Висока техничка школа струковних студија у Београду

Хидраулика и пнеуматика

Семинарски рад

Багери

професор ученикДраган Живковић Александар Јеремић 80/2012

Београд, 2013.

регулација

Сл. 1.1 Структура флуидичног преноса

управљање(вентили)

моторгенератор

задате вредности

1. УВОД1.1. Основно о хидраулици и пнеуматициПнеуматика и хидраулика често се називају заједничким именом механика

флуида(флуидика). Ова наука се бави системима за пренос енергије и/или сигнала путем радног флуида. Задаци пнеуматског или хидрауличног система могу укључивати претварање, пренос и управљање енергијом.Пнеуматика као радно средство користи стишљиви флуид – гас, најчешће ваздух. Хидраулика као радни флуид користи нестишљиви флуид – течност. Најчешће је то хидраулично уље, па се због тога сусреће и назив уљна хидраулика. Осим уља користе се и тешко запаљиви и специјални флуиди. Пнеуматика и хидраулика имају важну улогу у аутоматизацији, посебно када су у питању извршни елементи. Пнеуматски елементи присутни су данас у великом броју погона, највише се користе унутар тзв. мале аутоматизације. Пнеуматика је једноставнија, а решења су у већој мери универзална и користе стандардизоване елементе, док су код хидраулике решења у већој мери специфична, па захтевају више искуства и знања. У ширем смислу хидраулика или техничка хидромеханика бави се техничком применом течности, што укључује и проблеме наводњавања, опскрбљивање водом, бране итд.

Хидраулични системи имају најповољнији однос снаге по јединици масе. Такође су радни притисци високи тако да се хидраулични системи типично користе у случајевима када је потребна велика снага и/или велика сила. Нестишљиво средство хидрауличних система омогућује прецизно постављање извршних елемената, док код пнеуматских система то није случај. Велика предност пнеуматских система је незапаљивост радног средства, па се често користе када је потребна висока сигурност погона.

1.2. Структура и функција флуидичних преноса. У флуидичним преносним системима повезани су генератори (пумпе или

компресори), флуидични мотори и управљачки елементи у кружни ток у којем радни флуид кружи преносећи енергију (Сл. 1.1).

Због високих притисака као генератор се користи само волуметрични тип пумпе одн.компресора. Због тога и због нестишљивости хидрауличних флуида, пренос хидрауличногпогона приближно је независан од оптерећења (између погонске јединице – пумпе и

покретачке јединице – мотора постоји запреминска повезаност). Насупрот томе, стишљивост гаса као радног средства пнеуматских система је значајна, па се погонска и покретачка јединица понашају као да су прикључене на мрежу. Пренос радног флуида одвија се путем водова, што омогућује слободу у распоређивању погонске јединице, управљачких склопова и мотора. Економски су код хидрауличких система прихватљиве удаљености до 30 м, а код пнеуматских до 150 м. Циљ управљања је прекопчавање и прилагођавање складно радном процесу и условима, као и ограничење оптерећења система. Управљање дјелује на ток флуида (прекопчавање путева флуида, промена смера струјања, гранање – одвајање дела флуида) или мења геометрију генератора или мотора. Делује условљено (нпр. управљање према притиску, положају) или безусловно. На исти начин укључују се и сами управљачки елементи. Укључивање управљачких елемената врши се непосредно или посредно. То пружа велику могућност даљинског и/или аутоматског управљања, нарочито у комбинацији с електронским управљачким елементима. Пнеуматски системи често се комбинују са хидрауличним (за велике силе) и/или електричним (за пренос и обраду сигнала). Пренос енергије путем радног флуида пружа готово неограничену могућност претварања фактора који одређују снагу (сила и момента односно брзина и угаона брзина). Зависно од снаге и спољних услова постоји низ класификација флуидичних система.Према разини снаге флуидични системи деле се у две групе:– Системи за пренос снагеУлазна енергија доводи се на место примене и врши се њено претварање како би се оствариле жељене силе/моменти уз потребну брзину/угаону брзину. Због велике снаге потребан је висок степен корисног деловања.– Извршни (серво) преноснициМорају на месту примене прецизно извршити управљачке и регулационе наредбе. Овде је битна тачност преноса информације (сигнала), а степен корисног деловања може се занемарити.Задатак флуидичног система може бити:– Пренос снагеЗадатак је пренос снаге од места производње до места примене, а важан је висок степен корисног деловања у широком подручју претварања енергије. Пример је погон возила.– Остваривање силеНа место примене потребно је довести велике силе/моменте, а степен корисног деловања је мање важан. Пример: преса, маказе.– Остваривање померањаЗадатак је остварити померање уз високу тачност позиције и брзине, често уз релативно мало оптерећење. Степен корисног деловања углавном нема значаја. Пример: алатни уређаји, копирни уређаји.Начин кретања мотора флуидичних система укључује:– Кружно кретањеса бесконачним углом ротације вратила мотора– Закретно кретањеса ограниченим углом закрета вратила мотора.– Праволинијско кретањеПрема начину рада постоје:– Системи с властитом енергијомЊихов задатак је пренос силе до места примене, уз одговарајуће појачање или расподелу силе. Пример: кочница аутомобила.– Системи са спољном енергијом

То су прави флуидични системи. Механичка енергија доводи се извана и у одговарајућем облику преноси на место примене. Задатак одржавања уређаја лежи само у прекопчавању.– Системи са помоћном енергијомЊихов задатак је аналогно појачање управљачке силе коришћењем помоћне енергије. Пример: регулатор турбине, пнеуматске кочнице камиона.

За приказивање флуидичних система користе се флуидичне шеме које су нормиране.

Нормиран је начин приказивања флуидичних елемената (нормирани симболи) и њиховогповезивања.

1. Увод

Хидраулични систем је технички систем за претварање, пренос и управљање енергије.У овом поглављу анализиране су функције хидрауличног система, основне променљиве, енергетски прорачун и приказивање хидрауличних система.

1.1. Функције хидрауличног система Функције хидрауличног система су:

- претварање механичке енергије у хидрауличну (и обрнуто), - пренос енергије са једне локације на другу и - одговарајуће управљање енергије.

Хидраулични систем претвара механичку енергију у хидрауличну и обратно. Медијум за претварање и преношење енергије у хидрауличким системима је флуид. У хидрауличним системима користе се течности код којих се запремина не сме значајно мењати под деловањем спољне силе (нестишљиви флуиди). Разликују се хидродинамички и хидростатички системи. Хидродинамички систем преноси енергију посредством кинетичке енергије струје радне течности. Учешће енергије притиска је занемариво мало. Хидростатички систем преноси енергију посредством енергије притиска у струји радне течности. Учешће кинетичке енергије при томе је врло мало (испод 0,5%). У овом тексту анализирани су хидростатички системи за које се користити назив "хидраулични системи".

Паскал је установио да се поремећај изазван дејством спољашње силе на мирну течност у затвореном суду, простире на све стране једнако и има исту вредност (то важи за сваку честицу течности), шематски то се може приказати као на слици 1.1. Ако се делује спољашњом силом F на покретни клип цилиндра (сл.1.1) у течности испред клипа ствара се притисак p. Његову величину одређује сила F која делује на површину покретног клипа A (активна површина клипа која је у директном контакту са течношћу).

p= FA

(1.1)

где су: p [Pa] - притисак, F [N] - сила и A [m] - активна површина клипа.

Хидростатички притисак, пропoрционалан са висином стуба течности у цилиндру, густином и убрзањем силе земљине теже, може се занемарити (јер му је вредност мала). Карактеристични хидраулични систем који се користи као преса или дизалица приказан је на слици.1.2. Два цилиндра са покретним клиповима, спојена су каналима испуњеним радном течношћу, преко једносмерних вентила. Клип мањег цилиндра (активна површина клипа А) може се померати под деловањем спољне силе FA.

Потребна количина радне течности налази се у резервоару изнад мањег клипа. Предпоставља се да: - је радна течност нестишљива, - нема деформација зидова цилиндара, - нема губитака радне течности, - нема трења при кретању клипова и - маса клипова је занемарљиво мала.

Кад спољња сила FA делује на мањи клип, он се помера у десно. У течности настаје притисак p. Чело клипа потискује течност кроз једносмерни вентил у већи цилиндар (активна површина клипа B). Он се помера на горе и генерише силу FB .

Хидраулични систем преноси енергију са једне локације на другу, физичким померањем захваћене запремине течности (клипови у цилиндрима су покретни).

Под претпоставком да нема губитака енергије у хидрауличном систему приказаном на слици 1.2 пренос енергије може се описати поједностaвљено. Клип мањег цилиндра (површине клипа A) помери се за величину x кад на њега делује сила FA. При томе у течности

настаје притисак p = FA/A, а чело клипа потисне запремину течности V= A⋅x. Истовремено, клип у већем цилиндру (површине клипа B) помера се за величину y услед деловања силе FB=p⋅B настале због

притиска у хидрауличном систему (Паскалов закон, затворен суд испуњен нестишљивом течношћу).

Преношење енергије са клипа A на клип B, остварено је физичким премештањем запремине течности: V = A⋅x = B⋅y. Однос величина хода клипова је инверзно пропорционалан са активним површинама. =xByA (1.2) Наведени примери илуструју основне функције хидрауличног система:

Стварање притиска у затвореном цилиндру

Сл.1.2. Хидраулични систем – хидраулична дизалица

- претвара улазну механичку енергију у хидрауличну (мањи цилиндар и покретни клип), - преноси енергију (цилиндри су затворени спојени судови испуњени нестишљивом

течношћу), - претвара хидрауличну енергију у механичку (већи цилиндар и покретни клип) и - појачање силе (FB > FA).

1.2. Хидраулични преносник Хидраулични преносник је хидраулични систем чије су функције претварање и пренос енергије, а може се приказати поједностављено као на слици 1.3. Основни елементи хидрауличног преносника су: хидраулична пумпа, радна течност, цевовод и хидраулични мотор. Претпоставља се да радна течност није стишљива и вискозна и да у хидрауличном преноснику нема губитака енергије. Клип хидрауличне пумпе површине A1 под деловањем силе F1, потискује испред себе радну

течност и ствара притисак p1 у њој. Истиснута течност из пумпе кроз цевовод долази у

хидромотор и потискује клип хидромотора површине A2. Притисак на пумпи p1 је једнак

притиску p2 на хидромотору (идеални услови рада, нема губитака енергије).

Сл.1.3. Хидраулични преносник(идеални услови рада, нема губитака енергије). 11212=== 2 FFppAA (1.3)Сила F2 на клипу цилиндра мотора има вредност: 2211=⋅AFFAОднос активних површина клипа мотора и пумпе A2/A1 је коефицијент појачања силе у хидрауличком преноснику.У идеалним условима испред клипа хидромотора доспева сва истиснута течност из хидрауличне пумпе, односно, постоји једнакост запремина у јединици времена или једнакост протока.1112= =⋅ ⋅VvAvA2

где је: v1 и v2[m/s] - брзина клипа пумпе и мотора.

Брзина клипа мотора v2 је:

122=⋅AvA(1.4) 1 v Однос активних површина клипа мотора и пумпе А1/А2 је коефицијент појачања силе у овом

преноснику. За реализацију функције управљања хидрауличном енергијом у хидрауличном систему (хидрауличном преноснику) у техничкој примени су два начина: - пригушивање протока радне течности пре улаза у хидраулични мотор (пригушно

управљање), - промена величине радне запремине хидрауличне пумпе или мотора у току процеса

преношења енергије (запреминско управљање).

1.3. Хидраулични преносник са пригушним управљањем Поједностављени приказ хидрауличног система са пригушивањем протока дат је шематски на слици.1.4. Систем се састоји од: резервоара са радном течношћу, хидрауличне пумпе, једносмерног вентила, вентила за ограничење притиска, манометра за мерење и приказивање вредности притиска, пригушног вентила протока, разводног вентила и дворадног хидрауличног цилиндра. Сви елементи система су спојени цевима и испуњени радном течношћу. Разводни вентил има четири хидраулична прикључка и три радна положаја. Крајњи положаји задају се он - офф електромагнетима А и Б, а средишњи - опругама. Хидраулични систем има следеће функције:

- извлачење клипњаче цилиндра (константна или променљива брзина) - укључен електромагнет А,

- увлачење клипњаче цилиндра (константна или променљива брзина) - укључен електромагнет Б,

- заустављање клипњаче у жељеном положају и

- осигурање од преоптерећења.

Вратило хидрауличне пумпе, преко оговарајуће спојнице добија погон од мотора (извор механичке енергије електромотор или мотор СУС- није приказано на слици 1.4). Хидраулична пумпа је једносмерна. Погонско вратило пумпе има одредјен смер ротације. Усисни вод пумпе спојен је на резервоар. На излазу хидрауличне пумпа је једносмерни вентил. Разводни вентил спојен је на потисни вод пумпе, резервор и хидраулични цилиндар. Између пумпе и разводног вентила постављен је вентил за ограничење притиска, манометар и пригушни вентил протока. Излазни канал вентила за ограничење притиска спојен је са резервоаром. Разводни вентил има четири хидраулична прикључка и три радна положаја. Постављање клипа разводног вентила у потребни радни положај изводи се ОН-ОФФ електромагнетима А или Б. Кад се успостави електрично коло напајања намотаја електромагнета котва потискује клип разводника. Нулти (средишњи) радни положај клипа разводника држе две цилиндричне опруге.

Зависно о положају клипа разводног вентила, радна течност коју потискује пумпа се може усмерити у десну комору хидрауличног цилиндра или леву комору. Истовремено супротна комора хидрауличног цилиндра спаја се са резервоаром. То је омогућено конструкцијом канала у телу разводног вентила. На тај начин је омогућено кретање клипа и клипњаче у леву или десну страну. Слика 1.5.а шематски приказује извлачење клипњаче (активиран ОН-ОФФ електромагнет А), а слика 1.5.б - увлачење клипњаче хидрауличког цилиндра (активиран ОН-ОФФ електромагнет Б).

Сл.1.4. Хидраулични систем са пригушним управљањем

Манометар мери и приказује на скали вредност притиска у систему. Брзина кретања клипњаче хидрауличног цилиндра може се мењати помоћу пригушивача протока. Он може смањити запремину (проток) течности на улазу у разводни вентил тако да део враћа у резервоар зависно од величине пригушног отовора. Минимална брзина кретања клипњаче хидрауличног цилиндра добија се код потпуно отвореног вентила за пригушивање протока, а максимална код потпуно затвореног. Вентил за ограничење притиска осигурава овај систем од преоптерећења, које може настати у току рада (преоптерећење клипњаче на пример може изазвати пораст притиска у систему). У случају пеоптерећења вентил се отвара и радна течност пропушта у резервоар. Вентил за ограничење притиска се отвара и кад је разводни вентил у средишњем (нултом) положају, а хидраулична пумпа укључена. То је свакако неповољан режим рада јер погонски мотор пумпе ради под максималним оптерећењем, хидраулични систем не даје корисну енергију на свом узлазу, највећи део доведене енергије у хидраулични систем претвара се у топлотну енергију.

1.4. Хидраулични преносник са запреминским управљањем Поједностављана шема хидрауличног система са запреминским управљањем приказана је на слици.1.6. Хидраулични систем има: хидрауличну пумпу, хидраулични мотор, спојни цевовод и радну течност. Хидраулична пумпа система је конструсана тако да се величина и смер протока радне течности из пумпе може подешавати (променљива радна запемина). Проток се може подесити од неке минималне до максималне вредности. Основна функција овог система је управљање смером и брзином ротације вратила хидрауличног мотора.

У кућишту хидрауличне пумпе улежиштен је блок цилиндара са покретним клиповима и улазним вратилом пумпе. Блок цилиндара ослања се на разводну плочу пумпе. Аксијално кретање клипова подешава се клизном плочом чији се нагиб може мењати полужним механизмом. Величина радне запремине хидрауличне пумпе зависи од нагиба клизне плоче.

Сл. 1.5 Шематски приказ (а) - извлачење клипњаче (активиран ОН-ОФФ електромагнет А), (б) - увлачење клипњаче хидрауличког цилиндра (активиран ОН-ОФФ електромагнет Б).

Сл.1.6. Поједностављена шема хидрауличног система са запреминским управљањем (а) средишњи, (б и ц) радни положаји

Хидраулични мотор има блок цилиндара, разводну плочу, клипове. За разлику од хидрауличне пумпе система у кућиште мотора смештена је клизна плоча чији је нагиб сталан. Аксијални ход клипова хидрауличног мотора не може се мењати (као код пумпе). Хидраулични мотор овог система има константну радну запремину. Хидраулична пумпа и мотор хидраулично су спојени (у овом случају цевоводом). Хидраулични систем је испуњен радном течношћу. Вратило хидрауличне пумпе погони се извором механичке енерије у једном смеру. Ротацијом блока цилиндара хидрауличне пумпе, клипови изводе релативно аксијално кретање (зависно од величине нагиба клизне плоче), чело клипа помера радну течност (усисава или потискује). Како су хидраулична пумпа и мотор спојени, течност из пумпе доспева у мотор и обрнуто. При томе, зависно од нагиба клизне плоче, карактеристична су три случаја шематски приказана на слици 1.6.

Кад нема нагиба клизне плоче, како је то шематски приказано на слици 1.6.а, нема релативног аксијалног померања клипова пумпе, нема протока течности из простора пумпе у хидромотор и вратило хидрауличног мотора мирује. Кад се нагне клизна плоча хидрауличне пумпе (сл.1.6.б и ц ), аксијални ход клипова пумпе је могућ. Клипови потискују течност према хидрауличном мотору. Услед присилног померања клипова мотора (ограничено аксијално кретање) настаје обртни момент и вратило хидрауличног мотора ротира у заданом смеру. Брзина ротације зависи од величине протока. Како се проток може подесити нагибом клизне плоче на пумпи, брзина ротације вратила мотора може се подесити од неке минималне до максималне вредности. Не само да се може подесити брзина ротације вратила мотора, слика 1.6.б показује како се променом смера нагиба клизне плоче хидрауличне пумпе мења смер ротације вратила хидрауличног мотора. Будући да се подешавањем радне запремине пумпе код ових система у сваком тренутку могуће довести на хидраулични мотор онолико хидрауличне енергије колико је потребно за обављање рада, ови системи имају знатно бољи коефицијент корисног деловања од хидрауличних система са пригушивањем протока, али су конструкцијски сложенији и скупљи. У техничкој примени су и системи код којих је могуће мењати радну запремину хидрауличног мотора. Они су сложенији у толико што је механизам за подешавање величине аксијалног хода клипова мотора потребно уградити у мотор (покретна клизна плоча слично као код конструкције хидрауличне пумпе).

1.5. Основне хидрауличне променљиве Хидраулична енергија добија се посредством покретних механичких делова (клип у цилиндру), претварањем из механичке енергије. То је за сада једина технички прихватљива могућност.

Хидраулична енергија може се добити и деловањем магнетског поља на радну течност која има феромагнетске особине, то значи претварањем из електричне енергије. Таква течност не постоји у природи али је могуће њено добијање вештачким путем. Течности са феромагнетским особинама за сада имају високу цену која ограничава могућности евентуалне примене за генерисања хидрауличне енергије.

Сл.1.7. Елементарна хидраулична пумпа (а) и хидраулични мотор (б)

Елементарна хидраулична пумпа (генератор хидрауличне енергије) има цилиндар и покретни клип са активном површином A, приказана је шематски на слици 1.7. а. Простор испред клипа је попуњен радном течношћу. Притисак p који настаје услед деловања силе F на клип површине A има вредност: =FpA (1.5)

где су: p [Pa] - притисак, F [N] - сила и

A [m2] - активна површина клипа. Запремински проток Q радне течности из хидрауличне пумпе је: Q = v ⋅A (1.6)

где су: Q [m3/s] - проток и v [m/s] - брзина кретања клипа. Хидраулична снага P је: P = Q⋅ p (1.7) где је: P [W] - хидраулична снага. Елементарни хидраулични мотор, шематски приказан на слици 1.7.б, претвара доведену хидрауличну енергију у механички рад. Сила F на клипу хидромотора пропорционална је са притиском (који влада у течности испред клипа) и величином активне површине A клипа мотора. F = p ⋅A (1.8) Брзина клипа v хидромотора пропорционална је са доведеним протоком Q и површином клипа A. =QvA (1.9) Хидраулични системи имају да карактеристична режима. Генераторски, када се мехничка енергија претвара хидрауличку, и моторни када се хидраулична енергија претвара механичку.

Моторни режим је инверзни режим генераторског (и обрнуто), хидраулични мотор теоријски може радити као хидраулична пумпа и обратно.1.6. Основни енергетски прорачун хидрауличног система

Идеалан хидраулични преносник (који је до сада разматран) преноси енергију без губитака. Енергија добијена на хидромотору једнака је доведеној енергији на пумпи. Такав систем није могуће технички реализовати.

Сл.1.8. Шематски приказ реалног хидрауличног преносника

Реални хидраулични преносник, шематски приказан на слици 1.8, има значајне губитке енергије, због тога је добијена механичка енергија на хидромотору мања од енергије која се доводи на хидрауличну пумпу. Радна течност је стишљива и вискозна. Између покретних делова система (клип и цилиндар), постоји зазор. Материјали од којих се граде елементи система су еластични итд. Део радне течности губи се кроз зазор између клипа и цилиндра на пумпи и хидромотору. Резултат тога је да се сва расположива течност не пренесе са пумпе на мотор, односно, не учествује у корисном преносу енергије. Стварни проток пумпе је мањи од теоријског. Проток који улази у радну комору хидромотора је већи од оног који помера клип хидромотора Део енергије се утроши на губитке у хидрауличној инсталацији од пумпе до мотора, а то су губици у цевоводу (цурење на спојевима и заптивним уређајима), губици због еластичности цевовода, вискозности и стишљивости радне течности итд.

Да би се споменуте појаве на прихватљив начин могле описати, у енергетским прорачунима хидрауличних система користе се степени искоришћења:

- запремински ηz,

- механички ηm и

- укупни η. Укупни степен искоришћења η једнак је:

η= ηz ⋅ηmСтепен искоришћења дефинише се за хидрауличне пумпе и моторе као основни параметар. Нумеричка вредност одређује се експериментално. Поред степена искоришћења код димензионисања хидрауличног система постоје: - губитак протока ΣΔQ на делу цевовода и - губитак притиска ΣΔp.

Ако на клипу хидромотора делује сила F2, а брзина клипњаче је v2, притисак p1 на

хидрауличној пумпи је: 221ηη⎛⎞+ΣΔ⎜⎟⎝⎠=mmmpFpAp где су: p1 [Pa] - притисак у хидрауличној пумпи,

F2 [N] - сила на клипу хидромотора,

A2 [m2] - активна површина клипа хидромотора,

ηmm - механички степен искоришћења хидромотора,

ηmp - механички степен искоришћења пумпе и

ΣΔp [Pa] - укупни губитак притиска у хидрауличној инсталацији од хидрауличне пумпе до мотора. Потребни проток пумпе Q1 је:

221ηη⎛⎞+ΣΔ⎜⎟⎝⎠=zmzpAvQQ

где су: Q1 [m3/s] - проток пумпе,

v2 [m/s] - брзина клипа хидромотора,

ηzm - запремински степен искоришћења мотора.

ηzp - запремински степен искоришћења пумпе и

ΣΔQ [m3/s] - укупни гибитак протока у хидрауличној инсталацији од пумпе до хидромотора.

1.7. Приказивање хидрауличних система Хидраулични системи приказују се функционалним шемама (најчешће) помоћу симбола стандардизованих по ISO, CETOP и националним стандардима (JUS L.N1.001 до JUS L.N1.008). Симболи графички приказују основну функцију хидрауличног елемента и све његове прикључке. Познавање читања и цртања функционалних шема је услов за комуникацију у овој техничкој области.