Υδραυλικά Συστήματα. Παύλος Ζαλιμίδης. Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π

Transcript

1 Υδραυλικά Συστήματα Παύλος Ζαλιμίδης Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π

2 Βασικά πλεονεκτήματα Συμπαγή πολύ αποδοτικά συστήματα. Μετάδοση μεγάλων δυνάμεων Εύκολος έλεγχος Εύκολη αντιστροφή κατεύθυνσης Μακρά αξιόπιστη λειτουργία

3 How Pascals Law affects a cylinder

4 Πτώση Πίεσης P1 Δp P2=P1-Δp

5 Comparison of mechanical and hydraulic leverage

6 Pressure measurement for water tower

7 Vacuum measurement with mercury

8 Hydraulic power unit and circuit diagram of its filter arrangement

9 Σχηματική και φυσική απεικόνιση ενός τυπικού υδραυλικού συστήματος

10

11 Σχηματική απεικόνιση δύο υδραυλικών κυκλωμάτων συγχρονισμένης λειτουργίας.

12 Υδραυλική Μονάδα Ισχύος

13 Δεξαμενή Λαδιού

14 Υδραυλικό Υγρό Μεταδίδει ενέργεια Λιπαίνει Στεγανοποιεί

15 Υδραυλικό Υγρό Ορυκτέλαιο (με πρόσθετα) Συνθετικό έλαιο Νερό Μίγμα Νερού γλυκόλης Μίγμα Νερού ελαίου Έλαιο φυτικής προέλευσης

16 Υδραυλικό Υγρό Πρόσθετα Βελτίωσης της λιπαντικής ικανότητας Του ιξώδους Της αντιοξειδωτικής προστασίας Της προστασίας έναντι δημιουργίας αφρού κλπ

17 Υδραυλικό Υγρό Υπερθέρμανση Μόλυνση

18 Απορρόφηση εκπομπή θερμότητας από τη δεξαμενή.

19 Ψύκτης

20 Ψύκτες

21 Θερμαντήρας Δεξαμενής

22 Θερμαντής

23 Σωματίδια στο λάδι

24 Υδραυλικό Υγρό

25 Φίλτρα

26 Filter cart (used to transfer hydraulic fluids) and its circuit schematic diagram

27 Σχηματική και φυσική απεικόνιση ενός τυπικού υδραυλικού συστήματος

28 Τυπικό κύκλωμα με αντλία σταθερής μετατόπισης

29 Gear pumps

30 Γραναζωτές αντλίες εξωτερικής οδόντωσης Γραναζωτές αντλίες εσωτερικής οδόντωσης

31 gerotor

32 Multi screw

33 Πτερυγιοφόρες αντλίες Απλού Θαλάμου Διπλού Θαλάμου

34 Τυπικό κύκλωμα με αντλία σταθερής μετατόπισης και πολαπλούς κυλίνδρους

35 Πτερυγιοφόρα Αντλία Μεταβλητής Παροχής

36 Εμβολοφόρες αντλίες ακτινικών εμβόλων

37 Bi-directional, radial-piston pumps

38

39 Εμβολοφόρες Αντλίες Αξονικών Εμβόλων Κεκλιμένου άξονα Κεκλιμένης Πλάκας

40

41

42

43 Εμβολοφόρα Αντλία Αξονικών Εμβόλων Μεταβλητής Παροχής

44

45 Load sensing

46 Typical circuit for pressure-compensated pumps

47 Air bleed valve

48 Schematic diagram of typical hydrostatic drive circuit

49 Test set-up for repaired pumps

50 Typical performance plots for directacting and pilot-operated relief valves

51 Plot of flow-pressure relationship of a typical direct acting relief valve.

52 Typical hi-lo circuit using two pumps

53 Typical circuit incorporating pilotoperated check valve

54 Circuit with pilot-operated check valve that prevents load from running away if pilot pressure is lost

55 Pre fill valves

56

57 Circuits in which 2- and 3-position, 4- way valves operate cylinders

58 Views of a variety of valve spool configurations, with their symbols. (All have palm-button operators.)

59 All ports open

60 All ports closed

61 With all-ports-closed valve center condition, bypass flow will extend cylinder

62 Float center

63 Tandem center

64 Valve operators

65 Symbols for typical valve transition or crossover conditions

66

67

68 1:2 poppet-type slip-in cartridge valve

69 1:2 poppet-type cartridge valve with directional control valve interface

70 1:2 poppet-type cartridge valves with separate directional control valves -- showing different spool configurations possible

71 1:2 poppet-type cartridge valve as a check valve (with free flow from B to A, and checked flow from A to B)

72 1:2 poppet-type cartridge valve as a pilot-operated check valve (with free flow from B to A, and controlled flow from A to B)

73 1:2 poppet-type cartridge valve with stroke limiter and directional control valve interface

74 1:2 slip-in cartridge valve with dual-pilot source pump (pump not running)

75 Typical circuit for 1:2 slip-in cartridge valve

76 1:1 poppet-type slip-in cartridge valve

77 1:1 poppet-type slip-in cartridge valve as a pilot-operated relief valve

78 1:1 poppet-type slip-in cartridge valve as an internally piloted sequence valve or counterbalance valve

79 1:1 poppet-type slip-in cartridge valve as an unloading valve

80 Slip-in cartridge valve as a reducing valve

81 Direct-acting proportional valve

82 Direct-acting proportional directional control valve with spool-position feedback transducer

83

84 Direct-acting proportional directional control valve with LVDT and pressure-compensating hydrostat module

85 Direct-acting proportional throttle valve with spoolposition feedback transducer

86 Typical circuit using a direct-acting proportional throttle valve with spool-position feedback transducers

87

88 Solenoid pilot-operated proportional directional control valve with spool-position feedback transducers

89 Simple mechanical servo system for force multiplication

90 Rotary-drive servovalve

91

92 Stepper-motor-driven servovalve with mechanical feedback

93 Jet-pipe servovalve

94 Flapper-design servovalve

95 Flapper-type servovalve shifting from an electrical input signal

96 Three-stage flapper-type servovalve

97 Servovalve and closed-loop electronic circuit for accurate position, force, and speed control

98

99

100 Non-compensated flow devices

101 Pressure- and temperaturecompensated flow control

102 Three-port flow control

103 Proportional flow control valve without feedback

104 Proportional flow control valve with feedback

105 Meter-in flow control circuit

106 Circuits where meter-in flow control is required

107 Meter-out flow control circuit

108 Bleed-off flow control circuit

109 Bleed-off flow control circuit with positive-displacement pump and pressure-compensated flow control valve

110 Meter-in flow control circuit with pressure-compensated pump and pressure-compensated flow control valve

111 Meter-out flow control circuit with pressure-compensated pump and pressure-compensated flow control valve

112 Heat generation in fixed-volume pump circuits with meter-in and meter-out flow controls

113 Two flow control circuits that reduce heat generation

114 Priority flow divider with relief valve in priority leg

115 Spool-type flow divider for split

116 Spool-type flow divider/combiner with split

117 Motor-type flow divider with split

118 Synchronizing circuit for flow divider

119 Motor-type flow-divider circuit with split

120 Sequence Valves and Reducing Valves

121 Hydraulic and pneumatic sequence valves

122 Typical hydraulic sequence valve circuit

123

124 Kick-down sequence valve

125 Hydraulic circuit with kick-down sequence valves

126 Three types of counterbalance valves

127 Internally pilot-operated counterbalance valve circuit

128 Externally pilot-operated counterbalance valve circuit

129 Internally and externally pilot-operated counterbalance valve circuit

130 Pilot-operated reducing valve

131 Pilot-operated reducing/relieving valves

132 Single-acting ram cylinders for push and pull applications

133 Typical industrial-grade single-rod end tie-rod cylinder

134 Non-rotating rod cylinders

135 Cylinders for long-stroke applications

136 Air cylinder sizing

137 Standard options for sealing pistons and rods from fluid bypass

138 Cylinders with greater than 20-in. strokes

139 Cylinder flushing circuit

140 Pressure intensification on an oversize rod cylinder

141 Single-rod cylinder regeneration

142 2:1 rod cylinders in regeneration circuit

143 Clevis-mounted cylinder for rotary action

144 Vane-type rotary actuator

145 Single-cylinder, rack-and-pinion rotary actuator

146 Helical gear rotary actuator

147 Chain-and-sprocket rotary actuator

148 Hydraulic accumulators

149 Accumulator circuit that supplements pump flow

150 Using an accumulator to maintain pressure and/or make up for leakage

151 Using an accumulator to eliminate shock caused by a sudden flow stoppage

152 Using an accumulator as an emergency power supply

153 Charging an accumulator or checking its pre-charge pressure with a charge kit

154 Two non-invasive procedures for checking accumulator precharge pressure

155 Circuit that uses a solenoid-operated valve to dump an accumulator

156 Hydraulically operated circuit that isolates and dumps an accumulator supplied by a pressure-compensated pump

157 Hydraulically operated circuit that isolates, unloads, and dumps an accumulator supplied by a fixed-displacement pump

158 Hydraulically controlled air cylinder set up for fast advance, controlled feed stroke, and fast retraction

159 Typical air-oil tank arrangement

160 Typical air-oil tandem-cylinder circuit

161 Circuit to synchronize air-oil tandem cylinders

162 Two types of differential-cylinder intensifiers

163 Ram-type single-stroke intensifiers

164 Typical high-pressure air-oil circuit

165 Reciprocating air-to-hydraulic intensifier

166 Air-to-air intensifier with 2:1 ratio

167 Quick-exhaust valve increases air cylinder's stroking speed

168 Typical pneumatic mufflers

169 Four types of pressure gauges

170 Temperature gauges

171 Cross-sectional view of flow meter

172 Cylinder circuits with shuttle valves

173 Cross-section of rotary union

174 Cross-section of typical quick disconnect coupling

175 Cross-section of pressure switch

176 Limit switch

177 Cross-sectional view of oil-filled shock absorber Cross-sectional view of hose-break valve

178 Cross-sectional view of hose-break valve

179 Passive AND element

180 Active AND element (or YES)

181 OR element

182 NOT element

183 Flip-flop element

184 Memory element

185 One-shot element

186 Time-on delay element

187 Time-off delay element

188 NAND output

189 NOR output

190 Drill circuit with anti-tie-down start and anti-repeat

191 Air logic controller

192 Drill circuit with antitie-down start and antirepeat using logic controllers

193 ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ο πεπιεσμένος αέρας ή τα πεπιεσμένα αέρια, χρησιμοποιούμενα στα πνευματικά συστήματα ως εργαζόμενο μέσο, μπορούν να μεταφέρουν ισχύ.

194 Πλεονεκτήματα των πνευματικών συστημάτων : 1) Τα εξαρτήματα των πνευματικών συστημάτων ευρίσκονται εύκολα και είναι σχετικώς φθηνά. 2) Οι βιομηχανίες-βιοτεχνίες διαθέτουν, κατά κανόνα, μονάδα παραγωγής πεπιεσμένου αέρα για άλλες χρήσεις.

195 Πλεονεκτήματα των πνευματικών συστημάτων : 3) Τα εξαρτήματα συντηρούνται εύκολα και επί τόπου, χωρίς να χρειάζεται εκκένωση του εργαζομένου μέσου. 4) Τα πνευματικά συστήματα δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον και δεν εμφανίζουν κίνδυνο πυρκαγιάς. Χρησιμοποιούνται ελεύθερα όπου υπάρχει κίνδυνος εκρήξεως από την χρήση ηλεκτρισμού. 5) Εγκατεστημένα μηχανήματα μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε εργο-μηχανές πνευματικού συστήματος.

196 Πλεονεκτήματα των πνευματικών συστημάτων : 6) Η χαμηλή πυκνότητα του αέρα εμποδίζει την δημιουργία έντονων αδρανειακών φαινομένων στα πνευματικά συστήματα, λόγω απότομου σταματήματος του ρευστού, όπως συμβαίνει με το υδραυλικό πλήγμα στα υδραυλικά συστήματα. 7) Λόγω της φύσεως του ο αέρας δεν εμφανίζει το φαινόμενο της σπηλαίωσης.

197 Πλεονεκτήματα των πνευματικών συστημάτων : 8) Η ενέργεια μπορεί να αποθηκευθεί σε ένα πνευματικό σύστημα ευκολότερα από ότι σε οποιοδήποτε άλλο.

198 Μειονεκτήματα των πνευματικών συστημάτων: 1) το υψηλό κόστος παραγωγής πεπιεσμένου αέρα (αυτός είναι ο λόγος που, ενίοτε, αποφεύγονται όταν δεν υπάρχει ήδη εγκατεστημένος συμπιεστής) 2) λόγω της συμπιεστότητας του αέρα δεν μπορεί να επιτευχθεί μεγάλη ακρίβεια στο σήμα που στέλνεται, το δε σήμα μεταδίδεται βραδύτερα από ότι υδραυλικά ή ηλεκτρικά. 3) Η δημιουργία μεγάλων δυνάμεων απαιτεί ογκώδεις και υψηλού κόστους πνευματικούς κυλίνδρους. 4) Ηχορύπανση

199 Νόμοι Τελείων αερίων Ο πεπιεσμένος αέρας, μπορούμε να δεχθούμε πως έχει συμπεριφορά που προσεγγίζει αυτή του τελείου αερίου. Συνεπώς διέπεται από τους αντίστοιχους νόμους των τελείων αερίων. Νόμος Boyle P1V1 = P2V2 Νόμος Charles V1T2 = V2T1 Νόμος Gay-Lussac P1T2 = P2T1 Γενικός Νόμος P1V1 /Τ1= P2V2/Τ2

200 Εξίσωση των τελείων αερίων p = ρ R Τ όπου p = η απόλυτη πίεση (Ν/m2) ρ = η πυκνότητα (Kg/ m3) R = η σταθερά του αέρα ( 287 J/Kg o K) Τ = η απόλυτη θερμοκρασία του αέρα ( o K) = t( C)

201 Διατήρηση της μάζας κατά τη ροή.

202 Ποιοτική Κατηγορία Σωματίδια Ποιότητα Αέρος Περιεχόμενο Νερό Μέγεθος Συγκέντρωση Σημείο Δρόσου στη Πίεση Λειτουργίας Περιεχόμενο Ορυκτέλαιο μm mg/m 3 ο C mg/m 3 1 0,1 0, , ,

203 Απαιτούμενη Ποιότητα Αέρα για διάφορες εφαρμογές. Εφαρμογή Σωματίδια Περιεχόμενο Νερό Περιεχόμενο Ορυκτέλαιο Όργανα Βαφή Βιομηχανία Τροφίμων Γενικά Βιομηχανια Εργαλεία Χειρός Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 4 2 5

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220 Όγκος αεριοφυλακίου V = 3600 N Δp 1 1 Qm Qair-Qm p atm Όπου V ο όγκος του αεριοφυλακίου σε lt p atm η ατμοσφαιρική πίεση σε KPa ( 100 Kpa) Δp η διαφορά μεταξύ της μεγίστης και της ελαχίστης πίεσης λειτουργίας του αεριοφυλακίου σε KPa. Qm η μέση ζητούμενη παροχή αέρα από το αεριοφυλάκιο σε lt. Qair η παροχή του αεροσυμπιεστή σε lt. N o αριθμός κύκλων λειτουργίας ανά ώρα. (τυπική τιμή 15 κύκλοι/ώρα.

221 Υπολογισμός όγκου αεροφυλακίου Για Αεροσυμπιεστή με παροχή Qair = 40 lt/sec Μέση απαιτούμενη παροχή αέρα Qm = 27 lt/sec Μέγιστη πίεση φόρτισης αεροφυλακίου pmax= 800 KPa Ελάχιστη πίεση φόρτισης αεροφυλακίου pm= 650 KPa Ο όγκος του αεροφυλακίου προκύπτει V = 3600 N Δp 1 1 Qm Qair-Qm p atm

222 Ετήσιο Kόστος λειτουργίας αεριοφυλακίου C= C motor + C maintenance C motor = Ιπποδύναμη (HP) x (kw/hp) x 1 / βαθμός απόδοσης κινητήρα x ώρες λειτουργίας ετησίως x μέσο κόστος kwh) x συντελεστής φορτίου Αν ο βαθμός απόδοσης κινητήρα του κινητήρα δεν είναι γνωστός, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ενδεικτικά η τιμή 0.9 (90%). Αν ο συντελεστής φορτίου δεν είναι γνωστός, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ενδεικτικά η τιμή, 0.8 (80%) C maintenance = ώρες λειτουργίας ετησίως x Ιπποδύναμη (HP) x 0.01$/HP

223 Mέτρα ασφαλείας αεριοφυλακίων Υδραυλική δοκιμή αεριοφυλακίου σε πίεση διπλάσια από αυτή της λειτουργίας του αεροσυμπιεστή. Η δοκιμή διεξάγεται Προ της λειτουργίας Ανά διετία με παράλληλη αντικατάσταση των στεγανωτικών της ανθρωποθυρίδας, έλεγχο στεγανότητας των υπολοίπων οργάνων και της διάταξης εξυδάτωσης, έλεγχοι για σκουριά. Δοκιμή βαλβίδας εκτόνωσης Περιοδικός έλεγχος λειτουργικότητας (π.χ. σε εβδομαδιαία βάση) με τη χρήση της χειρολαβής ελέγχου λειτουργίας.

224 Ενέργεια που εκτονώνεται σε περίπτωση αστοχίας του αεριοφυλακίου. Ε (Nm)= Όγκος αεριοφυλακίου σε m 3 x πίεση σε bar x 10 5 Iσχύς = Ε(Νm) / Χρόνος εκτόνωσης (0,01 sec εκρηκτική εκτόνωση) Πχ ένα αεριοφυλάκιο χωρητικότητας 1 m 3 με πίεση 8 bar απελευθερώνει σε περίπτωση έκρηξης 8 x 10 7 Νm/sec

225 Mέτρα ασφαλείας αεριοφυλακίων (συν) Περιοδικός έλεγχος πίεσης μέσω μανομέτρου και θερμοκρασίας μέσω θερμομέτρου Τα ανωτέρω μεγέθη μπορούν να μας δώσουν ενδείξεις για την προοδευτική υποβάθμιση ή την αστοχία της υπόλοιπης διάταξης όπως π.χ. του συμπιεστή ή του ξηραντήρα Περιοδική αποκομιδή και έλεγχος των συμπυκνωμάτων από την διάταξη εξυδάτωσης. Διακυμανσεις στην πυκνότητα ή πηκτά και σκούρα γαλακτώματα αποτελούν ενδείξεις που πρέπει να μας προτρέψουν για τον έλεγχο ή τον προγραμματισμό συντήρησης του συμπιεστή.

226

227

228

229 Υπολογισμός βαλβίδας εκτόνωσης Δεδομένα: Η βαλβίδα έχει ρυθμιστεί στα 9 bar O αεροσυμπιεστής παρέχει 1600 m 3 Η θερμοκρασία κατά την έξοδο είναι 95 ο C. 1,16

230 Απαιτούμενος όγκος εκφόρτωσης V=1600 m 3 /h x 1,16=1856m 3 /h

231

232

233

234

235

236 Μια ποσότητα ατμοσφαιρικού αέρα, σχετικής υγρασίας φ=50%, συμπιέζεται σε ένα αεριοφυλάκιο σε πίεση 7bar. Οι θερμοκρασίες των διαφόρων χώρων όπου οδηγείται σταδιακά ο αέρας δίνεται παρακάτω. Ποια η ποσότητα των συμπυκνωμάτων νερού ανά m3 απαιτούμενου από τους ενεργοποιητές αέρα, θα συμπυκνώνεται στον κάθε χώρο;. θ Αναρρόφηση 20 ο C Συμπιεστής 120 ο C Μεταψύκτης 30 ο C Δίκτυο 1 20 ο C Δίκτυο 2 0 ο C Actuator 20 ο C

237 μέγιστη ποσότητα νερού που μπορεί να διαλυθεί σε αέρα όγκου V και θερμοκρασίας θ φ Εισερχόμενη Ποσότητα Νερού Ποσότητα Νερού Που Υγροποιείται Ποσότητα νερού που απομένει θ V gr Η 2 0 gr Η 2 0 gr Η 2 0 gr Η 2 0 Αναρρόφηση 20 ο C 7 m 3 120,4 0,5 60,2 0 60,2 Συμπιεστής 120 ο C 1 m ,1 60,2 0 60,2 Μεταψύκτης 30 ο C 1 m ,0 60,2 30,2 30 Δίκτυο 1 20 ο C 1 m 3 17,2 1, ,8 17,2 Δίκτυο 2 0 ο C 1 m 3 4,9 1,0 17,2 12,3 4,9 Actuator 20 ο C 1 m 3 17,2 0,3 4,9 0 4,9

238

239

240 Q=1000 m3/h Pm=7,5 bar l= 290 m D=92 mm

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

254

255

256

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

267

268

269

270

271

272 d1 d2 A v A R A St h= διαδρομή p1= πίεση λειτουργίας po= ατμοσφαιρική πίεση V T = παραμένων όγκος n= διαδρομές ανά λεπτό.

273 Ένας κύλινδρος διπλής ενεργείας είναι εξοπλισμένος με πιστόνι, διαμέτρου 80 mm με βάκτρο διαμέτρου 22 mm. Η πίεση λειτουργίας είναι 6 bar. Ποιές οι δυνάμεις που καταπονούν το βάκτρο. d1 d2 A v A R A St h= διαδρομή p1= πίεση λειτουργίας po= ατμοσφαιρική πίεση V T = παραμένων όγκος n= διαδρομές ανά λεπτό.

274 Αν επιπλέον η διαδρομή του εμβόλου είναι 500 mm, ο παραμένων όγκος είναι 30 cm 3 Η Συχνότητα είναι 20 διαδρομές ανά λεπτό και η θερμοκρασία του αέρα είναι 30 ο C = 303 o K, τότε Έκταση Εμβόλου 1 v Κίνηση προς τα πίσω 2 R d1 d A v A R A St h= διαδρομή p1= πίεση λειτουργίας po= ατμοσφαιρική πίεση V T = παραμένων όγκος n= διαδρομές ανά λεπτό.

275 Λυγισμός Κυλίνδρων Κρίσιμο Φορτίο Ροπή αδρανείας Ε=μέτρο ελαστικότητας= =2, N/cm 2 για το χάλυβα S=Συντελεστής ασφαλείας 2,5-5 Sk=ισοδύναμο μήκος

276 Επιτρεπόμενα μήκη για ασφάλεια έναντι λυγισμού.

277

278

279

280

281

282 5Kp το καθένα Συντελεστής τριβής 0,8 40mm 400 mm Συντελεστής τριβής 0,85

283

284

285 Διάμετρoς Κυλίνδρου Παροχή Κυρίας Βαλβίδος d (mm) lt/min

286

287

288

289

290

291

292

293

294

295

296

297

298

299

300

301

302

303

304

305

306 Πνευματικοί αισθητήρες. Α Οποιαδήποτε διέλευση μπροστά από τον αισθητήρα ή μέσα από το διάκενο του, προκαλεί μεταβολή της πίεσης στο Α,που μπορεί να «ενεργοποιήσει» το κύκλωμα. Α Α Α Α