מקורות כוח ומפעילים הידרוליים.

Transcript

1 1. את המבנה הכללי של תמסורות הספק מכאניות, חשמליות, פנאומטיות והידראוליות ניתן לתאר בעזרת דיאגראמת המלבנים הבאה: מפעיל אמצעי ויסות ממיר אנרגיה אנרגיה אנרגיה אנרגיה תמסורות ההספק נקראות הידראוליות פנאומטיות או חשמליות בהתאם לאופי האנרגיה שמזרים ממיר המערכת למפעיל (דרך אמצעי הוויסות). עתה נכיר את הממיר והמפעיל של מערכת תמסורת אנרגיה הידראולית. תמסורת אנרגיה הידראולית משמשת ביישומים רבים ואחד מהם (המוכר לך) הוא הנעת דלי החפירה הנמצא בקצה הזרוע המפרקית של המחפר. כדי להניע את הדלי ולחפור יש להעביר אנרגיה ממנוע הדיזל של המחפר לדלי שבקצה הזרוע. תמסורת האנרגיה במערכת מבוצעת בעזרת תמסורת הידראולית הכוללת: 1. משאבה המחוברת למנוע הדיזל של המחפר. המשאבה מעבירה את ההספק המסופק לה לשמן או ל"צורה הידראולית" (מכפלת הלחץ והספיקה). 2. מערכת שסתומים הנשלטת על ידי המפעיל ומערכת הבקרה מווסתת את זרימת השמן או "האנרגיה ההידראולית" בהתאם לצרכים. (וויסות לחץ או וויסות ספיקה או וויסות הכיוון). 3. מפעיל (במקרה זה בוכנה) ממיר את האנרגיה הידראולית בחזרה להספק מכאני הדרוש להנעת דלי החפירה. יתרונות השימוש מערכות הספק הידראוליות הן יכולת הגברת כוח גדולה מאד, תנועה שקטה וחלקה מאד של המפעיל. המערכת מאפשרת קיבוע המפעיל (והדלי במקרה זה) במקומו בכול נקודה. המערכת ככלל אמינה מאד, בעלת אורך חיים גבוה ורמת תחזוקה נדרשת נמוכה יחסית. חסרונות המערכת ההידראולית הן מחיר גבוה יחסית, משקל גבוה וסכנת התלקחות של השמן. משאבות הידראוליות תפקידה של משאבה במערכת הידראולית הוא להמיר את ההספק המסופק לציר המשאבה (מכפלת מומנט במהירות זוויתית) להספק הידראולי (מכפלת לחץ בספיקה). משאבה T ω P q

2 2 ישנם סוגים רבים של משאבות המשמשות מערכות הידראוליות אך רובן המכריע שייך למשפחה הנקראת "משאבות עם הדחק חיובי". עקרון פעולתן של משאבות אלו מבוסס על שינוי מחזורי בנפח של תא. כאשר נפח התא גדל שמן נכנס לתא וממלא אותו. כאשר נפח התא קטן השמן נסנק החוצה. התמונה שלפניך מתארת משאבה עם הדחק חיובי הנקראת משאבת גלגלי שיניים. עקרון הפעולה: שינוי הנפח במשאבה זו מתבצע תוך כדי סיבוב גלגלי שיניים. הגלגל השמאלי מונע על ידי מקור אנרגיה חיצוני (בכיוון השעון) והוא מניע את גלגל ימין המשולב עמו (נגד כיוון השעון). התא במשאבה זו הוא החלל שבין שיני הגלגלים. פעולת המשאבה מחולקת לשלושה שלבים: 1. באזור היניקה שיני גלגלי השיניים נפרדות זו מזו. יציאת שן של גלגל שיניים אחד מהחלל שבין שתי השיניים של הגלגל השני היא תהליך הגדלת נפח. אם לפתח היניקה של המשאבה מסופק שמן בלחץ, השמן יכנס לחלל החדש שנוצר. אם למשאבה לא מסופק שמן בלחץ, יוצר בחלל החדש שנוצר תת-לחץ שיגרום לזרימת שמן מהמכל לפתח היניקה של המשאבה. 2. השמן ממלא את החללים שבין השיניים ומועבר על ידי הגלגלים המשולבים לאזור הסניקה של המשאבה. 3. באזור הסניקה שיני הגלגלים משתלבות זו בזו וממלאות את החללים שבין השיניים וכך קטן הנפח של החלל. עקב כניסת השן לתוך החלל שבין השיניים נדחק השמן החוצה דרך פתח הסניקה. בכל פעם שציר המשאבה בעלת הדחק חיובי משלים סיבוב אחד עוברת כמות קבועה של שמן מפתח היניקה לפתח הסניקה. לכמות השמן שעוברת בסיבוב אחד קוראים הדחק m 3.(displacement) את ההדחק מסמנים באות N ויחידותיו הן (נפח לסיבוב). ההדחק הוא rev גודל קבוע המאפיין את המשאבה והוא תלוי במבנה המשאבה. אם מסמנים באות n את מספר הסיבובים לדקה של ציר המשאבה ניתן לחשב את ספיקת המשאבה בעזרת הנוסחה הבאה: N * n q 60

3 3 ניתן להסיק שקיים יחס ישר בין הספיקה ומספר סיבובי הציר ולכן כאשר ציר המנוע מסתובב במהירות קבועה כמות השמן שהמשאבה סונקת קבוע אף הוא. ספיקת המשאבה נקבעת על פי מבנה המשאבה ומספר סיבובי הציר שלה בלבד. הלחץ בסניקה נקבע על פי העומס החיצוני שפועל על המערכת המונעת על ידי המערכת ההידראולית. כאשר העומס על המערכת גדל, צריכה המשאבה להפעיל כוח גדול יותר כדי לדחוף את השמן החוצה. הביטוי החיצוני לכך הוא עלייה בלחץ הסניקה. המשאבה. מובן שכדי להפעיל כוח גדול יותר על השמן גדל המומנט הדרוש לסיבוב ציר לדוגמא, אם המשאבה במחפר היא משאבת גלגלי שיניים ומספר סיבובי המנוע קבוע אז הנעת דלי החפירה ממקום למקום מתבצעת תמיד באותה מהירות (בין אם הכף מלאה באדמה או לא). כאשר הכף מלאה בחול לחץ השמן הנדרש להרמתה גבוה יותר ולכן נדרש מומנט גבוה יותר ממנוע הדיזל המסובב את ציר המשאבה. סיכום: במשאבת הדחק חיובי כמות השמן העוברת בסיבוב אחד קבועה ונקראת הדחק. הדחק המשאבה תלוי במבנה המשאבה בלבד. קצב סיבובי ציר המשאבה קובע את הספיקה. לכן כאשר מספר סיבובי ציר המשאבה קבוע גם הספיקה קבועה (באופן תיאורטי). העומס על המערכת ההידראולית קובע את הלחץ שהמשאבה צריכה לבנות כדי להצליח ולסנוק את השמן החוצה. המשאבה ממירה את ההספק הנכנס כך: מהירות זוויתית ספיקה. מומנט סיבוב לחץ. משאבות עם הדחק משתנה. במערכות מסוימות משתמשים לתמסורת הספק במשאבות עם הדחק משתנה השייכות אף הן למשפחת המשאבות עם ההדחק החיובי. במשאבות אלו ניתן לשנות את ספיקת המשאבה ללא שינוי מספר סיבובי ציר המשאבה. האיור שלפניך מתאר משאבה שכזו הנקראת משאבת בוכנות ציריות.

4 4 כאשר המנוע המניע את המשאבה מסובב את ציר המשאבה מסתובבים יחד אתו גם הדסקה אליה מחוברים המוטות והבוכנות וכמובן בית המשאבה בו נעות הבוכנות. תהליך היניקה במשאבה זו מבוצע כאשר בוכנה "עולה" מהמצב בו מתוארת הבוכנה שבחלק התחתון של האיור למצב בו מתוארת הבוכנה הנמצאת בחלק העליון של האיור. תוך כדי "עליית" הבוכנה גדל הנפח שלפניה. חלל זה מתמלא בשמן. תהליך הסניקה במשאבה מבוצע כאשר בוכנה "יורדת" מהמצב בו מתוארת הבוכנה שבחלק העליון של האיור למצב בו מתוארת הבוכנה הנמצאת בחלק התחתון של האיור. תוך כדי "ירידת" הבוכנה קטן הנפח שלפניה והשמן נסנק החוצה למערכת. את שינוי ההדחק במשאבה זו מבצעים בעזרת שינוי הזווית α. שינוי הזווית משנה את מידת התזוזה של הבוכנות בכל מהלך ובכך משנה את הנפח שמעבירה כל בוכנה בכל סיבוב. לדוגמא כאשר הזווית α היא 90 מעלות הבוכנות למעשה לא זזות כלל קדימה ואחורה וההדחק הוא אפס. כאשר "מורידים" כלפי מטה את בית המשאבה מקטינים את הזווית והבוכנות זזות קדימה ואחורה. הדחק המשאבה גדל ככל שהזווית α קטנה. הזזת בית המשאבה לכיוון הנגדי יגרום גם להחלפת פתחי היניקה והסניקה (ללא שינוי כיוון סיבוב הציר). תכונה זו הופכת את המשאבה למשאבה דו כיוונית. מפעיל הידראולי תפקידו של המפעיל ההידראולי הוא להמיר את האנרגיה ה"הידראולית" בחזרה לאנרגיה מכאנית. ומנוע הממיר את בוכנה הממירה את האנרגיה לתנועה קווית שני הרכיבים המקובלים הם האנרגיה לתנועה סיבובית. מנוע הידראולי: בראיה מלבנית תפקיד המנוע הפוך לתפקיד המשאבה. מנוע P q T ω בדומה למשאבה גם מנועים הידראוליים מאופיינים אף הם על ידי גודל הנקרא הדחק. הדחק מנוע הוא כמות השמן הדרושה לסובב את ציר המוצא של המנוע סיבוב שלם אחד. גם מבחינת מבנה יש דמיון רב בין מבנה מנוע ובין מבנה משאבה כמתואר:

5 5 כאשר שמן מוזרם לפתח הכניסה הוא מגיע לשיניים ומפעיל עליהן כוח כמתואר. עקב פעולת הכוח נוצר מומנט סיבובי השואף לסובב את ציר המנוע בכיוון המתואר. אם העומס המופעל על ציר המנוע מאפשר זאת ציר המנוע יסתובב. מפעיל זה ממיר את ההספק ההידראולי (מכפלת ספיקה ולחץ) להספק מכאני (מכפלת מהירות זוויתית ומומנט). גם במנוע מתקיים קשר של יחס ישר בין הספיקה למהירות הסיבוב ויחס ישר בין הלחץ והמומנט שמספק ציר המנוע. בוכנה הידראולית (דו-כיוונית) בוכנות משמשות במגוון של יישומים הדורש כוח רב, נעילת מוט הבוכנה במקום נתון כמו בפתח המאפשר וויסות זרימת גרעיני חיטה מסילו. בראיה מלבנית ניתן לתאר בוכנה כך: בוכנה P q F v הבוכנה ממירה את ההספק ההידראולי הנכנס אליה לתנועה קווית המאופיינת על ידי כוח ומהירות (שמכפלתם היא הספק). השם בוכנה המשמש לתיאור המערכת מטעה מעט היות ובעברית שם זה משמש לתאר מערכת הכוללת גליל בו נעה הבוכנה (הנקרא באנגלית,(cylinder ובוכנה (הנקראת באנגלית (piston כמתואר באיור:

6 6 כאשר מזרימים שמן לפתח האחורי של הבוכנה הוא מפעיל כוח על גב הבוכנה. כוח זה "שואף" לדחוף את הבוכנה קדימה ולכן אם כוח המתנגד לתנועת הבוכנה קטן מהכוח שיוצר השמן הנכנס לבוכנה הבוכנה נעה קדימה. תנאי נוסף לתנועת הבוכנה הוא שהשמן שמילא את החלל הקדמי יצא החוצה. בבוכנה מתקיים קשר של יחס ישר בין הספיקה למהירות התקדמות מוט הבוכנה וכן יחס ישר בין הלחץ והכוח שמפעיל מוט הבוכנה. V F piston piston P q A * A 4 * q π d 2 P * π d 4 2 הזרמת שמן לפתח הקדמי תגרום לתנועת הבוכנה בכיוון ההפוך. כאשר הבוכנה חוזרת השטח עליו פועל השמן קטן יותר (עקב מוט הבוכנה) ולכן הבוכנה תחזור מהר יותר. מנגד יידרש לחץ שמן גבוה יותר כדי שהבוכנה תפעיל את אותו הכוח במהלך זה. בוכנה מסוג זה נקראת בוכנה דו כיוונית (או דו-פעולתית (double acting היות ושמן משמש להנעתה בשני הכיוונים. ישנן בוכנות בהן אחת מהתנועות מבוצעת על ידי מקור הספק נוסף כגון קפיץ או כוח חיצוני אחר והן נקראות חד כיווניות (או חד-פעולתיות..(single acting