Intrukcja o ćwiczeń laboratoryjnych Sterowanie ławieniowe-równoległe rękością ruchu obiornika hyraulicznego
Wtę teoretyczny Niniejza intrukcja oświęcona jet terowaniu ławieniowemu równoległemu jenemu ze oobów terowania rękością obiornika hyraulicznego, jakim jet iłownik lub ilnik. Poobnie jak terowanie ławieniowe zeregowe, terowanie ławieniowe równoległe olega na orowazaniu części trumienia cieczy oawanego rzez omę bezośrenio o zbiornika, w wyniku czego można terować trumieniem cieczy kierowanej o obiornika hyraulicznego i w konekwencji terować jego rękością. W oróżnieniu o terowania ławieniowego zeregowego, w terowaniu ławieniowym równoległym natawny zawór ławiący nie wółracuje z zaworem makymalnym. W orawnie ziałającym ukłazie tego tyu zawór makymalny owinien ocza normalnej racy ukłau zamknięty i ełnić funkcję zaworu bezieczeńtwa, a nie rzelewowego. W terowaniu ławieniowym równoległym natawny zawór ławiący umiezcza ię w ogałęzieniu rzewou łączącego omę z obiornikiem hyraulicznym, a więc równolegle o obiornika. Najrotzy ukła hyrauliczny ze terowaniem ławieniowym równoległym zotał rzetawiony na ryunku 1. Ry. 1. Schemat rotego ukłau hyraulicznego ze terowaniem ławieniowym równoległym Korzytając z ryunku 1 rzyjrzymy ię bliżej itocie terowania ławieniowego równoległego. Strumień jaki oaje oma rozziela ię na wa mniejze trumienie trumień łynący bezośrenio o zbiornika rzez natawny zawór ławiący oraz trumień kierowany o ilnika hyrotatycznego. Jeżeli natężenia rzeływu oawane w m 3 / kolejno ozczególnych trumieni oznaczymy jako,,, to zależność tę możemy oiać wzorem (1). ( 1 ) Załóżmy, że w zaworze ławiącym wytęuje rzeływ turbulentny, który może być oiany wzorem (2) (oobny wzór la rzeływu laminarnego znajuje ię w intrukcji otyczącej terowania ławieniowego zeregowego), w którym k jet wółczynnikiem 1
zależnym o kztałtu gniaza i trzienia oraz o właności cieczy, f jet olem owierzchni zczeliny ławiącej, jet różnicą ciśnień rze i za zaworem. kf ( 2 ) W natawnym zaworze ławiącym możemy zaawać określoną owierzchnię rzeływu f, rzy omocy rzeunięcia trzienia, co okłaniej zotało oiane w intrukcji otyczącej terowania ławieniowego zeregowego. Tak więc utrzymując tałą różnicę ciśnień mamy bezośreni wływ na natężenie rzeływu jakie łynie rzez zawór ławiący. Ciśnienie za zaworem jet zbliżone o atmoferycznego, gyż ciecz łynie bezośrenio o zbiornika. Ciśnienie rze zaworem natomiat jet ściśle uzależnione o obciążenia ilnika hyrotatycznego. Natężenie rzeływu kierowane o ilnika można rzetawić wzorem (3). kf ( 3 ) Przy omięciu oorów rzeływu w rzewoach aek ciśnienia na zaworze ławiącym równy jet ciśnieniu ochozącemu o obciążenia ilnika. W alzych rozważaniach wykorzytajmy wzory wiążące rękość ilnika lub iłownika z natężeniem rzeływu jakie łynie rzez te elementy oraz wiążące różnicę ciśnień rze i za iłownikiem lub ilnikiem z iłą lub momentem. Zależności te okłanie zotały oiane w intrukcji otyczącej terowania ławieniowego zeregowego. Potawiając te wzory o zależności (3) otrzymamy zależność wiążącą rękość ilnika z olem owierzchni zczeliny ławiącej, która rzetawiona jet wzorem (4). Potęując oobnie z iłownikiem otrzymamy zależność (5). n 1 q ( kf 2 M q ) ( 4 ) v 1 A ( kf F A ) ( 5 ) Należy określić, że zależności te nie obejmują zjawik związanych z charakterytyką omy ( maleje wraz ze wzrotem ciśnienia), charakterytyką ilnika oraz z oorami rzeływu w rzewoach (lub elementach rzy barziej komlikowanym ukłazie). Tak więc zależności (3) i (4) łużą jeynie o zgrubnego ozacowania rękości obiornika hyraulicznego. Warto zauważyć jenak, że gyby brać o uwagę te wzytkie czynniki to muielibyśmy ułożyć barziej komlikowany ukła równań, który utruniałby zrozumienie itoty terowania ławieniowego równoległego. Z zależność (3) i (4) wiać, że zachowując tałe obciążenie iłownika w tounkowo roty oób możemy terować rękością obiornika hyraulicznego za omocą zmiany zczeliny ławiącej f w zaworze ławiącym. Załóżmy, że elementem wykonawczym w ukłazie hyrotatycznym z ryunku 1 jet ilnik, na którego wał jet nawinięta lina na której zawiezona jet maa. Silnik ten ma więc tałe obciążenia. Makymalną rękość ilnika hyrotatycznego uzykamy wówcza, gy zawór ławiący bęzie zamknięty - f = 0. Natężenie rzeływu rzez ilnik równe bęzie natężeniu rzeływu =. Natęnie toniowo otwierając zawór zwiękzamy ole owierzchni zczeliny zaworu ławiącego w wyniku czego więcej cieczy łynie rzez zawór 2
ławiący, a mniej cieczy łynie o ilnika i jego rękość aa. Prękość ilnika anie o zera w momencie, gy rzeływ jaki oaje oma bęzie równy rzeływowi jaki łynie rzez zawór, wynikający z różnicy ciśnień rze i za zaworem: kf 2 M q.o tego momentu alze zwiękzanie zczeliny ławiącej bęzie owoowało ruch ilnika w rugą tronę wymuzony obciążeniem. Dlatego też rękość ilnika liczona ze wzoru (4) bęzie ujemna. Przez zawór ławiący rzeływać bęzie uma trumieni: o omy oraz o ilnika. Ukła oobny o oiywanego w tym akaicie znajuje ię w intrukcji ierwzej, z tym że zamiat ilnika obecny jet iłownik. Przeanalizujmy jezcze ukła z obciążonym iłownikiem, który znajuje ię w krajnym olnym ołożeniu ja to obrazuje ryunek 2. Przy całkowitym otwarciu zaworu ławiącego cała ciecz o omy łynie rzez ten zawór. Ciśnienie rze zaworem ławiącym jet wtey równe: ( kf 2 ) i wynika tylko z oorów rzeływu rzez zawór ławiący. Doiero, gy zczelina ławiąca bęzie na tyle mała, że ciśnienie ochozące o oorów rzeływu całego trumienia jaki izie o omy bęzie więkze niż ciśnienie wynikające z obciążenia iłownika natąi oział trumienia i iłownik zacznie ię rzeuwać. Ry. 2. Schemat ukłau ze terowaniem ławieniowym równoległym, gzie elementem wykonawczym jet iłownik Poobnie jak rzy terowaniu ławieniowym zeregowym, zaaę terowania ławieniowego równoległego można zobrazować tworząc oowieni wykre we wółrzęnych oraz i nakłaając na niego charakterytyki elementów hyraulicznych. Zotało to rzetawione na ryunku 3 3
Ry. 3. a) Schemat hyrauliczny ukłau ze terowaniem ławieniowym równoległym wraz z oznaczeniami wielkości b) Wykre obrazujący itotę terowania ławieniowego równoległego; [2] Na wykreie z ryunku 3 również nakłaa ię charakterytyki związane z omą rota 1 oraz zaworem rzelewowym (w tym rzyaku bezieczeńtwa) rota 2. Jenak tutaj w oróżnieniu o wykreu la terowania ławieniowego równoległego te wie rote nie tanowią zbioru unktów racy, ale ograniczają obzar, w których mogą być te unkty. Prota 3 oobnie jak rzy terowaniu ławieniowym zeregowym obrazuje ciśnienie rze ilnikiem hyrotatycznym. Prota 4 jet natomiat charakterytyką rzeływową ukłau obrazującą wzrot oorów rzeływu ocza wzrotu natężenia rzeływu. Należy zwrócić uwagę na fakt, że krzywej 4 nie możemy zmieniać jak to miało miejce rzy terowaniu łąwieniowym zeregowym. Sterować możemy natomiat kztałtem krzywej 5, zmieniając ole owierzchni rzeływowej rzez zawór ławiący. Krzywa ta jet wyrowazona z unktu g=gt i jet lutrzanym obiciem normalnych charakterytyk rzeływowych. Jet to owoowane tym, że rzeływ jet ujemny w tounku o (atrz wzór (1)), czyli ten trumień cieczy o omy, który nie ołynie o ilnika ołynie rzez zawór ławiący. Tak więc unkt rzecięcia ię krzywych 4 i 5 jet unktem racy ukłau Warto zwrócić uwagę, że rzy orawnym ziałaniu ukłau unkty racy nie owinny leżeć na rotej 2 (znaczyłoby to o otwarciu zaworu rzelewowego). Mogą natomiat one leżeć na rotej 1, co oznacza całkowite zamknięcie zaworu ławiącego (krzywa 5 rzechozi w rotą ionową =0). Sójrzmy jezcze na krzywą 5. Im barziej rzyławimy zawór tym barziej ona rzeuwa ię w lewo i tym barziej jet ona troma, w wyniku czego unkt racy rzeunie ię w rawo, co bęzie kutkować wzrotem i akiem. Jeżeli natomiat oławimy zawór krzywa 5 rzeunie ię w lewo o krzywej 5, co bęzie kutkować akiem i wzrotem. Graniczne oławienie zaworu obrazuje krzywa 5. Natężenie rzeływu kierowane o ilnika jet równe 0, gyż ciśnienie rze ilnikiem owoowane oorami rzeływu rzez zawór ławiący nie jet w tanie okonać obciążenia iłownika. Rozważmy jezcze rawy energetyczne ukłau ze terowaniem ławieniowym równoległym. Pocza racy ukłau oma racuje cały cza z jenakową wyajnością, jenak ciśnienie omy zależy o obciążenia iłownika oraz o oorów rzeływu w ukłazie. Ryunek 4 rzetawia charakterytykę racy ukłau wraz z nanieionymi rotokątami owzorowywującymi ozczególne moce. 4
Ry. 4. Przykłaowa charakterytyka la terowania ławieniowego równoległego wraz z oziałem na rotokąty obrazujące ane moce; [2] Niezakrekowany rotokąt w lewym olnym rogu ukłau rzetawia moc z jaką racuje obiornik hyrauliczny. Najwiękzy rotokąt obrazuje moc z jaką racuje oma. Srawność całkowita ukłau jet tounkiem ola małego rotokąta o ola użego rotokąta. Wiać wyraźnie, że jakkolwiek nie jet ona zbyt wyoka to jenak jet użo wyżza niż rzy terowaniu ławieniowym zeregowym. Zakrekowane rotokąty oznaczają kolejno traty mocy: NR traty mocy wywołane oorami rzeływu na linii oma obiornik, Ngv traty mocy wywołane rzeciekami omy, Nv traty mocy wywołane rzeciekami na ilniku hyrotatycznym, Nv traty mocy wywołane rzeływem cieczy rzez zawór ławiący bezośrenio o zbiornika. Straty mocy Nv ą tak zwanymi tratami trukturalnymi, związanymi ze trukturą ukłau, a nie z charakterytykami i włanościami ozczególnych elementów. Pytanie o amozielnego rzeanalizowania: Które rotokąty na ryunku otyczącym raw energetycznych w terowaniu ławieniowym zeregowym (orzenie ćwiczenie) otyczą trukturalnych trat mocy zależnych o właściwości ukłau, a które ą tylko tratami na elementach ukłau? Poobnie jak w terowaniu ławieniowym zeregowym, w terowaniu ławieniowym równoległym rękość obiornika hyraulicznego zależy o jego obciążenia. Dla jenakowej zczeliny ławiącej, ale la wóch różnych obciążeń otrzymamy wie różne rękości obiornika, o czym można ię rzekonać otawiając o wzorów (4) lub (5) różne iły lub momenty. Na charakterytyce z ryunku 3 zmiana obciążenia kutkuje rzeunięciem ię w górę lub ół krzywej 4. Aby komenować wływ zmian obciążenia na zmiany rękości obiornika hyraulicznego touje ię regulatory rzeływu. Przykła zatoowania wurogowego regulatora rzeływu w konfiguracji ławieniowej równoległej rzetawia ryunek 5. 5
Ry. 5. Schemat rotego ukłau hyraulicznego z regulacją ławieniową równoległą z użyciem wurogowego regulatora rzeływu; [2] Regulacja ławieniowa zeregowa z wykorzytaniem wurogowego regulatora rzeływu omimo gorzej rawności niż regulacja ławieniowa równoległa ma jenak jeną barzo itotną rzewagę. Przy regulacji zeregowej reguluje ię trumień cieczy łynącej o ilnika lub iłownika, co zczególnie wiać jeśli regulator jet bliko obiornika. Przy regulacji ławieniowej równoległej reguluje ię trumień cieczy uuzczanej o zbiornika, a trumień cieczy łynącej o obiornika zależy nie tylko trumienia uuzczanego, ale także o trumienia łynącego o omy. Tak więc rzy regulacji ławieniowej równoległej wływ charakterytyki omy (oraz n. trat objetościowych na innych elementach) na rękość iłownika lub ilnika jet znaczny. Aby wyeliminować ten roblem można toować trójrogowe regulatory rzeływu. Na ryunku 6a) znajuje ię urozczony i zczegółowy chemat trójrogowego regulatora rzeływu, na ryunku 6b) natomiat znajuje ię rzykłaowy ukła hyrauliczny z wykorzytaniem tego elementu. Zaaa ziałania tego elementu jet taka, że na natawnej zczelinie ławiącej utrzymywany jet zawze taki am aek ciśnienia, w wyniku tego natężenie rzeływu rzez nią zależne jet tylko o ola jej owierzchni. Utrzymywanie tałego obywa ię orzez uuzczanie określonej ilości cieczy o zbiornika rze zczeliny ławiącej z wykorzytaniem zaworu różnicowego. Przykłaowo jeśli ciśnienie ilnika wzrośnie to wzrośnie również ciśnienie za zczeliną ławiącą co kutkowałoby akiem, a w konekwencji akiem natężenia rzeływu. Dlatego też ciśnieniowe rzężenie zwrotne owouje rzyławienie zczeliny zaworu różnicowego i w konekwencji aek trumienia uuzczanego o zbiornika oraz wzrot i natężenia rzeływu łynącego o obiornika o orzeniej wartości. Ten rozaj regulacji ma użo więkzą okłaność o terowania ławieniowego równoległego z użyciem wurogowego regulatora rzeływu, gyż zawór ławiący, na którym utrzymywanie jet tały aek ciśnienia jet włączony o ukłau zeregowo. Regulowane jet więc natężenie rzeływu kierowane o obiornika hyraulicznego,a anie o zbiornika. Z rugiej jenak trony rawność tego rozwiązania jet nieco niżza, gyż ciśnienie omy mui być zwiękzone o oatkową wartość. Wynoi ona rzeważnie mniej niż 0,5MPa, tak więc ta trata mocy jet użo mniejza niż trata mocy wynikająca z uuzczania określonego trumienia cieczy bezośrenio o zbiornika. 6
Ry. 6 a) Schemat urozczony i zczegółowy trójrogowego regulatora rzeływu; b) rzykła regulacji ławieniowej równoległej z użyciem tego elementu; [1], [2] Pytanie o amozielnego rzeanalizowania: Czy trójrogowy regulator rzeływu może racować na oływie? Dlaczego? Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jet zaoznanie ię z itotą terowania ławieniowego równoległego oraz wyznaczenie la rzykłaowego ukłau ze terowaniem ławieniowym równoległym zależności mięzy rękością obrotową ilnika hyrotatycznego a rawnością całkowitą ukłau la różnych obciążeń iłownika. Przebieg ćwiczenia Należy zmontować ukła hyrauliczny rzetawiony na ryunku 7. Zaoberwować zmiany rękości ilnika wraz ze zmianą zczeliny ławiącej natawnego zaworu ławiącego włączonego równolegle w ukła la różnych obciążeń ilnika. 7
obc M obc Ry. 7 Schemat ukłau hyraulicznego o baań rawności w terowaniu ławieniowym równoległym Silnik obciążany w oób natęujący: ołączony jet on z omą która zayając ciecz z oatkowego zbiornika tłoczy ją rzez zawór ławiący z owrotem o niego. Pytanie o amozielnego rzeanalizowania: Czego brakuje w ukłazie hyraulicznym rzeznaczonym o obciążenia ilnika? Czy montowanie takiego ukła hyraulicznego jet ouzczalne? Na co należy uważać rzy wykonywaniu tego ćwiczenia? Po zmontowaniu ukłau należy wykonać natęujące czynności: 1. Otworzyć zawór ławiący rzeznaczony o obciążania ilnika. 2. Natawić zczelinę zaworu ławiącego łużącego o terowania rękością na makymalną 3. Uruchomić ukła 4. Zamknąć zawór ławiący łużący o terowania rękością 5. Utawić ciśnienie obciążenia obc na wartość 1,5 MPa. 6. Zmierzyć ciśnienie rzy omie, ciśnienie rze ilnikiem, cza zmiany objętości zbiornika o określoną wartość (n 0,5 litra), aby moc obliczyć natężenie rzyływu jaki łynie rzez ilnik hyrotatyczny. 7. Stoniowo oławiając zawór ławiący łużący o terowania równoległego wykonać erię omiarów określonych w unkcje 6. Przy każym omiarze należy ilnować, aby ciśnienie obciążenia miało tała wartość!!! 8. Dla ciśnień obciążenia 2MPa, 2,5MPa oraz 3MPa (zamiat 1,5 MPa) wykonać czynności z unktów 4-7 8
Pytanie o amozielnego rzeanalizowania: Jak wygląa charakterytyka obciążenia la ilnika, który jet wykorzytywany w ćwiczeniu laboratoryjnym? Czym różni ię ona o charakterytyki obciążenia z ryunków 3 oraz 4? Dlaczego za każym razem trzeba zmieniać natawę zaworu ławiącego w ukłazie obciążenia, aby utrzymać tałe ciśnienie obciążenia? Wytyczne o rawozania Należy orzązić wykre zależności mięzy rękością obrotową ilnika hyrotatycznego, a rawnością całkowitą tego ukłau la czterech różnych wartości obciążenia ilnika. Do obliczeń należy rzyjąć natęujące ane: a) Obroty omy n=1500 obr/min b) Najmniejza wyajność jenotkowa omy (rzy makymalnym ciśnieniu równym 7MPa) q=4,3 cm 3 /obr c) Chłonność jenotkowa ilnika q=5 cm 3 /obr W tabeli omiarowej owinny znaleźć ię la każego unktu omiarowego natęujące wielkości: a) Ciśnienie za omą [MPa] b) Ciśnienie rze ilnikiem [MPa] c) Moment obciążenia ilnika M [Nm] liczony ze wzoru: M q 2 ) Wzrot objętości zbiornika V [m 3 ] e) Cza o którym natąiła zmiana objętości t [] f) Natężenie rzeływu cieczy wyływającej ze zbiornika [m 3 /min] liczone ze wzoru: V t g) Prękość obrotowa ilnika hyrotatycznego n [obr/min] obliczona ze wzoru: n q h) Moc wejściowa o ukłau oawana rzez omę Nw [kw], liczona ze wzoru: N w, gzie można oliczyć ze wzoru: n q i) Moc wyjściowa z ukłau wykorzytywana rzez ilnik Nu [kw] N u j) Srawność ukłau η oawana w rocentach liczona ze wzoru: N N u w *100% 9
W rawozaniu należy orzązić jeen wykre, na którym mają być rzetawione cztery krzywe obrazujące zależność mięzy rawnością, a rękością obrotową ilnika la różnych obciążeń ilnika. Srawozanie należy wykonać w formie elektronicznej i zakończyć je wniokami. Uwaga!!! Wzytkie obliczenia owinny być wykonywane o rowazeniu jenotek o ukłau SI. Literatura 1. Stryczek S.: Naę hyrotatyczny, tom I elementy Wyawnictwo Naukowo- Techniczne Warzawa 2003 2. Stryczek S.: Naę hyrotatyczny, tom II ukłay Wyawnictwo Naukowo- Techniczne Warzawa 2003 10