Przenośniki cieczy

• grawitacyjne (czerpadła)

• elektromagnetyczne (ciecze ferromagnetyczne)

• pneumatyczne przenośniki

• tarany hydrauliczne (uderzenie hydrauliczne)

• strumienice (inżektory, eżektory)

• pompy

• sprężarki

Koszty układu hydraulicznego

1. koszty nabycia (projektowania, elementów, montażu, uruchomienia)

2. koszt eksploatacji (energii, obsługi, magazynowania części)

Przy wyborze układu należy uwzględnić:

względy eksploatacyjne, wartości sił w siłownikach, wart. Momentów w silnikach.

Układy pneumatyczne sterujące:

• niskociśnieniowe do 10 kPa (ukł. pom.)

• średniociśnieniowe 100140 kPa (ukł. aut.)

• normalne 600 kPa (ukł. nap.)

• wysokociśnieniowe >600 kPa

Zastosowanie układów hydraulicznych

hydraulika przemysłowa (huty, walcownie), obrabiarki, hydrauliczne uchwyty mocujące, przemysł samochodowy, prasy hydrauliczne (p. do 100 MPa), maszyny do przetwarzania tworzyw sztucznych i odlewania pod ciśnieniem, hydraulika w budownictwie stalowym, wodnym, elektronowym, hydraulika w górnictwie, maszyny samojezdne, urządzenia techniczne, hydraulika w statkach.

Układy: stacjonarne (stoją), mobilne (ruszają się)

Układy płynowe: układy hydrauliczne (ciecz lepka i nieściśliwa), ukł. pneumatyczne (gazu ściśliwego, nielepkiego)

Układy hydrauliczne

Zalety: bezstopniowe przełożenie, wysoka wydajność energetyczna, łatwość kontroli parametrów, samosmarowanie, łatwość automatyzacji, dobre własności dynamiczne, dobre ograniczenie ciepła, zabezpieczenie przed przeciążeniami, duża trwałość, łatwość obsługi, zunifikowanie elementów.

Wady: możliwość zapowietrzania, hałas, wpływ temperatury na parametry cieczy, straty ciśnienia, straty objętościowe (przecieki), straty mechaniczne, przy wysokich ciśnieniach duże obciążenie elementów.

Układy pneumatyczne

Zalety: niski koszt eksploatacji, niezawodność działania, mała wrażliwość na temperaturę, dostosowanie do warunków pracy, całkowite bezpieczeństwo, łatwość sterowania, duża trwałość elementów, unifikacja.

Wady: trudność w uzyskiwaniu wolnych obrotów, ograniczenie długości ruchu, mała szczelność, straty energetyczne, fachowa obsługa.

	M	H	E
przenoszenie sygnału na odległ.	złe	złe	b. dobre
sterowalność	zła	dobra	dobra
niezawodność	dobra	dobra	dobra
sprawność	dobra	zła	zła
elastyczność montażu	zła	dobra	b. dobra
koszt	duży	duży	mały

Założenia upraszczające: ustalony jednorodny strumień cieczy, przepływ jednowymiarowy, średnie prędkości przepływu, średnie natężenie przepływu, stała temperatura T=const., stała gęstość ρ=const., stała lepkość.

CZYNNIK ROBOCZY

Funkcje czynnika roboczego: nośnik energii (napęd), nośnik informacji (sygnałów sterujących).

Powietrze: azot N₂=78.09%, tlen O₂=20.57%, CO₂=0.03%, gazy szlachetne Ar, He, Ne.

Prawo Daltona dla powietrza wilgotnego:

p_w=p_s+p_p, (p_w - ciś. pow. wilgotnego, p_s - pow. suchego, p_p - pary wodnej).

Wilgotność bezwzględna: W_b=m/V [g/m³] (m. - masa pary wodnej, V - objętość wilgotnego powietrza).

Wilgotność względna: W_w=ρ_p/ρ_n (ρ_p - gęstość pary wodnej, ρ_n - gęstość pary wodnej nasyconej).

Dla W_w=1 - punkt rosy.

Kondensacja pary w powietrzu:

K_w=W_wρ_p-ρ_n(p₁/p₂)(T₂/T₁), ρ=1/v (v - obj. właś.)

Równanie stanu gazu doskonałego na jednostkę masy: pv=RT, pV=mRT

• dla gazu rzeczywistego: pv=ZRT, pV=ZmRT

v=TR_s(1+1.161m_w)/[p_s(1+m_w)], (m_w - masa pary wodnej. R_s - stała gazowa pow. suchego, p_s - ciśnienie pow. suchego), R_w=R_s/[1-0.378(p_s/p_w)],

 - stały współczynnik.

C_p - ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu p=const., C_v - ciepło właściwe przy stałej objętości v=const., =C_p/C_v - wykładnik adiabaty (1.4)

R=C_p-C_v, E_po=np. - moduł ściśliwości, n - wykładnik politropy

Budowa akumulatora:

Co można stosować w akumulatorach: gazy, mieszaniny gazów (Co₂), mieszaniny gazów (freon 13 - CF₃Cl).

Normalny fizyczny stan powietrza suchego: T_N=273.15K, p_N=1.01325atm, R_N=287Nm/kgK, W_w=0%, strumień masowy m'=p_NQ_N/R_NT_N

Stan normalny według ISO 6358: T_o=293.15K, p_o=1bar, W_w=65%, R_o=288Nm/kgK

Oleje hydrauliczne - ciecze robocze

Wymagania stawiane cieczy: dobre własności smarne, obojętność chemiczna, korzystne zależności między lepkością a temperaturą, duża obciążalność cieplna, odporność na utlenianie, mała ściśliwość, duża gęstość, duża przewodność cieplna, niski koszt, łatwa dostępność, bezproblemowe usuwanie cieczy, nietoksyczność, trudno zapalne w odniesieniu do cieczy specjalnej, nie wolno mieszać różnych gatunków oleju

Właściwości wody: niska ściśliwość, mała rozszerzalność cieplna, niepalność, duża zdolność do parowania, mała zdolność do smarowania, wysoka aktywność korozyjna (H₂O+O₂)

Oleje mineralne - otrzymuje się z destylacji ropy naftowej.

Właściwości oleju zależą od: rodzaju ropy naftowej, stopnia rafinacji (na podst. naftanowej - dobra płynność w niskiej temp., na podst. parafinowej - dobra płynność w wysokiej temp.), rodzaju i ilości dodatków uszlachetniających.

Rodzaje oleju: przemysłowe, sprężarkowe, silnikowe, hydrauliczne (typu Hydrol 10,20,...,70), wrzecionowe, transole, hipole

Dodatki: inhibitor utleniania, inhibitor korozji, dodatek lepkościowy, dodatek smarności, dodatek przeciwpieniący, dodatek przeciwemulgacyjny

Oznaczenia: HH - bez dodatków, HL - z dodatkami uszczelniającymi do 50^oC, HM - dobry olej hydrauliczny (powszechnie stosowany), HV - przy niższych temp. I niskich lepkościach, H6 - wysokich własnościach smarnych.

Kryteria doboru oleju: starzenie oleju, skłonności do pienienia, działanie korozyjne, czystość, lepkość w zależności od temperatury.

Badania oleju: zawartość wody, smarność, pomiar lepkości, wyznaczanie liczby kwasowej, wyznaczanie liczby zmydlenia, punkt animinowy (najniższa temperatura w której olej rozpuszcza się w tej samej ilości aniliny - agresywność oleju na uszczelnienia), pomiar czystości oleju.

Parametry: ρ - gęstość oleju,  - dynamiczny współczynnik lepkości,  - kinematyczny współczynnik lepkości, E_c - moduł ściśliwości,  - współczynnik ściśliwości, T_z - temp. zapalenia (30^o50^oC temp. samozapalenia), T_k - temp. krzepnięcia.

Ciecze trudnozapalne

w temp. 800^oC - ciekły aluminium

Grupy cieczy trudnozapalnych:

• HEA - emulsja oleju w wodzie. Składniki: 80% wody, 20% inne (np. olej)

• HFAE - zastosowanie w górnictwie

• HFAS - roztwory wodne z solami lub estry org.

• HFB - emulsja wody w oleju (40% wody, ok. 60% oleju). Mają małe zastosowanie

• HFC - wodne roztwory polimerów (roztwory wodne z plikolami)

• HFD - bezwodne ciecze syntetyczne (bez wody)

• HFDR - estry fosforowe

• HFDS - chlorowane węglowodory

• HFDT - mieszanina HFDR i HFDS

•HFDU - inne ciecze syntetyczne

Ciecze ferromagnetyczne: ich własności zależą od pola magnetycznego (głównie gęstość zależy od pola magnetycznego)

rys1. Zależność lepkości od temperatury dla różnych cieczy ( - kinematyczny współczynnik lepkości):

rys2. Zależność lepkości od ciśnienia

Dla HFD i HFC

• objętość zbiornika 58 większa

• trwałość pompy 0 20% mniejsza (większe średnice przewodów ssących)

• w zaworach niższe ciśnienie

• większe filtry 23 krotnie

Materiał uszczelki

H, NBR, HFA, HFB - kauczuk nitrylowy

HFC, HFD - inne rodzaje kauczuku

Lepkość

Dotyczy cieczy hydraulicznych, gazy są nielepkie

(T - siła tarcia, t - naprężenia styczne, h - dynamiczny współczynnik lepkości, v - prędkość, y - odległość między ruchomą a nieruchomą płytą)

(szybkość ścinania)

Isnieją ciecze newtonowskie i nienewtonowskie (ogólny podział): 1. Ciecze newtonowskie, 2. Ciecze bringhamowskie, 3. Ciecze lekkosprężyste, 4. Ciecze dylatacyjne

Jednostki lepkości:  - dyn. wsp. lepk. (centipauz 1cP = 10^-3 Ns/m²), J - kinemat. wsp. lepk. (centistoks 1cst = 10^-6 m²/s, ^oE - stopnie Englera, `'R - sekundy Redwooda, `'s - sekundy Saybolta)

Zależności:

 maleje, T rośnie (T - ciśnienie)

 rośnie, p rośnie (p - ciśnienie)

=(p, T)

(_o - dyn. wsp. lepk. przy ciśnieniu p_o=30MPa)

Charakterystyka lepkościowo-temperaturowa

Zależności:

gdzie:

Dla porównania olejów wyznacza się wskaźnik lepkości: (L - lepkość oleju o WL=0, H - lepkość oleju o WL=100, U - lepkość oleju badanego, t=37.78^oC)

Charakterystyka logarytmiczna

; K=23 dla oleju mineral.

;

Ściśliwość oleju

 - współczynnik ściśliwości [m²/N]

E_c - moduł ściśliwości [N/m²]

=1/E_c

• izotermiczny współczynnik ściśliwości

; T=const.

• izentropowy współczynnik ściśliwości

; s=const.; ds=dT/T

• izotermiczny moduł ściśliwości

• izentropowy moduł ściśliwości

Zapowietrzenie cieczy roboczej

• powietrze nierozpuszczone V=V_c+V_r

E_cp=bE_c

• powietrze rozpuszczone - do stanu nasycenia

prawo Daltona: V_p=_bV_c(p/p_o), (_e - współczynnik Bunsena - dla oleju HLP _b=0.080.09)

• własności dynamiczne układu

• starzenie oleju

• kawitacja - wywołana zmiennym polem ciśnienia.

Towarzyszy jej: powstawanie, wzrost i zanikanie pęcherzyków powietrza, gazu, par gazu

(tworzenie się obszarów zwanych kawern)

Skutki kawitacji: naruszenie ciągłości przepływu, straty energetyczne, hałas drgania, erozja kawitacyjna, wzrost strat energii, zmniejszenie ciągu śrub napędowych, zmniejszenie mocy, zmniejszenie sprawności, zmniejszenie ciśnienia albo wysokości podnoszenia, załamanie charakterystyki pompy.

Rodzaje kawitacji: hydrodynamiczna, parowa (parowanie cieczy), gazowe (dyfuzja gazu), wibracyjna (wynikająca z rozprzestrzeniania się fali akustycznej)

Zapobieganie kawitacji:

1. konstrukcyjne (odpowiednie materiały, odpowiednie kształty łopatek)

2. eksploatacyjne (wysokość ssania, chłodzenie cieczy, stabilizacja prędkości)

Propagacja fali ciśnienia (natęż. przepływu)

wzór Żukowskiego:

(A - przekrój przewodu, Z - impedancja przewodu)

czwórnik hydrauliczny:

Uderzenie hydrauliczne

I - opór bezwładnościowy (inertancje)

C=V_o/E_c - pojemność hydrauliczna (kapacytancja)

• uderzenie dodatnie

• uderzenie ujemne

t - czas przesterowania rozdzielacza

; k=1 (przy szybkim przesterowaniu), k<1 (przy wolnym przesterowaniu), a - prędkość dźwięku, l - długość przewodu; t_kr=2l/a

• tłumienie pulsacji

• układy pulsacyjne

Zasada zachowania masy m=const.

Zasada ciągłości przepływu m'=const.

Q_m - masowe natężenie przepływu

Q - objętościowe natężenie przepływu

ρ₁V₁A₁=ρ₁V₂A₂ (ρ₁=ρ₂, V₁A₁=V₂A₂, Q₁=Q₂)

A₁=A₂, V₁=V₂

zmienny przekrój V₁A₁=V₂A₂, Q₁=Q₂

Zasada zachowania energii

Energia całkowita E_c

• energia mechaniczna E_m

a) energia potencjalna E_pot

- energia ciśnienia E_p

- energia położenia E_z

b) energia kinetyczna E_kin

• energia wewnętrzna E_w

E_c=E_m+E_w; E_m=E_pot+E_kin; E_pot=E_z+E_p

r-nie Bernouliego dla strugi:

Struga dE=pdV

u - energia wew. na jedn. masy

dm=ρdV; ρ=const dla ukł. hydraulicznego

dE=pdV (z - wysokość, g - przysp. ziemskie)

p_z=ρgz=γ_z (ciśn. położenia - pomijalne gdy p_z<<p)

p - ciśnienie hydrostatyczne (80% udziału)

p_d=1/2ρV² - ciśnienie hydrodynamiczne (20%)

p_w=ρu - ciśnienie wewnętrzne

z zasady zachowania energii:

Gdy T=const. to energii wew. nie uwzględnia się.

Entalpia

gdy z=o to:

R-nie Bernouliego (zas. zach. energii mech.)

; (ρ=const) lub

(pz+p+pd=const.)

z -wysokość położenia, p/γ - wysokość ciśnienia, V²/2g - wysokość prędkości

R-nie Bernouliego dla stugi:

p_str, h_str - dodajemy gdy układ jest rzeczywisty

gdy V₁=V₂ to nie ma

Jeżeli ρ=vdv r-nie ma postać:

LINIOWE STRATY CIŚNIENIA

trzeba zastosować wzór Darcy-Weisbacha

 - bezwymiarowy współczynnik strat liniowych (zależy od liczby Reynoldsa i względnej chropowatości) =f(Ra, k/r); r - promień rury, k - bezwzględna chropowatość

; wzór Blasiusa

(D_h=4A/L - średnica hydrauliczna; A - przekrój, L - obwód, d -średnica;  - współ. lepkości kinemat., V - prędkość przepływu)

Re_kr=2520 - dla rury gładkiej

Re_kr=1100 - dla kształtu płaskiego

Re_kr=700 - dla szczeliny centrycznej

Wzór Nikuraolsego:

Wzór Hagena - Poisuella:

p=RQ - dla przepływu laminarnego (R - opór przepływu, Q - natężenie przepływu)

p=RQ² - dla przepływu burzliwego

Straty miejscowe

;  - współ. oporu miejsowego

=f(Re, kształt)

 =0.5 - połączenie śrubowe

 =0.14 - kolanko 90^o (duże spadki ciśnienia)

 - współczynnik natężenia przepływu

;

natężenie przepływu dla suwaka sterującego

układy pneumatyczne

p₁, T₁=const

; V₁=0; stąd otrzymujemy

V - prędkość przepływu w elemencie dławiącym

T₁=p1/(Rρ₁); Cp-Cv=R; Cp/Cv=K

Prędkość przepływu w elemencie dławiącym

L_a - praca przemiany adiabatycznej

Strumień masowy

funkcja pod dużym pierwiastkiem=

krycie

- przepływ nadkrytyczny

- przepływ podkrytyczny

=0.484;

Strumień strat:

Elementy instalacji pneumatycznej: sprężarka, chłodnica, osadnik, suszarka, zbiornik, instalacja pneumat., odbiornik wyrównawczy

Rozkład prędkości w przewodzie

R-nie równowagi sił w tym przewodzie:

;  - napręż. styczne

(wzór Newtona); y - powierzchnia

po podstawieniu  i scałkowaniu otrzymujemy:

- prędk. przepływu w rurze (dla V_max y=0)

dA=2ydy; po scałkowaniu otrzymujemy wzór Hagena - Poisulla dla przekroju cylindrycznego:

Opór przepływu: ;

• Szczelina pierścieniowa (koncentryczna):

• Szczelina pierścieniowa (ekscentryczna):

• dwie płyty (dolna nieruchoma)

k - odległość między nimi; b - szerokość

Siła hydrodynamiczna

związana z zasadą zachowania pędu, odpowiada prędkości zmiany pędu przez powierzchnię kontrolną. W postaci wektorowej:

- część stacjonarna

- część niestacjonarna

gdy: ρ=const; ρ₁=ρ₂=ρ; Q=const; Q₁=Q₂=Q to:

; V₁<<V₂

; Przy uwzględnieniu :

;

A=dx; F=f(x,p);

F_b=mx''; F_L=Bx''; F_h=Ap

Inercyjny napór cieczy

pęd

impuls ciśnienia , ,

czyli:

Analogie energetyczne

R - opór przepływu p=RQ (ukł. hydraul.)

R - opór elektryczny U=Ri (ukł. elektr.)

R - opór tarcia lepkiego F=Rv=Rx' (ukł. mech. liniowy M_l), M=R (ukł. mech. obrotowy M_o)

Pojemność hydrauliczna C:

Pojemność elektryczna C:

Podatność sprężyny C: (mech. lin. M_l)

(mech. obr. M_o; c - sztywność sprężyny)

parametr uogólniony	H	E	Ml	Mo	P	T
e - wytężenie	P	U	F	M.	p/ρ	T
f - przepływ	Q	i	V		m'	Q'
pI -ilość ruchu	pi		p	k
q - objętość	V	q	X		m	Q

Q' - strumień ciepła,  - strumień, k - kręt, q - ładunek elektryczny,  - kąt obrotu, Q - ciepło

Równania uogólnione:

BILANS CIEPLNY

(moc strat)

Równanie bilansu cieplnego

_i - współ. przenikania, A₁ - pow. przenikania

(c_i - ciepło właściwe, m_i - masa)

(stała czasowa termiczna)

T=5055^oC

Przepływ przez dławik

moc strat:

UKŁADY OTWARTE I ZAMKNIĘTE

pompa - źródło energii w układzie hydraulicznym

silnik - odbiornik energii hydraulicznej

zawory - straty energii (dyssypacja)

Układy hydrokinetyczne (pompy wirowe)

• pompy kręte (odśrodkowe, helikoidalne, diagonalne, śmigłowe, odwracalne)

• pompy krążeniowe (z bocznymi kanałami, peryferalne, z pierścieniami wodnymi)

Układ hydrostatyczny (pompy wyporowe)

Układy pneumatyczne

Sprężarka - zbiornik wyrównawczy

Rodzaje: przepływowe (osiowe, promieniowe), objętościowe (tłokowe, krzywkowe - Rootsa, śrubowe)

spadek ciśnienia w cieczy: (przepływ podkrytyczny); (przepływ nadkrytyczny)

• wydajność sprężarki

• moc sprężarki

Bilans energetyczny sprężarek

E_n - energia silnika napędowego (elektrycznego)

E_ns - straty tego silnika napędowego

E_s - energia przekazywana do sprężarki

E_st - straty ciśnienia (pneumatyczne)

E_t - straty tarcia (mechaniczne)

E_k - straty przecieków

E_p - energia przekazywana do układu pneumat.

Objętość zbiornika

K_s - współczynnik bezpieczeństwa (K_s=1.2)

p_min - ciśnienie minimalne w zbiorniku

V' - średnia wydajność zbiornika

p - dopuszczalne zmienne ciśnienie p=p_max-p_min

t_o - czas opróżniania zbiornika

POMPY WYPOROWE

cykliczna zmiana objętości komór roboczych łączących przestrzenie ssawną i tłoczną.

Podział pomp:

• w zależności od ruchu: o ruchu obrotowym (łopatkowe, zębate, krzywkowe, śrubowe, ślimakowe), postępowo-zwrotnym (tłokowe: nurnikowe, wielotłoczkowe: osiowe, promieniowe, rzędowe), wahliwym

• ze względu na wydajność: o zmiennej wydajności, stałej wydajności

• w zależności od napędu: elektryczny, ręczny, spalinowe

• w zależności od liczby strumieni: jedno, dwu, wielostrumieniowe

• w zależności od sposobu łączenia pomp: jedno i dwustopniowe, szeregowe i równoległe)

Wymagania: wysoka sprawność (PT - =0.95, PZ - =0.91, PŁ - =0.89), niski hałas do 85dB (PŚ, PŁ, PT, PZ), uzyskiwane ciśnienie (PTO - 65MPa, PTP - 35MPa, PŁ, PZ - 2025MPa), wrażliwość na zanieczyszczennia (mała - PŚ, PZ, PŁ, PT - duża <zarastanie szczeliny - obliteracja>), nierównomierność wydatków

Pompa zębata o zazębieniu zewnętrznym

Q=qn - wydajność właściwa

q=mzbc (z - ilość zębów, b - szerokość zębów, c - wysokość zęba), q=0.41200cm³/obr,

p=1620MPa, Q=0.631000l/min

Pompa łopatkowa

q=be(d+e-zb/) (z - ilość zębów, e - mimośrodowość, b - środek łopatek, d - średnica)

Pompy wielotłoczkowe

• osiowe q=2zhftg (h - silnik, f - powierzchnia)

• promieniowe

• rzędowe

Charakterystyka pompy wyporowej

[m³/s]; (_v - sprawność wolumetryczna),

M_m - straty tarcia mechanicznego

M_v - straty tarcia lepkiego

M_h - straty hydrauliczne

M_s - straty stałe

Moc pompy

- moc mechaniczna

- moc hydrauliczna

Sterowanie wydajnością: ręczne, mechaniczne, elektrohydrauliczne, pneumatyczne, elektropneumatyczne

Regulacja pomp: reg. wydajności (Q=const.), regulacja ciśnienia (p=const.), regulacja mocy (N=const)

SILNIKI

Podział:

• b.wolnoobrotowe n_min<1obr/min; n_max=50obr/min

• wolnoobrotowe n_min15; n_max=150260

• średnioobrotowe n_min=10; n_max=7501000

• szybkoobrotowe n_min<300500; n_max=3000

Rodzaje silników: wielotłoczkowe, łopatkowe, zębate, wahadłowe, orbitalne, satelitarne

Zalety: możliwość zmiany obrotów (bez reduktora), prosty sposób zmiany kierunku obrotów, zabezpieczenie przed przeciążeniem, zdolność tłumienia drgań.

Dobór silników: wg wskaźników mocy, wg wskaźników, wg nierównomierności momentów, uzyskiwane przyspieszenie (max przyspieszenie _max=M_max/I, I - moment bezwładności), kryteria eksploatacyjne (niezawodność działania, hałas, wibracje), możliwość regulacji

Podstawowe parametry:

chłonność silnika Q_ts=q_sn_s (q_s-chłonność właśiwa)

Q_s=Q_ts+Q;

- straty mechaniczne

- tarcie lepkie

- straty hydrauliczne

M_k - straty konstrukcyjne

N_t=pQ; N_s=pQh_s

Połączenie szeregowe

Q₂=q₂n₂; Q₃=q₃n₃; Q₂=Q₃

q₂n₂=q₃n₃; n₂/n₃=q₃/q₂

Połączenie równoległe

M₂=q₂/2p₂; M₃=q₃/2p₃

p₂=p₃; M₂/M₃=q₂/q₂

Siłownik (cylinder hydraul., silnik liniowy)

Charakterystyka całkowita

---