GÉPIPARI AUTOMATIZÁLÁS II. 1. előadás HIDRAULIKA

HIDRAULIKA Valamilyen munkafolyadék által létrehozott erők és mozgások összessége. A hidraulikus rendszerekben az energiaközvetítő közeg FOLYADÉK. Görög eredetű szó HYDOR (jelentése víz) + AULOS (jelentése cső) Az első hidraulikával foglakozók görög tudósok voltak pl.: Heron, Archimédes, Ktesibios Az ókori görögök kizárólag a vizet használták munkafolyadékként. Ma elsősorban ásványiolaj alapú hidraulika folyadékokat használunk.

HIDRAULIKA ALKALMAZÁSI TERÜLETEI Alapvetően megkülönböztetünk telepített és mozgó hidraulikus berendezéseket. Telepített hidraulika alkalmazási területei Gyártó és szerelőgépek Szállítópályák Emelő és szállító eszközök Prések Fröccsöntő gépek Felvonók stb. Mozgó hidraulika alkalmazási területei Építőgépek Önürítő gépjárművek, markolók rakodógépek Emelő és szállító eszközök Mezőgazdasági gépek stb. Telepített hidraulikus berendezésről akkor beszélünk, ha a gép mereven helyhez kötött. Mozgó hidraulikus berendezés kereken vagy lánctalpakon mozog A mozgó hidraulikus gép esetén a működtető szelepek gyakran kézi működtetésűek, míg a telepített hidraulika esetén nagyrészt elektromágneses szelepeket használnak. A modern CNC gépeknél gyakran a szerszámok és a mdb-ok befogása hidraulikus elemekkel történik. Az előtolás és az orsóhajtás szintén lehet hidraulikus.

Hidraulika összehasonlítása más technikákkal Pneumatika Mechanika Elektrotechnika, elektronika A hidraulika mellett léteznek más technikák is melyekkel a vezérléstechnikában erők mozgások jelek hozhatók létre. Pneumatika energiaátviteli közege a sűrített lebegő Mechanikában az energiaátvitel mechanikus elemekkel történik Elektrotechnika, elektronika energiaátviteli közege az elektromos áram

Hidraulika összehasonlítása más technikákkal ELEKTROTECHNIKA HIDRAULIKA PNEUMATIKA Környezeti hatások Robbanásveszély, bizonyos területen hőmérséklet érzéketlen Hőmérsékletinga-dozásokra érzékeny Szivárgások esetén környezetszennyező és tűzveszélyes. Robbanásbiztos, hőmérséklet-érzékeny Szivárgások esetén nincs környezet-károsító hatása. Energia tárolhatósága Nehéz, csak kis mennyiségben (elem, akku) Korlátozott, gázok segítségével Könnyű (légtartályban) Energiaszállítás Korlátlan, energiaveszteséggel 100 m-ig az áramlási sebesség: v = 2–6 m/s; a jelsebesség: 1000 m/s 1000 m–ig az v = 20–40m/s; a jelsebesség: 20–40m/s

Hidraulika összehasonlítása más technikákkal ELEKTROTECHNIKA HIDRAULIKA PNEUMATIKA Munkavégző sebesség v = 0,5 m/s v = 1,5 m/s Energiaellátás költségei Csekély Magas Igen magas 0,25 : 1 : 2,5 Lineáris mozgás Nehéz és drága, kis erők, a sebesség szabályozása csak nagy ráfordítással Egyszerű, munkahengerekkel a sebesség jól szabályozható igen nagy erők munkahengerekkel korlátozott erők, a sebesség erősen terhelésfüggő Forgómozgás nagy teljesítményű lehet nagy forgatónyomaték alacsony ford. szám csak kis teljesítmény, nagy fordulatszám

Hidraulika összehasonlítása más technikákkal ELEKTROTECHNIKA HIDRAULIKA PNEUMATIKA Pozicionálási pontosság  1 - nél is jobb A ráfordításoknak megfelelően  1 megvalósítható Terhelésváltozás nélkül ~0,1 mm Erők Nem terhelhető túl, a rákapcsolt mechanikus tagok miatt rossz hatásfok, igen nagy erők realizálhatók Túlterhelésbiztos, 600 bar –ig lehet- séges a rendszernyo- más, és igen nagy erők hozhatók létre: F  3000 kN az erőket a levegő nyomása és a hengerátmérő korlátozza: F  30 kN 6 bar – ig

Hidraulika előnye, hátránya Előnyök: Kis elemek alkalmazásával nagy erők átvitele Megbízható pozicionálás Terhelésfüggetlen mozgás, mivel a folyadékok csak csekély mértékben összenyomhatók Sebességek egyszerűen beállíthatók Kedvező a hőelvezetés Hátrányok: A kifolyt olaj szennyezi a környezetet, tűz- és balesetveszélyes Szennyeződésre érzékeny Hőmérsékletérzékeny (viszkozitás) Kedvezőtlen hatásfok (csősúrlódás) A táblázat alapján foglaljuk össze a hidraulika alkalmazásának előnyeit és hátrányait

A hidraulika fizikai alapjai HIDROMECHANIKA HIDROSZTATIKA /Nyugvó folyadék mechanikája/ Pascal törvénye Nyomási energia HIDRODINAMIKA /Áramló folyadék mechanikája/ Newton törvénye Mozgási energia Erő Energiaváltozás A hidraulikus berendezésekben lejátszódó fizikai folyamatokat a hidromechanika törvényszerűségeivel modellezhetjük. Az erőhatásokat a hidrosztatikus rendszerekben Pascal tv-vel a hidrodinamikus rendszerekben Newton törvényévél határozhatjuk meg. Az energiaváltozások szempontjából a Hidrosztatikus rendszerek esetén a nyomási energia változása a domináns, míg hidrodinamikus rendszerek esetén a mozgási energia változása. Elsőként nézzük a hidrosztatikai törvényszerűségeit

Hidrosztatikus nyomás A hidrosztatikus nyomás alatt azt a nyomást értjük ami a folyadék belsejében jön létre. A hidrosztatikus nyomás a folyadékoszlop magasságtól , valamint a folyadékoszlop súlyától függ. ps =  * g * h ps: hidrosztatikus nyomás [Pa] : a folyadék sűrűsége [kg/m3] g: nehézségi gyorsulás: 9,81 [m/s2] h: a folyadékoszlop magassága [m] Az ábra valamint az összefüggés alapján megállapíthatjuk, hogy azonos folyadékoszlop magasság esetén a kialakult hidrosztatikus nyomás azonos, azaz a nyomás független az edény alakjától és keresztmetszetétől

Pascal törvénye Az „A” felületre ható „F” erő hatására zárt edényben lévő folyadékban „p” nyomás keletkezik, mely az egész folyadékmennyiségben fellép. P: nyomás [Pa] F: erő [N] A: felület [m2] A zárt rendszer minden egyes pontjában ugyanaz a nyomás uralkodik. A nyomás mindig merőleges az edény falára.

Hidraulikus erőátvitel Az erőátviteli áttétel: Az ábrán látható tartály segítségével erőt tudunk átalakítani. F1 erő hatására az A1 es felületen p1 nyomás keletkezik F2 erő hatására az A2 es felületen p2 nyomás keletkezik A folyadéknyomás a Pascal tv. Alapján a köv. képletekkel meghatározható. A rendszer egyensúlyban van, mivel a nyomás folyadék minden pontjában azonos, tehát p1=p2. Ebből a rendszer erőátviteli áttétele a következő: AZ erő és a felület egyenes arányos. Kis erő a kis felületen nagy erő a nagy felületen. Pl.: személyautók hidraulikus fékrendszere.

Útátalakítás Elmozdulás áttétel: Ha egy F2 súlyú terhet s2 szakaszon kell megemelni, akkor a d1 dugattyúval akkora folyadékmennyiséget kell megmozgatni, hogy a D2-es dugattyút s2 értékkel megemelje. Ehhez a szükséges folyadékmennyiség a köv. képpen számolható ki: Mivel a rendszerünk zárt ezért a két térfogat azonos. Ebből a rendszer elmozdulás áttétele: Átrendezés után látható, hogy az elmozdulás és a felület egymással fordítottan arányos, azaz a kisebb felületű dugattyúnak nagyobb utat kell megtennie, mint a nagyobbnak, ahhoz, hogy a nagyobb dugattyú s2 értékkel megemelkedjen

Nyomás átalakítás Nyomás áttétel: Két különböző nagyságú dugattyút egy merev rúddal összekötünk A p1 folyadéknyomás az A1 felületre F1 erőt fejt ki. Ezt az erőt a merev rúd az A2 dugattyúra átviszi, ahol p2 folyadéknyomást hoz létre. Az ébredő erők a Pacal tv alapján felírhatók: A két erő a merev kapcsolat miatt azonos nagyságú. Így felírható a nyomás áttétele: A nyomás és a felület ford arányosak. A nagyobb dugattyúra jutatott p1 nyomásnál a kisebb dugatyyúnál ébredő p2 nyomás nagyobb lesz.

Térfogatáram Térfogatáram alatt azt a folyadékmennyiséget értjük, amely időegység alatt egy csövön átáramlik. Hidraulikában a térfogatáram jele: Q Térfogatáram meghatározása: Q: térfogatáram [m3/s] V: térfogat [m3] t: idő [s] Például, ha egy 10 literes edény vízcsapról való megtöltése 1 percig tart, akkor a vízcsap térfogatáramam 10l/perc

Térfogatáram A csőben áramló folyadék sebessége: v: a folyadék áramlási sebessége: [m/s] s: a cső adott szakaszának hossza [m] t: az „s” út megtételéhez szükséges idő [s] Az „s” hosszúságú csőben átáramlott folyadék mennyisége: V: elmozdulási térfogata [m3] s: a cső adott szakaszának hossza [m] A: a cső keresztmetszete [m2] Behelyettesítve a térfogatáram összefüggésébe: Q: térfogatáram [m3/s] v: a folyadék áramlási sebessége: [m/s] A: a cső keresztmetszete [m2]

Kontinuitás tétele A folyadék térfogatárama egy cső bármely keresztmetszetében azonos.

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:

Gyakorló feladatok 1. Feladat Egy hengert 100 bar nyomással működtetünk, a henger dugattyú felülete 7.85 cm2. Mekkora az elérhető maximális erőhatás? 2. feladat Egy emelővel 15 kN terhet kell felemelni, a rendszer nyomása 60 bar. Mekkorának kell lenni a dugattyú átmérőjének? 3. feladat Számítsuk ki, hogy 0.36 m3/h térfogatáram mekkora térfogatot tölt meg 18 másodperc alatt? 4. Feladat Egy gépjárműemelővel személyautót kell felemelni, melynek tömege 1500 kg. a. Mekkora legyen az F erő a dugattyúnál, ha A1 = 0.4 dm2, A2 = 0.12 [m2]? b. Mekkora legyen az A2 dugattyú felülete, ha csak 100 N erő áll rendelkezésre?

Gyakorló feladatok 5. feladat Mekkorának kell lenni annak a cső belső átmérőjének, amelyben 4 liter/perc térfogatárammal 3 m/s sebesség érhető el? 6. feladat Mekkora térfogatáram szükséges ahhoz, hogy a 60 mm átmérőjű dugattyú a 40 cm-es utat 12 másodperc alatt tegye meg? 7. feladat Számoljuk ki milyen áramlásfajták jönnek létre az A1, A3, A4 keresztmetszetekben! Adatok: v1 = 1 m/s; v3 = 5 m/s; v4 = 100 m/s; d1 = 10 mm; d3 = 5 mm; d4 = 1 mm  = 40 mm2/s

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] n: 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:

Köszönöm a figyelmet!