POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie H-4

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN Ćwiczenie H-4 Temat: WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI OGÓLNEJ I OBJĘTOŚCIOWEJ WIELOTŁOCZKOWEGO OSIOWEGO SILNIKA HYDRAULICZNEGO. Konsultacja i redakcja: dr hab. inż. Donat Lewandowski, prof. PŁ Opracowanie: dr. inż. Witold Pawłowski Zatwierdził: prof. dr hab. inż. Franciszek Oryński Łódź, 011 r. Elementy stanowiska wykorzystywanego w ćwiczeniu zostały zakupione w ramach projektu: - Dostosowanie infrastruktury edukacyjnej Wydziału Mechanicznego Politechniki Łódzkiej do prognozowanych potrzeb i oczekiwań rynku pracy województwa łódzkiego poprzez zakup wyposażenia przeznaczonego do nowoczesnych metod nauczania współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Łódzkiego na lata

2 Temat ćwiczenia: WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI OGÓLNEJ I OBJĘTOŚCIOWEJ WIELOTŁOCZKOWEGO OSIOWEGO SILNIKA HYDRAULICZNEGO. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wielkościami charakterystycznymi dla wyporowych silników hydraulicznych oraz przeprowadzenie pomiarów sprawności ogólnej i objętościowej. Literatura 1. S. Stryczek Napędy hydrostatyczne - elementy.. Zieliński Napęd i sterowanie hydrauliczne obrabiarek. 3. W. Szejnach Pneumatyka i hydraulika maszyn technologicznych. 4. T. H. Baszta Urządzenia hydrauliczne - konstrukcja i obliczanie. 5. L. Wrotny Obrabiarki skrawające do metali. 6. D. Kaczmarek, D. Lewandowski Badania silnika hydraulicznego firmy LINDE - archiwum IOiTBM PŁ. 1. WSTĘP Natężenie przepływu silnika idealnego Q st jest to ilość czynnika przepływającego przez silnik (bez strat objętościowych) w jednostce czasu. Wyraża się ona wzorem: Q st = E s * q s * n s (1) gdzie: E s - jest parametrem nastawy silnika o zmiennej chłonności. Parametr ten może przyjmować wartości od 0 do 1. W silnikach o stałej chłonności E s = 1 zatem: Q st = q s * n s () q s - wyraża chłonność właściwą, czyli objętość czynnika, jaką należy doprowadzić do silnika, aby jego wałek wykonał jeden obrót. Wielkość ta charakteryzuje również silniki rzeczywiste, gdyż odnosi się do stanu, w którym nie występują straty objętościowe. Stan ten można osiągnąć tylko przy zachowaniu równości ciśnień na wejściu i wyjściu silnika bliskich ciśnieniu atmosferycznemu czyli dla n s - prędkość obrotowa silnika. p s = 0 Moment dyspozycyjny na wałku silnika idealnego można wyznaczyć jako: M st E ps (3) Dla silników o stałej chłonności:

3 M st ps (4) gdziep s - różnica ciśnień między ciśnieniem na wejściu i wyjściu silnika. Moc przekazywana przez silnik idealny wyrażona jest zależnością: N st = E * q s * n s * p s (5) Dla silników o stałej chłonności: N st = q s * n s * p s (6). STRATY I SPRAWNOŚĆ SILNIKA Silnik rzeczywisty jest obarczony stratami objętościowymi oraz hydraulicznymi i mechanicznymi. Straty objętościowe wpływają na prędkość obrotową silnika, natomiast hydrauliczne i mechaniczne na moment rozwijany przez silnik. Ze względu na straty objętościowe rzeczywiste natężenie przepływu Q s musi być większe od natężenia przepływu dla silnika idealnego Q st o wartość strat Q czyli: gdzie: Q s - rzeczywiste natężenie przepływu, Q s = Q st + Q lub Q st = Q s - Q (7) Q st - natężenie przepływu dla silnika idealnego, Q - straty natężenia przepływu. Stosunek obu tych natężeń przepływu określa sprawność objętościową: vs t Q Q 1 (8) Korzystając z definicji sprawności objętościowej można wyznaczyć istotną z punktu widzenia napędzanego układu prędkość obrotową wałka silnika według zależności: ns t vs (9) Moment rzeczywisty na wałku silnika M s na skutek strat hydraulicznych i mechanicznych wyrażonych stratą momentu M będzie mniejszy niż moment silnika idealnego M st : gdzie: M s - moment rzeczywisty, M s = M st - M (10) 3

4 M st - moment silnika idealnego (bez przecieków), M - straty momentu. Moment strat M można wyrazić zależnością: M = M f + M + M h + M c (11) gdzie: M f - wyraża moment strat będący sumą wszystkich strat tarcia mechanicznego w gniazdach łożyskowych, w węzłach uszczelniających o tyle o ile są one źródłem tarcia proporcjonalnego do obciążenia silnika p s. Straty te zależą również od chłonności właściwej silnika q s (lit. 1). ps M f Cmf (1) C mf - współczynnik proporcjonalności; jego wartość może zależeć od parametrów ruchowych silnika, w tym także od prędkości obrotowej. M - wyraża moment strat tarcia lepkiego w szczelinach utworzonych przez współpracujące części w łożyskach oraz w węzłach uszczelniających. Moment ten jest wprost proporcjonalny do lepkości czynnika, prędkości obrotowej oraz chłonności właściwej silnika [1]. C m - współczynnik proporcjonalności, - lepkość dynamiczna, M = C m * * n s * q s (13) M h - jest momentem strat hydraulicznych w komorach wyporowych i kanałach kadłuba silnika i wypełnionych całkowicie czynnikiem komorach łożysk tocznych [1]. M h s 3 5 q s n Cmh (14) 4 C mh - współczynnik proporcjonalności, - gęstość czynnika. M c - moment strat stałych niezależnych od parametrów ruchowych silnika. M c = const. Zatem moment rzeczywisty na wałku silnika wyrazi się zależnością: M s gs q ns 3 5 ps Cmf ps Cm ns Cmh q s M c (15) 4 Sprawność hydrauliczno-mechaniczną silnika definiuje się następująco: 4

5 hms M s M st M M 1 (16) M st M st M st Sprawność całkowitą silnika wyporowego określa się stosunkiem mocy wejściowej N e przekazywanej napędzanemu układowi do mocy doprowadzonej przez strumień dopływającego czynnika roboczego N s. Ponieważ moc wyjściowa wyrażona jest zależnością natomiast moc doprowadzona określona jest wzorem: zatem sprawność całkowita wynosi: N e = M s * * n s (17) N s = Q s * p s (18) s Ne M s ns vs hms (19) Ns ps 3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO Schemat stanowiska laboratoryjnego przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Schemat stanowiska laboratoryjnego 5

6 W skład stanowiska (rys. 1) wchodzą następujące elementy: 1. Silnik elektryczny 3 służący do napędu pompy zasilającej układ.. Pompa zębata zasilająca cały układ hydrauliczny. 3. Filtr. 4. Zawór przelewowy służący do ustalania ciśnienia zasilającego układ. 5. Dławik służący do regulacji natężenia przepływu oleju przez silnik - Q s. 6. Zawór redukcyjny służący do redukcji ciśnienia w obwodzie sterowania kątem pochylenia wirnika silnika. 7. Badany silnik hydrauliczny. 8. Pompa PZ 6,3 obciążająca silnik. 9. Zawór przelewowy ustalający ciśnienie na wyjściu z pompy obciążającej, a co za tym idzie moment obciążający badany silnik M s. 10. Przepływomierz zębatkowy 11. Manometr wskazujący ciśnienie zasilania układu hydraulicznego. 1. Manometr wskazujący ciśnienie w obwodzie sterowania kątem pochylenia w obwodzie silnika. 13. Manometr wskazujący ciśnienie na wejściu silnika p wej. 14. Manometr wskazujący ciśnienie na wyjściu silnika p wyj. 15. Dynamometr pałąkowy służący do pomiaru obciążenia silnika M s. 16. Czujnik fotoelektryczny. 17. Licznik zdarzeń. Wraz z fotoelektrycznym czujnikiem 16 stanowią obrotomierz. 18. Manometr wskazujący ciśnienie w obwodzie pompy obciążającej. 19. Termometr mierzący temperaturę oleju w zbiorniku T. 0. Rozdzielacz 3/ sterowany elektromagnetycznie służący do włączania obciążenia silnika. 1. Przełącznik sterujący rozdzielaczem 0. Przekrój przez wielotłoczkowy, osiowy silnik hydrauliczny wyjaśniający zasadę jego działania został przedstawiony na rysunku, gdzie: 1. tarcza wirnika,. oś przegubu, 3. blok cylindrowy, 4. tłok roboczy, 5. płytka kolektora zasilającego, 6. tłok sterujący położeniem kątowym bloku cylindrowego, 7. śruba ograniczająca zakres ruchu tłoka sterującego. 6

7 Rys.. Przekrój przez wielotłoczkowy, osiowy silnik hydrauliczny 4. ZADANIA DO WYKONANIA 4.1. Zadanie 1: Badanie sprawności objętościowej silnika Przygotowanie stanowiska do pracy Przed przystąpieniem do pomiarów należy sprawdzić prawidłowość połączeń wg schematu. Następnie włączyć zasilanie stanowiska laboratoryjnego (poprzez włączenie wtyczki do kontaktu). Zmniejszyć zaworem 4 ciśnienie zasilania i włączyć silnik 1 napędzający pompę. Zaworem 4 ustawić na manometrze 11 właściwe ciśnienie zasilania (proponowana wartość,4 MPa). Włączyć układ pomiaru prędkości obrotowej wałka silnika 16 i 17. Włączyć przyciskiem 1 obciążenie silnika i jednocześnie zaworem 9 odciążyć silnik całkowicie - zerowe wskazanie manometru 18. Ustawić za pomocą śruby znajdującej się w tylnej części silnika odpowiedni kąt pochylenia wirnika silnika. Maksymalne położenie śruby: wykręcona całkowicie śruba (do oporu) odpowiada kątowi pochylenia wirnika, skok śruby wynosi 1,75 mm, natomiast dla 0 obrotów śruby od maksymalnego położenia. Zatem chcąc uzyskać wybrany kąt pochylenia wirnika należy skorzystać z zależności: 7

8 m 0 1, 75 ( 15 ) ( 15 ) 143 cos 143 cos ( 15 ) tg 4 gdzie: - żądany kąt pochylenia wirnika w zakresie (15 9 ), m - ilość obrotów śruby od położenia maksymalnego ( = 9). Po ustawieniu kąta, ustawiamy wielkość ciśnienia zasilania w obwodzie pochylenia wirnika, przeprowadzamy to za pomocą zaworu 6, a wartość ciśnienia odczytujemy z manometru 1 (proponowana wartość ciśnienia p = 0,6 MPa). Stanowisko jest włączone i gotowe do badań jednak czekamy do ustabilizowania się temperatury oleju w zbiorniku - termometr 19 (proponowana temperatura, przy której rozpoczynamy badania 34C) Przeprowadzenie pomiarów Pomiar przeprowadzamy w następujący sposób: Dławikiem 5 ustawiamy największą prędkość obrotową, za pomocą pompy obciążającej - regulując zaworem 9 ustawiamy żądaną różnicę ciśnień p s, jako różnicę wskazań manometru 13 p wej i manometru 14 p wyj (proponowane wartości p s = 0,8; 0,9; 1,0; 1,1 MPa). Notujemy : obroty silnika n s (miernik 17), ciśnienie p wyj i p wej (manometry 13 i 14), natężenie przepływu oleju przez silnik Q s (przepływomierz 10). Wyniki wpisujemy w odpowiednie rubryki karty pomiarowej. Powtarzamy pomiary zmniejszając prędkość obrotową n s zachowując jednak tę samą różnicę ciśnień p s co na początku. Ostatni pomiar przeprowadzamy dla zatrzymanego silnika, wtedy to założone p s ustawiamy regulując odpowiednio dławikiem 5 i mierzymy natężenie przepływu oleju przez silnik. Tak samo postępujemy dla innych założonych różnic ciśnień p s i kątów pochylenia wirnika Na podstawie otrzymanych pomiarów wyznaczamy sprawność objętościowa silnika vs : vs Q 100% gdzie: Q s - natężenie przepływu oleju przez silnik, Q - przecieki, równe Q s dla n = 0. Na podstawie tych wyników należy sporządzić wykresy vs = f(n s ), dla różnych p s i różnych oraz porównać jak zmienia się vs w zależności od n s, p s i 8

9 4.. Zadanie : Badanie sprawności ogólnej silnika Przygotowanie stanowiska do pracy Jak w zadaniu Przeprowadzanie pomiarów Pomiary przeprowadzamy w następujący sposób: Ustawiamy określoną liczbę obrotów silnika n s za pomocą dławika 5 (proponowane wartości 50, 100, 150, 00 obr/min). Obciążamy nieznacznie silnik regulując zaworem 9 korygując jednocześnie dławikiem 5 prędkość obrotową, aby była równa założonej. Notujemy: ciśnienie p wej i p wyj (manometry 13 i 14), S d ilość działek na dynamometrze 15, natężenie przepływu oleju przez silnik Q s (przepływomierz 10). Następnie powtarzamy kilkakrotnie pomiary zwiększając każdorazowo obciążenie zaworem 9, zachowując jednocześnie założoną prędkość obrotową n s. W ten sam sposób przeprowadzamy pomiary dla innych prędkości obrotowych n s i innych kątów pochylenia wirnika Na podstawie pomierzonych wielkości określamy: M s - moment rozwijany przez silnik M s = S * r gdzie: S - siła na dynamometrze pałąkowym 15. r - promień działania siły. s - sprawność całkowitą silnika z zależności: s M s ns ps Wyniki pomiarów i obliczeń notujemy w karcie pomiarów. Na podstawie wyników pomiarów sporządzić wykresy: s = f(p s ) dla różnych n s i różnych kątów oraz porównać jak zmienia się s w zależności od p s, n s i. 9