uloga zaptivke u hidraulicnom sistemu

Tехничка школаБања Лука,Ђуре Даничића 2

Матурски рад из Хидраулике и пнеуматике

УЛОГА ЗАПТИВКЕ У ХИДРАУЛИЧНОМ СИСТЕМУ

Ментор: Ученик:Слободан Ракита, проф. Сања Ђукић, IVт3

Бањалука, јун 2010.

С А Д Р Ж А ЈСтрана

1. УВОД......................................................................................................................................3

2. ХИДРАУЛИЧНИ СИСТЕМ.................................................................................................4

2.1. Приказивање хидрауличких система...........................................................................5

3. РАДНА ТЕЧНОСТ................................................................................................................6

3.1. Вискозност......................................................................................................................73.2. Стишљивост...................................................................................................................73.3. Густина............................................................................................................................7

4. ЗАПТИВАЧИ.........................................................................................................................8

4.1. Заптивање непокретних површина..............................................................................94.2. Заптивање покретних површина..................................................................................9

5. ХИДРАУЛИЧКИ ЦИЛИНДРИ.........................................................................................12

5.1. Параметри радног процеса хидрауличког цилиндра................................................125.2. Дијелови и подјела хидрауличних цилиндара..........................................................13

6. ЗАКЉУЧАК.........................................................................................................................14

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................................16

2

Улога заптивке у хидрауличном систему Сања Ђукић, IVт3

1. УВОД

Под хидрауличким системом, у општем случају, подразумијевамо скуп уређаја способних да врше пренос енергије и информације помоћу хидрауличне течности. Хидраулични систем претвара механичку енергију у хидрауличну и обратно.

Основне компоненте хидростатичког система су:

генератор хидрауличне енергије (пумпа, акумулатор),

управљачке компоненте (разводник, серворазводник, регулатор притиска, регулатор протока итд.),

извршне компоненте (хидромотори, цилиндри) и

помоћне компоненте (цјевоводи, резервоари, филтри, измјењивачи топлине итд.).

3


2. ХИДРАУЛИЧНИ СИСТЕМПод хидрауличким системом, у општем случају, подразумијевамо скуп уређаја

способних да врше пренос енергије и информације помоћу хидрауличне течности. Хидраулични систем претвара механичку енергију у хидрауличну и обратно.

Медијум за претварање и преношење енергије у хидрауличним системима је флуид. У хидрауличним системима користе се течности код којих се запремина не смије значајно да мијења под дјеловањем спољне силе (нестишљиви флуиди).

Под хидрауличним преносником подразумијева се уређај у коме се помоћу течности преноси енергија са једног мјеста на друго. У истом уређају обављају се и друге функције: трансформација једног облика енергије у други, регулација протока, притиска и тока кретања течности. У односу на начин преноса и трансформацију хидрауличне енергије, разликују се два типа преноса:

хидростатички и

хидронамички.

Код хидростатичких преносниак потребне геометријске везе се остварују помоћу покретних запремина течности. Под хидростатичким преносником подразумијеваће се сваки хидраулични преносник код кога је претварач механичке у хидрауличну енергију запреминска пумпа, а претварач хидрауличне у механичку запремински хидраулични мотор. Пумпа и хидраулични мотор су повезани цијевима, а између њих се постављају управно – регулирајући елементи. Хидростатички преносник се најчешће назива хидрауличним системом.

Хидродинамички систем преноси енергију посредством кинетичке енергије струјања радне течности. Учешће енергије притиска је занемариво мало.

Хидростатички систем преноси енергију посредством потенцијалне енергије радне течности (енергија притиска). Учешће кинетичке енергије је врло мало (испод 0,5%).

Хидростатички погони су погодни за регулацију па се веома често примјењују у регулационим системима. Предмет нашег разматрања су искључиво хидростатички системи.

Основне компоненте хидростатичког система су:

генератор хидрауличне енергије (пумпа, акумулатор),

управљачке компоненте (разводник, серворазводник, регулатор притиска, регулатор протока итд.),

извршне компоненте (хидромотори, цилиндри) и

помоћне компоненте (цјевоводи, резервоари, филтри, измјењивачи топлине итд.).

Хидрауличка пумпа је уређај који механичку енергију преводи у хидрауличку енергију (енергију притиска).

Хидраулички мотор хидрауличку енергију преводи у механичку енергију. Слика 1. илуструје ток енергије и информације у хидростатичком систему.

Широка примјена хидрауличких уређаја у готово свим областима технике условљена је великим бројем предности у односу на остале погоне.

4


Слика 1. Илустрација преноса енергије и информације у хидростатичком систему

Основне предности хидростатичких погона над осталим погонима су:

веома мала тежина, габарити и моменти инерције,

једноставна заштита од преоптерећења,

могућност добијања великих преносних односа без употребе редуктора,

могућност континуалне промене брзине и смјера,

веома једноставно претварање обртног у транслаторно кретање,

велика брзина одзива, због практичне нестишљивости хидрауличног уља.

Хидростатички системи имају и одређене недостатке:

осјетљивост на прљавштину,

губитак енергије, који се претвара у топлину нарочито код пригушног упављања,

појава унутарњих и вањских губитака

могућност продора ваздуха у систем,

утицај промјене температуре на рад истема, и др.

2.1. Приказивање хидрауличких 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.

На слици 2. приказанa је функционална шема једаног хидрауличног система нацртаног коришћењем напред наведених симбола.

5


Слика 2. Функционална шема хидрауличког система

3. РАДНА ТЕЧНОСТИзбор одговарајуће радне течности има битан утицај на исправно

функционирање, трајност, поузданост и економичност хидрауличног система. Избор радне течности утиче и на избор хидрауличних елемената (филтри, вентили, заптивачи...) који се пројектују за одређену врсту флуида. Од посебног значаја је кориштење флуида који нема штетног утицаја на материјал заптивача.

Задаци радне течности су:

пренос енергије (главни задатак)

хлађење

подмазивање

заштита од корозије

одношење нечистоћа

Захтјеви који се постављају за радне течности обухватају:

незнатна стишљивост

способност подмазивања

мала промјена вискозности с температуром

отпорност на висока термичка оптерећења

мала склоност оксидацији

мала способност упијања гасова

мала склоност стварању пјене

не-хигроскопност

постојаност карактеристика током старења

нетоксичност и еколошка прихватљивост

не-агресивност одн. компатибилност са материјалима елемената

6


незапаљивост (висока температура паљења)

висок електрични отпор

ниска цијена

ниски трошкови одржавања

Врсте радних течности које се користе у хидраулици су:

вода и водене емулзије,

минерална уља,

синтетички флуиди,

текући метали и легуре.

Класификација (ознаке) појединих радних течности проведена је према адитивима (додају се у сврху побољшања неких својстава радних течности). Технолошки напредак хидрауличних флуида је интензиван. Данас се, због доброг подмазивања и добре заштите од корозије, у највећој мјери користе минерална уља (за температуре –50 до 80°C). Зато се и термин хидрауличnо уље користи као синоним за хидрауличnи флуид. Недостаци минералних уља су велика промјена вискозности с температуром и издвајање смоле на вишим температурама. За температуре изнад 80°C (до 400°C) користе се синтетичка уља, а за још више температуре (-10 до 770°C) текући метали и њихове легуре.

3.1. Вискозност

Вискозност је најважнији параметар при одабиру раднe течности. То физичко својство представља мјеру силе (тангенцијална напрезања) унутрашњег трења које се јавља при међусобном клизању слојева флуида. Изражава се коефицијентом динамичке (μ) или кинематичке (ν) вискозности (ν = μ/ρ). Вискозност твари повећава се порастом притиска, а смањује порастом температуре. Нарочито се у ваздухопловству од радне течности захтијева приближна постојаност својстава с порастом температуре. Превелика вискозност изазива високе губитке притиска, посебно у хладним условима, а премала доводи до опасности од пропуштања кроз заптиваче. Препоручује се да тачка течења (најнижа температура при којој флуид тече) буде бар 8°C нижа од најниже температуре која се може појавити у хидрауличном систему.

3.2. Стишљивост

Стишљивост. Модул стишљивости уља износи 1,5÷2 GPa. Промјена запремине радне течности при порасту притиска на 10 МPa углавном не прелази 0,7% и најчешће се не узима у обзир, али радне течности које садрже отопљени ваздух постају стишљивије, што може изазвати сметње.

Обим промјене запремине се изражава коефицијентом β под којим се подразумијева релативна промјена запремина радне течности по јединици притиска.

Величина коефицијента стишљивости (компресибилности) се добија експерименталним путем, а установљено је да на његову величину утичу: притисак, температура и врста термодинамичне промјене.

3.3. Густина

Густина неке супстанце је однос њене масе и запремине. Густина радне течности се одређује на температури од 15°C и мјења се паралелно са промјеном температуре.

7


Вода и текући метали имају слабу мазивост (способност подмазивања – стварања заштитног филма). Зато се умјесто воде користе емулзије воде и уља. Мазивост минералних уља још се побољшава додатком адитива који поспјешују стварање дугих ланаца молекула.

Отапање гасова (из ваздуха) у течности поспјешује кавитацију и друге нежељене појаве (емулзија течности и гаса, пјена) у раду хидрауличких уређаја. Стварање емулзије течности-гаса и/или пјене повећава стишљивост и поспјешује кавитацију, корозију и старење уља. Стварање пјене у минералном уљу бит ће знатно интензивније ако је присутан и најмањи садржај воде (дозвољено макс. 0,5% воде).

Чиста минерална уља нису токсична, али су њихови адитиви често отровни. Еколошки прихватљиве радне течности знатно су скупље.

Старење флуида (оксидација) поспјешују отопљени ваздух, честице метала и нечистоћа (зрна, продукти старења), вода и повишена температура. Текући метали нарочито су склони оксидацији у дотицају са ваздухом. Честице нечистоће доводе до опасности од хабања, блокирања и зачепљења хидрауличких елемената. Код минералних уља, појављују се и продукти старења у облику честица. Уље се мора континуирано чистити (филтрирати), те замјењивати према упутама произвонача. Радна температура уља мора се одржавати у прописаним границама. Вода и њене емулзије додатно доносе и опасност од замрзавања, због чега се често додаје гликол.

Као ватроотпорне радне течности користе се емулзије (раствори) уља у води (ХФА), полимера у води (ХФЦ – најчешће се користи) или синтетичке текућине (ХФД). У погонима у којима постоји опасност од пожара и/или експлозије морају се користити тешко запаљиве радне течности.

4. ЗАПТИВАЧИУ хидрауличним компонентама, као уосталом и код осталих машинских

склопова, изузетно значајан проблем је протицање уља из зоне вишег у зону нижег притиска. Код хидрауличних компоненти се проблеми заптивања теже рјешавају, јер су притисци хидрауличног медија високи, вискозност је релативно ниска, а габарити компоненти и елемената који се заптивају су по правилу мали. Осим тога, код хидрауличних компоненти се срећу скоро сви карактеристични случајеви заптивања непокретних и покретних површина у различитим комбинацијама: код мировања, транслаторног и ротационог кретања.

Под појмом заптивања подразумијева се уопште настојање да се спријечи отицање течности из зоне високог у зону нижег притиска.

Разликују се два основна типа заптивања у односу на стање једне према другој површини:

а) заптивање непокретних површина,

б) заптивање површина које се налазе у процесу релативног кретања (транслаторно, ротационо или комбиновано)

Заптивање непокретних површина може се остварити директним контактом површина или стављањем између њих одговарљајућег заптивног материјала. То могу бити разне пасте (ријетко се користе у хидраулици) или заптивачи различитог облика, израђени од гуме, синтетичких материјала, метала и других материјала.

8


Покретне површине се могу заптивати:

а) без додира површина између којих постоји одређена величина зазора, па су увијек присутна протицања већег или мањег интензитета,

б) са додиром површине са заптивним елементом, који својим обликом спречава протицање хидрауличног флуида из вишег у зону нижег притиска.

Заптивање покретних површина се врши углавном помоћу еластичних материјала. Стално остваривање контакта површине заптивача са површинама елемента који се заптива врши се вањском или унутрашњом силом притиска. У хидраулици се користи скоро искључиво овај други начин остваривања силе заптивања.

4.1. Заптивање непокретних површинаЗаптивање равних непокретних површина врши се помоћу разних еластичних

материјала, који имају задатак да испуне неравнине. У хидраулици се то најчешће врши помоћу металних, гумених или метално-гумених прстенова. Процес заптивања се врши на тај начин што се изврши преддеформација заптивног прстена стварањем притиска између површине прстена и додирне површине. Величина додирног притиска зависи од материјала заптивача, а она мора бити таква да обезбиједи попуњавање свих неравнина заптивним материјалом. Деформација уградње се изражава процентуалним смањењем висине заптивача и она се креће у границама 5 – 15% од почетне висине.

Заптивање металним прстеновима је веома ефикасно код прве монтаже. Осим еластичне деформације, долази и до пластичне деформације прстена, па је након поновне монтаже тешко постићи апсолутну заптивеност површина. То долази до изражаја нарочито код заптивања елемената који се релативно често растављају. Типичан примјер је заптивање додирних површина прикључног елемента и тијеле хидрауличне компоненте. Због губљења еластичних својстаава заптивача; уље постепено истиче између површина заптивача, прикључка и тијела компоненте.

4.2. Заптивање покретних површинаЗаптивање покретних површина у хидраулици врши се на два наина:

а) без заптивача – односом облика и димензије покретне и непокрене површине

б) са еластичним заптивачима различитог облика.

Заптивање покретних површина без заптивача се користи код различитих конструкција пумпи, разводних вентила и других компоненти. Код овог система заптивањa користи се принцип утрошка расположиве енергије протицањем кроз мале зазоре и стварањам вртложног кретања у појединим зонама заптивача. Величина зазора се дефинише односом површина непокретног цилиндра и покретног клипа и она се креће, зависно од приступе концепцији произвођача, од 10 микрометара па до неколико стотих милиметера, код компоненти истог типа и готово идентичнин конструктивних карактеристика.

Најједноставнији начин заптивања без додира заптивних површина је приказан на слици 3. Ширина поклопца лежаја је нешто већа, чиме се повећава и дужина зазора, и у овај простор ставља маст. Овај начин заптивања примјењује се за ниже учестаности обртања,где нема загријавања ни могућности да маст исцури.

9


Слика 3. Заптивање без додирних површина

Ради повећања ефикасности заптивања на поклопцу односно кућишту израђују се додатно жљебови који се пуне машћу. Жљебови могу бити цилиндрични или завојни. Код заптивња завојним жљебом смјер завојнице треба бити тако изабран да се при обртању вратила мазиво враћа назад у кућиште. Завојни љлеб може бити израђен и на вратилу, али се ова варијанта не препоручује.

Слика 4. Цилиндрични и завојни жљебови

Најчешће коришћени заптивачи без додира заптивних површина су лавиртински заптивачи. Зазор између покретне и непокретне заптивне површине је у облику изломњене линије лавирината. Принцип заптивања сатоји се у пролазу мазива наизмјенично кроз мањи и већи зазор,чиме се смањује његова кинетичка енергија и спречава истицање.

У примјени су два типа лавиринтских заптивача: аксијални који се примјењује код једнодијелних кућишта и радијални за дводјелна кућишта. Овакав начин заптивања користи се код подмазивања машћу и ефикасно штити лежај од продора спољне нешистоће. При монтажи лавиритински зазори пуне се машћу. Ефикасно заптивање обезбијеђено је уколико су дијелови који образују лавиринт центрично постављени, односно ако нема велике промјене зазора у току окретања вратила.

Слика 5. Лавиринтски заптивачи

10


На клиповима разводнити вентила, а често и на клиповима пумпи, виде се метани жљебови. То су канали тзв. лавиринтских заптивача, који имају задатак да ламинарно течење између двије површине претворе у вртложно, те да се тако утроши расположива енергија флуида. Паралелно са утрошком енергије, долази до пада притиска и може се поставити опште правило: што је већи пад потиска, мање је протицање кроз зазоре и обратно.

Један од сложенијих проблема код израде конструктивног рјешења хидрауличних компоненти је проблем заптитања покретне и непокретне површине. Код хидрауличних компоненти то су углавном округле површине, што у извјесном смислу чини проблем сложенијим. Склопови са пречниицима мањих димензија заптивају са бесконтактним заптивачем (лавиринтски заптивач) сасвим успјешно, а за заптивање склопова са већим пречницима проблем заптивања се мора рјешавати разлличитим конструкцијама еластичних заптивача. Овдје се ради углавном о заптивању унутар хидрауличног цилиндра, код кога клип има задатак да савлада вањску силу и да се креће одговарајућом брзином, па се протицање из притисне у повратну комору мора у цјелости елиминисати. Степен заптивања се мора приближити тзв. апсолутном заптивању. Осим ове функције, заптивачи морају да спријече и истицање, хидрауличног флуида из цилиндра у околину и улазак страних, чврстих честица из атмосфере и околине у унутрашњост цилиндра.

Најједноставнији заптивач са додиром заптивних површина је филцани прстен, који се примјењује за средње брзине клизања до 4 m/s.

Слика 6. Заптивање филцаним прстеном

Од заптивача са додиром заптивних површина најчшће се користе манжетни заптивачи. Могу да се примјене како код подмазивања машћу, тако и код подмазивања уљем. Одликују се добрим заптивањем,а имају и задовољавајући радни вијек.

Манжетни заптивачи могу да се примјене за радне температуре да 150°C и брзине клизања до 20 m/s. Ово је омогућено развојем веома квалитетних материјала од којих се израђују.

Слика 7. Манжетни заптивачи

11


5. ХИДРАУЛИЧКИ ЦИЛИНДРИ Хидраулички цилиндри претварају хидрауличку енергију у механички рад.

Карактеристични су по ограниченом праволинијском или кружном кретању извршног елемента.

5.1. Параметри радног процеса хидрауличког цилиндра Шематски приказ хидрауличког цилиндра дат је на слици 3.

Рад хидрауличког цилиндра описују следеће величине:

сила на клипњачи F,

активна површина клипа А,

брзина клипњаче v,

дужина хода (извлачења) клипњаче l и

степен искоришћења ηc.

Слика 8. Шематски приказ хидрауличког цилиндра

Сила на клипњачи хидрауличког цилиндра је пропорционална са активном површином клипа А и расположивим падом притиска Δp. Активна површина је она на коју дјелује сила притиска. Хидраулички цилиндри имају покретни клип са клипњачом која може бити једнострана или двострана.

Теоријска вриједност силе на клипњачи хидрауличког цилиндра је:

Fct = А⋅Δ p (1)

гдје су: Fct [N] - теоријска сила на клипњачи хидрауличког цилиндра,

А [m2] - активна површина клипа хидрауличког цилиндра и

Δp [Pа] - расположиви пад притиска на хидроцилиндру.

Стварна сила Fc мања je због губитака енергије.

Fc = Fct ⋅ ηcm (2)

гдје је: ηcm - механички степен искоришћења хидрауличког цилиндра.

Механички степен искоришћења хидрауличког цилиндра ηcm, је:

ηzm=Fc

Fct (3)

12


Теоријска брзина извлачења клипњаче vct је пропорционална односу доведеног протока Qc у хидрауличком цилиндру и активне површине клипа А.

vct=Qc

A (4)

гдје су: vct [m/s] - теоријска брзина клипњаче,

Qc [m3/s] - проток у хидрауличком цилиндру.

Стварна брзина клипњаче хидрауличког цилиндра vc је:

vc = vct ⋅ηcz (5)

где је: ηcz - запремински степен искоришћења.

Запремински степен искоришћења ηcz хидрауличког цилиндра је:

ηcz=Q c

Qct (6)

Степен искоришћења хидрауличког цилиндра ηc је:

ηc = ηcm ⋅ηcz (7)

Хидраулички цилиндри производе се са одређеним величинама пречника цилиндра и клипњача као и дужинама хода клипњача. Разлози су вишеструки. Основни је свакако стандардизација заптивних материјала.

5.2. Дијелови и подјела хидрауличних цилиндара Дијелови цилиндра

плашт цилиндра

клип

клипњача

поклопци (предњи – кроз који пролази клипњача и стражњи)

прикључци за уље

Хидраулички цилиндри користе се код алатних стројева (стезање изратка, гибање изратка и алата), у уређајима за транспорт (подизање, утоваривање), покретним стројевима (трактори, багери итд.), зракопловима (помицање стајних трапова, закрилаца), бродовима (закретање кормила, крила, елиса) итд.

Цилиндри могу бити једнорадни и дворадни. Сви хидраулички цилиндри имају оба прикључка, код једнорадних цилиндара стражњи прикључак служи за одвод продрлог уља.

Код једнорадних цилиндара уље под притиском доводи се само с једне стране клипа који врши користан рад само у једном смјеру. Повратно кретање остварује се опругом или тежином терета. За управљање једнорадним цилиндром користе се разводници 3/2.

13


Слика 9. Дворадни цилиндар: 1 – плашт, 2 – стап, 3 – клипњача, 4 – предњи поклопац,5 – стражњи поклопац, 6-7 – прикључци за уље

Дворадни цилиндри врше користан рад у оба смјера. За управљање дворадним цилиндром користе се разводници 4/2 или 5/2. Код цилиндара с једностраном клипњачом површина предње стране клипа већа је од површине стражње стране клипа за износ површине пресјека клипњаче. Зато је приликом извлачења клипа брзина мања, а сила већа него у повратном ходу. Цилиндри код којих је однос предње и стражње површине 2:1 (исти је и однос сила, а обратан однос брзина) називају се диференцијални цилиндри. Цилиндри с двоструком (пролазном) клипњачом имају једнаку предњу и стражњу површину, тако да су силе и брзине једнаке у оба смјера.

Слика 10. Једнорадни цилиндри а) без унутрашњег вођења и б) са унутрашњим вођењем

Слика 11. Једнорадни цилиндри са повратном опругом

Слика 12. Дворадни цилиндри а) диференцијални и б) са пролазном клипњачом

14


6. ЗАКЉУЧАКЗначај хидрауличких цилиндара у индустрији је велик. Хидраулични цилиндри

се примјењују у великом броју индустријских машина и због тога хе потребно посветити велику пажњу њиховом раду и одржавању.

Када говоримо о раду цилиндара и њиховом одржавању, неможемо а да не споменемо радне течности и елементе који обезбјеђују заптивања хидрауличног цилиндра.

Правилном избору радних течности и елемената за заптивање потребно је посветити велику пажњу јер директно од њих зависи и радни учинак цилиндара у хидрауличном систему.

15


ЛИТЕРАТУРА

1. Короман, В., Мирковић, Р.: Хидраулика и пнеуматика, Школска књига, Загреб, 1992.

2. Савић, В.: Уљна хидраулика, Дом штампе, Зеница

3. Р. Мирковић: Хидраулика, Микроелектроника, Београд, 2003

16


Датум предаје: ______________

Комисија:

Предсjедник _______________

Испитивач _______________

Члан _______________

Коментар:

Датум одбране: ____________ Oцjена__________ (___)

17

uloga zaptivke u hidraulicnom sistemu

Documents