Ćwiczenie H-4

POLITECHNIKA ŁÓDZKA

INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN

Ćwiczenie H-4

Temat:

WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI OGÓLNEJ I OBJĘTOŚCIOWEJ WIELOTŁOCZKOWEGO OSIOWEGO SILNIKA HYDRAULICZNEGO.

Konsultacja i redakcja: dr hab. inż. Donat Lewandowski, prof. PŁ Opracowanie: dr. inż. Witold Pawłowski

Zatwierdził: prof. dr hab. inż. Franciszek Oryński

Łódź, 2011 r.

Elementy stanowiska wykorzystywanego 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.

2

Temat ćwiczenia:

WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI OGÓLNEJ I OBJĘTOŚCIOWEJ WIELOTŁOCZKOWEGO OSIOWEGO SILNIKA HYDRAULICZNEGO.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wielkościami charakterystycznymi dla wyporowych silników hydraulicznych oraz przeprowadzenie pomiarów sprawności ogólnej i objętościowej.

Literatura

1. S. Stryczek Napędy hydrostatyczne - elementy.

2. Zieliński Napęd i sterowanie hydrauliczne obrabiarek.

3. W. Szejnach Pneumatyka i hydraulika maszyn technologicznych.

4. T. H. Baszta Urządzenia hydrauliczne - konstrukcja i obliczanie.

5. L. Wrotny Obrabiarki skrawające do metali.

6. D. Kaczmarek, D. Lewandowski Badania silnika hydraulicznego firmy LINDE - archiwum IOiTBM PŁ.

1. WSTĘP

Natężenie przepływu silnika idealnego Qst jest to ilość czynnika przepływającego przez silnik (bez strat objętościowych) w jednostce czasu. Wyraża się ona wzorem:

Qst = Es * qs * ns

(1)

gdzie: Es - jest parametrem nastawy silnika o zmiennej chłonności. Parametr ten może przyjmować wartości od 0 do 1. W silnikach o stałej chłonności Es = 1 zatem:

Qst = qs * ns

(2)

qs - wyraża chłonność właściwą, czyli objętość czynnika, jaką należy doprowadzić do silnika, aby jego wałek wykonał jeden obrót. Wielkość ta charakteryzuje również silniki rzeczywiste, gdyż odnosi się do stanu, w którym nie występują straty objętościowe. Stan ten można osiągnąć tylko przy zachowaniu równości ciśnień na wejściu i wyjściu silnika bliskich ciśnieniu atmosferycznemu czyli dla

_{ps = 0} ns - prędkość obrotowa silnika.

Moment dyspozycyjny na wałku silnika idealnego można wyznaczyć jako:

s s

st p

2 q

M E 



 

(3)

Dla silników o stałej chłonności:

3 s s

st p

2

M q 

 

(4)

gdzieps - różnica ciśnień między ciśnieniem na wejściu i wyjściu silnika.

Moc przekazywana przez silnik idealny wyrażona jest zależnością:

Nst = E * qs * ns * _ps

(5)

Dla silników o stałej chłonności:

Nst = qs * ns * _ps

(6)

2. STRATY I SPRAWNOŚĆ SILNIKA

Silnik rzeczywisty jest obarczony stratami objętościowymi oraz hydraulicznymi i mechanicznymi. Straty objętościowe wpływają na prędkość obrotową silnika, natomiast hydrauliczne i mechaniczne na moment rozwijany przez silnik. Ze względu na straty objętościowe rzeczywiste natężenie przepływu Qs musi być większe od natężenia przepływu dla silnika idealnego Qst o wartość strat Q czyli:

Qs = Qst + Q lub Qst = Qs - Q

(7)

Qst - natężenie przepływu dla silnika idealnego,

Q - straty natężenia przepływu.

Stosunek obu tych natężeń przepływu określa sprawność objętościową:

s s

s s vs st

Q 1 Q Q

Q Q Q

Q

 







(8)

Korzystając z definicji sprawności objętościowej można wyznaczyć istotną z punktu widzenia napędzanego układu prędkość obrotową wałka silnika według zależności:

vs s s s s st

q Q q

n Q 

 (9)

Moment rzeczywisty na wałku silnika Ms na skutek strat hydraulicznych i mechanicznych wyrażonych stratą momentu M będzie mniejszy niż moment silnika idealnego Mst:

Ms = Mst - M

(10)

gdzie: Ms - moment rzeczywisty,

4

Mst - moment silnika idealnego (bez przecieków),

M - straty momentu.

Moment strat M można wyrazić zależnością:

M = _{Mf +} M ⁺ _{Mh +} _Mc

(11)

w gniazdach łożyskowych, w węzłach uszczelniających o tyle o ile są one źródłem tarcia proporcjonalnego do obciążenia silnika ps. Straty te zależą również od chłonności właściwej silnika qs (lit. 1).

s s mf

f q

2 C p

M





 (12)

Cmf - współczynnik proporcjonalności; jego wartość może zależeć od parametrów ruchowych silnika, w tym także od prędkości obrotowej.

M ^- wyraża moment strat tarcia lepkiego w szczelinach utworzonych przez współpracujące części w łożyskach oraz w węzłach uszczelniających. Moment ten jest wprost proporcjonalny do lepkości czynnika, prędkości obrotowej oraz chłonności właściwej silnika [1].

M = Cm ^*  * ns * qs

(13)

Cm - współczynnik proporcjonalności,

 - lepkość dynamiczna,

Mh - jest momentem strat hydraulicznych w komorach wyporowych i kanałach kadłuba silnika i wypełnionych całkowicie czynnikiem komorach łożysk tocznych [1].

3 5 s 2s mh

h q

4 C n

M







(14)

Cmh - współczynnik proporcjonalności,

 - gęstość czynnika.

Mc - moment strat stałych niezależnych od parametrów ruchowych silnika.

Mc = const.

Zatem moment rzeczywisty na wałku silnika wyrazi się zależnością:

3 5 c s s mh s s m

s s mf s s

s q M

4 n C q

q n C

2 p C g 2 p

M q



 

 

 

 













(15)

Sprawność hydrauliczno-mechaniczną silnika definiuje się następująco:

5

st st

st st

hms s

M 1 M M

M M

M

M

 







(16)

Sprawność całkowitą silnika wyporowego określa się stosunkiem mocy wejściowej Ne przekazywanej napędzanemu układowi do mocy doprowadzonej przez strumień dopływającego czynnika roboczego Ns. Ponieważ moc wyjściowa wyrażona jest zależnością

Ne = Ms * 2 _{* ns}

(17)

natomiast moc doprowadzona określona jest wzorem:

Ns = Qs * _ps

(18)

zatem sprawność całkowita wynosi:

hms vs s

s

s s

s s e

p Q

n 2 M N

N

 



 





 



(19)

3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO

Schemat stanowiska laboratoryjnego przedstawia rysunek 1.

Rys. 1. Schemat stanowiska laboratoryjnego

6

W skład stanowiska (rys. 1) wchodzą następujące elementy:

1. Silnik elektryczny 3 służący do napędu pompy zasilającej układ.

2. Pompa zębata zasilająca cały układ hydrauliczny.

3. Filtr.

4. Zawór przelewowy służący do ustalania ciśnienia zasilającego układ.

5. Dławik służący do regulacji natężenia przepływu oleju przez silnik - Qs.

6. Zawór redukcyjny służący do redukcji ciśnienia w obwodzie sterowania kątem pochylenia wirnika silnika.

7. Badany silnik hydrauliczny.

8. Pompa PZ 6,3 obciążająca silnik.

9. Zawór przelewowy ustalający ciśnienie na wyjściu z pompy obciążającej, a co za tym idzie moment obciążający badany silnik Ms.

10. Przepływomierz zębatkowy

11. Manometr wskazujący ciśnienie zasilania układu hydraulicznego.

12. Manometr wskazujący ciśnienie w obwodzie sterowania kątem pochylenia w obwodzie silnika.

13. Manometr wskazujący ciśnienie na wejściu silnika pwej.

14. Manometr wskazujący ciśnienie na wyjściu silnika pwyj.

15. Dynamometr pałąkowy służący do pomiaru obciążenia silnika Ms.

16. Czujnik fotoelektryczny.

17. Licznik zdarzeń. Wraz z fotoelektrycznym czujnikiem 16 stanowią obrotomierz.

18. Manometr wskazujący ciśnienie w obwodzie pompy obciążającej.

19. Termometr mierzący temperaturę oleju w zbiorniku T.

20. Rozdzielacz 3/2 sterowany elektromagnetycznie służący do włączania obciążenia silnika.

21. Przełącznik sterujący rozdzielaczem 20.

Przekrój przez wielotłoczkowy, osiowy silnik hydrauliczny wyjaśniający zasadę jego działania został przedstawiony na rysunku 2, gdzie:

1. tarcza wirnika, 2. oś przegubu, 3. blok cylindrowy, 4. tłok roboczy,

5. płytka kolektora zasilającego,

6. tłok sterujący położeniem kątowym bloku cylindrowego, 7. śruba ograniczająca zakres ruchu tłoka sterującego.

7

Rys. 2. Przekrój przez wielotłoczkowy, osiowy silnik hydrauliczny

4. ZADANIA DO WYKONANIA

4.1. Zadanie 1: Badanie sprawności objętościowej silnika 4.1.1. Przygotowanie stanowiska do pracy

Przed przystąpieniem do pomiarów należy sprawdzić prawidłowość połączeń wg schematu. Następnie włączyć zasilanie stanowiska laboratoryjnego (poprzez włączenie wtyczki do kontaktu). Zmniejszyć zaworem 4 ciśnienie zasilania i włączyć silnik 1 napędzający pompę 2. Zaworem 4 ustawić na manometrze 11 właściwe ciśnienie zasilania (proponowana wartość 2,4 MPa). Włączyć układ pomiaru prędkości obrotowej wałka silnika 16 i 17. Włączyć przyciskiem 21 obciążenie silnika i jednocześnie zaworem 9 odciążyć silnik całkowicie - zerowe wskazanie manometru 18. Ustawić za pomocą śruby znajdującej się w tylnej części silnika odpowiedni kąt pochylenia wirnika silnika.

Maksymalne położenie śruby: wykręcona całkowicie śruba (do oporu) odpowiada kątowi pochylenia wirnika , skok śruby wynosi 1,75 mm, natomiast  dla 20 obrotów śruby od maksymalnego położenia. Zatem chcąc uzyskać wybrany kąt pochylenia wirnika należy skorzystać z zależności:

8

4 ) 15 tg(

2 ) 15 cos (

2 143 ) 15 cos(

143 75 , 1 20 2 m

2







 

 

 





 





gdzie:  - żądany kąt pochylenia wirnika w zakresie (15°29°),

m - ilość obrotów śruby od położenia maksymalnego ( = 29).

Po ustawieniu kąta , ustawiamy wielkość ciśnienia zasilania w obwodzie pochylenia wirnika, przeprowadzamy to za pomocą zaworu 6, a wartość ciśnienia odczytujemy z manometru 12 (proponowana wartość ciśnienia p = 0,6 MPa).

Stanowisko jest włączone i gotowe do badań jednak czekamy do ustabilizowania się temperatury oleju w zbiorniku - termometr 19 (proponowana temperatura, przy której rozpoczynamy badania 34C).

4.1.2. Przeprowadzenie pomiarów

Pomiar przeprowadzamy w następujący sposób:

Dławikiem 5 ustawiamy największą prędkość obrotową, za pomocą pompy obciążającej - regulując zaworem 9 ustawiamy żądaną różnicę ciśnień ps, jako różnicę wskazań manometru 13 pwej i manometru 14 pwyj (proponowane wartości ps = 0,8; 0,9;

1,0; 1,1 MPa).

Notujemy :

 obroty silnika ns (miernik 17),

 ciśnienie pwyj i pwej (manometry 13 i 14),

 natężenie przepływu oleju przez silnik Qs (przepływomierz 10).

Wyniki wpisujemy w odpowiednie rubryki karty pomiarowej. Powtarzamy pomiary zmniejszając prędkość obrotową ns zachowując jednak tę samą różnicę ciśnień _{ps co na} początku. Ostatni pomiar przeprowadzamy dla zatrzymanego silnika, wtedy to założone _ps ustawiamy regulując odpowiednio dławikiem 5 i mierzymy natężenie przepływu oleju przez silnik. Tak samo postępujemy dla innych założonych różnic ciśnień ps i kątów pochylenia wirnika  Na podstawie otrzymanych pomiarów wyznaczamy sprawność objętościowa silnika _vs:

% Q 100

Q Q

s

vs s  







gdzie: Qs - natężenie przepływu oleju przez silnik,

Q - przecieki, równe Qs dla n = 0.

Na podstawie tych wyników należy sporządzić wykresy vs = f(ns), dla różnych _ps i różnych  oraz porównać jak zmienia się vs w zależności od ns, _{ps i} 

9

4.2. Zadanie 2: Badanie sprawności ogólnej silnika 4.2.1. Przygotowanie stanowiska do pracy

4.2.2. Przeprowadzanie pomiarów

Pomiary przeprowadzamy w następujący sposób:

Ustawiamy określoną liczbę obrotów silnika ns za pomocą dławika 5 (proponowane wartości 50, 100, 150, 200 obr/min). Obciążamy nieznacznie silnik regulując zaworem 9 korygując jednocześnie dławikiem 5 prędkość obrotową, aby była równa założonej.

Notujemy:

 ciśnienie pwej i pwyj (manometry 13 i 14),

 Sd ilość działek na dynamometrze 15,

 natężenie przepływu oleju przez silnik Qs (przepływomierz 10).

Następnie powtarzamy kilkakrotnie pomiary zwiększając każdorazowo obciążenie zaworem 9, zachowując jednocześnie założoną prędkość obrotową ns. W ten sam sposób przeprowadzamy pomiary dla innych prędkości obrotowych ns i innych kątów pochylenia wirnika 

Na podstawie pomierzonych wielkości określamy:

Ms - moment rozwijany przez silnik

Ms = S * r gdzie: S - siła na dynamometrze pałąkowym 15.

r - promień działania siły.

s - sprawność całkowitą silnika z zależności:

s s

s s s

p Q

n 2 M



 





 

Wyniki pomiarów i obliczeń notujemy w karcie pomiarów. Na podstawie wyników pomiarów sporządzić wykresy: _{s = f(}ps) dla różnych ns i różnych kątów  oraz porównać jak zmienia się s w zależności od _{ps, ns i} .