Pneumatika_hidraulika_1dio

PNEUMATIKA I HIDRAULIKA

I dio: HIDRAULIKAProf.dr.sc. Joško Petrić

Pohađanje nastave i ispiti• Za potpis: 9 predavanja i 9 vježbi (od 13)

• 3 kolokvija – prolaz zamjenjuje pismeni

prolaz: 40 % ukupno, s tim da svaki kolokvij treba biti iznad 20 %

(nije predviđen rezervni rok)

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

Literatura– Nikolić, Pneumatika i elektropneumatika,

Zrinski, 2007.– Koroman i Mirković, Hidraulika i pneumatika, Šk.

Knjiga, 1992.– Korbar, Pneumatika i hidraulika, 2007,

www.vuka.hr– Vježbe i predavanja, zapisi– Web stranice proizvođača i organizacija:

• BoschRexroth, Festo, ...• http://www.hydraulicspneumatics.com/• http://fluid.power.net/

http://www.vuka.hr/

http://www.vuka.hr/

http://www.hydraulicspneumatics.com/

http://fluid.power.net/

Što je pneumatika i hidraulika?

• Prijenos energije stlačenim fluidom, principi hidrostatikepneumatika – stlačeni plin (zrak)hidraulika – stlačeni tekući fluid (min. ulje)

Primarni izvor energije Izvor en. stl. fluida Aktuator

Elementi za prijenos, obradu, pohranu i upravljanje energijom stlačenog fluida

• hidraulika, voda + cijev (grč.)

• Hidrostatika 250 g.p.n.e. (Arhimed, Ktesibios)

• Projekt Hidrauličke preše, Pascal, 17 st.

• Izradba preše, Brahm, prijelaz 18 na 19 st.

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

• 20 st., hidrostatički prijenosnici, servo ventili

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

• “Fluid Power”

Prednosti i nedostaci

Prednosti?

Nedostaci?

Područja primjene

• Mobilna • Industrijska (stacionarna) • (Zrakoplovna)

• alatni strojevi, preše, valjaonice, strojevi za plastiku • građevinski, poljoprivredni i šumarski strojevi i oprema• rudarstvo i naftna industrija• pomorstvo• scenski efekti• specijalni strojevi i primjene (simulatori, brane, mostovi, ..)• osobna, teretna vozila i autobusi• ...

Fizikalne osnove

Princip hidrostatičkog prijenosnika

F1 F2

A1 A2

p

x1 x2

• Tlak• Protok • (Temperatura)• Rad• Snaga

Pitanje:

Redoslijed podizanja?

F

A1

A

x

A2

1m

2

m

21 AmgAmgF ⋅+⋅⟩12 10 AA ⋅=

Rotacijski sustav

d/2

A

d pQ

d p

• Jednadžba održanja mase

1m& 2m&3m&

• Jednadžba održanja energije (Bernoullijev teorem)

1

2

h1 h2

p1 p2

• Protok kroz blendu (suženi presjek)

1 230

Q

AppF ⋅∆+= )( 0

A

00 hAV ⋅=

hAV ∆⋅=∆

0h

h∆

• Stišljivost

Serijski i paralelni spoj elemenataQ1 Q2

Q31p∆

2p∆

3p∆

Q1 Q2 Q3

1p∆ 2p∆ 3p∆

Zatvoreni i otvoreni hidraulički krug

• hidraulički udar• kavitacija

HIDRAULIČKI FLUIDI

• Zadaci fluida

– Prenosi energiju

– Podmazuje

– Odvodi toplinu

– Štiti od korozije

– Odstranjuje nečistoće i abrazive

Svojstva fluida

• Viskoznost: svojstvo fluida, predstavlja otpor gibanju

čestica fluida kada su one izložene smičnom naprezanju

(DIN 51550)

A

F

dy

xd &

x&

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

dinamička viskoznost je [Pa s]

F – sila koja uzrokuje gibanjeA – kontaktna površnaD – brzina smicanjaKinematička viskoznost je: [mm2/s] ili [cSt]

dyxd

AF &

η==τ ⇒Dτ

=η

ρη

=υ

Utjecaj temperature na viskoznost

Indeks viskoznosti,

Waltherova formula

Zrakoplovni fluid

Utjecaj tlaka na viskoznost

Gubici i viskoznost

Gub

ici s

nage

Uslijedcurenja

Uslijedtrenja

Ukupno

Din. viskozitet

Strujanje fluida - Reynoldsov broj

• Priroda strujanja ovisi o uvjetima. Kakva su oni, govori Rebroj :

turbulentno strujanje Re > 2320 (kritični Re za cijevi okruglog presjeka*)

§ laminarno strujanje Re < 2320

* za zazore, ventile i sl., kritični Re broj je znatno manji

νdv ⋅

=Rev - brzina strujanja fluidad – promjer cijeviν – kin. viskozitet

Neka druga svojstva fluida:

• Svojstvo podmazivanja

• Temperaturna stabilnost (nizak indeks viskoznosti)

• Kemijska i fizikalna stabilnost

• Kompatibilnost (brtve (NBR, Viton), boje, elementi, drugi fluidi..)

• Dobra disipacija topline

• Visoka kompresibilnost (modul volumena)

• Malo upijanje i dobro izdvajanje zraka

Niska spec. gravitacija (omjer gustoće ulja i vode)1 (Težak fluid može uzrokovati kavitaciju crpki)

• Mala tendencija pjenjenja

• Vrelište, ledište

• Otpornost zapaljenju

• Mali koeficijent ekspanzije

• Neotrovnost

• Cijena, održavanje, dostupnost!

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 fluidi (HETG (biljna ulja), HEPG (poliglikoli), HE)

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

Jedna usporedba fluida

HLPMin. ulje

HFA (3%)3 % ulja u

vodi

HFDSint. Fluid bez vode

HETGBiljno 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

Operativna temperatura [˚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, ekološka prihvatljivost, može biti bolja toplinska vodljivost, niska viskoznost, nizak indeks viskoznosti, ...

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

CRPKE i MOTORI

• CRPKE (PUMPE)– Pretvaraju mehaničku u hidrauličku energiju

(energiju stlačenog fluida).• MOTORI

– Pretvaraju hidrauličku energiju u gibanje (aktuatori)

• Podjela crpki i motora: • Hidrostatičke (PD)• Hidrodinamičke

Hidrostatičke (Opis za crpke) 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. Zatim rotiranjem crpnih elemenata taj prostor se 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, efikasne u širem području rada, dobra volumenska efikasnost, mogu pokriti široki raspon zahtjeva za brzinom i tlakom

Hidrodinamičke

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

Simboli

Crpka

Motor

Crpka - motor

Tablica transformacija

CRPKA MOTOR

TRA

NSF

OR

MA

CIJ

An

- QTR

AN

SFO

RM

AC

IJA

T - p

Q Qn n

T Tp∆ p∆

DD1

Dπ2

π2D

Značajke hidrauličkog stroja

0

Q

nconstp =

0

Q

p∆constn =

0

T

nconstn =

p∆ 0

constp =

TCRPKAMOTORIDEALNO

Stupanj korisnosti

η

max/ pp 10

volη hmη

totη

η

max/ nn 10

volηhmη1 1

totη

Stupanj korisnosti, primjer jedne AK crpke

Volumenski gubici, shema

iQ

1eQ2eQ

eQ

1Q 2QQ1p 2p

Osnovne značajke crpki i motora:

• Vrsta• Volumen (koliki je, te da li je fiksan FD ili

varijabilan VD)• Tlak (radni i maksimalni)• Brzina vrtnje (min i max)

• Snaga, moment• Usisna moć (za crpku)• Radno područje viskoznosti i temperature• Stupanj korisnosti

Usisna značajka crpke

• 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.

Usisna značajka crpke, 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

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)

Usporedba stupnja korisnosti motora

75 150 300225n [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)

Važni zahtjevi za crpke i motore:

• Učinkovitost u cjelokupnom radnom području• Što manja bučnost• Pouzdanost, čak i u slučaju složenijeg opterećenja• Male dimenzije, mala masa, mali moment tromosti, niska

cijena, povoljno održavanje, laka ugradnja• Mogućnost integracije upravljačkih uređaja• Široko područje viskoznosti• Kontinuirano podešavanje volumena kod jedinica s

promjenljivim volumenom• Niske pulsacije protoka (za crpke), te razvijanje

ravnomjerne brzine i momenta (za motore)

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

Izbor crpke i motora

• Zahtjevi radnog tlaka u sustavu• Zahtjevi protoka u sustavu• Dopušteni broj okretaja• Relacije – tlak – protok – broj okr.• Promjenljivost volumena crpke• Usisna značajka• Stupanj korisnosti• Ubrzanje i reverziranje• Ponašanje na niskim okretajima• Ponašanje pri pokretanju

Izbor crpke i motora, nastavak

• Otpornost na kontaminacije, zahtjevi filtracije• Životni vijek (vezano sa opterećenjem)• Značajke fluida • Buka• Temperatura sustava• Održavanje, dijelovi• Tip pogona, smještaj crpke• Kompaktnost• Preciznost izrade (zazori i montaža)• Cijena i ukupna ekonomska značajka

S VANJSKIM OZUBLJENJEMVrste hidostatičkih crpki S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM

SA ZUPČASTIM PRSTENOMZUPČASTE

ROTACIONE

LINEARNE

KLIPNE

MEMBRANSKE

KRILNE

VIJČANE

OBIČNE (S POMIČNIM KRILIMA)

S FIKSNIM KRILIMA

RADIJALNO KLIPNEKLIPNE

AKSIJALNO KLIPNE

DRUGE VRSTE

Vrste hidostatičkih crpki, nastavak

JEDNOKOMORNE

RADIJALNO KLIPNE

AKSIJALNO KLIPNE

S EKSCENTRIČNIM BLOKOM

S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM

SA ZAKRETNOM PLOČOM

KRILNE (OBIČNE) DVO- ILI VIŠEKOMORNE

SA ZAKRETNIM BUBNJEM

S VANJSKIM OZUBLJENJEMVrste hidostatičkih motora S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM

SA ZUPČASTIM PRSTENOMZUPČASTI

ROTACIONI KRILNI

OBIČNI(S POMIČNIM KRILIMA)

KLIPNIRADIJALNO KLIPNI

AKSIJALNO KLIPNI

DRUGE VRSTE

S KOTRLJAJUĆIM KRILIMA

S FIKSNIM KRILIMA

Vrste hidostatičkih motora, nastavak

JEDNOKOMORNI

RADIJALNO KLIPNI

AKSIJALNO KLIPNI

S EKSCENTRIČNIM BLOKOM

S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM

SA ZAKRETNOM PLOČOM

KRILNI (OBIČNE) DVO- ILI VIŠEKOMORNI

SA ZAKRETNIM BUBNJEM

Značajke crpki i motora prema njihovoj vrsti

ZUPČASTE S VANJSKIM OZUBLJENJEM

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

ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM


ZUPČASTE S UNUTARNJIM OZUBLJENJEM

Gdje se zahtjeva tišina te mali ugradbeni prostor.Primjena


80 do 300; 100 do 300Tlak (radni, max, [bar])


1 do 5 – 50 do 700Volumen (min – max, [cm3])

Jedino fiksnog volumena; skupe.Nedostaci

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

Prednosti

ZUPČASTE S ZUPČASTIM PRSTENOM


ZUPČASTE S ZUPČASTIM PRSTENOM

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])



Jedino fiksnog volumena; razmjerno slaba korisnostNedostaci

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

Prednosti

VIJČANE


VIJČANE CRPKE

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

Primjena

FD crpkaNajčešća izvedba


– 2000 do 20000Brzina (min – max, [rpm])


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

Nedostaci

Tihe, nepulsirajuće; dugotrajne i pouzdane.Prednosti

Krilna crpka (Continental hydraulics)


KRILNE, S KLIZNIM KRILIMA

Alatni strojevi i općenito u strojarstvu.Primjena

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




Mala korisnost; za razmjerno niski tlak, osjetljive na všne tlakove (lom krilaca)

Nedostaci

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

Prednosti

KRILNA, DVOKOMORNA

).

KRILNA S FIKSNIM KRILIMA

KRILNA S ROTIRAJUĆIM KRILIMA

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

• KRILNE s rotirajućim krilima (FD, visok h-m eta, te dobre startne karakteristike. Loš volumenski eta. Ponekad se koriste kao servo-motor).

KLIPNEPRINCIP RADA

Značajke crpki i motora prema njihovoj vrstiRADIJALNO KLIPNI S EKSCENTRIČNOM OSOVINOM

(“WITH INTERNAL SUPPORT”)

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





Skupe; manje kompaktne od aksijalno klipnih; Nedostaci

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

Prednosti


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

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

Primjena

FD crpka, VD crpka, FD motorNajčešća izvedba



10 – 2000 do 65000Volumen (min – max, [cm3])

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

AKSIJALNO KLIPNI S ZAKRETNOM PLOČOM

Aksijalno klipna crpka s zakretnom pločom (Vickers)


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



0.1– 500Volumen (min – max, [cm3])

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 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



1.5 – 1000Volumen (min – max, [cm3])

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


LINEARNI KLIPNI

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

Primjena

FD crpkaNajčešća izvedba


– 1500 do 3000Brzina (min – max, [rpm])


Velike dimenzije; samo FDNedostaci

Za visoki tlak; dobra učinkovitost; Prednosti

CILINDRI

• Aktuator• F = p x A• dobar eta (0.84 – 0.96; teleskopski 0.74 – 0.86;

servo +0.99)

• Podjele: – Jednoradni – Dvoradni

Jednoradni

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

Jednoradni

• Cilindar s povratnom oprugom

Dvoradni

• diferencijalni

• s prolaznom klipnjačom

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

Documents

Pneumatika_hidraulika_1dio