Υδραυλικά Συστήματα Παύλος Ζαλιμίδης Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π
Βασικά πλεονεκτήματα Συμπαγή πολύ αποδοτικά συστήματα. Μετάδοση μεγάλων δυνάμεων Εύκολος έλεγχος Εύκολη αντιστροφή κατεύθυνσης Μακρά αξιόπιστη λειτουργία
How Pascals Law affects a cylinder
Πτώση Πίεσης P1 Δp P2=P1-Δp
Comparison of mechanical and hydraulic leverage
Pressure measurement for water tower
Vacuum measurement with mercury
Hydraulic power unit and circuit diagram of its filter arrangement
Σχηματική και φυσική απεικόνιση ενός τυπικού υδραυλικού συστήματος
Σχηματική απεικόνιση δύο υδραυλικών κυκλωμάτων συγχρονισμένης λειτουργίας.
Υδραυλική Μονάδα Ισχύος
Δεξαμενή Λαδιού
Υδραυλικό Υγρό Μεταδίδει ενέργεια Λιπαίνει Στεγανοποιεί
Υδραυλικό Υγρό Ορυκτέλαιο (με πρόσθετα) Συνθετικό έλαιο Νερό Μίγμα Νερού γλυκόλης Μίγμα Νερού ελαίου Έλαιο φυτικής προέλευσης
Υδραυλικό Υγρό Πρόσθετα Βελτίωσης της λιπαντικής ικανότητας Του ιξώδους Της αντιοξειδωτικής προστασίας Της προστασίας έναντι δημιουργίας αφρού κλπ
Υδραυλικό Υγρό Υπερθέρμανση Μόλυνση
Απορρόφηση εκπομπή θερμότητας από τη δεξαμενή.
Ψύκτης
Ψύκτες
Θερμαντήρας Δεξαμενής
Θερμαντής
Σωματίδια στο λάδι
Υδραυλικό Υγρό
Φίλτρα
Filter cart (used to transfer hydraulic fluids) and its circuit schematic diagram
Σχηματική και φυσική απεικόνιση ενός τυπικού υδραυλικού συστήματος
Τυπικό κύκλωμα με αντλία σταθερής μετατόπισης
Gear pumps
Γραναζωτές αντλίες εξωτερικής οδόντωσης Γραναζωτές αντλίες εσωτερικής οδόντωσης
gerotor
Multi screw
Πτερυγιοφόρες αντλίες Απλού Θαλάμου Διπλού Θαλάμου
Τυπικό κύκλωμα με αντλία σταθερής μετατόπισης και πολαπλούς κυλίνδρους
Πτερυγιοφόρα Αντλία Μεταβλητής Παροχής
Εμβολοφόρες αντλίες ακτινικών εμβόλων
Bi-directional, radial-piston pumps
Εμβολοφόρες Αντλίες Αξονικών Εμβόλων Κεκλιμένου άξονα Κεκλιμένης Πλάκας
Εμβολοφόρα Αντλία Αξονικών Εμβόλων Μεταβλητής Παροχής
Load sensing
Typical circuit for pressure-compensated pumps
Air bleed valve
Schematic diagram of typical hydrostatic drive circuit
Test set-up for repaired pumps
Typical performance plots for directacting and pilot-operated relief valves
Plot of flow-pressure relationship of a typical direct acting relief valve.
Typical hi-lo circuit using two pumps
Typical circuit incorporating pilotoperated check valve
Circuit with pilot-operated check valve that prevents load from running away if pilot pressure is lost
Pre fill valves
Circuits in which 2- and 3-position, 4- way valves operate cylinders
Views of a variety of valve spool configurations, with their symbols. (All have palm-button operators.)
All ports open
All ports closed
With all-ports-closed valve center condition, bypass flow will extend cylinder
Float center
Tandem center
Valve operators
Symbols for typical valve transition or crossover conditions
1:2 poppet-type slip-in cartridge valve
1:2 poppet-type cartridge valve with directional control valve interface
1:2 poppet-type cartridge valves with separate directional control valves -- showing different spool configurations possible
1:2 poppet-type cartridge valve as a check valve (with free flow from B to A, and checked flow from A to B)
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)
1:2 poppet-type cartridge valve with stroke limiter and directional control valve interface
1:2 slip-in cartridge valve with dual-pilot source pump (pump not running)
Typical circuit for 1:2 slip-in cartridge valve
1:1 poppet-type slip-in cartridge valve
1:1 poppet-type slip-in cartridge valve as a pilot-operated relief valve
1:1 poppet-type slip-in cartridge valve as an internally piloted sequence valve or counterbalance valve
1:1 poppet-type slip-in cartridge valve as an unloading valve
Slip-in cartridge valve as a reducing valve
Direct-acting proportional valve
Direct-acting proportional directional control valve with spool-position feedback transducer
Direct-acting proportional directional control valve with LVDT and pressure-compensating hydrostat module
Direct-acting proportional throttle valve with spoolposition feedback transducer
Typical circuit using a direct-acting proportional throttle valve with spool-position feedback transducers
Solenoid pilot-operated proportional directional control valve with spool-position feedback transducers
Simple mechanical servo system for force multiplication
Rotary-drive servovalve
Stepper-motor-driven servovalve with mechanical feedback
Jet-pipe servovalve
Flapper-design servovalve
Flapper-type servovalve shifting from an electrical input signal
Three-stage flapper-type servovalve
Servovalve and closed-loop electronic circuit for accurate position, force, and speed control
Non-compensated flow devices
Pressure- and temperaturecompensated flow control
Three-port flow control
Proportional flow control valve without feedback
Proportional flow control valve with feedback
Meter-in flow control circuit
Circuits where meter-in flow control is required
Meter-out flow control circuit
Bleed-off flow control circuit
Bleed-off flow control circuit with positive-displacement pump and pressure-compensated flow control valve
Meter-in flow control circuit with pressure-compensated pump and pressure-compensated flow control valve
Meter-out flow control circuit with pressure-compensated pump and pressure-compensated flow control valve
Heat generation in fixed-volume pump circuits with meter-in and meter-out flow controls
Two flow control circuits that reduce heat generation
Priority flow divider with relief valve in priority leg
Spool-type flow divider for 50-50 split
Spool-type flow divider/combiner with 50-50 split
Motor-type flow divider with 50-50 split
Synchronizing circuit for 50-50 flow divider
Motor-type flow-divider circuit with 50-50 split
Sequence Valves and Reducing Valves
Hydraulic and pneumatic sequence valves
Typical hydraulic sequence valve circuit
Kick-down sequence valve
Hydraulic circuit with kick-down sequence valves
Three types of counterbalance valves
Internally pilot-operated counterbalance valve circuit
Externally pilot-operated counterbalance valve circuit
Internally and externally pilot-operated counterbalance valve circuit
Pilot-operated reducing valve
Pilot-operated reducing/relieving valves
Single-acting ram cylinders for push and pull applications
Typical industrial-grade single-rod end tie-rod cylinder
Non-rotating rod cylinders
Cylinders for long-stroke applications
Air cylinder sizing
Standard options for sealing pistons and rods from fluid bypass
Cylinders with greater than 20-in. strokes
Cylinder flushing circuit
Pressure intensification on an oversize rod cylinder
Single-rod cylinder regeneration
2:1 rod cylinders in regeneration circuit
Clevis-mounted cylinder for rotary action
Vane-type rotary actuator
Single-cylinder, rack-and-pinion rotary actuator
Helical gear rotary actuator
Chain-and-sprocket rotary actuator
Hydraulic accumulators
Accumulator circuit that supplements pump flow
Using an accumulator to maintain pressure and/or make up for leakage
Using an accumulator to eliminate shock caused by a sudden flow stoppage
Using an accumulator as an emergency power supply
Charging an accumulator or checking its pre-charge pressure with a charge kit
Two non-invasive procedures for checking accumulator precharge pressure
Circuit that uses a solenoid-operated valve to dump an accumulator
Hydraulically operated circuit that isolates and dumps an accumulator supplied by a pressure-compensated pump
Hydraulically operated circuit that isolates, unloads, and dumps an accumulator supplied by a fixed-displacement pump
Hydraulically controlled air cylinder set up for fast advance, controlled feed stroke, and fast retraction
Typical air-oil tank arrangement
Typical air-oil tandem-cylinder circuit
Circuit to synchronize air-oil tandem cylinders
Two types of differential-cylinder intensifiers
Ram-type single-stroke intensifiers
Typical high-pressure air-oil circuit
Reciprocating air-to-hydraulic intensifier
Air-to-air intensifier with 2:1 ratio
Quick-exhaust valve increases air cylinder's stroking speed
Typical pneumatic mufflers
Four types of pressure gauges
Temperature gauges
Cross-sectional view of flow meter
Cylinder circuits with shuttle valves
Cross-section of rotary union
Cross-section of typical quick disconnect coupling
Cross-section of pressure switch
Limit switch
Cross-sectional view of oil-filled shock absorber Cross-sectional view of hose-break valve
Cross-sectional view of hose-break valve
Passive AND element
Active AND element (or YES)
OR element
NOT element
Flip-flop element
Memory element
One-shot element
Time-on delay element
Time-off delay element
NAND output
NOR output
Drill circuit with anti-tie-down start and anti-repeat
Air logic controller
Drill circuit with antitie-down start and antirepeat using logic controllers
ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ο πεπιεσμένος αέρας ή τα πεπιεσμένα αέρια, χρησιμοποιούμενα στα πνευματικά συστήματα ως εργαζόμενο μέσο, μπορούν να μεταφέρουν ισχύ.
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.
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.
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.
Πλεονεκτήματα των πνευματικών συστημάτων : 8) Η ενέργεια μπορεί να αποθηκευθεί σε ένα πνευματικό σύστημα ευκολότερα από ότι σε οποιοδήποτε άλλο.
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
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
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) = 273 + t( C)
Διατήρηση της μάζας κατά τη ροή.
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 0,1-20 0 2 1 1 2 0,01 3 5 5 10 0,1 4 50 1 5 5 6 25
Απαιτούμενη Ποιότητα Αέρα για διάφορες εφαρμογές. Εφαρμογή Σωματίδια Περιεχόμενο Νερό Περιεχόμενο Ορυκτέλαιο Όργανα 2 1 4 Βαφή 2 1 5 Βιομηχανία Τροφίμων 3 3 3 Γενικά Βιομηχανια 4 3 6 Εργαλεία Χειρός 3 3 6 Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 4 2 5
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.
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
Ετήσιο Kόστος λειτουργίας αεριοφυλακίου C= C motor + C maintenance C motor = Ιπποδύναμη (HP) x 0.746 (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
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.
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
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.
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
Απαιτούμενος όγκος εκφόρτωσης V=1600 m 3 /h x 1,16=1856m 3 /h
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
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 3 600 0,1 60,2 0 60,2 Μεταψύκτης 30 ο C 1 m 3 30 1,0 60,2 30,2 30 Δίκτυο 1 20 ο C 1 m 3 17,2 1,0 30 12,8 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
Q=1000 m3/h Pm=7,5 bar l= 290 m D=92 mm
d1 d2 A v A R A St h= διαδρομή p1= πίεση λειτουργίας po= ατμοσφαιρική πίεση V T = παραμένων όγκος n= διαδρομές ανά λεπτό.
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.
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 d2 + 1 2 A v A R A St h= διαδρομή p1= πίεση λειτουργίας po= ατμοσφαιρική πίεση V T = παραμένων όγκος n= διαδρομές ανά λεπτό.
Λυγισμός Κυλίνδρων Κρίσιμο Φορτίο Ροπή αδρανείας Ε=μέτρο ελαστικότητας= =2,1 10 7 N/cm 2 για το χάλυβα S=Συντελεστής ασφαλείας 2,5-5 Sk=ισοδύναμο μήκος
Επιτρεπόμενα μήκη για ασφάλεια έναντι λυγισμού.
5Kp το καθένα Συντελεστής τριβής 0,8 40mm 400 mm Συντελεστής τριβής 0,85
Διάμετρoς Κυλίνδρου Παροχή Κυρίας Βαλβίδος d (mm) lt/min 6 105 8 105 10 105 12 180 16 180 20 180 25 180 32 180 40 180 50 1140 63 1140 80 1140 100 2200 125 2200 160 3000 200 3000 250 6000 320 6000
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
Πατάμε το κουμπί και ο κύλινδρος εκτείνεται ως τη θέση S1 όπου και παραμένει χρόνο t και μετά συμπτύσσεται
Σύμβολα