ACHP curs [word]

NICOLAE VASILIU

DANIELA VASILIU

ACIONRI HIDRAULICE I PNEUMATICEVolumul I

BUCURETI 2004

Prof.dr.ing. Nicolae VASILIU

Prof.dr.ing. Daniela VASILIU

ACIONRI HIDRAULICE I PNEUMATICE

VOL. I

Bucureti 2004

CUPRINSPARTEA I. NOIUNI FUNDAMENTALE1. INTRODUCERE.. 1. Structura transmisiilor hidraulice i pneumatice 2. Clasificarea transmisiilor hidraulice i pneumatice 3. Avantajele i dezavantajele transmisiilor hidraulice i pneumatice.. 4. Avantaje 5. Dezavantaje... 23 23 27 27 28 31

2. LICHIDELE UTILIZATE N TRANSMISIILE HIDRAULICE.. 33 6. Proprietile necesare lichidelor utilizate n transmisiile hidraulice 33 7. Proprieti fundamentale ale lichidelor funcionale 33 8. Viscozitatea.. 33 9. Calitile lubrifiante. 38 10. Densitatea i compresibilitatea 38 11. Inflamabilitatea 41 12. Compatibilitatea cu materialele sistemului.. 41 13. Alte proprieti..... 42 Aplicaia 2.1. Determinarea modulului de elasticitate al unui amestec lichid gaz..... 43 2.3. Tipuri de lichide funcionale... 47 14. Lichide pe baz vegetal.. 47 15. Lichide pe baz mineral. 47 16. Lichide neinflamabile pe baz de ap.. 48 17. Lichide sintetice... 48 18. Lichide funcionale produse sau utilizate n ara noastr ............. 49 3. ELEMENTE DE MECANICA FLUIDELOR SPECIFICE TRANSMISIILOR HIDRAULICE 1. Particulariti ale utilizrii legilor i ecuaiilor generale din mecanica fluidelor... 2. Micarea n conducte.. 3. Micarea laminar 4. Micarea turbulent.. 3.3. Curgerea lichidelor prin orificii i fante. 5. Curgerea turbulent.. 6. Curgerea laminar 7. Rezistene hidraulice variabile. 53 53 54 54 57 60 61 63 65

12

Cuprins 3.3.4. Fenomenul de obliterare .... Aplicaia 3.1. Micarea laminar ntre dou piese cilindrice circulare... Aplicaia 3.2. Calculul poteniometrului hidraulic n regim staionar.. 3.4. Fenomenul de gripare hidraulic 3.4.1 Descrierea fenomenului 3.4.2. Repartiia presiunii ntr-un difuzor plan.. Aplicaia 3.3. Calculul rezultantei forelor de presiune pe un sertar conic amplasat ntr-o buc cilindric.... 19. nclzirea lichidelor funcionale. 20. ocul hidraulic.... 68 69 71 75 75 76 77 82 83

PARTEA a II-a. CONSTRUCIA, FUNCIONAREA, CALCULUL I NCERCAREA MAINILOR HIDRAULICE VOLUMICE ALE TRANSMISIILOR HIDRAULICE 4. POMPE CU PISTOANE ......................................................................... 4.1. Problematica mainilor hidraulice volumice ...................................... 21. Principiul de funcionare al mainilor hidraulice volumice .............. 22. Relaii fundamentale pentru mainile hidraulice volumice ............... 23. Problemele de studiu i clasificarea pompelor volumice .................. 24. Recomandri privind alegerea pompelor volumice pentru transmisii hidraulice ..................................................... 4.2. Pompe cu cilindri imobili .................................................................. 25. Descriere, funcionare i clasificare .................................................. 26. Gradul de neuniformitate al debitului pompelor cu un piston... 27. Pompe policilindrice cu cilindri imobili ............................................ Aplicaia 4.1. Calculul hidrofoarelor pompelor cu pistoane .................... Aplicaia 4.2. Calculul turaiei maxime a unei pompe cu un piston ......... 4.2.4. Supapele de sens ale pompelor cu pistoane ............................. Aplicaia 4.3. Dimensionarea unei supape cu ventil plan circular .......... 4.3. Pompe policilindrice cu cilindri mobili ............................................. 28. Descriere funcionare i clasificare ................................................... 29. Calculul coeficientului de neuniformitate al debitului i momentului pompelor cu pistoane axiale rotative ............... 4.3.3. Calculul sistemului de distribuie al pompelor cu pistoane axiale rotative ............................................................ Aplicaia 4.4. Calculul patinelor hidrostatice ale pompelor cu disc nclinat ......................................................................... 5. POMPE CU PALETE CULISANTE ...................................................... 8. Descriere, funcionare i clasificare ................................................... 9. Momentul, debitul i capacitatea pompelor cu simplu efect ............... 10. Calculul capacitii, debitului i momentului pompelor cu dublu efect .................................................................................... 87 87 87 90 91 92 93 93 97 99 103 110 112 113 120 120 123 134 145 149 149 153 160

Cuprins 6. POMPE CU ANGRENAJE CILINDRICE ............................................ 30. Descriere, funcionare i clasificare ................................................... 31. Calculul capacitii, debitului i momentului pompelor cu angrenaj cilindric exterior evolventic ............................................ Aplicaia 6.1. Calculul solicitrii lagrelor pompelor cu angrenaj cilindric exterior evolventic ....................................................... 7. MOTOARE HIDRAULICE VOLUMICE ROTATIVE ...................... 7.1. Criterii de analiz a calitii motoarelor hidraulice volumice rotative ................................................................................ 32. Motoare volumice rapide ................................................................... 33. Motoare volumice semirapide ............................................................ 34. Motoare volumice lente ..................................................................... 35. Recomandri privind alegerea motoarelor volumice .......................... 8. ANALIZA PERFORMANELOR MAINILOR HIDRAULICE VOLUMICE ROTATIVE N REGIM STAIONAR ........................... 36. Randamentele mainilor hidraulice volumice rotative ....................... 37. Similitudinea mainilor hidraulice volumice rotative ........................ Aplicaia 8.1. Calculul unui lagr termohidrodinamic plan .................... 9. MOTOARE HIDRAULICE LINIARE I BASCULANTE ................. 9.1. Motoare volumice liniare .................................................................. 38. Construcia i funcionarea cilindrilor hidraulici ............................... 39. Etanarea cilindrilor hidraulici .......................................................... 40. Calculul cilindrilor hidraulici ............................................................ Aplicaia 9.1. Frnarea cilindrilor hidraulici la cap de curs ................. 9.2. Motoare volumice basculante ............................................................ 10. NCERCAREA MAINILOR HIDRAULICE VOLUMICE ............. 41. Probleme generale ale ncercrii mainilor volumice rotative ............ 42. Coninutul ncercrilor mainilor volumice rotative .......................... 43. Prezentarea rezultatelor ncercrilor mainilor volumice rotative ............................................................................. 10.4. Exemple de standuri pentru ncercarea mainilor volumice rotative ............................................................................. Aplicaia 10.1. Recuperarea energiei la ncercrile de anduran ale mainilor volumice rotative ................................................................ 10.5. ncercarea cilindrilor hidraulici ........................................................

13165 165 172 186 191 191 195 203 209 229 231 231 233 239 249 249 249 255 263 266 271 275 275 275 279 286 287 294

PARTEA a III-a. ELEMENTE DE REGLARE ALE TRANSMISIILOR HIDRAULICE11. ELEMENTE DE REGLARE A PRESIUNII ....................................... 11.1. Construcie, funcionare i clasificare .............................................. 309 309

1411.2. Calculul supapelor normal-nchise monoetajate .............................. 44. Formularea problemei ...................................................................... 45. Analiza i sinteza supapelor normal-nchise cu ventil conic ...................................................................... Aplicaia 11.1. Simularea numeric a comportrii dinamice a unei supape normal-nchise cu ventil conic ........................................... 12. ELEMENTE DE REGLARE A DEBITULUI ..................................... 12.1. Distribuitoare hidraulice .................................................................. 46. Definire i clasificare ........................................................................ 47. Structura i comanda distribuitoarelor direcionale ........................... 48. Caracteristici statice i dinamice ale distribuitoarelor direcionale ........................................................................... Aplicaia 12.1. Calculul forei de comand a unui distribuitor cu sertar cilindric ..................................................................................... 12.2. Distribuitoare hidraulice de reglare alimentate la presiune constant ....................................................................... 49. Scheme constructive i structurale .................................................... 50. Caracteristicile hidraulice ale droselelor cu sertar cilindric i ferestre dreptunghiulare ....................................... 12.2.3. Analiza general a distribuitoarelor hidraulice cu sertar cilindric ................................................................... 12.2.4. Analiza distribuitoarelor ideale cu sertar cilindric i centrul nchis critic ............................................................ 12.2.5. Caracteristicile reale ale distribuitoarelor cu centrul nchis critic ................................................................ 12.3. Regulatoare de debit ........................................................................ Aplicaia 12.2. Analiza comportrii n regim staionar i tranzitoriu a unui regulator de debit cu dou ci ..................................... 14. SERVOMECANISME MECANOHIDRAULICE .............................. 13. AMLIFICATOARE ELECTROHIDRAULICE .................................. 11. Definire i clasificare ......................................................................... 12. Amplificatoare electrohidraulice cu bobin mobil ............................ 13. Amplificatoare electrohidraulice cu motoare de cuplu ....................... 14. Amplificatoare electrohidraulice cu electromagnei proporionali .................................................................................... Aplicaia 13.1. Determinarea caracteristicii de regim staionar a unui amplificator electrohidraulic rapid cu reacie elastic .................... 51. Definire i clasificare ......................................................................... 52. Probleme de studiu i metode de rezolvare ........................................ 53. Modelarea matematic, analiza liniarizat, simularea numeric i optimizarea dinamicii servomecanismelor hidraulice instalate n condiii ideale ...............................................

Cuprins 312 312 313 331 347 347 347 351 352 355 356 356 359 360 366 369 372 376 415 383 383 383 388 396 409 415 420 420

Cuprins

15

54. Formularea problemei ...................................................................... 420 55. Modelarea matematic ..................................................................... 421 56. Analiza liniarizat ............................................................................. 432 57. Metode de mrire a stabilitii servomecanismelor mecanohidraulice ......................................................................................443 Aplicaia 14.1. Metod de liniarizare a caracteristicii distribuitoarelor cu centrul nchis critic ................................................... 451 14.4. Neliniariti specifice servomecanismelor ....................................... 459 58. Distribuitor cu acoperire pozitiv ...................................................... 468 59. Distribuitor cu limitarea cursei .......................................................... 468 60. Jocuri n lanul de comand i n lanul de execuie .......................... 468 14.5. Modelarea matematic, analiza liniarizat i simularea numeric a dinamicii servomecanismelor mecanohidraulice instalate n condiii reale ................................................................. 471 61. Formularea problemei ...................................................................... 471 62. Modelarea matematic a sistemului .................................................. 471 63. Stabilirea funciei de transfer a sistemului ........................................ 473 64. Studiul numeric al stabilitii sistemului prin criteriul algebric ................................................................... 478 14.5.5. Simularea numeric .............................................................. 483

PARTEA a IV-a. REGLAREA MAINILOR HIDRAULICE 15. STRUCTURA VOLUMICESERVOPOMPELOR I SERVOMOTOARELOR TRANSMISIILOR HIDROSTATICE ................................................. 65. Obiectivele reglrii capacitii mainilor hidraulice volumice ........... 66. Structura dispozitivelor moderne de reglare mecanohidraulice .......... 67. Dispozitive de reglare a debitului ...................................................... 68. Dispozitive de reglare a puterii ......................................................... 69. Dispozitive de reglare a presiunii ...................................................... 15.3. Structura dispozitivelor de reglare electrohidraulice ....................... 70. Structura servopompelor electrohidraulice ....................................... 71. Structura servomotoarelor electrohidraulice ..................................... 16. FORA DE COMAND A SERVOPOMPELOR CU PISTOANE AXIALE .................................................................... 72. Formularea problemei ........................................................................ 73. Metodologia de msurare a forei de comand a servopompelor cu pistoane axiale .................................................... 74. Structura dispozitivului de msurare a forei de comand ................ 75. Metodologia de achiziie i prelucrare a datelor experimentale cu interfaa KEITHLEY-METRABYTE i programul TestPoint for Windows .................................... 493 493 493 493 498 499 500 500 503 507 507 508 508 509

1616.3. Rezultatele ale cercetrilor experimentale ....................................... 17. DINAMICA SERVOPOMPELOR PROPORIONALE REALIZATE CU SUPAPE NORMAL-NCHISE .............................. 76. Soluii constructive moderne ............................................................. 77. Modelarea matematic ....................................................................... AplicaiA 17.1. Simularea numeric a comportrii dinamice .................. 18. DINAMICA SERVOPOMPELOR MECANOHIDRAULICE CU REACIE MECANIC RIGID REALIZATE CU DISTRIBUITOARE CU TREI CI .................................................... 78. Formularea problemei ........................................................................ 79. Modelarea matematic ....................................................................... Aplicaia 18.1. Simularea numeric a comportrii dinamice a servopompelor mecanohidraulice cu reacie mecanic rigid realizate cu distribuitoare cu trei ci ........................................................ 19. ANALIZA SERVOPOMPELOR MECANOHIDRAULICE ECHIPATE CU REGULATOARE DE PUTERE .............................. 80. Formularea problemei ........................................................................ 81. Caracteristica de regim staionar a regulatorului ............................... 82. Alegerea parametrilor resoartelor pentru o putere dat ....................... 83. Modelul matematic al comportrii dinamice a regulatorului .............. 84. Ecuaia de micare ............................................................................ 85. Ecuaia de continuitate ..................................................................... 19.5. Analiza liniarizat a comportrii dinamice a regulatorului .............. Aplicaia 19.1. Formularea problemei simulrii numerice a comportrii dinamice a regulatorului cu ajutorul modelului neliniar ......................... 19.6. Modelul matematic al supapei de limitare a presiunii cu sertar cilindric ............................................................................. 19.7. Dinamica unei transmisii hidrostatice echipat cu regulator de putere .......................................................................... 86. Formularea problemei ...................................................................... 87. Calculul regimului staionar al sistemului ......................................... 88. Calculul regimului tranzitoriu al sistemului ...................................... 89. Simularea numeric a comportrii dinamice a transmisiei hidrostatice echipat cu regulator de putere .......................... Aplicaia 19.2 Simularea numeric a comportrii dinamice a unei servopompe realizat cu regulator de putere ........................................... 20. ANALIZA SERVOPOMPELOR MECANOHIDRAULICE ECHIPATE CU REGULATOARE DE PRESIUNE .......................... 15. Formularea problemei ........................................................................ 16. Regimul staionar al servopompei echipate cu regulator de presiune ......................................................................................

Cuprins 512 521 521 521 530

537 537 537 541 545 545 547 551 554 554 561 561 567 568 571 571 573 575 576 576 603 603 603

Cuprins 90. Caracteristica de regim staionar a pompei ....................................... 91. Caracteristica de regim staionar a supapei ....................................... 92. Caracteristica de regim staionar a pistonului cilindrului hidraulic al regulatorului ...................................... 93. Caracteristica de regim staionar a droselului de comand .... 94. Ecuaia de continuitate n regim staionar ......................................... 20.3. Regimul tranzitoriu al transmisiei hidrostatice echipate cu regulator de presiune ................................................................... Aplicaia 20.1. Simularea numeric a comportrii dinamice a unei servopompe realizate cu regulator de presiune ................................ 21. ANALIZA SERVOPOMPELOR ELECTROHIDRAULICE RAPIDE .................................................... 95. Formularea problemei ........................................................................ 96. Modelarea matematic ....................................................................... Aplicaia 21.1. Simularea numeric a comportrii dinamice a unei servopompe electrohidraulice rapide ....................................................... 22. CERCETRI EXPERIMENTALE ASUPRA SERVOMECANISMELOR ELECTROHIDRAULICE RAPIDE ..... 97. Structura servomecanismului ncercat ............................................... 98. Performanele statice i dinamice ale servomecanismului ncercat ............................................................................................. 23. CERCETRI EXPERIMENTALE ASUPRA SERVOPOMPELOR ELECTROHIDRAULICE RAPIDE ............... 99. Structura servopompei ncercate ........................................................ 100.Performanele statice i dinamice ale servopompei ncercate ............ 24. ANALIZA SERVOPOMPELOR ELECTROHIDRAULICE LENTE ................................................................................................... 101.Structura servopompelor electrohidraulice lente ............................... 102.Modelarea matematic ...................................................................... Aplicaia 24.1. Simularea numeric a comportrii dinamice a unei servopompe electrohidraulice lente ......................................................... 25. CERCETRI EXPERIMENTALE ASUPRA SERVOMECANISMELOR ELECTROHIDRAULICE LENTE CU SARCIN ELASTIC .................................................... 103.Structura servomecanismului ncercat ............................................... 104.Performanele statice i dinamice ale servomecanismului ncercat ............................................................................................

17605 606 607 608 609 609 611 621 621 622 625 633 633 636 643 643 646 651 651 655 658

663 663 666

1826. DINAMICA SERVOMOTOARELOR DE CAPACITATE CONSTANT COMANDATE PRIN AMPLIFICATOARE ELECTROHIDRAULICE ................................................................... 105.Formularea problemei ....................................................................... 106.Modelarea matematic ...................................................................... 107.Acordarea regulatorului electronic ..................................................... 27. CALCULUL SERVOMOTOARELOR HIDRAULICE DE CAPACITATE CONSTANT CU REACIE DE POZIIE ............ 27.1. Un nou tip de servomotor mecanohidraulic rotativ cu reacie mecanic rigid ............................................................... 27.2. Modelarea matematic .................................................................... 28. DINAMICA SERVOMOTOARELOR HIDRAULICE DE CAPACITATE VARIABIL CU REACIE DE FOR ................. 108.Formularea problemei ....................................................................... 109.Modelarea matematic ...................................................................... Aplicaia 28.1. Simularea numeric a comportrii n regim dinamic a unui servomotor hidraulic de capacitate variabil cu reacie de for ..................................................................... 29. CONCEPIA TRANSMISIEI HIDROSTATICE A UNUI UTILAJ MOBIL ........................................................................ 29.1. Formularea problemei ..................................................................... 110.Date caracteristice ............................................................................ 111.Obiective caracteristice .................................................................... 29.2. Stabilirea schemei hidraulice a transmisiei hidrostatice .................. 29.3 Dimensionarea principalelor componente ale sistemului ................. 112.Dimensionarea motoarelor hidraulice .............................................. 113.Dimensionarea pompei principale .................................................... 29.4. Justificarea soluiilor de principiu i constructive adoptate ............. 29.4.1. Justificarea soluiilor de principiu i constructive adoptate pentru pompa principal ......................................... 29.4.2. Justificarea soluiilor de principiu i constructive adoptate pentru motoarele hidraulice .................................... 29.4.3. Justificarea soluiilor de principiu i constructive adoptate pentru dispozitivul de reglare a capacitii pompei principale .................................................................. Aplicaia 29.1. Proiectul pompei principale a unei transmisii hidrostatice .............................................................................. 114.Etapele concepiei pompei principale ................................................ 115.Calculul subansamblului rotitor ......................................................... 116.Calculul diametrului discului de antrenare ....................................... 117.Calculul diametrului blocului cilindrilor .......................................... 118.Calculul unghiului de oscilaie al bielelor n pistoane ......................

Cuprins

673 673 674 677 681 681 682 693 693 693 700 705 705 705 705 706 709 709 714 715 715 718 720 721 721 722 722 722 723

Cuprins 119.Calculul coeficientului de neuniformitate a debitului ....................... 723 120.Calculul frecvenei impulsurilor de debit ......................................... 723 121.Exemplu de calcul pentru pompa F 220 K2 ..................................... 723 3. Calculul sistemului de distribuie .......................................................... 725 122.Stabilirea soluiei de principiu pentru sistemul de distribuie ........... 725 123.Calculul unghiurilor de acoperire a distribuiei ................................. 726 124.Calculul dimensiunilor fantelor i ferestrelor de distribuie .............. 727 125.Calculul resortului din blocul cilindrilor .......................................... 730 126.Exemplu de calcul pentru pompa F 220 K2 ..................................... 730 4. Calculul de rezisten al arborelui pompei ............................................ 734 127.Calculul unghiurilor de dispunere a pistoanelor ............................... 734 128.Calculul componentelor forelor de presiune .................................... 735 129.Calculul reaciunilor ......................................................................... 737 130.Exemplu de calcul pentru pompa F 220 K2 ..................................... 738 131.Calculul eforturilor n seciunile caracteristice ale arborelui ............ 739 5. Calculul lagrelor principale ................................................................. 741 132.Calculul durabilitii rulmenilor ...................................................... 741 133.Calculul capacitii de ncrcare dinamic de baz .......................... 741 134.Exemplu de calcul pentru pompa F 220 K2 ..................................... 742 135.Calculul lagrelor carcasei basculante ............................................... 746 136.Calculul dispozitivului de reglare a capacitii pompei principale .... 750 137.Dimensionarea dispozitivului de reglare a capacitii pompei principale ..........................................................................................750 138.Exemplu de calcul pentru pompa F 220 ........................................... 752 139.Studiul comportrii dinamice a dispozitivului de reglare a capacitii pompei principale ..................................................... 756 Anexe ....................................................................................................... 759 Desene ...................................................................................................... 769 BIBLIOGRAFIE

19

PREFA

Primul volum al cursului este rezervat fundamentelor sistemelor de acionare, comand i reglare hidraulice, precum i aplicaiilor de larg utilitate practic ale acestora. n contextul extinderii vertiginoase a transmisiilor hidrostatice n cele mai variate domenii industriale, autorii au abordat, cu instrumentele moderne ale teoriei sistemelor, modelarea, simularea, identificarea experimental i sinteza sistemelor hidraulice de transmitere a energiei prin intermediul lichidelor sub presiune. Noiunea de sintez are un coninut larg. Din punct de vedere practic, ea se refer la ansamblul de activiti creatoare finalizate printr-o documentaie tehnic minimal, suficient n condiii tehnice, economice i sociale date. Datorit complexitii fenomenelor asociate curgerii lichidelor n domeniile specifice transmisiilor hidraulice volumice, stabilirea unei soluii structurale optime, corespunztoare unor condiii date, se face iterativ, etapele de sintez alternnd cu cele de analiz. Sinteza raional necesit cunoaterea profund a construciei i funcionrii elementelor transmisiilor hidraulice volumice. Totui, principalul obiectiv al sintezei - satisfacerea unor performane impuse - nu poate fi atins cu eforturi rezonabile fr modelarea matematic i simularea numeric. O metodologie ideal de sintez trebuie s fie analitic i s se reduc n fond la rezolvarea direct sau iterativ a unor sisteme de ecuaii i inecuaii ale cror necunoscute sunt parametrii sistemului (geometrici, hidraulici, mecanici, electrici, etc.). Stabilirea parametrilor constructivi ai unei transmisii hidraulice volumice implic rezolvarea sistemului de ecuaii difereniale care descriu comportarea sa dinamic. Caracterul neliniar al ecuaiilor uzuale impune utilizarea calculatoarelor numerice. Parametrii constructivi sunt ajustai pn cnd performanele calculate (rezerva de stabilitate, viteza de rspuns, precizia etc.) sunt satisfctoare. n general, comportarea real difer de cea teoretic, fiind necesare iteraii ndelungi i costisitoare ce includ calculul, proiectarea constructiv, execuia i ncercarea. Este posibil reducerea considerabil a acestor eforturi cu ajutorul analizei dinamice liniare. Dei informaiile obinute pe aceast cale sunt aproximative, ele constituie o premiz fundamental a utilizrii raionale i eficiente a calculatoarelor. n aceast lucrare, cele dou metode de cercetare sunt utilizate n mod complementar, att n scopul stabilirii unor criterii de sintez generale, ct i pentru construirea unei imagini concrete a influenei parametrilor constructivi asupra comportrii dinamice reale a transmisiilor hidraulice volumice. Instrumentul fundamental de calcul numeric utilizat de autori este pachetul de programe MATLAB cu extensiile sale: SIMULINK, CONTROL TOOLBOX, IDENTIFICATION TOOLBOX etc. Cel mai important instrument de experimentare utilizat de autori este interfaa de achiziie a datelor experimentale KEITHLEY, controlat cu pachetul de programe TEST POINT.

Autorii mulumesc i pe aceast cale numeroilor colegi i colaboratori care au contribuit - direct sau indirect - la apariia acestei lucrri interdisciplinare. Dintre acetia se detaeaz cteva nume: dr.ing.mat. Constantin Clinoiu, dr.ing. Petrin Drumea, .l.dr.ing. Constantin Drgoi, dr.ing. Cristian Rou i tehn. pr. Valentin Petica. Autorii i exprim sperana c eforturile lor vor fi utile specialitilor implicai n concepia, execuia, implementarea i exploatarea transmisiilor hidrostatice, precum i studenilor, doctoranzilor i cadrelor didactice de profil. Orice apreciere constructiv, transmis prin [email protected], este binevenit pentru depirea propriilor limite.

1INTRODUCERE1.1. STRUCTURA TRANSMISIILOR HIDRAULICE I PNEUMATICECaracteristicile mecanice relativ rigide ale mainilor de for sunt adaptate la cerinele variabile ale mainilor de lucru prin intermediul transmisiilor (fig. 1.1).

Fig. 1.1. Schema unui sistem care include o transmisie: MF main de for; T transmisie; ML main de lucru.

Fig. 1.2. Caracteristica mecanic a unei maini de for.

Caracteristica mecanic a unei maini de for reprezint dependena dintre momentul furnizat la arbore, M, i turaia acestuia, n. Dependena poate fi bidimensional (o curb) sau tridimensional (o suprafa), dac maina de for are posibilitatea reglrii unui parametru funcional. De exemplu, caracteristica de regim staionar a unui motor Diesel (fig. 1.2) este o familie de curbe care reprezint intersecia suprafeei caracteristice, M = f (n, ), cu plane corespunztoare meninerii constante a gradului de admisie (volumul relativ de combustibil injectat n cilindri la fiecare ciclu). n prezent, sunt utilizate pe scar larg transmisiile mecanice, electrice, hidraulice i pneumatice. Principalele tipuri de maini de for, transmisii i maini de lucru sunt inventariate n figura 1.3. Transmisiile hidraulice i cele pneumatice utilizeaz lichide, respectiv gaze, pentru transferul de energie ntre intrare i ieire, care sunt supuse unei duble transformri energetice. n prima faz, fluidul primete energie mecanic, mrindu-i energia specific ntr-o main hidraulic sau pneumatic de lucru (pomp sau compresor); ulterior, fluidul cedeaz energia dobndit unui motor hidraulic sau pneumatic. Transformrile energetice sunt afectate de pierderi inerente de energie.

24

Actionari hidraulice si pneumatice

Fig. 1.3. Clasificarea principalelor tipuri de maini de for, transmisii i maini de lucru.

Introducer e

25

ntr-o transmisie hidraulic, o pomp transform energia mecanic furnizat de maina de for n energie hidraulic; aceasta este retransformat n energie mecanic de un motor hidraulic care antreneaz maina de lucru. Structura transmisiilor pneumatice este similar: un compresor antrenat de maina de for alimenteaz cu gaz un motor pneumatic care acioneaz maina de lucru. Exist i sisteme de acionri pneumatice formate n esen din generatoare de gaze i motoare pneumatice (de ex. cele utilizate pentru dirijarea unor rachete). Parametrii energiei mecanice furnizate de aceste transmisii pot fi reglai continuu i n limite largi prin mijloace relativ simple. Flexibilitatea constituie un avantaj esenial al transmisiilor hidraulice i pneumatice fa de cele mecanice, asigurndu-le o larg utilizare, dei principiul lor de funcionare implic randamente relativ mici. n funcie de tipul mainilor hidraulice utilizate, transmisiile hidraulice pot fi: hidrostatice (volumice), hidrodinamice sau hidrosonice. Dac mainile hidraulice (pompa i motorul), care constituie elementele fundamentale ale transmisiei hidraulice, sunt de tip volumic, transmisia se numete uzual hidrostatic sau volumic, deoarece energia mecanic furnizat de maina de for este utilizat de o pomp volumic practic numai pentru creterea energiei de presiune a lichidului vehiculat; aceasta este retransformat n energie mecanic de un motor hidraulic volumic (fig. 1.4).

Fig. 1.4. Schema unei transmisii hidrostatice: THS transmisie hidrostatic; BCRP - bloc de comand, reglare i protecie; PV - pomp volumic; MV - motor volumic; SLP - supap de limitare a presiunii; ML - maina de lucru; EM electromotor. Termenul "hidrostatic" este impropriu (transmiterea energiei se face prin circulaia unui lichid care n numeroase elemente de reglare i protecie atinge viteze de ordinul sutelor de metri pe secund), dar este larg folosit n practic. n cazul utilizrii unei pompe centrifuge i a unei turbine hidraulice, transmisia se numete hidrodinamic, deoarece n cursul transformrilor energetice

26


variaia energiei cinetice a lichidului este comparabil cu cea a energiei de presiune (fig. 1.5). Energia mai poate fi transmis prin intermediul unui lichid i cu ajutorul undelor de presiune generate de o pomp "sonic" i recepionate de un motor "sonic", transmisia numindu-se n acest caz "sonic" (fig. 1.6).

Fig. 1.5. Schema unei transmisii hidrodinamice: PCF - pomp centrifug; TCP - turbin centripet; BR - bloc de reglare; THD - transmisie hidrodinamic.

Fig. 1.6. Schema unei transmisii sonice: 1 - pomp sonic; 2 - motor sonic. Inventatorul transmisiilor sonice este inginerul romn Gogu Constantinescu, care le-a aplicat ndeosebi n domeniul militar (de exemplu, pentru sincronizarea tirului balistic cu elicele avioanelor monomotoare). Cea mai important aplicaie practic a inveniilor brevetate de G. Constantinescu este pompa de injecie pentru motorul Diesel.

Introducer e

27

Transmisiile "pneumostatice" utilizeaz maini pneumatice volumice, iar cele "pneumodinamice" - turbomaini pneumatice, existnd i soluii mixte (compresor volumic - turbin pneumatic).

1.2. CLASIFICAREA TRANSMISIILOR HIDRAULICE I PNEUMATICEIn cadrul transmisiilor hidrostatice i pneumostatice se disting, din punctul de vedere al teoriei sistemelor automate, sisteme de acionare, sisteme de comand i sisteme de reglare automat. Sistemele de acionare i comand hidrostatice i pneumostatice sunt sisteme cu circuit deschis, n sensul c mrimea de intrare, care impune regimul de funcionare al sistemului, nu este influenat de efectul aciunii sale; datorit perturbaiilor inerente, mrimea de ieire nu poate fi corelat n mod univoc cu mrimea de intrare. Sistemele de acionare hidrostatice i pneumostatice transmit n general puteri mari, randamentul lor fiind un parametru important, utilizat obligatoriu n comparaia cu alte tipuri de transmisii. Sistemele de comand hidrostatice i pneumostatice transmit n general puteri mici, iar motoarele acestora acioneaz asupra elementelor de comand ale altor transmisii care vehiculeaz puteri mult mai mari. Sistemele de reglare automat hidrostatice i pneumostatice sunt sisteme cu circuit nchis, deci conin o legtur de reacie care permite compararea, continu sau intermitent, a mrimii de intrare cu cea de ieire; diferena dintre acestea (eroarea) constituie semnalul de comand al amplificatorului sistemului, care alimenteaz elementul de execuie n scopul anulrii erorii; astfel, precizia acestor sisteme este ridicat (n regim staionar, relaia dintre mrimea de intrare i cea de ieire este practic biunivoc). Parametrii reglai uzual sunt: poziia, viteza unghiular (liniar), momentul arborelui (fora tijei) motorului hidrostatic sau pneumostatic, puterea consumat de transmisie de la maina de for etc. n continuare, transmisiile hidrostatice vor fi numite "hidraulice", iar transmisiile pneumostatice "pneumatice". Pentru fiecare dintre sistemele analizate se prezint cte o schem tipic (fig. 1.7, 1.8 i 1.9).

1.3. AVANTAJELE I DEZAVANTAJELE TRANSMISIILOR HIDRAULICE I PNEUMATICETransmisiile hidraulice i pneumatice au cteva caracteristici specifice, care le difereniaz de alte tipuri de transmisii, explicnd att larga lor rspndire ct i restriciile de utilizare. Locul transmisiilor hidraulice i pneumatice n cadrul transmisiilor poate fi stabilit pe baza mai multor criterii de natur practic.


1.3.1. Avantaje140.Posibilitatea amplasrii motoarelor hidraulice volumice ntr-o poziie oarecare fa de mainile de for constituie un avantaj major al transmisiilor hidraulice fa de cele mecanice, simplificnd considerabil proiectarea mainilor de lucru. 141.Elementele de comand ale transmisiilor hidraulice solicit operatorilor fore sau momente reduse i pot fi amplasate n locuri convenabile, conferind mainilor de lucru caliti ergonomice deosebite. 142.Cuplul realizat de motoarele electrice rotative este proporional cu intensitatea curentului absorbit, fiind limitat de nclzirea izolaiei i de saturaia circuitului magnetic. Cuplul dezvoltat de motoarele hidraulice volumice rotative este proporional cu diferena de presiune dintre racordurile energetice, fiind limitat numai de eforturile admisibile ale materialelor utilizate. 143.Cldura generat de pierderile interne, care limiteaz performanele oricrei maini, este preluat de lichidul vehiculat i cedat mediului ambiant printr-un schimbtor de cldur amplasat convenabil; ca urmare, mainile volumice au frecvent puteri specifice mai mari de 1 kW/kg. 144.Lichidele utilizate n transmisiile hidraulice tipice ndeplinesc i rolul de lubrifiant, asigurndu-le o funcionare ndelungat. 145.Motoarele volumice rotative pot funciona ntr-o gam larg de turaii; valoarea turaiei minime stabile depinde de tipul mecanismului utilizat pentru realizarea camerelor de volum variabil, de tipul sistemului de distribuie i de precizia execuiei.Datorit scurgerilor relativ mici, randamentul volumic al acestor motoare are valori ridicate, iar caracteristica mecanic (M-n) are o pant redus; aceasta confer motoarelor volumice rotative o mare rigiditate static (scderea turaiei la creterea momentului rezistent este mic). n sistemele de reglare automat a poziiei, aceast calitate asigur o precizie deosebit i o sensibilitate redus la perturbaii. 146.Motoarele electrice rotative realizeaz o legtur proporional ntre tensiune i turaie, iar raportul dintre momentul activ i momentul de inerie al prilor mobile are o valoare redus. Motoarele volumice rotative ofer o legtur liniar ntre debit i viteza unghiular, iar raportul dintre momentul activ i cel de inerie al prilor mobile are o valoare foarte mare, datorit creia aceste motoare pot realiza porniri, opriri i inversri de sens rapide. n ansamblu, transmisiile hidraulice asigur o amplificare mare n putere (putere util/putere de comand) i un rspuns bun n frecven, suficient pentru aplicaiile practice uzuale. 8. Motoarele hidraulice volumice liniare permit obinerea unor fore considerabile cu un gabarit foarte redus, datorit presiunilor mari de lucru. Raportul dintre forele active i forele de inerie ale prilor mobile are valori ridicate, asigurnd o vitez de rspuns mare, specific sistemelor de poziionare rapid.

Introducer e

29

VY DEH

ML

"la operator (automat programabil ]

Fig. 1.7. Schema unui sistem de acionare hidraulic: SAH-sistem de acionare hidraulic; CHDE-cilindru hidraulic cu dublu efect i tij bilateral; MLmaina de lucru; DEH-distribuitor electrohidraulic; EMA, EMB-electromagnei; MF-maina de for; SLP-supap de limitare a presiunii; FA-filtru de aspiraie; FRT-filtru de retur; R-rezervor; PV-pompa volumic.

Fig. 1.8. Schema unui sistem de comand hidraulic cuplat cu un sistem de acionare hidraulic.

30


==0Fig. 1.9. Schema unui sistem de reglare hidraulic: a) Schema bloc: EP-element de prescriere; EC-element de comparaie; AE-amplificator de eroare; EE-element de execuie; IT-instalaie tehnologic; T-traductor; i-mrimea de intrare; e-mrimea de ieire; teroarea; m-masa echivalent a sarcinii redus la tija pistonului; b) Schema hidraulic echivalent: CHDE-cilindru hidraulic cu dublu efect; AEHamplificator electrohidraulic; DE-bloc electronic; AHP-acumulator hidropneumatic; FR-filtru de refulare; SLP-supapa de limitare a presiunii; PV-pompa volumic.

Introducer e

31

Scurgerile interne ale acestor motoare sunt foarte mici, astfel c randamentul lor volumic este apropiat de unitate, viteza minim stabil este foarte redus, iar rigiditatea static este foarte mare. 9. Reglarea parametrilor funcionali ai motoarelor volumice se face relativ simplu, utiliznd fie pompe reglabile, fie rezistene hidraulice reglabile. Transmisiile hidraulice pot fi conduse cu automate programabile sau calculatoare industriale prin intermediul amplificatoarelor electrohidraulice (conver-toare electrohidraulice cu factor mare de amplificare n putere). Acest avantaj este valorificat n prezent pe scar larg n domeniul mainilor-unelte, roboilor industriali, n tehnica aerospaial, n energetic etc. Elaborarea semnalelor de comand se face optim pe cale electronic, iar executarea comenzilor - pe cale hidraulic (nervi electronici + muchi hidraulici). Stocarea energiei hidraulice se realizeaz simplu, n acumulatoare hidropneumatice. Motoarele volumice rotative le concureaz pe cele electrice, ndeosebi n cazul mainilor de lucru mobile, unde gabaritul i greutatea componentelor trebuie s fie minime. Motoarele volumice liniare sunt utilizate n toate aplicaiile care necesit fore importante. 10. Motoarele pneumatice volumice sunt compacte, acest avantaj fiind valorificat ndeosebi n cazul sculelor portabile. Posibilitatea utilizrii acestor motoare n uzine este favorizat de existena reelelor de distribuie a aerului comprimat. 11. Viteza i fora sau cuplul motoarelor pneumatice volumice pot fi reglate simplu i n limite largi. Funcionarea n ciclu automat este favorizat de existena elementelor logice pneumatice, precum i a amplificatoarelor electropneumatice discrete sau continue. Fiind nepoluante, motoarele pneumatice volumice sunt larg utilizate n instalaiile nepoluante sau antiexplozive, specifice industriei alimentare, chimice, miniere, petroliere, energetice etc. 12. Utilizarea pe scar larg a transmisiilor hidraulice i pneumatice, creeaz posibilitatea tipizrii, normalizrii i unificrii elementelor acestora. Fabricaia de serie mare n ntreprinderi specializate poate reduce substanial costul, asigurnd n acelai timp o calitate ridicat.

1.3.2. Dezavantaje1. Transmisiile hidraulice sunt scumpe deoarece includ, n afara pompelor i motoarelor volumice, elemente de comand, reglare i protecie, elemente de stocare, filtrare i transport al lichidului. Majoritatea acestor componente necesit o precizie de execuie ridicat (specific mecanicii fine), materiale i tehnologii neconvenionale, necesare asigurrii preciziei, randamentului i siguranei funcionale impuse.

32


147.Pierderile de putere care apar n cursul transformrilor energetice din mainile hidraulice volumice, precum i n elementele de legtur, reglare i protecie, afecteaz semnificativ randamentul global al mainilor de lucru echipate cu transmisii hidraulice. 148.Transmisiile hidraulice sunt poluante, deoarece au scurgeri, existnd ntotdeauna pericolul pierderii complete a lichidului datorit neetaneitii unui singur element. 149.Ceaa de lichid care se formeaz n cazul curgerii sub presiune mare prin fisuri este foarte inflamabil, datorit componentelor volatile ale hidrocarburilor care constituie baza majoritii lichidelor utilizate n transmisiile hidraulice. 150.Pericolul autoaprinderii lichidului sau pierderii calitii sale lubrifiante limiteaz superior temperatura de funcionare a transmisiilor hidraulice. Acest dezavantaj poate fi evitat prin utilizarea lichidelor de nalt temperatur sau a celor neinflamabile concepute relativ recent. 151.Contaminarea lichidului de lucru constituie principala cauz a uzurii premature a transmisiilor hidraulice. n cazul n care contaminantul este abraziv, performanele transmisiei se reduc continuu datorit creterii jocurilor. nfundarea orificiilor de comand ale elementelor de reglare furnizeaz semnale de comand false care pot provoca accidente grave. 152.Ptrunderea aerului n lichidul de lucru genereaz oscilaii care limiteaz sever performanele dinamice ale transmisiilor hidraulice. 153.ntreinerea, depanarea i repararea transmisiilor hidraulice necesit personal de calificare specific, superioar celei corespunztoare altor tipuri de transmisii. 154.Complexitatea metodelor de analiz i sintez a transmisiilor hidraulice nu permite elaborarea unei metodologii de proiectare accesibil fr o pregtire superioar. 155.Principalul dezavantaj al transmisiilor pneumatice este randamentul foarte sczut. 156.Nivelul redus al presiunii de lucru limiteaz forele, momentele i puterile transmise. 157.Compresibilitatea gazelor nu permite reglarea precis, cu mijloace simple, a parametrilor funcionali ai transmisiilor pneumatice, ndeosebi n cazul sarcinilor variabile. 158.Aerul nu poate fi complet purificat, contaminanii provocnd uzura i coroziunea continu a elementelor transmisiilor pneumatice. 159.Apa, prezent totdeauna n aer, pune n mare pericol funcionarea sistemelor pneumatice prin ngheare. Transmisiile pneumatice le concureaz pe cele electrice la puteri mici, ndeosebi n cazurile cnd sunt necesare deplasri liniare realizabile simplu cu ajutorul cilindrilor pneumatici. Alegerea tipului optim de transmisie, pentru condiii concrete date, reprezint, n principiu, o problem de natur tehnico - economic, a crei soluionare corect necesit cunoaterea detaliat a caracteristicilor tuturor soluiilor posibile.

2LICHIDELE UTILIZATE N TRANSMISIILE HIDRAULICE2.1. PROPRIETILE NECESARE LICHIDELOR UTILIZATE N TRANSMISIILE HIDRAULICELichidele vehiculate n circuitele energetice i de comand ale transmisiilor hidraulice, numite curent hidraulice, de lucru sau funcionale sufer ciclic variaii importante de presiune, vitez i temperatur, vin n contact cu diferite materiale i pot fi expuse cmpului electromagnetic, radiaiilor nucleare, etc. Condiiile dificile de utilizare impun lichidelor funcionale urmtoarele cerine: caliti lubrifiante; viscozitate acceptabil n orice condiii de funcionare ale sistemului; proprieti fizice i chimice stabile; compatibilitate cu materialele sistemului; compresibilitate, volatilitate, tendin de spumare, densitate, coeficient de dilatare termic, pre i toxicitate reduse; caliti antioxidante i dielectrice; stocare i manipulare simple. n prezent exist o gam larg de lichide funcionale, aparinnd din punct de vedere chimic mai multor clase, dar nici unul nu prezint toate calitile necesare unei transmisii date. Ca urmare, alegerea unui lichid constituie n general un compromis care asigur satisfacerea cerinelor eseniale, dar impune restricii structurii sistemului i condiiilor de utilizare. Datele hotrtoare n alegerea unui lichid sunt: gama temperaturilor de utilizare i stocare, normale i accidentale; gama de presiuni i depresiuni la care este supus lichidul n regim normal i accidental; cerinele anumitor materiale sau elemente componente ale sistemului; cerinele de siguran; condiii economice. Dac mai multe lichide satisfac comparabil aceste cerine, opiunea final este determinat de ndeplinirea celorlalte criterii.

2.2. PROPRIETILE FUNDAMENTALE ALE LICHIDELOR FUNCIONALE 2.2.1. ViscozitateaViscozitatea este proprietatea fluidelor de a se opune deformrilor ce nu constituie variaii ale volumului lor, prin dezvoltarea unor eforturi tangeniale. Fora necesar deplasrii unui strat de arie A, cu viteza du fa de un strat adiacent situat la distana dn este proporional cu aria A, cu gradientul vitezei dup normala la direcia de curgere, du/dn (viteza de deformare) i cu viscozitatea dinamic a fluidului, :

34


F = TI-A du

(2.1)

Unitatea SI a viscozitii dinamice se numete poiseuille: 1Pl=1kg m-1s-1, iar unitatea CGS - poise: 1Po=1 g cm-1s-1. Cercetri recente urmresc definirea viscozitii de dilataie care pare a genera pierderi de energie cnd se impun fluidelor variaii de volum f r deformare. Dac viscozitatea nu depinde de viteza de deformare, fluidul se numete newtonian. Apa, uleiurile minerale pure i alte lichide larg utilizate n tehnic satisfac aceast condiie. Numeroase lichide funcionale, ndeosebi cele sintetice, conin aditivi cu greuti moleculare mari, datorit crora au un caracter nenewtonian; n general viscozitatea lor scade cu viteza de deformare. Aceast caracteristic poate fi temporar sau remanent i corespunde fie fragmentrii, fie rearanjrii moleculelor mari datorit turbulenei extreme, caracteristic elementelor de reglare. n practic se utilizeaz curent viscozitatea cinematic definit ca raport ntre viscozitatea dinamic i densitatea lichidului: v=^ (2.2)

Unitatea SI a acestei mrimi este 1 m2s-1 iar unitatea CGS se numete stokes: 1 St = 1cm2s-1. Tabelele practice indic valoarea viscozitii cinematice n centistokes: 1 cSt = 10-2 St = 1 mm2s-1. De asemenea, se utilizeaz nc uniti de msur tehnice, necorelate cu definiia fizic a viscozitii, ci cu aparatele sau procedeele de msur utilizate: grade Engler (n Europa), secunde Redwood (n Marea Britanie), secunde Saybold (n SUA) i uniti Barbey (n Frana). Conversia acestora n centistokes este indicat n figura 2.1. n calcule aproximative se poate utiliza relaia de transformare: v[ m2.s^7,410S[0E] care conine n membrul drept viscozitatea exprimat n grade Engler oE. Viscozitatea este o caracteristic esenial a lichidelor funcionale deoarece asigur portan lagrelor, limiteaz pierderile de lichid prin elementele de etanare i genereaz fore care amortizeaz oscilaiile parametrilor funcionali; n acelai timp, ea provoac pierderi de energie n spaiile dintre piesele n micare relativ i n conducte, neliniarizeaz caracteristicile orificiilor de comand .a. Viscozitatea lichidelor scade rapid cu temperatura (fig. 2.2) i crete ntr-o msur mult mai mic cu presiunea (fig. 2.3). La temperaturi nalte scurgerile interne ale mainilor hidraulice volumice i elementelor de distribuie altereaz prohibitiv randamentul transmisiilor, iar scderea capacitii portante a peliculelor lubrifiante poate provoca griparea diferitelor mecanisme ale acestora. Viscozitatea excesiv care apare la temperaturi joase genereaz pierderi mari de sarcin care creeaz dificulti de aspiraie pompelor (cavitaie), reduce viteza motoarelor i

Lichidele utilizate n transmisiile hidraulice4UU U

35

200 -B Ed

"ftc Ra si /'^Es

5f

/1

j12 10 20 5 50 10 20 100 200 50 100 200 500 1000 Scara I 500 1000 2000 500010000 Scarall

/ Reperul curbei Ed Es B Su Sf Rc Rd Scara I II I II I II I

Unitatea Engler grade Secunde Barbey Saybolt universal Furol Redwood comercial Naval

Fig. 2.1. Diagrama de conversie a unitilor de msur tehnice ale viscozitii n centistokes.

Fig. 2.2. Variaia viscozitii lichidului AMG 10 cu temperatura.

Fig. 2.3. Variaia viscozitii unui ulei mineral cu presiunea.

randamentul transmisiilor. Aceste fenomene explic interesul major pentru lichidele a cror viscozitate variaz puin cu temperatura. Pentru evaluarea acestei caliti au fost propui mai muli indici de viscozitate. Cel mai simplu dintre acetia este negativul pantei geometrice medii a curbei de variaie a viscozitii cu temperatura, reprezentat n coordonate log (log ) T pe o diagram tip ASTM (American Society for testing material standards on petroleum products and

36


lubricants - Societatea american pentru standarde de ncercare a produselor petroliere i lubrifianilor) (fig. 2.4). Partea util a curbei (T) este n acest sistem de coordonate practic o dreapt pentru majoritatea lichidelor, permind identificarea simpl a lichidului optim din acest punct de vedere. \>IcSt]-50-50 50 75 100 125 150 175 200

tl'C] Fig. 2.4. Diagrama ASTM pentru lichide hidraulice uzuale. Cea mai utilizat msur a variaiei viscozitii cu temperatura este indicele de viscozitate DEAN-DAVIS, definit prin relaia : I=100(

N-) [%]

(2.4)

Exist dou game de lichide etalon, naftenice i parafinice n care se consider dou lichide avnd la 2100F ( 1000C) aceeai viscozitate ca lichidul considerat (fig. 2.5). Se noteaz cu N, P i viscozitatea uleiului naftenic, parafinic i a celui analizat, la 1000F ( 380C). Uleiurile etalon parafinice au indicele de viscozitate 100, iar cele naftenice - zero. Lichidul este cu att mai bun din punct de vedere al variaiei viscozitii cu temperatura, cu ct are indicele de viscozitate mai mare. Unele lichide hidrostatice moderne au I > 100, fiind deci superioare tuturor uleiurilor minerale. Variaia viscozitii cu temperatura T[K] la presiunea atmosferic poate fi aproximat prin relaia:(T) = (T0)e-(T-T0) (2.5)

n care este o constant specific fiecrui lichid, iar T0 - o temperatur oarecare pentru care se cunoate viscozitatea lichidului, (T0). O valoare tipic a constantei

Lichidele utilizate n transmisiile hidraulice

37

X este 0,015 K 1. n intervalul de temperatur 30150 0C, pentru uleiurile minerale se poate utiliza relaia:

( t) = 5 [5 0 0*

n

(2.6)

n care n depinde de viscozitatea v50 a uleiului la temperatura t = 500C, dup curba din figura 2.6.

Fig. 2.5. Diagram pentru definirea indicelui de viscozitate.

Fig. 2.6. Variaia indicelui n n funcie de viscozitatea uleiurilor minerale la 500 C.

Comportarea unui lichid la temperaturi joase este caracterizat prin temperatura la care n cursul rcirii apar cristale (punctul de congelare) i prin temperatura la care lichidul ncepe s curg n cursul unei nclziri consecutive congelrii (punctul de curgere). Lichidele sunt inutilizabile la temperaturi mult mai mari dect aceste temperaturi caracteristice. Practic, se admite c un lichid nu poate fi folosit la viscoziti mai mari de 2000 cSt. Influena presiunii asupra viscozitii poate fi considerat liniar la presiuni p mai mici de 500 bar: v(p) = v(pat )(1 + p - K v ) (2.7) Valoarea coeficientului Kv depinde de viscozitatea lichidului; dac v50 < 15 cSt, Kv = 0,002, iar pentru v50 > 15 cSt, Kv = 0,003. La presiuni mai mari, creterea viscozitii cu presiunea este exponenial. De exemplu, ntre 1 i 2000 bar viscozitatea uleiurilor minerale crete de 50 100 ori, iar a celor sintetice de 15 25 ori. La presiuni cuprinse ntre 20 000 i 30 000 bar uleiurile minerale se solidific. Variaia viscozitii cu temperatura i presiunea conduce la modificarea continu a parametrilor funcionali ai transmisiilor hidraulice.

38 2.2.2. Calitile lubrifiante


Viscozitatea determin n mare msur calitile lubrifiante ale lichidelor la viteze relative mari ale suprafeelor adiacente, dar nu constituie elementul hotrtor la viteze relativ mici i sarcini mari, cnd exist pericolul griprii lagrelor. Pentru prevenirea sau reducerea uzurii acestora se utilizeaz cupluri de materiale antifriciune i se introduc n lichidele lubrifiante "aditivi de ungere". Acizii grai, esterii lor i ali compui organici cu caten lung, care conin clor, plumb, sulf sau staniu ader la suprafeele metalice, mpiedicnd contactul acestora. Un aditiv uzual de acest gen este tricrezilfosfatul. La temperaturile locale ridicate generate de microgripaje, unii compui halogenai se combin cu metalele formnd halogenuri cu punct de topire sczut care netezesc suprafeele n micare relativ. Din pcate aceti aditivi nu au aceeai eficien pentru toate lichidele iar stabilitatea lor chimic este redus. Calitile lubrifiante ale lichidelor se estimeaz cu dispozitive care simuleaz cazuri concrete de lagre, sau cu pompe volumice ale cror performane iniiale sunt garantate de productor (de exemplu pompele cu palete culisante cu dubl aciune VICKERS). Pierderea n greutate a pieselor solicitate la uzur constituie un indiciu asupra calitilor lubrifiante ale lichidului testat. n ara noastr se utilizeaz dispozitive formate dintr-o bil cu diametrul de 12,25 mm care este apsat cu for constant i rotit fa de trei bile identice plasate ntr-un pahar cu lubrifiant. Cuplul necesar rotirii bilei superioare este proporional cu coeficientul de frecare, iar reducerea diametrelor bilelor inferioare este invers proporional cu proprietile lubrifiante ale lichidului ncercat.

2.2.3. Densitatea i compresibilitateaDensitatea unui fluid omogen este egal cu masa unitii de volum:

Unitatea SI a densitii este 1 kg/m3. n condiii normale densitatea uleiurilor minerale este cuprins ntre 830 i 940 kg/m3. Densitatea lichidelor sintetice depinde de compoziia lor chimic. De exemplu, pentru lichidele siliconice = 930 1030 kg/m3 n timp ce unele hidrocarburi clorinate au = 1538 kg/m3 (bifenilii clorinai). Densitatea lichidelor influeneaz greutatea transmisiilor hidraulice (parametru important al instalaiilor mobile). n regim staionar, pierderile de sarcin prin orificii (eseniale n cazul elementelor de distribuie i reglare) sunt invers proporionale cu densitatea. Variaia densitii cu presiunea n regim tranzitoriu genereaz oscilaii mecanice care pot fi neamortizate. Densitatea lichidelor este funcie de presiune i temperatur. Spre deosebire de gaze, a cror ecuaie de stare se deduce cu ajutorul teoriei cineticomoleculare, ecuaia de stare a lichidelor nu poate fi stabilit dect experimental.


39

Totui, se poate utiliza ecuaia obinut prin dezvoltarea n serie Taylor a densitii n jurul valorii iniale p0, reinnd primii trei termeni,

T deoarece varia iile densitii cu presiunea i temperatura sunt mici (p0 i T0 sunt parametrii strii iniiale). Forma uzual a ecuaiei de stare liniarizate este :

p = p0+pPl (p-p0) + f p l (T-T0) d p ?pp = p0[1 + p(p-p0)-a(T-T0)]

(2.9)

(2.10)

n care, prin definiie

P= ( 1P0 V^p/T

(2 .1 1 )(2.11')

este coeficientul de compresibilitate izoterm, exprimat n m2/N, iar a = --(^] P0UTjp este coeficientul de dilatare termic izobar [K1]. Relaia (2.8) devine prin difereniere, pentru m = const., dp = -dV deci cei doi coeficieni caracteristici pot fi definii prin relaiile echivalente P = - (] V0 l dp J (2.13) (2.12)

= 1fVl V UTJ 0 pn care V0 este volumul iniial al lichidului. Mrimea

(2 .1 4 )(2.15)

s = - = - V0 f pPdV

se numete modulul de elasticitate izoterm al lichidului i se exprim n N/m2 (uzual n bar). Se poate defini i un modul de elasticitate adiabat, prin relaia; sa= c , (2.16)

40


dar la lichide raportul cldurilor specifice, determinat experimental, difer prea puin de unitate (1,04 1,15) pentru a fi considerat n calcule practice fa de efectul aerului antrenat i al elasticitii sistemului. Pentru lichidele petroliere, 7810-4 K-1, n intervalul de temperatur t = 02000C. Lichidele sintetice se dilat mai mult la creterea temperaturii; de exemplu, n acelai interval de temperatur, polixiloxaii alchilici au: 9,52 10-4 K1. Variaia densitii cu temperatura trebuie considerat n calculul volumului rezervoarelor. Dac acestea sunt deschise (n legtur cu atmosfera) creterea temperaturii poate provoca deversarea lichidului. n cazul unui rezervor (recipient) nchis, plin cu lichid, diferena dintre coeficientul de dilatare termic al lichidului i cel al rezervorului, r creaz suprapresiunea p = (- T)t (2.17)

care poate distruge rezervorul. n calcule practice, variaia densitii lichidelor pure cu presiunea poate fi neglijat. La o suprapresiune de 200 bar, densitatea lichidelor funcionale crete cu numai 1 ... 2%. Compresibilitatea redus a lichidelor permite transmiterea prompt a micrii, conferind transmisiilor hidraulice o "rigiditate" ridicat; n acelai timp ea poate genera ocuri de presiune importante n sistemele de distribuie ale mainilor hidraulice volumice, reduce debitul volumic al pompelor de nalt presiune i micoreaz randamentul transmisiilor hidraulice, deoarece energia consumat pentru comprimarea lichidului n pompe se pierde prin destinderea acestuia n motoare, dup efectuarea lucrului mecanic util. n condiii normale modulul de elasticitate al majoritii uleiurilor minerale este cuprins ntre 17000 i 18000 bar. Lichidele funcionale sintetice sunt n general mai elastice; de exemplu, pentru siliconi, n aceleai condiii 10000 bar. Lichidele funcionale pe baz de ap au o elasticitate apropiat de cea a apei: 20000 bar. Modulul de elasticitate este influenat de presiune, temperatur i de aerul nedizolvat. n gama de presiuni 0 500 bar, crete practic liniar cu presiunea: (p) = (pat ) + pK (2.18) Valoarea coeficientului K depinde de lichid i de temperatur; pentru uleiurile minerale se poate considera K 12. La creterea temperaturii, modulul de elasticitate se micoreaz. De exemplu, ntre 400C i 2000C, scade n cazul uleiurilor minerale la 9000...10000 bar, iar n cazul uleiurilor siliconice - la 4200 bar. Aerul nedizolvat micoreaz considerabil modulul de elasticitate al lichidelor hidrostatice.


41

2.2.4. InflamabilitateaPericolul de incendiu sau de explozie constituie principalul dezavantaj al lichidelor funcionale pe baz de hidrocarburi, explicnd efortul considerabil depus pentru crearea i ameliorarea lichidelor sintetice. Incendiile pot fi provocate de vaporii din rezervoarele deschise sau de contactul lichidelor cu suprafeele calde ale instalaiilor (metalul topit din turntorii, tobele de eapament ale motoarelor, discurile de frn, etc.). Aprecierea posibilitilor de utilizare a lichidelor din acest punct de vedere se face pe baza a trei temperaturi caracteristice. Punctul de inflamabilitate. Lichidul fiind nclzit ntr-un creuzet, se apropie periodic de suprafaa sa liber o flacr "pilot"; punctul de inflamabilitate este temperatura la care apare o flacr de scurt durat. Aceast temperatur este de circa 1000C la uleiurile minerale i de 2000C la esteri i silicai. Pentru lichidele sintetice neinflamabile aceast caracteristic nu este definit, dar la circa 1000C ele ncep s degaje din abunden vapori, uneori toxici. Temperatura de ardere este temperatura lichidului la care vaporii si continu s ard dup ndeprtarea flcrii "pilot"; ntre aceast temperatur i punctul de inflamabilitate exist o diferen de circa 400C. Temperatura de autoaprindere este temperatura la care trebuie s se nclzeasc o suprafa pentru ca o pictur de lichid czut pe ea s se aprind spontan. Aceast temperatur depinde de condiiile de msurare, fiind de circa 2500C pentru uleiurile minerale i de circa 4000C pentru esteri i silicai. Practic nu exist lichide funcionale neinflamabile, ci doar lichide care eliminnd n condiii concrete uzuale riscul incendiilor i exploziilor se numesc n prezent "lichide rezistente la foc". Acestea nu trebuie confundate cu lichidele de nalt temperatur care i conserv calitile funcionale la temperaturi nalte (ceea ce nu este obligatoriu pentru lichidele neinflamabile) dar pot fi mai inflamabile dect alte lichide.

2.2.5. Compatibilitatea cu materialele sistemuluiPrincipalele materiale afectate de lichidele funcionale sunt elastomerii folosii pentru confecionarea elementelor de etanare i a racordurilor elastice. Uleiurile minerale au nlocuit uleiurile vegetale ca lichide funcionale numai dup elaborarea elastomerilor de sintez, deoarece dizolv cauciucul natural. Lichidele neinflamabile din transmisiile hidraulice ale aeronavelor civile moderne nu au putut fi ntrebuinate dect dup crearea butililor i a etilenpropilenelor. Pentru lichidele de nalt temperatur necesare ndeosebi avioanelor supersonice i rachetelor nu exist nc un elastomer ideal. Materialele de etanare trebuie adaptate lichidului funcional; schimbarea acestuia impune n general schimbarea tuturor etanrilor. Nu exist n prezent un sistem universal de testare a compatibilitii lichidelor cu elastomerii. Etanrile corespunztoare lichidelor pe baz de petrol sunt ncercate cu ajutorul anilinei; aceasta este practic un amestec de hidrocarburi sub aciunea cruia elastomerii i mresc volumul. Fiecare cuplu lichid etanare

42


trebuie testat cu ajutorul unui elastomer etalon, aprovizionat de la un furnizor unic, msurnd gravimetric cantitatea de lichid absorbit. Dar deformarea etanrilor nu este aceeai cu cea a elastomerilor etalon, chiar dac sunt fabricate pe aceeai baz, deci testele statice sunt necesare, dar nu i suficiente. Practic, se studiaz relaia dintre lichid i fiecare tip de etanare, n condiii reale de funcionare, (precomprimare, micri relative, cicluri de suprapresiune, cicluri de temperatur) urmrindu-se mbtrnirea accelerat i n timp real. Lichidele funcionale sunt compatibile cu majoritatea materialelor metalice ntrebuinate curent n construcia transmisiilor hidrostatice: oel, aluminiu, magneziu, cupru, alam, bronz, argint, carburi metalice sintetizate etc. Unele lichide sintetice afecteaz acoperirile metalice cu zinc, cadmiu i cupru, formnd precipitate. Lichidele pe baz de ap pot deveni electrolii ntre diverse piese metalice, provocnd o coroziune intens. Toate lichidele funcionale trebuie supuse testului de aciditate, care furnizeaz informaii utile asupra agresivitii chimice a acestora.

2.2.6. Alte proprietiApa, aerul i particulele metalice favorizeaz oxidarea lichidelor, elastomerilor i a metalelor transmisiilor hidrostatice. Cantitatea de ap admis curent n lichidele funcionale nu depete 100 p.p.m. n instalaiile prevzute cu rezervoare deschise nu se poate evita contactul lichidelor cu aerul i condensarea apei. Dei complic structura i ntreinerea sistemelor, rezervoarele etane, presurizate pneumatic sau mecanic, sunt ntotdeauna utilizate dac sigurana funcional constituie o cerin esenial. Din acelai motiv azotul nlocuiete aerul n majoritatea acumulatoarelor hidropneumatice care lucreaz la presiuni mai mari de 63 bar. Aceste msuri permit mrirea sensibil a temperaturii maxime admise n instalaii i a duratei de via a lichidelor, micornd n acelai timp pericolul de incendiu. De exemplu, lichidele petroliere pot fi ntrebuinate n aviaie pn la 135oC, fa de 90oC n circuit deschis. Circuitele etane, umplute cu precauii deosebite, sunt obligatorii n cazul ntrebuinrii lichidelor de nalt temperatur pe baz de silicai, care n prezena apei i a aerului formeaz precipitate i cristale deosebit de periculoase pentru sistemele hidraulice. Proprietatea lichidelor de a-i conserva calitile fizice i chimice n prezena apei se numete "stabilitate hidrolitic" i determin n mare msur durata de stocare i de ntrebuinare. Ameliorarea rezistenei fa de oxidani se obine cu aditivi care au o mare afinitate pentru oxigen, dar nu influeneaz proprietile lichidului nici n starea iniial nici n starea oxigenat. Dup consumarea inhibatorilor de oxidare se produc acizi care afecteaz elementele sistemului. Degajarea gazelor i agitaia excesiv a lichidelor n prezena aerului provoac apariia spumei. Aceasta mrete compresibilitatea lichidelor, favorizeaz oxidarea lor i coroziunea metalelor. Stabilitatea spumei depinde de viscozitatea


43

lichidului, de tensiunea sa superficial i de factorii poluani. Tendina de spumare se determin prin msurarea volumului spumei generate de o cantitate constant de aer. Transmisiile hidraulice n circuit nchis nu sunt afectate de acest fenomen. Sistemele deschise necesit att precauii constructive (rezervoare mari cu deflectoare multiple), ct i aditivarea lichidelor funcionale cu antispumani. n exploatare este greu s se evite contactul operatorilor cu lichidele funcionale i mai ales inhalarea vaporilor acestora. Este deci necesar ca lichidele s nu fie toxice nici nainte de ntrebuinare, nici dup aceasta. Lichidele sintetice moderne, ndeosebi cele neinflamabile, sunt toxice n anumite concentraii. Aciunea lor asupra mucoaselor i ndeosebi asupra ochilor impune utilizarea ecranelor protectoare la standurile de ncercri ale elementelor hidraulice i ventilarea corespunztoare a laboratoarelor. Presiunea vaporilor saturai ai lichidelor funcionale trebuie s fie ct mai mic pentru a evita apariia cavitaiei, ndeosebi n cazul lichidelor care lucreaz la temperaturi ridicate. Cldura specific i coeficientul de conductibilitate termic trebuie s fie ct mai mari pentru a evita gradienii mari de temperatur. Este util ca lichidele funcionale s aib proprieti dielectrice, care permit folosirea electromotoarelor rotative, liniare i unghiulare cu nfurri neizolate, simplificnd construcia convertoarelor electrohidraulice. Culoarea i mirosul faciliteaz identificarea lichidelor funcionale. Costul este un criteriu important n alegerea lichidelor funcionale, mai ales n cazul instalaiilor industriale complexe. Lichidele sintetice sunt mai scumpe dect cele minerale. De exemplu, lichidele florurate sunt de o sut de ori mai scumpe dect cele petroliere.

Aplicaia 2.1. Determinarea modulului de elasticitate al unui amestec lichid gazn scopul evalurii modulului de elasticitate real al unui sistem, se consider un recipient care conine lichid i gaz. n figura A.2.1-1 gazul este reprezentat concentrat, dar n realitate el se gsete n lichid ndeosebi sub form de bule microscopice.

Fig. A.2.1-1. Schem de calcul a modulului de elasticitate al unui amestec lichid - gaz.

44


La presiuni mari aerul (gazul) dizolvat are un efect neglijabil asupra modulului de elasticitate al sistemului. Volumul iniial total al recipientului, Vt, poate fi scris sub forma Vt=Vl+Vg (2.1.1) unde Vl este volumul iniial al lichidului iar Vg - volumul iniial al gazului. Micarea ascendent a pistonului mrete presiunea amestecului din recipient cu Ap prin scderea volumului iniial cu AVt=-AVg-AVl+AVr (2.1.2)

indicele r corespunznd recipientului. Modulul de elasticitate efectiv sau "global" poate fi definit prin relaia:

1

AVt se =

(2.1.3)

VtAp . Din ultimele dou relaii rezult egalitatea:

1

g

V

AVl VlApj

AVr VtAp

(2.1.4)

n care:Sl=-Vl Vl

(2.1.5)

este modulul de elasticitate al lichidului, Bg=-Vg Vg (2.1.6)

este modulul de elasticitate al gazului, iar (2.1.7) este modulul de elasticitate al recipientului n raport cu volumul total iniial. Introducnd relaiile (2.1.5), (2.1.6) i (2.2.17) n relaia (2.1.4) se obine:

1 = Vg.1 + Vl.1 + 1 VVl Vsr

Vg

eVt

(2.1.8)

Eliminnd volunul de lichid sin aceas relaie, Vl = Vt-Vg

(2.1.9)

Lichidele utilizate n transmisiile hidraulice rezult

45

1 = 1 + Vgf1 - 1l + 1Se Sr Vt l 8 Sl I 8l

(2.1.10)

Modulul de elasticitate izotermic al gazului se calculeaz prin diferenierea legii Boyle-Mariotte (p.Vg = const.): ^=-p innd seama de relaia (2.1.6) rezult sg=p (2.1.12) (2.1.11)

Dac procesul de comprimare este adiabat, sga = pcp/cv; n cazul aerului, sga = 1,4 p. n paranteza din relaia (2.1.10) termenul 1/sl este neglijabil fa de termenul 1/sg, deci =8e 8r

+8l

+ VgVt 8

(2.1.13)

Modulul de elasticitate efectiv este mai mic dect oricare din mrimile sr, se i sgVt/Vg, relaia (2.1.13) fiind similar celei de calcul a rezistenei electrice echivalente unor rezistene dispuse n paralel. Utilizarea acestei relaii necesit determinarea mai multor mrimi. Volumul total Vt se calculeaz geometric, iar modulul de elasticitate al lichidului pur se obine experimental. Modulul de elasticitate al recipienilor i coninutului de aer din lichid sunt mrimi greu de calculat. Dintre elementele componente ale transmisiilor hidraulice, cele mai elastice sunt racordurile flexibile utilizate ntre distribuitoare i motoarele a cror carcas este mobil. Deplasarea radial 5r a suprafeei interioare a unui cilindru cu perei subiri, corespunztoare unei suprapresiuni interne Ap, se calculeaz cu relaia: Di p,(1 + V)De2-(1-V)D2 2E 2e(De+Di) n care Di este diametrul interior; De - diametrul exterior; e - grosimea pereilor; Emodulul de elasticitate al materialului pereilor; v - coeficientul lui Poisson. Din relaiile (2.1.7) i (2.1.14) rezult:

1 = 2(1+ D2e-(1-v) Di2 v)sr E 2e(De+Di)

46pneumatice

Actionari hidraulice si n cazul pereilor metalici subiri, v = 0,25 i De = Di, deci: sr=E (2.1.16)

relaie utilizat n calcule practice pentru evi. Dac conductele metalice au perei groi, relaia (2.1.15) poate fi aproximat prin: sr = E v) ~ 2. 5 _ E 2(1 + (2.1.17)

Racordurile elastice executate din cauciuc dur sau teflon, cu inserii de oel inoxidabil, au un modul de elasticitate redus, cuprins ntre 700 i 3500 bar, care este n general indicat de productori. Utilizarea acestor racorduri n sistemele automate hidraulice este permis numai pentru alimentarea distribuitoarelor i racordarea acestora la rezervor; convertoarele (servovalvele) electrohidraulice sunt amplasate frecvent chiar pe motoarele hidraulice volumice, reducnd astfel la minimum volumul de lichid supus variaiilor de presiune i elasticitatea racordurilor. Prezena aerului n lichid, chiar n cantiti mici, reduce drastic modulul de elasticitate al sistemului. Se consider de exemplu un lichid petrolier (6l = 15400 bar) aflat la presiunea de 35 bar, ntr-o conduct de oel (E = 2,1 106 bar) al crei diametru este de ase ori mai mare dect grosimea pereilor, deci sr = 3,5- 105 bar i sga = 49 bar. Dac Vg/Vt = 1/100, se = 3600 bar, pe cnd n absena aerului se= 14700 bar. Dac se dubleaz valoarea presiunii, se crete la 5880 bar. Astfel se explic interesul pentru sistemele de nalt presiune. n calcule practice se poate admite pentru lichide pe baz de petrol se = 7000 bar. Utilizarea unor valori incerte pentru se poate introduce valori mari n calculul frecvenei de rezonan, care determin direct stabilitatea sistemelor hidrostatice. Modulul de elasticitate efectiv nu poate fi determinat precis dect experimental. La presiunea atmosferic, volumul de aer nedizolvat poate atinge 20% din volumul total. Pe msura creterii presiunii, o mare parte din aer se dizolv n lichid i nu mai afecteaz rigiditatea acestuia. La repunerea n funciune a unei transmisii hidraulice dup un repaus ndelungat, care permite ptrunderea aerului n lichid, performanele sistemului sunt aleatoare pn la evacuarea aerului de ctre pompe, odat cu lichidul vehiculat. n aceste condiii, demarajul pompelor este zgomotos, existnd pericolul apari iei fenomenului de cavitaie. Principala cauz a reinerii aerului este proiectarea sau executarea incorect a canalelor complexe realizate prin gurire sau turnare. Toate transmisiile hidraulice trebuie prevzute cu buoane sau robinete de purjare. Instalaiile importante sunt vidate nainte de a fi puse n funciune (de exemplu - sistemele hidraulice ale aeronavelor). Lichidele funcionale sunt n general aditivate cu antispumani care le mresc capacitatea de a evacua aerul f r a forma emulsii.


47

2.3. TIPURI DE LICHIDE FUNCIONALE 2.3.1. Lichide pe baz vegetalAceste lichide sunt compuse din ulei de ricin (care este un bun lubrifiant) diluat, n scopul mririi fluiditii, ntr-un solvent cu punct de congelare sczut i ct mai puin volatil. Un exemplu tipic este lichidul ntrebuinat n primele sisteme de frnare ale autovehiculelor, compus din ulei de ricin i alcool (diaceton) n pri egale. Fiind compatibile cu cauciucurile naturale, care nu sunt afectate de temperaturile sczute, aceste lichide sunt nc folosite n domenii specifice, dei sunt corozive, volatile (datorit solventului), inflamabile, instabile n timp i n raport cu variaiile de temperatur etc.

2.3.2. Lichide pe baz mineralDatorit calitilor lubrifiante, stabilitii chimice i costului relativ sczut, aceste lichide sunt larg utilizate n sistemele hidraulice care lucreaz n domeniul de temperatur cuprins ntre -54 i 1350C. n aeronautica civil i n transmisiile hidraulice industriale expuse pericolului de incendiu, lichidele pe baz mineral sunt nlocuite frecvent cu lichide sintetice neinflamabile (esteri fosfatici sau silicici). Gama de uleiuri minerale este foarte larg, productorii oferind lichide din fiecare grup de viscozitate. Tabelul 2.1 conine caracteristicile grupelor de viscozitate ale lichidelor funcionale industriale. Tabelul 2.1. Caracteristicile grupelor de viscozitate ale lichidelor funcionale industrialeNr. grupei 1 2 3 4 5 Calificativul Viscozitatea la 500C Grade Centistokes Engler 2 11 2-3 11-20 3-4 20-29 4-5 29-37 5 37

Extrafluide Foarte fluide Fluide Semifluide Semiviscoase

Instalaiile hidraulice ale aeronavelor utilizeaz frecvent "lichidul hidraulic standard", care poate fi definit astfel (dup norma AIR 3520/A -Frana): ulei mineral cu punct de curgere sczut (< -600C), cu punct de inflamabilitate mai ridicat de 93oC, cu indice de aciditate sczut (< 0,1 mg hidroxid de potasiu pe gram), aditivat cu cel mult 20% amelioratori ai indicelui de viscozitate (de exemplu polimer metacrilic), cu 0,4 0,6% tricrezilfosfat (pentru mbuntirea calitilor lubrifiante), cu 2% antioxidant i cu 100 p.p.m. colorant (rou). Acest lichid se numete n Frana AIR 3520/A i are urmtoarele echivalente: MIL H 5606 n S.U.A.; AMG 10 n Rusia; DTD 585 n Anglia, H 10 n Romnia etc.; este foarte

48


stabil, netoxic, compatibil cu majoritatea elastomerilor sintetici, are un indice de viscozitate bun, dar este inflamabil.

2.3.3. Lichide neinflamabile pe baz de apDatorit unor neajunsuri majore (domeniu limitat de temperatur, viscozitate i proprieti lubrifiante foarte reduse, corozivitate) apa este folosit ndeosebi pentru acionarea unor utilaje "calde", mari consumatoare de lichid, cum sunt presele hidraulice, sau a utilajelor alimentare. Ameliorarea proprietilor apei se poate obine prin amestecare cu ulei sau poliglicoli. Emulsiile de ulei n ap conin ntre 1 i 10% ulei mineral, care mbuntete proprietile lubrifiante ale apei i i limiteaz agresivitatea chimic. Aceste emulsii au un indice de viscozitate bun i sunt compatibile cu elastomerii i vopselele uzuale, fiind ntrebuinate pe maini-unelte. n emulsiile de ap n ulei, ponderea acesteia este mrit la 5060%, asigurnd un indice de viscozitate ridicat (circa 140) i compatibilitatea cu elastomerii i vopselele curente, dar proprietile lubrifiante rmn modeste; sunt folosite ndeosebi n instalaiile hidraulice ale utilajelor miniere, la presiuni ridicate (uzual 400 bar). Soluiile de poliglicoli n ap conin ap n proporie de 3565%; au caliti lubrifiante bune i un indice de viscozitate ridicat (circa 150), dar sunt incompatibile cu lichidele petroliere (formeaz precipitate chiar n prezena unor urme de ulei mineral), cu zincul, cadmiul i vopselele curente (cu excepia celei vinilice); sunt ntrebuinate ndeosebi n marin. Vaporii de ap joac rolul de estinctor, dar prezena apei limiteaz mult domeniul de temperatur; peste 60 0C apa se evapor intens, lichidul pierzndu-i caracterul ignifug.

2.3.4. Lichide sinteticeNecesitatea mririi siguranei sistemelor hidraulice i a creterii temperaturii lor maxime de funcionare, corespunztor cerinelor aeronauticii moderne a generat cercetri intense pentru crearea lichidelor funcionale sintetice "neinflamabile" i a celor "de nalt temperatur". Dintre lichidele utilizate sau numai studiate se analizeaz cele mai cunoscute. Esterii acizilor organici sunt lichide de nalt temperatur dar nu sunt rezistente la foc; au punctul de inflamabilitate cuprins ntre 160 i 200 0C, dar se comport nesatisfctor la temperaturi sczute i sunt incompatibile cu anumii elastomeri. Iniial au fost utilizai ca lubrifiani sintetici i ca lichide funcionale n sistemele de comand ale motoarelor termice; n prezent ele sunt ntrebuinate pe unele avioane supersonice civile. Compuii organici halogenai (florurai sau clorurai) sunt neinflamabili, dar au un cost extrem de ridicat, densitate mare, indice de viscozitate redus i suport greu aditivii, astfel c n prezent sunt ntrebuinai rar.


49

Siliconii sunt lichide neinflamabile de nalt temperatur (pot lucra pn la 3150C); indicele lor de viscozitate este ridicat, dar au proprieti lubrifiante slabe, spumeaz intens, sunt insensibili la aditivi i scumpi; n plus, au un modul de elasticitate redus i o comportare special n lagre (sunt lichide nenewtoniene). Esterii fosfatici au caliti lubrifiante bune, indice de viscozitate foarte mare (circa 240), punct de inflamabilitate ridicat (circa 260 0C), dar au densitate relativ mare (circa 1,08), sunt sensibili la forfecare i toxici. Instabilitatea elastomerilor corespunztori (butilii, pn la 70 - 800C i etilenpropilenele, pn la 1000C) limiteaz temperatura lor de utilizare la circa 1000C. Aceste lichide pot fi considerate neinflamabile, dar nu i lichide de nalt temperatur; sunt larg ntrebuinate pe avioanele civile i pe nave, precum i n numeroase instalaii hidraulice industriale expuse pericolului de incendiu (de exemplu cele miniere). Un exemplu tipic de ester fosfatic este lichidul SKYDROL 500 A, utilizat pe avioanele BOEING. Silicaii (ortosilicatesterii i polixiloxanii) pot fi utilizai ntre 400C i 0 150 C; marele lor defect l constituie sensibilitatea fa de ap i aer, n prezena crora produc precipitate i cristale, mai ales la cald. Aceast sensibilitate impune precauii severe n concepia, umplerea i ntreinerea sistemelor; sunt lichide de nalt temperatur, dar nu sunt neinflamabile, dei prezint un bun nivel de securitate fa de incendii. Din aceast categorie face parte lichidul ORONITE 8515 A utilizat n instalaia hidraulic a avionului supersonic de pasageri CONCORDE. Lichidele de temperatur foarte mare sunt necesare avioanelor i rachetelor hipersonice, a cror nclzire dinamic este considerabil. Sunt studiate n acest scop metalele lichide testate deja n circuitele primare ale reactoarelor nucleare, mercurul, sodiul, potasiul, aliaje de plumb i bismut etc. Se ncearc de asemenea folosirea gazelor de combustie pentru dirijarea vehiculelor spaiale, dei temperatura lor este foarte ridicat i conin mari cantiti de contaminani solizi (alumin).

2.3.5. Lichide funcionale produse sau utilizate n ara noastrTabelul 2.2 conine caracteristicile unor lichide funcionale produse n ara noastr, conform standardelor n vigoare. Toate aceste lichide sunt elaborate pe baz de petrol. n ara noastr se ntrebuineaz i alte lichide funcionale: AMG 10 (n instalaiile hidraulice ale avioanelor militare), SKYDROL 500 A (pe avioanele BAC 1-11, ROMBAC i BOEING 707) AIR 3520A pe elicopterele PUMA i ALOUETTE etc.

3ELEMENTE DE MECANICA FLUIDELOR SPECIFICE TRANSMISIILOR HIDRAULICE3.1. PARTICULARITI ALE UTILIZRII LEGILOR I ECUAIILOR GENERALE DIN MECANICA FLUIDELORProiectarea raional a elementelor transmisiilor hidraulice i asocierea lor corect necesit cunoaterea legilor i a ecuaiilor care descriu micarea fluidelor n domeniile specifice acestor sisteme. Evoluia unei particule fluide ntr-un domeniu dat poate fi definit complet cu ajutorul a apte parametri: coordonatele centrului su de greutate n raport cu un sistem de referin arbitrar, presiunea, densitatea, temperatura i viscozitatea. Sunt deci necesare apte ecuaii independente pentru a exprima fiecare parametru ca o funcie de timp sau de ceilali parametri. Primele trei ecuaii - de micare - rezult din legea a doua a lui Newton aplicat dup cele trei direcii ale referenialului adoptat. Dac curgerea are caracter laminar, se utilizeaz ecuaiile Navier-Stokes, iar n cazul micrii turbulente se consider sistemul Reynolds completat cu relaii semiempirice. A patra ecuaie - de continuitate - rezult din legea conservrii masei, iar legea conservrii energiei (primul principiu al termodinamicii) furnizeaz a cincea ecuaie. Ecuaia de stare i ecuaia de variaie a viscozitii cu temperatura i presiunea constituie ultimele dou ecuaii ale sistemului. Ecuaiile de micare sunt ecuaii cu derivate pariale neliniare; condiiile la limit i iniiale complexe, corespunztoare curgerilor reale ntlnite n tehnic, nu permit integrarea acestora dect n cazuri particulare relativ simple. Practic, pentru analiza regimului staionar i a celui tranzitoriu din circuitele energetice i de comand ale transmisiilor hidraulice, se utilizeaz ecuaia continuitii i relaia lui Bernoulli, corespunztoare micrilor permanente, respectiv semipermanente, innd seama ndeosebi de rezistenele hidraulice majore introduse intenionat n circuite, n scopul reglrii parametrilor funcionali, deoarece acestea constituie rezistenele dominante. Pierderile de sarcin relativ mici corespunztoare elementelor de legtur (tuburi scurte, coturi, ramificaii etc.) sunt considerate n special pentru dimensionarea conductelor de aspiraie ale pompelor (n scopul evitrii cavitaiei) i a racordurilor hidromotoarelor amplasate la distane mari de pompe. Ecuaiile Navier-Stokes sunt totui frecvent utilizate n calculul disipaiilor volumice prin interstiiile de mici dimensiuni ale elementelor hidraulice. Aceste micri, realizate ntre suprafeele cvasiparalele situate la distane foarte mici n raport cu razele lor de curbur, sunt dominate de forele de viscozitate i pot fi considerate n numeroase cazuri micri pseudoplane de spea a doua (Helle-

54


Shaw), ceea ce permite calculul distribuiei presiunii i vitezei medii n spaiul dintre suprafee prin rezolvarea (de obicei numeric) a unei ecuaii de tip Laplace (2p = 0 ). Ecuaiile Navier-Stokes sunt folosite i n calculul pierderilor de presiune corespunztoare rezistenelor hidraulice introduse n circuite pentru amortizarea oscilaiilor hidromecanice de mic amplitudine. Efectul temperaturii asupra densitii i viscozitii lichidelor este considerat ndeosebi n cazul curgerilor cu gradieni termici mari, specifice lagrelor utilizate n construcia mainilor hidraulice volumice. n cazul micrilor cu gradieni termici mici, influena temperaturii este introdus n calcul numai prin evaluarea proprietilor lichidului la temperatura de funcionare medie global a sistemului. Astfel, legea conservrii energiei se reduce la relaia lui Bernoulli, viscozitatea este considerat constant, iar ecuaia de stare include numai variaia practic liniar a densitii cu presiunea. Prezentul capitol trateaz particularitile micrii lichidelor prin conductele, orificiile i interstiiile specifice transmisiilor hidraulice.

3.2. MICAREA N CONDUCTE 3.2.1. Micarea laminarCurgerea permanent n conductele circulare ale transmisiilor hidraulice este frecvent laminar, deoarece lichidele funcionale au o vscozitate relativ mare, diametrele conductelor sunt relativ mici, iar vitezele medii nu depesc uzual 5 m/s n scopul limitrii ocurilor hidraulice provocate de elementele de distribuie, reglare i protecie. Se consider o conduct circular dreapt orizontal, avnd diametrul D i lungimea L, alimentat la presiune constant, p0, de un rezervor, printr-un confuzor continuu. La intrarea n conduct distribuia vitezei este practic dreapt, v = v0 (fig. 3.1).

Fig. 3.1. Distribuia vitezei n micarea laminar a unui fluid ntr-o conduct circular dreapt.

Elemente de mecanica fluidelor specifice transmisiilor hidraulice

55

Datorit aderenei lichidului la peretele conductei i viscozitii, distribuia vitezei se modific continuu, pe msur ce lichidul ptrunde n conduct. Grosimea stratului de lichid n care are loc variaia vitezei (stratul limit) crete pn cnd acesta atinge axul conductei, rezultnd o distribuie parabolic (Hagen-Poiseuille) a vitezei, care se menine constant de-a lungul conductei, pn la intrarea n rezervorul aval, unde presiunea este meninut constant, p2. Pentru un profil parabolic, viteza maxim are valoarea vmax = 2vmed = 2v0, deci pe lungimea de stabilizare a profilului vitezei, ls, raportul vmax/vmed variaz ntre 1 i 2. n figura 3.2 se prezint variaia mrimilor adimensionale (vmax/vmed) i 2 (p0 - p2) / (v2med) n funcie de mrimea adimensional L / (DRe).

Fig. 3.2. Variaia parametrilor cinematici i dinamici adimensionali ai micrii laminare n funcie de numrul L/(DRe). Dac se admite c lungimea de stabilizare corespunde seciunii n care viteza maxim este cu 1% mai mic dect viteza maxim final, (v max/vmed= 1,98) din grafic rezult ls = 0,0575 DRe (3.1) La limita superioar a micrii laminare (Re = 2000) este necesar o lungime de 115 diametre de conduct pentru stabilirea profilului de viteze parabolic. Cderea de presiune n regiunea de tranziie este generat att de forele de inerie ct i de forele de viscozitate. Pentru conducte mai mici dect lungimea de stabilizare, cderea de presiune relativ poate fi aproximat cu relaia lui Langhaar,

deci

0 -p2 = 64 2

p0 -p2 L1 v2

DRe

+ 2,28

(3.2)

56p0-p2 = 128 D - Q


1 + 0,0356 D Re

(3.3)

Primul termen corespunde forelor de viscozitate (relaia HagenPoiseuille), iar al doilea - forelor de inerie ale statelor care sunt accelerate pe lungimea de tranziie. Dac muchia de intrare n conduct este ascuit, coeficientul pierderii de sarcin locale are valoarea = 0,5, deci ultima relaie devine p0-p3 = 128 D - Q f1+ 0,0434 D Re1 (3.4)

n cazul conductelor circulare scurte, avnd intrarea i ieirea brute, se poate utiliza relaia lui Shapiro, Siegel i Keine, p0-

ACHP curs [word]

Documents

Transcript of ACHP curs [word]