Wyznaczanie charakterystyk przepływowych elementów pneumatycznych

Transkrypt

1 Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przediotu: NAPĘDY PŁYNOWE Ćwiczenie nr: P- Wyznaczanie charakterystyk przepływowych eleentów pneuatycznych Kod przediotu: MHBMS6004, MHBMN6004 Instrukcję opracował: dr hab. inż. Zbigniew Kaiński Białystok 06

2 CEL ĆWICZENIA Cele ćwiczenia jest: ugruntowanie wiedzy z podstaw dynaiki przepływu gazów oraz zapoznanie studentów z etodyką wyznaczania paraetrów charakterystyki przepływowej eleentów pneuatycznych. SPIS TREŚCI. WPROWADZENIE Podstawy teoretyczne określania charakterystyki przepływowej Metodyka wyznaczania charakterystyki przepływowej oporu pneuatycznego PRZEBIEG ĆWICZENIA Budowa stanowiska poiarowego Metoda wyznaczania paraetrów charakterystyki przepływowej Przebieg poiarów WYMAGANIA BHP SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA PYTANIA KONTROLNE LITERATURA... 0

3 . WPROWADZENIE Opór pneuatyczny jest obok pojeności podstawowy eleente urządzeń pneuatycznych pracujących przy ciągły przepływie powietrza: zaworów, regulatorów, dysz, kryz, przewodów, urządzeń poiarowych i kontrolnych. Stosowane w pneuatycznych wysokociśnieniowych (p0,5,0 MPa układach napędowych eleenty i urządzenia stawiają opór przepływająceu struieniowi powietrza oraz posiadają pewną objętość wewnętrzną (pojeność. Charakterystyką przepływową oporu pneuatycznego nazyway zaleŝność asowego natę- Ŝenia przepływu powietrza od ciśnień przed i za opore. Znajoość charakterystyki przepływowej jest równoznaczna ze znajoością oporności eleentu. Prawidłowe określenie charakterystyki przepływowej oporu a fundaentalne znaczenie analizy i syntezy przyrządów pneuatycznych jak równieŝ badań syulacyjnych pneuatycznych układów haulcowych. Bowie w praktyce nawet złoŝone podzespoły, będące zbiore róŝnej wielkości i kształtu zaworów i kanałów, ogą być zastępowane w scheatach obliczeniowych odpowiednii idealizowanyi eleentai w postaci oporów iejscowych i pojeności skupionych... Podstawy teoretyczne określania charakterystyki przepływowej Do obliczania natęŝenia przepływu w oporach pneuatycznych stosuje się szereg wzorów teoretycznych i epirycznych określonych najbardziej typowych eleentów pneuatycznych, takich jak: dysze, opory iejscowe (kryzy, dławiki i opory liniowe (przewody, długie rurociągi - rys.. v d v d v d dysza dławik Rys.. Podstawowe rodzaje oporów pneuatycznych przewód W celu ujednolicenia opisu ateatycznego przepływu asowego struienia powietrza przez róŝne opory sprowadzono wybrane zaleŝności do postaci stosowanej adiabatycznego przepływu przez dyszę [3]: p Q ( µ A vax ϕax( σ ϕ( σ ( R T gdzie: (µa konduktancja (efektywne pole przepływu [ ], T teperatura powietrza przed opore [K], σ - stosunek ciśnienia p [Pa] za opore do ciśnienia p [Pa] przed opore, ϕ(σ bezwyiarowa funkcja przepływu, R stała gazowa, powietrza R87,4 [J/(kg K], vax aksyalna prędkość przepływu w danych warunkach vax κ R T, κ współczynnik adiabaty, ϕax(σ wartość aksyalna funkcji teoretycznej Saint Venanta i Wantzela: κ+ ax κ ϕ ( σ 0, 578 κ + Na podstawie zaleŝności ( nietrudno stwierdzić, Ŝe wyznaczanie charakterystyki przepływowej badanego eleentu sprowadza się do identyfikacji paraetrów przyjętej postaci funkcji przepływu ϕ(σ i paraetru (µa określającego jego zdolności przepływowe. Wybrane funkcje przepływu przedstawiono w tabeli. Tab.. Funkcje przepływu powietrza ϕ(σ 3

4 Nr Funkcja przepływu Postać ateatyczna Saint-Venanta i Wantzela ϕ( σ ϕ ( σ ISO 8778 ϕ( σ 3 Sanville a [5] ISO 6358 ϕ( σ σ κ κ+ κ κ ax σ ( σ σ σl σl 4 Miatluka-Awtuszki [3] ϕ( σ 5 Miatluka-Awtuszki [3] bconst,3 ( ϕ σ σ 0,5 σ σ b b σ 0 σ < 0,5 σ,3,3 σ 6 Woelke [6] a exp ( ( b σ ϕ σ σ σ L 0,53 σ 0 σ < 0,53 σ 0 σ < σ L 7 Woelke [6] ϕ( σ σ a σl a exp( bσ exp( bσ σ L σ 0 σ < σ L 8 ( κ ϕ σ σ κ+ Funkcję nr 8 otrzyano na podstawie zaleŝności Darcy ego-weisbacha adiabatycznego przepływu powietrza przez przewód [4]. Dla przepływu izotericznego κ otrzyuje się jej prostszą postać, stanowiącą podstawę etodyki stosowanej przez L. Kaińskiego []... Metodyka wyznaczania charakterystyki przepływowej oporu pneuatycznego Zastosowana etoda wyznaczania charakterystyki przepływowej eleentu pneuatycznego przebiega w dwóch etapach: pierwszy jest doświadczenie fizyczny, polegający na przepływie powietrza przez badany eleent, drugi zaś eksperyente nueryczny, w który wyznacza się liczbowe wartości poszukiwanych paraetrów.. PRZEBIEG ĆWICZENIA. Budowa stanowiska poiarowego Do wyznaczenia paraetrów charakterystyki przepływowej wykorzystuje się stanowisko badawcze skonstruowane i wykonane w Katedrze Budowy i Eksploatacji Maszyn Politechniki Białostockiej. Stanowisko to przedstawiono na rys.. Badany eleent 5 jest uieszczony na drodze przepływu powietrza iędzy dwoa zbiornikai. Przy nagły (skokowy otwarciu zaworu elektroagnetycznego 4 sprę- Ŝone powietrze wypływa ze zbiornika 3, poprzez zawór 4 i badany eleent 5 do zbiornika 6 lub do atosfery (zaleŝy to od etody badania. Otwarcie zaworu elektroagnetycznego sterowane jest urządzenie sterujący, które generuje sygnał napięciowy uruchaiający cyfrową rejestrację zian 4

5 ciśnienia w zbiorniku opróŝniany 3 i napełniany 6 oraz bezpośrednio przed badany eleente 5. Do poiaru ciśnienia zastosowano przetworniki nadciśnienia 8. 0 EMC R 9 US 8 U p U p U p Rys.. Scheat i widok stanowiska badawczego: -stacja przygotowania powietrza,,7-zawór odcinający elektroagnetyczny, 3-zbiornik powietrza (opróŝniany, 4-zawór elektroagnetyczny MVH--/, 5-badany eleent, 6-zbiornik powietrza (napełniany, 8-przetwornik ciśnienia P5RVA/0B, 9- rejestrator MC0A, 0-koputer, -urządzenie sterujące [7] W celu uproszczenia stanowiska poiarowego przyjęto etodę pośredniego poiaru natęŝenia przepływu powietrza na podstawie rejestrowanych przebiegów ciśnienia w procesie napełniania koory o stałej objętości V przez dany opór. Zakładając adiabatyczny charakter tego procesu zianę struienia asy opisano zaleŝnością: d V dp Q ( dt κrt dt 5

6 .. Metoda wyznaczania paraetrów charakterystyki przepływowej Przy opracowaniu odelu ateatycznego układu poiarowego zastąpiono go scheate obliczeniowy (rys.3. V,p Q el V,p Q V 3,p 3 (µa el Rys.3. Scheat obliczeniowy stanowiska: V40,3 0-4 [ 3 ] objętość opróŝnianego zbiornika powietrza, V [ 3 ] objętość koory pośredniej (przewodu łączącego zawór elektroagnetyczny z badany eleente, V [ 3 ] objętość napełnianego zbiornika powietrza, Qel asowy struień powietrza przepływający przez zawór elektroagnetyczny, Qa asowy struień powietrza akuulowany w objętości pośredniej, Q asowy struień powietrza przepływający przez badany eleent, (µael przewodność zaworu elektroagnetycznego, (µa przewodność badanego eleentu Wykorzystując zasadę zachowania asy układów otwartych, według której ziana asy w objętości kontrolnej jest równa bilansowi struieni wpływających (znak + i wypływających z koory (znak - otrzyujey: V dp V dp Q el Q κrt dt κrt dt + Q V 3 dp3 Q el + κrt dt Na rys. wyróŝniono dwa opory: jeden to opór skupiony zaworu elektroagnetycznego, drugi opór skupiony badanego eleentu. Zgodnie z zaleŝnością ( równania przepływu powietrza przez te opory ają postać [7]: p ( ( p3 Q µa v ϕ ϕ ax σkr (3 RT p p ( ( p Q ϕ ϕ el µa el vax σkr RT p Opisany scheat obliczeniowy został wykorzystany w drugi etapie badań do opracowania nuerycznej etody identyfikacji paraetrów charakterystyki przepływowej. Korzystając z zarejestrowanych przebiegów ciśnień pd, pd, p3d (rys.4 w objętościach V, V, V3 poszukiwano w kolejnych iteracjach przebiegu teoretycznego p3t rozwiązując nuerycznie etodą Fehlberga równanie róŝniczkowe w postaci: dp ( ( 3t κrt pd p3t µa v ϕ σ ϕ ax ax (4 dt V3 RT pd Konduktancję (µa oraz paraetry funkcji przepływu identyfikowano nuerycznie etodą bezgradientową poszukiwań prostych Hooka-Jeevesa w procesie inializacji wyraŝenia: ( p 3di p 3ti aŝ do osiągnięcia zadanej dokładności obliczeń. Stopień dopasowana krzywej ciśnienia p3d rejestrowanego i teoretycznego p3t oceniano na podstawie skorygowanej wartości współczynnika regresji nieliniowej poprawionego na stopnie swobody: (µa 6

7 R l ( p p ( p 3d p3t gdzie: l liczba istotnych współczynników równania regresji, liczba punktów doświadczalnych rejestrowanej krzywej. 3d 3t p [MPa] 0,8 0,7 0,6 0,5 pd pd p3d p3t 0,4 0,3 0, 0, 0 0 0, 0,4 0,6 0,8,,4,6,8 t [s] Rys.4. Zarejestrowane przebiegi doświadczalne ciśnień pd, pd, p3d oraz przebieg teoretyczny p3t wyznaczony z równania róŝniczkowego (5; (pokazano co 0-ty punkt poiarowy Konduktancja (µa oraz paraetry funkcji przepływu są identyfikowane nuerycznie etodą bezgradientową poszukiwań prostych Hooka-Jeevesa [] w procesie poprzez inializacji wyraŝenia: ( p 3 in Q ( ϕ ϕ d Qt in Qd (µa vax ax σkr p Stopień dopasowania zarejestrowanego Qd i teoretycznego Qt asowego struienia powietrza ocenia się na podstawie skorygowanej wartości współczynnika regresji nieliniowej poprawionego na stopnie swobody w postaci: R l 7 adj ( Q Q ( Qd Qt Ta etoda jest szczególnie przydatna do określania charakterystyki przepływowej eleentów pneuatycznych nie posiadających Ŝadnych przyłączy w kanale wylotowy (np. niektóre zawory haulcowe. Powietrze z opróŝnianego opróŝnianie zbiornika oŝe wypływać przez badany eleent bezpośrednio do atosfery, to jest z poinięcie zbiornika 3. Wówczas ciśnienie p3 jest równe ciśnieniu atosferyczneu. Do akwizycji danych poiarowych zastosowano oprograowanie standardowe rejestratora MC0A, do nuerycznej identyfikacji paraetrów uŝyto własnego, napisanego w Delphi prograu koputerowego. Do rozwiązywania równań róŝniczkowych nieliniowych i procesu inializacji wykorzystano procedury z pracy []. Inne etody wyznaczania właściwości przepływowych opisano w pracy [8]..3.Przebieg poiarów Przed poiare naleŝy: - przygotować badany eleent, wkręcając w odpowiednie gniazda przyłączki proste M x,5; d t

8 LABORATORIUM NAPĘDÓW PŁYNOWYCH - podłączyć badany eleent 5 do złącza rurowego od strony zaworu 4 i do zbiornika 6 (w przypadku badania eleentów przepływowych rys.; podłączyć źródło spręŝonego powietrza ze stanowiskie za poocą szybkozłącza przy zaknięty zaworze i otwarty zaworze 4; przeprowadzić poiar próbny w celu dobrania czasu próbkowania. W celu zrealizowania poiaru naleŝy: - - zaknąć zawór 4 wciskając czerwony przycisk urządzenia sterującego ; odkręcić zawór w celu napełnienia zbiornika 3 ze stacji przygotowania spręŝonego powietrza do ciśnienia p 0,8 [MPa]; zaknąć zawór i 7 (w przypadku badania eleentów przepływowych za poocą przełączników hebelkowych rys. 5 ; otworzyć zawór elektroagnetyczny 4, poprzez naciśnięcie ałego zielonego przycisku znajdującego się na urządzeniu sterujący US (rys.5, co jednocześnie uruchaia rejestrację zian ciśnień p, p, p3 ; po zakończeniu rejestracji zaknąć zawór elektroagnetyczny 4 za poocą ałego czarnego przycisku znajdującego się na urządzeniu sterujący US (rys.5; otworzyć zawór elektroagnetyczny 7 (w przypadku badania eleentów przepływowych aby odpowietrzyć zbiornik 6 (ciśnienie p i p3 spada do atosferycznego; zapisać wynik poiaru w pliku binarny, przy wykorzystaniu prograu MC0.exe. Rys. 5. Widok urzadzeń sterujących zaworai elektroagnetycznyi: do sterowania zawore MVH--/, do sterowania zaworai odcinajacyi dopływe powietrza do zbiorników Kolejność czynności podczas wykonywania ćwiczenia:. przygotować stanowisko badawcze do poiarów;. wykonać poiar wstępny niezbędny do zerowania przetworników ciśnienia przy panujący we wszystkich objętościach ciśnieniu atosferyczny, zapisać zbiór pod nazwą zero00; 3. wykonać poiar próbny w celu ustalenia liczby punktów poiarowych i stałej próbkowania; 4. odczytać z baroetru i teroetru ciśnienie absolutne i teperaturę otoczenia; 5. ustalić liczbę powtórzeń poiarów zadanego poziou ufności i dokładności wyników; 6. wykonać wielokrotnie poiary zian ciśnień w procesie przejściowy przepływu powietrza przez badany eleent (rys.4, zapisując kolejne pliki z wynikai pod nazwą: po0, po0, po03 itd.; 7. przygotować plik tekstowy (startowy o nazwie poiary.txt, którego listing podano poniŝej; 8

9 9 7 07e 5 zero00 po0 po0 po03 po04 po05 % wiersz: rodzaj identyfikacji (identtyp: -wg ciśnienia p3, - wg struienia; % wiersz: nr funkcji (nfunkcja: -; % 3 wiersz: teperatura w st C; % 4 wiersz: ciśnienie at w Pa; % 5 wiersz: liczba zbiorów do wczytania (bez zerowania; % 6 wiersz: nazwa zbioru z zerowanie; (zera3,zerfpttt % dalsze: nazwy zbiorów z poiarai do wczytania od po0 do po... % data:.0.00 % badany eleent: np. filtr przewodowy p- 8. dokonać identyfikacji paraetrów charakterystyki przepływowej uruchaiając progra o nazwie FFI0.pas; 9. opracować statystycznie w arkuszu kalkulacyjny wyniki badań zawarte w pliku wyniki.txt, a w ty: sprawdzić hipotezę o noralności rozkładu, sprawdzić jednorodność wyników poiarów odrzucając w razie konieczności poiary odstające, ocenić wartości oczekiwane identyfikowanych paraetrów charakterystyki przepływowej; 0. sporządzić sprawozdanie z ćwiczenia zawierające: scheat stanowiska poiarowego, równania dynaiki przepływów badanego systeu, wyniki statystyczne z przeprowadzonych badań, wykres funkcji przepływu badanego eleentu, wnioski. 3. WYMAGANIA BHP W czasie ćwiczenia naleŝy przestrzegać ogólnych zasad BHP obowiązujących w Laboratoriu Pojazdów, ze szczególny zwrócenie uwagi na obsługę urządzeń, w których zastosowano spręŝone powietrze. Kolejność postępowania ustala prowadzący zajęcia. 4. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie studenckie winno zawierać: - stronę tytułową, - cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, - porównanie przebiegów otrzyanych z poiarów i identyfikacji, - wyniki identyfikacji paraetrów charakterystyki przepływowej, - wnioski. 5. PYTANIA KONTROLNE - Czynniki wpływające na właściwości przepływowe eleentów pneuatycznych - Modele ateatyczne przepływu powietrza przez opory, - Narysować scheat stanowiska poiarowego i opisać etodę wyznaczania paraetrów charakterystyki przepływowej, - Narysować przebieg typowej funkcji przepływu, - UłoŜyć równania dynaiki pneuatycznego układu kaskadowego zadanego scheatu. 9

10 6. LITERATURA. Baron B., Marcol A., St. Pawlikowski: Metody nueryczne w Delphi 4. Helion, Gliwice Kaiński Z.: Doświadczalno-analityczne wyznaczanie charakterystyk przepływowych oporów pneuatycznych. Archiwu Autoatyki i Teleechaniki, to VIII,z.3, 963, str Miatluk M., Avtuško V.: Dinaika pnevatičeskich i gidravličeskich prividov avtoobilej. Mašinostroenije, Moskva Prudnikov S.N.: Rasčet upravlajuščich ustrojstv pnevatičeskich siste. Mašinostroenie, Moskva Sanville F.: Soe siplified flow calculations for pneuatic circuits. Hydr. Pneu. Power, 97, 8 Nr Woelke S.: Wyznaczanie funkcji wypływu powietrza dysz rzeczywistych. Hydraulika i Pneuatyka, 997/4, str Kaiński Z.: Ocena odeli ateatycznych charakterystyk przepływowych oporów pneuatycznych. Hydraulika i pneuatyka, 003, 5, s Kaiński Z.: Metody określania właściwości przepływowych eleentów pneuatycznych. Hydraulika i pneuatyka, 007, 5, s Kaiński Z.: Syulacyjne i eksperyentalne badania pneuatycznych układów haulcowych pojazdów rolniczych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 0. 0