Ćwiczenie H-2

POLITECHNIKA ŁÓDZKA

INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN

Ćwiczenie H-2

Temat:

WPŁYW UKŁADU ZASILANIA NA MIKROPRZEMIESZCZENIA W DWUSTRONNEJ PODPORZE HYDROSTATYCZNEJ (DPH)

Konsultacja i opracowanie: dr hab. inż. Donat Lewandowski, prof. PŁ dr inż. Grzegorz Siwiński

dr inż. Grzegorz Bechciński

Zatwierdził: prof. dr hab. inż. Franciszek Oryński

Łódź, 2011 r.

Elementy stanowiska wykorzystywane w ćwiczeniu zostały zakupione w ramach

projektu: - „Dostosowanie infrastruktury edukacyjnej Wydziału Mechanicznego

Politechniki Łódzkiej do prognozowanych potrzeb i oczekiwań rynku pracy

województwa łódzkiego poprzez zakup wyposażenia przeznaczonego do

nowoczesnych metod nauczania” – współfinansowanego przez Unię Europejską z

Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu

Operacyjnego Województwa Łódzkiego na lata 2007-2013.

Temat ćwiczenia:

Wpływ układu zasilania na mikroprzemieszczenia w dwustronnej podporze hydrostatycznej (DPH)

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wykazanie, że istnieje możliwość wykorzystania dwustronnej podpory hydrostatycznej (DPH) do realizacji mikroprzemieszczeń, oraz teoretyczne i doświadczalne określenie charakterystyk tych mikroprzemieszczeń w zależności od niektórych parametrów układu zasilania.

Program ćwiczenia:

Ćwiczenie obejmuje:

 zapoznanie się z budową i zasadą pracy DPH,

 wyjaśnienie sposobu realizacji mikroprzemieszczeń w DPH,

 wyprowadzenie zależności teoretycznych opisujących wielkość mikroprzemieszczeń,

 przeprowadzenie badań doświadczalnych dla wybranego schematu hydraulicznego,

 porównanie teoretycznych i doświadczalnych charakterystyk mikroprzemieszczeń

Literatura

1. Baszta T.M.: Hydraulika w budowie maszyn. Warszawa, WNT 1966 2. Fuller D. D.: Teoria I praktyka smarowania. Warszawa, PWT 1960

3. Guillon M.: Teoria i obliczanie układów hydraulicznych. Warszawa, WNT 1967 4. Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny. Tom 1: Elementy. Warszawa, WNT 1990 5. Wrotny L. T.: Podstawy konstrukcji obrabiarek. Warszawa, WNT 1973

6. Zieliński A.: Napęd i sterowanie hydrauliczne obrabiarek. Warszawa, WNT 1972

1. WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

d – średnica

F – pole powierzchni

l – długość szczeliny przepływowej h – wysokość szczeliny

p – ciśnienie

Q – objętościowe natężenie przepływu R – opór przepływu

 – lepkość dynamiczna

2. BUDOWA I ZASADA PRACY DPH

Zasada hydrostatycznego wyporu jest coraz częściej wykorzystywana w konstrukcjach elementów maszyn. Główną zaletą rozwiązań opartych na tej zasadzie jest to, że elementy współpracujące są oddzielone od siebie cienką warstewką cieczy zarówno w ruchu, jak i w spoczynku Na rysunku 1 przedstawiono dwustronną hydrostatyczną podporę o zmiennym natężeniu przepływu. Pompa podaje ciecz o stałym ciśnieniu (p_z) poprzez filtr oleju i dławiki do komór nośnych, stąd wypływa przez pierścieniową szczelinę na zewnątrz i dalej kierowana jest do zbiornika zlewowego.

W przypadku, gdy podpora jest nieobciążona, ciśnienie cieczy po obu stronach podpory jest jednakowe (mniejsze od ciśnienia zasilania). Po obciążeniu podpory siłą P zmniejsza się wysokość szczeliny jednej z komór i wzrasta ciśnienie cieczy w tej komorze, natomiast w komorze przeciwnej maleje. Powstaje w ten sposób różnica ciśnień Δp = p1 – p2, która przeciwdziałała dalszemu przemieszczaniu i zachowuje układ w równowadze statycznej.

Opisana powyżej zasada pracy podpory hydrostatycznej jest wykorzystana w konstrukcjach hydrostatycznych łożysk, prowadnic oraz przekładni śrubowych i ślimakowych.

Konstrukcje te posiadają szereg zalet:

- praca w zakresie tarcia płynnego, co daje praktycznie nieograniczoną trwałość konstrukcji,

- możliwość zmiany sztywności i nośności w wyniku regulacji ciśnienia zasilania układu, - duża dokładność położenia, brak martwego luzu,

- wysoka sprawność,

- duży współczynnik tłumienia drgań,

- możliwość uzyskania mikroprzemieszczeń.

3. SPOSOBY REALIZACJI MIKROPRZEMIESZCZEŃ W DPH

Zastosowanie rozwiązań hydrostatycznych pozwala na drodze hydraulicznej łatwo osiągnąć dodatkowy ruch (mikroprzemieszczenie) w zakresie szczeliny wypływowej.

Mikroprzemieszczenie może być, ogólnie biorąc uzyskane na drodze zmian natężenia przepływu w przewodach zasilających komory nośne podpory hydrostatycznej.

Na rysunku 1a przedstawiony jest schemat hydrauliczny zasilania DPH, w którym poprzez zmianę oporu hydraulicznego dławika D_x uzyskuje się mikroprzemieszczenia, zarówno w kierunku działania obciążenia, jak i przeciwnym. Układ ten charakteryzuje się tym, że regulacja natężenia przepływu odbywa się za pomocą dławika umieszczonego na dopływie.

a) b) c)

Rys. 1. Schematy hydrauliczne zasilania DPH realizujące mikroprzemieszczenia za pomocą dławika regulowanego Dx umieszczonego:

a - na dopływie; b i c - na odpływie (odpowiednio w kierunku zgodnym i przeciwnym do obciążenia)

Mikroprzemieszczenie można również uzyskać łącząc jeden z przewodów zasilających DPH, przez regulowany dławik z odpływem (rys. 1b i rys. 1c). Zbocznikowanie przewodu zasilającego lewej komory nośnej względnie prawej dławikiem D_x, uzależnione jest od tego, w którym kierunku zamierzamy realizować przesunięcie, zgodnym do kierunku obciążenia (rys. 1b) względnie przeciwnym (rys. 1c). Do przyjęcia są również układy, które są odpowiednią kombinacją opisanych powyżej schematów.

4. ANALIZA TEORETYCZNA MIKROPRZEMIESZCZEŃ

Poniżej podano analizę mikroprzemieszczeń dwustronnej podpory hydrostatycznej o zmiennym natężeniu przepływu z dławikami o przepływie uwarstwionym (laminarnym), przy założeniu że ciecz robocza (olej) jest nieściśliwa.

4.1. Mikroprzemieszczenia uzyskane za pomocą dławika o regulacji ciągłej umieszczonego na dopływie (rys. 1a)

Wychodząc z warunku ciągłości przepływu przez szczelinę i dławik, można napisać odpowiednio dla lewej i prawej strony podpory hydrostatycznej następujące równania:

1 1 1 1

1

1

R

p R

p Q p

Q

D z

D

 



 ₍₁₎

2 2 2 2

1

1

R

p R

p Q p

Q

D z

D

 



 ₍₂₎

D1

R

i

Dx

R

- opór przepływu przez dławik D₁ i D_x,

d R l

Dx





 





128 (3)

R₁ i R₂ – opór przepływu przez szczelinę wypływową podpory:



⁰



³

1

 1  R 

R _{; (4)}



⁰



³

2

 1  R 

R _{, (5)}

gdzie:

6 d

n d l 

^z







 h h  h

 

 

Z warunku równowagi DPH obciążonej siłą P, wynika następująca zalezność:

 p

₁

p

₂



F

P 

_z

 , (6)

gdzie:

w z w z z

d n d l

d F d







 

 4

2



2

_,

Wyznaczając odpowiednio z równań (1) i (2) wartości p₁ i p₂ po podstawieniu ich do równania (6) i uwzględnieniu zależności (4) i (5) po przekształceniu otrzymano zależność na wskaźnik regulacji, wyrażony ilorazem oporów przepływu dławika regulowanego i dławika stałego.

 

 

 

³

3 3

1 1 1 1 1

1 1 1

1







 

 

 

 



  







 





k k

k M k

k k

R R

D D_x

,

(7)

gdzie:

z z

p F M P

 

- obciążenie względne,

p

z

k  p

⁰ - wskaźnik ciśnienia komorowego (przypadek podpory nieobciążonej w położeniu symetrycznym p₁ = p₂ = p₀).

4.2. Mikroprzemieszczenia uzyskane za pomocą dławika o regulacji ciągłej umieszczonego na odpływie (rys. 1b i 1c)

Wychodząc jak w punkcie 4.1 z warunków ciągłości przepływu i warunku równowagi przekładni, po przeprowadzeniu analogicznych przekształceń otrzymano następującą zależność na wskaźnik regulacji, wyrażony ilorazem oporu przepływu przez dławik regulowany i oporu wypływu z komory w położeniu symetrycznym (górny znak działania arytmetycznego dotyczy przemieszczenia w kierunku zgodnym do obciążenia, znak dolny w kierunku przeciwnym).

 

 

   

1

3 3

3 3

0

1 1 1

1 1 1 1

1 1



 

 

 

 







 

 

 

 







 

 

 

   







 



 







 

k k k

M k k k

R R

Dx

.

(8)

5. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO DPH

Schemat stanowiska badawczego DPH przedstawiono na rysunku 2. W jego skład wchodzą następujące zespoły: podpora hydrostatyczna, hydrauliczny układ zasilania, układ obciążenia i układ pomiarowy.

Podpora hydrostatyczna.

W bocznych płytach oporowych (2), symetrycznie naprzeciw siebie, rozmieszczone są cztery pierścieniowe komory nośne (7). Płyta oporowa wewnętrzna (3) jest podparta w dwóch poprzecznych łożyskach hydrostatycznych, co zapewnia jej płynne przemieszczanie w kierunku realizowanego przemieszczenia. Wielkość szczeliny wypływowej ustalona jest wysokością tulejek dystansowych (4).

Hydrauliczny układ zasilania.

Układ ten składa się z pompy o stałej wydajności (12), regulowanego zaworu przelewowego (14), filtru oleju (13). dławików (10 i 11) oraz ciągu przewodów i złączy hydraulicznych. Zastosowane dławiki stałe (11) typu szczelinowego i regulowany (10) typu gwintowanego zapewniają laminarny przepływ oleju. Szkice konstrukcji powyższych dławików przedstawiono na rysunku 3.

Układ obciążenia i pomiarowy.

W skład tego układu wchodzą: siłomierz pałąkowy (8), zestaw manometrów (17), indukcyjny dotykowy czujnik przemieszczeń (9) podłączony do gimetru (18).

Dane charakterystyczne:

Wymiary komory d_z = 30mm, d_w = 22mm Szczelina wypływowa h₀ = 40μm

Ilość par przepływowych i = 2

Wymiary dławika szczelinowego D_z = 6mm, D_w = 1,5mm

Wysokość szczeliny h_d = 75; 100; 150μm dla k = 0,3; 0,5; 0,7 Wysokość pomiarowa (przepływ bez dławienia) H₁ =

Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego dwustronnej podpory hydrostatycznej: 1-podstawa, 2-ptyta oporowa boczna, 3-ptyta oporowa wewnętrzna, 4-tuleja dystansowa ustalająca szczelinę wypływową 5-pokrywa, 6-prowadnica hydrostatyczna, 7-komora nośna, 8-dynamometr, 9-indukcyjny dotykowy czujnik przemieszczeń, 10-dławik śrubowy regulowany, 11-dławik szczelinowy, 12-pompa stałej wydajności, 13-flltr oleju, 14-zawór przelewowy, 15-chłodnica wężowa wodna, 16-manometr do pomiaru

Rys. 3. Szkic konstrukcyjny dławików zastosowanych w budowie dwustronnej podpory:

a- dławik regulowany gwintowy , b- dławik typu szczelinowego

6. DOŚWIADCZALNY SPOSÓB WYZNACZENIA WSKAŹNIKA REGULACJI MIKROPRZEMIESZCZENIA

W niniejszym ćwiczeniu doświadczalne określenie wskaźnika regulacji ograniczono tylko do układu z dławikiem regulowanym D_x umieszczonym na dopływie (rys. 1a).

Stan równowagi początkowej DPH (h1 = h2 = h0; P = 0) określa się przez odpowiednie ustalenie wysokości dławika śrubowego (rys. 3). Dla danych parametrów k i M mikroprzemieszczenie realizowane będzie przez przesunięcie śrubowej części dławika, a tym samym zmianie wysokości H. Wielkość ta jest funkcją liniową długości rowka śrubowego

b)

1 0

1

1

H H

H H R

R

D D_x



 

  .

₍₉₎

W zależności (9) oznaczono odpowiednio wysokości pomiarowe dławika:

H0 - w położeniu symetrycznym podpory (h₁ = h2 = h0),

H1 - dla przypadku przepływu bez dławienia (

Dx

R

= 0),

H - zmierzona dla realizowanych kolejnych mikroprzemieszczeń.

7. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Zadanie 1.

Zapoznać się z budową i zasadą pracy DPH oraz:

- wybrać do badań schemat hydrauliczny zasilania DPH realizujący mikroprzemieszczenia, opisać znajdujące się w nim elementy i omówić ich rolę w układzie,

- zmontować hydrauliczny układ zasilania zgodnie z wybranym schematem.

Zadanie 2.

Zbadać wpływ zmiany wielkości geometrycznych dławika regulowanego na wielkość przemieszczenia względnego dla różnych obciążeń w następujący sposób:

- ustawić DPH w położeniu symetrycznym (h₁ = h₂ = h₀), dobierając odpowiednio opór hydrauliczny dławików,

- zmieniając opór dławika regulowanego, realizować mikroprzemieszczenia co 0,05 w zakresie całej możliwej regulacji dławika, dla wytypowanych obciążeń względnych.

Otrzymane wyniki wpisać do tabeli pomiarowej.

Zadanie 3.

Opracować wyniki pomiarów i podać wnioski:

- na podstawie podanych zależności i danych charakterystycznych podpory uzupełnić dane zawarte w tabeli pomiarowej,

- na podstawie danych zawartych w tabeli sporządzić wykresy teoretyczne i doświadczalne zmienności wielkości geometrycznych dławika o regulacji ciągłej w funkcji przemieszczenia względnego.