Napd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne Hydraulika wykład 3 Układ hydrauliczny Ogólny schemat blokowy układu hydrostatycznego Układ hydrauliczny Przekazywanie poszczególnych form energii: 1. dostarczanie energii mechanicznej do układu przez silnik elektryczny, cieplny lub za pomoc napdu rcznego, 2. zamian energii mechanicznej na energi cinienia, nazywan inaczej energi hydrauliczn, zamiana ta zachodzi w pompie hydraulicznej, 3. przekazywanie energii hydraulicznej za pomoc przewodów i elementów sterujcych, reagujcych na zewntrzne lub wewntrzne sygnały sterujce prac układu, sygnały te mog mie róny charakter fizyczny: elektryczny, mechaniczny, hydrauliczny oraz pneumatyczny, 4. zamian energii hydraulicznej na mechaniczn, zamiana ta zachodzi w hydraulicznym silniku obrotowym lub siłowniku hydraulicznym, 5. przekazywanie energii mechanicznej do elementów maszyny roboczej, wykonujcych prac uyteczn. 1
Układ hydrauliczny W zwizku z tym w kadym układzie hydrostatycznym moemy wyróni elementy zaliczane do jednej z poniszych czterech grup: 1. pompy, czyli elementy zamieniajce dostarczon z zewntrz energi mechaniczn na energi cinienia cieczy roboczej, 2. elementy sterujce, jest to bardzo rozbudowana grupa do której zaliczamy elementy sterujce: kierunkiem przepływu, cinieniem, nateniem przepływu, kierunkiem i nateniem przepływu oraz magazynujce energi, 3. silniki hydrauliczne obrotowe i siłowniki hydrauliczne, czyli elementy zamieniajce dostarczon energi hydrauliczn na energi mechaniczn i przekazujce j do napdzanego urzdzenia, 4. elementy pomocnicze, czyli elementy, które nie bior udziału w funkcjach napdowych i sterujcych prac układu, jednak ich obecno warunkuje połczenie elementów i poprawne działanie układu, Zaliczamy do nich: przewody sztywne i elastyczne, zbiorniki, filtry, chłodnice, nagrzewnice i elementy pomiarowe. Zastosowanie - przekładnia hydrostatyczna wałek napdowy pompy pompa, płyta przyłczeniowa pompy 7 - zbiornik, 8 - blok elementów sterujcych, 9 - zawory maksymalne, 10 filtr spływowy, 11 - rozdzielacz, płyta przyłczeniowa silnika silnik hydrauliczny A-P - przewód tłoczny pompy, B1-B - przewód tłoczny silnika, A-A1 przewód spływowy silnika, T1 - przewód spływowy układu, T2 przewody odprowadzenia przecieków, S przewód ssawny pompy wałek odbiorczy silnika Zastosowanie -układ z siłownikiem tłokowym 1 - pompa, 5 - siłownik tłokowy, 2 - zbiornik, 6 - rozdzielacz, 3 - zawór zwrotny, 7 zawór dławicy 4 - zawór maksymalny, Pompa w układzie z zaworem dławicym musi dysponowa nadwyk wydajnoci w stosunku do potrzeb siłownika, nadwyka ta jest odprowadzana do zbiornika za pomoc zaworu maksymalnego! Zawór maksymalny odprowadzajcy ciecz w sposób cigły przez cały czas pracy pompy lub cz tego czasu nosi nazw zaworu przelewowego. 2
Zastosowanie -układ z siłownikiem tłokowym Schemat funkcjonalny Schemat konstrukcyjny 1 - pompa, 2 - zbiornik, 3 - zawór zwrotny, 4 - zawór maksymalny, 5 - siłownik tłokowy, 6 - rozdzielacz, 7 zawór dławicy POMPY WYPOROWE Zasada działania pompy wyporowej polega na przetłaczaniu dawek cieczy z przestrzeni ssawnej do tłocznej za pomoc elementów wyporowych. Wielko dawki okrelona jest wymiarami komory wyporowej. Warunkiem koniecznym działania pomp wyporowych jest: - szczelne oddzielenie przestrzeni ssawnej i tłocznej, - szczelno midzy komor a elementem wyporowym. POMPY WYPOROWE podział 1 W zalenoci od rodzaju ruchu elementów wyporowych mona pompy sklasyfikowa w nastpujcy sposób: 1. Pompy o ruchu obrotowym elementów wyporowych (rotacyjne). 1.1. Pompy zbate. o zazbieniu zewntrznym, o zazbieniu wewntrznym. 1.2. Pompy rubowe. 1.3. Pompy łopatkowe. z łopatkami wirujcymi, z łopatkami nie wirujcymi. 2. Pompy o ruchu posuwisto-zwrotnym elementów wyporowych (wielotłoczkowe). 2.1. Pompy promieniowe. z tłoczkami wirujcymi, z tłoczkami nie wirujcymi. 2.2. Pompy osiowe. z wychylnym wirnikiem, z wychyln tarcz. 3
POMPY WYPOROWE podział 1 POMPY WYPOROWE podział 2 W zalenoci od moliwoci zmiany wydajnoci podczas pracy, moemy dokona nastpujcego podziału pomp: 1. Pompy o stałej wydajnoci. 2. Pompy o zmiennej (nastawialnej) wydajnoci. Moliwo zmiany wydajnoci podczas pracy pompy zwizana jest z koncepcj jej rozwizania konstrukcyjnego i rozpatrywana jest wyłcznie przy stałej prdkoci obrotowej wałka napdowego. Tak wic pompy zbate i rubowe budowane s wyłcznie jako jednostki o stałej wydajnoci, natomiast pozostałe typy pomp mog by budowane w obu wariantach, a wic o stałej lub o zmiennej (nastawialnej) wydajnoci. * rzadko stosowane rozwizanie - zmiana prdkoci obrotowej silnika napdzajcego pomp POMPY WYPOROWE podział 3 Przyjmujc jako kryterium podziału liczb niezalenych strumieni cieczy, pompy moemy podzieli na dwie grupy 1. Pompy jednostrumieniowe. 2. Pompy wielostrumieniowe. * Pompy wielostrumieniowe słu do niezalenego zasilania rónych obwodów hydraulicznych lub do zasilania tego samego obwodu w celu uzyskania stopniowanej zmiany prdkoci roboczych silnika hydraulicznego lub siłownika. * Wydajnoci poszczególnych sekcji mog by jednakowe lub zrónicowane. * Pompy wielostrumieniowe zestawia si z jednostek zbatych, łopatkowych lub wielotłoczkowych promieniowych, moliwe s take róne kombinacje w zestawianiu wymienionych jednostek. * Charakterystyczn cech pomp wielostrumieniowych jest ich napd za pomoc jednego silnika i przekazywanie tego napdu midzy jednostkami. 4
Pompy wyporowe - parametry Kada pompa wyporowa ma trzy podstawowe parametry ruchowe, decydujce o przydatnoci w konkretnym układzie hydrostatycznym, mianowicie: wydajno nominalna Q p [m 3 /s], cinienie nominalne p p [atm], nominalne zapotrzebowanie mocy N p [W]. Wydajno nominalna Q p [m 3 /s] Wydajnoci pompy nazywamy ilo cieczy roboczej dostarczonej do przewodu tłocznego w jednostce czasu. Teoretycznie wydajno nie zaley od cinienia i wynika jedynie z wymiarów geometrycznych pompy oraz prdkoci obrotowej z jak jest napdzana. W praktyce, wskutek przecieków cieczy przez szczeliny midzy czciami pompy, wydajno maleje ze wzrostem cinienia. Wydajnoci nominaln nazywamy wydajno przy nominalnej prdkoci obrotowej i nominalnym cinieniu. Q p = ε p q p n p η vp Q p - wydajno pompy [m 3 /s], ε p - współczynnik nastawialnoci wydajnoci, dla pomp o stałej wydajnoci wynosi on ε p = 1, dla pomp o zmiennej wydajnoci wynosi on 0 <= ε p < = 1, q p - wydajno jednostkowa, czyli maksymalna moliwa do osignicia ilo cieczy podana do przewodu tłocznego w trakcie jednego obrotu wałka napdowego przy cinieniu tłoczenia równym cinieniu ssania [m 3 /obr] ( nazywana jest równie wydajnoci właciw lub geometryczn objtoci robocz) n p - prdko obrotowa wałka napdowego pompy [obr/s], η vp - sprawno objtociowa, inaczej wolumetryczna, czyli współczynnik uwzgldniajcy straty cieczy w pompie Wydajno nominalna Q p [m 3 /s] Q p = ε p q p n p η vp η vp - sprawno objtociowa, inaczej wolumetryczna, czyli współczynnik uwzgldniajcy straty cieczy w pompie Sprawno ta maleje ze wzrostem obcienia pompy i jest zwykle wyznaczana eksperymentalnie w funkcji tego obcienia, Obcienie to zapisujemy wzorem p p = p tł - p ss p tł - cinienie w przewodzie tłocznym pompy [Pa], p ss - cinienie w przewodzie ssawnym pompy [Pa]. 5
Cinienie nominalne p p [atm] Cinieniem nominalnym nazywamy najwysz warto cinienia długotrwałej pracy pompy. Nie oznacza to wcale, e pompa musi zawsze pracowa przy cinieniu nominalnym. Jeeli w układzie hydrostatycznym bdzie wymagane cinienie nisze, to pompa bdzie równie pracowa poprawnie. Naley jednak pamita, e przy zbyt niskim cinieniu roboczym w stosunku do nominalnego sprawno ogólna pompy bdzie bardzo mała. Ponadto istnieje moliwo przecienia pompy cinieniem wyszym od nominalnego, jednak takie przecienie moe odbywa si wyłcznie w sposób podany przez producenta w katalogu firmowym. Rozpatrujc zagadnienie cinienia w układzie hydrostatycznym naley mie na uwadze, e jakkolwiek cinienie jest wytwarzane przez pomp, to jego warto zaley od: - obcienia silnika lub siłownika, - koncepcji jego rozwizania konstrukcyjnego i wymiarów, - sprawnoci hydrauliczno-mechanicznej - strat cinienia w przewodach i elementach układu. Atmosfera fizyczna (normalna) 1 atm = 0.101325 MPa = 1.01325 bar Nominalne zapotrzebowanie mocy N p [W] Zapotrzebowaniem mocy nazywamy moc, jak naley dostarczy do pompy w celu wytworzenia wydajnoci Q p przy obcieniu p p (bdcym rónic cinie midzy przewodem tłocznym i ssawnym). Q p N = p p p η N p - zapotrzebowanie mocy [W], p p p - obcienie pompy [Pa], η p - sprawno ogólna pompy, nazywana równie sprawnoci całkowit, Sprawnoogólna pompy to współczynnik uwzgldniajcy nastpujce straty w pompie: - objtociowe (wolumetryczne), - hydrauliczne (cinienia), - mechaniczne (tarcia). η p = η vp η hp η mp = η vp η hm η vp - sprawno objtociowa, inaczej wolumetryczna, η hp - sprawno hydrauliczna pompy, η mp - sprawno mechaniczna pompy, η hm - sprawno hydrauliczno-mechaniczna pompy. * W praktyce mona eksperymentalnie wyznaczy sprawno ogóln i objtociow w funkcji obcienia pompy. Wydajnoci jednostkowe q p [m 3 /obr] Q p = ε p q p n p η vp Wydajno jednostkowa pompy zwizana jest z koncepcj jej rozwizania konstrukcyjnego. Warto wydajnoci jednostkowej wyznacza si zwykle na drodze eksperymentalnej lub orientacyjnie ze wzorów. np. dla pompy zbatej o zazbieniu zewntrznym q p = π m z b h ε p = 1 m - moduł, z - liczba zbów koła zbatego, b - szeroko koła zbatego (mierzona prostopadle do płaszczyzny rysunku), h - wysoko zba. 6
Pompy hydrauliczne rozwizania konstrukcyjne Pompa zbata o zazbieniu zewntrznym Pompa rubowa Pompa zbata o zazbieniu wewntrznym z wkładk sierpow Pompa łopatkowa pojedynczego działania Pompa o zazbieniu wewntrznym bez wkładki sierpowej (gerotorowa) Pompa łopatkowa Podwójnego działania Pompy hydrauliczne rozwizania konstrukcyjne Pompa tłoczkowa promieniowa z tłoczkami wirujcymi Pompa tłoczkowa osiowa z wychylnym wirnikiem Pompa tłoczkowa promieniowa z nie wirujcymi tłoczkami Pompa tłoczkowa osiowa z wychyln tarcz Pompy charakterystyki statyczne Właciwoci pomp wyporowych w katalogach firmowych ilustruje si graficznie za pomoc rónych charakterystyk statycznych. Jedn z takich moliwoci s charakterystyki w funkcji obcienia, η vp - sprawno objtociowa η p - sprawno ogólna pompy Q p - wydajno pompy [m 3 /s], N p - zapotrzebowanie mocy [W], p p - obcienie pompy [Pa], 7
Pompy z bate o zaz bieniu zewn trznym Zasada działania pompy sprowadza si do przetransportowania cieczy w komorach mi dzy z bnych z przewodu ssawnego do tłocznego. 1 - korpus, 2 - koło z bate czynne, 3 - koło z bate bierne, 4 - komora mi dzy z bna 1 - wałek nap dowy, 2 - pokrywa przednia, 3 - kadłub, 4 - pokrywa tylna, 5 - koło z bate czynne, 6 - ło ysko, 7 koło z bate bierne, 8 - ruba Pompy łopatkowe Pompa łopatkowa pojedynczego działania o zmiennej wydajno ci. Wysokie ci nienie tłoczenia powoduje powstanie du ych sił promieniowych działaj cych na wirnik i stator. Siła pozioma Fh jest równowa ona przez sił spr yny Ff. Wzrost ci nienia powy ej dopuszczalnej warto ci narusza równowag sił i stator przesuwa si w prawo powoduj c zmniejszenie skoku łopatek do minimum, czyli zmniejszenie wydajno ci pompy do warto ci pokrywaj cej tylko przecieki w układzie. Schemat pompy łopatkowej pojedynczego działania, wyposa onej w nastawnik skoku zerowego: 1 - ogranicznik skoku statora, 2 przył cze tłoczne, 3 - ruba nastawcza sterownika, L - przewód odprowadzaj cy przecieki, S - kierunek zasysania, P - kierunek tłoczenia Do nastawiania warto ci ci nienia, przy której nast puje zmniejszenie wydajno ci pompy słu y ruba nastawcza 3 sterownika. Pompy łopatkowe Schemat pompy łopatkowej podwójnego działania: 1 - stator, 2 - wirnik, 3 - łopatka, 4 - komora mi dzy łopatkowa, 5,6 - kanały systemu odci enia łopatek Pompa łopatkowa dwustrumieniowa : 1 - wałek nap dowy, 2 - przystawka, 3 - cz ssawna, 4 pokrywa tylna, 5,6 - obudowa wirnika przedniego i tylnego, 7,8 - wirnik przedni i tylny, 9,10 - łopatka, 11, 12 - płyty kompensacyjne przednia i tylna 8
Pompy wielotłoczkowe promieniowe Pompa wielotłoczkowej z nie wirujcymi tłoczkami, o stałej wydajnoci. Tłoczki 4 dociskane s zawsze do wałka mimorodowego 2 za pomoc spryn. Obracajcy si wałek 2 wymusza posuwisto-zwrotne ruchy tłoczków 4. Ruchy te s wykorzystane do zasysania i tłoczenia cieczy. Schemat pompy wielotłoczkowej promieniowej, z nie wirujcymi tłoczkami i rozrzdem zaworowym: 1 - korpus, 2 - wałek mimorodowy, 3.1, 3.2, 3.3 - cylindry, 4 - tłoczek, 5 - zawór zwrotny ssawny, 6 -zawór zwrotny tłoczny Pompy wielotłoczkowe promieniowe Pompa wielotłoczkowa promieniowa jednorzdowa z zewntrznym podparciem tłoczków, z wychyln bieni, o zmiennej wydajnoci i zmiennym kierunku tłoczenia. Pompy wielotłoczkowe osiowe Podczas obrotu wałka wirnik z tłoczkami zostaje wprawiony w ruch obrotowy za pomoc korbowodów, poniewa stopki kuliste tych korbowodów s przytrzymywane w tarczy przez przeguby tej tarczy. W zwizku z tym tłoczki wykonuj ruchy posuwistozwrotne wzgldem wirnika. Ruchy te wykorzystywane s do zasysania i tłoczenia cieczy za porednictwem tarczy rozdzielczej 7. Zasysanie odbywa si w górnej czci wirnika (kolor niebieski) a tłoczenie w czci dolnej (kolor czerwony). Schemat pompy wielotłoczkowej z wychylonym wirnikiem, o stałej wydajnoci: 1 - korpus, 2 - wałek napdowy, 3 - tarcza przegubowa, 4 - wirnik, 5 - tłoczek, 6 - korbowód, 7 - tarcza rozdzielcza, 8 czop łoyskowy wirnika 9
Pompy wielotłoczkowe osiowe α ο Schemat pompy wielotłoczkowej z wychylanym wirnikiem, o zmiennej wydajnoci i zmiennym kierunku tłoczenia: 4 - wirnik, 5 - tłoczek, 7 - tarcza rozrzdcza, 9 - ruchoma cz korpusu pompy Symbole graficzne Symbole graficzne 10