cm /ob)
B4/ Proračun potrebnog pritiska pumpe
9
Na osnovu pritiska usvajamo brzinu strujanja o v=3,5 m/s pa je prečnik cjevovoa jenak d=
√ =3,08 (cm)
Usvajamo prečnik d=35 (mm) Rejnoldsov broj jednak je
Re=
=2100
Koeficjent trenja
je
=0,031 ==
Dužine cijevi su sljeede: L1=3 m – od pumpe do razvodnika L2=1 m –o razvonoka o prigušnog ventila L3=1m –o prigušnog ventila o cilinra Linijski gubici
=0,25 bar
Δp = *ρ
Lokalni gubici(dvije krivine):
Δp =2ρς =890*0,5*2* =0,05 bar ς
Na osnovu protoka pumpe s ijagrama očitavamo pa pritiska na razvoniku : ΔpP-A=2,1 bar
Na osnovu protoka pumpe s ijagrama očitavamo pa pritiska na prigušnom ventilu: ΔpP=1,5 bar
Na osnovu usvojenog pritiska u cilinru koji iznosi P=100 bar preko Bernulijeve jenačine računamo prirast pritiska u pumpi:
Δp=P+ ΔpP-A+ Δp+Δpς+ ΔpP =100+2,1+0,25+0,05+1,5=103,9 bar Sigurnosni ventil postaviti tako da se otvara pri pritisku od oko 106 bar-a.
Proračun potrebne snage elektromotora Minimalna snaga elektromotora za pokretanje pumpe se računa prema izrazu: 10
N= Δp Q/ηP=31,5 kW
Za ηP =0,8
Popis slika Slika 1.0-Hiraulički sistem 11
Slika 1.1- Pricip rada zapreminske pumpe Slika 1.2 -Sigurnosni ventil Slika 1.3.1 -Hidraulička karakteristika razvodnika Slika 1.3 -Razvodnik
Slika 1.4 -Presjek nepovratno-prigušnog ventila Slika 1.5 -Hidraulički cilindar
Slika 1.5.1-Jednostrani cilindar sa oprugom Slika1.5.2 -Jenostrani cilinar sa težinom G Slika 1.5.1-Klip sa vostranom klipnjačom Slika 2.0 Prikaz sila na tijelu
12
