Kon Hydraulijärjestelmät

Transkriptio

1 Kon Hydraulijärjestelmät Tutkimustehtävä 1 HENKILÖKOHTAISESTI RATKAISTAVA TUTKIMUSTEHTÄVÄ KOOSTUU LABORA- TORIOHARJOITUKSESTA SEKÄ TUTKIMUSKYSYMYKSISTÄ. TÄMÄ DOKUMENTTI SISÄLTÄÄ MOLEMPIEN OSUUKSIEN TEHTÄVÄT. Tutkimustehtävä sisältää useampia tutkimuskysymyksiä, joiden ratkaisemiseksi haetaan tietoa luennoilta, harjoituksista, oppimateriaalista sekä erityisesti niiden ulkopuolelta (muu kirjallisuus / kirjaston tietokannat / tutkimusraportit / konferenssijulkaisut / laite-, komponentti- ja nestevalmistajien www-sivut / jne.). Tutkimuskysymysten oheen on liitetty esimerkin omaisesti muutamia hakusanoja, joita voi käyttää tietoa etsittäessä, mutta tietoa kannattaa toki etsiä muillakin soveltuvilla sanoilla. Tavoitteena on, että eri lähteistä löydettyjen tietojen ja oman ajattelun pohjalta muodostetaan oma henkilökohtainen ja yksittäisissä lähteissä esitettyjä tietoja kokonaisvaltaisempi käsitys selvitettävästä asiasta. Erityisen arvostettua vastauksissa on juuri oman ja perustellun näkemyksen sekä oman oppimisen esiin tuominen. Arvostettua on myös havainnollisen ja tekstin kannalta olennaisen kuvamateriaalin (esimerkkeinä ilmiöiden havainnollistaminen ja sovellusesimerkit) käyttö selostuksen tukena. Nämä seikat otetaan selostusten arvioinnissa huomioon siinä määrin, että pistemääriin > 80 yltäminen edellyttää käytännössä kurssin oppimateriaaliin nähden ulkopuolisen materiaalin hyvää ja ymmärrystä osoittavaa käyttöä. Ilman havainnollistavaa kuvitusta olevista vastauksista on mahdollista saada vain 70 % tehtäväkohtaisesta maksimipistemäärästä. Jokaisesta selvitettävästä tutkimuskysymyksestä tulisi kirjoittaa 2 2,5 sivua, mihin sisältyvät myös kuvat. Itse tekstiosuuden tulisi olla pituudeltaan noin 1 1,5 sivua. Tekstissä käytettävä kirjasin on joko 10 pisteen Arial tai 12 pisteen Times New Roman. Vastauksia arvioitaessa ratkaisee niiden sisältö ja laatu, ei niiden pituus. Pyri siis laatimaan tiiviitä, johdonmukaisia ja asiasisällöltään kattavia vastauksia. Huom: Vastauksiin on liitettävä myös lähdeluettelo, joka ei sisälly edellä esitettyyn vastausten pituusvaatimukseen, vaan tulee sen päälle. Lähteitä tulisi olla vastausta kohden vähintään 3 4, ja huomaa, Wikipediaa ei hyväksytä lähteeksi. HUOM: Tutkimustehtävän 1 raportti on palautettava viimeistään Palautettavan tiedoston muoto: word tai pdf Palautusosoite: ensisijaisesti kurssin MyCourses-sivu (tai erikseen sovittaessa Heikki.Kauranne@aalto.fi) HUOM: Kansilehdettömiä tutkimusselostuksia ei oteta vastaan! Kansilehti löytyy kurssin MyCourses-sivuilta.

2 A. Laboratorioharjoitus Harjoituksessa tutustutaan hydraulikomponenttien ominaisuuksien mittaamiseen käyttäen esimerkkinä käsiohjattua 4/3-suuntaventtiiliä sekä sähköisesti ohjattua 4/3-proportionaalisuuntaventtiiliä. Lisäksi tutustutaan mittaustulosten luotettavuuteen vaikuttaviin tekijöihin. Mittausjärjestelmän hydraulineste Neste Hydrauli Basic 46 Tiheys (15 C) 865 kg/m 3 Viskositeetti (100 C) 7,9 cst Leimahduspiste (COC) 222 C Viskositeetti (40 C) 46 cst Jähmepiste -42 C Viskositeetti (-10 C) 990 cst Viskositeetti-indeksi 142 Viskositeetti (-20 C) 2940 cst n [cst] Kuva 1. Nesteen viskositeetin lämpötilariippuvuus. q [ C] Nesteen lämpötila mittauksissa: C" Viskositeetti: cst Harjoituksessa tarkasteltujen käsiohjatun 4/3-suuntaventtiilin sekä sähköisesti ohjatun 4/3-proportionaalisuuntaventtiilin mittaustiedostot löytyvät kurssin MyCourses-sivujen Harjoitukset -välilehden alta löytyvästä Tutkimustehtävä 1 -osiosta. Mittausdatoja sekä järjestelmän hydraulinesteen tietoja käytetään tutkimuskysymyksissä (sekä Tutkimustehtävä 1:ssä että 2:ssa). Tiedostojen sisältö on kuvattu seuraavalla sivulla.

3 Mittaustiedostot Mittaustiedostot sisältävät mitatut suureet sarakkeittain seuraavassa järjestyksessä ja seuraavin yksiköin: p AB [bar] p P [bar] p T [bar] q V [l/min] U [V] Mittaustiedostot ovat: Suuntaventtiili_PABT.lvm Suuntaventtiili_PBAT.lvm : käsiohjattu 4/3-suuntaventtiili, virtaussuunnat PfiA, BfiT : käsiohjattu 4/3-suuntaventtiili, virtaussuunnat PfiB, AfiT Proportionaaliventtiili_10bar.lvm : 4/3-proportionaalisuuntaventtiili, virtaussuunnat PfiA, BfiT sekä PfiB, AfiT, paine-ero venttiilin yli (PfiT) 10 bar Proportionaaliventtiili_100bar.lvm : 4/3-proportionaalisuuntaventtiili, virtaussuunnat PfiA, BfiT sekä PfiB, AfiT, paine-ero venttiilin yli (PfiT) 100 bar

4 B. Tutkimuskysymykset Vastauksissa suureet tulee esittää seuraavissa yksiköissä: paine [bar] nopeus [m/s] voima [N] teho [W] tilavuusvirta [l/min] asema [m] momentti [Nm] B.1 Tämä tehtävä liittyy laboratoriossa tutkittuun käsiohjattuun 4/3-suuntaventtiiliin a) Laadi käsiohjatulle 4/3-suuntaventtiilille ominaiskäyrästö, josta käy ilmi venttiilin kunkin virtaussuunnan (PfiA, BfiT, PfiB ja AfiT) painehäviö tilavuusvirran funktiona. b) Käyttäen lähtökohtana virtauskanavan PfiA ominaiskäyrää selvitä, millainen se olisi, jos mittausjärjestelmän hydraulinesteen lämpötila olisi ollut 0 C tai 60 C (edelläolevasta nesteen viskositeettikuvaajasta saadaan näitä lämpötiloja vastaavat kinemaattisen viskositeetin arvot 458 cst ja 21 cst). Mitä johtopäätöksiä saatujen tulosten perusteella voidaan tehdä nesteen lämpötilan vaikutuksista hydraulikomponenttien ja järjestelmien ominaisuuksiin? Entä miten lämpötila vaikuttaa järjestelmästä mitattavien suurearvojen luotettavuuteen ja vertailukelpoisuuteen? c) Oletetaan, että käsiohjatun 4/3-suuntaventtiilin virtauskanavan PfiA ominaiskäyrästä tunnetaan vain yksittäinen toimintapiste eli jotakin tilavuusvirtaa vastaava painehäviö. Laadi tälle virtauskanavalle laskennallinen ominaiskäyrä, joka kattaa koko laboratorioharjoituksessa mitatun tilavuusvirta-alueen olettaen, että tuo tunnettu yksittäinen toimintapiste on mittaustiedoston a) ensimmäinen, b) keskimmäinen ja c) viimeinen mittauspiste (oletetaan siis, että on kolme erillistä tapausta, joissa kussakin tunnetaan vain yksi mainituista toimintapisteistä). Piirrä näin saamasi kolme laskennallista ominaiskäyrää samaan kuvaan mitatun PfiA ominaiskäyrän kanssa. Mikä vaikutus ominaiskäyrän laskentaperusteena käytetyllä mittauspisteellä on lasketun ominaiskäyrän tarkkuuteen/luotettavuuteen? Jos ominaiskäyrien välillä on eroja, niin mistä ne voisivat johtua? B.2 Mihin perustuu hydraulisten suureiden, paine ja tilavuusvirta, hallinta hydraulijärjestelmissä? Tarkastele tilannetta käyttäen esimerkkinä hydraulisylinterin liikkeen sekä sen tuottaman voiman eli sylinterikammioiden tilavuusvirtojen ja paineiden hallintaa. B.3 Tämän kysymyksen kohdallesi osunut alakohta käy ilmi kurssin MyCourses-sivujen Tulokset -välilehdeltä löytyvästä Kurssitilanne-taulukosta. a) Miten perinteisten monikytkentäasentoisten luistiventtiilien korvaaminen patruunarakenteisilla venttiileillä muuttaa hydraulijärjestelmien suunnittelua ja toteuttamista? Mitä etuja ja haasteita tämä venttiilitekniikasta toiseen siirtyminen tuo mukanaan, ja millaisissa sovelluksissa tästä vaihdoksesta on merkittävää hyötyä? Tiedonhaun sanastoa, esim.: cartridge valve, logic element technology b) Miten perinteisten venttiilien ja pumppujen korvaaminen digitaalihydraulisilla komponenteilla muuttaa hydraulijärjestelmien suunnittelua ja toteuttamista? Mitä etuja ja haasteita digitaalihydraulisiin järjestelmiin liittyy, ja millaisissa sovelluksissa tästä tekniikasta on merkittävää hyötyä? Tiedonhaun sanastoa, esim.: digital hydraulics, digital fluid power, digital cylinder, digital pump, digital pressure accumulator

5 B.4 Mitä vaatimuksia energian regenerointi asettaa hydraulijärjestelmälle ja sen komponenteille, ja millaisia seurauksia regeneroinnilla on järjestelmän kannalta? Millaisia komponentteja tai komponenttityyppejä regeneroivissa järjestelmissä tyypillisesti käytetään, miten energia saadaan talteen ja miten se saadaan hyödynnetyksi? Millaisissa sovelluksissa regenerointi voidaan todennäköisimmin toteuttaa hyvin tuloksin ja kannattavasti, mitkä ovat tehokkaan regeneroinnin edellytykset? Tiedonhaun sanastoa, esim.: energy recovery, recuperation, energy efficiency B.5 Tämän kysymyksen kohdallesi osunut alakohta käy ilmi kurssin MyCourses-sivujen Tulokset -välilehdeltä löytyvästä Kurssitilanne-taulukosta. a) Mitkä ovat syyt veden käytölle hydraulinesteenä eräissä korkeapaineisissa hydrostaattisissa järjestelmissä, ja millaisissa sovelluksissa vettä tyypillisesti käytetään? Mitä vaatimuksia vesi hydraulinesteenä asettaa järjestelmälle, ja mitkä ovat merkittävimmät erot vesihydraulisten ja öljyhydraulisten komponenttien välillä? Tiedonhaun sanastoa, esim.: water hydraulics b) Mitä etuja ja haasteita liittyy magnetoreologisiin nesteisiin perustuviin hydraulijärjestelmiin ajatellen niiden ominaisuuksia, ohjausta, suorituskykyä sekä niissä käytettäviä komponentteja että nestettä? Millaisiin sovelluksiin magnetoreologisten järjestelmät soveltuvat erityisen hyvin? Tiedonhaun sanastoa, esim.: magnetorheological technology, MR technology B.6 Tämän kysymyksen kohdallesi osunut teema käy ilmi kurssin MyCourses -sivujen Tulokset - välilehdeltä löytyvästä Kurssitilanne-taulukosta. Teemat: a) Venttiilisäätö b) Pumppusäätö yleisesti c) Pumpun kierrostilavuussäätö d) Pumpun nopeussäätö e) Toimilaitesäätö Mitä etuja ja haasteita liittyy selvitettäväksesi osuneeseen säätötapaan erilaisia sovelluksia ajatellen? Tiedonhaun sanastoa, esim.: valve control, pump control, displacement control, speed controlled pump, secondary control, actuator control