Hidraulikus szorítókör tervezése (feladat)

Az előadások a következő témára: "Hidraulikus szorítókör tervezése (feladat)"— Előadás másolata:

1 Hidraulikus szorítókör tervezése (feladat)
Hidraulika kidolgozott példák Hidraulikus szorítókör tervezése (feladat)

2 Feladat: Egy hidraulikus szorítókör munkaciklus diagramja látható az ábrán. Állitsuk össze a hidraulikus kapcsolási vázlatot ,méretezzük az elemeket és megvizsgáljuk,hogy milyen megoldási lehetőségek kínálkoznak energiatakarékos körfolyamok összeállítására. Hidraulikus szorítókör tervezése megadott út – idő és terhelés – idő diagram ja

3 Az alkalmazható maximális olajnyomás
Adatok: Munkafázis Jel Idő(s) Hossz(m) Terhelés(kN) Munkamenet A 2 0.1 5 Szorítás D 1200 40 Gyors vissza E Tehermentesítés U 6 A dugattyú gyors menetben kimegy, kb. 2 s alatt Fs = 5 kN rővel, majd Ft =40 kN erővel 1200 s-ig szorít, és végül 2 s alatt Fs =5 kN erővel visszajön alaphelyzetbe. Az alkalmazható maximális olajnyomás

4 A funkcionális tervezésnek megfelelő kapcsolási rajz

5 Munkahenger kiválasztása
A munkahenger nyomásterhelés szerinti méretezését a D munkaciklus szerint végezzük. Ekkor a dugattyú áll ,a maximális nyomást a nyomáshatároló korlátozza. A dugattyú felülete: m = 0,92…0,95 A választott henger: 63/36 – 125 Az ezzel számolt új dugattyú munkafelület: Az új felülettel számolt nyomás:

6 A szivattyú kiválasztása
Gyors előremenetben kell a legnagyobb térfogatáram. A munkahenger lökettérfogata előre menetben, és az ebből számolt térfogatáram: Ezt 2 s alatt kell elérni. A fordulatszámot felvéve n=1440 1/perc a szivattyú munkatérfogata: A választott külsőfogazású fogaskerék szivattyú: 1PF2G2 – 4x/008R (BoschRexroth) Ennek a munkatérfogata: Ezzel számolt tényleges térfogat áram:

7

8 A funkcionális terv energetikai vizsgálata
Mivel a rendszer hasznos teljesítménye a munkahengerről származik: A bevezetett hidraulikai (áramlástani) teljesítmény:

9 A tartályban lévő olaj hőmérséklet számítása
A keletkező teljesítményt a tartály a környezetnek adja le. Az olajtartályunk hőleadó felülete: , hőátbocsájtási tényezője: ,térfogata: , sűrűsége külső hőfok: Az olaj fajhője: Hogy ne keverjük a hőmérsékletet az idővel, jelöljük a hőmérsékletet ϑ-val. Végtelen hosszú idő múlva mekkora lenne a tartály hőmérséklete , ha a környezet hőfoka állandó 20 C. Végtelen idő után pontosan a termelt hőteljesítményt adja le a tartály, mert tovább nem melegszik. Az tartály hőmérséklet a végtelen idő múlva: Max. megengedett relatív tartály hőmérséklet:

10 A tartályban lévő olaj hőmérséklet számítása
Az olaj megengedhető melegedése 40 C fok lehet (60 C), ellenkező esetben a volumetrikus veszteségek megnövekednek. Kérdés,hogy a ha 20 C fok növekedést 1200 s alatt nem éri el, akkor megfelelő a rendszerünk. Milyen gyorsan melegszik az olaj a tartájban? Hogy függ a melegedés az időtől? Keressük a hőmérséklet idő függvényét. Hogy ne keverjük a hőmérsékletet az idővel, jelöljük a hőmérsékletet „ϑ”-val., az időt „t”-vel. Az olajtartányban keletkező hőteljesítmény emeli az olaj hőmérsékletét, másrészt falon keresztül a környezetnek leadja a hőt. Egyenlettel felírva. Ahol „m” az olaj tömege, „c” a fajhője Végtelen idő múlva csak a falon keresztül a környezetnek leadja

11 A tartályban lévő olaj hőmérséklet számítása
Összevonva a két egyenletet Válasszuk szét a differenciálegyenletet

12 A tartályban lévő olaj hőmérséklet számítása
Vezessük be a Integráljuk az egyenletet. Kezdeti feltételünk Így a keresett függvény (mínusz előjelet átvíve a bal oldalra ):

13 A tartályban lévő olaj hőmérséklet számítása
Felhasználva az ln függvény azonosságait Az olaj megengedhető melegedése 40 C fok lehet (60C), ellenkező esetben a volumetrikus veszteségek megnövekednek. Kérdés,hogy a ha 20 C fok növekedést 1200 s alatt nem éri el, akkor megfelelő a rendszerünk. Számítsuk ki, hogy 1200 s múlva mekkora lesz az olaj hőmérséklete:

14 A tartályban lévő olaj hőmérséklet számítása
Az olaj megengedhető melegedése 40 C fok lehet (60C) A megadott függvény szerint nem éri el a 60 C fokot, tehát megfelel. De ha többször kell a ciklust elvégezni, akkor ez a megoldás már nem megfelelő, mert a következő ciklusban már 60 C fokról indul a melegedés. Megjegyzés: A függvényünk egy exponenciális függvény, csak nagyon közel vagyunk az origóhoz, ezért egyenesnek látszik.

15 Szorítókör energetikai optimalizálása I.
Szerkezeti minimumra törekvés végett megfontolandó a szorítás kialakulása után, az útváltót a közép állásba állítani. Ekkor a túlmelegedés elkerülhető, mert nem kell folyamatosan működtetni a szivattyút. Feltéve, hogy az útváltó résveszteségei következtében fellépő nyomásesés nem csökkenti le idő előtt a nyomást a megengedhető minimum alá. Mint emlékezünk rá: A z útváltó résveszteségét kiküszöböli a beépített Nyitható visszacsapószelepek Kapacitás: tárolóban lévő folyadék térfogat egységnyi növeléséhez mekkora nyomástöbblet szükséges…

16 Szorítókör energetikai optimalizálása I.
A visszacsapószelepek egyszerűsége és résolajmentes zárása alkalmassá teszi őket, hogy a munkahengerek egyes tereit hermetikusan lezárjuk, vagyis adott helyzetben rögzítsük. Ellenkező irányú dugattyúmozgáskor azonban a visszacsapószelepet a záróirányba is ki kell nyitni (a rögzítést oldani kell). ezért van szükség a nyithatóságra. Ha a terhet a tolattyús útváltóval akarnánk megtartani, az a tolattyú résveszteségei miatt lassan kúszna lefelé. (Persze alkalmazhatnánk ülékes útváltót, de az drága + stb.). Alaphelyzetben a munkahengerre ráépített visszacsapó 1 kúpja hermetikusan zárja az alsó teret (B→A zárva), tehát a munkahenger a terhet akárhol képes megtartani. Ha a terhet le akarjuk engedni, az útváltó átkapcsolásával nyomás jelenik meg az X vezérlő vezetékben, a 3 dugattyú pedig a zárókúpot megemeli és ezzel a visszacsapót a záró nyomással szemben kinyitja (B→A nyitva). A munkahenger lejön. Emeléskor a visszacsapó mindig kinyit (A→B mindig nyitható).

17 Ft B A At Alaphelyzetben a munkahengerre ráépített visszacsapó 1 kúpja hermetikusan zárja a henger aktív terét (B→A zárva), tehát a munkahenger a szorítást képes megtartani. Ha a szorítást meg akarjuk szüntetni, az útváltó jobbra történő átkapcsolásával, nyomás jelenik meg az X vezérlő vezetékben, a 3 dugattyú pedig a zárókúpot megemeli és ezzel a visszacsapót a záró nyomással szemben kinyitja (B→A nyitva). A munkahenger visszajöhet. Előre menetben a visszacsapó mindig kinyit (A→B mindig nyitható).

18 Szorítókör energetikai optimalizálása II. Akkumulátor alkalmazása
F

19 Szorítókör energetikai optimalizálása II.

20 Szorítókör energetikai optimalizálása II.
A folyamatos üzem- ill. a túlmelegedés védelem biztosítható hidraulikus akkumulátor rendszerbe építésével. Az akkumulátor méretezésénél cél az előírt szorítóerő tartomány biztosítása. A megadott szorítóerő tartomány és ismert munkahenger alapján a nyomás tartomány számolható: A folytonosság alapján írható a dugattyú visszatérési sebesség ill. idő: t1 = 2-nek van felvéve, de valójában kisebb mert mert a sziv. választ. után qv-ből nem szám. vissza… Mivel az akkumulátor a szivattyúval együtt dolgozhat, ill. a szivattyú térfogatáram ismeretében az akkumulátor űrtartam szabad paraméter, ezért választhatunk gazdasági okból kisebb áramlási teljesítményű szivattyút is. Legyen:

21 Szorítókör energetikai optimalizálása II.
Térfogatáram a szivattyú nyomócsonkban: A folyadékáram – idő diagram alapján a rendszerben tervezési szempontból 3 térfogatáram különíthető el: Egy munkaciklushoz szükséges ösz térfogat: A gáz előtöltési nyomása:

22 Szorítókör energetikai optimalizálása II.
Akkumulátor nyomás – idő diagram:

23 Szorítókör energetikai optimalizálása II.
Hidroakkumulátor névleges térfogata: Töltési idő: Mivel < 1…2 min ezért adiabatikus állapot változás. Ürítési idő: Mivel > 1…2 min ezért izot. állap. vált.

24 Csőzár hidraulikus működtető rendszere (feladat)
Hidraulika kidolgozott példák Csőzár hidraulikus működtető rendszere (feladat)

25 Feladat: Az ábrán látható csőzár hidraulikus működtető rendszerét úgy kell megtervezni, hogy azzal részlegesen nyitott, illetve zárt helyzeteket is be lehessen állítani. Áramkimaradás esetén a csőzárnak automatikusan és üzembiztosan zárnia kell. M [Nm] A szöghelyzettől függő nyomaték A szerkezeti felépítés 143. ábra

26 Feladat: A tervezési alapadatok: A csőzár működtetéséhez szükséges nyomaték ( a csőzár tengelyére vonatkoztatva) a szöghelyzet függvényében a fenti ábrán látható. -a nyitás ideje sec. - a zárás ideje sec. A kapcsolási vázlat tervezése A bevezetendő teljesítmény mérséklése miatt célszerű energiatakarékos körfolyamot kialakítani (144. ábra). Ennek egyik lehetősége, hogy a rendszer térfogatáram igényét hidroakkumulátor biztosítja. A szivattyú feladata ez esetben az akkumulátor töltése. A töltött állapot elsődlegességét biztosító körfolyamrész lehet elektrohidraulikus (3; 11; 12; ill. 11/a), vagy tisztán hidraulikus (3/a). Az elektrohidraulikus változatnál a szivattyú rá-, ill. lekapcsolását az Y4 jelű mágnes működtetésével a nyomáskapcsolók (11), ill. az elektronikus nyomáskapcsoló (11/a) vezérli. A csőzár a (6) útváltóval nyitható (Y2 -> "b" pozíció), ill. zárható (Y1 -> "a" pozíció). A működési idők a (8) áramállandósítókkal állíthatók be. A csőzárat adott helyzetében a (9) kettős vezérelt visszacsapószelep reteszeli. A (7) útváltó, melynek mágnese (Y3) üzemszerűen állandóan feszültség alatt áll, áramkimaradás esetén a csőzárat zárásra kapcsolja.

27 nyit zár A hidraulikai kapcsolás elektrohidraulikus elemekkel Y3 ha van áram Y1 zár Y2 nyit 144. ábra

28 nyit A hidraulikai kapcsolás zár Y3 ha van áram Y1 zár Y2 nyit 144. ábra

29 Statikus méretezés A rendszer elemeinek kiválasztását mindig a kimeneti energiaátalakítókkal - jelen esetben a munkahenger (10) - kell kezdeni. A munkahenger szükséges dugattyúfelülete és lökete a kinematikai vázlat és a nyomatékszükséglet alapján határozható meg. {143; 145. ábrák). A dugattyú által kifejtendő erő: 145. ábra A dugattyúrúd statikus erőegyensúlyi egyenlete:

30 Bevezetve a és az összefüggéseket.
A szükséges dugattyúfelület: Ahol ηm = 0,92 (a munkahenger mechanikai hatásfoka) φ = 1,25 {működő dugattyúfelületek viszonya) p1 = (0,85 - 0,9)pmax = 0,85 • 160 = 136 {bar) p2 = 5 (bar) A felületnek megfelelő dugattyúátmérő: D = 49,57 (mm) A választott munkahenger: Φ 50 / Φ 22 x 400 A tényleges felületek: AD = 19,625 (cm2) Ad = 15,45 (cm2) A választott munkahenger adataival a szükséges nyomás: - záráskor: 123,5 (bar) nyitáskor 97,8 (bar)

31 Következhet a hidroakkumulátor kiválasztása
Következhet a hidroakkumulátor kiválasztása. Az általa kibocsátott olajtérfogat utántöltés nélkül elegendő kell legyen a csőzár egyszeri nyitásához és zárásához, azaz: Ahol = 6,5 (bar) a körfolyamág becsült nyomásvesztesége a maximális térfogatáramnál.

32 Az akkumulátor névleges térfogatát a rövid, 6 (s)-os zárási idő miatt az adiabatikus állapotváltozásra vonatkozó összefüggésből meghatározzuk meg. A járatos névleges térfogat: 10 (dm3). Ezt választva, a p3 nyomás értékét kell növelni:

33 Miután a szivattyú feladata csak a hidroakkumulátor töltése, a fajlagos munkatérfogata legyen: Vg = 1 (cm3). A szivattyú hajtásához szükséges teljesítmény: ahol n = 1440 (1/min) = 24 (1/s) a villamos motor fordulatszáma. A rendszerben alkalmazott irányító elemek (6, 7, 8, 9, 12) névleges mérete a maximális térfogatáramhoz: - 6 (dm3/min) igazodóan: NÁ6.

34 Ezután meghatározható az akkumulátor nyomás-idő diagramja:
A (6) és (7) útváltók résvesztesége a nyomás függvényében. 146. ábra

35 A töltési idő meghatározása:
A kontinuitás az akkumulátor alatti csomópontra : Ahol a szivattyú szállítása

36 A feltöltődés ideje:

37 Az ürítési idő:

38 Az első feltöltés, megindulás ideje:
ekkor p2=p1