P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A WYDZIAŁ BUDOWNICTWA, MECHANIKI I PETROCHEMII INSTYTUT INŻYNIERII MECHANICZNEJ LABORATORIUM NAPĘDÓW I STEROWANIA HYDRAULICZNEGO I PNEUMATYCZNEGO Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Temat: Ćwiczenie nr 4 Badanie charakterystyk przepływowych pomp hydraulicznych. PŁOCK 2007

2 SPIS TREŚCI 1. WPROWADZENIE Podział pomp Charakterystyki pomp Straty energetyczne i sprawności pomp BUDOWA POMP ZĘBATYCH CEL ĆWICZENIA OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO PRZEBIEG ĆWICZENIA Przygotowanie stanowiska Wykonanie pomiarów OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW LITERATURA

3 1. WPROWADZENIE Podstawowym elementem hydrostatycznego układu napędowego jest pompa służąca do zamiany energii mechanicznej doprowadzonej do pompy na energię ciśnienia zakumulowaną w przetłaczanym ciekłym czynniku roboczym, wykorzystywanym jako jej nośnik. Podstawowe parametry charakterystyczne pomp to wydajność i ciśnienie przy ustalonej prędkości obrotowej elementu pędnego. Wydajność pompy to ilość cieczy roboczej dostarczanej przez pompę w jednostce czasu. Teoretycznie wydajność pompy, z wyjątkiem pomp odśrodkowych, nie zależy od ciśnienia tłoczenia, a wynika jedynie z geometrycznych rozmiarów elementów pompy i prędkości obrotowej. Pompy stosowane w napędach hydrostatycznych powinny spełniać następujące wymagania: uzyskiwanie wysokich ciśnień przy możliwie dużych sprawnościach, uzyskiwanie wysokich i niezmiennych w czasie wydajności, zdolność do samozasysania cieczy roboczej ze zbiornika. Wymagania te spełniają pompy wyporowe Podział pomp W zależności od rodzaju ruchu elementów wyporowych rotacyjne, tłoczkowe. o stałej wydajności, o zmiennej wydajności. Ze względu na wydajność W zależności od rodzaju napędu napędzane silnikiem elektrycznym, napędzane silnikiem spalinowym, z napędem ręcznym. Według liczby strumieni jednostrumieniowe, wielostrumieniowe. W zależności od sposobu łączenia jednostopniowe, wielostopniowe Charakterystyki pomp Teoretyczna wydajność pompy (bez strat) określana jest wzorem: Qt = ε q n (1) gdzie: - 3 -

4 ε - parametr bezwymiarowy (zależy od rodzaju pompy, dla pomp o stałej wydajności ε=1), q - wydajność właściwa (na 1 obrót wału pompy), n - prędkość obrotowa wału pompy. Teoretyczna moc potrzebna do napędu pompy wyrażona jest następującym wzorem: N = Q p (2) gdzie: p - różnica ciśnień tłoczenia i ssania. Na rys. 1 przedstawiono charakterystyki idealne pomp wyporowych. Rys. 1. Charakterystyki idealne pomp hydraulicznych Straty energetyczne i sprawności pomp Straty pomp dzieli się na straty objętościowe i straty hydrauliczno-mechaniczne. Straty objętościowe, zmniejszające wydajność teoretyczną pompy, są związane przede wszystkim z przeciekami czynnika z komór wyporowych przez szczeliny między elementami wyporowymi a ściankami komór roboczych lub kadłuba pompy. Straty hydrauliczno-mechaniczne - sprawiające, że moment rzeczywisty potrzebny do napędu pompy jest większy od momentu teoretycznego obejmują straty związane z oporami przepływu we wszystkich kanałach pompy oraz straty tarcia na powierzchniach wszystkich częściach ze sobą współpracujących. Znając straty objętościowe można wyznaczyć sprawność objętościową pompy definiowaną jako: - 4 -

5 Q η V = = Qt gdzie: Q - wydajność rzeczywista pompy, Q t - wydajność teoretyczna pompy, Q - straty objętościowe. Q t Q Q t Q = 1 (3) q n Sprawność hydrauliczno-mechaniczną definiuje się jako: Mt Mt 1 η H = = = M Mt + M M 1+ Mt gdzie: M t - moment napędowy teoretyczny, M - moment napędowy rzeczywisty, M - przyrost momentu ze względu na straty hydrauliczno-mechaniczne. (4) Sprawność całkowitą pompy definiuje się jako iloczyn sprawności objętościowej i sprawności hydrauliczno-mechanicznej: η = ηv η H (5) lub jako stosunek mocy oddanej przez pompę do mocy doprowadzonej do pompy: η = N Ne gdzie: N e - efektywna moc oddana przez pompę, N - moc doprowadzona do pompy. (6) Na rys. 2 przedstawiono przykładową charakterystykę rzeczywistą pompy hydraulicznej. Rys. 2. Przykładowa rzeczywista charakterystyka przepływowa pompy hydraulicznej

6 Przebieg charakterystyk zależy w dużym stopniu od lepkości i temperatury cieczy roboczej. Straty objętościowe są odwrotnie proporcjonalne do lepkości cieczy. Im większa jest lepkość, tym gorsze są warunki zasysania cieczy. Wynika stąd, że sprawność objętościowa pompy osiąga maksimum wówczas, gdy suma strat wynikających z nieszczelności po stronie ssawnej jest najmniejsza. Zwiększenie prędkości obrotowej wału pompy teoretycznie nie wpływa na sprawność objętościową pompy, jeżeli tylko nie występuje kawitacja. Jednak w rzeczywistości wskutek zwiększania prędkości obrotowej wału wzrasta jej sprawność objętościowa a sprawność mechaniczna maleje. 2. BUDOWA POMP ZĘBATYCH Pompę zębatą tworzą najczęściej dwa zazębione ze sobą czołowe, śrubowe lub daszkowe koła zębate, z których jedno jest napędzane od silnika. Podczas obracania się kół zębatych w kierunku roboczym (rys. 3), w komorze ssawnej s ciecz wypełnia międzyzębne wnęki kół i jest przymusowo przemieszczana do komory tłocznej t. Rys. 3. Schemat pompy zębatej. s - komora ssawna, t - komora tłoczna, d, e, k, m - zęby ograniczające komorę tłoczną. Komorę tłoczną ograniczają ścianki korpusu i zęby k, m, d oraz e współpracujących kół zębatych. Nadciśnienie w komorze tłocznej utrzymuje się wskutek wyciskania cieczy spomiędzy zazębiających się zębów kół. Jednocześnie w wyniku napływania cieczy pomiędzy zęby kół wyzębiające się w komorze ssawnej i jednoczesnego unoszenia z niej cieczy do komory tłocznej, w komorze ssawnej panuje podciśnienie. Podczas pracy pompy zębatej, wskutek istniejącej różnicy ciśnień przemieszczana ciecz częściowo powraca z komory tłocznej poprzez szczeliny pomiędzy wewnętrznymi ściankami korpusu oraz czołami i wierzchołkami zębów do komory ssawnej. Prawidłowe wypełnienie komory ssawnej uzyskuje się tylko wówczas, gdy panujące w niej ciśnienie bezwzględne wynosi co najmniej 300 mm słupa rtęci. Niskociśnieniowe pompy zębate mają na ogół łożyska ślizgowe, a pompy wysokociśnieniowe łożyska tłoczne. Charakterystyczne cechy wysokociśnieniowych pomp zębatych to: wąskie koła, grube wałki, łożyska igłowe oraz łożysko osiowe na wale pędnym. Typową pompę zębatą układu hydraulicznego pokazano na rys

7 Podczas pracy pompy olej między zębami kół ulega sprężaniu, wskutek czego ich łożyska są silnie obciążone i łatwo się przegrzewają, co grozi uszkodzeniem pompy. W celu odciążenia łożysk zastosowano kanaliki odciążające, łączące przestrzeń, w której ciecz jest odcinana między zębami, ze stroną tłoczną pompy. Ze względu na rozszerzalność cieplną materiałów kół zębatych i korpusu między kołami zębatym i a korpusem powinny istnieć odpowiednie luzy osiowe, co najmniej około 0,02 mm. Rys. 4. Pompa zębata z kołami o uzębieniu zewnętrznym W celu ograniczenia strat spowodowanych przeciekami przez luzy i zmniejszających sprawność pompy, stosowane są urządzenia do samoczynnego zmniejszania luzów osiowych. Pompa zębata może składać się nie tylko z dwóch, lecz także z trzech lub więcej kół zębatych. Pompy zębate wykonywane są również jako bliźniacze (kilka par kół zębatych) w jednej obudowie, zwykle blokowej. 3. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: zapoznanie się z budową i zasadą funkcjonowania zębatych pomp hydraulicznych, zapoznanie się z metodyką wyznaczania rzeczywistych charakterystyk przepływowych pomp hydraulicznych, metodyką i sposobem wykonywania pomiarów przy pomocy urządzenia HMG OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Hydrauliczne stanowisko badawcze, zostało wykonane w postaci zbiornika prostokątnego, wykonanego z blach stalowych z zabudowanymi na nim: - 7 -

8 zespołem pompowym składającym się z silnika elektrycznego, kołnierzowego o mocy 11 [kw] i 500 [obr./min.] oraz pompy zębatej, dwustrumieniowej o wydajności 60 [l/min.] i 22 [l/min.] zabudowanej na górnej płycie zbiornika, blokiem hydraulicznym i zabudowanymi zaworami przelewowymi szt. 2, rozdzielaczami 4/2 wielkości NG 10 i NG 6, zaworami przelewowymi ograniczającymi ciśnienie do 70 [bar], zaworami zwrotnymi szt. 2 manometrami do 100 [bar], blokiem regulacyjno-pomiarowym, w skład którego wchodzą: przetworniki przepływu EVS [l/min.] i EVS [l/min.]; przetwornik ciśnienia HDA3444-A-100 [bar]; przetwornik temperatury ETS4144-A-100 o zakresie pomiarowym -25[C] do +100[C]; zaworami dławiącymi NG12 i NG16; zaworami zwrotnymi, filtrem o dokładności filtracji 10 [um] z optycznym wskaźnikiem zanieczyszczeń, filtrem przelewowo napowietrzającym, wskaźnikiem poziomu i elektryczna sygnalizacja, nowoczesnego przyrządu pomiarowego HMG 2020 firmy HYDAC. Ogólny widok stanowiska badawczego do badania pomp hydraulicznych przedstawiono na fot. 1. Fot. 1. Widok ogólny stanowiska do badania pomp hydraulicznych. Schemat ideowy stanowiska przedstawiono na rys. 4, natomiast schemat połączeń poszczególnych elementów oraz zasadę funkcjonowania stanowiska na rys

9 Rys. 4. Schemat ideowy stanowiska do badań pomp hydraulicznych. Rys. 6. Schemat ideowy stanowiska do badania charakterystyk przepływowych pomp hydraulicznych

10 1 zbiornik oleju, 2 płyta hydrauliczna, 3 pompa hydrauliczna, 4 silnik elektryczny, 5 filtr na powrocie, 6 filtr ssawny, 7 wskaźnik poziomu, 8, 9 zawór zwrotny, 10, 11 zawór przelewowy, 12 manometr, 13, 14 rozdzielacz, 15, 17 przetwornik pomiarowy natężenia przepływu, 16, 18 przetwornik pomiarowy ciśnienia, 19 zawór dławiący, 20 zawór zwrotny, 21 przetwornik pomiarowy temperatury, 22 przyrząd pomiarowy HMG PRZEBIEG ĆWICZENIA 5.1. Przygotowanie stanowiska Przy przystąpieniu do uruchomienia układu hydraulicznego, należy dokonać wzrokowych oględzin: poziomu oleju w zbiorniku, stanu zabrudzenia filtra powrotnego oleju. stanu przewodów i połączeń elementów hydraulicznych, stanu kabli i połączeń urządzeń elektrycznych. sprawdzić, czy zawory dławiące nr 19 są maksymalnie otwarte (pokrętło odkręcone maksymalnie w lewo oraz trzpień wysunięty do góry) Po wykonaniu tych czynności, załączamy silnik elektryczny wraz z pompą hydrauliczną. Jeśli układ pracuje bez zakłóceń, przystępujemy do sterowania rozdzielaczem, oznaczonym na schemacie nr 13. Włącznikiem nr 1 (na tablicy napięcia 24 V) załączamy zasilacz prądu stałego, następnie włącznikiem nr 2 podajemy napięcie na cewkę a tego rozdzielacza. W tym momencie olej przepływa z I stopnia pompy 3 do, przez rozdzielacz 13, następnie przez przetwornik przepływu 16 i ciśnienia 15, dalej przez zawór dławiący 19 i z powrotem do zbiornika oleju 1. Tak pracujący układ jest przygotowany do wykonania pomiarów Wykonanie pomiarów Przystępując do wykonania pomiarów należy postępować zgodnie z przedstawionymi krokami: 1. Włączyć przyrząd HMG Od tego momentu następuje wyświetlenie wartości bieżących pomiarów na wyświetlaczu. 2. Odczytać wartości ciśnienia (kanał A przyrządu) oraz wartość przepływu (kanał B) i wartości te wpisać do tabeli pomiarowej. 3. Zwiększyć dławienie zaworem 19 tak aby wartość ciśnienia wzrosła o 2 bary i odczytać wartość natężenia przepływu. 4. Czynność 3 powtarzać, zwiększając każdorazowo dławienia zaworem 19 o kolejne 2 bary, aż do uzyskania wartości ciśnienia 50 barów. 5. Odczytane wartości zanotować w tabeli pomiarowej. 6. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Wartości odczytane w czasie pomiarów należy umieścić w tabeli wg wzoru poniżej. Nr pomiaru 1 2 Ciśnienie p [bar] Natężenie przepływu Q [l/min]

11 3 4 5 Sprawozdanie powinno zawierać schemat stanowiska do badania charakterystyk przepływowych pomp hydraulicznych, sposób wykonania pomiarów, tabelę z wynikami oraz charakterystyki Q = f(p). Na koniec należy przeprowadzić analizę uzyskanych wyników oraz podać wnioski dotyczące działania badanej charakterystyki. LITERATURA: 1. J. Lipski Napędy i sterowanie hydrauliczne, WKiŁ, Warszawa S. Stryczek Napęd hydrostatyczny. Elementy i układy, WNT, Warszawa Z. Szydelski Napęd i sterowanie hydrauliczne w ciągnikach i samojezdnych maszynach roboczych. WNT, Warszawa