hidraulika 5. előadás

Automatizálás technika alapjai – Hidraulika I. előadás Farkas Zsolt BME GT3 2014 1

Hidraulika

Hidraulika

5. előadás


Hidraulika

Hidraulikus energiaátvitel

1. Előnyök• kisméretű elemek alkalmazásával nagy erők átvitele, azaz a teljesítménysűrűség nagy• megbízható pozicionálás• indulás a legnagyobb terheléssel nyugalmi helyzetből• azonos, terhelésfüggetlen mozgás, mivel a folyadékok alig összenyomhatók és asebességek egyszerűen állíthatók• lágy működés és átkapcsolás• jó vezérelhetőség és szabályozhatóság• kedvező hőelvezetés• kúszó sebesség (3-4 1/min)• túlterhelés elleni védelem (egyszerű, visszaállíthatóság is van)• …

2. Hátrányok• a kifolyt olaj szennyezi a környezetet (tűzveszély, balesetveszély)• szennyeződésre érzékeny• a nagy nyomásokból adódó veszély (erős folyadéksugár töréskor)• hőmérsékletfüggés (viszkozitásváltozás)• kedvezőtlen hatásfok• nagy gyártási pontosság szükséges• …


Hidraulika

Elektronika – Hidraulika - Pneumatika


Hidraulika

A hidraulikus rendszer felépítése, elemei


Hidraulika

A hidraulika fizikai alapjai

/Nyugvó folyadék mechanikája/

• Pascal törvénye

• Nyomási energia

Kis sebesség, nagy nyomás

(v<10m/s)

/Áramló folyadék mechanikája/

• Newton törvénye

• Mozgási energia

Nagy sebesség, kis nyomás

(v>>10m/s)

HIDROMECHANIKA

Erő

Energiaváltozás


Hidraulika


ps = ρ • g • hps= Hidrosztatikus nyomás (nehézségi nyomás) [Pa]h = A folyadékoszlop magassága [m]ρ = A folyadék sűrűsége [kg/m3]g = Gravitációs gyorsulás [m/s]

1. Hidrosztatikus nyomás


Hidraulika


A hidrosztatikus nyomás a hidraulikus a berendezéseket működtető nagynyomáshoz képest elhanyagolható

2. Nyomásterjedés


Hidraulika


P1 = P2F1/A1 = F2/A2

3. Erőáttétel

4. Útáttétel

V1 = V2S1*A1 = S2*A2


Hidraulika


F1 = F2p1*A1 = p2*A2

5. Nyomásáttétel

6. Térfogatáram folytonossága

Q1 = Q2v1*A1 = v2*A2

Q = V / t [m3/s]Q = Vg *n


Hidraulika

A térfogatáram

Térfogatáram alatt azt a folyadékmennyiséget értjük, amely időegység alatt egy csövön átáramlik.

Hidraulikában a térfogatáram jele: Q

Térfogatáram meghatározása:

• Q: térfogatáram [m3/s], [dm3/min]• V: térfogat [m3], [dm3]• t: idő [s], [min]

t

VQ =


Hidraulika

A térfogatáram

v

s t

t

sv =→=

s*AV =

v*AQvs

s*A

t

VQ

=

==

A csőben áramló folyadék sebessége:

v: a folyadék áramlási sebessége: [m/s]

s: a cső adott szakaszának hossza [m]

t: az „s” út megtételéhez szükséges idő [s]

Az „s” hosszúságú csőben átáramlott folyadék mennyisége:

Behelyettesítve a térfogatáram összefüggésébe:

V: elmozdulási térfogata [m3]

s: a cső adott szakaszának hossza [m]

A: a cső keresztmetszete [m2]

Q: térfogatáram [m3/s]

v: a folyadék áramlási sebessége: [m/s]

A: a cső keresztmetszete [m2]


Hidraulika

A hidrosztatika összefüggései

� Hidrosztatikus nyomás:

� Pascal törvénye:

� Hidraulikus erőáttétel:

� Hidraulikus elmozdulás áttétel:

� Nyomásáttétel:

A

Fp =

ps = ρ * g * h

2

1

2

1

2

2

1

1 áll. A

A

F

F

A

F

A

Fp =⇒===

1

2

2

12211 áll.**

A

A

s

sAsAsV =⇒===

1

2

2

12211 áll.**

A

A

p

pApApF =⇒===


Hidraulika

A hidrodinamika összefüggései

� Térfogatáram

(időegység alatt átáramlófolyadékmennyiség):

� Térfogatáram a csőkeresztmetszet és az áramlási sebesség függvényében:

� Kontinuitás tétele:

t

VQ =

v*AQ =

.....*** 332211 állvAvAvAQ =====


Hidraulika

Folyadékok áramlása

• rendezett (lamináris) Re < Rekrit

• örvénylő (turbulens) Re > Rekrit

Ahol: v [m/s] folyadék áramlási sebességed [m] csőátmérőν [m2/s] kinematikai viszkozitás

Lamináris � Turbulens Rekrit

Turbulens � Lamináris ½ Rekrit

ν= d*v

Re

Kritikus áramlási sebesség:

d

*2300v :esetén cső egyenes ;

d

*Rev kritikus

kritkritikus

ν=ν=

Rekrit=2200 – 2300 Kör keresztmetszetű, technikailag sima,

egyenes cső

1100 – 1200 Koncentrikus körgyűrű keresztmetszet

250 – 275 Vezérlőél hengeres tolattyúval

25-100 Sík, vagy kúpos ülék


Hidraulika

Reynolds szám meghatározása nem kör keresztmetszetű cső esetén

� Hidraulikus átmérő:

� A: a vezeték keresztmetszete [mm2]

� K: a keresztmetszet kerülete [mm]

� Így a Reynolds szám:

K

A4dh =

K*

A*4*vd*vRe h

ν=

ν=


Hidraulika

Hidraulikus rendszerek áramlási sebességei

� Szívóvezeték: 1-1,5 m/s ha a cső eső

0,7-1 m/s ha a cső emelkedő

� Nyomóvezeték: 2,5-3 m/s 25 bar üzemi nyomásig

3,5-4 m/s 50 bar üzemi nyomásig

4,5-5 m/s 100 bar üzemi nyomásig

5-6 m/s 200 bar üzemi nyomásig

6 m/s 200 bar üzemi nyomás felett

� Visszafolyó vezeték: 2 m/s


Hidraulika

Energia megmaradás törvénye

A folyadékáram összes energiája változatlan marad, ha nem visznek be

kívülről, vagy nem vezetnek el kifelé energiát.

A csővezetékben áramló folyadék energiafajtái ( „V” térfogategységre):

- mozgási energia � változik, ha a folyadék áramlási sebessége változik

Wv=1/2 * m * v2 = 1/2 * ρ * V * v2 m = ρ * V

- nyomási energia � változik, ha a folyadék nyomása megváltozik

Wp= V * p

- helyzeti energia � változik, ha a folyadék magassági helyzete változik

Wh=m * g * h = ρ * V * g * h


Hidraulika

Energia megmaradás törvénye

� A folyadékáram összes energiája felírható a Bernoulliegyenlettel:

Nyomási e.+ Helyzeti e. + Mozgási e. = állandó

Wp + Wh + Wv = állandóEgységnyi térfogat energiaváltozása a rendszer bármely két

keresztmetszete között:

[ ] állandóhhgpp =−+−+− 21

221212 )v()v(**

21

)(** ρρ


Hidraulika

Hidraulikus munka és teljesítmény

� Munka: W=F*s=p*A*s= p*V

� Teljesítmény: P=W/t=p*V/t= p*Q

Teljesítmény növelés: - Q növelése � nő a méret

- p növelése

Q nagy � több olaj � nagyobb tartály …. nem célszerűp nagy � célszerűbb, de ennek is van határa (~ 160 bar; ~ 300 bar)

Nagynyomású rendszer: - kisebb elemméret �olcsóbb, könnyebb - kicsi az átáramlási keresztmetszet- tömítési problémák- a hajlékony tömlő nem bírja a nagy nyomást �

csővezeték kell � nem rugalmas, nincs csillapító hatása


Hidraulika

A hidraulikus rendszer teljesítménye, veszteségei


Hidraulika

A hidraulikus rendszer hatásfokoka

1. Volumetrikus hatásfok � résveszteség � a térfogatáramot és így a mozgási frekvenciát befolyásolja

• η v

2. Hidraulikus hatásfok � folyadék súrlódás, alakveszteség (eltérítés, gyorsítás)� nyomásveszteséget befolyásolja, hővé alakul

• η h

3. Mechanikus hatásfok � mechanikus súrlódás� nyomásveszteséget befolyásolja, hővé alakul

• η m

4. Hidraulikus - mechanikus hatásfok:• η hm=η h * η m

5. Hidraulikus rendszer összhatásfoka :

• η ö = η v* η hm ~ (70-75)%


Hidraulika

A hidraulikus rendszer áramlási vesztesége

1. Áramló folyadékban a súrlódás miatt hő keletkezik (hőenergia), ez a nyomási energia csökkenését okozza.

∆p=p1-p2

A súrlódás függ: - a vezeték hosszától- a csőhajlatok számától- a vezeték keresztmetszetének alakjától- a cső belső falának érdességétől- az áramlás sebességétől

2v*2

*pρξ=∆

ξ: idomellenállásρ: a folyadék sűrűségev: a folyadék áramlási sebessége


Hidraulika

Oka: A folyadék viszkozitásaHatása: Nyomáscsökkenés. Az elveszett energia hővé alakul.

Lamináris áramlás Turbulens áramlás

A hidraulikus ellenállás

2T2

2

2

Q*RA

Q*

2*p

A

Qv

v*2

*p

=ρξ=∆

=

ρξ=∆

2v*2

*pρξ=∆

λ: csősúrlódási tényezől: cső hosszad: a cső hidraulikus átmérője

A*dl***32

Qp

R2L

νρ=∆=

RL: hidraulikus ellenállás (lamináris):

Hidraulikus OHM törvény

Q*R ;Q*A*d

l***32p

A

Q v - ;A*vQ

d*v

*64

Re

64

;d

l*

L2=νρ=∆

=>=

ν==λ

λ=ξ

RT: hidraulikus ellenállás (turbulens):

2T A

*2

Rξρ=


Hidraulika

A hidraulikus ellenállás

Soros kapcsolás

Párhuzamos kapcsolás


Hidraulika

A hidraulikus tápegység

• szivattyú• meghajtó motor• szűrők• nyomáshatároló• nyomásmérő óra• szintjelző• munkaközeg• tartály

P T


Hidraulika

A hidraulikus tápegység


Hidraulika

Feladatai: • energiaátvitel• erő, vagy teljesítmény módosítás irány és nagyság szerint• a mozgó felületek kenése• hőfelvétel, hőátadás és hűtés• korrózióvédelem• levált anyagrészek eltávolítása• …

Követelmények:• térfogatállandóság• kenőképesség• korrózóvédelem• kismértékű összetétel változás a felhasználás, alkalmazás folyamán• kismértékű viszkozitás változás a hőmérséklet hatására• nemfémes anyagokkal való összeférhetőség• …

Hidraulikus munkafolyadék


Hidraulika

• hidrosztatikus/hidrodinamikus• tűzveszélyes/tűzálló• …

Hidraulikus munkafolyadékok csoportosítása

Munkafolyadék

OLAJ Tűzálló folyadék

Ásványi olaj Szintetikus olaj

Víztartalmú Vízmentes

• Kőolaj (lepárlással) + adalékok …

• Ált. jobb tulajdonságú, mint az ásványolaj (pl. nagyobb VI, de drágább)


Hidraulika

Ipari olajok ISO 3448 szerinti viszkozitási fokozatai


Hidraulika

A hatásfok változása a kinematikai viszkozitás függvényében


Hidraulika

A viszkozitás változása a hőmérséklet függvényében


Hidraulika

Az olaj élettartamának változása a hőmérséklet függvényében


Hidraulika

Szennyeződések a hidraulikus rendszerben

SZENNYEZŐDÉS FORRÁSAI

Szilárd Légnem ű Folyékony

Belső (képződött) szennyez ődések

- Olajok kémiai átalakulása

- Gépelemek korróziós terméke

- Gépelemek kopásterméke

Küls ő (bevitt) szennyez ődések

- Olajjal bevitt szennyeződések

- Gyártás során bevitt szennyeződések

- Üzemelés során bevitt szennyeződések

- Szerelés közben bevitt szennyeződések


Hidraulika

Szűrési módok

Szennyezettség-kijelző


Hidraulika

Szűrési módok


Hidraulika

Szűrés

Ajánlott szűrési finomságok:- 20 µm fogaskerékszivattyúk, hengerek, útszelepek, biztonsági szelepek, fojtószelepek- 10 µm dugattyús szivattyúk, szárnylapátos szivattyúk, nyomásszelepek, arányos szelepek,- 5 µm szervószelepek, szervóhengerek


Hidraulika

Szivattyúk csoportosítása, jelleggörbéje, faladatuk, kiválasztási szempontok

Feladatuk:• mechanikai energiát hidraulikus energiává• forgató nyomatékot nyomássá• fordulatszámot térfogatárammá

alakítani.

Kiválasztási szempontok:• nyomástartomány,• fordulatszám tartomány,• térfogatáram változtathatóság,• munkafolyadék,• üzemi hőmérséklet tartomány,• viszkozitás tartomány,• beépítési feltételek,• meghajtási mód,• élettartam,• megengedett zajszint,• karbantartási feltételek,• beszerzési ár.


Hidraulika

Motorok csoportosítása, jelleggörbéje, faladatuk, kiválasztási szempontok

Feladatuk:• hidraulikus energiát mechanikus energiává• a nyomást forgató nyomatékká vagy erővé• térfogatáramot fordulatszámmá vagy

sebességé alakítani.

Kiválasztási szempontok:• nyomástartomány,• fordulatszám tartomány,• térfogatáram változtathatóság,• munkafolyadék,• üzemi hőmérsklet tartomány,• viszkozitás tartomány,• beépítési feltételek,• meghajtási mód,• élettartam,• megengedett zajszint,• karbantartási feltételek,• beszerzési ár.


Hidraulika

Szivattyúk konstrukciós kialakításai

külső fogazású fogaskerékszivattyú belső fogazású fogaskerékszivattyú fogasgyűrűs szivattyú

csavarorsós szivattyú lapátos szivattyúradiáldugattyús szivattyú

(forgó vezérlőpályás, külső beömlésű)

radiáldugattyús szivattyú(álló vezérlőpályás, külső beömlésű)

axiáldugattyús szivattyú(ferdetengelyes kivitel)

axiáldugattyús szivattyú(ferdetárcsás kivitel)


Hidraulika

Nyitott körfolyam


Hidraulika

Hidraulikus szivattyúk és motorok jelölései

munkatérfogat: állandó változtatható


Hidraulika

Szivattyúk jelleggörbéje

• résveszteség


Hidraulika

Túlterhelés elleni védelem

• szivattyú• nyomáshatároló• …

P

T

P

T


Hidraulika

Munkahengerek csoportosítása

1. Egyszeres működésű hengerek

2. Kettős működésű hengerek

Nyomás átalakítás

Tandem henger


Hidraulika

Löketvégi csillapítás

1. A v = 6 m/min (0,1m/s) sebességnél a mozgás fékezés nélkül is lehetséges

2. A 6 ≤ v ≤ 20 m/min (0,33 m/s) sebességnél a fékezéshez fojtó, - vagy fékszelep szükséges

3. A v > 20 m/min (0,33 m/s) sebességnél külön fékező berendezések kellenek.


Hidraulika

Hidraulika vezetékek

• varratnélküli acélcső (merev)• tömlő (hajlékony)

lélekszövetburkolat


Hidraulika

Tömlők - csatlakozók

Helytelen:

Helyes:

Gyorscsatlakozó:

Vágógyűrűs csatlakozás:


Hidraulika

Szelepek

1. Nyomásirányító szelepek2. Útszelepek3. Záró szelepek4. Áramlásirányító szelepek


Hidraulika

P

A

P

A

• tolattyús• ülékes

Szelepek

Működtető erő:

• „+” túlfedésű• „-” túlfedésű• „0” túlfedésű

P

A

T

Tolattyútúlfedések:


Hidraulika

Ülékes szelepek


Hidraulika

Nyom ásirányító szelepek

1. Nyomáshatároló2. Nyomáscsökkentő3. Nyomáskülönbség-állandósító4. Nyomásviszony-állandósító5. …


Hidraulika

Nyomáshatároló szelep• ülékes• direkt vezérlésű

P

T L

P

T LCsillapítással (gyors nyitás és a szelep lassú zárása)

P

T

X

L

• tolattyús• direkt vezérlésű• belső-, külső vezérlésű


Hidraulika

Nyomáshatároló szelep

1. A rendszer maximális nyomását korlátozza

2. Nyugalmi helyzetben zárt állapotú, egy nyomórugó egy tömítő elemet a bemeneti csatlakozóhoz nyom, vagy egy tolattyút tol a tartálycsatlakozó nyílásához

3. A rugóerőt állítani lehet.

4. Ha nő az erő a rugóerő ellenében, amelyet a bemeneti nyomás hoz létre, akkor a szelep nyitni kezd. Ekkor az átáramló folyadékmennyiség egy része a tartályba folyik. Ha a bemenőnyomás tovább nő, akkor a szelep oly mértékig nyit, hogy a szivattyú teljes szállítási mennyisége a tartályba folyik.

Alkalmazzák:• biztonsági szelepként• követő szelepként• ellentartó szelepként• fékező szelepként• nyomáslekapcsoló szelepként• előfeszítő szelepként


Hidraulika

Nyomáshatároló szelep

Alkalmazási példák:

hidroakkumulátor és nyomáslekapcsoló szelep

Vezérlés nyomás-rákapcsoló szeleppel


Hidraulika

Nyomáscsökkentő szelep

• 2-útas

P

A

L

• 3-útas

PT

A

L


Hidraulika

Nyomáscsökkentő szelep

1. A bemenő nyomást redukálja egy előre megadott kimeneti nyomásra.

2. Akkor alkalmazzák ha egy berendezésben különböző nyomások szükségesek

3. Nyugalmi helyzetben a szelep nyitva van. A szelep elmozdulása (rugó elleni zárása) során az átáramlási keresztmetszet csökken, ez nyomáscsökkenést okoz.

4. A kimeneten a nyomás további növekedése a szelep teljes elzárásához vezethet. � A kimeneti nyomás a beállított érték fölé emelkedik. (2 utas) A kimeneti nyomás beállított érték fölé emelkedését megakadályozhatjuk egy a kimenethez beépítetett nyomáshatárolóval.

5. Nyomásnövekedés megakadályozható a 3 utasnyomáscsökkentő szelep alkalmazásával.

→


Hidraulika

Áramirányító szelepek


Hidraulika

Áramirányító szelepek

• Az áramlásirányító szelepeket azért alkalmazzák, hogy egy henger sebességét, vagy egy motor fordulatszámát csökkenteni lehessen. Mivel mind a sebesség, mind a fordulatszám a térfogatáramtól függ, ezért ezt kell csökkenteni.

• Az áramirányító szelepben az átfolyási keresztmetszet csökkentése a szelep előtt nyomásnövekedést okoz. Ez a nyomás kinyitja a nyomáshatároló szelepet, és így létre jön a térfogatáram megosztása.

• A felesleges térfogatáram nyomáshatárolón keresztüli elvezetése nagy energiaveszteséggel jár.

• Az energiaveszteség csökkenthető, ha változtatható munkatérfogatú szivattyúkat alkalmazunk, ekkor a nyomásnövekedés a szivattyú állítóegységére hat.

• Átfolyási ellenállást hoznak létre, amely az átfolyási keresztmetszettől, a keresztmetszet alakjától valamint a munkafolyadék viszkozitásától függ.

•


Hidraulika

Mennyiségirányító szelepek

• fojtószelepek• fojtó-visszacsapó szelepek

A B B A

Változó terhelés változó sebességet eredményez állandó fojtókeresztmetszet esetén. ∆p

ρ

2AαQ f ⋅⋅⋅=

Fojtási helyen átáramlótérfogatáram Torichelli egyenlete szerint:

α függ a folyadék tulajdonságaitól és a keresztmetszet alakjától.


Hidraulika


• lamináris fojtás• turbulens fojtás

B

B A

A


Hidraulika

Fojtók kialakításai


Hidraulika

Fojtás jelleggörbéje

Méretezésnél a fojtóra eső nyomásesés ne haladja meg a 15-20 bar értéket.


Hidraulika


• Stabilizátor (áramállandósító)

P

A


Hidraulika

Áramállandósító

• Az áramállandósító szelepbe egy– fojtó és egy nyomáskülönbség állandósító szelep van beépítve.

• A nyomáskülönbség állandósító a fojtó be- és kimenete között a nyomásesést állandóértéken tartja, így az átfolyás mennyisége a terhelésváltozástól független.

• Az áramállandósító a határoló szeleppel együtt hozza létre a folyadékáram megosztását.

• A szelep nyugalmi állásban nyitott. • A fojtó előtt p1 bemenő nyomás jön

létre. • A fojtónál a ∆p nyomásesés

keletkezik, azaz: p2 < p1. • A nyomáskülönbség állandósítón az

F1 erőt a p1 nyomás hozza létre, az F2 erőt a p2 nyomás és a rugóerőbiztosítja.

• A rugó hozza létre a konstans nyomáskülönbséget.

• Ha a fogyasztó terhelésnövekedése a szelep kimenetére jut, akkor a nyomáskülönbség állandósítóannyival csökkenti az ellenállást, amennyivel a terhelés nőtt.


Hidraulika

Áramállandósítók

A1 - szabályozó fojtás - változóA2 - mérőfojtás - állandó

állandóAF

pp∆p

FApAp

K

F3223

FK3K2

==−=

+⋅=⋅

Elmozdulás s ≅ 1 mm ⇒ FF ≈ állandóígy Q ≅ állandó

• Háromutas áramállandósító utána kapcsolt nyomásmérleggel

• Kétutas áramállandósító elékapcsolt nyomásmérleggel

- A2 mérőfojtás állandó ∆p12vele párhuzamosanA1 szabályozó fojtás változó ∆p10

- felesleges térfogatáram tartályba kerül- szivattyú munkanyomása csak ∆p12 -vel

nagyobb a terhelésnél- kisebb veszteség jobb hatásfok- csak belépő ágba köthető


Hidraulika

Zárószelepek


Hidraulika

Visszacsapó szelepek

A B

A B

Vezérelt visszacsapó szelep

A B X

A B X

Kettős vezérelt visszacsapó szelepVisszacsapó szelep


Hidraulika

Vezérelt visszacsapó szelepek alkalmazási példa I.


Hidraulika

Vezérelt visszacsapó szelepek alkalmazási példa II.


Hidraulika

Útszelepek


Hidraulika

Energia átalakítók jellemz ői

Geometriai (elméleti) szállítás:

Tényleges szállítás:

(adott ∆p nyomáskülönbség esetén)

Jelképi jelölés:

Jelleggörbe:

Qsv , Qmv ~ 7-13 %

Rsv , Rmv = 1 / tgα


Hidraulika

Ideális rendszer áramköri modellje (állandó áttétel)


Hidraulika

Ideális rendszer áramköri ábrája (állandó áttétel)


Hidraulika

Valós rendszer áramköri modellje (állandó áttétel)

Résveszteségek figyelembe vételével (párhuzamos kapcsolás)


Hidraulika

Valós rendszer áramköri ábrája (állandó áttétel)


Hidraulika

Nyomáshatároló jelleggörbéje


Hidraulika

Tápegység (szivattyú nyomáshatárolóval)

Qs rendszer = Qso – Q ny – Q sv


Hidraulika

Tápegység (szivattyú nyomáshatárolóval) + motor áramköri modell


Hidraulika

Tápegység (szivattyú nyomáshatárolóval) + motor áramköri ábra


Hidraulika

Áramállandósító

hidraulika 5. előadás

Documents