Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Transkriptio

1 Sarja 56 Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA Hydraulipumput Toimilaitteet Paineakut

2 Päivän teemat Sarja 56 Järjestelmälle tilavuusvirtaa, mutta miten? Miten nesteeseen sidotun hydraulisen tehon saa hyödynnettyä? Voiko nesteeseen sidottua energiaa varastoida?

3 HYDRAULIPUMPUT Sarja 56 Muuntavat mekaanisen tehon hydrauliseksi tehoksi Hydrostaattiset pumput tuottavat tilavuusvirtaa, eivät painetta Yksisuuntaiset Kaksisuuntaiset Vakiotilavuuksiset Säätötilavuuksiset Hydraulipumput

4 Sarja 56 Rakenteet Yleisimmät rakennetyypit: - hammaspyörä - siipi - ruuvi - mäntä Kaikki toimivat syrjäytysperiaatteella Hydraulipumput

5 Sarja 56 Syrjäytysperiaate x q V Vaiheet: Nesteen virtaus siirtokammioon - imujakso Nesteen virtaus siirtokammiosta - painejakso Hydraulipumput

6 Sarja 56 Tilavuusvirran ohjaus x q V q V Paineohjaus eli venttiiliohjaus x Virtausaukko Pakko-ohjaus q V Hydraulipumput

7 Tilavuusvirran ohjaus Sarja 56 x Paineohjaus eli venttiiliohjaus x q V q V x x q V q V Hydraulipumput

8 Tilavuusvirran ohjaus Sarja 56 x Pakko-ohjaus x qv q V x x qv q V Hydraulipumput

9 Sarja 56 Tilavuusvirtavärähtely qv Painejakso qv Pumpun tilavuusvirta Yksittäinen mäntä Imujakso Yksittäiset männät Jaksottainen toiminta syynä tilavuusvirtavaihteluun Hydraulipumput

10 Sarja 56 Kavitaatio pumpuissa Syy: Pumpun imukanavan kitka- ja kertavastushäviöt Nesteen paine laskee alle höyrystymispaineen osa nesteestä höyrystyy höyrystynyt neste paineistuu pumpussa höyrykuplat romahtavat äkillisesti paineiskuja materiaalivaurioita, melua Hydraulipumput

11 Sarja 56 Pumppujen ominaisuudet Teoreettinen tuotto q V, teor n Vk Kierrostilavuus V k [m 3 /r] Pyörimisnopeus n [r/s] cm 3 /r = 10-6 m 3 /r r/min = 1/60 r/s q V, teor Vrad 2 V rad V 2 Hydraulipumput k n Kulmanopeus [rad/s] Radiaanitilavuus V rad [m 3 /rad]

12 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Todellinen tuotto q V, tod n Vk v Vuodot volumetrinen hyötysuhde v v [%] v [%] n= vakio p= vakio 0 0 p 0 0 n Hydraulipumput

13 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen tuotto - Todellinen tuotto q V p= vakio q V Teoreettinen tilavuusvirta 1 2 n= vakio Todellinen tilavuusvirta 0 0 n 0 0 p Hydraulipumput

14 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Pumpun vuotovirtaukset Sisäinen vuoto Kokoonpuristuvuus Imutilavuusvirta I P Tehollinen tuotto Ulkoinen vuoto SÄÄDIN Säätötilavuusvirta Kotelovuoto L Hydraulipumput

15 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen käyttömomentti Todellinen käyttömomentti T T teor tod p Vk 2 p V 2 k hm Kitkat hydromekaaninen hyötysuhde hm hm [%] hm [%] n = vakio p = vakio n p Hydraulipumput

16 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen käyttömomentti - Todellinen käyttömomentti T 2 T Todellinen käyttömomentti n = vakio p 0 0 p = vakio Teoreettinen käyttömomentti n Hydraulipumput

17 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen käyttöteho P teor q V p Todellinen käyttöteho t v hm P tod q V p t [%] v hm [%] hm v 60 t 60 t n= vakio 20 p = vakio p 0 n Hydraulipumput

18 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen käyttöteho - Todellinen käyttöteho P n = vakio p Hydraulipumput

19 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Eri rakennetyyppien vertailu t [%] n = vakio Mäntäpumppu Hammaspyöräpumppu Siipipumppu Ruuvipumppu p [MPa] Hydraulipumput

20 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Pumpun ominaiskäyrästö q V [l/min] r/min 90% 75% 85% p 80% [MPa] 3000 r/min 2000 r/min 140 kw 100 kw 80 kw 60 kw 40 kw 20 kw Hydraulipumput

21 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 v Pumpun hyötysuhteiden paine-pyörimisnopeusriippuvuus hm t Hydraulipumput

22 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Säätötilavuuksisten pumppujen kierrostilavuusasetuksen vaikutus hyötysuhteisiin [%] v hm t p= vakio n = vakio V k [%] Hydraulipumput

23 Pumppujen ominaisuudet Sarja 56 Hyötysuhteisiin vaikuttavia tekijöitä hm v [%] hm v : paine 4: lämpötila 2: kierrostilavuus 5: pumppuyksilö 3: pyörimisnopeus 6: neste Hydraulipumput

24 Sarja 56 Pumpputyypit Hammaspyöräpumput - ulkoryntöiset - sisäryntöiset Ruuvipumput Siipipumput - siivet pyörivässä roottorissa - siivet pyörimättömässä staattorissa Mäntäpumput - rivimäntäpumput - radiaalimäntäpumput - aksiaalimäntäpumput Hydraulipumput

25 Pumpputyypit Sarja 56 Hammaspyöräpumput F Käyttävä pyörä qv qv Ulkoryntöiset - kaksipyöräiset - monipyöräiset F Käytetty pyörä Hydraulipumput

26 Pumpputyypit Hammaspyöräpumput Sarja 56 qv qv Sisäryntöiset - erottajalla varustettu pumppu - hammasrengas- eli gerotorpumppu Hydraulipumput

27 Pumpputyypit Hammaspyöräpumput Sarja 56 Suoritusarvot Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n r/min Painealue max. p ( 32) MPa - riippuu vuotojen ja radiaalivoimien kompensoinneista Hydraulipumput

28 Pumpputyypit Sarja 56 Ruuvipumput Ruuvien määrä - yksiruuviset - kaksiruuviset - kolmiruuviset Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n r/min Painealue max. p MPa Hydraulipumput

29 Pumpputyypit Sarja 56 Siipipumput e e = 0 -e q V q V Hydraulipumput

30 Pumpputyypit Siipipumput Sarja 56 F r P F k Siivet pyörivässä roottorissa - yksikammioiset F p F T Hydraulipumput

31 Pumpputyypit Siipipumput Sarja 56 P q V q V T Siivet pyörivässä roottorissa - kaksikammioiset Hydraulipumput

32 Pumpputyypit Siipipumput Sarja 56 T P P T Siivet kiinteässä staattorissa Hydraulipumput

33 Pumpputyypit Siipipumput Sarja 56 Suoritusarvot Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n r/min Painealue max. p 7 14 ( 18) ( 21 28) MPa - riippuu vuotojen ja radiaalivoimien kompensoinneista sekä kammioiden määrästä Hydraulipumput

34 Pumpputyypit Sarja 56 Mäntäpumput x q V - rivimäntäpumput - radiaalimäntäpumput - aksiaalimäntäpumput Hydraulipumput

35 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Rivimäntäpumput Hydraulipumput

36 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Radiaalimäntäpumput - sisäiset virtauskanavat - ulkoiset virtauskanavat Hydraulipumput

37 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Radiaalimäntäpumput - sisäiset virtauskanavat - ulkoiset virtauskanavat Hydraulipumput

38 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Aksiaalimäntäpumput - staattoriaksiaalipumput - suoraroottoripumput - kulmaroottoripumput F r F p A p Hydraulipumput

39 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Aksiaalimäntäpumput - staattoriaksiaalipumput - suoraroottoripumput - kulmaroottoripumput Hydraulipumput

40 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Aksiaalimäntäpumput - staattoriaksiaalipumput - suoraroottoripumput - kulmaroottoripumput F p A p Hydraulipumput

41 Pumpputyypit Mäntäpumput Sarja 56 Suoritusarvot Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n r/min Painealue max. p ( 45) ( 70) ( 250)MPa - riippuu rakennetyypistä sekä mäntävoimien vastaanottomekanismeista Hydraulipumput

42 HYDRAULIMOOTTORIT Sarja 56 Muuntavat hydraulisen tehon mekaaniseksi tehoksi Yksisuuntaiset Kaksisuuntaiset Vakiotilavuuksiset Säätötilavuuksiset Hydraulimoottorit Toimilaitteet

43 Sarja 56 Nopeusalueet ja rakenteet Nopeusalue r/min Hidaskäyntiset 1150 Keskinopeuksiset Nopeakäyntiset Yleisimmät rakennetyypit: - hammaspyörä - siipi - mäntä Kaikki toimivat syrjäytysperiaatteella Hydraulimoottorit Toimilaitteet

44 Sarja 56 Pumppu-moottorit Hydraulimoottorit Toimilaitteet

45 Sarja 56 Tilavuusvirran ohjaus x Virtausaukko q V Vain pakko-ohjaus mahdollinen Vaiheet: Nesteen virtaus siirtokammioon - työjakso Nesteen virtaus siirtokammiosta - vapaajakso Hydraulimoottorit Toimilaitteet

46 Tilavuusvirran ohjaus Sarja 56 x Pakko-ohjaus x qv q V x x qv qv Hydraulimoottorit Toimilaitteet

47 Sarja 56 Moottoreiden ominaisuudet Käyntiinlähtöominaisuudet T [Nm] n [r/min] Hydraulimoottorit Toimilaitteet

48 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Käyntiominaisuudet T r/min 600 r/min 500 T T r/min t [s] 0 1 t [s] 0 1 t [s] T [Nm] n [r/min] Hydraulimoottorit Toimilaitteet

49 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen tilavuusvirtatarve Kierrostilavuus V k [m 3 /r] Pyörimisnopeus n [r/s] q n V V, teor k cm 3 /r = 10-6 m 3 /r r/min = 1/60 r/s q V V, teor rad 2 n Kulmanopeus [rad/s] V rad V k 2 Radiaanitilavuus V rad [m 3 /rad] Hydraulimoottorit Toimilaitteet

50 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Todellinen tilavuusvirtatarve q V,tod n V v k Vuodot volumetrinen hyötysuhde v q V 2 q V Todellinen tilavuusvirtatarve 1 Teoreettinen tilavuusvirtatarve p = vakio n = vakio 0 0 n 0 0 p Hydraulimoottorit Toimilaitteet

51 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Moottorien vuotovirtaukset Sisäinen vuoto Tulotilavuusvirta p1 p2 Laajentuminen Lähtötilavuusvirta SÄÄDIN Ulkoinen vuoto Säätötilavuusvirta Kotelovuoto L Hydraulimoottorit Toimilaitteet

52 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen painetarve Todellinen painetarve p p teor tod 2 T Vk 2 T V k hm Kitkat hydromekaaninen hyötysuhde hm T T Teoreettinen momentti 1 2 n = vakio Todellinen momentti p = vakio 0 0 p 0 0 n Hydraulimoottorit Toimilaitteet

53 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen tehotarve P teor q V p T Todellinen tehotarve P tod q V p T t P n = vakio Kuorman tehotarve 1 P mek T 2 n T Hydraulimoottorit Toimilaitteet p

54 Moottoreiden ominaisuudet Sarja 56 Moottorin ominaiskäyrästö T [Nm] Hydraulimoottorit Toimilaitteet 10 l/min l/min 40 l/min 60 l/min 70 l/min 90 l/min 110 l/min 25 MPa 10 kw 15 kw 30 kw 20 MPa 92% 20 kw 5 kw 15 MPa 87% 10 MPa 82% 77% 5 MPa n [r/min]

55 Moottorityypit Hidaskäyntiset moottorit LSHT Suuri kierrostilavuus - syrjäytyselementtien suuri pinta-ala - useita työjaksoja/akselin kierros Radiaalimäntämoottorit Monikammioiset siipimoottorit Orbitaalimoottorit Sarja 56 Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n ( 2400) r/min Vääntömomentti max. T ( ) Nm Hydraulimoottorit Toimilaitteet

56 Moottorityypit Hidaskäyntiset Sarja 56 Radiaalimäntämoottorit - ulkoiset virtauskanavat - sisäiset virtauskanavat Hydraulimoottorit Toimilaitteet

57 Moottorityypit Hidaskäyntiset Sarja 56 Monikammioinen siipimoottori Orbitaalimoottori Hydraulimoottorit Toimilaitteet

58 Moottorityypit Keskinopeusalueen moottorit Sarja 56 Gerotor- eli hammasrengasmoottorit Staattoriaksiaalimoottorit Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n ( 1500) r/min Vääntömomentti max. T ( 1200) Nm Hydraulimoottorit Toimilaitteet

59 Moottorityypit Keskinopeusalue Sarja 56 Staattoriaksiaalimoottorit q V Gerotor- eli hammasrengasmoottori Hydraulimoottorit Toimilaitteet q V

60 Moottorityypit Nopeakäyntiset moottorit Sarja 56 Ulkoryntöiset hammaspyörämoottorit Siipimoottorit Aksiaalimäntämoottorit Kokonaishyötysuhde max. t Pyörimisnopeusalue n ( 6000) r/min Vääntömomentti max. T ( 3000) Nm Hydraulimoottorit Toimilaitteet

61 Moottorityypit Nopeakäyntiset Sarja 56 Ulkoryntöinen hammaspyörämoottori Siipimoottori Hydraulimoottorit Toimilaitteet

62 Moottorityypit Nopeakäyntiset Aksiaalimäntämoottorit Sarja 56 Kulmaroottorirakenteinen mäntämoottori Suoraroottorirakenteinen mäntämoottori bent-axis Hydraulimoottorit Toimilaitteet

63 HYDRAULISYLINTERIT Sarja 56 Muuntavat hydraulisen tehon mekaaniseksi tehoksi Rakennetyypit: - yksitoimiset - kaksitoimiset Kaikki toimivat syrjäytysperiaatteella Hydraulisylinterit Toimilaitteet

64 Sarja 56 Terminologia pluskammio plusliike miinusliike miinuskammio iskunpituus A 1 A 3 A Etupääty liitäntöineen 2. Takapääty liitäntöineen 3. Sylinteriputki 4. Mäntä 5. Männänvarsi 6. Männän tiivisteet 7. Männänvarren tiivisteet 8. Männänvarren pyyhkijärengas Hydraulisylinterit Toimilaitteet

65 Sarja 56 Yksitoimiset sylinterit Käyttö hydraulisesti vain yhteen suuntaan Mäntätyyppinen sylinteri Uppomäntäsylinteri Hydraulisylinterit Toimilaitteet

66 Teleskooppisylinteri Sarja 56 a b Hydraulisylinterit Toimilaitteet

67 Sarja 56 Kaksitoimiset sylinterit Käyttö hydraulisesti molempiin suuntiin Yksipuolinen männänvarsi Kaksipuolinen männänvarsi Symmetrinen sylinteri Hydraulisylinterit Toimilaitteet

68 Sarja 56 Teleskooppisylinteri Hydraulisylinterit Toimilaitteet hydraulicpower.fi

69 Sarja 56 Sylintereiden ominaisuudet Teoreettinen painetarve p teor, tulo A tulo F p lähtö A lähtö Teoreettinen tilavuusvirtatarve q V,tulo,teor A tulo v v F A 1 A 3 A 2 Tehollinen mäntä-ala A [m 2 ] Liikenopeus v [m/s] Kuormavoima F [N] Hydraulisylinterit Toimilaitteet

70 Sylintereiden ominaisuudet Sarja 56 Todellinen tilanne qv1 ps F pu qv2 p A 3 p 1 F A 3 p1 s p u A 2 v A 1 A 3 A 2 Esimerkkitapaus: liike plus-suuntaan, vastustava kuorma Vuodot volumetrinen hyötysuhde v Kitkat hydromekaaninen hyötysuhde hm Hydraulisylinterit Toimilaitteet

71 Sylintereiden ominaisuudet Sarja 56 Painetarkastelu qv1 ps F pu qv2 Esimerkkitapaus: liike plus-suuntaan, vastustava kuorma p A 3 p 1 F A 3 p1 s p u A 2 v A 1 A 3 A 2 Voimayhtälö p s A 1 p s A 1 p u A 3 p u A 3 F F Hydraulisylinterit Toimilaitteet

72 Sylintereiden ominaisuudet Sarja 56 Voimayhtälö yleisesti (suunnasta riippumatta) p tod, tulo A tulo p tulo A tulo F F p lähtö A lähtö p lähtö A lähtö Todellinen painetarve p tod, tulo F F p lähtö A lähtö p A tulo lähtö A lähtö p tulo A tulo Hyötysuhdemuoto p tod, tulo A tulo F hm p lähtö A A lähtö tulo Hydraulisylinterit Toimilaitteet

73 Sylintereiden ominaisuudet Sarja 56 Tilavuusvirtatarkastelu qv1 ps F pu qv2 Esimerkkitapaus: liike plus-suuntaan, vastustava kuorma p A 3 p 1 F A 3 p1 s p u A 2 v A 1 A 3 A 2 Todellinen tilavuusvirtatarve Hydraulisylinterit Toimilaitteet q V,tulo, tod A tulo v v

74 Sylintereiden ominaisuudet Sarja 56 Tehotarkastelu qv1 ps F pu qv2 Esimerkkitapaus: liike plus-suuntaan, vastustava kuorma p A 3 p 1 F A 3 p1 s p u A 2 v A 1 A 3 A 2 Ulkoisen kuorman tehotarve Pmek F v Hydraulisylinterit Toimilaitteet

75 Sylintereiden ominaisuudet Sarja 56 Teoreettinen tehotarve P teor q V,tulo p tulo A A lähtö tulo p lähtö F v Todellinen tehotarve P tod q V,tulo p tulo A A lähtö tulo p lähtö F v t Hydraulisylinterit Toimilaitteet

76 Sarja 56 Sylintereiden kuormittaminen ja nurjahdus a d b e c f Kuormitus vain männänvarren suuntaisena! Hydraulisylinterit Toimilaitteet

77 Sylintereiden kuormittaminen Sarja 56 Tuenta ja redusoitu pituus F F F F l l l l l l l l l R=2l l R =l l R = 2 l l R 1 = 1 2 l Hydraulisylinterit Toimilaitteet

78 Sylintereiden kuormittaminen Sarja 56 Nurjahdusdiagrammi F 2 C n E l 2 R I lr [mm] Männänvarren halkaisija p [MPa] Hydraulisylinterit Toimilaitteet

79 Sarja 56 Sylintereiden päätyasentovaimennus Liikenopeuksilla > 0.1 m/s Vastaventtiili Vastaventtiili Kartiourat Kuristus v v Hydraulisylinterit Toimilaitteet 0 t 0 0 t 0 t 0 t 0

80 VÄÄNTÖMOOTTORIT Sarja 56 Muuntavat hydraulisen tehon mekaaniseksi tehoksi Kiertymiskulma rajoitettu, yleensä < 360 Rakennetyypit: - siipi - mäntä Kaikki toimivat syrjäytysperiaatteella Kokonaishyötysuhde max. t Vääntömomentti max. T ( ) Nm Vääntömoottorit Toimilaitteet

81 Sarja 56 Siipirakenne Siipi q V Vääntömoottorit Toimilaitteet

82 Sarja 56 Mäntärakenne Vaihdetyyppi: Ruuvivaihde Kampimekanismi Hammasvaihde Vääntömoottorit Toimilaitteet

83 Mäntärakenteiset Sarja 56 Vääntömoottorit Toimilaitteet Ruuvivaihde Kampimekanismi Hammasvaihde

86 PAINEAKUT Sarja 56 Varastoivat hydraulista energiaa Kaasuventtiili Kaasu p 1 p 2 p 3 p 3 Neste p 2 Q Q Q Paineakut

87 Sarja 56 Rakenteet ja ominaisuudet Rakennetyypit: - Rakkoakku - Kalvoakku - Mäntäakku Nimellistilavuudet V m 3 Purku- ja lataustilavuusvirrat max. q V m 3 /s Paineakut

88 Paineakkurakenteet Sarja 56 Kaasuventtiili Rakko Lautasventtiili Rakkoakku Kalvoakku Mäntäakku Paineakut

89 Paineakkurakenteet Sarja 56 Kaasuventtiili Kalvo Rakkoakku Kalvoakku Mäntäakku Paineakut Sulkuläppä

90 Paineakkurakenteet Sarja 56 Kaasuventtiili Mäntä Rakkoakku Kalvoakku Mäntäakku Paineakut

91 Sarja 56 Paineakun käyttösovelluksia Esimerkkejä: Tilavuusvirtalähde Paineen ylläpito Tilavuusvirtavaihteluiden tasaus Paineiskujen vaimentaminen Energiavarasto poikkeustilanteiden varalle Järjestelmän ulkopuolisen energian varastointi Tilavuudenmuutosten tasaaminen Toimilaitteiden iskumaisten kuormien vaikutusten tasaus Paineakut

92 Paineakun käyttösovelluksia Sarja 56 Tilavuusvirtalähde Paineakut

93 Paineakun käyttösovelluksia Sarja 56 Paineen ylläpito Paineakut

94 Paineakun käyttösovelluksia Sarja 56 Tilavuusvirtavaihteluiden tasaus q V q V Paineakut

95 Paineakun käyttösovelluksia Sarja Q Esimerkki: suppressor accumulator Tilavuusvirtavaihteluiden tasaus f [Hz] 1 3 Läpivirtausvaimennin Paineakut

96 Paineakun käyttösovelluksia Sarja 56 Paineiskujen vaimentaminen Paineakut

97 Paineakun käyttösovelluksia Sarja 56 Energiavarasto poikkeustilanteiden varalle Paineakut

98 Paineakun käyttösovelluksia Sarja 56 Järjestelmän ulkopuolisen energian varastointi

99 Päivän teemat kerraten Sarja 56 Pumpun tehtävä hydraulijärjestelmässä? Hydraulisen tehon muuttaminen - pyöriväksi liikkeeksi? - suoraviivaiseksi liikkeeksi? Hydrostaattisten tehonmuuntimien toimintaperiaate? Paineakun käyttömahdollisuudet?