GÉPIPARI AUTOMATIZÁLÁS II. 2. előadás HIDRAULIKA

Hidraulika előnye, hátránya Előnyök: Kis méretű elemekkel nagy erők Megbízható pozicionálás Terhelésfüggetlen mozgás ( a folyadékok csak kis mértékben nyomhatók össze) Sebességek egyszerűen beállíthatók Kedvező a hőelvezetés Hátrányok: Zárt rendszer szükséges (az olajfolyás környezetszennyező, tűz- és balesetveszélyes) Szennyeződésre érzékeny Hőmérsékletérzékeny (viszkozitás) Kedvezőtlen hatásfok (csősúrlódás) A táblázat alapján foglaljuk össze a hidraulika alkalmazásának előnyeit és hátrányait

Hidrosztatika összefüggései Hidrosztatikus nyomás: Pascal törvénye: Hidraulikus erőáttétel: Hidraulikus elmozdulás áttétel: Nyomásáttétel: ps =  * g * h

Hidrodinamika összefüggései Térfogatáram (időegység alatt átáramló folyadékmennyiség): Térfogatáram a csőkeresztmetszet és az áramlási sebesség függvényében: Kontinuitás tétele:

Áramlásfajták Lamináris - A folyadékrészecskék rendezett (hengeres) rétegben mozognak Turbulens - A részecskék nem rendezetten mozognak. Megkülönböztetünk lamináris és turbulens áramlást. Lamináris áramláskor a csőben lévő folyadék rendezett hengeres rétegben mozog. Mozgásuk (az áramlás) biztosításához csupán a folyadék belső súrlódásának a legyőzése szükséges. Ekkor a belső folyadékrészecskék sebessége nagyobb, mint a külsőké, a csővezeték falánál nulla. Turbulens áramláskora részecskék már nem rendezett rétegben mozognak, a csőközeli részecskék oldalra törekednek, ekkor egymásba ütköznek, egymást hátráltatják, és örvény keletkezik. Turbulens áramlás esetén a folyadék a csővezetékben szinte azonos sebességgel mozdul el, függetlenül a folyadékrészecske helyétől. A folyadékrészecskék áramlás közben egymásba ütköznek, így az áramlási veszteség sokkal nagyobb. A munkafolyadék áramlása lamináris áramlásból akkor lesz turbulens, ha a folyadék sebessége megnő. Azt a sebességet, amelytől az áramlás turbulens lesz, kritikus sebességnek nevezzük.

Áramlásfajták Reynolds-féle szám: Egyenes cső esetén: Re: Reynolds szám v: a folyadék áramlási sebessége [m/s] d: a cső belső átmérője [m] ν : kinematikai viszkozitás [m2/s] Egyenes cső esetén: az áramlás lamináris, ha Re < 2300 az áramlás turbulens, ha Re > 2300 A kritikus sebesség azaz az áramlásfajta megállapítása a Reynold féle szám segítségével állapítható meg. A különböző csőszerelvényekre érvényes kritikus Reynolds számok táblázatból kikereshetőek. Egyenes cső esetén ez az érték 2300. A kritikus Reynolds szám ismeretében meghatározható az adott csőszerelvényen a kritikus áramlási sebesség nagysága. Ha az áramlás során a Reynolds szám átlépi a kritikus értéket az áramlás laminárisból turbulensbe vált. Ahhoz, hogy az áramlás trubulensből visszaváltson laminárisba nem elég a Reynold számot a kritikus érték alá csökkenteni, erre körülbelül a kritikus Reynold szám felénél van lehetőség. Kritikus áramlási sebesség:

Reynolds szám meghatározása nem kör keresztmetszetű cső esetén Hidraulikus átmérő: A: a vezeték keresztmetszete [mm2] K: a keresztmetszet kerülete [mm] Így a Reynolds szám: A munkafolyadék áramlása nemcsak kör keresztmetszetű vezetékben történhet, a vezeték keresztmetszete ettől eltérő is lehet: pl. négyzet, téglalap, háromszög, ellipszis, stb., ezért ilyenkor úgynevezett hidraulikus átmérő kell meghatároznunk, és ezt kell a Reynolds szám meghatározásánál csőátmérőnek tekinteni.

Hidraulikus rendszerek áramlási sebességei Szívóvezeték: 1-1,5 m/s ha a cső eső 0,7-1 m/s ha a cső emelkedő Nyomóvezeték: 2,5-3 m/s 25 bar üzemi nyomásig 3,5-4 m/s 50 bar üzemi nyomásig 4,5-5 m/s 100 bar üzemi nyomásig 5-6 m/s 200 bar üzemi nyomásig 6 m/s 200 bar üzemi nyomás felett Visszafolyó vezeték: 2 m/s

Energia megmaradás törvénye Bernoulli egyenlet A folyadékáram összes energiája változatlan marad, ha nem visznek be kívülről, vagy nem vezetnek el kifelé energiát. A csővezetékben áramló folyadék energiafajtái ( „V” térfogategységre): - mozgási energia  változik, ha a folyadék áramlási sebessége változik Wv=1/2 * m * v2 = 1/2 * ρ * V * v2 m = ρ * V - nyomási energia  változik, ha a folyadék nyomása megváltozik Wp= V * p - helyzeti energia  változik, ha a folyadék magassági helyzete változik Wh=m * g * h = ρ * V * g * h Az energia megmaradás törvénye azt mondja ki,: Azaz a rendszer össz energia változása nulla.

Energia megmaradás törvénye A folyadékáram összes energiája felírható a Bernoulli egyenlettel: Nyomási e.+ Helyzeti e. + Mozgási e. = állandó Wp + Wh + Wv = állandó Egységnyi térfogat energiaváltozása a rendszer bármely két keresztmetszete között: A hidraulikus rendszerek esetén a helyzeti energia a kis magasságkülönbségek miatt elhanyagolható. Hidrosztatikus rendszer esetén a folyadék áramlási sebessége 5-6 m/s így a mozgási energia is elhanyagolható. Izotermikus állapotváltozást (azaz hőméréskletváltozást elhanyagolva) felt. a belső energia változása 0. Így :

Hidraulikus munka, teljesítmény Munka: W=F*s=p*A*s= p*V Teljesítmény: P=W/t=p*V/t= p*Q Teljesítmény növelés: - Q növelése  nő a méret - p növelése A fizikából ismert, hogy a munka W=F*s =erő szorozva az elmozdulással A Pascal tv.-ből kifejezve az erőt: F=p*A Szintén a fizikából ismert, hogy P=W/t, behelyettesítve az előző összefüggést Az összefüggésből láthatjuk, hogy a hidraulikus rendszer teljesítménye a nyomástól és a térfogatáramtól függ. Tehát, ha növelni szeretnénk a rendszer teljesítményét két lehetőségünk van. Q nővelése: Nagyobb térfogatáramot biztosító szivattyú alk., méret nő, gazdaságtalan P növelése: nyomásszabályozással

Hidraulikus rendszer hatásfoka Volumetrikus hatásfok  résveszteségek ηv Hidraulikus hatásfok  folyadék súrlódás ηh Mechanikus hatásfok  mechanikus súrlódás ηm Hidraulikus-mechanikus hatásfok: ηhm=ηh * ηm Hidraulikus rendszer összhatásfoka: ηö = η v* η hm Egy hidraulikus rendszer felvett teljesítménye nem egyezik meg a a leadott teljesítménnyel, mivel teljesítmény veszteségek lépnek fel. A leadott és a felvett teljesítmény aránya a a hatásfok. 3 féle hatásfok típust különböztetünk meg hidraulikus rendszer esetén. Volumetrikus: azon veszteségeket foglaja magába, melyek a szivattyúk, motorok, szelepek résveszteségeiből adódnak. Hidraulikus: a folyadék belső súrlódásából adódik. Mechanikus: a rendszer mechanikus alkatrészeinek súrlódásából adódó veszteségek Mind a folyadék súrlódásból mind pedig a mechanikai súrlódásból hő keletkezik, éppen ezért a gyakorlatban ezt nem tudjuk elkülöníteni, ezért a kettőt együtt hidraulikus-mechanikus hatásfoknak nevezzük. A rendszer összhatásfoka a részhatásfokok szorzata. Az összhatásfok és a volumetrikus hatásfok mérhető. Ezek ismeretében a hidraulikus-mechanikus hatásfok meghatározható. Egy hidraulikus rendszer összhatásfoka kb 70-75 %

Áramlási veszteségek Áramló folyadékban a súrlódás miatt hő keletkezik (hőenergia), ez a nyomási energia csökkenését okozza. Δp=p1-p2 A súrlódás függ: - a vezeték hosszától - a csőhajlatok számától - a vezeték keresztmetszetének alakjától - a cső belső falának érdességétől - az áramlás sebességétől Átalakítva a hidraulikus rendszer alapegyenletét, láthatjuk, hogy a nyomáscsökkenés a belső energia növekedésével ,azaz hő fejlődéssel jár.

Áramlási veszteségek A nyomáscsökkenés meghatározható az áramlási sebesség függvényében: ξ: idomellenállás ρ: a folyadék sűrűsége v: a folyadék áramlási sebessége

Áramlási veszteségek Lamináris áramlás esetén λ: csősúrlódási tényező l: cső hossza d: a cső hidraulikus átmérője RL: hidraulikus ellenállás lamináris áramlás esetén [Ns/m2]

Áramlási veszteségek Turbulens áramlás esetén λ: idomellenállás (táblázatból) RT: hidraulikus ellenállás turbulens áramlás esetén [Ns2/m8]

Energiaátalakulás hidraulikus berendezésekben

Hidraulikus berendezés felépítése Vezérlőrész Jelbevitel Jelfeldolgozás Teljesítményrész Energiaellátó rész Energiavezérlő rész Végrehajtórész A hidraulikus berendezést két részre lehet bontani. Vezérlőrészre és teljesítményrészre. A vezérlőrész a jelbevitelből és a jelfeldolgozásból áll. A jelbevitel történhet pl. manuálisan mechanikusan érintésmentes úton stb. A feldolgozás történhet ember által elektrotechnikával pneumatikával, mechanikai úton hidraulikával. Továbbiakban a teljesítményrésszel foglakozunk, a vezérlő oldalról csak a jelbevitellel, amelyet úgy tekintünk, hogy egy kezelőszemély végzi el a jelbevitelt pl egy kapcsoló vagy pedál működtetésével.

Egyszerű hidraulikus rendszer  1 - szivattyú 2 - tartály 3 - visszacsapó szelep 4 - nyomáshatároló 5 - munkahenger 6 - útváltó 7 - fojtószelep

Egyszerű hidraulikus körfolyam elemei

Egyszerű elektrohidraulikus körfolyam elemei

Hidraulikus berendezés teljesítmény része Energia ellátó rész Energiaátalakítás eszközei: Villanymotor vagy belsőégésű motor Tengelykapcsoló Szivattyú Nyomásjelző Védőberendezések Munkaközeg előkészítés eszközei Szűrő Hűtő Fűtő Energia ellátó rész feladata a rendszerbe bevitt energia átalakítása hidraulikus energiává és a munkaközeg előkészítése Energiaátalakítás lépései villamos energia vagy hőenergia mechanikai energiává majd ez hidraulikus energiává. Munkaközeg előkészítés során meg kell tisztítani a munkafolyadékot a szennyezőanyagoktól, valamint üzemi hőmérsékletre kell beállítani annak hőmérésékeltét.

Hidraulikus tápegység

Nyomásmérők     1 - rugóelem 2 - vonórúd 3 - mutató szerkezet 4 - mutató skála Csőrugós torlónyomás-manométer Csőrugós torlónyomás-manométer felépítése   1 - laprugó 2 - nyomókamra 3 - nyomótér 5 - tolórúd Laprugós torlónyomás-manométer Laprugós torlónyomás-manométer felépítése

Hidraulikus berendezés teljesítmény része Energia vezérlő rész Útszelepek Áramlásirányító elemek Nyomásirányító elemek Zárószelepek Végrehajtó rész Munkahengerek Motorok A végrehajtó rész működéséhez szükséges energiát a vezérlési feladatnak megfelelően az energia vezérlő rész biztosítja. A végrehajtó rész a hidraulikus berendezés azon része ahol a gép munkavégző mozgásai történnek. A munkafolyadék tartalmazza azt az energiát amely létrehozza a szükséges mozgásokat illetve erőket.

Hidraulikus munkaközeg Hidraulikus munkafolyadék Feladata: Energiaátvitel a hajtó és hajtott oldal (energiaellátó és végrehajtó rész) között Mozgófelületek kenése A keletkezett hő elvezetése Korrózióvédelem Levált anyagrészek eltávolítása A hidraulikus rendszer egyes elemein az energiaátvitelt a hidraulikus munkafolyadék végzi.

Hidraulikus munkaközeg  Hidraulika Olaj Munkafolyadék OLAJ Tűzálló folyadék Ásványi olaj Szintetikus olaj Víztartalmú Vízmentes Az esetek 90%-ban munkafolyadéknak ásványi(~70%) vagy szintetikus olajat használnak. Éppen ezért a gyakorlatban gyakran a munkafolyadékot hidraulika olajnak nevezik. Hidraulikus munkaközeg  Hidraulika Olaj

Hidraulikus energia átalakítók MechanikusHidraulikus SZIVATTYÚ Hidraulikus Mechanikus Rotációs HIDROMOTOR Transzlációs HIDRAULIKUS MUNKAHENGER A hidraulika – szivattyúknak az a feladatuk, hogy a mechanikus energiát (forgató-nyomaték, fordulatszám) hidraulikus energiává (térfogatáram, nyomás) alakítsanak át. A szivattyú beszívja a nyomófolyadékot, és azt a vezetékrendszerbe továbbítja. Hidromotor =hidraulikus energiát forgó mozgássá alakítja Munkahenger= egyenes vonalú mozgássá alakítkja A szivattyúk és a motorok is a térfogat kiszorítás elvén működnek Térfogat kiszorítás elvén működik

Szivattyúkat-motorokat jellemző névleges adatok Munkatérfogat vagy nyelési térfogat (V) Egy fordulat alatt szállított vagy elnyelt folyadékmennyiség. Térfogatáram (Q) Időegység alatt szállított vagy elnyelt folyadékmennyiség. Q=n*V Q a térfogatáram n: a szivattyú vagy a motor fordulatszáma V: munka vagy elnyelési térfogat Hatásfok (η)

Szivattyúk és motorok csoportosítása Szállított folyadékmennyiség alapján: Állandó térfogatáramúak Változtatható térfogatáramúak Állítható Önszabályozó Szerkezeti kialakítás szerint

Szivattyúk csoportosítása szerkezeti kialakítás szerint

Motorok csoportosítása szerkezeti kialakítás szerint

Fogaskerékszivattyúk külső fogazású fogaskerékszivattyú belső fogazású fogaskerékszivattyú fogasgyűrűs szivattyú

Szivattyú típusok    csavarorsós szivattyú lapátos szivattyú radiáldugattyús szivattyú (forgó vezérlőpályás, külső beömlésű)

Dugattyús szivattyúk    radiáldugattyús szivattyú (álló vezérlőpályás, külső beömlésű) axiáldugattyús szivattyú (ferdetengelyes kivitel) axiáldugattyús szivattyú (ferdetárcsás kivitel)

Külső fogazású fogaskerék-szivattyú és motor A fogaskereket (7) a hajtóművel (elektromotor, dieselmotor stb.) tengelykapcsoló köti össze. Az egyik fogaskerék a hajtott (7), a másik a fogazás miatt elforog (8), ha a hajtott forgó mozgást végez. A fogaskerekeket (7, 8) a csapágygyűrűk (4, 5) segítségével úgy helyezik el, hogy a forgómozgás közben minimális játékkal kapcsolódjanak. A siklócsapágyak a szivattyúházban nincsenek rögzítve (úszó, vagy lebegőcsapágyak). A kiszorított térfogat a fogoldalak, a ház belső fala (1) és a csapágygyűrűk (4, 5) homlokfelületei között képződnek. Ha egy fog a fogárokból kilép, akkor ott térfogat-növekedés jön létre, amely vákuumot okoz a szívótérben. A berendezés üzembe helyezésekor a kamrák először a szívóvezetékben lévő levegőt szállítják az S szívócsonktól a P nyomócsonkig, a szívóvezetékben ez által vákuum keletkezik. A növekvő vákuum hatására a folyadék a tartályból a szívóvezetékbe áramlik, amíg a szivattyút el nem éri. Ekkor a folyadék a fogak által közrefogott kamrákban áramlik tovább és a szivattyú nyomócsonkján keresztül jut a hidraulikus rendszerbe. A szivattyú működésének előfeltétele tehát az, hogy a fogak közötti kamrák elég tömítettek legyenek ahhoz, hogy a levegőt, illetve a folyadékot csaknem veszteségmentesen szállítani tudják.

Fogaskerékszivattyúk

fogaskerék-szivattyú Külső fogazatú fogaskerék-szivattyú

Belső fogazású fogaskerék-szivattyú és motor A fogazott forgórész a hajtóműhöz kapcsolódik. A fogazott forgórész és az üreges kerék forgómozgása következtében a fogoldalak által közrezárt térfogat nő, a szivattyú szívóhatást fejt ki. Ez a térfogat-növekedés kb. 120- os elfordulási szögben történik. A kiszorított térfogat ezáltal nem lökésszerűen, hanem viszonylag lassan telítődik, ez rendkívül nyugodt futást és jó szívóhatást eredményez. A töltődarabnál a folyadék térfogatváltozás nélkül halad tovább. A töltődarab utáni tér a nyomócsonkra van kötve. A fogoldalak által közrezárt térfogat csökken, a folyadék kiszorul onnan.

Fogazott gyűrűs szivattyú és motor A forgórésznek eggyel kevesebb foga van, mint a belső fogazású állórésznek. A forgórész bolygómozgást végez. A fogaskerék-szivattyúhoz hasonlóan itt is a fog-fogárok közti tér (Amin) növekedése következtében fellépő vákuum miatt beszívott olajat a fogárokban szállítja tovább. Ez a szívó hatás egészen a tér növekedésének maximumáig (Amax) tart. Ez a szivattyú szívóoldala. A fog-fogárok közti tér csökkenésével a fog kezdi kiszorítani az eddig szállított olajat, tehát ez lesz a nyomóoldal

Csavarorsós szivattyú Az orsók menetei között zárt tér keletkezik, amely térfogatának megváltozása nélkül mozog a szivattyú szívócsonkjától a nyomócsonkig. Ez egyenletes, folytonos, lökésmentes térfogatáramot és egyenletes működést eredményez. A belső fogazású fogaskerék – szivattyúkhoz hasonlóan a csavarorsós szivattyúk is különlegesen alacsony zajszintjükkel tűnnek ki, éppen ezért pl. színházak színpadi berendezéseiben is alkalmazzák.

Egylöketű szárnylapátos szivattyú és motor A térfogat a kör alakú állórész, a forgórész és a szárnyak között jön létre. A szállított folyadék mennyisége az excentricitástól függ. A szárnyak alternáló mozgását egy kör alakú belső pályával rendelkező gyűrű korlátozza. A löketállító gyűrűt ezeknél a szivattyúknál három állítóelemmel lehet szabályozni: Lökettérfogat-állító csavar A gyűrű és a forgórész távolsága közvetlenül meghatározza a szivattyú által szállított térfogatáramot magasságállító csavar: Ezzel függőleges irányban változtatjuk a löketállító gyűrű helyzetét. A maximális üzemi nyomást beállító csavar: A maximális üzemi nyomást a rugó-előfeszítés határozza meg.

Lapátos szivattyú

Duplalöketű szárnylapátos szivattyú Az állórész kétszeresen excentrikus belső görbülete miatt fordulatonként a kiszorítási folyamat kétszer megy végbe. Működése: A kiszorított térfogat ott a legkisebb, ahol a forgórész és a gyűrű közötti távolság a legkisebb. A forgórész forgómozgása következtében a kiszorított térfogat növekszik. Mivel a szárnyak pontosan követik a gyűrű vonalát, a kiszorított térfogat tömítése majdnem teljesen tökéletes. Vákuum alakul ki. A kiszorított térfogatot oldalsó vezérlőrések kötik össze a szívócsonkkal. A vákuum következtében folyadék áramlik a kiszorított térbe. A szivattyú elérte a maximális térfogatot, a szívócsonkkal való összeköttetés megszűnik. A további forgómozgás során csak a kiszorított térfogat csökken. A vezérlőtárcsa oldalsó rései a folyadékot egy csatornán keresztül a szivattyú nyomócsonkjához vezetik. Ez a folyamat fordulatonként kétszer ismétlődik.

Lapátos szivattyú rotor

Radiáldugatttyús szivattyú és motor

Radiáldugattyús szivattyú

Axiáldugattyús szivattyú és motor

Axiáldugattyús szivattyú

Axiáldugattyús szivattyú

Hidraulikus szivattyúk és motorok rajzjelei Állandó Változtatható munkatérfogatú

Munkahengerek

Akkumulátorok

Köszönöm a figyelmet!