Kon-41.4040 Hydraulijärjestelmät - Järjestelmän
Transcription
Kon-41.4040 Hydraulijärjestelmät - Järjestelmän
Kon-41.4040 Hydraulijärjestelmät Hydraulijärjestelmän häviöiden laskenta Oheisten kuvien (2−5) esittämissä järjestelmissä voiman F kuormittamalla sylinterillä tehdään edestakaisia liikkeitä, joiden välillä sylinteri pidetään hydraulisesti paikoilleen lukittuna. Lukitus toteutetaan suuntaventtiilin keskiasennon avulla. Sylinterin liikenopeus voidaan asettaa halutulle tasolle järjestelmissä olevien virransäätöventtiilien avulla. Järjestelmissä käytettävien suuntaventtiilien ominaiskäyrästö on esitetty alla. Järjestelmissä A, C ja D (kuvat 2, 4 ja 5) käytetään G-karaa ja järjestelmässä B (kuva 3) F-karaa. Kuva 1. Suuntaventtiilin ominaiskäyrästö. Sylinterillä tarvittavan paineen ja tilavuusvirran määrittäminen Laske ensin sylinterin männän pinta-alat männän kummallakin puolen. Tämän jälkeen saat sylinteriin kohdistuvan voiman avulla ratkaistua sylinterillä tarvittavan paineen. Vastaavasti sylinterillä tarvittavan tilavuusvirran saat ratkaistua vaaditun liikenopeuden avulla. 1 Tehtävänanto Määritä eri järjestelmien tehohäviöt seuraavasti: 1. Järjestelmän A (kuva 2) tapauksessa suuntaventtiilin kaikilla kytkentäasennoilla (sylinterin +liike, -liike ja paikoilleen lukitus) 2. Järjestelmän B (kuva 3) tapauksessa suuntaventtiilin keskiasennolla 3. Järjestelmän C (kuva 4) tapauksessa sylinterin +liikkeessä, vertaa saamaasi tulosta kohdan 1 tulokseen. 4. Määritä järjestelmän A (kuva 2) tapauksessa järjestelmän lämpeneminen ja hydraulinesteen maksimilämpötila eli jäähdytystarve. Järjestelmän käyttöaika jakautuu seuraavasti: suuntaventtiili on keskiasennossa 50% käyttöajasta, suorakopin asennossa 35% käyttöajasta ja ristikopin asennossa 15% käyttöajasta (tämä on yksinkertaistus laskemista varten). Kuinka järjestelmää tai komponenttien mitoitusta tulisi muuttaa, jotta järjestelmän tehohäviöitä saataisiin vähennettyä? Alkuarvot Sylinterin männän halkaisija 63 mm Sylinterin männänvarren halkaisija 45 mm Sylinterin iskunpituus 0,8 m Kuormavoima F 60 kN Sylinterin liikenopeus +liikkeessä 0,3 m/s 100 l/min Pumpun tuotto (qVp) Virransäätöventtiilin virtaustien painehäviö (kompensaattorin asetus, Δpvsv) 12 bar Virransäätöventtiilin vastaventtiilin painehäviö 6 bar/100 l/min 1,2 bar Pumpun vastaventtiilin painehäviö pumpun tuotolla (Δpvvp) 280 bar Paineenrajoitusventtiilin asetuspaine (pprv) 0,7 bar Suodattimen painehäviö (oletetaan tilavuusvirtariippumattomaksi, Δpsu) Lämmönvaihtimen painehäviö (oletetaan tilavuusvirtariippumattomaksi, Δplv) 1 bar Venttiilin painehäviöt ominaiskäyrästöstä Pumppu ja sylinteri oletetaan tässä tehtävänasettelussa häviöttömiksi. 2 v F qVs p2 p1 qVh qVp Kuva 2. Järjestelmä A. Virransäätöventtiilin vastaventtiilin painehäviö Δpvv -liikkeessä Δpvv1 = 6 bar, kun qVvv1 = 100 l/min (tunnettu painehäviön arvo) Δpvv2 = ? bar, kun qVvv2 ≈ 200 l/min (sylinteristä -liikkeessä poistuva tilavuusvirta) Vvv1 2∆ vv1 q ja Vvv2 q ∆ vv2 ⇒ ∆ vv ∆ vv Vvv Vvv1 ⇒ Δpvv2 = 24 bar Paineet ja tilavuusvirrat +liikkeessä m ∆ vsv 192 bar 12 bar 204 bar Sylinterin liikkuessa +suuntaan nopeudella 0,3 m/s, se tarvitsee tilavuusvirran qVs = 54 l/min, jolloin pumpun tuoton ylimääräinen osa (qVh = 46 l/min) ohjautuu virransäätöventtiilin kautta takaisin säiliöön ( Vp Vs Vh ). (Am+ = männän pinta-ala sylinterin +kammion puolella) 3 F Kuva 3. Järjestelmä B. F Kuva 4. Järjestelmä C. 4 F Kuva 5. Järjestelmä D. Ratkaisut Kysymys 1: Tehohäviöt järjestelmän A tapauksessa suuntaventtiilin kaikilla kytkentäasennoilla Suuntaventtiilin keskiasento Häviöitä aiheuttavat pumpun vastaventtiili, lämmönvaihdin ja suodatin sekä suuntaventtiili virtaussuunnassa P→T. 1.1) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto) Ah Vp ∆ vvp 100 min · 1,2 bar · · , · 200 W 1.2) Lämmönvaihdin ja suodatin (pumpun tuotto) Ah2 Vp ∆ ∆ su 100 lv min · 0,7 1 bar · · , · 1.3) Suuntaventtiili P→T (pumpun tuotto) Ah3 Vp ∆ P T 100 min · 2,2 bar · · , · Kokonaistehohäviö suuntaventtiilin keskiasennossa AH Ah Ah2 Ah3 5 367 W 284 W Sylinterin +liike (käyttöaika tässä asennossa t2) Häviöitä aiheuttavat pumpun vastaventtiili, suuntaventtiili virtaussuunnissa P→A ja B→T, virransäätöventtiili sekä lämmönvaihdin ja suodatin 1.4) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto) Ah 200 W Ah 1.5) Suuntaventtiili P→A (pumpun tuotto) Vp ∆ P A Ah5 100 min · · 2 bar · · 333 W 1.6) Suuntaventtiili B→T (sylinteristä poistuva tilavuusvirta) Ah6 m‐ Vs m ∆ 54 B T min · · · 0,3 bar · , · 14 W · 1.7) Virransäätöventtiili (tilavuusvirta sylinterille ja tilavuusvirta säiliöön) Vs ∆ vsv Ah7 · · 54 Vh 2 · · · min · 12 bar · 46 min · 204 bar 16720 W 1.8) Lämmönvaihdin ja suodatin (sylinteristä ja virransäätöventtiilistä poistuvat tilavuusvirrat) Ah8 Vs · · m‐ Vh m · , · · ∆ ∆ su 54 · lv 46 min · 0,7 1 bar 207 W Kokonaistehohäviö +liikkeessä AH2 Ah4 Ah5 Ah6 Ah7 Ah8 Sylinterin -liike (käyttöaika tässä asennossa t3) Häviöitä aiheuttavat pumpun vastaventtiili, suuntaventtiili virtaussuunnissa P→B ja A→T, virransäätöventtiilin vastaventtiili sekä lämmönvaihdin ja suodatin 1.9) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto) Ah9 Ah 200 W 1.10) Suuntaventtiili P→B (pumpun tuotto) Ah10 Vp ∆ P B 100 min · 1 bar · · · 6 167 W 1.11) Suuntaventtiili A→T (sylinteristä poistuva tilavuusvirta) Ah11 m Vp ∆ m‐ 100 A T min · · 2 · 5,5 bar · · , · 1833 W 1.12) Virransäätöventtiilin vastaventtiili (sylinteristä poistuva tilavuusvirta) hA12 m Vp ∆ m‐ 100 vv2 min · · 2 · 24 bar · · · 8000 W 1.13) Lämmönvaihdin ja suodatin (sylinteristä poistuva tilavuusvirta) Ah13 Vs m · ∆ ∆ su m‐ 100 lv min · 2 · 0,7 · 1 bar · · , · 567 W Kokonaistehohäviö -liikkeessä AH3 Ah9 Ah10 Ah11 Ah12 Ah13 Kysymys 2: Tehohäviöt järjestelmän B tapauksessa suuntaventtiilin keskiasennolla Keskiasennon häviö = paineenrajoitusventtiilin häviö BH1 100 Vp prv min · · 280bar · · 46667 W 470 kW Kysymys 3: Tehohäviöt järjestelmän C tapauksessa sylinterin +liikkeessä 2.4) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto) Ch 200 W Ah 2.5) Suuntaventtiili P→A (sylinterillä tarvittava tilavuusvirta) Ch5 Vs ∆ P A 54 min · · 0,4 bar · , · 36 W 2.6) Suuntaventtiili B→T (sylinteristä poistuva tilavuusvirta) Ch6 Vs m‐ m ∆ B T 54 min · · · 0,2 bar · , · · 2.7) Virransäätöventtiili (tilavuusvirta sylinterille) Ch7 Vs ∆ vsv 54 min · 12 bar · · · 1080 W 7 9W 2.8) Lämmönvaihdin ja suodatin (sylinteristä poistuva tilavuusvirta ja tilavuusvirta paineenrajoitusventtiilin kautta säiliöön) Ch8 Vs · m‐ Vh m · · ∆ · , · ∆ su 54 · lv 46 min · 0,7 1 bar 207 W 2.9) Paineenrajoitusventtiili (sylinterillä tarpeeton pumpun tuotto) Ch9 46 Vh prv min · 280 bar · · · 21467 W Kokonaistehohäviö +liikkeessä CH2 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 Ch9 Kysymys 4: Keskimääräinen tehohäviö järjestelmän A tapauksessa, eri pituisia työvaiheita tietyssä kokonaistyöajassa Sylinteri lukittuna paikoilleen (suuntaventtiili keskiasennossa), käyttöaika t1 Sylinterin +liike, käyttöaika t2 Sylinterin -liike, käyttöaika t3 Kokonaisaika = t1 + t2 + t3 Järjestelmän tuottama keskimääräinen häviöteho tietyssä kokonaisajassa AHK AH1 · 1 AH2 · 2 1 2 AH3 · 3 3 8