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 6 Badanie dwudrogowego regulatora przepływu. PŁOCK 2007

2 SPIS TREŚCI 1. WPROWADZENIE BUDOWA REGULATORA PRZEPŁYWU CEL ĆWICZENIA OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO PRZEBIEG ĆWICZENIA OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW LITERATURA

3 1. WPROWADZENIE Do grupy zaworów sterujących wydajnością przepływu w układach hydrauliki siłowej zalicza się regulatory przepływu dwudrogowe i trójdrogowe. Na rys. 1 przedstawiono schematy konstrukcyjne i symbole graficzne dwudrogowego regulatora przepływu, wyjaśniające jego budowę i zasadę funkcjonowania. Regulator jest zasilany strumieniem Q 1, przy stałym ciśnieniu p 1, nastawionym za pomocą zaworu przelewowego. Strumień ten zostaje podzielony na przepływający przez regulator użyteczny strumień Q 2, zasilający odbiornik i strumień Q z odprowadzany przez zawór przelewowy do zbiornika, przy czym Q 1 =Q 2 +Q z. Rys. 1. Schematy konstrukcyjne i symbole graficzne dwudrogowego regulatora przepływu. a) z zaworem różnicowym na wyjściu, b) z zaworem różnicowym na wejściu. Zadaniem regulatora jest utrzymanie stałej wartości natężenia przepływu Q 2 na wyjściu niezależnie od ciśnienia p 2, jakie w tej gałęzi występuje. Warunkiem zaś funkcjonowania układu jest to, aby źródło zasilające układ, w którym regulator jest zainstalowany, miało wydajność Q 1 większą od natężenia przepływu strumienia regulowanego Q 2. Regulator jest konstrukcją powstałą jak wynika z rys. 1. z połączenia szeregowego zaworu dławiącego i zaworu różnicowego. Na natężenie strumienia regulowanego w decydującym stopniu wpływa zawór dławiący, na którym jest utrzymywana stała wartość spadku ciśnienia p d za pomocą zaworu różnicowego o konstrukcji suwakowej. Zawór różnicowy, utrzymując p d =const, dostosowuje samoczynnie spadek ciśnienia na szczelinie dławiącej, o przekroju przelotowym f r do wartości ciśnienia p 2 na wyjściu z regulatora

4 Na rys. 1. przedstawiono oba realizowane w praktyce układy wzajemnego usytuowania zaworów dławiącego i różnicowego. W konstrukcji wg rys. 1a zawór dławiący znajduje się przed zaworem różnicowym, natomiast w rozwiązaniu wg rys. 1b jest usytuowany za nim. Wzajemne usytuowanie obu zaworów, składających się na regulator dwudrogowy, nie ma żadnego wpływu na zasadę działania, ponieważ przy szeregowym łączeniu oporów ich suma nie zależy od kolejności składników. W układzie wg rys. 1a temperatura cieczy dopływającej do zaworu dławiącego jest bardziej stabilna, ponieważ nie zależy ona od zmian obciążenia p 2. W układzie wg rys. 1b zmiany obciążenia powodują zmianę spadku ciśnienia na zaworze różnicowym, a więc wpływają na temperaturę czynnika, a przez to na natężenie przepływu strumienia Q 2 przechodzącego przez zawór dławiący. Pod tym względem układ pierwszy jest korzystniejszy. W czasie pracy regulatora, jeśli Q 1 > Q 2, suwak zaworu różnicowego jest obciążony siłą sprężyny P s = k s (x o +x) oraz siłami pochodzącymi od ciśnień panujących przed i za zaworem dławiącym, oddziałującymi na tej samej wartości pola powierzchni czołowych tłoczka f t Równania równowagi, przyjmując oznaczenia naniesione na rys. 1. oraz pomijając siłę hydrodynamiczną i siły tarcia tłoczka w otworze, będą miały postać: dla konstrukcji wg rys. 1a ' p1 f t = p1 f t + k s ( x0 + x) (1) dla konstrukcji wg rys. 1b ' p1 f t = p2 f t + k s ( x0 + x) (2) Spadek ciśnienia na zaworze dławiącym, wyznaczający natężenie Q 2 przy niezmiennym polu powierzchni f d otworu dławiącego - będzie wynosił odpowiednio: ' k s ( x0 + x) pd = p1 p1 = (3) ft oraz ' k s ( x0 + x) pd = p1 p2 = (4) ft Ponieważ ugięcie ruchowe x jest niewielkie w porównaniu z ugięciem wstępnym sprężyny x o, dlatego można przyjąć, że p d =const, a więc także i strumień wyjściowy będzie miał stałą wartość Q 2 =const. Wartość spadku ciśnienia p d przyjmuje się zwykle od 0,2 do 1 MPa. Chodzi, bowiem o to, aby pole powierzchni f d nie było zbyt małe, a co mogłoby powodować zarastanie zaworu odkładającymi się w szczelinach cząstkami zanieczyszczeń cieczy. Przyjęcie zbyt małej wartości p d sprawia, że sprężyna zaworowa będzie zbyt miękka. Udział trudnych do określenia sił - dynamicznej i tarcia będzie wówczas zbyt znaczący w bilansie sił oddziałujących na suwak. Trudniej będzie, zatem zapewnić stabilność pracy regulatora, a więc stałość natężenia przepływu Q 2 w jego otworze wyjściowym. W regulatorach nastawnych zmianę Q 2 uzyskuje się najczęściej przez zmianę pola powierzchni przekroju f d szczeliny zaworu dławiącego, przy zachowaniu stałości spadku ciśnienia p d Zmiana napięcia wstępnego sprężyny, przy zachowaniu stałości przekroju przepływowego f d = const, nie daje możliwości zmian Q 2 w zakresie większym niż 20% natężenia nominalnego. Z rozkładu ciśnień w regulatorze (rys. 1) wynika: p1 = p2 + preg = p2 + pd + pr = const (5) - 4 -

5 Przy założeniu stałości ciśnienia na wejściu p 1, ustalonego na poziomie otwarcia zaworu przelewowego, oraz przy zmiennym obciążeniu p 2, zależnym od odbiornika, zmianie ulegać musi całkowity spadek ciśnienia na regulatorze p reg. Ponieważ spadek ciśnienia na zaworze dławiącym jest stały ( p d = const), zatem dostosowywanie się spadku p reg (tak, aby p 1 =const) jest możliwe tylko na zaworze różnicowym p r,.. Jeśli obciążenie p 2 wzrasta, to odpowiednio musi zmaleć spadek ciśnienia p r,. na zaworze różnicowym. Tłoczek dozna przesunięcia w dół powiększając odpowiednio przekrój przepływowy f r. szczeliny dławiącej. Przy zmniejszeniu się obciążenia p 2 szczelina f r zaworu różnicowego zostanie zmniejszona. Jeśli obciążenie p 2 spadnie do zera, to szczelina zaworu różnicowego zostanie całkowicie zamknięta (p 1 = p reg ). Maksymalne możliwe obciążenie odbiornika przy całkowitym otwarciu szczeliny dławiącej zaworu różnicowego ( p r = 0) wynosi: p 2 max = p 1 p d (6) W celu zapewnienia poprawnej pracy regulatora ciśnienie p 1 powinno być Jednak nieco większe od sumy p 2max + p d. Chodzi, bowiem o to, aby zawór przelewowy poprzedzający regulator, był zawsze otwarty i odprowadzał nadmiar czynnika Q z =Q 1 -Q 2. Na ogół przyjmuje się natężenie strumienia dopływającego Q 1 i większe o 2 do 3% od maksymalnego założonego natężenia przepływu Q 2 zasilającego odbiornik. Całkowita moc doprowadzona do regulatora wynosi: N = N u + N z + N reg = Q 1 p 1 (7) gdzie: N u = Q 2 p 2 - moc użyteczna na wyjściu, N z = Q z p 1 - moc tracona na zaworze przelewowym, N reg = N d + N r = Q 2 ( p d + p r ) - moc tracona na regulatorze, równa sumie strat mocy na zaworze dławiącym i na zaworze różnicowym. Na rys. 2 przedstawiono schematycznie udział poszczególnych składników w bilansie mocy, dla określonej nastawy regulatora w zależności od obciążenia p 2 odbiornika. Całkowita moc doprowadzona do regulatora nie zależy od obciążenia. Niezależne od obciążenia są również straty na zaworze dławiącym N d (prostokąt dolny) i przelewowym (prostokąt górny). Przekątna prostokąta wewnętrznego dzieli pole na moc użyteczną N u oraz na stratę N r na zaworze różnicowym, ponieważ obie wielkości są proporcjonalne do obciążenia p 2, pierwsza wprost, druga odwrotnie. Im mniejsze jest obciążenie na wyjściu z regulatora, tym większa jest strata mocy na zaworze różnicowym. Z rysunku widać, że sprawność regulatora dwudrogowego przy małym obciążeniu p 2 jest bardzo mała. Stosowanie, zatem tego typu regulatora w układach napędowych o cyklu roboczym zakładającym dłuższe okresy pracy bez obciążenia jest niewskazane

6 Rys. 2. Bilans mocy regulatora dwudrogowego Rys. 3. Charakterystyki regulatorów przepływu: a) przepływowe, b) oporów przepływu Na rys. 3a przedstawiono przykładowe charakterystyki przepływowe Q 2 =f(p 1 -p 2 ) regulatora nastawnego dla kilku nastaw pola przekroju szczeliny f d zaworu dławiącego jako parametru. Przy małej różnicy ciśnień p 1 -p 2 p d, jak wynika to z równania (5), p r = 0. Pole powierzchni f r otworu dławiącego w zaworze różnicowym jest największe, a różnica ciśnień na zaworze dławiącym zbyt mała do tego, aby suwak mógł reagować. Regulator spełnia swoją funkcję dopiero wówczas, gdy p 1 -p 2 > p d. Natężenie przepływu Q 2 otworze wylotowym jest, dla danej nastawy f d oraz założonej konstrukcją regulatora wartości p d niezależne od p 1 -p 2. Odchylenia charakterystyk od poziomu wyznaczają wartość błędu regulacji Q 2. Na rys. 3b przedstawiono charakterystyki strat ciśnienia regulatora przy przepływie w kierunku przeciwnym do normalnego. Jeśli regulator nie ma zaworu zwrotnego, to charakterystyki będą tworzyć rodzinę parabol pokrywających całe pole zawarte między krzywą 3, odpowiadającą maksymalnemu otwarciu zaworu dławiącego, a osią rzędnych, obrazującą charakterystykę przepływową zaworu całkowicie zamkniętego. Im mniejszy będzie otwór przelotowy zaworu dławiącego, tym bardziej stromy przebieg będzie miała charakterystyka oporów przepływu (krzywe 4). Dla regulatorów wyposażonych w zawór zwrotny opory przepływu, przy f d = 0, wyznacza charakterystyka zaworu zwrotnego (krzywa 2). Jeśli zawór dławiący będzie maksymalnie otwarty, f d = max to straty ciśnienia p opisywać będzie krzywa 1, powstała ze złożenia charakterystyk 2 i

7 2. BUDOWA REGULATORA PRZEPŁYWU Na rys. 4 podano przykłady rozwiązań konstrukcyjnych dwudrogowych nienastawnych regulatorów przepływu, przystosowanych do montażu przewodowego. Na rys. 4a przedstawiono konstrukcję regulatora typu ZW1, zaprojektowanego przez Kombinat PZL-HYDRAL, Wrocław, a na rys.4b - konstrukcję firmy REXROTH (RFN). W dzielonej obudowie 1 znajduje się ruchomy suwak wydrążony 2, będący pod naciskiem sprężyny 3 utrzymującej go w skrajnym lewym położeniu. W kierunku przepływu regulowanego (od A do B) ciecz przepływa przez dyszę dławiącą 4, o stałym polu powierzchni przekroju przepływowego i z kolei przez otwory promieniowe w suwaku i w obudowie do otworu wypływowego B. Spadek ciśnienia w otworze dławiącym 4 sprawia, że suwak 2 przemieszcza się w prawo. Jeśli ustalone dla regulatora natężenie przepływu wzrasta, to zwiększy się również różnica ciśnień oddziałujących na suwak w wyniku, czego dozna on dalszego przemieszczenia w kierunku przeciwnym niż siła oddziaływania sprężyny. Wiąże się to z dalszym zmniejszeniem pola powierzchni otworów promieniowych 5, uniemożliwiającym wzrost natężenia przepływu ponad założoną wartość. Przy przepływie w kierunku przeciwnym (od B do A) suwak odsłania maksymalnie otwory 5. Opory przepływu przez zawór są niewielkie i wynikają, bowiem głównie ze straty ciśnienia na otworze dławiącym 4. Rys. 4. Dwudrogowe nienastawne regulatory przepływu: a) ZW1 (produkcji krajowej), b) typu 2FB (REXROTH, RFN); 1 obudowa, 2 suwak, 3 sprężyna, 4 otwór dławiący, 5 otwory promieniowe

8 3. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: zapoznanie się z budową i zasadą funkcjonowania dwudrogowego regulatora przepływu, badanie dwudrogowego regulatora przepływu i wyznaczenie jego charakterystyk, przeprowadzenie oceny działania badanego dwudrogowego regulatora przepływu. 4. BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO Widok ogólny stanowiska badawczego przedstawiono na fot. 1. Fot. 1. Widok ogólny stanowiska do badań dwudrogowego regulatora przepływu. Schemat ideowy stanowiska przedstawiono na rys

9 Rys. 5. Schemat ideowy stanowiska do badań dwudrogowego regulatora przepływu. 5. PRZEBIEG ĆWICZENIA Pracą stanowiska oraz realizacją pomiarów steruje program komputerowy. Sygnały z czujników przesunięć kierowane są do wejść analogowych uniwersalnej karty pomiarowej i stąd poprzez złącze USB trafiają do pamięci komputera. Sygnały z wyjść analogowych karty pomiarowej wykorzystywane są do sterowania rozdzielaczem elektromagnetycznym sterującym przepływem cieczy hydraulicznej. Po wyjaśnieniach udzielonych przez prowadzącego należy przystąpić do wykonania ćwiczenia według następujących punktów: 1. Sprawdzić prawidłowość połączeń układu hydraulicznego stanowiska badawczego. 2. Po uzyskaniu zezwolenia od prowadzącego uruchomić silnik napędzający pompę. 3. Ustawić minimalne dławienie na zaworze dławiącym Uruchomić komputer i program sterujący. 5. Ustawić zawór przelewowy na ciśnienie ok. 0,5 MPa manometru Po ustabilizowaniu się wskazań, odczytać ciśnienie manometru 5 oraz wielkość przepływu na przepływomierzu 10 i zanotować w tabeli pomiarowej. 7. Zwiększyć ciśnienie zaworu przelewowego na ciśnienie o 0,2 MPa. 8. Po ustabilizowaniu się wskazań, odczytać ciśnienie manometru 5 oraz wielkość przepływu na przepływomierzu 3 i zanotować w tabeli pomiarowej. 9. Czynności 6 i 7 powtarzać aż do uzyskania ciśnienia manometru 1 równego 3 MPa 10. Zwiększyć dławienie na zaworze dławiącym 2, pokręcając pokrętło o 1 obrót zgodnie z ruchem wskazówek zegara. 11. Czynności 4, 5, 6 i 7 powtarzać aż do uzyskania ciśnienia manometru 1 równego 3 MPa - 9 -

10 6. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Wartości odczytane w czasie pomiarów należy umieścić w tabeli wg wzoru poniżej. Nr pomiaru p 1 [MPa] 1 0,4 2 0,6 3 0,8 4 1,0 5 1,2 6 1,4 7 1,6 8 1,8 9 2,0 10 2,2 11 2,4 12 2,6 13 2,8 14 3,0 1 0,4 2 0,6 3 0,8 4 1,0 5 1,2 6 1,4 7 1,6 8 1,8 9 2,0 10 2,2 11 2,4 12 2,6 13 2,8 14 3,0 p 2 p=p 1 -p 2 [MPa] [MPa] Obciążenie minimalne Obciążenie zwiększone Q [l/min] Sprawozdanie powinno zawierać schemat badanego regulatora przepływu i stanowiska badawczego, sposób wykonania pomiarów, tabelę z wynikami i obliczeniami i charakterystyki Q = f( p). Na koniec należy przeprowadzić analizę uzyskanych wyników oraz podać wnioski dotyczące działania badanego regulatora przepływu

11 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