CURS ACTIONARI HIDRAULICE SI PNEUMATICE

ACŢIONAREA HIDRAULICĂ A MAŞINILOR-UNELTECapitolul II

Capitolul IIMEDIUL HIDRAULIC

În sistemele de acţionare hidraulică purtătorul de energie este mediul hidraulic. Acesta este supus în permanenţă unor variaţii importante de presiune, temperatură şi viteză. Contactul mediului hidraulic cu materialele elementelor prin care circulă poate produce reacţii chimice. În funcţie de domeniul de utilizare a acţionării, interesează şi comportarea mediului hidraulic în condiţii de câmp magnetic şi radiaţii nucleare.

2.1. Cerinţele impuse mediului hidraulicCondiţiile grele de lucru pentru lichidele hidraulice impun restricţii deosebit de severe şi o selectare riguroasă a

categoriilor de lichide care să corespundă majorităţiilor cerinţelor: - calităţi lubrifiante şi rezistenţă mecanică ridicată a peliculei de lichid;- stabilitatea proprietăţilor fizice şi chimice;- variaţie minimă a vâscozităţi cu temperatura;- compatibilitate cu materialele elementelor din sistem;- compresibilitate, volatilitate, tendinţă de spumare, coeficient de dilatare termică, toxicitate şi preţ de cost reduse;- conţinut minim de impurităţi;- calităţi antioxidante şi dielectrice;- punct de inflamabilitate ridicat şi punct de congelare scăzut;- stocare şi manipulare uşoară.Există o gamă largă de lichide utilizate în acţionarea hidraulică, dar nici unul nu îndeplineşte toate condiţiile necesare

unei transmisii hidraulice. Alegerea unui lichid de lucru este un compromis între cerinţele esenţiale, impunându-se restricţii asupra structurii sistemului şi a condiţiilor de utilizare. Acest lucru impune cunoaşterea principalelor proprietăţi specifice mediului hidraulic.

2.2. Proprietăţi fizice şi chimice ale mediului hidraulicO proprietate fizică comună mediului hidraulic este fluiditatea, respectiv uşurinţa deplasării particulelor din care este

format şi lipsa rigidităţii prin faptul că nu rezistă la schimbarea de formă.Omogenitatea şi izotropia fluidului permit ca relaţiile stabilite într-un punct din masa de fluid să poată fi extinse

întregii mase de fluid.

2.2.1. Presiunea. Forţe care acţionează asupra mediului hidraulic. Asupra unui element de fluid,de masă M figura 2.1, acţionează forţele masice , forţele de suprafaţă şi

forţele interioare de legătură. Deoarece forţele de legătură se anulează reciproc, în echilibru rămân forţele masice şi cele de suprafaţă.

Figura 2.1 Forţe care acţionează pe elementul de fluid

Forţele masice volumice sunt proporţionale cu masa fluidului. Existenţa acestora este datorată unor câmpuri exterioare (câmp gravitaţional, inerţial, etc.), figura 2.1.a. Forţa masică , distribuită în masa de fluid şi raportată la masa

unitară M, este forţa masică unitară care se determină cu relaţia :

13


(2.1)

Forţele de suprafaţă sunt forţe exterioare care acţionează asupra fluidului. Acestea sunt repartizate uniform pe elementul de suprafaţă S sub forma unor forţe normale de compresiune şi tangenţiale (de frecare) (figura 2.1.b).

Efortul unitar mediu de compresiune , sau tensiunea normală este dată de raportul dintre componenta normală a forţei de suprafaţă şi suprafaţa pe care acţionează :

(2.2)

Efortul unitar în punctul A este :

(2.3)

Efortul unitar este un vector cu direcţia şi sensul forţei . La fluide, eforturile unitare sunt numai de compresiune iar direcţia este normală la suprafaţă.

Tensiunea tangenţială se exprimă în mod similar efortului unitar:

(2.4)

În tehnică, pentru măsurarea efortului unitar normal, se utilizează o mărime scalară, respectiv presiunea statică p care caracterizează parţial (ca intensitate ) starea de tensiune într-un punct din masa de fluid:

(2.5)

Din relaţia de definiţie a presiunii se obţine relaţia dimensională , din care rezultă unităţile de măsură. În SI,

unitatea de măsură este 1 [N/m2]=1[Pa] denumită Pascal. În practică se mai utilizează şi alte unităţi de măsură derivate, prezentate în tabelul 2.1.

Pentru măsurarea presiunii se folosesc manometrele, care după principiul de funcţionare sunt : cu lichid, cu element elastic, cu burduf, cu piston, cu traductoare electrice.

Tabelul 2.1

Unitatea de măsură

MPamm col.

apamm col. mercur

1 10-6 10-5 1,02·10-5 0,102 7,5024·10-3 2,09·10-2

MPa 106 1 10 10,2 1,02·105 7502,4 2,09·104

105 0,1 1 1,02 1,02·104 750,24 2,09·103

9,8067·104 9,8067·10-2 0,980 1 104 7,35·102 2,04·103

mm col. apa

9,8067 9,8067·10-6 9,8067·10-5 10-4 1 7,35·10-2 0,2048

mm col. mercur

133 1,33·10-4 1,33·10-3 1,36·10-3 13,6 1 2,784

47,82 47,82·10-6 47,82·10-5 4,88·10-4 4,88 0,359 1

2.2.2. Densitatea şi greutatea specificăDensitatea , pentru un mediu hidraulic considerat omogen, se defineşte ca raport dintre masa M şi volumul V al

corpului fluid:

(2.6)

14


Greutatea specifică se defineşte în mod similar ca fiind greutatea unităţii de volum:

(2.7)

La creşterea temperaturii, densitatea şi greutatea specifică scad. Variaţia cu presiunea este mai mică în cazul lichidelor, în schimb foarte mare în cazul gazelor.

În general starea de echilibru termodinamic a unei mase de fluid M este definită cu ajutorul a doi parametri de stare, volumul V şi temperatura T. Ecuaţia de stare exprimă dependenţa f(p, v, T) = 0, de regulă sub forma v = v (p,T), sau = (p,T), în care v = 1/ este volumul specific. Pentru lichidele supuse transformărilor izoterme se foloseşte relaţia:

dV = - T V dp (2.8)care arată că variaţia dV a volumului V al masei de lichid este proporţională cu valoarea volumului, respectiv şi cu variaţia presiunii dp prin intermediul mărimii T care poartă numele de coeficient de compresibilitate izotermă. Relaţia este valabilă pentru variaţii moderate ale presiunii. Semnul (-) arată că la creşterea presiunii există întotdeauna o scădere a volumului.

Considerând presiunea p, volumul V şi temperatura T, se integrează ecuaţia 2.8 între starea iniţială po, Vo, T şi finală p,V,T şi rezultă:

(2.9)

(2.10)

Deoarece coeficientul T are valori foarte mici (pentru apă şi majoritatea uleiurilor T5,310-10 m2/N), se pot reţine numai primii doi termeni din dezvoltarea în serie a ecuaţiilor 2.9 şi 2.10 :

V = Vo [1-T (p-po)] (2.11)v = v o [1-T (p-po)] (2.12) = o [1+T (p-po)] (2.13)

Transformarea izobară, efectuată la presiune constantă, este caracterizată prin proporţionalitatea:

dV = p V dT ; (2.14)

în care p este coeficientul de dilatare volumică izobară, pozitiv pentru toate lichidele cu excepţia apei care prezintă anomalia de a avea volum minim la +4oC. Integrând ecuaţia 2.14 între limitele (po, Vo, To) şi (po, V,T) se obţine:

(2.15)

(2.16)

Deoarece coeficientul p are valori mici (pentru apă 4,310-4 K-1], rezultăV = Vo [1+p (T-To)] (2.17)v = v o [1+p (T-To)] (2.18) = o [1-p (T-To)] (2.19)

Dacă între starea iniţială şi cea finală există atât o transformare izotermă cât şi una izobară, rezultă relaţiile practice:V = Vo [1-T (p-po) +p (T-To)] (2.20) = o [1+T (p-po) -p (T-To)] (2.21)

Variaţia densităţii cu temperatura se ia în considerare la calculul capacităţii rezervoarelor închise. Diferenţa între coeficientului de dilatare termică a lichidului şi cel a rezervorului R, creează suprapresiunea:

(2.22)

2.2.3. Compresibilitatea şi elasticitateaSe constată experimental că în cazul unei transformării izoterme variaţia volumului unei mase de lichid V = V – Vo

sub acţiunea variaţiei de presiune p = p – po este proporţională cu volumul Vo şi cu variaţia presiunii p.V = - Vo p (2.23)

Semnul negativ din relaţia 2.23 arată că o creştere a presiunii are ca efect reducerea volumului de lichid prin comprimare.

Coeficientul este denumit coeficient de compresibilitate izotermă.Relaţia 2.23 se poate scrie:

(2.24)

Ecuaţia 2.24 este similară legii lui Hooke pentru compresiune volumică deoarece p = iar V/V = , respectiv: = E (2.25)

Rezultă astfel:

(2.26)

în care este modulul de elasticitate volumică a lichidului.

15


În cazul uleiurilor minerale dacă conţinutul de gaz este nul modulul de elasticitate este (1,4..2) 109 N/m2. În practică, aceasta descreşte rapid cu prezenţa aerului nedizolvat. Consecinţa este deosebit de importantă asupra caracteristicilor dinamice ale sistemului de acţionare.

Modulul de elasticitate volumic efectivPrezenţa aerului nedizolvat în masa lichidului este dăunătoare prin aceea că modifică substanţial modulul de

elasticitate al acestuia. Fie cazul general când recipientul (figura 2.2 a) care conţine lichid suferă deformaţii sub acţiunea presiunii interioare

(figura 2.2 b) şi în acelaşi timp lichidul conţine gaz nedizolvat. Dacă V t = + Vg este volumul total ocupat de lichid ( ) şi

de gaz (Vg), la deplasarea pistonului volumul Vt scade cu Vt = - Vg - + Vr, în care Vr provine din dilatarea recipientului.

a b

Figura 2.2 Schemă de calcul a modulului de elasticitate pentru un amestec lichid-gaz

Se defineşte coeficientul de compresibilitate efectiv al sistemului:

(2.27)

Coeficienţii de compresibilitate pentru lichid, gaz şi ricipient sunt:

; ; , (2.28) Rezultă:

(2.29)

Deoarece = Vt – Vg, rezultă ,

(2.30)

Considerând modulul de elasticitate , rezultă :

(2.31)

Deoarece Eg , rezultă:

(2.32)

În cazul când în masa de lichid nu există gaz, modulul de elasticitate volumic efectiv este dat de relaţia,

(2.33)

Determinarea exactă a modulului de elasticitate efectiv se poate realiza numai experimental. Prezenţa aerului în lichid reduce substanţial modulul de elasticitate şi conduce la diminuarea performanţelor sistemului. Instalaţiile hidraulice cu importanţă deosebită sunt vidate înainte de punerea în funcţiune. Adausul de aditivi în lichidul de lucru măresc capacitatea de evacuare a aerului, fără formarea de emulsii.

În sistemele ordinare şi de joasă presiune se poate neglija efectul compresibilităţii lichidului. În mod normal însă, în sistemele actuale de acţionare hidraulică, efectul compresibilităţii este luat în considerare întotdeauna datorită valorilor mari ale presiunilor de lucru.

2.2.4. Vâscozitatea

16


La fluidele în mişcare apar deplasării relative ale particulelor de fluid care conduc la dezvoltarea unor tensiuni interne tangenţiale . Acestea au ca efect frânarea deplasărilor interioare relative ale particulelor.

Pin vâscozitate se înţelege frecarea internă care apare la deplasarea relativă a două straturi de particule materiale ale unui fluid (mişcare laminară).

Conform legii frecării vâscoase a lui Newton, tensiunile tangenţiale de frecare sunt direct proporţionale cu gradientul de viteză dv/dz faţă de direcţia normală pe direcţia de curgere, figura 2.3.

(2.34)

Figura 2.3. Variaţia vitezei datorită vâscozităţii

Coeficientul de proporţionalitate din relaţia 2.34 poartă denumirea de vâscozitate dinamică. Semnul negativ arată sensul fizic al fenomenului, respectiv că forţa tangenţială are sensul invers direcţiei de mişcare.

Forţa de frecare datorată vâscozităţii între două straturi vecine de fluid cu suprafaţa A este:F = A (2.35)

Din ecuaţia 2.34 rezultă expresia coeficientului de vâscozitate dinamică .

[Ns/m2]= 1 [Poiseuille] = 10 [Poise] (2.36)

Vâscozitatea cinematică şi fluiditatea se exprimă prin:[m2/s] şi (2.37)

iar unitatea de măsură în sistemul GGS se numeşte stokes, respectiv 1St=1cm2/s.Unitatea SI a vâscozităţii cinematice este 1m2/s

În multe aplicaţii industriale, vâscozitatea se exprimă în unităţi convenţionale. În Europa, se utilizează gradele Engler, în Marea Britanie – secunda Redwood, în SUA – secunda Saybold (SSU), iar în Franţa, unităţi Barbey. Vâscozitatea Engler (oE) la o anumită temperatură, reprezintă raportul dintre timpul de curgere sub efectul greutăţii proprii a 200 cm3 lichid examinat, printr-un orificiu calibrat cu diametrul de 2,8 mm, şi timpul necesar curgerii unei cantităţi egale de apă, la temperatura de 20oC:

(2.38)Vâscozitatea Redwood şi Saybold sunt date prin numărul de secunde necesare curgerii unei cantităţi de lichid

determinat printr-un orificiu calibrat. Există relaţii de conversie a gradelor Engler, secundelor Redwood şi Saybold, în unităţi SI. Pentru conversia gradelor Engler, există relaţia lui Ubbelohde:

[St] (2.39)

În figura 2.4 este prezentată diagrama de convesie a unităţilor de măsură ale vâscozităţii în centistokes.

17


Figura 2.4. Diagrama de convesie a unităţilor de măsură tehnice ale vâscozităţii în centistokes

Figura 2.4 Diagrama de conversie a unităţilor de măsură ale vâscozităţii în centistokes

În cazul unui amestec de lichide vâscozitatea se poate calcula cu relaţia lui Cadmer:

(2.40)

în care a,b sunt procentele în care intră componentele, iar k este un coeficient funcţie de a şi b.Variaţia vâscozităţii cu temperatura este importantă. La lichidele newtoniene vâscozitatea scade cu creşterea

temperaturii conform relaţiei: = o e-(T-T

o) (2.41)

în care este o constantă care depinde de natura lichidului. Punctul de congelare este temperatura la care, în anumite condiţii fixate de norma de încercare, lichidul nu mai curge.

La temperaturi joase în lichid se formează un precipitat alb cu aspect de nori şi în legătură cu acesta se defineşte punctul de tulburare. Aceste caracteristici sunt importante pentru utilajele acţionate hidraulic care lucrează în exterior sau în hale neîncălzite.

Pentru uleiurile minerale variaţia vâscozităţii cu temparatura este caracterizată prin indicele DD (Dean-Davis). Curbele de vâscozitate N (în centistokes) în funcţie de temperatura T pentru un ulei a cărui vâscozitate se modifică mult cu temparatura, respectiv P - curba pentru un ulei cu o dependenţă redusă de variaţia temperaturii, sunt prezentate în figura 2.5.

Figura 2.5. Diagramă pentru definirea indicelui de vâscozitate

Un ulei examinat U, este caracterizat prin indicele Dean-Davis dat de raportul:

(2.42)

ordonatele fiind măsurate la temperatura de 38oC.

18


Ca lichide etalon se consideră lichidele naftenice şi parafinice din care se iau două uleiuri care au la 100 oC aceeaşi vâscozitate cu uleiul considerat. Pentru temperatura T=38oC, se notează vâscozităţiile cinematice corepunzătoare, respectiv N, p, U. Uleiurile etalon parafinice au indicile de vâscozitate 100, iar cele naftenice -zero. Cu cât indicile IDD este mai mare, cu atât variaţia vâscozităţii cu temparatura este mai redusă, deci uleiul mai convenabil pentru acţionarea hidraulică.

Variaţia vâscozităţii cu presiunea urmează o lege practic exponenţială, exprimată prin relaţia:

(2.43)

în care este vâscozitatea la presiunea p; o-vâscozitatea la presiunea po iar K - coeficient caracteristic fluidului. În cazul uleiurilor minerale, K = 1,003.

Vâscozitatea de dilatare (a doua vâscozitate) se manifestă printr-o disipare de energie care are loc în masa de fluid atunci când se produce o comprimare sau o dilatare. Acest fenomen are influenţă asupra transmiterii undelor de presiune cu frecvenţe ridicate în conducte şi sisteme de acţionare.

Vâscozitatea este o caracteristică esenţială a lichidelor hidraulice deoarece asigură portanţa lagărelor, limitează pierderile volumice prin elementele de etanşare, generează forţe de frecare care amortizează oscilaţiile parametrilor funcţionali. De mărimea vâscozităţii depind pierderile de energie la transportul lichidului prin conducte şi în spaţiile dintre piesele în mişcare relativă. De asemenea neliniarităţile caracteristicilor de curgere ale orificiilor de comandă sunt influenţate de vâscozitate.

2.2.5. Mişcări laminare şi turbulenteCalitativ curgerea fluidelor se poate produce în două moduri diferite, respectiv regimul de curgere laminar şi

turbulent. Existenţa, punerea în evidenţă şi caracteristicile celor două regimuri de mişcare a fost realizată pe baza experienţelor fizicianului O. Reynolds.

Regimul de mişcare laminar figura 2.6 prezintă următoarele caracteristici:- traiectoriile particulelor au o formă regulată, fiind curbe continue;- mişcarea are o structură regulată, filiformă sau lamelară;- particulele îşi păstrează individualitatea;

Figura 2.6. Regimuri de mişcare

Regimul turbulent are următoarele caracteristici:- mişcarea fluidului este dezordonată şi întâmplătoare, astfel încât traiectoriile particulelor nu mai păstrează o formă

regulată;- apar deplasări ale particulelor fluide în sens transversal direcţiei generale de mişcare. - particulele nu-şi mai păstrează individualitatea dispersându-se continuu în masa curentului;- apare fenomenul de pulsaţie a vitezei. Viteza locală nu mai este constantă, având o variaţie rapidă în jurul valorii

medii.Criteriul de recunoaştere al regimului de mişcare în conducte de secţiune circulară este numărul lui Reynolds, cu

expresia:

(2.44)

în care : v - viteza medie în conductă;

d – diametrul conductei; - coeficient de vâscozitate cinematică al fluidului;Trecerea de la regimul laminar la cel turbulent se face la o anumită valoare a numărului Reynolds care pentru

conducte circulare are valoarea Re=2320. În practică s-a constatat că între cele două regimuri există o zonă de tranziţie, cu limita inferioară la 2320 şi cea superioară în jur de 50.000.

La curgerea sub presiune prin conducte cu secţiunea diferită de forma circulară numărul Reynolds se calculează cu relaţia:

(2.45)

în care: R=A / P - este raza hidraulică; A – secţiunea vie; P – perimetrul udat.

2.2.6. Cavitaţia

19


La micşorarea secţiunii de curgere printr-o conductă viteza mediului hidraulic creşte iar presiunea scade. Dacă presiunea coboară sub presiunea vaporilor saturaţi pv corespunzătoare temperaturii la care se află lichidul, atunci în interiorul

acestuia se degajă vapori şi se separă bule de gaz (fig. 2.7 a.) care se concentrează în cavităţii de dimensiuni mari ce se depun în partea superioară a conductei (fig. 2.7. b.).

Figura 2.7. Schemă de producere a fenomenului de cavitaţie

Acest fenomen de distrugere locală a continuităţii fluxului de lichid cu formarea bulelor de gaz şi vapori datorită scăderii presiunii sub valoarea presiunii de vaporizare pv se numeşte cavitaţie. În lichidul aflat în mişcare, cavităţile (bulele)

astfel formate pot fi transportate într-o regiune în care presiunea lichidului este mai mare decît presiunea de vaporizare (care practic este presiunea din interiorul bulelor). Se constată atunci o surpare bruscă a pereţilor cavităţii spre interiorul acestora. Acest proces numit implozie, este însoţit în primul rînd de apariţia unor presiuni foarte mari (mii de bari) datorită micşorării rapide a volumului cavităţilor. Dacă implozia se produce lîngă un perete solid, presiunea se exercită direct asupra acestuia. Dacă implozia se produce la o oarecare distanţă faţă de perete, presiunea se transmite sub formă de undă de presiune. Pe lângă fenomenele mecanice (preponderente), se produc fenomene termice, chimice şi electrochimice.

Concret, fenomenul de cavitaţie se poate observa pe un tub Venturi, figura 2.8.

Figura 2.8. Schema producerii fenomenului de cavitaţie pe un tub Venturi

Fluidul, la o presiune de cîteva atmosfere, trece prin robinetul A şi apoi prin tubul Venturi, transparent, care în prima zonă îngustează fluxul de lichid. Apoi acesta se destinde şi trece prin robinetul B în rezervor. Pentru deschideri mici a robinetului A, deci pentru valori mici ale debitului, viteza în secţiunea 2-2 este mică. Scăderea presiunii este neînsemnată şi cavitaţia lipseşte. Prin deschiderea treptată a robinetului se produce creşterea vitezei lichidului, iar presiunea absolută scade. Dacă această scădere are loc până la o valoare mai mică decît presiunea de vaporizare pv , atunci apare zona de cavitaţie sub

formă de bule de vapori şi gaz.Cavitaţia modifică regimul normal de curgere în sistemul hidraulic, iar în unele cazuri duce la distrugerea elementelor

ce compun instalaţia hidraulică. Apariţia cavitaţiei în pompă conduce la scăderea debitului ei, la oscilaţii de frecvenţă ridicată în conducta de refulare şi la încărcări dinamice de valori mari asupra elementelor constructive ale pompei. În sistemele hidraulice, cavitaţia apare în special în conductele de joasă presiune (aspiraţie). Pentru caracterizarea rezistenţelor locale din punct de vedere al cavitaţiei, se aplică un criteriu adimensional numit cifra de cavitaţie, c.

Din ecuaţia Bernoulli scrisă între secţiuniile 1-1 şi 2-2, pentru cazul apariţiei cavitaţiei rezultă :

(2.46)

(2.47)

(2.48)

După cum se observă din ecuaţia (2.48) condiţia de evitare a cavitaţiei, p1 > pv implică c > 0.

În proiectarea instalaţiilor hidraulice se va lua în considerare şi fenomenul de cavitaţie, asigurîndu-se coeficienţi de rezistenţă locală la valori relativ mici pentru a obţine cifre de cavitaţie pozitive (mai mici decît valoarea critică a lui c).

Apariţia cavitaţiei în conducte duce la creşterea rezistenţei hidraulice odată cu micşorarea debitului. În cazul unei conducte de secţiune mică se formează dopuri de gaze iar mişcarea fazelor lichid-gaz provoacă pulsaţii.

20


În cazul pompelor cavitaţia are loc cînd lichidul se desprinde de pe elementul activ. În camera de aspiraţie apare atunci cînd presiunea de aspiraţie (presiunea absolută a lichidului la intrarea în pompă) nu este capabilă să învingă pierderile hidraulice.

Cavitaţia este un fenomen nedorit în instalaţiile hidraulice.Există totuşi cazuri cînd efectele cavitaţionale capată utilitate în practică. Astfel se pot construi dispozitive cu efect

cavitaţional pentru stabilizarea debitului de fluid (regulatoare de debit), figura 2.9.

Figura 2.9. Regulator de debit cu efect cavitaţional

Regulatorul de debit este alcătuit din rezistenţa fixă 1 care determină debitul de lichid şi droselul asimetric de tip ac 2 care permite introducerea dispozitivului în regim de cavitaţie.

Dacă presiunea pe la ieşirea din tubul Venturi scade atunci cînd presiunea de intrare pi este constantă, viteza

fluidului în secţiunea îngustă creşte. Scăderea acestei presiuni pînă la o valoare ce corespunde începutului cavitaţiei ( pe=pv),

conduce la formarea bulelor de vapori şi gaz, iar rezistenţa hidraulică a ajutajului se măreşte proporţional cu intensificarea cavitaţiei. Debitul prin ajutaj, după apariţia cavitaţiei, se stabilizează menţinîndu-se constant indiferent de scăderea mai departe a presiunii la ieşirea din ajutaj. Micşorarea acestei presiuni conduce numai la lărgirea zonei de cavitaţie. Acest tip de regulator de debit asigură un domeniu larg de reglare şi stabilizare a debitului (10). În figura 2.10 se prezintă dependenţa debitului reglat de căderea de presiune pe ajutaj pentru diferite valori ale presiunii de intrare (de la 10 la 30 bar). Presiunea de ieşire se poate modifica între 030 bar.

Figura 2.10. Caracteristica de reglare a debitului

Din caracteristica de stabilizare este evident că debitul se păstrează constant într-un domeniu larg a raportului presiunilor.

Înrăutăţirea stabilităţii debitului se produce pentru valoarea critică a presiunii la ieşire, pepi .

2.2.7. Proprietăţi termice Căldura specifică este cantitatea de căldură care trebuie furnizată unităţii de masă a lichidului pentru a-i ridica

temperatura cu un grad. La lichidele reale, căldurile specifice cresc odată cu temperatura. În cazul laminării lichidului, procedeu des utilizat în sistemele de acţionare hidraulică în scopul modificării parametrilor energetici de alimentare ai motoarelor hidraulice, se produce o încălzire a lichidului care poate fi evaluată din egalitatea:

21


(2.49)

în care: L - este lucrul mecanic disipat prin laminare;

- masa specifică a lichidului; p1-p2=p – variaţia de presiune în zona considerată;T1-T2 =T – variaţia de temperatură în lichidul de lucru; c – căldura specifică a lichidului. Din relaţia (2.46) rezultă:

(2.50)

Aplicând relaţia 2.47 se poate calcula că la o cădere de presiune de 100 bar se produce o creştere a temperaturii uleiului de 6oC.

Conductivitatea termică exprimă fluxul de căldură de 1W printr-o suprafaţă de 1m2 a corpului de lichid la un gradient de temperatură de 1 oK în direcţia fluxului. La uleurile hidraulice conductivităţile termice sunt de ordinul 0,11…0,135 W/m 2K. În general, la lichide conductivităţile termice sunt mai mari ca la gaze şi scad cu creşterea temperaturii.

Dintre proprietăţile electrice interesează rezistivitatea şi rigiditatea dielectrică, în special în cazul sistemelor de acţionare electro-hidraulice (determinarea rezistenţei de izolaţie).

2.2.8. Proprietăţile chimice. Onctuozitatea, se referă la comportarea lichidului ca lubrifiant în regimul semilichid. Această proprietate este în

strânsă legătură cu natura chimică şi afinitatea pentru metale ale lichidelor hidraulice. În general, proprietatea de lubrifiere devine foarte importantă odată cu creşterea sarcinii şi scăderea vitezei de deplasare a elementelor în mişcare relativă. Îmbunătăţirea onctuozităţii se realizează prin adaus de aditivi din care o parte, prin reacţie cu metalul, formează produse chimice care împiedică gripajul.

Stabilitatea la oxidare priveşte atât oxidarea lentă (degradarea mediului lichid prin oxidare), cât şi aprinderea lichidului hidraulic caracterizat prin punctul de inflamabilitate (se referă la vaporii de ulei), punctul de aprindere şi punctul de autocombustie (aprinderea fără intervenţia flacării).

Stabilitatea hidraulică defineşte capacitatea mediului hidraulic de a se opune reacţiei cu apa, în special cu apa de condensare care poate să apară în zonele unde se produc variaţii locale bruşte de temperatură.

Compatibilitatea este capacitatea mediului hidraulic de a se opune reacţiilor chimice cu materialele din structura sistemelor hidraulice (materiale metalice, materiale de etanşare, etc.).

Spumarea lichidelor hidraulice este rezultatul emulsionării acestora cu aerul având urmări negative asupra capacităţii de lubrifiere şi în special asupra comportării dinamice a sistemului prin creşterea elasticităţii mediului hidraulic. Ca urmare scade precizia şi promptitudinea sistemului. Utilizarea aditivilor antispumanţi asigură în mare măsură degajarea aerului conţinut, fără formarea emulsiei.

2.3. Fluide hidraulice de utilizare curentă2.3.1. Uleiuri minerale

Uleiurile minerale sunt în prezent cele mai folosite fluide hidraulice şi se obţin din ţiţei prin extragerea unor fracţiuni conţinînd hidrocarburi grele.

Hidrocarburile parafinice, naftenice şi aromatice conţinute în ţiţei se găsesc fie independent, fie legate între ele. În afară de hidrocarburi, în materia primă se mai găsesc şi alţi componenţi care, pe lîngă carbon şi hidrogen, mai conţin oxigen şi sulf dînd naştere unor substanţe asfaltoase, răşini, acizi naftenici, etc., substanţe care trebuie eliminate fiind improprii funcţionării sistemului de acţionare. Pentru obţinerea uleiului din ţiţei, acesta trece prin următoarele faze:

- distilarea;- rafinarea cu acizi sau solvenţi în scopul eliminării compuşilor asfaltoşi;- neutralizarea în vederea eliminarii rămăşiţelor de acizi de la operaţia de rafinare; - tratarea cu pămînturi decolorante pentru asigurarea transparenţei şi purităţii necesare produsului finit.Dezasfaltarea se face şi prin procedee de separare fizică, fără a lăsa urme de acizi. Se utilizează propanul sau solvenţi

selectivi de tipul fenolului cu care se obţin indici de vîscozitate IDD90.Pentru ameliorarea calităţii uleiurilor minerale se folosesc aditivi antioxidanţi, antiuzură, anticorozivi, antispumanţi,

antirugină, etc.Proprietăţile uleiurilor minerale, care le fac utilizabile în sistemele de acţionare, se menţin într-un ecart de temperatură

suficient de mare (de la –54 la +135oC). Cu amelioratori de vâscozitate (aditivi) se poate ajunge la o variaţie mică a vâscozităţii cu temperatura păstrându-se în acelaşi timp rezistenţa la oxidare la temperaturi mari, proprietăţile antispumante şi de lubrifiere. Temperatura limită superioară de lucru (excluzând evident temperatura de aprindere) este determinată de vâscozitatea limită admisă de 2..3 cSt. La temperaturile cele mai joase de utilizare, vâscozitatea nu trebuie să depăşescă 5000 cSt. La temperaturi de peste 70oC anumite fracţiuni volatile din uleiuri prezintă pericol de autoaprindere, motiv pentru care în unele cazuri se iau măsuri speciale de presurizare a sistemelor hidraulice cu gaze inerte (azot, argon sau heliu) evitându-se astfel contactul direct cu aerul.

Dintre uleiurile fabricate în ţară, doar un număr redus corespund cerinţelor impuse, recomandîndu-se pentru aţionările hidraulice uleiurile din grupa H.

22


A. Uleiuri hidraulice pentru solicitări uşoare STAS 9506-84PRODUCĂTOR S.C. PETROTEL Ploieşti

Se obţin din fracţiuni parafinice rafinate, aditivate cu ameliorator de indice de vîscozitate, depresant, antispumant.Se utilizează ca fluide pentru transmisiile hidraulice industriale pentru presiuni de max. 50 bar şi temperaturi de max.

50 oC.

CaracteristiciCondiţii de admisibilitate

H32 H46 H68 H100Densitate relativă la 15 oC max. 0,890 0.895 0,905 0,910Punct de inflamabilitate M, oC min. 190 205 215 220Vîscozitate cinematică la 40 oC, cSt 28,8 ... 35,2 41,4 ... 50,6 61,2 ... 74,8 90 ... 110Vîscozitate convenţională la 50 oC, E 2,8 ... 3,3 3,6 ... 4,6 5,2 ... 6,2 7 ... 8,5Indice de vîscozitate, min. 95 95 95 90Cenuşă, % max. 0.01 0.01 0.01 0,01Punct de curgere, oC max. -16 -16 -16 -8

B. Uleiuri hidraulice aditivate STAS 961-87PRODUCĂTOR S.C. LUBRIFIN S.A. BRAŞOV

Se obţin din uleiuri minerale solventate, deparafinate, rafinate şi aditivate antioxidant, antirugină, antiuzură, antispumant, depresant şi cu ameliorator de indice de vîscozitate.

Se utilizează ca fluide de lucru în instalaţiile hidraulice în care uleiul este solicitat la presiuni de max. 300 bar şi la temperaturi de maximum 85 oC .


H18A H32A H46A H60ADensitate relativă la 15 oC max. 0,900 0.900 0,905 0,905Vîscozitate cinematică la 40 oC, cSt 16,7 ... 21,2 27,8 ... 33,4 44,4 ... 49 58,3 ... 63,7Punct de inflamabilitate M, oC min. 155 175 183 103Indice de vîscozitate, min. 90 90 90 90Punct de curgere, oC max. -35 -35 -30 -25

C. Uleiuri hidraulice aditivate pentru extremă presiune STAS 12023-82PRODUCĂTOR S.C. LUBRIFIN S.A. BRAŞOV

Se obţin din fracţiuni de uleiuri parafinice şi naftenice selecţionate şi rafinate, aditivate cu aditivi pentru extremă presiune, antioxidant, antirugină, anticoroziv, antispumant, depresant şi cu ameliorator de indice de vîscozitate.

Se utilizează, după prescripţii, în sistemele hidraulice de transmitere a puterii echipate cu pompe şi motoare pentru presiune ridicată.


H15EP H22EP H32EP H46EP H68EP H100EPDensitate relativă la 15

oC max. 0,895 0,885 0,895 0.895 0,895 0,905

Vîscozitate cinematică la 40 oC, cSt

13,5 ... 16,5 19,8 ... 24,2 28,8 ... 35,2 41,4 ... 50,6 61,2 ... 74,8 90 ... 110

Punct de inflamabilitate M, oC min.

140 185 200 205 205 210

Punct de curgere, oC max.

-37 -15 -15 -12 -12 -8

Indice de vîscozitate min.

90 95 95 95 90 90

2.3.2. Lichide hidraulice sintetice. Limitele de temperatură, pericolul de autoaprindere, vâscozitatea şi durata de exploatare, sunt principalele mărimi

greu de atins sau de menţinut în cazul uleiurilor minerale. Realizarea acestor parametri a impus înlocuirea uleiurile minerale cu lichide hidraulice sintetice pentru unele sisteme de acţionare cu condiţii de funcţionare speciale,.

Diesterii, utilizaţi ca lubrifianţi în motoarele cu reacţie, pot fi folosiţi ca lichide hidraulice în gama de temperaturi de –40…+205oC. La temperaturi mai mari de 280oC stabilitatea lor este foarte redusă şi atacă unele metale (cuprul şi aliajele lui), precum şi unele materiale de etanşare.

Silicat-esterii se folosesc în domeniul –54…+230oC, iar pentru perioade scurte până la 260oC. Au avantajul că nu spumează dacă sistemul de acţionare este închis (fără contact cu aerul), în schimb formează compuşi solizi cu apa.

Siliconii prezintă caracteristici de temperatură şi vâscozitate superioare tuturor lichidelor hidraulice. Pot fi utilizaţi până la temperaturi de +315oC. Prezintă dezavantajul unor proprietăţi de lubrifiere mai reduse, dar care pot fi ameliorate cu

23


aditivi. Prezintă o variaţie accentuată a modulului de elasticitate cu temperatura, fapt care poate conduce la apariţia fenomenului de rezonanţă hidraulică în gama frecvenţelor joase.

Metalele lichide pot fi utilizate în unele cazuri ca fluide hidraulice. Se recomandă un aliaj endectoid compus din 77% Na şi 23% K, avînd punctul de topire la -12 oC şi cel de fierbere la

850 oC, modulul de elasticitate volumică E=5,2·104 daN/cm2 la temperatura de 40 oC şi vâscozitate aproape constantă. Prezintă pericolul oxidării violente în aer, impunând condiţii de etanşare extrem de pretenţioase.

La presiuni ridicate se poate folosi un amestec de ulei de transformator (avînd vîscozitate foarte mică) cu petrol care rezistă la presiuni de 1000 bar şi temperaturi cuprinse între 0 şi 100 oC.

Sub temperaturi de 40-50 oC se poate utiliza eter de petrol. La temperaturi foarte joase –200 oC se foloseşte heliul lichid care poate funcţiona la presiuni pînă la 1000 bar.

2.3.3. Apa utilizat ca mediu hidraulicEste cel mai vechi fluid hidraulic utilizat la primele utilaje acţionate hidraulic, în special la prese şi elevatoare. Pentru

aplicaţiile curente actuale apa prezintă o serie de dezavantaje: domeniul limitat de temperatură (0….100 oC), calităţi de lubrifiere scăzute, vâscozitate redusă (greutăţi mari în realizarea etanşărilor) conţinut de aer dizolvat (care în anumite condiţii de presiune se degajă înrăutăţind comportarea sistemului şi în unele cazuri determinând apariţia fenomenului de cavitaţie). În amestec cu glicerina (67% glicerină şi 33% apă) coboară punctul de îngheţ până la –40oC, iar vâscozitatea creşte la 15 cSt apropiindu-se de fluidele hidraulice curente. Amestecul de apă-glicerină are însă alte inconveniente: este higroscopic şi catalizator în fenomenele de coroziune. În aplicaţiile actuale se utilizează în instalaţiile de acţionare ale utilajelor din industria alimentară.

O serie de firme ca BASF Wyndatte (SUA), Bosh (RFG), recomandă utilizarea unor emulsii compuse din 50% apă şi 50% glicol sau 95-97% apă şi 3-5% un constituient care să asigure ungerea şi protecţia împotriva acţiunii corozive a apei.

2.3.4. Alegerea lichidelor hidraulice Pentru a determina tipul de lichid hidraulic pentru un sistem de acţionare se iau în consideraţie în primul rând

condiţiile de mediu (temperatura şi compoziţia mediului gazos exterior), precum şi compatibilitatea cu materialele din construcţia sistemului. Intervine apoi vâscozitatea şi în special variaţia acesteia cu temperatura. Uleiurile parafinice rafinate cu solvenţi selectivi, cu îmbunătăţiri speciale (unele uleiuri de turbină şi de transformator), oferă caracteristici de vâscozitate acoperitoare pentru toate aplicaţiile din acţionarea hidraulică. Durata de utilizare a lichidului hidraulic depinde de tipul sistemului de acţionare. La sistemele cu circuit deschis uleiurile pot fi utilizate între 2000 şi 5000 ore, iar la sistemele în circuit închis timpul de utilizare scade până la 500 ore.

2.3.5. Aerul ca fluid hidraulicAerul utilizat în instalaţiile de acţionare pneumatice se consideră fluid newtonian şi în consecinţă tensiunile

tangenţiale datorate vâscozităţii se pot calcula cu relaţia

(2.51)

Aerul este puternic compresibil. Volumul specific v, respectiv densitatea = 1/v depind de presiunea p şi temperatura T. Starea unui gaz este caracterizată prin aceste trei mărimi, numite mărimi (sau parametri) de stare, între care există o relaţie de forma v = v (p,T) sau = (p,T). Relaţia se poate scrie sub forma ecuaţiei de stare f (p,v,T) = 0. În cazul gazelor perfecte ecuaţia de stare (Clapeyron-Mendeleev), este:

pV = m R T (2.52)în care:

V - este volumul gazului a cărui masă este m; p - presiunea gazului; T - temperatura gazului; R - constanta gazelor 0,287 [kJ / kg 0K].Gazele reale sunt caracterizate, în afara constantei R, şi de alţi parametri, de exemplu temperatura critică Tc şi

presiunea critică pc corespunzătoare punctului de lichefiere a gazului. O ecuaţie folosită obişnuit pentru gazele reale este ecuaţia lui Van der Waals:

(2.53)

în care 1 şi 2 sunt constantele specifice gazelor reale definite prin :

şi (2.54)

Introducerea conceptului de gaz perfect simplifică studiul proceselor termodinamice iar în sistemele de acţionare se poate considera, fără erori mari, aerul ca gaz perfect. Studiul fenomenelor din statica şi dinamica gazelor necesită introducerea mărimii fizice denumită căldură specifică cp care reprezintă cantitatea de căldură necesară ridicării temperaturii unităţii de masă a gazului cu un grad. Valoarea căldurii specifice depinde de transformarea prin care se realizează transmisia căldurii.

Căldura specifică la presiune constantă se defineşte prin relaţia:

24


(2.55)

Căldura specifică la volum constant este:

(2.56)

cpcv, iar diferenţa dintre cele două călduri specifice este egală, pentru un gaz perfect, cu constanta R:cp – cv = R (2.57)

Relaţia lui Robert - Mayer (2.57) se mai poate scrie şi sub forma:

(2.58)

unde k = cp/cv este exponentul adiabatic al gazului.În cazul aerului, la 0oC şi presiune atmosferică normală,

cp = 1,005 şi cv = 0,716

La transformările reale ale gazelor are loc nu numai o variaţie a mărimilor de stare, ci şi o variaţie a căldurilor specifice care de regulă se neglijează în calculele tehnice.

În studiul repausului sau mişcării unui gaz perfect, fără frecări sau şoc, se deosebesc următoarele legi de variaţie a densităţii cu presiunea: izocoră, pentru = const; izotermă, pentru p/ = const; adiabată pentru p/k = const; politropă p/n

= const, în care k şi n sunt respectiv exponentul adiabatic şi politropic. Transformarea politropă este cea mai generală. Dacă c este căldura specifică a transformării politrope, din principiul

întâi al termodinamicii rezultă:c dT = cv dT+ p dV (2.59)

şi cu relaţia p = RT /v, înlocuid, separând variabilele şi integrând de la To la T, respectiv de la v o la v, rezultă:

(2.60)

Se notează :

(2.61)

Se obţine după transformări simple ecuaţia transformării politrope:

p vn = po . (2.62)

Dacă în timpul evoluţiei gazului T = const., transformarea este izotermă, n= 1 şi rezultă :p v = const. (2.63)

Dacă în timpul evoluţiei gazului cantitatea de căldură schimbată cu exteriorul este nulă, adică în timpul transformării q = const., ea se numeşte adiabatică. În acest caz exponentul k = cp / cv = 1,4, iar ecuaţia transformării este:

p vk = const. (2.64) Din relaţiile 2.54 şi 2.58 se obţine legătura dintre căldurile specifice :

(2.65)

Aerul tehnic din instalaţiile de acţionare pneumatică conţine întotdeauna vapori de apă în stare saturată. Cantitatea de vapori de apă din aer se determină de obicei prin umiditatea relativă ur, care reprezintă raportul dintre umiditatea absolută a gazului şi umiditatea absolută maximă la aceeaşi presiune şi temperatură a amestecului. Practic, umiditatea relativă se găseşte între limitele 0,6…0,8. Dacă ur1, aerul este suprasaturat în vapori de apă, îşi pierde transparenţa iar o parte din umiditate se separă în picături mici. În general schimbarea de stare a aerului umed atrage după sine şi modificarea umidităţii relative. Comprimarea determină o creştere a temperaturii iar umiditatea relativă scade. Destinderea determină o scădere a temperaturii, fapt care poate duce la separarea umidităţii din aer.

25

CURS ACTIONARI HIDRAULICE SI PNEUMATICE

Documents

Transcript of CURS ACTIONARI HIDRAULICE SI PNEUMATICE