1. No category

Kon-41.4040 Hydraulijärjestelmät
Hydraulijärjestelmän häviöiden laskenta
Oheisten kuvien (2−5) esittämissä järjestelmissä voiman F kuormittamalla sylinterillä tehdään
edestakaisia liikkeitä, joiden välillä sylinteri pidetään hydraulisesti paikoilleen lukittuna. Lukitus
toteutetaan suuntaventtiilin keskiasennon avulla. Sylinterin liikenopeus voidaan asettaa halutulle
tasolle järjestelmissä olevien virransäätöventtiilien avulla.
Järjestelmissä käytettävien suuntaventtiilien ominaiskäyrästö on esitetty alla. Järjestelmissä A, C
ja D (kuvat 2, 4 ja 5) käytetään G-karaa ja järjestelmässä B (kuva 3) F-karaa.
Kuva 1. Suuntaventtiilin ominaiskäyrästö.
Sylinterillä tarvittavan paineen ja tilavuusvirran määrittäminen
Laske ensin sylinterin männän pinta-alat männän kummallakin puolen. Tämän jälkeen saat
sylinteriin kohdistuvan voiman avulla ratkaistua sylinterillä tarvittavan paineen. Vastaavasti
sylinterillä tarvittavan tilavuusvirran saat ratkaistua vaaditun liikenopeuden avulla.
1
Tehtävänanto
Määritä eri järjestelmien tehohäviöt seuraavasti:
1. Järjestelmän A (kuva 2) tapauksessa suuntaventtiilin kaikilla kytkentäasennoilla (sylinterin
+liike, -liike ja paikoilleen lukitus)
2. Järjestelmän B (kuva 3) tapauksessa suuntaventtiilin keskiasennolla
3. Järjestelmän C (kuva 4) tapauksessa sylinterin +liikkeessä, vertaa saamaasi tulosta kohdan
1 tulokseen.
4. Määritä järjestelmän A (kuva 2) tapauksessa järjestelmän lämpeneminen ja hydraulinesteen
maksimilämpötila eli jäähdytystarve. Järjestelmän käyttöaika jakautuu seuraavasti: suuntaventtiili on keskiasennossa 50% käyttöajasta, suorakopin asennossa 35% käyttöajasta ja
ristikopin asennossa 15% käyttöajasta (tämä on yksinkertaistus laskemista varten).
Kuinka järjestelmää tai komponenttien mitoitusta tulisi muuttaa, jotta järjestelmän tehohäviöitä
saataisiin vähennettyä?
Alkuarvot
Sylinterin männän halkaisija
63 mm
Sylinterin männänvarren halkaisija
45 mm
Sylinterin iskunpituus
0,8 m
Kuormavoima F
60 kN
Sylinterin liikenopeus +liikkeessä
0,3 m/s
100 l/min
Pumpun tuotto (qVp)
Virransäätöventtiilin virtaustien painehäviö (kompensaattorin asetus, Δpvsv) 12 bar
Virransäätöventtiilin vastaventtiilin painehäviö
6 bar/100 l/min
1,2 bar
Pumpun vastaventtiilin painehäviö pumpun tuotolla (Δpvvp)
280 bar
Paineenrajoitusventtiilin asetuspaine (pprv)
0,7 bar
Suodattimen painehäviö (oletetaan tilavuusvirtariippumattomaksi, Δpsu)
Lämmönvaihtimen painehäviö (oletetaan tilavuusvirtariippumattomaksi, Δplv) 1 bar
Venttiilin painehäviöt
ominaiskäyrästöstä
Pumppu ja sylinteri oletetaan tässä tehtävänasettelussa häviöttömiksi.
2
v
F
qVs
p2
p1
qVh
qVp
Kuva 2. Järjestelmä A.
Virransäätöventtiilin vastaventtiilin painehäviö Δpvv -liikkeessä
Δpvv1 = 6 bar, kun qVvv1 = 100 l/min (tunnettu painehäviön arvo)
Δpvv2 = ? bar, kun qVvv2 ≈ 200 l/min (sylinteristä -liikkeessä poistuva tilavuusvirta)
Vvv1
2∆ vv1
q
ja
Vvv2
q
∆ vv2
⇒
∆
vv
∆
vv
Vvv
Vvv1
⇒ Δpvv2 = 24 bar
Paineet ja tilavuusvirrat +liikkeessä
m
∆
vsv
192 bar
12 bar
204 bar
Sylinterin liikkuessa +suuntaan nopeudella 0,3 m/s, se tarvitsee tilavuusvirran qVs = 54 l/min, jolloin pumpun tuoton ylimääräinen osa (qVh = 46 l/min) ohjautuu virransäätöventtiilin kautta takaisin säiliöön ( Vp
Vs
Vh ).
(Am+ = männän pinta-ala sylinterin +kammion puolella)
3
F
Kuva 3. Järjestelmä B.
F
Kuva 4. Järjestelmä C.
4
F
Kuva 5. Järjestelmä D.
Ratkaisut
Kysymys 1: Tehohäviöt järjestelmän A tapauksessa suuntaventtiilin kaikilla kytkentäasennoilla
Suuntaventtiilin keskiasento
Häviöitä aiheuttavat pumpun vastaventtiili, lämmönvaihdin ja suodatin sekä suuntaventtiili
virtaussuunnassa P→T.
1.1) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto)
Ah
Vp ∆ vvp
100
min
· 1,2 bar
·
· , ·
200 W
1.2) Lämmönvaihdin ja suodatin (pumpun tuotto)
Ah2
Vp
∆
∆
su
100
lv
min
· 0,7
1 bar
·
· , ·
1.3) Suuntaventtiili P→T (pumpun tuotto)
Ah3
Vp ∆ P T
100
min
· 2,2 bar
·
· , ·
Kokonaistehohäviö suuntaventtiilin keskiasennossa
AH
Ah
Ah2
Ah3
5
367 W
284 W
Sylinterin +liike (käyttöaika tässä asennossa t2)
Häviöitä aiheuttavat pumpun vastaventtiili, suuntaventtiili virtaussuunnissa P→A ja B→T,
virransäätöventtiili sekä lämmönvaihdin ja suodatin
1.4) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto)
Ah
200 W
Ah
1.5) Suuntaventtiili P→A (pumpun tuotto)
Vp ∆ P A
Ah5
100
min
·
· 2 bar
· ·
333 W
1.6) Suuntaventtiili B→T (sylinteristä poistuva tilavuusvirta)
Ah6
m‐
Vs
m
∆
54
B T
min
·
· · 0,3 bar
· , ·
14 W
·
1.7) Virransäätöventtiili (tilavuusvirta sylinterille ja tilavuusvirta säiliöön)
Vs ∆ vsv
Ah7
·
·
54
Vh 2
·
·
·
min
· 12 bar
·
46
min
· 204 bar
16720 W
1.8) Lämmönvaihdin ja suodatin (sylinteristä ja virransäätöventtiilistä poistuvat tilavuusvirrat)
Ah8
Vs
·
·
m‐
Vh
m
· , ·
· ∆
∆
su
54 ·
lv
46
min
· 0,7
1 bar
207 W
Kokonaistehohäviö +liikkeessä
AH2
Ah4
Ah5
Ah6
Ah7
Ah8
Sylinterin -liike (käyttöaika tässä asennossa t3)
Häviöitä aiheuttavat pumpun vastaventtiili, suuntaventtiili virtaussuunnissa P→B ja A→T,
virransäätöventtiilin vastaventtiili sekä lämmönvaihdin ja suodatin
1.9) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto)
Ah9
Ah
200 W
1.10) Suuntaventtiili P→B (pumpun tuotto)
Ah10
Vp ∆ P B
100
min
· 1 bar
·
· ·
6
167 W
1.11) Suuntaventtiili A→T (sylinteristä poistuva tilavuusvirta)
Ah11
m
Vp
∆
m‐
100
A T
min
·
· 2 · 5,5 bar
· · , ·
1833 W
1.12) Virransäätöventtiilin vastaventtiili (sylinteristä poistuva tilavuusvirta)
hA12
m
Vp
∆
m‐
100
vv2
min
·
· 2 · 24 bar
· ·
·
8000 W
1.13) Lämmönvaihdin ja suodatin (sylinteristä poistuva tilavuusvirta)
Ah13
Vs
m
· ∆
∆
su
m‐
100
lv
min
· 2 · 0,7
·
1 bar
· · , ·
567 W
Kokonaistehohäviö -liikkeessä
AH3
Ah9
Ah10
Ah11
Ah12
Ah13
Kysymys 2: Tehohäviöt järjestelmän B tapauksessa suuntaventtiilin keskiasennolla
Keskiasennon häviö = paineenrajoitusventtiilin häviö
BH1
100
Vp prv
min
·
· 280bar
·
·
46667 W
470 kW
Kysymys 3: Tehohäviöt järjestelmän C tapauksessa sylinterin +liikkeessä
2.4) Pumpun vastaventtiili (pumpun tuotto)
Ch
200 W
Ah
2.5) Suuntaventtiili P→A (sylinterillä tarvittava tilavuusvirta)
Ch5
Vs ∆ P A
54
min
·
· 0,4 bar
· , ·
36 W
2.6) Suuntaventtiili B→T (sylinteristä poistuva tilavuusvirta)
Ch6
Vs
m‐
m
∆
B T
54
min
·
· · 0,2 bar
· , ·
·
2.7) Virransäätöventtiili (tilavuusvirta sylinterille)
Ch7
Vs ∆ vsv
54
min
· 12 bar
·
·
·
1080 W
7
9W
2.8) Lämmönvaihdin ja suodatin (sylinteristä poistuva tilavuusvirta ja tilavuusvirta paineenrajoitusventtiilin kautta säiliöön)
Ch8
Vs
·
m‐
Vh
m
·
· ∆
· , ·
∆
su
54 ·
lv
46
min
· 0,7
1 bar
207 W
2.9) Paineenrajoitusventtiili (sylinterillä tarpeeton pumpun tuotto)
Ch9
46
Vh prv
min
· 280 bar
·
·
·
21467 W
Kokonaistehohäviö +liikkeessä
CH2
Ch4
Ch5
Ch6
Ch7
Ch8
Ch9
Kysymys 4: Keskimääräinen tehohäviö järjestelmän A tapauksessa, eri pituisia työvaiheita tietyssä kokonaistyöajassa
Sylinteri lukittuna paikoilleen (suuntaventtiili keskiasennossa), käyttöaika t1
Sylinterin +liike, käyttöaika t2
Sylinterin -liike, käyttöaika t3
Kokonaisaika = t1 + t2 + t3
Järjestelmän tuottama keskimääräinen häviöteho tietyssä kokonaisajassa
AHK
AH1 · 1
AH2 · 2
1
2
AH3 · 3
3
8