PUMPE I HIDROMOTORI

Hidrauline pumpe su maine koje poveavaju energije hidraulinog fluida koji prolazi kroz njih. Postoje tri glavne klase pumpi: zapreminske, centrifugalne i pumpe sa specijalnim efektima. Zapreminske pumpe sabijaju tenost u komorama koje su tom tenou popunjene. Na taj nain, raste pritisak u fluidu i nako toga se fluid pomjera iz komora pumpe. Centrifugalne pumpe poveavaju kinetiku energiju tenosti usljed promjene koliine kretanja izmeu tenosti i rotora. Pumpe sa specijalnim efektima, kao to su mlazne pumpe i dr., rade korienjem razliitih fizikih principa.

Centrifugalne (rotordynamic) pumpe izvode svoje ime iz injenice da je rotirajui element (rotor) kljuni dio ovih maina. Lopatice, fiksirane u rotoru, formiraju seriju prolaza kroz koje fluid kontinuirano struji popunjavajui ih kako rotor rotira. Prenos energije od rotora na fluid se deava zbog dinamikog djelovanja izmeu rotora i fluida.Zapreminske pumpe se sastoje od jedne ili vie pumpnih komora. Ove komore se zatvaraju i imaju priblino savreno zaptivanje. Zapremina ovih komora se mijenja periodino sa obrtanjem pogonskog vratila pumpe. Fluid se pomjera od usisnog do potisnog voda pomou naizmjenine ekspanzije i kontrakcije komora pumpe. Rad zapreminske pumpe se moe sumirati u sljedeim koracima:

Tokom ekspanzije, komora pumpe se spaja sa usisnim vodom. Ekspanzija stvara potpritisak unutar komore, zbog ega se tenost usisava.Kada zapremina komore dostigne maksimalnu vrijednost, komora se odvaja od usisnog voda.Tokom perioda kontrakcije, komora pumpe se povezuje sa potisnim vodom. Fluid se onda pomjera iz pumpe u potisni vod i na njega djeluje pritisak potreban za savladavanje otpora u potisnom vodu.Hod potiskivanja fluida u potisni vod se zavrava kada zapremina komore dostigne minimalnu vrijednost. Nakon toga, komora se odvaja od potisnog voda.Ovaj proces se ponavlja kontinuirano sa rotacijom pogonskog vratila pumpe. Pored toga to pomjera fluid, pumpa na fluid djeluje pritiskom koji zahtijeva savladavanje optereenja, odnosno savladavanje otpora u sistemu.

Funkcija zapreminske pumpe je objanjena opisom konstrukcije i rada jedno-klipne pumpe, prikazane na slici 4.1. Klip (4), pogonjen koljenastim vratilom (5), naizmjenino se kree izmeu dvije krajnje take. Tokom hoda usisavanja klip se kree nadesno i ulje se usisava iz rezervoara (1) kroz nepovratni ventil (2) pri veoma malom usisnom pritisku. Usisni pritisak je minimalna razlika pritisaka potrebna za otvaranje nepovratnog ventila. Onda, tokom radnog hoda, klip se kree ulijevo pomijerajui ulje u potisni vod preko nepovratnog ventila (3). Klip pumpe djeluje na ulje pritiskom p potrebnim za savladavanje optereenja. Zbog toga pogonsko vratilo pumpe treba da djeluje na klip silom potrebnom za stvaranje tog pritiska, i na koljenasto vratilo treba djelovati obrtnim momentum proporcionalnim toj sili. Klip cilindra (6) se sputa pod djelovanjem spoljanjeg optereenja otvaranjem ventila (7).

OSNOVNE JEDNAINE ZA PUMPE I MOTORE

Oblik analize koji slijedi je koristan za odreivanje karakteristika postojeih pumpi i motora i njihov izbor.

IDEALNE PUMPE I MOTORIU analizi rada idealne pumpe ili motora se zanemaruju sljedei faktori:CURENJE (LEKAA)TRENJESTILJIVOST FLUIDAKAVITACIJA.U takvoj analizi se specifina zapremina pume ili motora q se definie kao zapremina tenosti koju pumpa (motor) potisne u sistem za jedan obrtaj pogonskog vratila. Ta zapremina zavisi od maksimalne i minimalne vrijednosti zapremine jedne komore pumpe (motora), broja komora i broja hodova radnih elemenata pumpe (motora) za jedan obrtaj pogonskog vratila. Oigledno je da specifina zapremina zavisi od geometrije pumpe (motora).

Specifina zapremina se pumpe ili motora se rauna pomou sljedee jednaine:

gdje je:i broj hodova radnih elemenata pumpe po jednom obrtajuVmax maksimalna zapremina komore pumpe, m3Vmin minimalna zapremina komore pumpe, m3z broj komora pumpe.Pretpostavljajui idealnu pumpu, teoretski protok pumpe je dat sljedeim izrazom:gdje je, n broj obrtaja pumpe, obr./s.

Sljedea slika pokazuje tipinu vezu zapreminske pumpe u hidraulinom sistemu.

Polazei od pretpostavke o idealnoj pumpi (motoru), moe se napisati jednaina:(1)Ovdje je:NT teoetska snaga, pQT promjena snage fluidne struje pri prolasku fluida kroz pumpu (motor),MT teoretska snaga na vratilu pumpe (motora),p razlika pritisaka na ulazu i izlazu iz pumpe (motora), PaQ zapreminski protok, m3/sMT obrtni momenat, Nm ugaona brzina, rad/s.

Kako je

izraz (1) se moe napisati u obliku

iz ega se dobija izraz za teoretski obrtni moment pumpe (motora):(2)

Napomena: Proizvoai obino daju informaciju u obliku cm3/obr., radije nego u m3/obr., koji je oblik potreban za primjenu jednaine (2).

ANALIZA REALNE PUMPE (MOTORA)Hidraulina snaga koju realna pumpa predaje radnom fluidu je manja od ulazne mehanike snage usljed zapreminskih gubitaka, trenja i lokalnih gubitaka. Stvarni protok pumpe Q je manji od teoretskog protoka QT zbog:Unutranjeg curenja;Kompresibilnosti fluida;Kavitacije; Djelominog punjenja pumpe usljed inercije fluida.Prvi izvor gubitaka snage je unutranje curenje. Strujanje ulja kroz zazore unutar pumpe (motora) je praktino laminarno i curenje (protok) kroz zazore QL se mijenja linearno u odnosu na razliku pritisaka ispred i iza zazora.

Stvarni protok ulja iz pumpe je

Efekat curenja ulja kroz zazore unutar pumpe (motora) se izraava zapreminskom efikasnou v, koja se definie izrazom:

Zapreminska efikasnost novih zapreminskih pumpi se kree u granicama od 0,8 do 0,99. Klipne pume imaju visoku zapreminsku efikasnost, dok je zapreminska efikasnost krilnih i zupastih pumpi generalno neto nia.

Drugi izvor gubitka snage je trenje. Mehaniko trenje izmeu elemenata pumpe i viskozno trenje dovode do gubitka korisne energije. Dio pogonskog obrtnog momenta se troi za savladavanje sila trenja. Ovaj dio se naziva moment trenja, MF. On zavisi od broja obrtaja pumpe, radnog pritiska i viskoziteta ulja. Gubici usljed trenja u pumpi se izraavaju mehanikom efikasnou m, koja se definie izrazom:

gdje je:M - stvarni obrtni moment na vratilu pumpe, NmMF moment potreban za savladavanje sila trenja, Nm ugaona brzina vratila pumpe, rad/s.

Trei izvor gubitaka snage su gubici pritiska pri strujanju ulja kroz kanale unutar pumpe. Pritisak unutar komora pumpe pC je vei od pritiska na ulazu u potisni vod pumpe p. Ovi gubici su prouzrokovani lokalnim otporima strujanju fluida i nazivaju se hidraulini gubici. Hidraulini gubici su zanemarive vrijednosti za pumpe sa ugaonom brzinom pogonskog vratila manjom od 50 obr./s. Ovi gubici se izraavaju hidraulinom efikasnou h, koja se definie izrazom

gdje je:pC pritisak unutar komora pumpe, Pap pritisak u potisnom vodu pumpe, Pa.

Ukupna efikasnost pumpe T je jednaka

Mehanika snaga pumpe se konvertuje u jednaku hidraulinu snagu , pa slijedi

U stacionarnom radu, realna zapreminska pumpa je opisana sljedeim relacijama:

ili

Odatle slijedi da je

gdje je:Nh hidraulina snaga, WNm mehanika snaga, Wp razlika pritisaka na izlazu iz pumpe p i pritiska na ulazu u pumpu pu.

Kako je pritisak na ulazu na pumpu zanemarivo mali, onda se moe uzeti da je razlika pritisaka p jednaka pritisku na izlazu iz pumpe p, pa se prethodni izraz pie u obliku

Uobiajeno je da se pritisak u hidraulinom sistemu izraava u bar, protok u L/min, i snaga u kW. U tom sluaju izraz za teoretsku snagu se moe napisati u obliku:

Uticaj viskoziteta na stepen iskorienja

Podjela zapreminskih pumpi i motoraZupaste pumpe / zupasti motoriKrilne pumpe / krilni motoriRadijalne klipne pumpe / radijalni klipni motoriAksijalne klipne pumpe / aksijalni klipni motoriVijaste vretenaste pumpe

Karakteristine veliine kod pumpiUsisna mo ili usisni pritisak,Potisna mo ili pritisak pumpe,Specifina zapremina,Najvei dozvoljeni broj obrtaja,Koeficijent iskorienja,Stepen ravnomjernosti protoka,Snaga pumpe.

Karakteristine veliine kod hidromotoraSpecifina zapremina,Najvea vrijednost dovodnog pritiska,Najvei i najmanji dozvoljeni broj obrtaja,Obrtni moment,Koeficijent iskorienja motora.

Zupaste pumpe Razlozi za iroku primjenu zupastih pumpi u hidraulinim sistemima:Zupaste pumpe se odlikuju jednostavnom konstrukcijom, malim dimenzijama, irokim podrujem viskozitetno-temperaturnih karakteristika korienih ulja, irokim podrujem broja obrtaja pogonskog vratila i niskom proizvodnom cijenom.Zapreminske komore se formiraju izmeu zubaca zupanika, unutranjeg zida kuita i leinih blokova (4) i (5).

Zupaste pumpe sa spoljanjim ozubljenjem

1.Kuite, 2. Prirubnica, 3. Pogonsko vratilo, 4, 5. Blokovi leita, 6. Poklopac, 7. Pogonski zupanik, 8. Gonjeni zupanik, 9. Zaptivke

Zupasti motori sa spoljanjim ozubljenjemZupasti motori su konstrukciono veoma slini zupastim pumpama.Fluid strujei kroz zupasti motor djeluje na zupce zupanika i proizvedeni obrtni moment se predaje vratilu motora. Zupasti motori se koriste najee u mobilnim i poljoprivrednim mainama.Zupasti motori i klipno-aksijalni motori su motori velikih brzina, odnosno koriste se za brzine od preko 500 o/min.Za aplikacije koje zahtijevaju manje brojeve obrtaja od 500 koriste se tzv. sporohodni motori (LSHT low speed high torque) koji imaju bolju efikasnost pri manjim brzinama.

Zupasti motor sa spoljanjim ozubljenjem

Zupaste pumpe sa unutranjim ozubljenjemOsnovne odlike zupastih pumpi sa unutranjim ozubljenjem su racionalna konstrukcija i visok stepen stvaranja vakuuma.Poveanje zapremine komora pokriva podruje rotacije od priblino120o . Usljed toga se komore pumpe pune relativno sporo. To dovodi do izuzetno mirnog rada pumpe i visokog stepena stvaranja vakuuma (do 0,9 bar)

Zupaste pumpe sa unutranjim ozubljenjem

1. Kuite, 2. Poklopac, 3. Pogonsko vratilo, 4. Zupanik sa unutranjim ozubljenjem

Klipno radijalne pumpeKlipno radijalne pumpe su dobile naziv po rasporedu klipova u odnosu na osu rotacije.Dijele se na:Redne, kod kojih su klipovi postavljeni u nizu uzdu pogonskog vratila iPumpe kod kojih su klipovi postavljeni zvjezdasto u odnosu na osu rotacije. Ove druge se mogu podijeliti na pumpe kod kojih su klipovi postavljeni u rotoru pumpe i kod kojih su klipovi postavljeni u statoru pumpe (pumpe sa ekscentrom).Radijalne klipne pumpe se primjenjuju u aplikacijama koje zahtijevaju visoke radne pritiske (preko 400 bar).

Klipno radijalne pumpe sa ekscentrom

1. Pogonsko vratilo, 2. Ekscentar, 3. Radni klip, 4. Radni cilindar, 5. Nosa ventila pritiska, 6. Opruga, 7. Usisni ventil, 8. Ventil pritiska, 9. Kuite

Faze rada klipno radijalne pumpe sa ekscentromFaza 1: Klip je u gornjoj poziciji. Zapremina radne komore je minimalna. Usisni ventil i ventil pritiska su zatvoreni.Faza 2: Kako vratilo rotira, klip se kree u smijeru centra ose ekscentra. Zapremina radne komore postaje vea i zbog stvaranja potpritiska otvara se usisni ventil. Fluid kroz otvor izbuen kroz klip ulazi u radnu komoru.Faza 3: Klip je u donjoj mrtvoj taki. Zapremina radne komore je maksimalna. Usisni ventil i ventil pritiska su zatvoreni.Faza 4: Kako ekscentar rotira, klip se kree prema nosau potisnog ventila. Fluid u radnoj komori se sabija. Usljed porasta pritiska, ventil pritiska se otvara i fluid se potiskuje u potisni vod.

Faze rada klipno radijalne pumpe sa ekscentrom

Kapacitet zapeminske pumpe na primjeru klipno radijalne pumpe

Krilne pumpeOsnovne komponente krilnih pumpi su: stator, rotor i krilca.Koriste se dva tipa krilnih pumpi:- krilne pumpe sa jednim radnim hodom krilaca u toku jednog obrtaja pogonskog vratila krilne pumpe sa ekscentrom (mogu biti sa stalnim i promjenljivim ekscentricitetom),- krilne pumpe sa dva radna hoda krilaca u toku jednog obrtaja pogonskog vratila.

Krilne pumpe sa ekscentrom

Krilne pumpe sa eliptinim statorom

Krilne pumpe promjenjivog protokaKrilne pumpe sa mogunou podeavanja specifine zapremineNa poziciju statorskog prstena unutar pumpe moe se uticati na tri naina:Podeavanjem vijka (1) direktno se utie na veliinu specifine zapremine pumpePodeavanjem vijka (2) utie se na buku i dinamiko ponaanje pumpePodeavanjem vijka (3) utie se na maksimalni radni pritisak

Krilne pumpe sa regulacijom pritiska

Krilna pumpa sa hidraulinim podeavanjem statora

Izgled regulatora

Krilna pumpa sa regulacijom protoka

Klipno aksijalna pumpa sa nagibnim doboem

Klipno aksijalna pumpa jednosmjernog djelovanja sa regulatorom kapaciteta

Klipno aksijalna pumpa sa nagibnom ploom

Model klipnoaksijalnog motora djelovanje vune sile na klip