Читать книгу Hydraulika siłowa - Piotr Sobczyk - Страница 11

2.1. Klasyfikacja lepkościowa olejów hydraulicznych według normy ISO określa przedział ich lepkości kinematycznej w temperaturze 40℃. ISO VG46 oznacza olej, którego lepkość w temperaturze (oleju) 40℃ wynosi w przybliżeniu 46 (cSt). Dokładnie lepkość oleju klasy ISO VG46 musi zawierać się w przedziale 41,4–50,6 , a klasy ISO VG32 w przedziale 28,8–35,2 itd.

Popularnie stosowaną jednostką lepkości kinematycznej jest centystokes (cSt), .

Związek lepkości kinematycznej oraz lepkości dynamicznej cieczy: , jednostka lepkości kinematycznej:

Po wstawieniu naszych danych:

Lepkość oleju zawiera się w odpowiednim przedziale.

Warto zapamiętać!

– ISO VGxx to lepkość kinematyczna xx w temp. 40℃;

– cSt = ;

– Czym się różni gęstość od lepkości? Gęstość określa, ile waży butelka oleju, a lepkość – jak szybko olej wypływa z tej butelki.

2.2. Wskaźnik lepkości VI (ang. viscosity index) określa zmianę lepkości oleju przy zmianie jego temperatury. Im wyższa wartość wskaźnika lepkości, tym mniejsze różnice lepkości oleju w różnych temperaturach.

a) Pochylenie prostej 1 (rys. 2.6) jest mniejsze od pochylenia prostej 2, świadczy to o wyższym wskaźniku lepkości oleju 1.

b) Porównanie lepkości obu olejów w tym samym zakresie temperatur pozwoli na dobranie odpowiedniego oleju. Ponieważ olej w układzie hydraulicznym podlega dużym wahaniom temperatury, idealny byłby olej niewrażliwy na takie zmiany. Im wyższy wskaźnik lepkości VI, tym te zmiany są mniejsze. A tym samym układ będzie pracował z odpowiednią lepkością oleju w szerszym zakresie temperatur. Oba oleje mają tę samą lepkość w temp. 40℃. W niższych temperaturach lepkość oleju 2 jest większa niż oleju 1.

Rys. 2.6.

2.3. Ciecz hydrauliczna jest jednym z komponentów całego układu. Oleju nie można dobierać przypadkowo i nalewać do zbiornika z pierwszej lepszej beczki. Tak jak nie kupuje się przypadkowej pompy i nie umieszcza w układzie zaworu, dlatego że akurat był w promocji.

W hali produkcyjnej temperatura otoczenia jest stała. Dlatego olej pracujący w pierwszym układzie nie musi mieć wysokiego wskaźnika lepkości VI. Jego temperatura podlega małym wahaniom, jeśli nie nagrzewa się zbytnio podczas pracy.

Drugi z układów, wysłany w bardzo zimne rejony Ziemi, pracuje w środowisku zupełnie odmiennym. Ze względu na bardzo niskie temperatury zewnętrzne oraz sporadyczne używanie układu należy zastanowić się nie tylko nad wartością VI, ale także klasą ISO VG oleju. W temperaturach rzędu -20℃ olej klasy VG46, nawet przy wysokim wskaźniku lepkości VI, może nie zapewnić wymaganej przez układ lepkości. Zastosowanie oleju niższej klasy, np. VG10, ułatwi rozruch układu i zapewni odpowiednią lepkość cieczy w czasie jego okresowej pracy.

Należy określić rzeczywisty zakres temperatur pracy oleju (do jakiej temperatury ciecz robocza zostanie nagrzana w czasie pracy?) i na tej podstawie dobrać olej, który będzie miał lepkość wymaganą przez układ. Dobiera się odpowiednią klasę lepkościową oraz wskaźnik lepkości oleju.

2.4. Olej klasy 15W ma większą lepkość kinematyczną niż olej 5W. Większa lepkość spowoduje większe straty podczas przepływu, co zwiększy siłę tłumienia, szczególnie przy mniejszych prędkościach ruchu amortyzatora – przy mniejszej prędkości przepływu lepkość ma większy wpływ na jego opory.

2.5. Oba oleje charakteryzują się odpowiednią lepkością (150 cSt) w temperaturze 40℃, a więc spełniają wymagania klasy ISO VG150. Różnice zaczynają się po zmianie temperatury. Zmiana lepkości oleju B po zmianie temperatury jest mniejsza niż oleju A. Olej B ma wyższy wskaźnik lepkości niż olej A (olej B ma , olej A ma ).

2.6. Średnia prędkość cieczy w przewodzie zależy od przekroju powierzchni przepływu przewodu A oraz natężenia przepływu cieczy Q. Natężenie przepływu przez przewód jest równe natężeniu przepływu oleju wypływającego z pompy

prędkość cieczy:

zgodność jednostek:

2.7. Przepływ przez przewód jest stały – mimo zmiany przekroju przepływu z  na , ilość oleju przepływającego przez przewód pozostaje stała w czasie Q = const.. Mówi o tym równanie ciągłości. Przez część przewodu o mniejszej średnicy musi przepłynąć w tym samym czasie taka sama objętość co przez część o większej średnicy. Aby tak się stało, prędkość oleju na odcinku o węższym przekroju musi wzrosnąć:

dla przewodu o przekroju kołowym:

po skróceniu obu stron:

Prędkość przepływu przez przekrój : w naszym przypadku mm, mm, więc , dlatego:

Warto zapamiętać!

Dwukrotne zmniejszenie średnicy przepływu powoduje czterokrotny wzrost prędkości przepływu przy zachowanym natężeniu przepływu.

2.8. a) Ponieważ w układzie nie ma strat, a zawór przelewowy jest zamknięty, natężenie przepływu będzie równe we wszystkich przewodach (linii ssawnej, tłocznej oraz zlewowej).

b) Odpowiednie dobranie średnicy przepływu pozwala na zminimalizowanie strat przepływu przy równoczesnej optymalizacji kosztów. Średnice wewnętrzne przewodów dobiera się, określając maksymalną dopuszczalną prędkość przepływu. Prędkości zależą od typu linii. Najmniejsze dopuszczalne prędkości stosuje się w przewodach ssawnych, wyższe w przewodach zlewowych, a najwyższe w przewodach tłocznych. W linii ssawnej możemy sobie pozwolić na najmniejsze straty – stąd najmniejsza dopuszczalna prędkość. Jeżeli weźmiemy pod uwagę dopuszczalne prędkości, odpowiednie przekroje przewodów są następujące: linia ssawna , linia ciśnieniowa , linia zlewowa .

2.9. Średnice przewodów należy dobrać tak, aby przy danym natężeniu przepływu Q nie zostały przekroczone podane prędkości maksymalne. Na początek określamy natężenie przepływu w przewodach.

Pompa dostarcza olej z natężeniem . Olej z takim natężeniem przepływa przez przewód a (zakładając ), przewody b oraz c możemy traktować jako jeden, ponieważ zawór przelewowy jest zamknięty w czasie ruchu siłownika (rys. 2.7). Cały wydatek pompy płynie przewodem b, a następnie c z natężeniem do rozdzielacza.

Za rozdzielaczem sprawy się komplikują. Do siłownika olej również wpływa z natężeniem (zarówno do górnej, jak i dolnej komory). Jednak ze względu na różnice powierzchni oraz natężenia wypływu oleju z siłownika nie są sobie równe.

Z dolnej komory olej wypływa z natężeniem .

Z górnej komory olej wypływa z natężeniem .

Rys. 2.7.

Następnie z takimi natężeniami przepływa przewodem f do zbiornika. Prędkości oraz to prędkości tłoczyska siłownika. Ze względu na różnice powierzchni nie są sobie równe.

Maksymalne natężenia przepływu:

– w przewodach a, b, c, d,

– w przewodach e oraz f,

Przewód a to linia ssawna, przewody b, c, d, e to linie tłoczne. Przewód f jest linią zlewową.

Do obliczeń przyjęto następujące prędkości przepływu:

– linia ssawna

– linia tłoczna

– linia zlewowa

Minimalne średnice przepływu:

– ssawna (a) , 

– tłoczna (b, c, d, e) , 

– tłoczna (e) , 

– zlewowa (f ) , 

Jeżeli przewody są długie, należy dodatkowo sprawdzić straty ciśnienia w przewodach i ewentualnie zwiększyć średnice przewodów.

Średnice przewodów d oraz e należy dobrać, kierując się wymaganiami danego układu. Przykładowo przy długich przewodach ze stali nierdzewnej ekonomicznie uzasadnione jest zastosowanie dwóch różnych średnic. Przy krótkich przewodach bardziej uzasadnione może być zastosowanie jednakowych średnic (), co zredukuje skomplikowanie systemu i ilość części zamiennych.

2.10. W załączniku 1 znajduje się tabela pozwalająca szybko określić średnicę wewnętrzną przewodów.

Korzystając z niej, otrzymamy następujące średnice wewnętrzne:

Linia ssawna () 25,3 mm

Linia tłoczna () 11,3 mm

Linia tłoczna () 16,0 mm

Linia zlewowa () 20,6 mm

Należy pamiętać o stratach przepływu w długich liniach hydraulicznych. Różnice względem średnic obliczonych w rozwiązaniu zad. 2.9 wynikają z obrania innych prędkości maksymalnych przepływu.

2.11. Nomogram pozwala na szybkie dobranie średnic przewodów w zależności od prędkości przepływu. Dla naszych danych:

Przy oraz , średnica minimalna wynosi 10 mm.

Przy oraz , średnica minimalna wynosi 13 mm.

2.12. a) Liczba Reynoldsa:

liczba Reynoldsa jest wielkością bezwymiarową:

b) Ponieważ w temp. 40℃ lepkość kinematyczna oleju , należy on do klasy ISO VG68 o przedziale lepkości 61,2–74,8 cSt.

2.13. a) Jeżeli znamy liczbę Reynoldsa oraz prędkość cieczy , możemy obliczyć lepkość cieczy przepływającej przez przewód:

Po podstawieniu danych: cSt, cSt.

b) Lepkość zmalała z powodu wzrostu temperatury oleju.

c) Olej o wyższym VI charakteryzowałby się mniejszą zmianą lepkości.

2.14. W zależności od źródła literatury przyjmuje się, że przepływ przestaje być laminarny, gdy Re osiąga wartość 2000, 2100, 2300, 2320, 2340 lub 2500. W naszym przypadku odpowiada to wartościom lepkości kinematycznej: 25; 23,7; 21; 21,5; 21,3; 19,9 cSt. Rozbieżności biorą się z powodu natury przepływu. Przepływ laminarny nie staje się nagle w pełni rozwiniętym przepływem burzliwym przy konkretnej wartości Re. Stan pomiędzy przepływem laminarnym a burzliwym określamy jako przepływ przejściowy. Typ przepływu zależy np. od chropowatości ścianek przewodu, zewnętrznych zaburzeń itp.

Z przepływem burzliwym, który jest w pełni rozwinięty (również w zależności od źródeł) mamy do czynienia, gdy wartości Re znajdują się w przedziale 4000–5000.

Dlatego należy pamiętać, że graniczne liczby Reynoldsa są jedynie wartościami orientacyjnymi. Poniżej najprawdopodobniej mamy przepływ laminarny. Powyżej prawdopodobnie mamy rozwinięty przepływ burzliwy.

Przepływ końcowy () jest przepływem burzliwym.

2.15. a) Jeżeli powierzchnie są nieruchome, przepływ przez szczelinę spowodowany jest różnicą ciśnień pomiędzy dwiema stronami szczeliny. Rozkład prędkości w takim przypadku przedstawiono na rys. 2.8a. Jest to przepływ laminarny. Powierzchnie nie poruszają się względem siebie, a olej przepływa przez szczelinę pod wpływem różnicy ciśnień .

Rys. 2.8.