Pneumatika i Hidraulika_predavanja i Dio

1

PNEUMATIKA I HIDRAULIKA

prof.dr.sc. Joško Petrić

prof.dr.sc. Željko Šitum

Mihael Cipek, dipl.inž.

[email protected]; soba 309/4; tel. [email protected]; soba 305; tel. [email protected]; soba 308/1; tel. 6168-375

www.fsb.unizg.hr/acg

Mehatronika i robotika (3.g.)Konstrukcijski smjer (meh. i roboti, 4.g.)Proizvodno inženjerstvo (obr. sustavi, 5.g., 2+2)

Kolegij upoznaje i uvodi u područje hidraulike i pneumatike. Upoznaju se fizičke osnove, elementi, njihovi simboli, te jednostavniji sustavi i upravljanje takvim sustavima.

Ciljevi:Razumjeti funkcioniranje osnovnih elemenata i jednostavnijih sustava hidraulike i pneumatikeMoći odrediti osnovne karakteristike elemenata i sustavaBiti sposoban projektirati jednostavniji hidraulički i pneumatski sustav

(Analiza i sinteza)

Sadržaj kolegija

HIDRAULIKA� Uvod

� Definiranje hidraulika i pneumatike� Primjene, prednosti i nedostaci, povijesni osvrt

� Fizičke osnove � Svojstva fluida� Pumpe i motori� Cilindri� Ventili� Ostali elementi

� Hidraulički sustavi

� Planiranje i održavanje sustava

PNEUMATIKA� Uvod� Elementi� Pneumatsko upravljanje� Elektropneumatika

SERVO i PROPORCIONALNI SUSTAVI

Predavanja – četvrtak 11 - 14 h (dvorana II)

Vježbe –� auditorne – ponedjeljak 13 – 15 h (dvorana II)� laboratorijske –

� FER 3 puta (u poslijepodnevnim terminima)� Laboratorij za automatiku i robotiku, A-307

2

Pohađanje nastave i ispitiZa potpis: 75 % pohađanja predavanja i vježbi (zbirno)

Ispit:

3 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni,

+ usmeni (na kraju)

prolaz na kolokviju: 40 % ukupno,

(predviđeno za one koji redovito pohađaju nastavu, tj. imaju pravo na potpis, nije predviđen rezervni rok)

redoviti ispit – pismeni i usmeni, prolaz pismenog iznad 50 %, pismeni vrijedi za dva usmena

Literatura� http://titan.fsb.hr/~jpetric/Udzbenici - Petrić, “Hidraulika”, 2013.� http://titan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja - Petrić, slajdovi s predavanja� http://titan.fsb.hr/~mcipek - Cipek, Petrić, razni materijali

� Nikolić, Pneumatika i elektropneumatika, Zrinski, 2007.

� Siminiati, Uljna hidraulika, Sveuč. u Rijeci, 2012.� Koroman i Mirković, Hidraulika i pneumatika, Šk. knjiga, 1992.� Korbar, Pneumatika i hidraulika, 2007, www.vuka.hr

� Ivantysyn & Ivantysynova, Hydrostatic Pumps and Motors, Tech Books International, 2003. ...

� Web stranice proizvođača i organizacija:� BoschRexroth, Festo, ...� http://www.hydraulicspneumatics.com/� http://fluid.power.net/

Što je pneumatika i hidraulika?

Hidraulika & pneumatika: dio pogonske tehnike gdje se rješenje raznih pogonskih zadataka izvršava pomoću pretvorbe, upravljanja, regulacije i prijenosa energije putem tekućeg ili plinovitog stlačenog medija.

Hidraulika: prijenos energije i informacija putem stlačene tekućine (kapljevine): hidrodinamikahidrostatika

Pneumatika: energija i informacija prenose stlačenim plinom, najčešće stlačenim zrakom


Hidrostatika: Osnovni princip rada hidrostatičkih strojeva i sustava zasnovan je na Pascalovom zakonu iz 1651. god.:

„ U fluidu u mirovanju tlak se širi jednoliko u svim smjerovima“.

To znači da je moguće je prenositi sile koristeći tlak fluida, a tlak p u sustavu predstavlja omjer sile Fkoja djeluje na fluid i pripadajuće površine A.

F1 F2

A1 A2

p

x1 x2

2

2

1

1

A

F

A

Fp ==


Tok energije kroz hidraulički sustav


Porijeklo riječi „hidraulika“ dolazi od grčkih riječi za vodu (hýdōr) i cijev (aulós).

Engl. izraz, njem. izraz

“Fluid power”

Dobra i sažeta definicija za hidrauliku i pneumatiku (odnosno fluid power) jest:

To je tehnologija korištenja svojstava stlačenog fluida u generiranju, upravljanju i prijenosu snage.

3


Pretvorba mehaničke energije u energiju fluida, i obrnuto, obavlja se u hidrauličkim strojevima.

Princip rada jednog hidrostatičkog stroja prikazan je na primjeru jednostavne linearne klipne pumpe.

Hidrostatičke pumpe rade tako da „uhvate“ određeni volumen fluida u nekom prostoru tijekom ciklusa usisavanja, prenose ga dalje raznim elementima (klipovima, zupčanicima, vijcima, krilcima, ..), a zatim se prostor u koji je fluid uhvaćen smanjuje tijekom ciklusa tlačenja. Fluid se šalje dalje u hidraulički sustav, a tlak u sustavu ovisi o otporima unutar hidrauličkog sustava. Ciklusi usisavanja i tlačenja neprestano se izmjenjuju i preklapaju (npr. ako se zamisli više klipova koji su u različitim fazama). Hidrostatički motori rade naprosto obrnut proces – stlačeni fluid „gura“ mehaničke elemente motora (opet su to klipovi, zupčanici, krilca, ..) koji onda obavljaju neki rad.


Positive displacement machines - taj pojam dobro ilustrira „volumenski“princip rada hidrostatičkih strojeva (displacement – volumen, istiskivanje, premještanje), (njem.– Verdrängermashinen)

Tehnička Enciklopedija: pumpe se dijele na dinamičke i volumenske. Dinamičke se definiraju kao pumpe u kojima se kapljevina prenosi djelovanjem sila koje na njih djeluju u prostoru što je neprekidno povezan s usisnim i tlačnim cjevovodima pumpe.

U volumenskim pumpama kapljevine se prenose pomoću periodičkih promjena volumena prostora što ga zauzima kapljevina, a koji se povremeno i naizmjenično povezuje s usisnim i tlačnim cjevovodima pumpe (time je omogućen znatno veći radni tlak volumenskih (hidrostatičkih) strojeva).

Jedan osnovni hidraulički krug

Hidraulička shema

Prednosti i nedostaci

Prednosti

Gustoća snage

ωαω ⋅⋅⋅⋅⋅=⋅= rLBITP sin

hbJI ⋅⋅=

ωω ⋅⋅⋅⋅=⋅= rhLpTP

hLpF ⋅⋅= αsin⋅⋅⋅= LBIF


Prednosti

Gustoća snage

Elektromotorni pogon s permanentnim magnetima volumenska gustoća momenta je oko 0.03 Nm/cm3 (u usporedbi s gustoćama momenta i snage s drugim elektromotorima, taj stroj zbog pobude s permanentnim magnetima visoke energije je među boljima).

Hidromotor ima gustoću momenta od oko p/63 Nm/cm3. To znači da za neki sustav sa tlakom p od oko 200 bara, gustoća momenta je više od 3 Nm/cm3, - 100 puta više od elektromotora!

Za veći tlak, razlika bi bila proporcionalno veća.

Ipak - idealan slučaj! Realno – 5 do 10 x bolje

4

Prednosti i nedostaciPrednosti

Gustoća snage

Posljedica lakoće i male veličine – veliki omjer okretnog momenta i momenta tromosti hidrauličkog motora, dakle velika sposobnosti ubrzanja.

Red veličine omjera okretnog momenta i momenta tromosti za manje hidromotore kreće se oko 105 Nm/kgm2, dok se ubrzanje većih neopterećenih hidromotora kreće oko 0.3·105 rad/s2, a onih manjih i do 3.4·105 rad/s2 pri tlaku od 200 bara. Takve vrijednosti su znatno bolje od električnih pogona.

Štoviše, kako pri rotaciji nema pojava poput protu-elektromotorne sile, mogućnost ubrzanja je približno konstantna za cijelu radno područje brzina hidromotora. Takva značajka posljedica je svojstva hidrostatičkih strojeva, koji u idealnom slučaju (zanemarujući gubitke curenja i kompresibilnosti tekućine) daju isti volumenski protok, bez obzira na tlak tekućine.

Obrnuto onda vrijedi da je i tlak hidromotora konstantan (time i moment), bez obzira na protok (odnosno brzinu vrtnje). To dakako vrijedi za idealni slučaj.


PrednostiGustoća snage

Jednostavna realizacija linearnog gibanja

Dobre mogućnosti upravljanja

Dobra dinamika (male inercije)

Jedostavno osiguranje od preopterećenja

Dobro podmazivanje i odvođenje topline putem fluida

NedostaciSlabija korisnost (zbog trenja i gubitaka curenjem)

Povećana potreba za održavanjem (zbog nečistoće i trošenja komponenti)

Osjetljivost s ekološkog gledišta (bučnost, curenje, opasnost požara)

Nedovoljno poznavanje

Primjena

TRANSPORT(MOBILNA HIDR. I PN.)

CESTOVNA I TERENSKA VOZILA

Osobna v.Komercijalna v.

PRUŽNA VOZILA

Vlakovi Tramvaji

POMORSTVO, «OFF-SHORE»

GRAĐEVINSKI STROJEVI

POLJOPRIVREDNI I ŠUMARSKI STROJEVI

Vojna v.

ZRAKOPLOVNA HIDR.

STACIONARNA (INDUSTRIJSKA)

HIDR. I PN.

PROIZVODNA TEHNIKA

Alatni strojevi

Injekcijske preše

RUDARSTVO

SPECIJALNA VOZILA

PROCESNA TEHNIKA

Automatske linije

Rukovanje materijalom

ROBOTIKA

SCENSKA TEHNIKA

MEDICINSKA TEHNIKA

ENERGETIKAVjetroturbine

Hidroelektrane

Stanje

Promet opremom hi & pn 2006.g.: svijet 27*10_9 €

(Europa ≈ 50 %)

Hidraulika / pneumatika ≈ 72 / 28 %

Mobilna / industrijska hidraulika ≈ 75 / 25 %

Očekivani rast hi & pn u razdoblju 2006.-2017. > 40 %

(Global Industry Analyst Report)

Porast tržišta prijenosnika i pogona, te općenito mehatronike

kompenzira porast udjela el. pogona

Tržište građevinskih strojeva Tržište građevinskih strojeva

5

Tržište strojeva za injekcijsko presanje (kalupljenjem)



Hidraulika za F zatvaranja > 4000 knBrzina ubrizg. 600-800 mm/s (hidr.) vs 500 mm/s (el.)

Japan hidr. strojevi 30 %SAD 50 %EU > 80 %

Hidraulička hibridna vozilaSerijski

Hidraulička hibridna vozilaParalelni

Povijesni osvrt

Hidraulika: (grč.: hydraulikos, hydraulos (vodene orgulje), hydor (voda) + aulos (cijev))

Vodeni sat, navodnjavanje, mlinovi (Mezoptamija, Egipat, Grčka, ..)

Hidrostatika 250 g.p.n.e. (Arhimed, Ktesibios (regulator protoka za vodeni sat))

Heronova Pneumatica (skripta o uređajima s povratnom vezom – reg. protoka ..)

Pascal 1651.g: “Bilo koja promjena tlaka u bilo kojoj točki nestišljivog fluida u mirovanju prenosi se jednako u svim smjerovima”

Projekt hidrauličke preše, Pascal, 17 st.

Izradba preše, Brahm, 1795. g.

19 st., pneumatika u industriji (alati, zračni čekići, zračna pošta) i građevinarstvu

20 st., hidrostatički prijenosnici, servo ventili

Zadnjih 50 g. omjer snage i mase poboljšao se 10 do 20 puta! (Već za II sv.r. 0.3 kg/kW)

21 st., optimizacija, integracija s elektronikom, mehatronika, novi materijali i fluidi, upravljanje, dijagnostika, štednja energije, ekologija, ..

“Fluid Power”: tehnologija korištenja svojstava stlačenog fluida u generiranju,

upravljanju i prijenosu snage.

6

Sigurnost i norme

Hidraulički sustav uslijed nepažnje prilikom projektiranja ili rukovanja može biti opasan za ljude i okolinu. Pri tom ta opasnost u načelu nije niti veća ni manja od adekvatnih električnih ili mehaničkih pogona ili prijenosnika. Međutim, važno je poštovati i specifične sigurnosne upute proizvođača opreme, te poštovati procedure prilikom projektiranja, korištenja ili održavanja opreme ako su one definirane preporukama ili normama.Veliki broj normi!

ISO (TC 131 – FP systems)CETOP (Europa), NFPA (Sj.Am.)DIN (Njem.)...

Fizičke osnove

Fizičke veličineTlakVolumenski protokSnagaMoment

Hidrostatički prijenosnikOsnovni hidrodinamički izraziTorricelliBernoulliProtok kroz prigušno mjestoJednadžbe očuvanja mase, kol. gibanja i energije

Fizičke osnove

AkumulatorMasa fluida u gibanju

VolumenV [m3]

Kol. gib.tlakap [Pas]

Vol. protokQ [m3/s]

Tlakp [Pa]

Hidraulika

KondenzatorZavojnicaNabojQ [C]

Vezni m. tokλ [V s]

El. strujaI [A]

Napone [V]

Elektrika

Torzijska opruga

Mom. tromosti mase

KutΘ [rad]

Kutna kolgib.P [Nms]

Kutna brzinaω [rad/s]

Okr. momentT [Nm]

Rotacija

OprugaMasa Putx [m]

Kol. gibanjap [Ns]

Brzina v [m/s]

Sila F [N]

Translacija

q (t)p (t)q (t)

Pomak, istiskivanje

p (t)

Kol. gibanjaf (t)

toke (t)

naporDomena

energijeSpremnik varijableEnergetskesnageVarijable

+ potrošači energije!

Modeliranje dinamičkog sustava: po toku energije i po toku signala

BBA xDxxK &=− )( ABB xD

Kx

D

Kx =+&

Tlak

bar07psi 1000

bar 10MPa 1

Pa10bar

N/mPa

5

2

≈

=

=

=

p

Relativni tlak (u odnosu na atmosferski), gage pressurepretlak i potlak (vakum)

Apsolutni tlak (nap. – kako to usporediti s elektrikom?)Diferencijalni tlak, ∆p

Napomena: ISO 5598, Fluid Power systems & components - Vocabulary

Zakon promjene hidrostatičkog tlaka u fluidu (tlak se povećava dubinom):

hgphp ρ+= 0)(

Pitanje:

Redoslijed podizanja?

F

A1

A

x

A2

1

m

2

m

21 AmgAmgF ⋅+⋅⟩

12 10 AA ⋅=

7

Volumenski protok

/sm1/60000l/min 3=

Q = v·A

Napomena: radi se o volumenskom protoku, za razliku od masenog ([kg/s]), koji češće koristimo u pneumatici

U pneumatici se koristi također i volumenski protok [m3/min]

Jedinični volumen nekog rotacijskog hidr. stroja predstavlja radni volumen stroja tijekom jednog okretaja, odnosno idealnu količinu fluida koju može istisnuti tijekom jednog okretaja (ili ciklusa):

V = Q/n

Snaga

P

Ekvivalent mehaničkoj snazi dan je slikom:

dtvdx

ApF

ppp

⋅=

⋅∆=

−=∆ 21

AvQ ⋅=

dtQpdtvApdxFdW ⋅⋅∆=⋅⋅⋅∆=⋅=

Rad klipa je:

Snaga je:

Qpdt

dWP ⋅∆==

Odnosno: [ ][ ] [ ]

600

l/minbarkW

QpP

⋅∆=Nap.: što ako je ∆p=0?

Pumpa, motor?

Hidraulički stroj (rotacijski sustav)

Qpdt

dWP

nVQ

dtVnpdtnVp

dTdW

n

VpdApT

dAV

ppp

k

⋅∆==

⋅=

⋅⋅⋅∆=⋅⋅⋅⋅∆

=⋅=

⋅=

⋅∆=⋅⋅∆=

⋅⋅=

−=∆

ππ

ϕ

πωπ

π

22

2

22/

2/2

21

Hidraulički stroj (rotacijski sustav)

Q

d p

2

1

2

1

21

2

1

1

2

2211

21

)2(

V

V

T

T

nTTPPPjeako

V

V

n

n

nVnV

QQQ

=

⇒=⋅==

=

⋅=⋅

==

πω

1 2

Osnovni hidrodinamički izrazi

Torricellijeva formula

Iz mehanike krutog tijela mogu se dobiti neki osnovni izrazi koji povezuju tlak, protok i brzinu strujanja tekućine. Torricellijev izraz za brzinu istjecanja tekućine kroz mali otvor slijedi iz j. slobodnog pada (h = 0.5 g·t2, te v = g·t):

hgv ⋅⋅= 2

Može se izraziti i pomoću tlaka (jer je p = F/A = (ρ·A·h·g)/A):

25.0 vp ⋅⋅= ρ

Značajan izraz: tlak tekućine koji se razvija zbog promjene brzine strujanja, i obrnuto, brzina nastala zbog ∆p.

Bernoullijeva jednadžba

(iz 1738.)

1

2

h1h2

p1 p2

Ako se prethodna j. doda zakonu promjene hidrostat. tlaka u fluidu( ) dobije se:hgphp ρ+= 0)( 2

0 5.0)( vhgphp ⋅⋅+⋅⋅+= ρρ

Ili, dodatkom pada tlaka zbog trenja: trpvhgpconstp +⋅⋅+⋅⋅+== 20 5.0. ρρ

8

Jednadžba protoka kroz prigušno mjesto:

ρα

ρ

ρ

pAQ

pv

vpp

vvAA

k

∆=

∆=

+=

⟩⟩⇒⟨⟨

2

2

2

0

3

23

31

1313

A3=αc·A0

Koeficijenti kontrakcije za različite oblike prigušnih mjesta

Hidraulički otpor:

pR

QH

∆=1

02 AR

cH

⋅⋅=

α

ρ

nelin.

Jednadžba održanja mase

1m& 2m&

3m&

dt

dlAAvAv

mmm

AvQm

dVdt

d

dt

dm

V

32211

321

=−

=−

==

= ∫

&&&

& ρρ

ρ

Jednadžba očuvanja količine gibanja

Količina gibanja tijela umnožak je njegove mase i brzine (vekt.). Promjena k.g. u vremenu jednaka je sumi vanjskih sila (vekt.) koje djeluju na tijelo. Za jednodim. protok:

amdt

dvmF ⋅==

21 pApAF ⋅−⋅=

dt

dvlAApAp ⋅⋅⋅=− ρ21

iz Q = A·v slijedi:

dt

dQ

A

lpp ⋅

⋅=−

ρ21

Izraz kaže da se neki promatrani dio fluida ne može ubrzati, bez da postoji neka razlika tlaka koja djeluje na promatrani dio fluida.

Primjer:

22222

21111

vAQvF

vAQvF

⋅⋅=⋅⋅=

⋅⋅=⋅⋅=

ρρ

ρρ

2

1

1

2

A

A

v

vQ ==

Koristeći Q = A·v slijedi da je rezultirajuća sila F (F = F2 – F1) :

−⋅=

−⋅⋅=

12

2

2

11

21

111

AAQ

A

AAvF ρρ

Jednadžba očuvanja energijeJedan od temeljnih zakona u prirodi je prvi glavni zakon (stavak) termodinamike, koji predstavlja osnovu za proučavanje veza između različitih oblika energije, i međusobnih djelovanja između njih. To je zakon očuvanja energije, a po tom zakonu energija se ne može ni stvoriti niti uništiti tijekom nekog procesa, nego ona može samo promijeniti svoj oblik. Kada se unutarnja energija tijela, dovedena toplina, te izvršeni rad, prošire sa bilo kakvim drugim oblikom energije, onda je zakon očuvanja energije:

QH – dovedena toplina U2 – U1 – prirast unutarnje energije tijelaW – odvedeni mehanički radEp – potencijalna energija tijelaEk – kinetička energija tijela∑E – svi drugi oblici energije

Nap.: svi oblici energije su u Joulima [J]. Konvencija predznaka, odnosno izraza „dovedena“ toplina i „odvedeni“ rad je prema Clausiusovoj konvenciji predznaka.

EEEWUUQ kpH ∑++++−= 12

9

Princip očuvanja energije, odnosno njene pretvorbe, upravo je suština hidraulike. Mehanički rad pretvara se u hidrauličku energiju, kompresija i trenje povećavaju temperaturu ulja, hidraulička energija ponovo se pretvara u mehanički rad, itd. Toplina koja se odvodi preko stijenki spremnika u okolinu, ili putem izmjenjivača topline, predstavlja gubitak energije. Prilikom projektiranja hidrauličkog sustava, te kasnije prilikom njegove eksploatacije i održavanja, važno je imati na umu navedenu ravnotežu energije. Na primjer, svaki porast temperature ulja iznad predviđenog (i dopuštenog) znači da se energetska ravnoteža sustava poremetila, te je potrebno poduzeti određene mjere za sprječavanje toga.

Hidraulički otpor, kapacitet i induktivitet

Q

pRH

∆=

p

QCH

&=

Q

pLH &

∆=

p

Q

Vpp

∫dt

∫dt

HR

HC

HL

∫ ∫=

⋅∆=

V p

p

p

QdppdVE

QpP

;

Zakon održanja impulsa

)( vmdt

dI

dt

dF

rrr==∑

Gdje su F vanjske sile

Sila strujanja Fstr je jednaka sumi vanjskih sila s negativnim predznakom:

∑−= FFstr

rr

Hidraulički otpor, kapacitet i induktivitet

Q

pRH

∆=

p

QCH

&=

Q

pLH &

∆=

RH

Laminarno strujanje fluida (tok fluid formira “lamine”, i kreće se samo u smjeru gradijenta tlaka). Veza protoka i tlaka je linearna (Ohmov zakon):

Q = ∆p / RH

Kod turbulentnog strujanja veza protoka i tlaka je nelinearna:

Q = Kv √∆p(Kv koeficijent protoka prigušnog mjesta)Važi za prigušnice sa “oštrim rubom”(Nap: veza sa elektrikom?)

Diskriminator laminarnog i turbulentnog strujanja je Reynoldsov broj (Re=vDρ/µ)

LH

Cjevovod:

dt

diLu

mkgA

lL

QLdt

dQ

A

l

A

Fp

pAF

dt

dQ

Adt

dva

alAamF

H

Ha

a

⋅=

⋅=

⋅=⋅⋅

==∆

∆⋅=

⋅==

⋅⋅⋅=⋅=

]/[

1

4ρ

ρ

ρ

&

l

A

10

LH

Cilindar:

Motor:

2

CilA

mLH =

2

2

=

πMot

MotH

V

JL

Serijski i paralelni spoj elemenataQ1 Q2

Q31p∆

2p∆

3p∆

Q1 Q2 Q3

1p∆ 2p∆ 3p∆

Zatvoreni i otvoreni hidraulički krugHIDRAULIČKI FLUIDI

Zadaci fluida:

� Prenosi energiju

� Podmazuje (ležaji, klizne površine)

� Odvodi toplinu

� Štiti od korozije

� Odstranjuje nečistoće i abrazive (do filtra i rezervoara)

� Brtvi (ponegdje)

Svojstva fluida

Gustoćaf (p, t)

Kompresi-bilnost

Viskoznostf (t, p)

Ostala svojstva

f (p, t)

Ostala svojstva:

� Toplinska svojstva (spec. top. kapacitet, širenje i vodljivost)� Zapaljivost� Podmazivost� Korozivnost� Termička i mehanička stabilnost� Pjenjenje� Otapanje plinova� Kompatibilnost� Toksičnost� Emulzivnost� Tlak isparavanja� Točka tečenjaNapomena: svojstva više ili manje ovise o tlaku i temperaturi, pa su promjene tijekom rada moguće.

11

Gustoća fluida

Gustoća ili masena gustoća nestlačivog materijala ρ [kg/m3] jest njegova masa m po jedinici volumena V kojeg zauzima:

Gustoća je u pravilu promjenljiva veličina, koja ovisi o tlaku i temperaturi. Kod plinova (u pneumatici) takve promjene gustoće su znatne, pa se gustoća izražava pomoću jednadžbe stanja plina. Kod krutih tijela i tekućina promjene su puno manje (često se zanemaruju). Porast tlaka uvijek povećava gustoću materijala. Porast temperature gotovo uvijek, zbog širenja materijala, smanjuje njegovu gustoću. Iznimke su rijetke - npr. neposredno iznad temperature ledišta vode (od 0º do 4ºC), porast temperature povećava njenu gustoću. Recipročna vrijednost gustoće je specifični volumen v [m3/kg], koji se češće koristi u nauci o toplini, a nekad se koristi i specifična težina γ

(γ = ρ·g, [N/m3]).

V

m=ρ

Stlačivost (kompresibilnost) fluida

V je volumen [m3], p tlak [N/m2], a K je volumenski modul elastičnosti[N/m2 = Pa]. Može se uočiti da modul elastičnosti ima dimenziju tlaka, a negativni predznak pokazuje da prirastu tlaka odgovara smanjenje volumena.Volumenski modul elastičnosti na engleskom je bulk modulus, a na njemačkom Kompressionsmodul. Modul elastičnosti recipročna je vrijednost koeficijenta volumenske stlačivosti β [1/Pa]:

Ponegdje se modul elastičnosti fluida označava sa β . Ovdje je sa β označena recipročna vrijednost modula elastičnosti, koji je označen sa K, o čemu treba voditi računa.

K

dp

V

dV−=

K

1=β


Koeficijent stlačivosti ili kompresibilnosti β mjera je promjene volumena fluida kako se mijenja tlak fluida (odnosno njegovo naprezanje):

Koeficijent stlačivosti može se definirati pri izotermnoj promjeni stanja

(kao prethodno, T = konst.), ili pri adijabatskoj promjeni.

Iz prethodne jedn. slijedi:

TTpp

V

V

∂

∂=

∂

∂−=

ρ

ρβ

11

dpVdV ⋅⋅−= β


Za malu promjenu mase važi (iz ρ = m/V):

Kako se masa sama po sebi ne može promijeniti, za dm= 0 slijedi:

Dakle, (prvi izraz za stlačivost) smanjenje volumena uslijed porasta tlaka može se izraziti:

ρρ dVdVdm +=

dVV

d11

=− ρρ

dpK

VdV −=

Stlačivost (kompresibilnost) fluidaOdređivanje modula elastičnosti iz p-V dijagrama

Tangentni i sekantni modul elastičnosti, obzirom na nelin. krivulje.

Stlačivost (kompresibilnost) fluidaOdređivanje modula elastičnosti iz p-V dijagrama

Tangentni i sekantni modul elastičnosti, obzirom na nelin. krivulje.U praksi je sekantni češći:

Dakle, slijedi važan izraz:

Napomena: brojni su članci na temu mod. el.

K

V

p

Vs

0tan −=∆

∆=α

pK

VV ∆−=∆ 0

12


Krutost “opruge”:

Dinamika?

AppF ⋅∆+= )( 0

A

00 hAV ⋅=

hAV ∆⋅=∆

0h

h∆

pK

VV ∆−=∆ 0

00

22

h

AK

V

AK

V

Ap

h

Fk

⋅=

⋅=

∆

⋅∆=

∆

∆=


Derivacijom, dobiva se protok uslijed stlačivanja:

Analogijom, može se izraziti hidraulički kapacitet:

Gdje je CH = V0/K.

AppF ⋅∆+= )( 0

A

00 hAV ⋅=

hAV ∆⋅=∆

0h

h∆

pK

VV ∆−=∆ 0

→ Kapacitet pohrane energije je veći što je veći volumen, i što je manji K. Znači za razliku od kvalitete dinamičkih odziva, za pohranu energije poželjan je što manji K.

dt

pd

K

V

dt

VdQ

∆⋅=

∆= 0

pCQ H &∆⋅=


Ono što u praktičnim primjenama značajno utječe na modul elastičnosti fluida u hidrauličkom sustavu, jest zrak koji se nalazi „zarobljen“ u tekućini. Kako zrak ima puno manji modul elastičnosti od bilo koje tekućine, tako se bitno smanjuje modul elastičnosti.Uz to, na modul elastičnosti utječu i fleksibilna crijeva, koja se koriste na pokretnim dijelovima strojeva. Ona također smanjuju ukupni, ili efektivni modul elastičnosti. Razvojem ekvivalentnog sustava opruga, koji će zamijeniti elastičnost tekućine, zraka i crijeva, može se napisati i izraz za ukupni ili efektivni modul elastičnosti Ke:

indeksi: e- ekviv., l – liquid, a – air, c – cijevi, crijeva, i sl.

cae

a

le KKV

V

KK

1111++=


Primjeri:Utjecaj zraka u tekućini na smanjenje modula elastičnosti tekućine je vrlo velik. Modul elastičnosti zraka je oko 1.4 bar (adijabatski), ili oko 1 bar (izotermni)Modul elastičnosti mineralnog ulja oko 18000 bar (na temperaturi od oko 20ºC). Modul elastičnosti vode je oko 22000 bar. Navodi se da 0.1 % neotopljenog zraka u mineralnom ulju smanjujenjegov modul elastičnosti za oko 7 % (na sobnoj temperaturi), dok 1 % zraka smanjuje modul elastičnosti mineralnog ulja za čak 55 %. Međutim, porastom tlaka utjecaj zraka na modul elastičnosti tekućine može se značajnije smanjiti. Pitanje vrijednosti modula elastičnosti u praksi nije nimalo jednostavno. Gdje je to pitanje važno, na primjer u sustavima gdje se zahtijevaju visoke dinamičke sposobnosti i preciznost, tome treba obratiti posebnu pažnju.


Primjeri:U posudu volumena 1 litra, u kojoj je mineralno ulje pod tlakom od 10 bar doda se još 1 ml ulja. Pitanje je za koliko će narasti tlak u posudi? (Modul elastičnosti ulja je 1,8·103 Mpa)

Dakle, dodavanjem samo 1 ml ulja u posudu od 1 l, tlak će narasti sa 10 na 28 bar. Ako bi se isti primjer pokazao sa zrakom umjesto ulja (ako se pretpostavi da je Kzraka = 0.1 Mpa, uz izotermnu promjenu):

181

001.018000

0

==∆−

=∆V

VKp bar

001.01

001.01

0

==∆−

=∆V

VKp bar

Viskoznost

U krutim tijelima posmično naprezanje uzrokuje deformaciju tijela koje tada pohranjuje potencijalnu energiju kao opruga. Fluidi se ponašaju različito. Kao reakcija na konstantno smično naprezanje, fluidi se kontinuirano deformiraju, oslobađajući toplinu. Smično naprezanje fluida τ proporcionalno je brzini kutne deformacije . Veza između te dvije veličine naziva se dinamička viskoznost ili apsolutna viskoznost fluida µ:

Viskoznost je mjera otpora fluida koji se podvrgava smičnom naprezanju, odnosno to je svojstvo otpornosti tekućine prema smičnoj ili kutnoj deformaciji. Fluidi koji poštuju linearni odnos naprezanja i brzine kutne deformacije (prethodna jedn.) zovu se „newtonski“ (većina fluida koja se koriste u hidraulici jesu newtonski fluidi).

dy

xd &⋅= µτ

13

A

F

dy

xd &

x&

Prema Newtonovom zakonu (o laminarnom viskoznom tečenju iz 1686.):

dinamička viskoznost je [Pa s]

F – sila koja uzrokuje gibanje

A – kontaktna površna

D – brzina smicanja

Kinematička viskoznost je: [mm2/s] ili [cSt]

dy

xd

A

F &η==τ ⇒

D

τ=η

ρ

η=υ

Viskoznost

Sila viskoznog trenja je:

Koeficijent viskoznog trenja c (c = µA/y) proporcionalan je dinamičkoj viskoznosti µ tekućine, površini dodira A, a obrnuto je proporcionalan debljini fluida y. Obzirom da je kod hidrauličkih strojeva debljina fluida mala (može biti nekoliko mikrona), tako i sila viskoznog trenja može biti značajnija, pa stoga i izgubljena energija takvim trenjem.Jedinica za dinamičku viskoznost je Pa·s (Pascal sekunda). Koriste se jošneke jedinice, npr. centiPoise (cP).

U hidraulici se dosta često koristi i kinematička viskoznost ν, koja je omjer dinamičke viskoznosti µ i gustoće ρ. Jedinica kinematičke viskoznosti je mm2/s, ili centiStoke (cSt) (1 mm2/s = 1 cSt). Postoje još neke jedinice koje se koriste, uglavnom u V.Britaniji i SAD-u, poput Newt i Saybolt Universal seconds (SSU).

xy

AF &

⋅=

µ

ViskoznostViskoznost može dosta ovisiti o temperaturi, pa i o tlaku. Kod većine fluida koji se koriste u hidraulici, viskoznost značajno ovisi o temperaturi fluida (ne ovisi npr. kod vode). S porastom temperature viskoznost tekućina pada (kod idealnih plinova raste). Ovisnost viskoznosti o temperaturi kod hidrauličkih fluida često se prikazuje dijagramima. Tu je prikazana ovisnost za mineralna ulja s nekoliko različitih stupnjeva viskoznosti (VG, viscosity grade). Stupnjevi viskoznosti govore o kinematičkoj viskoznosti pri 40°C (referentna temperatura prema ISO). Na ovisnost viskoznosti fluida o temperaturi ukazuje indeks viskoznosti (VI). Što je krivulja viskoznosti strmija, indeks viskoznosti je veći. Poželjan je što viši indeks viskoznosti, dakle da viskoznost bude što ravnomjernija. Tipičan indeks viskoznosti za mineralna ulja je oko 100.

Viskoznost ovisi također i o tlaku, međutim u znatno manjoj mjeri nego o temperaturi. Međutim, ako hidraulički sustav radi na većim tlakovima, razmatranje viskoznosti u ovisnosti o tlaku može biti preporučljivo. Načelno, kod porasta tlaka i viskoznost raste (dakle, suprotno ponašanje nego kod porasta temperature).

Viskoznost

Utjecaj temperature na viskoznost

Indeks viskoznosti,

Waltherova formula

Skydrol (phosphate-ester)(zrakopl. fl.)

Polarni uvj.

Tropski uvj.

14

Primjer, (crpka SD 40):

Viskoznost:Min 7 cStMax 1600 cStConti. 12 – 60 cSt

Temperatura:Min –40Max 104Conti. 82

VG prema ISO klasama viskoznosti (ISO 3448)

Viskoznost

Na odabir viskoznosti fluida utiče minimalna temperatura okoliša prilikom pokretanja sustava, maksimalna radna temperatura sustava (na koju utiče i temperatura okoliša), te optimalno i dozvoljeno područje viskoznosti za komponente hidrauličkog sustava. Previsoka viskoznost znači veliki pad tlaka u sustavu, povećanu temperaturu i gubitke, dok preniska viskoznost znači loše podmazivanje, povećano trošenje, te povećane gubitke curenjem.

Može se načelno reći da se optimalna viskoznost (ovisno o elementima) kreće između 16 i 36 cSt, dok je za maksimalni životni vijek ležaja poželjna minimalna viskoznost od 25 cSt.

Gubici i viskoznost

Gubic

i snage

Uslijed

curenja

Uslijed

trenja

Ukupno

Din. viskozitet

Utjecaj tlaka na viskoznost

Primjer: Toplinska svojstva fluida:

Spec. topl. kapacitet

Specifična toplina (c) je ona količina topline (QH) koju treba dovesti tvari mase (m) 1 kg da bi temperatura (T) porasla 1 ºC.

Specifični toplinski kapacitet općenito se mijenja s temperaturom, (za vodu pokazuje minimum na oko 30ºC).

Specifična toplina mineralnog ulja ima vrijednot oko 40% vrijednosti vode (dakle cmin.ulja ≈ 0.4 cvode). Što se tog podatka tiče, voda je bolji hidraulički fluid od ulja, jer zahtijeva više nego dvostruko veću količinu topline da se postigne jednaka temperatura jednake mase fluida. Ipak, ako se hladi, to znači da je potrebno odvesti više nego dvostruko veću količinu topline vodi da bi imala istu temperaturu kao ista masa ulja (to je razlog što se rabe izmjenjivači topline ulje-vode, dakle, 1 kg vode svoju temperaturu podigne za 1ºC da bi ohladio oko 2.5 kg ulja za 1ºC).

15

Toplinska svojstva fluida:

Toplinsko širenje

Fluid se širi s povećanjem temperature (uz iznimke, npr. pri promjeni faze).

Značajniji utjecaj na toplinsko širenje fluida može imati toplinsko širenje spremnika u kojem je fluid smješten (dakle, cijevi, crijeva,

spremnik, ..).

Koeficijenti toplinskog širenja:

mineralno ulje = 0.0007 1/ºC (konstantan je s promjenom temperature), voda = 0.00036 1/ºC pri 40ºC, za neke materijale spremnika:

čelik 22·10-6 1/ ºCbakar 34·10-6 1/ ºC aluminij 48·10-6 1/ ºCvisokotlačno crijevo ≈ 450·10-6 1/ ºC

Toplinska svojstva fluida:

Toplinska vodljivost

Radi primjera, koeficijent vodljivosti topline mineralnog ulja je oko 0.14 W/m K, vode (pri stanju 1 bar i 20ºC) je 0.6 W/m K, niskougljičnog čelika je 50 W/m K, a aluminija 221 W/m K. Dakle, mineralno ulje slabi je provodnik topline (po koeficijentu vodljivosti topline približava se toplinskim izolatorima).

Ostala svojstva fluida:

Zapaljivost

U mnogim primjenama nužno je da hidraulički fluid bude što teže zapaljiv, te da ne podržava gorenje. Različite su definicije i norme koje govore o zapaljivosti fluida. Prilikom definiranja obično se razlikuju temperature plamišta, gorenja, zapaljenja i samozapaljenja. Za mineralna ulja te temperature su razmjerno niske (uljne pare planu na oko 150ºC (plamište), dok je temperatura samozapaljenja na oko

350ºC).

Primjer: zapaljivost fluida (vrijeme do zapaljenja)HFA – ulje u vodiHFC – polimeri u vodi


Podmazivost

To je mjera mogućnosti fluida da nosi veliki teret zadržavajući svojstvo niskog trenja. Na podmazivost djeluje dosta faktora, jedan od najvažnijih je svakako viskoznost. Tendencija poboljšanja radnih svojstava hidrauličkih strojeva vrlo je zahtjevna glede podmazivanja. Povećani tlakovi i brzine, uz smanjenje tolerancija zazora (radi smanjenja gubitaka curenjem), negativno utječu na podmazivost. Radi poboljšanja podmazivosti fluidima se dodaju različiti aditivi.


Korozivnost

Važno je da fluidi ne potiču, odnosno da sprječavaju formiranje korozije hidrauličkih elemenata. Obično fluidi sadrže aditive radi inhibicije korozije.

16


Termička i mehanička stabilnost

Termička i mehanička stabilnost osiguravaju da fluid zadrži svoja svojstva unatoč izloženosti radnim naprezanjima i povišenoj temperaturi. Poželjno je da se fluid opire reakcijama sa zrakom, te da

ne stvara krute čestice u fluidu (okside) ili talog.


Pjenjenje

Pjenjenje tekućine je stvaranje emulzije s plinovima, pogotovo zrakom. Pjenjenje ulja nije poželjno jer može rezultirati kavitacijom, povećanom bukom te intezivnim trošenjem elemenata. Također smanjuje se modul elastičnosti fluida, te posljedičnim slabijim dinamičkim svojstvima sustava. Pjenjenje se može smatrati prvenstveno konstrukcijskim problemom. Uobičajeni izvori pjenjenja su npr. prenizak nivo ulja u spremniku, te prebrz protok kroz povratnu liniju.


Otapanje plinova

Pitanje topivost plina u tekućini dano je Henryevim zakonom, gdje se tvrdi da je topivost plina proporcionalna parcijalnom tlaku pare iznad tekućine. Plinovi u rastvorenom obliku manje utječu na svojstva hidrauličkih tekućina. U području smanjenog tlaka plinovi se izdvajaju iz tekućine u obliku mjehurića. Otapanje i izdvajanje plinova ne odvija se jednakom brzinom (brže je izdvajanje).


Emulzivnost

Mogućnost fluida da se opire stvaranju emulzije sa vodom zove se deemulzivnost. Najčešće je poželjno da se hidraulički fluid opire stvaranju emulzije s vodom, te da omogući separaciju i odvajanje vode (voda je teža od mineralnog ulja pa potone na dno spremnika, odakle se periodički može odvojiti). Voda najčešće dolazi kao kondenzat iz zraka koji se stvara u spremniku.


Kompatibilnost i toksičnost

Fluid mora biti kompatibilan sa različitim elementima u sustavu, tj. treba biti što inertniji u rekciji s materijalima koji čine hidraulički sustav (osnovni konstrukcijski materijal elemenata, brtve, završne obrade elemenata, itd.).

Fluidi ne bi smjeli biti otrovni za živa bića koja dođu u dodir s njima. Posebno je to naglašeno za sustave koji rade u prehrambenoj ili farmaceutskoj industriji. Također fluidi ne bi smjeli poticati alergološke reakcije.


Tlak isparavanja

To je tlak pri kojem na određenoj temperaturi fluid iz kapljevite prelazi u parnu fazu. Poželjno je da pri određenoj temperaturi fluid počinje isparavati pri što nižem tlaku. Naime, isparavanje fluida, te njegovo ponovo ukapljivanje znači kavitaciju u sustavu, koja je vrlo nepoželjna pojava.

17


Točka tečenja

To je najniža temperatura pri kojoj fluid još teče (još je likvidan). Poželjno je da točka tečenja bude što niže.

Kavitacija

Kavitacija opisuje proces koji uključuje začetak, rast i imploziju (urušavanje u sebe) parnih ili plinskih mjehurića koji se javljaju u tekućini. Javlja se na mjestu na kojem unutar hidrauličkog sustava tlak padne na razinu tlaka isparavanja (zasićenja) tekućine. Kada nakon pojave isparavanja fluid ponovo dođe u područje viših tlakova, dolazi do implozije mjehurića, i na tim mjestima se može pojaviti vrlo visoki tlak.

Naime, kada lokalni tlak tekućine padne dovoljno, otopljeni (rastvoreni) zrak se pojavljuje i ulazi u mjehuriće. Ako lokalni tlak dalje pada, nastaje isparavanje tekućine, i mjehurići se ispunjavaju parom. Ponovnim porastom tlaka, mjehurići prvo prestaju rasti, a zatim počnu nestajati. Njihovo nestajanje uzrokuje otapanje zraka i kondenzacija pare. Ako se mjehurić koji je pretežno ispunjen parom podvrgne naglom porastu tlaka, tada je njegova implozija vrlo nagla, te nastaju vrlo veliki lokalni tlačni špicevi (mogu iznositi i više tisuća bar). U slučaju da je mjehurić pretežno ispunjen zrakom, onda je njegova implozija manje intenzivna i manje štetna. Mjehurić će biti pretežno ispunjen zrakom, ako je njegovo stvaranja sporije.

Kavitacija

Vrste fluida

Osnovni fluid+ aditivi

• Osnova mineralno ulje (H (nelegirani), HL (aditivi protiv starenja i poboljšanja antikorozivnosti), HLP (aditivi za manje trošenje i veće opterećenje), HVLP (aditivi za bolji indeks viskoznosti)

• Teško zapaljivi fluidi (HFA (Ö-in-W(> 80%)), HFB (W-in- Ö (40% - 60%), HFC (rješenja sa vodom –vodeni glikoli (40% vode)), HFD (rješenja bez vode – sintetički fluidi - fosfati))

• Ekološki ili biorazgradivi fluidi (HETG (biljna ulja), HEPG (poliglikoli), HE)

• Specijalni fluidi (zrakoplovni, za automatske prijenosnike (ATF), ER, ..)

Usporedba fluida

41.5841Relativna cijena (u odn. na min. ulje)

52-352-35Podmazivost

23253Kompatibilnost s brtvama

2-33253Viskoznost –temper.

22351Otpor zapaljenju

Sintetičko ulje (fosf. esteri + min.ulje)

Ulje u vodiFosfatni esteri

Vodeni glikol

Min.ulje

Vodeni-glikoli – teško zapaljivi fluidi, sastoje se od vode (~40%), glikola (ili etilenglikol, antifriz), te poli-glikola topljivog u vodi.Fosfatni esteri (fosfatni etil-atatonati), sintetički teško zapaljivi fluidi

18

Jedna usporedba fluida

HLP

Min. ulje

HFA (3%)

3 % ulja u

vodi

HFD

Sint. Fluid

bez vode

HETG

Biljno ulje

Gustoća [g/cm3] 0.87 1 1.15 0.92

Kin.visk. 40˚

[mm2/s]

10-100 0.7 15-70 32-48

Indeks viskoznosti 100 - (0) < 0 210

Modul kompres.

x 109 [Pa]

2 2.5 2.3 – 2.8 2.5

Područje radne

temperature [˚C]

-10 - 80 5 - 50 10 - 70 0 - 70

Temperatura

zapaljenja [˚C]

210 - 245 315

Ledište [˚C] -18 0 -24 - 6 -25

Opasnost

kavitacije

umjerena jaka umjerena umjerena

Cijena [%] 100 10-15 200-400 150-300

Tržišni udjel [%] 85 4 2 3

Voda kao hidraulički fluid

Dobra svojstva: cijena, nezapaljivost, bolja kompresibilnost (50%), ekološka prihvatljivost, može biti bolja toplinska vodljivost (5x), specifična topl. veća, niska viskoznost (30x), nizak indeks viskoznosti, ...→ veća krutost prijenosa, bolja mogućnost odvođenja topline, manji pad tlaka (gubici))

Loša svojstva: raspon radne temperature, trošenje i podmazivanje (drugi materijali – nehrđajući čelik, keramika, veći zazori..), stvaranje bakterija i gljivica, elektroprovodljivost, niska viskoznost, kavitacija, ...

“Zeleni” fluidi

Procjena: 700·10(6) gallona mineralnih ulja godišnje ulazi u okoliš(izvor Hy&Pn, 10_2012) (1 gallon = 3.79 l)

Pojmovi: biorazgradivost i neotrovnost (važno je definiranje)4 osnovne vrste ekoloških fluida: HETG (hy.envir.triglyceride) – trigl. derivirani iz biljnih ulja (česti zbog dobre podmazivosti i biorazgradivosti. Loša svojstva na visokoj temperaturi, skupi)HEES (hy.envir. ester synthetic)HEPG (hy.env. poly glycol)HEPR (hy.env. polyalphaolefin)

Općenito: ekološko prihvatljivi (zeleni) fluidi su skuplji, zahtjevniji za održavanje, a sustav ima manji stupanj korisnog djelovanja.

STRUJANJE FLUIDA KROZ CJEVOVODE I PRIGUŠNA MJESTA

Prolazeći kroz cijevi, crijeva, priključke, te različita otporna mjesta, stvaraju se otpori fluidu uslijed njegovog trenja o stijenke, te trenja unutar samog fluida.

Važni podaci glede provođenja fluida u nekom hidrauličkom sustavu su veličine i priroda protoka (prosječni i vršni, je li pulsirajući, ravnomjerni, ili neki drugačiji), zatim tlak, te dozvoljeni gubici.

Načelno, što su cjevovodi većeg promjera, gubici će biti manji. S druge strane težina i volumen hidrauličkog sustava će biti veća, sustav će biti skuplji zbog veličine elemenata, ali i zbog utrošenog rada na spajanju i savijanju takvih cijevi i priključaka. Dakle, nužan je dobar kompromis.

Strujanje fluida - Reynoldsov broj

Priroda strujanja ovisi o uvjetima. Kakva su oni, govori Re broj:

v - brzina strujanja fluida

d – promjer cijevi

µ – din. viskoznost

ρ - gustoća

µ

ρ Lv=Re


Za niske Reynoldsove brojeve prevladavaju viskozne sile, a strujanje je laminarno (u paralelnim slojevima, laminama). Za visoke Reynoldsove brojeve prevladavaju inercijske sile fluida, a strujanje je turbulentno. Rješenjem jednadžbi strujanja za jednodimenzionalne nestišljive viskozne fluide (Navier-Stokes), dolazi se do Bernoullijeve jednadžbe za visoke Reynoldsove brojeve, dok se za niske Reynoldsove brojeve dolazi do Newtonovog zakona viskoznosti - dvije su vrste strujanja prilično različite. Kod laminarnog strujanja pad tlaka uslijed trenja dan je linearnom vezom (prvog reda), pa se otpor može interpretirati kao u (istosmjernoj) elektrici. Kod turbulentnog strujanja pad tlaka uslijed trenja proporcionalan je kvadratu protoka pa je veza pada tlaka i

protoka nelinearna

19


Granicu laminarnog i turbulentnog strujanja određuje kritični Reynoldsov broj, koji je različit za različite fluide, te za različite profile kroz koji fluid struji. Za strujanje kroz glatke okrugle cijevi fluida niže viskoznosti, poput plinova i vode, granični Re se obično uzima 2300. Za ulja obično se uzima laminarno strujanje za Re < 1400, dok je turbulentno za Re > 3000. U području između postoji prijelazni, ili mješoviti režim strujanja. Za ventile i druga otporna mjesta kritični Reynoldsov broj u pravilu je dosta niži.

Stacionarno strujanje u ravnoj cijevi

Pad tlaka u ravnoj cijevi uslijed trenja određuje se slijedećim izrazom (Darcy-Weisbachova j.):

Gdje su l dužina cijevi, d promjer cijevi, ρ gustoća, v je brzina strujanja flida. λ je koeficijent trenja (f (Re)).

Za laminarno strujanje koef. trenja λ se može izraziti kao λ = 64/Re

Za računanje Reynoldsovog broja iz (4.1) kao karakteristična linearna dimenzija uzima se hidraulički promjer dh. Brzina strujanja računa se kao v = Q/A, a umjesto dinamičkog viskoziteta može se uvrstiti

kinematički (µ=ρ·ν) Tada Re postaje:

2

2v

d

lp

ρλ=∆

A

dQ h

υ=Re gdje je:

O

Adh

4=

Stacionarno strujanje u ravnoj cijeviKoeficijenti trenja pri strujanju fluida (Moodyev dijagram)

Relativna hrapavost

Strujanje kroz lokalne otpore

Uz ravne cijevi, hidraulički fluid provodi se i kroz kraća, ali zakrivljenija mjesta s naglim promjenama presjeka (npr. različiti priključci, ulazni i izlazni otvori, koljena, lukovi, grananja, suženja i proširenja, ventili, itd.). Na tim mjestima također nastaju gubici, koji, ako su takva mjesta brojna, mogu biti znatni. Pad tlaka na takvim, „lokalnim“ otporima može se izraziti na slijedeći način:

gdje je ζ koeficijent (lokalnih) gubitaka

2

2vp

ρζ=∆

Strujanje kroz lokalne otpore

Primjeri:Ukupni pad tlaka

Ukupni pad tlaka u nekom hidrauličkom cjevovodu može se izračunati pomoću Bernoullijeve jednadžbe, te dodajući gubitke strujanja u ravnom dijelu cjevovoda i lokalne gubitke. Uz to može se dodati suma pada tlaka ∆pv na pojedinim elementima, poput ventila, filtera ili slično. Kataloški podaci najčešće sadrže dijagrame (∆p-Q) kojim se izražava pad tlaka na pojedinom elementu, ovisno o protoku (najčešće je to 1 do 5 bar).

Izraz za ukupni pad tlaka je slijedeći:

∑ ∆+∑+∑=

++−

++

iiv

i

ii

i

i i

ii p

vv

d

lhg

vphg

vp

2222

22

2

22

21

21

1

ρζ

ρλρ

ρρ

ρ

20

Ukupni pad tlaka

Primjer:

Dakle, za računanje pada tlaka na slici potrebno je zbrojiti pad tlaka u ravnim dijelovima cjevovoda (ima 4 sekcije), pad tlaka na lokalnim otporima (ima ih 3), te pad tlaka na jednom ventilu (označen sa ∆pv1). Lokalne brzine strujanja računaju se iz protoka Q koji je konstantan (vi=Q/Ai).

Otpori strujanja u uskim otvorima

Izvod i okolnosti jednadžbe prigušnice dane su prethodno.

Važno je napomenuti, jednadžba je izvedena korištenjem Bernoullijeve jednadžbe, gdje dominiraju inercijske sile u fluidu. Znači ta jednadžba vrijedi za stacionarno strujanje nestišljivog fluida s većim iznosima Reynoldsovog broja. U slučaju kada fluid struji sa vrlo malim iznosima Reynoldsovog broja, pri strujanju dominira Newtonov zakon viskoznosti.

Iz Navier-Stokesovih jednadžbi za male iznose Reynoldsovog broja može se stići do Poiseuilleove jednadžbe za protok fluida kroz mali okrugli otvor...

ρα

pAQ c

∆⋅=

20

dy

xd &⋅= µτ

Otpori strujanja u uskim otvorima:

Mali okrugli otvor

pl

rQ ∆⋅=

µ

π

8

4


Mali pravokutni otvor

Jednadžba vrijedi ako je l mnogo veći od h (l >100h), te ako je b dosta veći od h. Kako se često radi o opisu slučaja curenja kroz zazore, koji su kod hidrauličkih strojeva često reda veličine nekoliko mikrometara (µm), tako je često zadovoljen l >100h. Napominje se da za blendu (prigušnicu sa kratkim prigušnim putem, omjer l /d je manji od 1.5 (d je promjer prigušnog mjesta, odnosno svjetlog otvora).

pl

hbQ ∆⋅=

µ12

3


Ekscentrični okrugli otvor

pl

rRRQ ∆⋅

+⋅

−= 2

3

2

31

6

)(ε

µ

π

Gdje je ekscentričnost:rR

e

−=ε


Iz prethodnih jednadžbi očito je da je protok kroz uske otvore proporcionalan razlici tlakova, i površini presjeka otvora (svjetlom otvoru), a obrnuto proporcionalan viskoznosti fluida, te dužini otvora.

Protok kroz uske otvore u pravilu znači curenja iz sustava, odnosno gubitke.

Npr. iz jednadžbe za pravokutni otvor može se uočiti da protok kroz zazor zavisi o trećoj potenciji visine zazora h, odnosno tolerancijama mjera. Dakle, što je manja tolerancija mjera, biti će i manje curenje kroz otvore, odnosno gubici. Međutim, manji zazori znače kvalitetniju izradbu, a pitanje podmazivanja postaje teže. Dakle, nužan je kompromis!Isto vrijedi i za ekscentričnosti kod prstenastih otvora.

21


Značajno je ukazati na razliku kod jednadžbe prigušnice i jednadžbi strujanja kroz uske otvore:U jednadžbi prigušnice veza između pada tlaka i protoka je nelinearna (drugog reda), međutim u izrazu nema viskoznosti. U jednadžbama str. kroz uske otvore veza pada tlaka i protoka je linearna (prvog reda), ali izrazi su funkcija viskoznostifluida. Viskoznost većine fluida koja se koriste u hidraulici značajno ovise o temperaturi. Dakle, protok kroz prigušnice ne bi trebao ovisiti o temperaturi, za razliku od protoka kroz uske otvore.

Potrebno je napomenuti da se prigušno mjesto sa turbulentnim strujanjem u engleskoj literaturi naziva orifice, a na njemačkom Blende, dok se prigušno mjesto sa laminarnim strujanjem naziva throttle, odnosno Drossel. Zazori, gdje je također laminarno strujanje nazivaju se gaps, odnosno Spalten. Napominje se da je za blende (turbulentno str.) definiran omjer dužine l i promjera otvora d prigušnog mjesta l < 1.5d, dok je za prigušnice (laminarno str.) isti omjer definiran kao l >> d.

U hrvatskom jeziku korisno bi bilo razlikovati ove dvije vrste prigušnih mjesta, pa se ono prvo može nazvati blenda ili fina prigušnica (kako se i koristi u nekoj literaturi), dok drugo može biti samo prigušnica. Ipak, često se koristi izraz prigušnica, koja obuhvaća obe vrste prigušnih mjesta (pri tom je važno imati na umu razlike u prirodi strujanja kroz njih).

Nestacionarno strujanje

U nekom hidrauličkom sustavu strujanje fluida podložno je stalnim promjenama: ventili se otvaraju i zatvaraju, može biti spojeno više aktuatora koji rade ili stoje, pumpe isporučuju fluid manje ili više neravnomjerno (pulsirajuće), itd.

Fluid se svojom inercijom suprostavlja promjenama gibanja, a zbog stlačivosti može pohraniti energiju. Sve zajedno ima za posljedicu to da se strujanje fluida u nekom hidrauličkom sustavu rađe podvrgava zakonima kompleksne impedancije nego „običnog“, Ohmovog otpora.

Dakle, analogija je bliža izmjeničnim električnim krugovima sa

kapacitetom i induktivitetom.


Induktivitet fluida u cijevi može se lako izračunati, ako se fluid u cijevi presjeka A i dužine l razmatra kao kruto tijelo mase m. Sila F potrebna za ubrzavanje fluida a je slijedeća:

Jer je . Ako se uvrsti da je ∆p = F/A, tada slijedi:

Što odgovara izrazu u elektrici, kojim se povezuje napon i promjena jakosti struje u=L·di/dt.

dt

dQl

dt

dvlAamF ⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅= ρρ

dt

dQ

Aa

1=

QLdt

dQ

A

lp H

&⋅=⋅⋅

=∆ρ


Dakle, hidraulički induktivitet LH proporcionalan je dužini cijevi l i gustoći fluida ρ, a obrnuto je proporcionalan površini presjeka cijevi A:

Treba dodati da se hidraulički induktiviteti hidrauličkog cilindra ili motora drugačije izražavaju (LH = m/A za cilindar, odnosno LH = I /(V/2π) za motor).

A

lLH

ρ⋅=

Podsjetimo se:

2

2

Nestacionarno strujanje: hidraulički udar

Hidraulički udar predstavlja nagli i veliki porast tlaka uslijed isto tako nagle promjene brzine strujanja fluida (npr. zbog naglog zatvaranja ventila). Tada se taj tlak širi cjevovodom velikom brzinom, i često uzrokuje zvuk poput kucanja čekićem po cijevi (engleski izraz za pojavu je water hammer, njemački je Druckstoß).

Pojednostavljen izraz za porast tlaka uslijed naglog zaustavljanja fluida koji teče kroz cijev može se izvesti iz bilance kinematičke energije jednog dijela fluida u strujanju, i potencijalne energije naglo zaustavljenog fluida.


Kinetička energija dijela fluida je:

Potencijalna energija zbog elastične deformacije je:

Odnosno, vrijedi slijedeće:

Izjednačavanjem kinetičke i pot. energije porast tlaka je:

Gdje je c izraz za brzinu širenja zvuka (odnosno brzina širenja udarnog vala):

20005.0 vVEk ⋅⋅⋅= ρ

2005.0 hVEp ∆⋅⋅⋅= ρ

205.0 pK

VEp ∆⋅⋅=

cvp ⋅⋅=∆ 00 ρ

0ρ

Kc =

22


c za tekućine iznosi od oko 1000 m/s (neka min. ulja) do oko 1480 m/s (voda).

Iz jednadžbe je vidljivo da porast tlaka prvenstveno ovisi o početnoj brzini fluida v0 (brzina c i gustoća ρ su zadane za određeni fluid).

Također, iz već spominjanog razmatranja impedancije cjevovoda, te poznavanjem brzine c za konkretan fluid, može se izračunati i kritično vrijeme zatvaranja ventila u cjevovodu.

Dakle, za izbjegavanje hidrauličkog udara postoje više opcija: smanjenjem početne brzine strujanja fluida (korištenjem šire cijevi na primjer), smanjenjem impedancije na kraju cijevi (ugradnjom akumulatora, ili eventualno ventila za ograničenje tlaka), ili polaganijim zatvaranjem ventila.

Nestacionarno strujanje: promjena tlaka uslijed promjene volumena spremnika

Zanimljivo je razmotriti što se događa s tlakom u nekom spremniku, ako je volumen spremnika varijabilan, te ako istovremeno postojidotok fluida u spremnik. To je slučaj koji je čest u hidrauličkim sustavima, a može se ilustrirati na primjerima hidrauličkog cilindra, ili hidrauličkog akumulatora.

Fluid ulazi u nekakav promatrani volumen spremnika (gdje je stanje fluida p, V, m, ρ) protokom Q s lijeva, dok klip cilindra na desnoj strani može mijenjati promatrani volumen spremnika.


Masa fluida u promatranom volumenu je:

Diferencijal mase je:

Iz jednadžbe očuvanja mase, maseni protok je dan sa:

Diferencijal gustoće fluida jest:

Gdje je K modul elast. fluida. Uvrštavanjem prethodnog, dobiva se izraz za promjenu tlaka u nekom promatranom volumenu uslijed dotoka fluida i promjene volumena:

Vm ⋅= ρ

dt

dVV

dt

dm ⋅+⋅= ρ

ρ&

Qm ⋅= ρ&

pKdt

d&⋅=

ρρ

−=dt

dVQ

V

Kp&

PUMPE (CRPKE) i MOTORI (hidraulički strojevi)

CRPKE (PUMPE)� Pretvaraju mehaničku u hidrauličku energiju (energiju stlačenog fluida).

MOTORI � Pretvaraju hidrauličku energiju u gibanje (aktuatori)

Podjela crpki i motora: �Hidrostatičke (“Positive displacement”)� Hidrodinamičke

Hidrostatičke (Opis za pumpe) Potiskuju fluid svakim okretom (ili pokretom) crpnog elementa (zupčanika, krila, vijka, klipa, ..), i to tako da pomičući se «ekspandiraju», stvaraju prostor između crpnih elemenata i «hvataju fluid» u tom prostoru. Rotiranjem crpnih elemenata taj prostor se zatim reducira i potiskuje fluid izvan crpke.Rade dobro za fluide šireg područja viskoznosti, posebno visokih, te podnose (odnosno generiraju) visoke tlakove, dobar omjer veličine i snage, efikasneu širem području rada, dobra volumenska efikasnost, mogu pokriti široki raspon zahtjeva za brzinom i tlakom

Hidrodinamičke

(Opis za pumpe) Kinetičkom energijom crpe fluid. Daju velike protoke, manje efikasne za šira područja rada pumpi (tlak - protok karakteristika). To su centrifugalne, te crpke sa aksijalnim i radijalnim protokom. One su jeftinije, lakše za održavanje, jednostavne i pouzdane.

23

Hidrostatičkim pumpama protok ne ovisi (makar teoretski – curenje) o tlaku (za razliku od hidrodinamičkih), pa se negdje za njih kaže da su pumpe konstantnog protoka (constant flow). (Napomena: ne vodeći računa o varijabilnosti

volumena).

Ne smije se zatvoriti izlazni protok hidrostat. pumpi (potrebno je koristiti v.z.o.t.).

Podjela pumpi

Podjela motora

Vrste hidrauličkih strojeva (© Purdue University)

Povijesni osvrt (© Purdue University) Varijabilnost volumena

Mogućnost varijabilnosti volumena pumpe ili motora značajna je:kontinuirani varijabilni prijenosnik (CVT) dobava pumpe može se prilagođavati potrebama opterećenja, (energetski efikasni pogoni ili prijenosnici).

Varijabilni volumen: krilne jednokomorne, te aksijalno klipne pumpe i motori

Digitalne pumpe i motore, kao nadolazeće izvedbe: one su u pravilu radijalno-klipne konstrukcije, a varijabilnost volumena osiguravaju im periodi otvaranja i zatvaranja ventila za distribuciju fluida (načelo PWM-a).

24

Varijabilnost volumena

Mogućnost varijabilnosti volumena pumpe ili motora značajna je:kontinuirani varijabilni prijenosnik (CVT) dobava pumpe može se prilagođavati potrebama opterećenja, (energetski efikasni pogoni ili prijenosnici).

Varijabilni volumen: krilne jednokomorne, te aksijalno klipne pumpe i motori

Digitalne pumpe i motore, kao nadolazeće izvedbe: one su u pravilu radijalno-klipne konstrukcije, a varijabilnost volumena osiguravaju im periodi otvaranja i zatvaranja ventila za distribuciju fluida (načelo PWM-a).

Varijabilnost volumena

Mehanizmi koji mijenjaju volumen pumpi ili motora: mehanički pogonjeni (npr. ručnom polugom), hidraulički pogonjeni (npr. hidrauličkim cilindrom kojim se upravlja

ventilima), elektro-hidraulički (npr. hidrauličkim cilindrom kojim se upravlja

ventilima posredstvom elektrike i elektromagneta), elektro-mehanički (npr. polugom, ili polužjem kojima se upravlja

posredstvom elektrike, elektromagneta i/ili elektromotora).

Varijabilnost volumena znatnije poskupljuje pumpu ili motor (vrlo površno, da jedan hidraulički stroj varijabilnog volumena košta od 30% pa na više, u odnosu na identičan stroj fiksnog volumena).

Važno je napomenuti da se promjena dobave pumpe može mijenjati i promjenom broja okretaja kojom se pumpa okreće (primarni pogon (elektromotor, motor sa unutarnjim izgaranjem) mora imati mogućnost promjene broja okretaja) – kod EM skupo (znatno skuplje nego promjenljivi volumen pumpe), a zbog velikog momenta inercije električnog motora dinamička svojstva mogu biti znatno lošija.

Simboli

Crpka

Motor

Crpka - motor

Zatvoreni i otvoreni hidraulički krug

Načelne prednosti zatvorenog kruga su neka bolja svojstva (dinamički odzivi, preciznost, kompaktnost), dok su nedostaci slabija mogućnost hlađenja, te složenije upravljanje sustavom.

Radni režim

Suprotan smjer okretanja (n) i momenta (T) u režimu pumpe, znači da je potrebno „dovesti“ moment pomoću nekog pogona (EM ili motor sa unutarnjim izgaranjem), da bi generirali protok (tj. tlak, ako postoje otpori u hidrauličkom sustavu). Motorni režim ima isti smjer okretanja i momenta, što znači da on „daje“ moment teretu.

Pumpe i motori imaju vrlo sličnu konstrukciju, a nekad su identični.

Simboli pojedinih konfiguracija pumpi, pumpi-motora i motora

25

Tablica transformacija

TRANSFORMACIJA

n-Q

TRANSFORMACIJA

T-p

Q Qn n

T Tp∆ p∆

DD

1

D

π2

π2

D

D – jedinični volumen hidr. stroja [m3/okr]ili [cm3/okr].

Napomena: n =ω/2π

Značajke hidrauličkog stroja

0

Q

n

constp =

0

Q

p∆

constn =

0

T

n

constn =

p∆ 0

constp =

T

CRPKA

MOTOR

IDEALNO

Značajke hidrauličkog stroja

Maksimalni moment ograničen je maksimalnim dozvoljenim tlakom ∆p, dok je maksimalni broj okretaja ograničen maksimalnim protokom Q (pri tom se ne smije prijeći ni maksimalna brzina vrtnje).

Zakoni sličnosti

Na osnovi geometrijskih sličnosti razvijenih za turbostrojeve i ostale hidrodinamičke strojeve, mogu se dati zakoni sličnosti i za hidrauličke strojeve (korisni pri brzom i površnom proračunu):

Gdje je λ faktor sličnosti, a n, P, V i T su broj okretaja, snaga, volumen i moment hidrauličke pumpe ili motora. Indeks 0 označava početnu veličinu (referenciju).

03

03

02

01

TT

VV

PP

nn

⋅=

⋅=

⋅=

⋅= −

λ

λ

λ

λ

Zadana je pumpa od 40 cm3/okr, čiji je maksimalan broj okretaja 5000 okr/min. Maksimalni radni tlak je 40 Mpa (400 bar). Potrebno je pronaći broj okretaja i snagu pumpe od 90 cm3/okr.Dakle, faktor sličnosti λ je:

Maksimalni broj okretaja veće pumpe iznosi:

Moment (ako je maksimalni radni tlak jednak), maksimalni protok i

snaga iznose:

Zakoni sličnosti - primjer

31.140

9033

0

===V

Vλ

3817500031.1 1 =⋅= −n okr/min

kW23060/1344.01040

/okrm344.038171090

Nm5732

10901040

2

6

36maxmax

66

=⋅⋅⋅=⋅∆=

=⋅⋅=⋅=

=⋅⋅⋅

=⋅∆

=

−

−

QpP

nVQ

VpT

ππ

Gubici hidrauličkih strojeva

Dvije vrste gubitaka:

volumenski (protok, curenja, DIN ISO 4391) hidrauličko-mehanički (moment, trenja krutih tijela i strujanja fluida)

Gubitke je teško precizno odrediti i izraziti matematičkim modelom

26

Volumenski gubici

Volumenski gubici QL mogu se podijeliti:na vanjske gubitke curenjem Qeunutarnje gubitke curenjem Qi, gubitke zbog stišljivosti fluida Qk, ( )gubitke zbog nepotpunog punjenja komora hidrauličkog stroja Qf

Lthef QQQ −=

pK

VV ∆−=∆ 0 VnQk ∆⋅=

Volumenski gubici

Ako se razmotri nanovo pitanje protoka kroz zazore, protoci su proporcionalni razlici tlaka, visini zazora (na treću potenciju), ili radijusu, ili ekscentricitetu, a obrnuto su proporcionalni viskozitetu. Slično je i kod turbulentnog strujanja (proporcionalno korijenu razlike tlakova, a viskoziteta nema u relaciji. Dakle, protoci ne bi trebali ovisiti o brzini vrtnje strojeva. Ipak, praktična ispitivanja pokazuju određenu zavisnost, vjerojatno zbog utjecaja brzine vrtnje na viskozitet fluida (preko izmjene topline) u određenim režimima, te također zbog nepotpunog punjenja komora pumpe, koje je ovisno o brzini vrtnje te iste pumpe.

CurenjeHidrauličko-mehanički gubici

Gubici momenta mogu se podijeliti na četiri grupe: ovisni o kvadratu brzine (posljedica trenja uslijed turbulentnog strujanja fluida, te momenta potrebnog za promjenu količine gibanja. Također posljedica su ležaja koji se kotrljaju ispunjeni uljem, te posljedica rotirajućih dijelova pumpi ili motora unutar kućišta ispunjenih uljem (bućkanje) ), proporcionalni brzini (viskozno trenje) , proporcionalni tlaku (uglavnom u ležajima, suho trenje, prop. normalnoj sili), neovisni o radnim parametrima (npr. prednaprezanja opruga, naprezanja koja djeluju na brtve, i slično. Navedeni gubici konstantni su za neki hidraulički stroj, a pretežno ovise o kvaliteti izradbe stroja. Za kvalitetnije strojeve gotovo su zanemarivi).

Hidrauličko-mehanički gubiciGubici i viskoznost

Gubic

i snage

Uslijed

curenja

Uslijed

trenja

Ukupno

Din. viskozitet

27

Stupanj korisnog djelovanja

η

max/ pp 10

volη hmη

totη

η

max/ nn 10

volηhmη1 1

totη

Definicije: DIN ISO 4391

Stupanj korisnog djelovanja, primjer jedne AK crpke

Pulsacije

x A

1

2

π π2 π3 tω

AxQ ⋅=

srQ

π π2 π3tω

AxQ ⋅=

srQ

1 1

11 2

π π2 π3 tω

AxQ ⋅=

srQ 11 23 2

Pulsacije: (Qmax – Qmin)/Qsr

4.91.57.62.513.44.929.313.4

109876543# cilindara

Usisna značajka pumpe

Kako fluid nije moguće vući nego samo gurati, pozitivna razlika tlaka između spremnika i usisa mora osigurati guranje fluida u usisne komore pumpe. Dakle, u slučaju da na spremnik djeluje atmosferski tlak, pumpa bi trebala stvoriti određeni podtlak. Usisna sposobnost pumpe najviše ovisi o vrsti (konstrukciji) pumpe, te o brzini vrtnje pumpe. Što se pumpa brže vrti, daje veći protok, ali je i usisna potreba veća. Prema definiciji, neto-pozitivna specifična usisna energija pumpe Ysp najmanja je vrijednost zbroja specifične energije apsolutnog tlaka pul/ρ i specifične kinetičke energije v2/2 na najvišem mjestu (ili u sredini) poprečnog presjeka na ulazu u pumpu, umanjenog za specifičnu energiju (apsolutnog) tlaka isparavanja kapljevine pp/ρ , pri kojoj pumpa može trajno raditi s nominalnom brzinom vrtnje uz nominalni protok:

min

2

2

+

−=

vppY

pulsp

ρ


Sposobnost samostalnog usisavanja potrebnog fluida.

Označava najniži nivo potrebnog tlaka fluida na usisu za dani broj okretaja, ili max brzinu okretanja crpke za dani ulazni tlak kod kojeg još uvijek imamo zadovoljavajuće punjenje fluidom.

Osnovni uzrok nepotpunog punjenja je prekid stupca tekućine kao rezultat separacije zraka rastopljenog u ulju uslijed pada tlaka, te usljed isparavanja tekućine. Drugim riječima, pad tlaka ispod pkrit je osnovni razlog nepotpunog punjenja.

Za hidrostatičke crpke paps do 0.4 bara (za nominalni n), najčešće 0.8 – 0.9 bara. Ovisi o vrsti crpke.

28


Preporuke:

Kada god je moguće, dobro je da je visina usisa pumpe ispod nivoa fluida u spremniku („flooded inlet“).

Potrebno je eliminirati sve nepotrebne otpore na usisu (svakako izbjegavati mrežice, filtere).

Usisni vod treba biti što kraći i ravniji, te dovoljno širokog presjeka (da usisna brzina fluida bude po mogućnosti manja od 1 m/s).

Usisna značajka pumpe, primjer

ie QQ /

1.0

0.75

0.5

ip 1.40.75

1600 2000 2400 1800 2000 2350 o/min

zupcasta crpka

aksijalno-klipna crpka

Index e – efektivniIndex i – na ulazu

Usisna značajka crpke, primjer

Ako max br. okr. kod paps = 1 bar iznosi 1200 o/min, onda kod vrtnje od 1500 o/min minimalni tlak na ulazu treba biti 1,9 bara

Usisna značajka crpke smještaj crpke (5 alternativa)

Značajke, za motore

Ponašanje pri niskoj brzini rotacije (mogućnost ravnomjernog gibanja pri niskim okretajima i pri opterećenju – ovisi o volumenskim gubicima, o stick-slipu, kapacitivnosti fluida i cijevi).

Ponašanje pri pokretanju (nadilaženje statičkog trenja)

Mogućnost ubrzanja (T/J )

Klasifikacija motora, prema rasponu brzina i momenata

Motori za niske brzine (0 – 250 rpm), LS

Motori za visoke brzine, HS

(Motori za srednje brzine (do 800 rpm))

LSHT (low speed – high torque)

Za visoke brzine (zupčasti, AK, krilni)

Za niske brzine (RK)

29

Usporedba stupnja korisnosti motora

75 150 300225

n [rpm]

tη

1.0

0.9

0.8

0

low speed motor

high speed motor + gear

high speed motor

Usporedba stupnja korisnosti motora, nastavak

LS u prednosti pred HS+reduktorom zbog boljeg stupnja korisnosti, kompaktnosti, veće gustoće snage i boljeg ubrzanja (manji J)

Osnovne značajke crpki i motora:

VrstaVolumen (koliki je, te da li je fiksan FD ili varijabilan VD)Tlak (radni i maksimalni)Brzina vrtnje (min i max)

Snaga, momentUsisna moć (za crpku)Radno područje viskoznosti i temperatureStupanj korisnosti

Važni zahtjevi za crpke i motore:

Učinkovitost u cjelokupnom radnom područjuŠto manja bučnostPouzdanost, čak i u slučaju složenijeg opterećenjaMale dimenzije, mala masa, mali moment tromosti, niska cijena, povoljno održavanje, laka ugradnjaMogućnost integracije upravljačkih uređajaŠiroko područje viskoznostiKontinuirano podešavanje volumena kod jedinica s promjenljivim volumenomNiske pulsacije protoka (za crpke), te razvijanje ravnomjerne brzine i momenta (za motore)

Izbor crpke i motora

Zahtjevi radnog tlaka u sustavuZahtjevi protoka u sustavuDopušteni broj okretajaRelacije – tlak – protok – broj okr.Promjenljivost volumena crpkeUsisna značajkaStupanj korisnostiUbrzanje i reverziranjePonašanje na niskim okretajimaPonašanje pri pokretanju

Izbor crpke i motora, nastavak

Otpornost na kontaminacije, zahtjevi filtracijeŽivotni vijek (vezano sa opterećenjem)Značajke fluida BukaTemperatura sustavaOdržavanje, dijeloviTip pogona, smještaj crpkeKompaktnostPreciznost izrade (zazori i montaža)Cijena i ukupna ekonomska značajka

30

ZUPČASTE S VANJSKIM OZUBLJENJEM


Zupčaste s vanjskim ozubljenjem

9. brtva8. pogonjeni z.7. pogonski z. 6. poklopac

4., 5. čahure ležaja3. vratilo2. prirubnica1. kućište


ZUPČASTE S VANJSKIM OZUBLJENJEMZnačajke crpki i motora prema njihovoj vrsti


Najšire korištena crpka za jednostavnije zahtjeve u mobilnoj h., u industrijskoj h. Kao motor (s lošim startnim karakt.)

Primjena

FD crpka, FD motorNajčešća izvedba

80 do 350; 400Tlak

(radni, max, [bar])

300 do 700 – 2000 do 8000Brzina

(min – max, [rpm])

0.1 – 50 do 300Volumen

(min – max, [cm3])

Jedino fiksnog volumena; one visoke efikasnosti su skupe; bučne.

Nedostaci

Jednostavne i povoljne cijene; mali volumen, velika gustoća snage; robustne, pogodne za teške uvjete.

Prednosti

31

ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEMZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM

4. zupčanik s unutarnjim ozubljenjem

3. pogonsko vratilo sa zupčanikom

2. poklopac1. kućište

Zona usisa

Zona tlačenja

Razdjeljnik u obliku polumjeseca (Crescent)

Manji zupčanik ima 2 ili više zubaca manje od prstena, te su odijeljeni razdjeljnikom u obliku polumjeseca

ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM

Prstenaste (Gerotor) crpke

Pomoću posebnih profila zubaca može se postići da unutarnji zupčanik ima samo jedan zubac manje od vanjskoga, i na taj način se eliminira razdjeljnik.Na taj način razlika brzine dva zupčanika je manja, što daje tiše funkcioniranje, i duži radni i servisni vijek.

PRSTENASTE

32

PRSTENASTE, Orbit princip

Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti

ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM

Gdje se zahtjeva tišina te mali ugradbeni prostor.Primjena


80 do 300; 100 do 300Tlak

(radni, max, [bar])

300 do 1500 – 2000 do 5000Brzina


1 do 5 – 50 do 700Volumen


Jedino fiksnog volumena; skupe.Nedostaci

Tihe, nepulsirajuće i trajne; mali volumen, velika gustoća snage; robustne.

Prednosti


PRSTENASTE

Kao jeftina crpka FD za jednostavnije primjene. Crpka za hidrauličke upravljačke sustave. Kao sporohodni motor opće uporabe. U mobilnoj hidraulici.

Primjena


do 200; do 260Tlak

(radni, max, [bar])

10 do 50 – 200 do 2000Brzina


10 do 50 – 200 do 800Volumen


Jedino fiksnog volumena; razmjerno slaba korisnostNedostaci

Male instalacijske dimenzije, velika gustoća snage; jednostavna konstrukcija; robustne, za teške radne uvjete; razmjerno velikog volumena, tihe

Prednosti

VIJČANE

sa dva vijčanika:

VIJČANE

Sa tri vijčanika:


VIJČANE crpke

Crpka za gorivo (gdje je ulje gorivo), za sustave za podmazivanje, u hidrauličkim dizalima.

Primjena

FD crpkaNajčešća izvedba

7 do 100; 10 do 210Tlak

(radni, max, [bar])

– 2000 do 20000Brzina


1 do 5 – 4000 do 70000Volumen


Jedino fiksnog volumena; skupe; za niski tlak i niske gustoće snage

Nedostaci

Tihe, nepulsirajuće; dugotrajne i pouzdane.Prednosti

33

KRILNE

Krilne (lamelne), engl. vane, njem. Flὕgel.

Jednokomorne (“unbalanced”), (do 160 bar)fiksnog i promjenljivog volumena

Dvo- ili više-komorne (tlačnouravnotežene (do 250 bar), “balanced”),fiksnog su volumena

“Overcenter” princip –promjena toka fluida bez promjene smjera okretaja rotora

Problem: razmjerno veliko trenje između krilaca (aksijalno pomičnih) i rotora, te krilaca i statora →ograničen radni tlak

KRILNE

Krilna crpka (Continental hydraulics)

34

KRILNEPROMJENLJIVI VOLUMEN


KRILNE, S KLIZNIM KRILIMA

Alatni strojevi i općenito u strojarstvu.Primjena

FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motorNajčešća izvedba

50 do 250; 100 do 280Tlak

(radni, max, [bar])

10 do 400 – 1000 do 4000Brzina




Mali st.kor.djel.; za razmjerno niski tlak, osjetljive na vršne tlakove (lom krilaca)

Nedostaci

Male instalacijske dimenzije uslijed kompaktne konstrukcije; mala bučnost i pulsacije; VD, pogodna za razna upravljanja

Prednosti

KRILNA, DVOKOMORNA

).

Krilna trikomorna

KRILNA S FIKSNIM KRILIMA

usis

tlak Nepulsirajući protok pomoću dvije krilne crpke s fiksnim krilima

35

KRILNA S ROTIRAJUĆIM KRILIMA

Kotrljajuća krilca

Kotrljajuća krilca

KRILNE VIŠEKOMORNE (FD, inače slične po svemu kao prethodne)

KRILNE s rotirajućim krilima (FD, mali h-m gubici, te dobre startne karakteristike. Veliki volumenski gubici. Ponekad se koriste kao servo-motor).

KLIPNEPRINCIP RADA RADIJALNO KLIPNE

S ekscentričnim blokom(“external piston support”)

S ekscentričnom osovinom(“internal piston support”)

RADIJALNO KLIPNE

S ekscentričnim blokom(“external piston support”)

S ekscentričnom osovinom(“internal piston support”)

RADIJALNO KLIPNI

36

RADIJALNO KLIPNIRADIJALNO KLIPNA S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM

RADIJALNO KLIPNA S EKSCENTRIČNOM OSOVINOMKlip kao nepovratni ventil


RADIJALNO KLIPNI S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM (“WITH INTERNAL SUPPORT”)

Robustne crpke za visoki tlak, mobilne primjene, preše.Primjena


120 do 400; 250 do 700Tlak

(radni, max, [bar])

2 do 10 – 300 do 12000Brzina


2 do 10 – 1000 do 8000Volumen


Skupe; manje kompaktne od aksijalno klipnih; Nedostaci

Za visoki tlak, velika gustoća snage; dobra učinkovitost; moguće razmjerno visoke brzine

Prednosti

RADIJALNO KLIPNIZnačajke crpki i motora prema njihovoj vrsti

RADIJALNO KLIPNI S EKSCENTRIČNIM BLOKOM (“WITH EXTERNAL SUPPORT”)

U stacionarnim primjenama, kao pogon za vozila, vitla, mješalice za cement.

Primjena

FD crpka, VD crpka, FD motorNajčešća izvedba

180 do 400; 450Tlak

(radni, max, [bar])

1 do 5 – 50 do 800Brzina


10 – 2000 do 65000Volumen


Skupe; manje kompaktne od aksijalno klipnih; nisu za visoke brzine.

Nedostaci

Za visoki tlak, velika gustoća snage; dobra učinkovitost; vrlo visok moment na malim brzinama

Prednosti

37

AKSIJALNO KLIPNE

Razvodna ploča, osigurava odvajanje fluida pod visokim (P)i niskim tlakom (T)

AKSIJALNO KLIPNE

AKSIJALNO KLIPNE, PROMJENLJIVI VOLUMEN

AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNOM PLOČOM

Aksijalno klipna crpka s zakretnom pločom (Vickers) AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNOM PLOČOM

38


AKSIJALNO KLIPNI SA ZAKRETNOM PLOČOM

Univerzalno primjenljiva za veće zahtjeve: hidrost. Prijenosnici, poljoprivredni i građevni strojevi, brodogradnja, alatni strojevi, zrakoplovstvo, testni uređaji.

Primjena

FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motor, crpke s kompenzacijom tlaka, “load-sensing” crpka, servo crpka

Najčešća izvedba

100 do 450; 600Tlak

(radni, max, [bar])

5 do 20 – 300 do 18000Brzina


0.1– 500Volumen


Skupe; duže od radijalno klipnih; problemi s trošenjem na klipovima; razmjerno mali kut zakreta ploče

Nedostaci

Za visoki tlak; VD pogodan za primjene s upravljanjem; dobra učinkovitost; mali moment inercije; prolazna osovina

Prednosti

AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNIM BUBNJEM

AKSIJALNO KLIPNE S ZAKRETNIM BUBNJEMAKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNIM BUBNJEM

39

AKSIJALNO KLIPNE S ZAKRETNIM BUBNJEM (VARIJABILNOG VOLUMENA)


AKSIJALNO KLIPNI SA ZAKRETNIM BUBNJEM

Univerzalno primjenljiva za veće zahtjeve: hidrost. Prijenosnici, poljoprivredni i građevni strojevi, brodogradnja, alatni strojevi, zrakoplovstvo, testni uređaji.

Primjena

FD crpka, VD crpka, FD motor, VD motorNajčešća izvedba

120 do 450; 500Tlak

(radni, max, [bar])

5 do 20 – 500 do 8000Brzina


1.5 – 1000Volumen


Skupe; duže od radijalno klipnih; problemi s trošenjem na klipovima; visoke sile upravljanja kod varijabilnih

Nedostaci

Za visoki tlak; VD pogodan za primjene s upravljanjem; najbolja učinkovitost; manji problemi s trošenjem; mali moment inercije; veliki volumeni

Prednosti

LINERNI KLIPNI

Još se nazivaju povratno – translatorne (engl. reciprocating)


LINEARNI KLIPNI

Crpka sa malim protocima ali vrlo visokim tlakovima za posebne primjene.

Primjena

FD crpkaNajčešća izvedba

200 do 500; 750 do 1200Tlak

(radni, max, [bar])

– 1500 do 3000Brzina




Velike dimenzije; samo FDNedostaci

Za visoki tlak; dobra učinkovitost; Prednosti

NEKI NOVI TIPOVI HIDRAULIČKIH STROJEVA:ARTEMIS INTELLIGENT POWER LTD. ARTEMIS INTELLIGENT POWER LTD.

6 cylinder Digital Displacement™ Pump / Motor in pumping sequences

Each cylinder has two actively controlled poppet valves, one to each of the high and low pressure manifolds. When idling (left in the diagram below) the fluid flows in and out around the low pressure valve. The high pressure valve remains closed and isolates the reciprocating cylinder from the high pressure fluid. When pumping (right), the microprocessor closes the low pressure valve to send fluid to the high pressure service.

40

ARTEMIS INTELLIGENT POWER LTD.

Tipičan st.kor.dj. hidrostatičkog prijenosnika

INNAS

Floating cup

The core of the Floating Cup principle is the shaft on which the rotor plate is fixed. The pistons are locked onto the rotor: there is no movable joint between the pistons and the rotor. The pistons are double faced. Unlike conventional axial pistons machines the pistons are not running in a collective cylinder block or barrel. Instead each piston has its own cup-like cylinder. The cylinders are supported by means of a barrel, one on each side of the rotor.To create a positive displacement the barrel plates have to be maneuvered in an angular position. This makes the cylinders move up and down over the pistons.

Malo trenje

Mala masa i volumen, male pulsacije, tiha, jeftina:

Stupanj korisnog djelovanja:Aksijalno klipna crpka sa zakretnim bubnjem

visokog stupnja korisnog djelovanja

US EPA (Enviroment Protection Agency) & UMich Ann Arbor –značajna poboljšanja postojeće tehnologije:

- Vrlo veliki kut zakreta na malim brzinama → veliki moment (na velikim se ne može tako zakrenuti, ali tada nije ni potrebno)

- Veliki η (posebno na djelomičnom opterećenju)

- Brze promjene volumena- Mogućnost reverziranja (IV kv. operacije, uz pomoć ventila)

41

CILINDRI

AktuatorF = p x A

Razmjerno dobar η (0.84 – 0.96; teleskopski 0.74 –0.86; servo +0.99)

Podjele: � Jednoradni � Dvoradni

CILINDRI

Prema načinu proizvodnje:

- standardne (obuhvaćeni normama, npr. ISO 3322, DIN ISO 33220)

- serijske (serijski se proizvode, ali nisu normirani)- specijalne

Pričvrščenje cilindara (izvijanje, Euler)K [N]; E [N/mm]; J [mm4]; S = 3.5SKF /= JE

sK

k

⋅⋅=2

2π

Tip 1-jedan kraj slobodan, drugi upet

Tip 2-oba kraja

vođena osloncem

Tip 3-jedan kraj vođen osloncem

a drugi je upet

Tip 4-

oba kraja kruto upeta

Cilindri – načini pričvrščenja

- nogicama za vodoravnu ili horizontalnu ugradnju- prirubnicom za dno ili glavu cilindra kod vodoravne i vertikalne ugradnje- zaokretna izvedba sa uškom

- zaokretna izvedba sa rukavcem

Cilindri

Svaki hidraulički cilindar se sastoji od osnovnih dijelova:� klipa � klipnjače� glave cilindra� dna cilindra � cijevi cilindra ili kućišta (ovisno o konstrukciji) � priključaka i pomoćnih komponenti (vijci, matice, osigurači i sl.)

Ti dijelovi se međusobno mogu spojiti na više načina. Spajanje cijevi cilindra sa glavom i dnom može se izvesti navojem, navojnim šipkama ili vijcima, te zavarivanjem.

Klip

Funkcija klipa je da uslijed djelovanja tlaka na njegovu površinu preko klipnjače ostvaruje silu u smjeru djelovanja tlaka. Kako bi iskoristivost djelovanja klipa bila što veća potrebno je kvalitetno brtvljenje na klipu. Kod većih hodova klipa potrebno je i kvalitetno vođenje kako bi broj radnih ciklusa bio što veći.

Klipovi se mogu izrađivati od: čelika za automate, konstrukcijskih čelika, čelika za cementiranje, čelika za poboljšavanje, nehrđajućih čelika, nodularnog lijeva, kositrene bronce, aluminijeve bronce, te drugih materijala za specijalne namjene. Izbor materijala ovisi o uvjetima u kojima cilindar radi i konstrukciji samog cilindra.

Klipovi se izrađuju tokarenjem jer su osno simetrične geometrije kao i svi ostali dijelovi cilindra (osim u specijalnim slučajevima). Kontura klipa sadržava utore za vodilice i brtve. Sami utori su polirani jer kvaliteta obrađene površine mora zadovoljavati određene kriterije. Proizvođači brtvi daju u tablicama podatke potrebnih površinskih obrada utora za brtve, te tolerancije mjera. Potrebno srednje aritmetičko odstupanje profila treba biti između 0.2 i 0.8 µm.

42

Klipnjača

Klipnjača je element cilindra koji prenosi silu sa klipa na izvršni dio konstrukcije koja mora obaviti neki rad. Na jedan kraj klipnjače učvršćuje se klip dok je drugi kraj poveznica sa izvršnim elementom konstrukcije. Mogu biti u obliku šipke ili cijevi.

Materijali od kojih se izrađuju klipnjače su: čelici za poboljšavanje ( Č1530 u poboljšanom stanju-najčešće primjena), nehrđajući čelici i razni drugi za specijalne namjene.

Veoma bitna je površina klipnjače koja mora posjedovati dobra tribološka svojstva zbog klizanja kroz glavu cilindra. Površina je kromirana, a za teške uvjete rada i zakaljena. Postupak kaljenja se provodi indukcijski kako bi se samo površina zakalila a jezgra ostala žilava. Za okolinu gdje je povećana koncentracija elektrolita klipnjača se dodatno prije postupka kromiranja još prevlači slojem nikla.

Glava i dno cilindra

Glava cilindra ili prednji poklopac ima funkciju vođenja klipnjače i brtvljenja brtvama smještenim u njoj. Služi još za smještanje priključka za radnu tekućinu i odzračivanje, također kod cilindara sa regulacijom prigušenja za ugradnju vijaka za regulaciju, stezanje hidrauličkog cilindra za konstrukciju i još neke druge specijalne zahtjeve.

Glave cilindara izrađuju se od: konstrukcijskih čelika, čelika za poboljšavanje, čelika za cementiranje, nodularnog lijeva, čelika za automate, kositrene bronce i sličnih materijala ovisno o konstrukciji. Kao i kod klipa isti su zahtjevi kod obrade za kvalitetu brtvenih površina. Na slici 6 je prikaz glave cilindra koja služi samo kao prednji poklopac. Funkcija glave ovakve konstrukcije je nošenje brtve za klipnjače, vodilica i o prstena.

Dno cilindra ili stražnji poklopac služi za zatvaranje cijevi, smještanje priključka i odzračivanje, ugradnja vijka za regulaciju prigušenja, stezanje cilindra na konstrukciju bilo to kruto sa vijcima ili na način da se ugradi ušica sa kliznim ili zglobnim ležajem i ostale specijalne namjene. Materijali koji se primjenjuju za izradu dna su isti kao i kod glave.

Cijev cilindra (košuljica, plašt)

Cijev cilindra ili košuljica ima funkciju vođenja klipa. Materijali od koje se najčešće izrađuju cijevi su konstrukcijski čelici , a mogu biti honovane ili bešavne precizno vučene. Često su koriste cijevi koje su dobivene oblikovanjem deformiranjem (roliranjem ?) . Provlačenjem alata kroz cijev materijal se plastično deformira, te se dobiva veća tvrdoća površinskog sloja materijala gdje klizi klip, a površinska hrapavost postiže se do 0.2 µm.

U slučaju da se koristi odljevak ili neki drugi oblik poluproizvoda za vođenje klipa tada se naziva kućištem hidrauličkog cilindra. Za krače hodove izrađuju se kućišta sa slijepom rupom, a kod dužih hodova kućišta su probušena cijelom dužinom. Kućišta se koriste kod specijalnih namjena hidrauličkih cilindara. Primjerice kod alatnih strojeva za posmična gibanja, steznih uređaja, potiskivalica i dubilica, brizgalica plastike, te slične namjene gdje je potrebno ostvariti linearno gibanje.

Jednoradni

Plunger (“uronjeni”) ili cilindar bez klipa� Bez unutarnjeg vođenja� S unutarnjim vođenjem

Jednoradni

Cilindar s povratnom oprugom

Dvoradni

diferencijalni

s prolaznom klipnjačom

43

Ostale izvedbe jedno- i dvoradnih cilindara

Tandem

Cilindri s brzim hodom (jedno i dvoradni)


Teleskopski, jednoradni i dvoradni


Servo-cilindar

Konstrukcija cilindara

s šipkama za učvrščenje (kompaktno rješenje)

Konstrukcija cilindara

s okruglom osnovom (robustno rješenje, zavareno ili s navojem)

Prigušenje krajnjih položaja cilindra

Preporuke korištenja hidrauličkih cilindara sa prigušenjem su:- Kod brzina v < 0,1m/s klip se može gibati bez prigušenja- Kod brzina v > 0,1 > 0,3 m/s potrebno je kočenje s

prigušnicama ili kočnim ventilima- Kod brzina v > 0,3 m/s potrebni su posebni zahvati

kočenja

Kod prigušivanja krajnjih položaja treba uzeti u obzir da suma energije cilindra ne bude veća od energije prigušenja

44

Prigušenje krajnjih položaja cilindra VENTILI

Ventili su uređaji (elementi) za upravljanje ili regulaciju pokretanja, zaustavljanja, usmjeravanja, te tlaka i protoka fluida pod tlakom dobavljenog crpkom ili pohranjenog u akumulatoru (DIN/ISO 1219).

Ventili, podjela prema izradbi

Sa razvodnim klipom (klizni)Sa sjedištem (kugla, stožac, tanjur, ..)

Klizni rotirajući

Ventili, podjela

Prema načinu pokretanja� Ručno � Mehanički� Hidraulički ili pneumatski� Električni (el-mag., koračni, moment mot.,..)

Prema načinu izmjene položaja:� Dvopoložajni (on-off, schaltend)� Proporcionalni

Ventili, podjela prema funkciji

Razvodnici Tlačni ventiliProtočni ventiliNepovratni ventili

RAZVODNICI

en. Directional control v., nj. Wegeventil

Funkcija “razvođenja” fluida, ali i druge fkc.Označavanje� 2/2, 3/2, 4/3, 5/3, ...

� P, T, A, B, L, X, Y,

Primjeri protoka i upravljanja..

45

Razvodnici, primjeri protoka i upravljanja

=

Razvodnici, konstrukcija

S razvodnim klipom (klizni)Sa sjedištem

Razvodnici, sa sjedištem

kugla, stožac, tanjur

Razvodnici, prekrivanja

Zatvoreni centar Otvoreni centar

Tandem centarPlivajući centar

Razvodnici, prekrivanja

46

Razvodnici, karakteristike

Kriteriji odabira: priključci/br.položja i pokretanje; prekrivanje; nazivna veličina; svojstva i područje djelovanja (statičko i dinamičko)

� Nazivna veličina NV� NV 6 (40 – 80 l/min)� NV 10 (60 – 120)� NV 16 (100 – 240)� NV 25 ( 160 – 500)

direktno upravljani

posredno upravljani

Razvodnici, karakteristike

Dinamičko ograničenje

Razvodnici, direktno upravljani

do NV 10

Razvodnici, posredno upravljani

NV 16 i više

1 - glavni ventil

2 - pilot ventil

g.v

p.v.

Elektromagneti

suhi (treba ih odvojiti brtvljenjem – trenje, gubici)ispunjeni uljem (suvremenije rješenje)

Neke značajke:

(uklj. 20 – 100 ms;isklj. 10 – 60 ms)

Frekvencija i vrijeme uključivanja

Radna temperatura

(Npr. IP65)Zaštita

DC 24 V (standard);DC 12V; AC

Napajanje

NV 6 – 30 WNV 10 – 50 W

Snaga (potrošnja)

Ugradnja, priključci

Uglavnom pokriveno standardima (npr. DIN 24340)

47

hidraulički integrirani krugovi: olakšavaju montažu i održavanje, smanjuju curenje i značajno smanjuju instalacije

NEPOVRATNI VENTILI

Načelno, dozvoljavaju protok fluida u jednom smjeru, a ne dozvoljavaju u drugomKoriste se za zatvaranje jednog smjera protoka fluida, zatim za realizaciju različitih paralelnih tokova (premosnica, „by-passa“), te za dobivanje određenog pretlaka u nekom dijelu hidrauličkog kruga

(„backpressure“).

check valve (eng), sperrventile (njem)

Konstruirani su s sjedištem (kugla, stožac, tanjur), tako da izoliraju dio kruga bez propuštanja (curenja)

NEPOVRATNI VENTILI

Osnovna podjela je na:� Nepovratni ventil (obični)� Nepovratni ventil s deblokadom

Uz to mogu se spomenuti i slijedeći ventili kojima je osnova nepovratni ventil:� Prigušno-nepovratni ventil� Nepovratni ventil za predpunjenje� Naizmjenično zaporni ventil

Nepovratni ventili, obični

S oprugom (tlak otvaranja 0.5; 1.5; 3; 5 bar)Bez opruge (ugrađuju se vertikalno)

Izvedeni za različite ugradnje (u liniji, kao ugradbeni, kao ploče..)Koriste se za by-pass, za zatvaranje jednog smjera toka fluida, ili za dobivanje određene pretenzije (backpressure)

simbol


48


Realizacija ispravljačkog spoja (Graetzov spoj)

Nepovratni ventili, s deblokadom

deblokiranjem se omogućuje protok u oba smjera � s hidrauličkom deblokadom (pilot operated check valve)� s električnom deblokadom (omogućava deblokadu bez rada crpke)

simbol

Nepovratni ventili, s deblokadom

primjer

Nepovratni ventili, s deblokadom, dvostruki

Prigušno-nepovratni v.Nepovratni ventili, za predpunjenje

U naravi su to nep. ventili s hidrauličkom deblokadom, ali velikih dimenzija (NV 40 –500)Služe za predpunjenje velikih cilindara uz izoliranje glavnog hidrauličkog kruga pod tlakom, npr kod preša

49

Naizmjenično zaporni v.

Naizmjenično zaporni ventil (engl. shuttle valve, njem. Wechselventil) ima dva ulazna priključka i jedan izlazni. Tlak na jednom ulazu izolira drugi ulaz, dok je prolaz prema izlazu otvoren (vrijedi i obrnuto). Koristi se na primjer u „Load-sensing“ sustavima za mjerenje tlaka opterećenja. i obrnuto. U pneumatici je

čest u funkciji logičkog „ILI“ ventila.

TLAČNI VENTILI

Zadatak je utjecaj na tlak u hidrauličkom sustavu, ili u nekom njegovom dijelu. Održavanje konstantnog tlaka u određenom režimu rada jedan je od najvažnijih zadataka u upravljanju hidrauličkim krugom. Osim sigurnosne funkcije, time se upravlja silama i momentima aktuatora. Osim ventila u tu svrhu mogu se koristiti i crpke promjenljivog volumena. Sigurnosna funkcija ograničenja tlaka jednostavno se postiže ugradnjom tlačnih ventila.

Po konstrukciji mogu biti � Sa sjedištem� Klizni Po načinu upravljanja su� Direktno upravljani� Posredno upravljani

TLAČNI VENTILI

Prema funkciji osnovna podjela jest na: � ventil za ograničenje tlaka � regulator tlaka

Tlačni ventili imaju još neke funkcije:� Pražnjenje sustava (ventili za pražnjenje, odnosno ventili za punjenje akumulatora)

� Rasterećenje sustava (ventil za rasterećenje)� Tlačno uravnoteženje sustava (ventil za regulaciju razlike ili omjera tlakova)

� Sekvencijalno uključenje dijelova sustava (proslijedni ili sekvencijalni ventil)

� Svi nabrojeni ventili građeni su slično kao i ventil za ograničenje tlaka ili regulator tlaka, međutim imaju različite hidrauličke spojeve, premosnice, i/ili omjere površina, tako da je njihovo otvaranje i zatvaranje specifično za svaku funkciju.

TLAČNI VENTILI

Tlačni ventili imaju još neke funkcije:� Pražnjenje sustava (ventili za pražnjenje, odnosno ventili za punjenje akumulatora)

� Rasterećenje sustava (ventil za rasterećenje)� Tlačno uravnoteženje sustava (ventil za regulaciju razlike ili omjera tlakova)� Sekvencijalno uključenje dijelova sustava (proslijedni ili sekvencijalni ventil)

Svi nabrojeni ventili građeni su slično kao i ventil za ograničenje tlaka ili regulator tlaka, međutim imaju različite hidrauličke spojeve, premosnice, i/ili omjere površina, tako da je njihovo otvaranje i zatvaranje specifično za svaku funkciju.

Npr. ventil za pražnjenje sustava omogućava preusmjeravanje protoka iz pumpe u spremnik uz održavanje radnog tlaka. Ventil za rasterećenje obavlja istu funkciju, ali bez održavanja radnog tlaka.

Tlačni ventili, podjela

Osnovna razlika između funkcija ventila za ograničenje tlaka (druckbegrenzung, pressure relief), “sigurnosni ventil” i reguatora tlaka (druckminder, Druckregelventil ili

Druckreduzierventil, pressure reducing) “reducir-ventil”:

ventil za ograničenje tlaka regulator tlakaP P

T A

Ventil za ograničenje tlaka

ograničavaju tlak u sustavu na neki postavljeni. Ako se nadmaši postavljeni tlak, višak fluida odvode u spremnik.

50

Ventil za ograničenje tlaka, ravnoteža sila

F = p•A

Ventil za ograničenje tlaka, izvedbe

Direktni (sa sjedištem) Posredno upravljani (sa sjedištem i klizni*)

* Na slici je direktni klizni

Ventil za ograničenje tlaka, posredno upravljani

glavni ventil

pilot ventil

Ventil za ograničenje tlaka, posredno upravljani

Simbol

Ventil za ograničenje tlaka, karakteristike

Karakteristike za direktno upravljani (isprekidano) i za posredno upravljani (puna linija)

Područje rada:gornje (određena površinom i silom opruge)

donje (prilikom max otvora dolazi do prigušenja (prekomjernog). Za posredne to je najmanji tlak funkcioniranja (1.5 –4.5 bara)).

Direktni – bolji su npr. za zaštitu od tlačnih špica

Regulator tlaka

Za razliku od ventila za ograničenje tlaka koji djeluju na primarni tlak, ovi služe da djeluju na sekundarni tlak

51

Regulator tlaka (dvosmjerni)

simbol

Regulator tlaka

direktni i posredno upravljani, uglavnom klizne konstrukcije

Regulator tlaka

dvosmjerni i trosmjerni

Slijedni ventili, ventili za pražnjenje

vrlo slični ventilima za ograničenje tlaka, ali imaju drugu funkcijuSlijedni – uključuju dio po dio kruga (druckzuschalt, pressure sequencing) (isti kao v.o.t., ali curenje mora biti riješeno direktnim dovodom da ne djeluje na silu uključivanja)Ventili za pražnjenje (ili za punjenje akumulatora) (druckabschalt, pressure cut-off)

slijedni, direktni i posredno upravljaniv. za pražnjenje


Gibanje: desni pa lijevi cilindar (odnosno samo lijevi, ako desni miruje)


Usmjerava se tok fluida na punjenje akumulatora dok se ne napuni

52

PROTOČNI VENTILI

Utjecajem na protok mijenjajući otvor prigušnog elementa, protočnim ventilima utječe se na brzinu gibanja aktuatora

iznimka je razdjeljnik protoka

Protočni ventili, podjela

PROTOČNI VENTILI

PRIGUŠNICE I BLENDE

RAZDJELJNICI PROTOKA

REGULATORI PROTOKA

Prigušnice i blende

prigušnica

Prigušnica: dugi prigušni put (l > 100 h), laminarno strujanje

Blenda (ili fina prigušnica): kratki prigušni put, turbulentno strujanje

blenda

prigušnica

blenda


Q h

l

h

b

ρα

pAQv

∆⋅⋅⋅=

2

bhluzpl

hbQv <<<∆⋅

⋅⋅

⋅= ;100

12

3

ηPrigušnica (kvadratni profil)

blenda

Prigušnice i blende, Q – dp karakteristika

AQ

pAQ ∆⋅⋅= ρα /2

r2

l

Q

pl

rQ ∆⋅

⋅⋅

⋅=

η

π

8

4

Q

dp f(t)

Prigušnice i blende, geometrijske karakteristike

53


Jedna blenda, presjek


prigušno- nepovratni ventil

Prigušnice i blende, ovisnost o dp Regulatori protoka

p1*Ak = p2*Ak+FFAk *(p1-p2) = FFdp = FF /Ak = const.

simbol

Regulatori protoka

Mjerna (metering) prigušnica A2 (koja se može podesiti) može biti iza (upstream) ili ispred (downstream) tlačnog kompenzatora, odnosno upravljačke prigušne površine A1. Nema značajnijeg utjecaja na funkciju.

upstream downstream

Regulatori protoka

Mjerna (podešavajuća) prigušnica može biti iza (upstream) ili ispred (downstream) tlačnog kompenzatora. Nema značajnijeg utjecaja na funkciju.

upstream downstream

54

Regulatori protoka

regulatori protoka mogu biti:� dvosmjerni (2-way) (oni prethodni)� trosmjerni (3-way) – za razliku od serijskog spoja mjerne prigušnice A2 i upravljačke prigušne površine A1 kod dvosmjernog r.p., ovdje su one u paraleli.

� Nap: obzirom na odvod viška fluida u spremnik, trosmjerni r.p. može biti smješten samo u tlačnom vodu (meter-in prigušenje)

trosmjernidvosmjerni

Načini prigušenja protoka

P T

P T P T

Prigušenje ulaznog toka(meter-in)

Prigušenje premosnice(by-pass)

Prigušenje izlaznog toka(meter-out)

Načini prigušenja protoka

Za teret koji se

suprotstavlja izlasku

klipnjače, te za male

snage (zbog gubitaka).

Kod sustava malog

tlaka oprez kod

izbora.

Za sve vrste

opterećenja, posebno

za vlačna.

Tlak na strani

klipnjače intenziviran:

Nema gubitka tlaka

pred aktuatorom.

Čak i neopt. aktuator

je pod punim tlakom.

Često kod alatnih

strojeva. Mali gubici u

određenom području.

Finije podešavanje

brzine moguće.

Daje ravnomjernije

gibanje aktuatora.

Podešavanje nije

najbolje.

Generirana toplina

uslijed prigušenja ide

u aktuator.

Toplina ide u

spremnik.

Toplina ide u

spremnik.

Nije pogodna za

podešavanje brzine

motora.

Pogodna za motore. Nije pogodna za

krugove sa

akumulatorom

Kolebanje protoka u

slučaju da se protok

crpke koleba.

Razdjeljnici protoka

dijeli protok (princip rada sličan regulatoru protoka -- tlačno-kompenzirani protok)

UGRADBENI 2/2 VENTILI

Ugradbeni ili logički ventili (2-Wege-Einbauventilen; (slip-in)Cartridge valve2/2 ili logic valve)Mogu imati funkciju razvodnika i tlačnih ventila (također i protočnih ventila)Izvedba sa sjedištem ili kliznaUgrađuju se u standardizirane upravljačke blokovePočetkom 70-tih radi kompaktnosti, posebno za veće snageDanas se dosta koriste kod preša, strojeva za plastiku, te u teškim strojevima, Za velike protoke, gotovo se isključivo koriste oni

55

Ugradbeni ventili

Mogu se smatrati ventilima “bez tijela”, sve dok ih se ne umetne u kućište screw-in cartridges – za manje dimenzije, slično klasičnim (in-line) razvodnicimaslip-in cartridges – ono što se smatra tipičnim ugradbenim (logičkim) ventilima, obično za velike dimenzije

slip - in screw - in

Ugradbeni 2/2 ventili, kako funkcioniraju

Sile zatvaranja: pX · AX + Fopruge

Sile otvaranja: pA · AA i pB · AB

A

B

XAA

AB

Ax

A

B

X

Ax

AB

AA

Ugradbeni 2/2 ventili, kako funkcioniraju

Upravljanje x može se napajati zajednički (spojen s A), ili odvojenoPrimjer: funkcija 3/2 razvodnika i ventila za ograničenje tlaka

A

B T

p0

A

B

T

A

B

Ugradbeni 2/2 ventili, prednosti

Niz prednosti i funkcija, međutim za njihovo dobro funkcioniranje potrebno ih je dobro poznavati i razumjeti njihovo funkcioniranje.

Velik raspon protoka Mogućnost finih operacija

Kompaktne dimenzije Minimalni vršni tlakovi

Razne funkcije može vršiti (također i sa 1 jedinicom)

Dobre značajke održavanja, mala osjetljivost na nečistoću

Malo curenje Mogu raditi na velikim tlakovima, i velikim snagama

Vrlo kratko vrijeme prebacivanja

Standardizirane instalacijske dimenzije

OSTALI ELEMENTI

AKUMULATORI

FILTERI

SPREMNICI FLUIDA

CJEVOVODI

PRIKLJUČCI, PRIKLJUČNE PLOČE I ARMATURE

BRTVE

IZMJENJIVAČI TOPLINE

MJERNA OPREMA I PRETVARAČI

56

AKUMULATORI

Pohranjuje hidrauličku energiju

Uloge:� Spremnik energije za krugove koji je kratko koriste (kratki rad crpki) – velike preše, starteri diesel motora, kotači zrakoplova, podizni kreveti u bolnicama, poljoprivredni strojevi, itd.

� Pokrivanje potrebe za kratkotrajnom vršnom hidrauličkom energijom

� Operacije u nuždi

� Kompenzacije curenja

� Amortizacija udara, te neravnomjernosti protoka i tlaka

AKUMULATORI, vrste

S masomS oprugomPlinski� klipni � s mijehom� membranski

AKUMULATORI, kako rade

1. Bez predpunjenjaplinom

2. Predpunjen plinom

3. Fluid pohranjen

4. Fluid poslan u krug

p0 – tlak predpunjenja plina p2 – maksimalni radni tlak p1 – minimalni radni tlak p3 – maksimalni tlak V0 = V1 – V2 korisni volumen akumulatoraObično: p0 = 0.9 p1 i p3 = 1.1 p2 (ali ovisi o tipu i primjeni akk.) Rad: W12=kp2V1 (kizo=0.368; kadb=0.308)adijabatsko pražnjenje do 1 min; izotermno pražnjenje više od 3 min

p1

p2

p3

p0

V3

p

V

3

2

10

W12

V1V2 V0

00Vp

11Vp

22Vp

33Vp

AKUMULATORI, plinski, s mijehom

plinski su punjeni s N2 (dušik, inertan, zbog opasnosti od eksplozije)

AKUMULATORI, plinski, membranski

Zavarena izvedbaIzvedba s navojem

57

AKUMULATORI, plinski, klipni AKUMULATORI, plinski, osnovne značajke

U zrakoplovima se dosta koristi

Vertikalna ugradnja,sporije reagiraju

do 550 bar do 35 bardo 210 bar do 400 bardo 350 bar

do 40 l/s do 140 l/sMax protok

4 – 6 l 4 – 6 l/sMax protok

Max. dozv. brz. klipa do 3.5 m/s (3 m/s)

do 50 l do 450 ldo 3.5 l do 10 ldo 250 l

v-tlačni n-tlačnizavareni s navojem

membranskis mijehomklipni

Usporedba: klipni - s mijehom

Bolji za sustave s ditheringom

Sklon stick-slipu (mane kao i cilindri)

Može se staviti senzor pozicije (za φ > 100 mm)

OSTALO

Lakši za čišćenje i popravak

ODRŽAVANJE

Ako su temp. vrlo visoke (> 120 C) bolje rješenje

TEMPERATURA

Lakši( i do 40%)

TEŽINA

Ipak: brz. klipa ograničena na 3 m/s

Za vrlo velike protoke jedina opcija

PROTOK

4:110:1KOMPRESIJSKI OMJER

S MIJEHOMKLIPNI

AKUMULATORI, uloge, pokrivanje vršnih opterećenja

Primjer: teret 50 t; 8 x φ 250 mm cilindri; 4 s hod gore ili dole, 20 s mirovanje

800Cijena uštede energije godišnje (USD):

6.00012.000Cijena instalacije (cca. USD):

6090Tlačni ventil, cijena (USD):

2.4006.500Pogon s opremom, cijena:

1330Pogon (kW):

2.700 -Cijena (USD):

50-Akumulator (l):

95340Cijena ulja (75% vol. spr.):

100300Cijena (USD):

100300Spremnik (l):

3305.000Cijena (USD):

35 120 Pumpa (litre!):

S AKUMULATOROMBEZ AKUMULATORA

AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi

58

AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi AKUMULATORI, uloge, operacije u nuždi

AKUMULATORI, uloge, natezanje kablova AKUMULATORI, uloge, natezanje prijenosnih elemenata

AKUMULATORI, uloge, prigušenje pulsacijaAKUMULATORI, uloge, prigušenje kod servo ili proporcionalnih ventila

59

AKUMULATORI, uloge, opružno djelovanje Opružno djelovanje, primjer Citroen Activa

Pohrana energije - usporedbe

Ragone plot

Pohrana energije - usporedbe

12000 -15000

1800 - 7500≈ 500600-20000(+)

220 - 500CijenaEur/kWh

≈ 100.4 - 30.25 - 151Gustoća snagekW/kg

0.0005 -0.002(2)

0.0050.1 - 0.20.05 - 0.13

(0.15 - 17)

0.005- 0.03

(0.15 - 17)

Gustoća en.kWh/kg

(kWh/m3)

Hidro-pneu.

akumulator

Ultra-

kondenzator

Li-ion

baterije

HS

zamašnjaci

LS

zamašnjaci

Ostala važna pitanja: broj ciklusa, područje temperature, očitavanje stanja,

ekološka prihvatljivost, sigurnost, samopražnjenje, ...

FILTERI

Da bi hidraulički (i pneumatski) sustav dobro funkcionirao, neophodna je zadovoljavajuća čistoća fluida. Posebno to dolazi do izražaja kod sustava visokih zahtjeva (skupi, precizni, rade pod visokim tlakom ...). O čistoći fluida brinu filteri.Izvori kontaminacije fluida:� Eksploatacija (trošenje, ulaz prljavštine izvana (mjesta curenja, odušci rez.))� Proizvodnja (strugotina, pijesak, prljavština..)� Održavanje i montaža sustava (strugotina, prljavština, novi fluid, ..)Posljedice kontaminiranog fluida (smatra se uzrokom 75% problema): � Blokada ventila� Povećano curenje� Promjene svojstava sustava� Totalno otkazivanje rada sustavaO nivou kontaminacije i filterima brine niz standarda (ISO DIS 4406; CETOP RP 70H; SAE 749D; ..)

Filteri

PovršinskiDubinski

60

Filteri

Važan je stupanj separacije nečistoće βx filtera:

Gdje su:x – veličina čestica [µm]nu – broj ulaznih čestica >= x (prije filtera)ni – broj izlaznih čestica >= x (nakon filtera)

i

ux

n

n=β

Filteri

Efikasnost filtera:

Npr.:β10 = 15000 / 200 = 75 (referentna vrijednost)E10 = 98.5 %

1001

⋅−

=x

xxE

β

β

Filteri, zazori kod hidrauličkih elemenata

Filteri, klasa čistoće fluida za pojedine elemente

primjeri

Primjer:

> 14 god.2 god.Očekivani radni vijek crpke

25 kg/god.4.000 kg/god.Količina nečistoće

ISO 16/14/11ISO 22/21/18

Filteri, smještaj filtera

1. Povratna linija (1)2. Tlačna linija (7)3. Usisna linija (3)4. Bypass (ili off-line) (8)

Filter ulijevanja (2)Odušak za zrak (2)

61

Filteri, smještaj

Tlak filtriranja treba biti dovoljan da “provede” fluid kroz filter (čak i fini), ali previsoki tlak komplicira konstrukciju filtera i kućišta.

Prevelika brzina strujanja fluida kroz filter nije poželjna (umanjuje učinkovitost), kao ni pulsacije tlaka i protoka.

Pad tlaka kroz filter (opasnost, povratni tlak ili kavitacija!).

Povratna linija – dobro za mnoge primjene, tipični filter 10 µm, opasnost od

povr. tlaka.Tlačna linija – visoki tlak, pa su mogući i vrlo fini filteri (2 µm ili manje).

Manje učinkovit, ali također skup (investicija + održavanje).

Usisni filter – mogao bi biti idealan, ali nije – dapače! Opasnost od kavitacije, te

od oštećenja elemenata crpke zbog jakog podtlaka (krilne i aksijalno klipne

crpke!)

Off-line – Sve je odlično, osim cijene (investicijske)!

Filteri, zaprljanje i otpor protjecanju fluida

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Kontaminacija [%]

Pa

d t

lak

a

[ba

r]

Filteri, konstrukcija

Primjer, tlačni filter

SPREMNICI FLUIDA

Osim pohrane fluida služi i za njegovu «pripremu» (hlađenje, ispuštanje zraka, slijeganje nečistoća, smirivanje, ..), zato postoje razne preporuke ili pravila za njihovo konstruiranje (pregrade, visine i položaji priključaka, itd.)

Izvedbe lijevane (Al, manji, do 60 l) i zavarene (čelik)

Veličina spremnika

� stacionarna hidraulika 3 – 5 Q [l/min]

� mobilna hidraulika 1 –2 Q [l/min]

� zrakoplovna hidraulika 0.5 – 1 Q [l/min]

CJEVOVODI

krute i fleksibilneoptimalni promjer (Re broj, tabele), promjeri savijanja i pravila postavljanja

3 m/sPovratna linija

0.5 – 1 m/sUsisna linija

6 - 7 m/s> 200 bar

5 - 6 m/s100 - 200 bar

4 - 5 m/s50 - 100 bar

4 m/s< 50 bar

Preporučena brzina strujanja fluidaRadni tlak

PRIKLJUČCI, PRIKLJUČNE PLOČE I ARMATURE

razni standardi (ISO, NPT, NPTF, BSP, ...)

62

BRTVE

statičke (X, R i O prsten)dinamičke (brtve klipa i klipnjače)prsteni-vodilice (trake i krute)brisači (jednosmjerni i dvosmjerni)

MJERNA OPREMA I PRETVARAČI

Mjerenje:� Tlak� Protok� Temperatura� Hod � Brzina

Pretvarači� Tlak-el.signal

Documents

Pneumatika i Hidraulika_predavanja i Dio