Universitatea Transilvania din Braov Facultatea de Inginerie Mecanic Catedra de Autovehicule i Motoare

Hidraulica i pneumatica autovehiculelorProfesor dr. ing. Horia Abitnceisuport de curs nvmnt cu frecven redus 20071

M bucur de o carte ca un copil de o jucrie

...lucrat nsufleit de dragostea copiilor, Anastasia i Nicolae care motiveaz taina continu, permanent a cunoaterii, a gnditorului....

Obiective educaionale:

nelegerea modului de funcionare al sistemelor de acionare hidraulic i pneumatic simple Dobndirea aptitudinii de concepie a sistemelor de acionare hidraulic i pneumatic simple

Sistemele pentru ACIONARE HIDRAULIC I PNEUMATIC sunt destinate rezolvrii unor probleme tehnice de ctre inginer care n demersul su ar trebui s considere:protecia mediului, fascinaia fenomenului creativ c eroarea este oportunitatea de a ncepe din nou, dar mai inteligent Henry Ford

2

CUPRINS Capitolul 1 Introducere 2 Principiul de funcionare al sistemelor hidraulice 3 Circuite hidraulice 4 Ecuaiile fundamentale utilizate n hidraulic 5 Elementele componente ale circuitelor hidraulice 6 Aplicaii 7 Utilizarea sistemelor hidrostatice 8 Simularea sistemelor hidrostatice 9 Elemente de pneumatic 10 Probleme de hidrostatic Bibliografie

pag. 5 12 17 29 50 87 100 104 112 118 129

3

Principiul lui Pascal: Presiunea aplicat asupra unui fluid (gaz sau lichid) nchis ntr-o incint se propag uniform n ntreaga mas de lichid i asupra pereilor incintei Pascal's principle : Pressure applied to an enclosed fluid is transmitted undiminished to every part of the fluid, as well as to the walls of the container Blaise Pascal (19 iunie 1623 - 19 august 1662) a fost un matematician, fizician i filosof francez avnd contribuii n numeroase domenii ale tiinei, precum construcia unor calculatoare mecanice, consideraii asupra teoriei probabilitilor, studiul fluidelor prin clarificarea conceptelor de presiune i vid, Wikipedia, enciclopedia liber

4

1. IntroducereObiective educaionale: Delimitarea domeniului de studiu nelegerea avantajelor i dezavantajelor sistemelor hidraulice Deprinderea capacitii de comparaie a sistemelor hidraulice cu alte sisteme de conversie energetic Identificarea domeniilor de aplicaie la autovehicul a sistemelor de acionare hidraulic i pneumatic 1.1 Noiuni introductive Acionrile hidraulice i pneumatice (AHP) asigur funcionarea unui sistem al autovehiculului folosind conversia energiei ntr-un fluid. AHP se bazeaz pe principiul lui Pascal. Ideea fundamental legat de AHP este sintetizat n axioma practic: energie se transmite eficient prin lichide, mai eficient prin unde propagate in lichide, iar informaia pe cale electric. Ideea enunat arat avantajele poteniale ale sistemelor hidraulice i vine n ntmpinarea soluionrii conflictului hidraulic versus electric. Sistemele hidraulice n general se bazeaz pe conversia energiei, folosind ca mas de sprijin un lichid. Energia purtat de lichid are o component potenial, descris prin presiunea sa i o component cinetic, descris prin viteza de curgere. Sistemele hidraulice care se bazeaz n principal pe componenta cinetic sunt cunoscute ca sisteme hidrodinamice i utilizate ca ambreiaje sau convertizoare hidrodinamice (viteze de curgere de aproximativ 50 m/s). Sistemele bazate pe energia potenial a lichidului se deplaseaz la viteze reduse (4-5 m/s) dar la presiuni foarte mari (400-700 bar) i sunt numite sisteme hidrostatice. Sistemele de conversie a energiei care folosesc ca mas de sprijin aerul se numesc sisteme pneumatice. Avantajele i dezavantajele sistemelor hidraulice sunt sintetizate n tabelul 1.1.

5

Tab.1.1.

Avantaje Transmisia de puteri i fore foarte mari Comand continu, lin i rapid Posibilitatea reglrii turaiei Rapoarte mari de transmisie ntr-o gam continu Schimbarea simpl i rapid a sensului de micare Comand exact Micare uniform Transmisia micrii fr ocuri Siguran n funcionare inclusiv fa de suprasarcini Transmisia energiei la distan Sistemele complexe pentru realizarea funciilor complexe, pot fi construite modular din subsisteme simple Amplasarea componentelor nu este impus de sistemul hidraulic i se poate adapta perfect aplicaiilor Durabilitate i fiabilitate ridicat Simplitate n comand i reglaj Densitate de putere foarte mare (gabarit i mas reduse) Standardizare extins ceea ce face posibil construcii modulare, deci tehnologice Moment de inerie redus, ceea ce duce la comportare dinamic excelent Ungere i transport eficient a cldurii rezultate din frecare prin lichidul de

Dezavantaje Sensibilitatea lichidului la variaii de temperatur prin modificarea viscozitii Compresibilitatea uleiului, pereilor conductelor Sensibilitate mare la prezena aerului n lichid Pierderi de putere prin frecrile lichidului (este motivul pentru care vitezele sunt limitate la valori reduse) Constructiv problema esenial este asigurarea etanrii Precizie de fabricare ridicat Exist posibilitatea apariiei ocurilor la funcionri necontrolate Necesitatea diagnosticrii i mentenanei fluidului de lucru. Influene asupra mediului privind zgomotul, scurgerile din sistem i pericolul aprinderii uleiului care prin microfisuri este pulverizat i devine n atmosfer inflamabil

6

lucru Posibilitate simpl de recuperare a energiei de frnare n special pentru condiii dinamice (sistemele hidraulice pot stoca i ceda energii mari, stocarea ns nu se poate menine pe timp foarte ndelungat datorit etanrilor imperfecte sistem de recuperare excelent pentru autobuze sau circulaia urban n general) Comparaia sistemelor hidraulice cu alte sisteme de conversie a energiei este redat n tabelul 1.2 Sisteme mecanice versus hidraulice versus electrice Tab.1.2. Parametrul comparat Densitatea de putere transmis Transmiterea puterii la distan Posibilitile de comand i reglaj Randament Flexibilitate constructiv mecanice ++ + (costisitor) hidraulice + + + + (costisitor) electrice ++ + ++ (ieftin)

Parametri mecanici: comparaie sisteme hidraulice i electrice: Parametrul comparat Masa Gabaritul Momentul de inerie Sistemul hidraulic 1 1 1 Tab.1.3. Sistemul electric 14 26 72

Datele sintetice ale tabelelor de mai sus, arat posibilitile i limitele aplicabilitii diferitelor sisteme. Exist n prezent o tendin de nlocuire a sistemelor hidraulice prin sisteme electrice (ex. roboti), mizndu-se pe realizarea unui sistem unitar de transmisie i control, acestea din urm fiind realizat incontestabil cel mai eficient prin sisteme electrice.

7

Realizrile actuale n domeniul motoarelor electrice pentru transmisia autovehiculelor sunt caracterizate de mase mari la puteri relativ reduse i pre de cost ridicat. Acestea se produc n general la turaii mari (pentru a avea compactitate, mas i preuri de cost mai reduse), ceea ce impune materiale speciale pentru motoarele electrice i un reductor mecanic care crete pierderile, costul i masa sistemului de propulsie. De asemenea electronica de putere este un domeniu care necesit inovaii suplimentare pentru miniaturizare i eficientizare. Comanda motoarelor pentru electromobile se face dificil i pentru realizarea practic unele soluii necesit cutii de viteze mecanice. Soluiile tehnice speciale existente pe electromobilele marilor productori funcioneaz n general la turaii foarte mari, acoperind ntreg domeniul de funcionare. n cazul general sunt soluii speciale i de serie mic. Sistemele hidraulice pentru a fi aplicabile pe scar mai larg, (ele acoper parial sau exclusiv aplicaiile pe autovehicule speciale: stivuitoare, maini agricole, maini mari care lucreaz pe teren greu), necesit inovaii n generarea presiunii i reducerea pierderilor de frecare pentru a crete randamentul global al transmisiei, reducerea gabaritului sistemelor de comand, obiectiv realizabil prin utilizarea pentru acest scop a sistemelor electronice. 1.2 . Domenii de utilizare a sistemelor hidraulice Sistemele hidraulice au o aplicabilitate foarte mare la autovehicule i din acest motiv este util o clasificare a lor. Aceste sisteme lucreaz combinat pentru realizarea unor funcii complexe precum este sistemul ESP. Utilizarea principiilor hidrostatice n acionarea sistemelor auxiliare este util datorit faptului c funcionalitatea acestora se poate obine la turaii joase ale motorului termic, ca surs primar de energie, prin volumul variabil al elementelor hidrostatice. Sisteme implicate n: dinamica longitudinal: motor: sistemul de injecie sistemul de ungere mecanisme de regla a distribuiei (tachei hidraulici, defazoare a unghiului de deschidere hidraulice, acionri hidraulice de supape) ntinztoare de lan hidraulice acionare ventilator

8

ambreiaj acionat hidraulic cutia de viteze mecanism de cuplare acionarea transmisiilor automate convertizoare hidrodinamice

acionare diferenial sistemul de frnare, ABS, ASR, recuperare energie de frnare transmisie hidromecanic transmisie hidrostatic integral dinamica transversal sistemul de direcie dinamic vertical suspensia activ reglajul nivelului autovehiculului (ex. autocare, BMW Z3, Audi A6) sisteme de confort i siguran nchidere centralizat, reglaj faruri instalaia de splare acionare plafon la autovehicule decapotabile (ex. BMW Z3, Mercedes modele cabrio) etanare (umflare furtun dup nchiderea trapei de plafon i portbagaj la Peugeot 206) sistemul ESP

sisteme de lucru pe autovehicule Sistemele de lucru de pe autovehicule necesit un regim de lucru independent de regimul de funcionare al motorului. O clasificare a sistemelor este posibil cu dificultate. Funcie de destinaie exist numeroase sisteme de lucru care folosesc pentru avantajele sale de densitate de energie i posibilitate de transmitere a energiei la distan, sisteme hidrostatice. Se pot considera:

9

autovehiculele pentru agricultur (tractoare, semntori, combine, prese de paie, etc.), construcii (excavatoare, macarale, ncrctoare, compresoare, maini excavat tunele, autovehicule construcii drumuri, pompe de beton, etc.), forestiere, comunale, de pompieri, stivuitoare, etc.

Pe aceste autovehicule exist numeroase sisteme hidrostatice de acionare i lucru, care utiliznd o surs unitar de energie hidraulic acioneaz diferite sisteme n cele mai diverse condiii, simultan, succesiv, continuu, dinamic, la turaii/viteze mari, foarte lent, cu diferite puteri, etc. .De exemplu: cilindrii hidraulici pentru acionarea braelor de lucru; antrenarea mecanismului de rotaie al cabinei excavatoarelor mari; atelaje fa i spate la tractoare; frne la remorc; sisteme blocare diferenial; sisteme de ungere pentru transmisii, cutii de viteze; acionare trolii; acionare maini agricole.

n sintez, de reinut ! Caracteristic pentru toate aceste sisteme este faptul c se bazeaz pe energia transmis hidraulic cu densitatea mare de putere, la distan, n cele mai diverse condiii (statice/dinamice; simultan/succesive; lente/rapide; diferite puteri), pornind de la o singur surs energetic eficient nc de la pornire, i sunt comandate electronic pentru realizarea funciilor. Reglajul electronic permite ca sistemele hidrostatice s fie realizate mai simplu constructiv i s creasc eficiena energetic, ameliornd unul din dezavantajele majore. Aceast tendin este demonstrat de considerarea transmisiilor hidrostatice pentru autovehicule convenionale, dup ce i-au demonstrat aplicabilitatea la autovehicule speciale. O imagine a acestor autovehicule, de unde se observ multitudinea de aplicaii este redat n figura 1.1.

10

Fig. 1.1

ntrebri recapitulative Enunai principiul care st la baza funcionrii acionrilor hidraulice i pneumatice. Care este diferena dintre sisteme hidrostatice i hidrodinamice ? Care este soluia de perspectiv pentru acionarea hidraulic ? Ce sisteme implicate n dinamica transversal a autovehiculului folosesc acionarea hidraulic ?

11

2. Principiul de funcionare al sistemelor hidrauliceObiective educaionale: nelegerea modului de conversie al energiei ntr-un sistem hidraulic nelegerea modului de aplicaie practic a conversiei hidraulice a energiei Cunoaterea structurii de baz a sistemelor hidraulice AHP Cunoaterea simbolurilor i a schemelor de lucru utilizate n AHP

Principiul fundamental al sistemelor hidraulice se bazeaz pe generarea presiunii ntr-un lichid, proces descris prin principiul lui Pascal. Schema fundamental este prezentat n figura 2.1. Acionnd cu o for asupra pistonului 1, acesta determin o cretere de presiune n lichid care se propag n ntreaga mas i acioneaz uniform pe toi pereii incintei n care se afl. La captul opus al sistemului se gsete sarcina care trebuie ridicat (de exemplu). Presiunea n sistem crete pn n momentul n care este pus n micare sarcina, adic pn cnd fora (ca presiune x aria pistonului) generat, compenseaz sarcina (n exemplu greutatea piesei de ridicat). Prin continuare micrii la pistonul de acionare, presiunea nu mai crete, ci se deplaseaz pistonul sarcinii i implicit sarcin.

Fig. 2.1 12

Important este faptul c presiunea se dezvolt n ntreaga mas de lichid, ceea ce permite transmiterea energiei la distan, la mai multe componente, dispuse n diferite poziii, unele situaii fiind exemplificate n figura 2.2.

Aceast proprietate susine aplicabilitatea practic a sistemelor hidrostatice pentru acionarea la distana a elementelor de execuie destinate la diferite moduri de deplasare, fore i poziie de amplasare.

Fig. 2.2 Pentru aplicaiile practice, pistonul acionat liniar este nlocuit cu o pomp care livreaz continuu lichid, scopul sistemului hidraulic fiind asigurarea energiei hidraulice pentru deplasarea unei sarcini, schimbarea sensului de deplasare i modificare forei prin care este acionat sarcina.

13

Materializarea n aplicaii tehnice a principiului de lucru enunat se realizeaz prin circuite hidraulice a cror structur de baz este prezentat n figura 2.3a mpreun cu simbolurile standardizate (ISO TC131/SC 1 http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/) ale componentelor (fig. 2.3 b).

A a P 0

B b T

a) Fig. 2.3 Modul de funcionare

b)

Pompa 1 este antrenat de un motor cu ardere intern sau motor electric i absoarbe lichidul hidraulic din rezervorul 2. Ca i pistonul din figura 2.2, pompa hidrostatic, determin o deplasare a fluidului de lucru (o variaie de volum dar nu ntr-un spaiu nchis). Presiunea acestuia va crete numai cnd va ntmpina oriunde n aval o rezisten hidraulic. Presiunea de lucru depinde aadar de sarcina sistemului hidraulic, iar volumul de lichid de lucru pus n circulaie n unitatea de timp depinde de construcia sistemul de pompare, proporional cu volumul dislocat n unitatea de timp (volum i turaie). Fluidul debitat de pomp este dirijat prin supapa unisens 3, spre distribuitorul 6 i apoi spre cilindrul 5 care efectueaz lucrul mecanic. Supapa unisens are rolul s permit decuplarea ansamblului de pompare de restul circuitului hidraulic. n acest caz, distribuitorul are trei poziii care corespund la trei regimuri de

14

funcionare i se reprezint prin trei csue n care sunt indicate direciile de curgere. Pe figur se reprezint poziia neutr a distribuitorului, notat prin 0. Celelalte poziii se noteaz cu litere mici: a,b,etc.. La aceast poziie se reprezint conexiunile hidraulice: P legtura de la pomp, T legtura la rezervor (tank), A,B... legturile la elementele de execuie. n acest caz exist 4 legturi i 3 poziii ale distribuitorului, care se noteaz 4/3 n poziia 0, alimentarea cilindrului hidraulic este blocat, n poziia a se asigur curgerea lichidului de la pomp spre partea stng a pistonului cilindrului hidraulic, ceea ce determin deplasarea sa spre dreapta. Partea dreapt a pistonului este pus n legtur cu rezervorul, ceea ce permite scurgerea lichidului hidraulic. Prin deplasarea elementului de comand a distribuitorului n poziia b, cilindrul i inverseaz sensul de deplasare. Elementul 4 este supapa de presiune. Rolul su este s menin n circuitul hidraulic o presiune maxim prestabilit care s nu depeasc valoarea admisibil a celui mai puin rezistent element din circuitul hidraulic. Presiunea este un parametru efect, crete n funcie de sarcin i se limiteaz prin introducerea unui element elastic care controleaz legtura dintre circuitul hidraulic de presiune i rezervor. Dac presiunea crete peste valoarea stabilit, fora asupra elementului de control crete, este nvins fora arcului i acesta permite scurgerea la rezervor. Un element strict necesar pentru funcionarea practic este filtrul hidraulic, care asigur protecia elementelor hidraulice de uzur prematur. Aceast structur asigur principial funcionarea oricrui sistem hidraulic. Ca element de execuie poate fi un motor hidraulic, sistem care convertete energia hidraulic n energie mecanic n micare de rotaie. De asemenea se pot conecta mai multe elemente de execuie. Simboluri generale Pentru realizarea funciilor de execuie se folosesc i alte elemente hidraulice a cror simboluri sunt sintetizate n tabelul 2.1. Cu ajutorul acestora se reprezint simplu i intutiv circuitele hidraulice. Simbolul Semnificaia Simbolul de baz al motoarelor hidraulice Simbolul de baz al pompelor hidraulice Posibilitatea reglajului Simbolul M Tab.2.1. Semnificaia Motor electric de antrenare Motor electric de antrenare Sistem neelectric de antrenare

M M

15

Simbolul de baz al poziiei distribuitoarelor Direcia de curgere a unui curent de lichid Filtru Schimbtor de cldur Acumulator hidrostatic Rezervor cu conduct Separator de fluide i / sau transformator de presiune Aparate de msur Debitmetru U P Traductor electric de presiune Manometru de presiune limit

Conduct cu fluid de lucru Conduct hidraulic de comand sau de colectare Legtur mecanic Legtur flexibil Delimitarea subsistemelor

Sistem hidraulic

Sistem pneumatic

Debitmetru sumator

Termometru

16

3. Circuite hidrauliceObiective educaionale: nelegerea modului de reprezentare a circuitelor hidraulice Identificarea principalelor circuite utilizate n hidraulic cu modul de funcionare i destinaia acestora

Pentru descrierea modului n care se realizeaz o anumit funcie tehnic se folosesc circuite hidraulice care ilustreaz modul de cuplare al elementelor ntre ele i diagrame funcionale, care descriu modul n care funcioneaz diferitele elemente. 3.1 Circuitul hidraulic de baz (fig. 3.1) Circuitul de baz descrie acionarea hidraulic a unui element de translaie cilindru hidraulic

Fig. 3.1 17

3.2 Circuitul serie Sistemul anterior se completeaz cu un circuit suplimentar, conectat la ieirea spre rezervor a circuitului iniial, ceea ce reprezint o conexiune n serie a celor dou circuite (fig. 3.2). La acest tip de conexiune apar urmtoarele condiii funcionale:

Fig. 3.2 Nu pot funciona mai multe elemente de execuie simultan fr a fi influenat fora i viteza elementului de execuie. La acionarea cilindrului 2 se genereaz o presiune ce depinde de aria pistonului 2 i de sarcin la pistonul 2. Aceeai presiune se afl i n partea dreapt a cilindrului 1, presiunea fiind aici proporional cu aria

18

pistonului din care se scade aria transversal a tijei i de sarcina asupra pistonului 1. Presiunea din cilindrul 1 rezult din fora rezistent care acioneaz la nivelul pistonului 1 i fora presiunii induse n sistem de cilindru 2 i aria pistonului din dreapta cilindrului 1. Dac fora din partea stng a pistonului 1 nvinge cele dou fore menionate, atunci ambele pistoane se vor deplasa spre dreapta. Viteza de deplasare va fi n acelai raport n care se gsesc ariile din dreapta pistonului 1 i aria pistonului 2. Revenirea lichidului n circuit se face prin unitatea filtrant F. Construcia sa este prevzut pe lng elementul filtrant propriu-zis cu o supap unisens, care atunci cnd accidental filtrul este blocat, permite circulaia lichidului spre rezervor, ocolind filtrul. 3.3 Circuitul paralel Circuitul hidraulic (fig. 3.3) este prevzut cu o pomp cu debit variabil. Pompa este acionat de un motor electric de turaie constant. Volumul pompei este modificat printr-un motor electric variabil m. Pomp furnizeaz un debit volumic circuitului hidraulic. Printr-o bifurcaie fluidul este condus prin distribuitoarele 5,6,7 la elementele de execuie 8,9,10. Distribuitoarele sunt de tip 4/3, acionate electric i meninute prin arcuri n poziia neutr. Elementele de execuie sunt un cilindru telescopic (8), un cilindru cu amortizare (9) i un cilindru cu amortizare i revenire prin arc (10). Pn la distribuitoare, presiunea n sistem corespunde presiunii reglate la supapa de presiune 3. Aceast presiune poate fi citit la manometrul 4, acionnd butonul distribuitorului manometrului, care prin poziia 2 a distribuitorului face legtura dintre manometru i sistem. n poziia neutr, meninut de un arc, manometrul este descrcat prin legtura la rezervor. Cuplarea paralel permite funcionarea mai multor elemente de execuie n acelai timp, doar dac exist cantitate suficient de lichid care s menin presiunea de lucru necesar. Presiunea din sistem se va stabiliza la nivelul impus de cea mai mic rezisten. Astfel primul va fi acionat elementul de execuie care realizeaz rezistena minim. De-abia dup ce elementul de execuie cu rezistena minim (cel care induce i presiunea minim n circuitul hidraulic) ajunge n poziia extrem, presiunea crete la nivelul rezistenei urmtorului element de execuie. Altfel exprimat elementele de execuie sunt acionate funcie de presiunea indus de sarcin.

19

Fig. 3.3

3.4 Circuitul hidraulic nchis Particularitatea acestui tip de conexiune a elementelor hidraulice este conectarea direct a evacurii motorului cu admisia n pomp. n figura 3.4 este reprezentat schema circuitului de baz n varianta circuit nchis. n majoritatea aplicaiilor pompa este variabil i permite ambele sensuri de circulaie. Motorul trebuie n acest caz s permit i el ambele sensuri de curgere i poate la fel s fie variabil, pentru a permite un domeniu mai larg de turaii. Se observ c ambele ramuri de legtur pot lucra la presiuni joase sau nalte i trebuie prevzute i constructiv pentru aceste funcii.

20

Fig. 3.4

21

Elementele particulare ale circuitului nchis sunt: sigurana fa de suprapresiuni; Cele dou supape de presiune 3 i 4, care au rol n limitarea presiunii maxime, limiteaz presiunea n conducta de presiune nalt (indiferent care este aceasta). Lichidul suplimentar este dirijat spre conducta de joas presiune. n acelai timp, cele dou elemente de supape de presiune ajut la frnarea motorului, atunci cnd debitul pompei este nul (oprirea antrenrii pompei). circuitul de realimentare i filtrare Sistemele hidraulice nu sunt etane, astfel c un circuit hidraulic nchis necesit un sistem prin care s fie completat lichidul hidraulic pierdut prin neetaneiti. De asemenea microparticulele desprinse n procesul de frecare al pieselor metalice aflate n micare relativ, trebuiesc filtrate. Pentru circuite complexe cu numeroase disipaii, lichidul se nclzete i necesit rcire. Supapa de filtrare 5 este un distribuitor acionat hidraulic. Cnd pompa 1 este n poziia de debit nul, pompa de alimentare 6, care are rolul de a reumple circuitul hidraulic i debiteaz spre rezervor lichidul prin distribuitorul 5 aflat n poziia de mijloc, prin supapa de presiune 7 i rcitorul 8. Presiunea limitat de supapa de presiune 7 este presiunea n circuitul de joas presiune, limitat n general la 8...15 bar. Dac elementul de comand al pompei 1 se gsete ntr-o poziie n care pompa debiteaz lichid, respectiv se alimenteaz motorul hidrostatic, atunci circuitul de nalt presiune acioneaz asupra distribuitorului 5. Astfel se realizeaz conexiunea ntre circuitul de joas presiune i supapa de presiune 7. Acest proces are loc indiferent de ramura care este la un moment dat circuitul de nalt presiune. Fie de exemplu ramura din stnga a circuitului de nalt presiune. Distribuitorul este deplasat spre dreapta. Circuitul de joas presiune este conectat cu supapa de presiune 7. Aceasta este acionat hidraulic prin circuitul pompei de alimentare 6. Astfel din circuitul de joas presiune, lichidul va curge prin distribuitorul 5 i supapa de presiune 7 spre rezervor, pe traseu parcurgnd rcitorul. n acelai timp, pompa de alimentare furnizeaz prin supapa unisens 9, lichid n reeaua de joas presiune compensnd lichidul scurs pe traseul distribuitor 7 supap de presiune 8. Circuitul de nalt presiune menine supapa unisens 10, nchis. Prin circuitul de alimentare, se completeaz lichidul pierdut prin neetaneiti, se rcete i filtreaz. Practic este extras o anumit cantitate de lichid pentru rcire i filtrare i n acelai timp, este reumplut circuitul pentru a menine sistemul funcional. Prin schimbarea sensului de curgere, dispunerea simetric a supapelor i distribuitoarelor face ca 22

sistemul s funcioneze precum a fost descris mai sus, indiferent de circuitul de curgere. Prin linie punct, s-a delimitat circuitul de reglaj hidraulic. n figura 3.5. a i b sunt redate schemele unui circuit nchis cu dispunerea distribuitoarelor i indicarea valorilor orientative a parametrilor hidraulici pentru regimul de alimentare (pompa la volum nul) i regim de sarcin (pompa la volum nenul) a)

b)

Fig. 3.5 23

3.5 Circuite n bucl nchis / deschis Circuitul n bucl nchis (fig.3.6) implic feedback, respectiv generarea unui semnal proporional cu mrimea de ieire i utilizarea acestuia pentru adaptarea parametrilor de intrare dup comparaia cu o valoare obiectiv.

Fig.3.6 La circuitul n bucl deschis performanele circuitului sunt determinate de caracteristicile individuale ale componentelor i de modul de interaciune n circuit. Circuitul din figura 3.1 este de acest tip. 3.6 Circuite cu centru deschis / nchis (closed centre / open centre) La circuitul open centre pompa este legat la rezervor cnd distribuitorul este n poziia neutr (fig.3.7).

Fig.3.7

24

3.7 Circuite speciale Circuite de putere intermitent. Exist situaii cnd este necesar o cantitate mare de energie care trebuie eliberat ntr-un timp scurt. Pentru aceasta se utilizeaz circuite cu acumulator, care permit stocarea energiei (fig. 3.8). Pompa antrenat de motorul Diesel ncarc acumulatorii cu un debit mai redus, dect este necesar la motor, deci cu energie mai mic. Cnd este necesar se modific poziia distribuitorului i energia acumulat se descarc rapid pe motor. O descrcare spre pomp este mpiedicat de supapa unisens. Pompa de manuala are rolul de a ncarc acumulatoarele in cazul in care exista scurgeri in circuit.

Acumulatoare

Motor hidraulic

Pompa manuala

Motor Diesel

Pompa

Fig. 3.8 Alte moduri de cuplare a elementelor hidraulice O pomp cu mai multe ieiri, care folosete acelai arbore de antrenare alimenteaz mai mui consumatori.

25

Fig.3.9 Dou pompe acionate separat furnizeaz energie hidraulic ntr-un circuit complex

Fig. 3.10

26

ntrebri recapitulative Indicai destinaia urmtoarele circuite hidraulice selectnd din lista de mai jos Circuitul Figura Circuit de sincronizare Circuit cu acumulatori Circuit de filtrare Circuite pentru motoare Circuite de control a presiunii Circuite de descrcare a pompelor Circuite regenartive Circuite secveniale Circuite de comand a vitezei Explicai modul de funcionare al urmtoarelor scheme hidraulice indicnd rolul elementelor hidraulice i efectul asupra elementelor de execuie.

27

28

4. Ecuaiile fundamentale utilizate n hidraulicObiective educaionale: nelegerea legturii dintre fenomenele de curgere i relaiile matematice ipotezele de lucru n elaborarea ecuaiilor deprinderea modului de utilizare a ecuaiilor formarea unui sistem de apelare la ecuaii n analiza i sinteza sistemelor hidraulice ntr-o etap de predimensionare

Ecuaiile sistemelor hidraulice, sau ale hidrostaticii se refer la fluide ideale, considerate fr mas, care se deplaseaz fr frecri i sunt incompresibile. Deducerea legitilor hidrostaticii se face pe baza principiului lui Pascal: Efectul unei fore asupra unui lichid n repaus se propag pe toate direciile n interiorul fluidului. Mrimea presiunii din lichid este raportul dintre fora extern i aria suprafeei pe care acioneaz. Presiunea acioneaz ntotdeauna perpendicular pe suprafeele care delimiteaz spaiul n care se gsete fluidul. Pentru micarea de translaie i de rotaie se urmrete definirea legturii dintre parametri caracteristici ai fluidului i parametri mecanici necesari pentru a genera energie hidraulic, respectiv a transforma energia hidraulic n energie mecanic. Micarea de translaie Pentru micarea de translaie se urmrete determinarea deplasrii, lucrului mecanic i puterii. n figura 6.1 este prezentat schema unui lichid aflat ntr-un spaiu delimitat prevzut cu doi perei mobili, numii pistoane, asupra crora acioneaz forele externe F1, respectiv F2. La nivelul pistonului 1 se acioneaz cu o for i la pistonul 2 se urmrete efectul.

29

F1

sarcina x2 F2

A1 x1 p

A2

Fig. 4.1. Conform principului lui Pascal, presiunea este egal att pe suprafaa A1 ct i pe A2 , fiind valabil ecuaia:p= F F1 = 2 A1 A 2

(4.1)

Prin deplasarea pistonului 1 cu spaiul x1, este dislocat un volum V1 = x1A1. Considernd n mod ideal, incompresibilitatea lichidului, rezult c pistonul 2 va fi deplasat cu volumul V2 = V1. Rezult:V1 = V2 x 1 A 1 = x 2 A 2 A x1 = 2 x2 A1

(4.2)

Ecuaie care arat raportul dintre spaiile parcurse de cele dou pistoane. Avnd n vedere c deplasrile s-au produs n acelai timp, ecuaia se poate extinde i pentru viteze:A v1 = 2 v2 A1

(4.3)

ecuaie care permite stabilirea ecuaiei de continuitate n hidrostatic: v1 A1 = v2 A2 = Q Q reprezint debitul volumic. (4.4)

30

Lucrul mecanic exercitat la pistonul 1 este: W1 = F1 x1 i acesta, neglijnd frecarea se transmite la pistonul 2 W2 = W1 F1 x1 = F2 x2 saux 1 F2 = x2 F1

(4.5)

(4.6)

(4.7)

ecuaie numit i legea prghiei n hidrostatic. Raportul forelor la cele dou pistoane considernd ecuaiile (4.4) i (4.7) este:F2 A = 2 F1 A1

(4.8)

Puterea este definit ca lucrul mecanic efectuat n unitatea de timp:

P=

dW d(Fx ) dF dx = =x +F dt dt dt dt

(4.9)

i considernd fora constant n timp, rezult:

P=Fv

(4.10)

Considernd definiia forei hidrostatice F = pA i folosind definiia debitului volumic Q = vA pentru exprimarea vitezei v = Q/A se obine expresia puterii funcie de parametri hidraulici:

P = pA

Q = pQ A

(4.11)

Micarea de rotaieRaionamentele urmtoare urmresc determinarea legturii dintre parametri geometrici (volum) hidraulici (putere, moment, presiune, vitez

31

,debit) i cei mecanici (putere, moment, turaie) pentru un lichid aflat n micare de rotaie. Deducerea ecuaiilor este legat de generarea energiei hidraulice la o pomp, marcat prin indicele 1 i obinerea unui efect util prin transformarea energie hidraulice n energie mecanic la nivelul motorului, marcat prin indicele 2. Cele dou sisteme formeaz o transmisie hidrostatic (vezi schema de calcul din figura 4.2).

p motorul pompa A d/2 n2,M2 n1, M1 V1 p V2 Q

Fig. 4.2.Maina este prevzut cu un inel cilindric, n care se deplaseaz un piston avnd aria A. Pistonul este legat printr-un bra de lungime d/2 cu arborele mainii. n ipoteza c nu sunt elemente elastice i nu apar frecri, la o rotaie complet a pistonului n inelul cilindric, este dislocat volumul:

V1 = A d

(4.12)

Considernd c n unitatea de timp parcurge n rotaii, rezult debitul realizat la o turaie n1 este:

Q1 = V1 n1Viteza pistonului este

(4.13)

v=

d d = (2 n) 2 2

(4.14)

32

iar debitul este

Q= vA =

d (2 n) A = (A d )n Q = V n 2

(4.15)

unde n este exprimat n rotaii pe secund (1/s). Motorul, notat cu indice 2, va absorbi volumul dislocat de pomp (vezi n fig. B68 modul n care sunt legate pompa i motorul).

V2 = A d

(4.16)

i dac acesta se rotete cu turaia n2 rezult debitul volumic absorbit de motor:

Q2 = V2 n2

(4.17)

Avnd n vedere c motorul preia ntregul debit (volum dislocat n unitatea de timp) rezult:

Q1 = Q2 V1 n1 = V2 n2De unde rezult raportul turaiilor n transmisia hidrostatic:n2 V = 1 n1 V2

(4.18)

(4.19)

Dac deoparte i de alta a pistonului mainii se afl o diferen de presiune p (vezi fig. 6.2) apare o for tangenial care determin un moment fa de arborele mainii hidrostatice:

M for bra Moment = forta brat = p A

d 2

(4.20)

Considernd expresia ariei din ecuaia volumului (4.16 ) rezult:A= V1 d

(4.21)

care permite rescrierea ecuaiei momentului:

33

V d V M1 = p 1 = p 1 d 2 2

(4.22)

n mod analog pentru motor, momentul rezultant este: V d V M 2 = p 2 = p 2 d 2 2

(4.23)

Raportul momentelor este:M2 V = 2 M1 V1

(4.24)

La o funcionare fr frecri, puterea hidraulic debitat de pomp este egal cu puterea mecanic generat n pomp:P1 = M1 1 = p V1 2 n1 = p V1 n1 = p Q1 2

(4.25)

Ecuaia (4.25) este similar cu ecuaia determinat n condiii de translaie pentru o presiune egal cu zero n circuitul de joas presiune. Puterea debitat de motor n condiii ideale se obine asemntor considernd c ntreaga energie hidraulic se transform n energie mecanic de rotaie:

P2 = p Q2= M2 2

(4.26)

Ecuaiile de mai sus permit calculul global al transmisiilor hidrostatice, determinarea rapoartelor dintre principale mrimi, precum i identificarea eventualelor serii de tipodimensiuni aflate n fabricaie pentru motoare i pompe. De asemenea setul de ecuaii determinate n acest capitol au fost utilizate n analiza modului de cuplare i reglaj al transmisiei hidrostatice, respectiv determinarea caracteristicii externe. Sursele de pierderi i randamentele sistemelor hidrostatice Curgerea determinat de variaia de volum a elementelor pompei, este o curgere n general unidimensional, afectat de pierderi rezultate prin frecarea dintre straturile de fluid, frecarea cu pereii (pierderi distribuite) i pierderi locale generate de variaii brute de direcie sau seciune de curgere, variaii care modific caracterul uniform al deplasrii, inducnd frecri suplimentare ntre straturile de fluid. Avnd n vedere viteza redus

34

de curgere, precum i dimensiunile relativ reduse al conductelor i spaiilor prin care circul fluidul hidraulic, pierderile se descriu prin relaiile fundamentale ale mecanicii fluidelor, respectiv ecuaia energiei (ecuaia lui Bernoulli) scris pentru condiii staionare:2 p2 u2 p1 u1 p + 1 = + 2 2 + 1 2 2 2 2

(4.27)

unde reprezint coeficientul Coriolis ( = 2 pentru curgeri laminare i = 1 pentru curgeri turbulente); u este viteza medie de curgere, p presiunea static i densitatea n punctele considerate. Termenul p/2 cuprinde att pierderile distribuite n lungul conductei (frecrile cu pereii i ntre straturile de fluid) ct i pe cele locale (pierderi de intrare n conduct, coturi, salturi de seciune, supape, bifurcaii):

p =

l u2 u2 + 2d 2 m

(4.28)

= coeficient de frecare (se determin experimental, datele fiind grupate n diagrama Moody). Pentru curgerea laminar valoarea aproximativ este: =l dm

64 Re

lungimea conductei diametrul interior mediu al conductei coeficientul pierderilor locale (este determinat experimental, depinde de condiiile de curgere).

Re criteriul Reynolds: Re = u d/ unde este viscozitatea cinematic a lichidului. La valori ale Reynolds 2000 2300, curgerea laminar trece n regim turbulent. n dimensionarea energetic a pompei trebuie considerat aceast pierdere de presiune. Puterea consumat pentru acoperirea pierderilor p, se calculeaz cu relaia puterii (6.26):

Ppierderilor hidraulice = Q p

(4.29)

O surs suplimentar de pierderi sunt neetaneitile sistemului. Prin neetaneiti se scurge un debit q. Puterea disipat prin curentul de lichid extras din sistem prin neetaneiti se calculeaz ca puterea curentului de

35

lichid n condiii reale, innd seama de aria prin care are loc scurgerea, diferena de presiune i pierderile locale de presiune. Pierderile de presiune din circuit i cele datorate neetaneitilor se reunesc n pierderile hidraulice ale dispozitivului analizat. Considernd suplimentar pierderile mecanice care apar la nivelul motorului i al pompei, datorit frecrilor n piesele aflate n micare relativ, bilanul puterilor va fi: Ppomp + Phidraulice pomp + Pmecanice pomp + Pdistribuite circuit hidraulic (4.30) + Plocale circuit hidraulic + Pmotor + Phidraulice motor + Pmecanice motor = 0 Pe baza acestor puteri se definesc urmtoarele randamente: Randamentul hidraulic al pompei sau motorului

hp =

Pideal Phidraulic Preal = Pideal Pideal

pomp

(4.31)

Randamentul mecanic al pompei sau motorului mp = Pideal Pmec Pideal

(4.32)

Randamentul global al pompei sau motorului: g = h mec Randamentul hidrostatice. hidraulic global, denumit i volumic al

(.33)transmisiei

hidraulic = h pomp h conduct motorRandamentul mecanic al transmisiei hidrostatice

(4.34)

m = m pomp m motorRandamentul global al transmisie hidrostatice:

(6.35)

= hidraulic mValori orientative pentru randamentele menionate sunt 80 90%.

(4.36)

36

Pentru pierderile hidraulice din circuitul hidraulic este foarte dificil de estimat pierderile globale acestea depinznd de arhitectura circuitului. n figura 4.3 sunt reprezentate curbele randamentelor volumetrice i globale tipice pentru un motor hidrostatic. n figura 4.4 sunt reprezentate curbele de randament suprapuse peste caracteristicile de moment pentru un motor de volum constant i unul de volum variabil comandat prin plac baladoare.

randamentul volumetric

randamentul global

Fig. 4.3.

caracteristica motorului de volum fix

caracteristica motorului de volum variabil

Fig. 4.4.

37

n figura 4.4 s-a notat M1 - momentul efectiv, P1 - puterea efectiv, Qeff debitul volumic efectiv, p - presiunea, t - randamentul total, - unghiul plcii baladoare, Veff - volumul efectiv O imagine sintetic asupra principalelor relaii i legturii cu sistemul hidraulic este dat n figura 4.5

Fig. 4.5

Determinarea temperaturii lichidului de lucruEvaluarea temperaturii lichidului de lucru este necesar pentru a evita efectele induse de o cretere suplimentar a temperaturii: variaii de viscozitate, tensiuni suplimentare prin dilataii, neetanri suplimentare, etc. ) Temperatura lichidului depinde de: natura lichidului (prin capacitatea caloric); temperatura lichidului n rezervor (rcirea rezervorului de ulei); energia termic eliberat n unitatea de timp (sursa de cretere a temperaturii i se datoreaz frecrilor, laminrilor); natura materialelor care compun lichidul (care influeneaz prin coeficieni de conducie) transferul de cldur dintre mediu i lichidul de lucru.

38

Sursa de energie termic este frecarea lichidului (ntre straturi i cu pereii). Procesul este descris prin randamentele volumice ale pompei, motorului i conductei:

hidrualic = pomp conduct motorPuterea pierderilor hidraulice este:

(4.37)

Ph = (1- hidrualic) Pideal = (1- hidrualic) p Q

(4.38)

Aceast putere se transform n energie termic, fiind cedat n special lichidului de lucru care joac i rol de mediu de rcire:

Ph = Qtermic

(4.39)

Lichidul fiind n micare, transferul de cldur se produce n special prin convecie, conform ecuaiei:

Qtermic = k A Tunde k este coeficientul de transfer de cldur:

(4.40)

1 1 s = + + mediu k lichid T

(4.41)

ntre lichidul de lucru, avnd coeficientul de convecie lichid prin peretele de grosime s al conductei realizate din materialul cu coeficient de conductivitate termic T spre mediul cu coeficient de convecie mediu. Valori caracteristice pentru parametrii care intervin n calculul termic al circuitului hidraulic sunt sintetizate n tabelul 4.1:

Mediul de lucruUlei sub presiune (n rcitoare) Rcit cu aer Rcit cu ap Aer forat v < 2 m/s

Coefcientul de convecie kcal/m2h grd1500...1400 95...150 20...25 6,5 v 0.75

Mediul de lucru

Tab.4.1. Coeficient de conductivitate termic kcal/m h grd la 20C0.107...0.108 0.124 0,514 0,352

Uleiuri minerale fine Ap Glicoli

39

v > 2 m/s Aer cu circulaie dificil (sub agregate) Aer pus n micare prin nclzire Deplasare ascendent Perete perpendicular Transfer de cldur spre parte inferioar Circulaia uleiului n conducte v > 1,5 m/s v < 1,5 m/s

8.5...8

Oel obinuit Font

40...48 48...50

12...13 9...10 0...0.2

Oel Cr-Ni Bronz Aluminiu Cupru

12.5...12.8 36...37 180..181 320...330

8...10 6..7

Oscilaii i unde de ocPentru funcionarea sistemului conform legitilor descrise i deduse n subcapitolele anterioare este necesar cunoaterea modului n care sunt iniiate, se propag i se deplaseaz oscilaiile cu scopul evitrii suprasolicitrilor sau a disfuncionalitilor. O viziune special legat de oscilaiile n lichide, este utilizarea energiei transportate i concentrate de acestea pentru eficientizarea sistemului hidraulic. n lucrarea de fa ne vom limita la prima atitudine fa de oscilaii, invitnd cititorul pentru viziunea a doua s consulte publicaiile semnate de Gogu Constantinescu i realizarea unui studiu bibliografic pentru acest subiect. Oscilaiile sunt variaii n timp ale presiunii i vitezei lichidului. Ele pot avea caracter periodic, s fie caracterizate prin gradieni mari de variaie, numite n acest caz ocuri, respectiv prin amplitudini mai mult sau mai puin intense. Cauzele oscilaiilor sunt sistematice sau accidentale: pulsaii constructive ale generatoarelor de presiune; pulsaii induse de sistemul de antrenare al pompei hidrostatice (ex. motorul cu ardere intern nu transmite un moment uniform la pompa antrenat;

40

regimuri de rezonan determinate de pulsaiile proprii ale sistemelor elastice cuplate; cuplarea diferitelor supape, distribuitoare; apariia accidental a fisurilor i pierderilor de lichid. La o variaie brusc a vitezei de deplasarea a fluidului apare, variaia de presiune indus i descris prin ecuaia lui Jukovski:

p = c v p = av

(4.42)

unde c este viteza sunetului, densitatea fluidului i v variaia de vitez care a aprut n deplasarea sa. Fenomenul este numit oc hidraulic sau lovitur de berbec (hydraulic ram, water hammer). Fenomenul se produce n special la oprirea unei curgeri. Fluidul din inerie comprim straturile aflate n imediata apropiere a supapei. Datorit elasticitii reduse a lichidului apare creterea de presiune menionat. Ecuaia (6.41) este exact pentru cazul n care nu este timp pentru reflecia undelor, respectiv timpul de nchidere al supapei este mai mic dect timpul de reflexie al undelor: nchidere < 2 L conduct c

(4.43)

Viteza de propagare a oscilaiilor n lichide (viteza sunetului) depinde de elasticitatea pereilor, prezena gazului dizolvat n lichid i a cavitaiei. De aceste dependene se ine seama prin relaiile:E l Ed 1+ EC s

c=

(4.44)

unde E este modulul de elasticitate al lichidului, - densitatea lichidului; d diametrul interior al conductei, EC modulul de elasticitate al materialului conductei, s grosimea peretelui conductei. Numrtorul fraciei din ecuaia (6.44) reprezint viteza sunetului n lichid n condiii ideale.

41

n prezena gazelor, modulul de elasticitate al lichidului se nlocuiete cu modulul de elasticitate al amestecului gaz lichid, dat de relaia:

1 = (1 ) E lichid + E gaz Eunde reprezint participaia volumic a gazelor.

(4.45)

2 c2 + 2 c2 (1 2 ) 2 1 L L g g = + 2 + (1 ) 2 2 2 2 c cL cg L g cL cg

(4.46)

Condiiile de rezonan apar atunci cnd oscilaiile induse se suprapun peste oscilaiile proprii ale sistemelor componente ale circuitului hidraulic.Frecvena unei pompe care se rotete cu turaia n i este prevzut cu z pistoane (palete, dini, etc.) este

=

nz 60

1 s

(4.47)

Frecvena proprie a unei coloane de lichid de lungime L i vitez de propagare a sunetului c este:= c 2L 1 s

(4.48)

Pentru amortizarea oscilaiilor se folosesc amortizoare hidraulice sau acumulatoare hidraulice, dispozitive sub form de rezervor, avnd un perete mobil care desparte lichidul de lucru de elementul de amortizare. Acesta din urm poate fi un arc sau un gaz (azot) i are rolul de a fi un element elastic cuplat n circuitul hidraulic. Undele de suprapresiune cedeaz energie elementului elastic, n timp ce n perioadele de depresiune, energia elastic este cedat lichidului de lucru, astfel uniformizndu-se starea de curgere. Amortizoarele au capacitate redus de nmagazinare a energiei hidraulice i au rolul doar de a netezi evoluia presiunii din conduct n timp. Acumulatoarele hidraulice preiau o cantitate mare de energie hidraulic pentru a o ceda la un moment ulterior.

42

Metoda sonic - SonicitateaSonicitatea, fundamentat de Gogu Constantinescu presupune lichidul ca fiind un sistem elastic i delimiteaz domeniul de aplicare al metodei la sistemele elastice, inclusiv cuplate. Teoria cercettorului romn susine un domeniu tiinific care fundamenteaz teoretic dezvoltarea sistemelor tehnice ce se bazeaz pe elasticitatea lichidului i mai general pe fenomene dinamice n lichide, respectiv transmiterea energiei prin unde propagate n lichide. Aceasta metoda este practic calea de transmitere cu cele mai reduse pierderi. Principalele componente ale reelelor sonice sunt: rezistena sonic; p RS = Q capacitatea sonic; Q CS = & p i inductivitatea sonic. p LS = & Q

(4.49)

(4.50)

(4.51)

Parametrii semnificativi ai oscilaiei, elasticitatea (capacitatea), masa (inductivitatea) i frecarea (rezistena sonic) sunt repartizate la lichide uniform n ntreaga mas Componentele sonice menionate, legate n serie, sunt descrise prin ecuaia:

& 1 Qdt p = QRS + LS Q + (4.52) CS Componentele sonice definite au expresii particulare pentru fiecare soluie tehnic.

Rezistivitatea sonic Aceasta proprietate descrie influentele care se opun unei curgeri. Acestea sunt legate de lichid sau de elementele care delimiteaz spaiul de lucru.Viscozitatea este una din proprietile importante ale lichidului folosit ca sistem tehnic. Conform ipotezei newtoniene, tensiunea tangenial este proporional cu gradientul de vitez:

43

=

& dx dy

(4.53)

unde reprezint viscozitatea dinamic. Pe lng frecrile dintre straturile de fluid la nivel molecular, apar frecri datorate turbulenei i frecrilor cu pereii. Ecuaia Hagen-Poiseuille, formuleaz legtura dintre debit i cderea de presiune prin ecuaia:Q=

r 4 p 8L

(4.54)

pentru o conduct circular de raza r i lungime L cu rugozitate nul. Rezult pentru aceasta conduct, expresia rezistivitii sonice:

RS =

8L r 4

(4.55)

iar pentru o fant de lime b i nlime h:

RS =

12L bh 3

(4.56)

Capacitatea sonic Un lichid supus unei presiuni i modific volumul potrivit compresibilitii sale. Variaia de volum V indusa de o cretere de presiune p este dat de relaia:V = Al = V0 p Elichid(4.57)

unde V0 este volumul iniial, iar Elichid modulul de elasticitate al lichidului. Derivnd ecuaia variaiei de volum ( ) funcie de timp, se obine debitul rezultat n urma compresibilitii lichidului:Q= dV V0 & = p dt E

(4.58)

care este proporional cu viteza de variaie a presiunii. Factorul de proporionalitate este capacitatea sonic:CS = V0 E lichid

(4.59)

44

Modulul de elasticitate al lichidului depinde de natura sa, de presiune, temperatur, apariia cavitaiei, prezenei aerului dizolvat n lichid i elasticitatea pereilor spaiului de lucru. De aceti factori se tine seama prin definirea modulului de elasticitate corectat Elichid. Schema de calcul este dat n figura 4.6.

Fig. 4.7

Fig.4.6Capacitatea unui element mecanic elastic meninut cuplat cu lichidul (de exemplu conform figurii 4.7, este dat de relaia:

8 ND 3 2 CS = 4 A d G

(4.60)

unde s-a notat cu N numrul de spire al arcului, D, diametrul de nfurare, d, diametrul spirei, G modulul de elasticitate transversal al materialului resortului i A aria seciunii transversale a conductei de curgere. nserierea capacitilor sonice se face dup regula:

1 1 = C i Ci Inductivitatea sonic

(4.61)

45

Pentru fluidul cuprins intr-o conduct se deduce inductivitatea sonic pornind de la relaia:

p =

F = A

m

dv dt = ALconducta dv = Lconducta A dv = Lconducta Q = L Q & & S A A dt A dt A

(4.62)

Inductivitatea sonic a unei coloane de lichid de densitate cuprins ntro conduct de lungime L i arie a seciunii transversale, A, descrie diferena de presiune necesar unei variaii de volum din condiii ineriale, respectiv, diferena de presiune necesar unei variaii de volum a crui stare de inerie se modific (este accelerat sau decelerat).

Inductivitatea unui motor Fie un motor liniar pentru care se caut deducerea inductivitii, conform figurii 4.8.

Fig. 4.8 Fig. 4.8Debitul prin cilindru este:& Q = AP x

iar derivata sa

& & Q = AP &. x

(4.63)

Acceleraia pistonului rezult conform legii lui Newton:& & F = m&= pAP &= x x pAP m

(4.64)

de unde rezult expresia impedanei sonice:

LSMotor =

p AP p m2

=

m 2 AP

(4.65)

46

Inductivitatea unui motor rotativ avnd momentul de inerie J, se calculeaz din condiia nvingerii momentului de inerie al motorului:

& M = J motor Din condiii hidraulice momentul intr-un motor de volum V este:

(4.66)

M =

Q =V N =V 2

Vp iar debitul prin motor 2

(4.67)

nlocuind n relaia momentului, viteza unghiular din ecuaia debitului (4.67) rezult:

V

& p 2Q p = J motor de unde conform definiiei inductivitii LS = & 2 V QJ motor V 2 2

rezult:

LS =

(4.68)

Legarea componentelor sonice se poate face n serie sau paralel. Conform teoriei sonicitii, prezena capacitii n circuit introduce un defazaj nainte ntre presiune i debit de /2, n timp ce impedana, un defazaj negativ. Perioada se menine. Variaia de presiune ntre extremitile conductei pentru circuitul serie este dat de relaia:

p = RQ + i ( LS

1CS

)Q

(4.69)

i care arat c vectorul de variaie al presiunii este rezultanta vectorului 1 Q defazat n avans fa de Q cu , RQ, n faza cu Q i LS 2 CS conform figurii 4.9:

47

p RQFig. 4.9

(LS -1/CS)

Condiia de rezonan ntre capacitate i impedana se obine pentru =0, de unde:

LS C S 2 = 1 este pulsaia sursei de excitaie.Pentru montajul componentelor n paralel este valabil ecuaia:Q=

(4.70)

1 1 p + i C S R LS

p

(4.71)

Lucrul mecanic efectuat de curentul sonic este dat de relaia:

dW = pQdt

(4.72)

Ecuaiile sonicitii transformate, devin n caz general ecuaii cu derivate de ordinul doi, iar identificarea soluiilor depinde de condiiile iniiale. O soluie asemntoare celei rezultate la metoda acustic, respectiv soluia ecuaiei undei se obine i n sonicitate pentru condiii iniiale sinusoidale. Avantajele majore ale teoriei sonicitii sunt: fundamentarea matematic a principiilor de funcionare a unor sisteme care valorifica fenomenele dinamice; la sistemele pe care le abordeaz, teoria sonicitii este practic suficient n descrierea i analiza sistemelor analizate; descrierea fenomenelor dinamice cu un aparat matematic accesibil; posibilitatea includerii a numeroi parametri caracteristici ai fluidului i sistemelor mecanice ataate sub form modulara;

48

posibilitatea analizei simultane a sistemelor dinamice de natur diferit cuplate. Dezavantajele metodei sunt legate de abordarea unidimensional, abordare care necesit rezultate experimentale i nu permite surprinderea fenomenelor tridimensionale n subsistemele cu volume avnd cele trei dimensiuni geometrice relativ proporionale.

ntrebri recapitulativeindicai modul n care se poate modifica viteza unui cilindru hidraulic indicai modul n care se poate modifica turaia unui motor hidraulic indicai modul de sincronizare a doi consumatori, folosind relaiile matematice din acest capitol

49

5. Elementele componente ale circuitelor hidrauliceObiective educaionale: identificarea categoriilor de elemente hidraulice nelegerea principalelor criterii de selecie a acestora nelegerea modului de funcionare i a variantelor constructive

Dup cum s-a vzut n structura circuitelor hidraulice exist o serie de componente comune care se combin pentru realizarea funciei obiectiv. n acest capitol se analizeaz componentele i aspectele care trebuiesc luate n considerare cnd se adopt o anumit component. n general se are n vedere: capacitatea elementului funcie de aplicaie care determin debitul i viteza; regimul de lucru, staionar, dinamic; condiiile de mediu: temperatur, praf, umiditate, etc. presiunea de lucru care determin fora exercitat de elementul respectiv; durabilitatea elementului care determin numrul de ore de funcionare; conexiunile elementului; dimensiunile de gabarit i masa; randamentul mecanic i hidraulic; costurile iniiale i de ntreinere; calitile de reparaii pe teren i n atelier, disponibilitatea pieselor de schimb; disponibilitatea elementelor componente; domeniile de aplicaie ale elementului pn la selecia sa, aplicabilitatea n condiii similare sau apropiate; Elementele hidraulice se pot clasifica n: masa de sprjin (lichidul hidraulic) elementele de conversie energetic (pompe , motoare, acumulatori) elemente de control (supape); elemente auxiliare (conducte, rezervoare, fitinguri, filtre)

50

5.1 Lichidul hidraulicLichidul de lucru ndeplinete patru funcii de baz: asigurarea forei i deplasrii cnd debitul este convertit n presiune; asigurarea etaneitii cnd lichidul este cuprins ntre suprafeele metalice; ungerea suprafeelor n micare relativ i transportul impuritilor; rcirea elementelor componente. Suplimentar se cere: s aib rezistena mecanic a peliculei ridicat pentru a preveni ruperea acesteia ; s aib o rezisten chimic i termic ridicat; s aib o stabilitate ridicat la oxidarea i descompunerea chimic ; s nu degaje vapori la temperaturi obinuite de lucru; s nu conin, s nu absoarb i s nu degaje aer n cantitate mare i s nu formeze spum ; s nu provoace corodarea elementelor componente i deteriorarea elementelor de etanare; s aib o variaie minim a viscozitii cu temperatura, spre a preveni creterea exagerat a disipailor volumice; s aib un punct ridicat de inflamabilitate; s aib un modul de elasticitate volumic ridicat; lichidul i produsele descompunerii sale s nu fie nocive; s aib coeficient ridicat de conductibilitate termic, cldur specific mare i coeficient de dilatare termic redus ; s aib caliti izolatoare i dielectrice ridicate; s aib coninut minim de impuriti mecanice i chimice. Lichidele de lucru au o structur de baz la care se adaug aditivi pentru mbuntirea calitilor. Principalele structuri de lichide sunt:

Uleiuri minerale DIN 515524/ ISO 6743/4 BS 6413/4 - produs pe baz de iei aditivat tip ulei caracteristici HH Ulei neaditivat HL Aditivi antirugin i anticorozivi HM Caliti HL + aditivi anti uzur HV Calii HM + aditiv pentru mbuntirea indicelui de viscozitate Uleiuri rezistente la inflamare HFAE Emulsie de ulei n ap HFAB Emulsie de ap n ulei (40% ap) HFAS Soluie apoas

51

HFC Soluie ap polimer (ap glicol) HFDR Ulei sintetic pe baz de fosfat ester HFDS Ulei sintetic pe baz de hidrocarburi clorinate Lichide biodegradabile ecologice pe baz de ulei de plante HTG trigliceride HPG poliglicoli Esteri sintetici

5.2. Pompe hidrostatice. Rol Pompele hidrostatice convertesc energia mecanic provenit de la o surs extern (motor cu ardere intern, motor electric) n energie hidrostatic, prin deplasarea lichidului. Dac acestei deplasri se opune o sarcin, apare o cretere de presiune. n funcie de elementul care imprim deplasarea lichidului, exist:pompe cu piston; pompe cu roi dinate; cu angrenare interioar; cu angrenare exterioar; pompe cu palete; pompe cu lobi. n funcie de modul n care este asigurat volumul de lucru, se deosebesc: pompe de volum constant; pompe de volum variabil.

Pompe cu piston Cupla piston cilindru are posibilitatea s fie etanat foarte bine, ceea ce permite funcionarea la turaii joase, dezvoltnd presiuni mari. Pistonul, ca element de lucru, are posibilitatea s preia presiuni mari, ceea ce asigur densitatea de putere a acestor agregate. n consecin s-au pus la punct o serie de soluii tehnice, dup cum urmeaz: pompe cu: pistonae axiale pistonae radiale pistonae n linie

52

Pompele cu pistonae axiale (axele pistoanelor sunt paralele cu axa de rotaie a arborelui pompei (fig. 5.1)Schema de principiu

Fig. 5.1Arborele pompei antreneaz un disc fulant pe care se sprijin pistoanele dispuse pe cricumferina discului. Prin micarea de rotaie a discului, pistoanele sunt antrenate ntr-o micare alternativ, care duce la deplasarea lichidului. Revenirea pistoanelor permite absorbia unei noi cantiti de lichid, astfel nct ciclul funcional se reia. Amplitudinea micrii pistoanelor determin volumul pe care l poate debita pompa n timpul unei rotaii.

Caracteristici Putere specifica (kW/kg) maxima; Moment de inerie redus rezult caliti dinamice; Echilibrare foarte buna Domeniu de turaii 0 4000 1/min; Domeniu de presiuni: 21 70 MPa Domeniu de debite> 3 800 l/min Domeniu de puteri 3500 kW Posibilitate simpl de inversare a sensului de rotaie Posibilitate simpl de trecere n regim de motorEtapele funcionale n timpul rotaiei, considernd un pistona de lucru sunt redate n figura 5.2.

53

Fig. 5.2La soluiile de volum variabil se poate modifica poziia discului fulant, astfel nct se modific volumul dislocuit pe o curs (fig 5.3).

Fig. 5.354

Imagini aferente acestui tip de pomp sunt redate n figura 5.4.

Fig. 5.4

55

Fig. 5.4 - continuare

56

O soluie speciala este transformatorul hidrostatic a crui scop este amplificarea presiunii din variaia diametrelor pistoanelor de lucru. O seciune printr+un transformator modul de integrare ntr-un circuit hidrostatic este redata in figura 5.5 a.

Fig.5.5 a

Pentru micarea linear, transformatoarele se bazeaz pe diferena de arie a dou pistoane dispuse pe o tij comun (fig. 5.5b). Lichidul de joas presiune, acionnd pe suprafaa mai mare, determin deplasare tijei, care acioneaz pistonul de diametru mai redus. Acesta genereaz o presiune mai mare n lichidul cuprins n incinta din faa sa. Raportul presiunilor este invers proporional cu cel al ariilor pistoanelor aflate pe aceeai tij.

Fig. 5.5 b

57

La pompele cu pistonae radiale axele pistoanelor sunt perpendiculare pe axa de rotaie a arborelui pompei i pot fi cu acionare extern (lente) cu acionare internSchema de principiu (fig.5 6) i modul de funcionare

Fig. 5.6ntr-un rotor plasat excentric fata de stator, corpuri configurate cilindric, se afla pistoanele dispuse radial. Micarea de rotaie antreneaz deplasarea alternativ a pistoanelor. Absorbia se face n zona de volum maxim creat de cele dou corpuri cilindrice i refularea n zona de volum minim.

Imagini aferente acestui tip de motor sunt redate n figura 5.7

Fig. 5.7

58

Fig. 5.7 continuare

59

La pompele cu pistonae n linie (axele pistoanelor sunt paralele ntre ele i perpendiculare pe axa de rotaie a arborelui pompei)Schema de principiu (fig.5.8) i modul e funcionare

Fig.5.8Unul sau mai multe pistoane aflate in micare determina variaia de volum. Spaiul de lucru este controlat prin supape unisens. Acest tip de pompe pot lucra la presiuni ultrainalte (200 300 MPa).

Imagini aferente acestui tip de pomp sunt redate n figura 5.9.

Fig. 5.9

60

Fig. 5.9 - continuare

61

Pompe cu palete Schema de principiu (fig. 5.10)

Fig. 5.10 Mod de funcionareLa acest tip de pompa paletele antrenate de rotorul plasat excentric, deplaseaz lichidul din zona de admisie, de volum maxim, spre zona de evacuare, de volum minim. Constructiv, exista varianta cu simpla aciune si cu dubla aciune. De asemenea prin prevederea unui dispoyitiv cu ;urub care permite deplasare rotorului se modific[ volumul pompei. Imagini aferente acestui tip de pompe sunt redate n figura 5.11.

Fig. 5.11

62

Pompe cu roi dinate Schema de principiu (fig.5.12)

Fig. 5.12 Mod de funcionarePompele cu roi dinate deplaseaz lichidul de la intrare spre ieire prin intermediul dinilor, lichidul fiind cuprins in golul dintre dini i pereii carcasei. Exista varianta cu angrenare interioar, exterioar i sector dinat. Bazndu-se pe o tehnologie convenional sunt ieftine i se aplic la domenii de presiune joas (20 MPa) i turaii ridicate, deoarece nu se realizeaz perfect Imagini aferente acestui tip de pomp sunt redate n figura 5.13

Fig.5.13

63

Pompa cu lobi este funcional asemntoare cu pompa cu roi dinate, ridicnd probleme tehnologice n realizarea lobilor. Schema de principiu i imagini aferente sunt redate n figura 5.14

Fig. 5.14

64

5.3. Motoare hidrostaticeOrice soluie constructiv de pomp hidrostatica poate lucra ca motor, rezultnd avantaje tehnologice. O categorie aparte sunt motoare de presiune mare i turaie redus. Principial acestea sunt radiale, alimentate la centru i cu sprijin pe exterior pentru a asigura un bra al forei de presiune ct mai mare i implicit moment de lucru intr-o construcie compact. Imagini ilustrnd principiul motoarelor cu pistoane radiale sunt redate n figura 5.15

Fig. 5.15

65

Fig. 5.15 - continuareO soluie aparte de motor hidrostatic lent este soluia motorului orbital, care se bazeaz pe element activ dinat dispus oblic n carcas (fig. 5.16)

Fig.5.16

Modul de integrare pentru propulsia autovehiculului este ilustrat n figura 5.17.

Fig.5.17

66

5.4 Cilindrii hidrauliciCilindrii hidraulici au rolul de a converti energia hidraulic n energie mecanic de translaie. Aplicaiile tipice sunt acionarea braelor sistemelor de lucru ale utilajelor. Pot fi construii cu simpl sau dubl aciune. Soluia telescopic permite obinerea unui domeniu larg de dimensiuni geometrice. Legtura dintre fora mecanica i parametrul hidraulic presiune este data prin geometria pistonului: ( F = p*A) iar viteza de deplasare se obine considernd relaia debitului: Q = A * v Schema de principiu este data in figura 5.18, mpreun cu simboluri standardizate.

Fig.5.18Cilindrii telescopici (fig.5.19) pornesc de la o lungime scurt, ajungnd la dimensiuni mari. Un astfel de cilindru conine de la 2 la 5 elemente, fiecare fiind dispus in interiorul unuia mai mare. Lichidul sub presiune mpinge elementul din interior, iar dup ce acesta a ajuns la capt este acionat urmtorul element. Fig.5.19

67

Imagini constructive ale cilindrilor hidraulici sunt redate n figura 5.20

Fig.5.20

O problem special este amortizarea (cushioning) la captul cursei (fig. 5.21), dat de viteza de scurgere a lichidului prins la capt. Aceasta vitez se poate regla prin modificarea suprafeei de trecere, controlat printr-un urub.

Fig.5.21

68

5.5. Supapele hidrauliceSupapele au rolul de a controla:

direcia de curgere (distribuitoare), presiunea (supape de presiune), viteza (supape de debit) lichidului hidraulic pentru realizarea scopului propus. Aa cum s-a artat n schema de principiu, supapa de presiune i distribuitorul apar n schema de baz a circuitelor hidrostatice.

DistribuitoareScopul funcional al acestor elemente hidrostatice este de a dirija lichidul de lucru de la sursa de presiune spre organul activ de lucru sau spre alte elemente ale sistemului, precum i evacuarea acestuia spre rezervor, dup efectuarea conversiei energetice (fig. 5.22). Funcie de aplicaie, aceast funcie trebuie s se desfoare: silenios; fr ocuri; cu timp minim de trecere dintr-o poziie n alta )inerie minim; cu poziionare precis a elementului de comand; pierderi minime de putere;

Fig.5.22

69

Distribuitorul care realizeaz aceasta funcie este ilustrat in figura 5.23 n cele dou poziii funcionale. Se definete distribuitorul de tip 4/2 (4 orificii P pomp, T rezervor, A elementul de execuie A, B elementul de execuie B, 2 poziii)

Fig. 5.23Un alt principiu constructiv este soluia rotativ (fig. 5.24)

Fig. 5.24

70

Exist o multitudine de variante constructive care se utilizeaz funcie de aplicaie i modul de comand. Simboluri aferente acestor soluii sunt date n figura 5.25.

Fig. 5.25Distribuitoarele pot fi acionate in diferite moduri, sintetizate in figura 5.26: A manet; B pilotat hidraulic sau pneumatic; C buton; D pilotat i meninut prin arcuri n poziie neutr; E electromagnetic: F cam

Fig. 5.26Constructiv se pot grupa mai multe distribuitoare ntr-o singur carcas pentru a avea o comand mai simpl, dup cum se vede in figura 5.27 Pentru situaiile n care trecerea dintr-o poziie n alta se face lin, sau este posibil o funcionare n care orificiile de direcionare se nchid parial se folosesc distribuitoarele proporionale, acionate electromagnetic funcie de un semnal de comand. Acestea se simbolizeaz prin linie dubl, ca n figura 5.25.

71

Fig. 5.27Distribuitoarele, i n general sistemele de comand, sunt surse de pierderi n sisteme hidraulice, datorit schimbrilor de direcie imprimate lichidului. Aceste pierderi depind de aria de curgere i sunt proporionale ptratul debitului de curgere. Un exemplu este dat in figura 5.28.

72

Fig. 5.28Din acest motiv preluarea funciilor de comand de sisteme electronice duce la eficientizarea sistemelor hidraulice.

73

Supape de presiune Rol: protejarea circuitului hidraulic sau pri ale acestuia de presiuni care depesc o limit impus de utilizator.Ca variante constructive pot fi: Supape Supape Supape Supape Supape de de de de de presiune (de descrcare) reducere presiune control presiune contrabalansare descrcare

Supapele de presiune au rolul de menine n circuit o presiune maxim stabilit iniial. Aceast presiune este determinat de proprietile arcului care compenseaz aciunea presiunii din circuit. Exist pompe la care presiunea reglat este variabil.

1a.

1b.

Fig. 5.29 Supapa de reducere a presiunii (fig.5.30) limiteaz presiunea maxim ntr-un circuit secundar indiferent de variaiile de presiune n circuitul primar. Supapa este normal deschis. Seciunea de trecere redus determin o scdere de presiune. Fig. 5.30

Supape de debitRolul supapelor de debit este reglajul vitezelor elementelor de execuie prin intervenie asupra debitului. Debitul determin cantitatea de energie transferat la orice presiune. Supapa de debit se bazeaz pe modificarea debitului printr-o rezisten local, ceea ce induce pierderi energetice prin cldur, ceea ce face ca lichidul hidraulic

74

s se nclzeasc. n general se evit utilizarea lor la aplicaiile mobile pentru a evita supranclzirea lichidului. n figura 5.31 este ilustrat schema constructiv, simbolurile ISO pentru supap de debit constant i variabil i un exemplu de integrare n circuitul hidraulic. Exemplul se refer la situaia cnd este necesar asigurarea anumitor debite pentru diferii consumatori.

Fig. 5.31O soluie special de aplicare a supapelor de debit este aceea n care consumatorii necesit acelai debit indiferent de sarcin. n acest caz sarcinile se deplaseaz cu aceeai vitez. O astfel de soluie este ilustrat n figura 5.32. Un alt mod de a soluia aceast problem este montarea a dou motoare de volum constant legate mecanic (fig.5.33).

Fig. 5.32

Fig.5.33

75

Supape unisensSupapa unisens (fig. 5.34) este destinat asigurrii curgerii ntr-un singur sens. Este format dintr-un element de etanare meninut n poziie nchis de un element elastic. Construciile actuale sunt formate dintr-o sfer sau element conic meninut pe un scaun de un arc. Pentru deschiderea supapei este necesar o anumit presiune pentru nvingerea forei arcului. O presiune de partea arcului, apas elementul de etanare pe scaun i se mpiedic curgerea invers.

Fig. 5.34Imagini de supape unisens sunt redate n figura 5.35

Fig.5.35Ca orice element hidraulic, supapele unisens sunt o surs de pierderi locale, acestea fiind descrise prin nomograme de tipul celei din figura 5.36

Fig.5.36

76

Elemente auxiliare Fitingurile i cuplele au rolul s asigure cuplarea elementelor hidraulice ntre ele. Principalele cerine sunt legate de asigurarea etaneitii, montare uoar i introducerea de pierderi hidraulice ct mai reduse. n igura 5.37 sunt redate imagini de fitinguri i cuple.

Fig. 5.37 Conductele i furtunele dirijeaz lichidul de lucru la componentele hidraulice aflate la distan. Dac elementele mecanice se afl n micare relativ se folosesc furtune. n adoptarea seciunii conductelor se recomand urmtoarele valori pentru viteze: Destinaia conductei conduct aspiraie / conduct presiune // < 50 bar conduct presiune // 50 300 bar conduct presiune // > 300 bar conduct retur /// Viteza recomandat 0,5 . 1,5 m/s4 5 m/s 5 6 m/s 6 7 m/s 3 m/s

n montarea i dispunerea conductelor trebuie avut n vedere s nu se introduc pierderi energetice sau blocri ale fluidului ce pot duce la presiuni reduse, chiar cavitaie. De asemenea se are n vedere ca la montaj, conductele i furtunele s nu fie suprasolictate, deoarece n tipul funcionrii datorit nclzirii fluidului apar solicitri suplimentrae. n figura 5.38 sunt indicate moduri de dispunere a conexiunilor pentru diferite situaii de dirijare a lichidului.

77

n stabilirea criteriilor de selecie pentru dispunerea i alegerea conductelor se folosete, pentru procedeul STAMPED, acronim pentru Size, Temperature, Application, Materials, Pressure, Ends, and Delivery. dimensiune, temperatur, aplicaii, materiale, presiune, capete, furnizare.

Fig.5.38

78

Acumulatorii sunt sisteme care permit stocarea energiei hidraulice, avnd urmtoarele aplicaii: Stocarea energiei pentru condiiile de funcionare intermitent (sau cu variaii mari de sarcin) a circuitelor hidraulice. Astfel se poate reduce substanial capacitatea sursei primare de energie hidrostatic. Atenurii oscilaiilor de presiune, ceea ce asigur o funcionare lin i siguran n funcionare.Principial, stocarea energiei se face transformnd energia hidraulic n energie potenial a unui gaz sau element mecanic (arc sau mas suspendat (fig 5.39).

Fig. 5.39Cele mai uzuale soluii se bazeaz pe energia stocat ntrun gaz comprimat, separat de lichid printr-o membran sau piston (fig.5.40).

Fig.5.40

79

Fig. 5.41n figura 5.41 sunt ilustrate 6 etape de lucru ale acumulatorilor, indiferent de soluia constructiv: a) acumulator gol, gazul nu este sub presiune, b) acumulatorul a ost prencrcat cu azot uscat, c) presiunea din sistem depete presiunea de prencrcare i lichidul hidraulic ptrunde n acumulator, d) se ajunge la presiunea maxim, n acumulator fiind preluat cantitatea maxim de lichid i supapa de descrcare se deschide, e) presiunea n sistem scade, presiunea de prencrcare determin curgerea din acumulator spre sistem, f) presiunea din sistem atinge minimul pentru a efectua lucru mecanic. n figura 5.42 sunt ilustrate moduri de cuplare a acumulatorilor pentru creterea capacitii de stocare.

Fig. 5.42

80

Filtrele sunt elemente destinate eliminrii impuritilor din lichidul hidraulic, impuriti care pot duce la uzura i deteriorarea elementelor hidraulice. Modul de integrare a filtrelor n circuitul hidraulic (fig. 5.42), poate fi pe circuitul de retur, de aspiraie (filtre de joas presiune) sau pe circuitul de nalt presiune.

Fig. 5.42Gradul de contaminare al lichidului hidraulic este definit de dimensiunea i concentraia impuritilor conform NAS 1638 sau ISO 4406. Conform NAS 1638 se contorizeaz urmtoarele dimensiuni: 5..15 m 15..25 m 25..50 m 50..100 m > 100 m Frecvena prezenei particulelor este reprezentat pe o scar logaritmic rezultnd linii drepte numerotate consecutiv (fig. 5.43).

Fig.5.43 Gradul de filtrare este determinat de dimensiunea porilor. Se definete coeficientul conform ISO 4572, considernd faptul c particulele sunt reinute abia dup mai multe filtrri. Coeficientul , arat de cte ori numrul de particule mai mari dect o anumit valoare la intrarea n filtru este mai mare dect numrul de particule la ieire din filtru. O valoare tipic de filtrare este 75:1. De exemplu notaia 10 = 75, arat c din 75 de particule de 10 m, una a trecut de filtru.81

n tabelul 5.1 este prezentat o recomandare privind utilizarea filtrelor. Tab. 5.1 Clasa de Filtrul necesar contaminare Sistemul hidraulic poziie x = material NAS ISO locaie 75 1 6 15/12 3 anorganic filtru pe circuit de 2 (pe baz 7 16/13 5 presiune de vat filtru pe 3 8 17/14 10 de sticl) circuit de

9 10 11 12

18/15 19/16 20/17 21/18

20 25 organic (hrtie)

retur sau circuit de presiune

4 p> 160

bar p< 160 bar

25 40

filtru pe circuit de retur, aspiraie sau filtrare parial

5

n tabelul 5.1 s-a notat pentru sistemul hidraulic, cu 1 supape servo (comand), 2 supape de debit, distribuitoare, 3 supape proporionale, 4 pompe, 5 sisteme de joas presiune Imagini exemplificatoare ale construciei filtrelor sunt redate n figura 5.44.

Fig. 5.44

De reinut !Filtrele asigur calitatea funcional a sistemului. Respectai cu strictee categoria de filtrare, intervalele de verificare i schimbare a uleiului impuse de productor. Respectai cele trei reguli din hidraulic recomandate de Danfoss: R1: curenie, R2: curenie, R3: curenie

82

Schimbtoare de cldur sunt destinate meninerii unei temperaturi funcionale a lichidului de lucru. Pentru aplicaiile mobile se evit pe ct posibil, controlul sarcinii prin disiparea de energie pentru a evita ncrcare sistemului cu un schimbtor de cldur. n condiii dificile de funcionare este posibil ca prezena sa s nu poat fi evitat. n figura 5.45 este ilustrat imagine de principiu, construcia unui schimbtor de cldur ;i simbolul su.

Fig. 5.45Pentru aplicaii n condiii de temperatur joas, se prevede un nclzitor pentru lichidul de lucru.

Rezervorul ndeplinete rolul de a menine cantitatea de ulei necesar conversiei energetice, i suplimentar asigur: o suprafa mare pentru transferul de cldur (rcirea uleiului); un volum suficient pentru oprirea lichidului, ceea ce permite separarea gazelor i sedimentarea impuritilor mai mari; un volum de aer deasupra lichidului pentru preluarea aerului din lichidul hidraulic; spaiu pentru eliminarea impuritilor i nlocuirea lichidului de lucru; spaiu pentru destinderea lichidului nclzit, revenirea lichidului dup oprirea sistemului, stocarea cantitilor necesare pentru funcionri intermitente; amplasare unor elemente de control a funcionrii sistemului (control nivel, temperatur); suport pentru montarea altor componente.Pentru dimensionarea i structura constructiv a rezervorului s-au elaborat norme, de exemplu NFPA/T3.16. n aplicaiile mobile, pentru o prim dimensionare a rezervorului se recomand ca volumul de lichid s fie egal cu volumul debitat n unitatea de timp de ctre pomp. Astfel ntr-

83

un circuit a crui pomp debiteaz 100 l/min, volumul de lichid este aproximativ 100 l. Pentru stabilirea volumului total al rezervorului se adaug 10 15% spaiu tampon de aer. Aceast valoare orientativ poate fi modificat funcie de aplicaii. Imaginea tipic a unui rezervor de lichid hidraulic este redat n figura 5.46.

Fig. 5.46 Sistemul de comand asigur funcionarea elementelor hidraulice astfel nct acestea s realizeze funcia obiectiv conform informaiilor operatorului, condiiilor de lucru i structurii sistemului hidraulic.Sistemele hidraulice pot controla sarcina n dou moduri: metoda disipaiei de energie, la care curgerea spre elementul de execuie este comandat prin supape, fiind deviat un anumit debit, funcie de necesiti; metoda volumic, la care cursa unei pompe cu volum variabil determin cantitatea de lichid debitat n unitatea de timp. Sistemele care utilizeaz pompe de volum variabil sunt mai eficiente, mai scumpe i reacioneaz mai lent dect sistemele care folosesc supape proporionale alimentate de la o surs de presiune constant. Opiunea pentru unul dintre sisteme depinde de aplicaie i costuri. La acest ultim punct opiunea fiind costuri iniiale reduse i costuri de funcionare ridicate, respectiv cost iniial mai mare asociat cu costuri reduse de exploatare. n prezent, pentru aplicaiile mobile, a cror caracteristic este funcionarea n regimuri variabile, tendina este spre un reglaj funcie de necesiti a cantitii de energie debitate.

Principiul Load Sensing LS const n nregistrarea sarcinii hidraulice, iar sistemul de comand LS asigur debitul i presiunea pentru asigurarea energiei necesare

84

Semnalul caracteristic al sarcinii, presiunea, este msurat ntre un orificiu de seciune variabil i sarcin (fig. 5.47). Semnalul este utilizat la comanda pompei, la care se modific debitul astfel nct cderea de presiune pe orificiu p, s fie constant

Fig. 5.47Avantajele sistemului LS sunt: economictate semnificativ (conform figurii 5.48); durat de via mai mare prin scderea solicitrilor; reglaj rapid i precis al sarcinii; reducerea ncrcrii termice a sistemului hidraulic; reducerea numrului de pompe pentru structuri complexe.

Fig. 5.48

85

o problem recapitulativindicai principalele criterii de selecie a unei componente hidraulice, elabornd o fi de selecie pentru fiecare categorie de componente hidraulice

86

6. Aplicaii.Obiective educaionale: nelegerea modului de lucru al sistemelor hidraulice pentru diferite aplicaii nelegerea modului de aplicare a principalelor ecuaii n analiza sistemelor hidraulice Identificarea schemelor de lucru i a posibilitilor de combinare pentru diferite aplicaii la autovehicule

6.1. Transmisii hidrostatice.Transmisiile hidrostatice (THS) au rolul de a asigura transferul de energie de la o surs primar, de obicei motor cu ardere intern cu caracteristici funcionale caracteristice la o sarcin avnd propriile caracteristici funcionale. roile motoare. n timpul acestui proces se regleaz turaia, momentul, puterea i sensul de rotaie, continuu pe un domeniu definit, n timp ce sursa primar lucreaz la turaie constant. Structura transmisiei hidrostatice este simpl: o pomp legat de motorul cu ardere intern debiteaz lichidul spre motorul hidrostatic care antreneaz sarcina THS au o serie de avantaje: transmit putere mare folosind un gabarit redus (densitate de putere); fore i momente de inerie reduse; lucreaz eficient pe un domeniu larg de momente i turaii; se menine, n limitele proiectate, turaia indiferent de sarcin, chiar i la funcionarea n sens invers; poate transmite putere de la o surs la locaii multiple de diferite poziii chiar dac se modific locaia; poate sta oprit fr deteriorri sub sarcini mari cu pierderi reduse; nu se blocheaz la vitez nul; asigur un rspuns mai rapid dect transmisiile mecanice sau electromecanice de capacitate comparabil; pot fi realizate n construcii integrale; poate asigura frnare dinamic i recuperarea energiei de frnare.

87

THS trebuie proiectat pentru o corelare optim ntre motor i sarcin. Aceasta permite ca motorul s funcioneze la turaie corespunztoare eficienei economice i ecologice maxime i adaptrile la condiiile de funcionare se fac la nivelul HST. Procesul de acordare este un compromis ntre eficien i productivitate. O transmisie proiectat pentru eficien maxim are un rspuns lent la sarcini variabile, care reduce productivitatea, iar un rspuns rapid se obine cu randament mai redus deoarece cantiti mari de energie trebuie sunt disponibile n orice moment, chiar i atunci cnd nu este strict necesar acest exces. Transmisiile hidrostatice pot fi realizate n diverse configuraii funcie de tipul pompelor i motoarelor (fig. 6.1): A cu motor i pomp de volum constant, B cu pomp de volum constant i motor fix, C cu pomp de volum fix i motor de volum constant, D cu motor i pomp de volum variabil.

Fig. 6.1

88

Se observ c un domeniu larg de turaii, caracteristic ideal i moment maxim la turaii zero se poate obine pentru pomp i motor de volum variabil. Arhitectura propulsiei hidrostatice se bazeaz pe proprietile funcionale ale circuitelor hidraulice i pe particularitile funcionale ale surselor primare de energie: att motorul cu ardere intern sau alternativele sale termice, ct i motorul electric funcioneaz eficient la o turaie constant, n regim stabilizat; generatorul de energie hidrostatic (pompa) lucreaz la turaie constant; energia hidraulic se transmite prin lichid de la pomp la motor; presiunea n circuitul hidraulic care se instaleaz depinde de momentul rezistent ntmpinat la motorul hidrostatic; turaia motorului rezult din volumul su i din debitul volumic furnizat de pomp; pentru reglajul turaiei motorului autovehiculului, se pot regla: volumul pompei; volumul motorului; ambele volume; Succesiunea cauzal a reglajului turaiei de ieire se face dup urmtoarea schem: antrenarea la turaie constant a pompei variaia volumului pompei rezult debit variabil din turaie constant i volum variabil lichidul cu debit constant parcurge conducta debit constant furnizat de pomp gsete un anumit volum pus la dispoziie de motor din debit volumic raportat la volum rezult turaia pentru a modifica turaia la motor cnd debitul este constant furnizat de pomp se modific volumul motorului; Pentru a obine o gam larg de turaii se parcurge domeniul de reglaj al pompei de la volum minim la volum maxim: (vitezei de deplasare) a

89

np = constant

(6.1)

(6.2) VPminim VPmaxim Debitul pompei conform relaiei de mai jos parcurge domeniul de la minim la maxim (6.3) Qp = VP np = QP minim QPmaximPentru sarcin constant (de exemplu rulare cu rezistene la naintare constante) se genereaz presiunea p. Momentul absorbit de pomp este: (6.4) V M P = p P 2 Iar puterea absorbit de pomp: (6.5) PP = p QP Se constat c o dat cu creterea volumului de la valoarea minim la cea maxim, VPminim VPmaxim, cresc liniar att momentul ct i puterea (fig. 6.2).

Fig. 6.2n acest timp motorul se afl la volum maxim pentru a permite o cretere suplimentar a turaiei, deoarece conform relaiei:

90

(6.6) QM = V M nMla debit constant furnizat de pomp (la turaie constant i volum maxim) creterea turaiei se obine prin scderea volumului. La motor domeniul de turaii se obine prin variaia volumului de la valoarea maxim la cea minim:

VM maxim VMminim

(6.7)

Pentru acest interval ecuaiile puterii i momentului sunt identice cu cele utilizate n calculul pompei:M P = p VP 2

(6.8)

PP = p QP

(6.9)

Se observ c puterea n acest domeniu este constant, ceea ce face ca momentul funcie de turaie s scad conform unei hiperbole echilatere:

P = Mn

= constant 30

(6.10)

Considernd ecuaia momentului

M = p

V 2

(6.11)

la presiune constant, dependena momentului de turaie va respecta aceeai variaie ca i volumul. Acesta din urm conform ecuaiei:

Q = V n,

(6.12)

pentru Q = constant va fi n legtur cu turaia conform unei hiperbole echilatere. Caracteristica extern a transmisiei hidraulice folosind ecuaiile de mai sus este reprezentat calitativ n figura 6.2, curba MM. Se observ c sistemul nu necesit ambreiaj, cutie de viteze, caracteristica extern avnd aspectul caracteristicii ideale de traciune. Aceast caracteristic se obine pentru motorul cu ardere intern care

91

funcioneaz la turaie constant, ceea ce permite noxe minime i eficien energetic maxim. Puterea efectiv este afectat de randamentul volumic (care ine seama de pierderile hidraulice i de randamentul mecanic (care ine seama de frecrile pieselor aflate n micare relativ). Ambele randamente se definesc att la pomp ct i la motor:

Pefectiv = global P

ideal

= Vpompa m pomp V motor m motor p Q

(6.13)

Aplicaii pe autovehiculeTransmisii hidrostatice au fost recent aplicate n programe demonstrative de Agenia de Mediu a SUA EPA (Environment Protection Agency) mpreun cu parteneri industriali cu aplicaie pe autovehicule urbane UPS (fig. 6.3).

Fig. 6.3

Programul demonstrativ (www.epa.gov) condus n anul 2007 a artat soluia hibrid hidraulic este cea mai eficient i acceptabil din punct vedere costuri. Astfel economia de combustibil obinut este 70 % reducerea de CO2 40%. Tehnologia unic de recuperare a energiei timpul frnrii reduce uzura frnelor cu 75%, reducnd costurile mentenan.

c de i n de

n figura 6.4 sunt prezentate scheme ale unor transmisii hidraulice aplicate n special la autovehicule grele, n diferite configuraii care implic i transmisii mecanice sau reductoare mecanice.

92

Fig. 6.4

93

Fig. 6.4 continuare

94

6.2. Sistemele autovehiculului.Sistem de injecie pentru motoare de autovehicul i acionare hidraulic a supapelor

Schema hidraulic a sistemului de stabilitate ESP

95

Suspensie activ pentru autovehicule

Servodirecie pentru utilaje grele

96

6.3. Sisteme de lucru de pe autovehicul.Sistem integrat aplicat pentru tractor (dup Sauer Danfoss) la care o pomp cu pistoane radiale de volum variabil, cu comand LS, asigur alimentarea servodireciei (cu prioritate), a suspensiei i a utilajelor agricole (fig. .

Sistemul hidraulic al autobasculantei asigur servodirecia i ridicarea benei cu doi cilindri care lucreaz simultan.

O pomp cu debit variabil cu reglaj LS furnizeaz ulei transmisiei i sistemului hidraulicii de lucru. Aplicarea LS permite economie de combustibil de 30% i creterea productivitii cu 60%.

97

98

ntrebri recapitulativeexplicai modul de funcionare al transmisiilor hidrostatice din figura 6.5

99

7. Utilizarea sistemelor hidrostaticeAtenie ! Warning!n sistemele hidraulice sunt operaionale lichidele sub presiune. Fluidele aflate la presiuni nalte sunt periculoase i pot determina vtmare grav sau moarte. Nu efectuai modificri, reparaii sau adaptri (improvizaii) la orice system hidraulic dac nu avei competena necesar sau lucrai sub supraveghere competent. Dac avei ndoieli consultai un technician sau inginer specializat.

Obiective educaionale:

nelegerea problematicii ridicate de sistemele hidraulice n exploatare Identificarea unei modaliti de considerare a recomandrilor de exploatare

Informaii din acest capitol sunt prelucrate dup recomandrile Sauer DanfossVerificarea uleiului hidraulic 70% din problemele sistemelor hidraulice se datoreaz strii uleiului; prezena apei duce la coroziunea suprafeelor de oel, reducerea suprafeei active a filtrului; temperatura normal de funcionare a uleiului este 30 - 60C durata de via a uleiului depinde de temperatur; fiecare 8C peste 60C njumtesc durata de via (ex. uleiul la 90C are 10% din durata de via a uleiului la 60C). Aceasta se datoreaz oxidrii uleiului n prezena aerului. Instalarea sistemului Dup calcule i adoptarea sistemului se pune problema amplasrii componentelor. Se recomand: amplasare pentru acces simplu; asigurare de suprafee mari pentru rcire; reducerea zgomotului prin fixarea componentelor prin elemente elastice; utilizarea de furtune ntre elementele cu micare relativ;

100

atenie major la curenia sistemului n timpul montajului; umplerea sistemului prin instalaii de umplere cu elemente filtrante 40 m pentru aspiraie i 5 m pentru refulare; atenie ca butoiul de ulei s fie prevzut cu filtru de aer; se respect cele trei reguli: o curenia n timpul instalrii o curenie n timpul funcionrii zilnice o curenie n timpul inspeciei i reparaiei

Pornirea i rodarea sistemului hidraulic Chiar i cnd se respect condiiile de curenie la instalare apar impuriti n timpul funcionrii iniiale. Din acest motiv nu este recomandat funcionarea la sarcini maxime. Procedura recomandat de pornire cuprinde, conform Danfoss, urmtoarele etape: se verific curenia rezervorului se umple instalaia cu sistem de umplere nainte de pornirea pompei o verificai dac toate flanele au fost strnse (ntotdeauna exist una care nu este strns complet) o verificai dac distribuitorul este n poziia neutr (dac nu este rezultatele ar putea fi catastrofice) o supapa de presiune este setat la valoarea sa minim; o pompa se rotete n direcia corect; o este pompa i conducta de aspiraie umplute cu ulei; o sunt montate manometre pe principalele conducte; conectai ieirea din pomp la un rezervor de 5 10 litri; poziionai pompa la 40% din volumul maxim; antrenai pompa la 800 900 1/min; dup ce a aspirat oprii pompa i conectai ieirea pompei la sistem; repornii pompa. Acionai fiecare distribuitor la cea mai mic presiune posibil. Repetai operaia pn cnd uleiul de retur nu mai spumeaz i motoarele i cilindrii funcioneaz lin. Verificai frecvent uleiul i eventual completai cu ulei n condiii de meninere a cureniei; Verificai presiunea recomandat n conducta de aspiraie a pompei i pe conducta de drenaj; Cuplai volumul maxim al pompei i lsai sistemul s funcioneze la turaie maxim timp de aproximativ 20 minute, pn cnd s-a

101

stabilizat temperatura uleiului. Schimbai frecvent direcia de rotaie a motoarelor i de deplasare a cilindrilor; Setai presiunea la supapele de presiune la valorile nominale; ndeprtai manometrele de verificare, nlocuindu-le cu cuple; nlocuii elementele filtrante Verificai nivelul de ulei. Verificai uleiul dac sunt cantiti mari de ulei (mai mari de 100 litri), eventual trimind probe la laboratorul furnizorului de ulei. Sistemul poate fi pus s lucreze. ntreinerea sistemului hidraulic Verificarea periodic. Este mai economic verificarea dect repararea componentelor hidraulice. Dac a aprut o defeciune la o component, se verific toate componen