Aktywne metody redukcji pulsacji ciśnienia w układach hydraulicznych 1 PDF

Preview

Summary

Essay ...

Description

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KIERUNEK: MECHATRONIKA PRZEDMIOT: UKŁADY HYDROTRONICZNE W POJAZDACH

AKTYWNE METODY REDUKCJI PULSACJI CIŚNIENIA W UKŁADACH HYDRAULICZNYCH

WROCŁAW 2017

1. Wstęp

Podstawowa tendencja współczesnej techniki to optymalizacja gabarytowa i wagowa maszyn i urządzeń. Ten sam trend zauważa się w rozwoju napędów hydrostatycznych. Działania rozwojowe idą między innymi w kierunku minimalizacji masy elementów hydraulicznych oraz strat energetycznych i zwiększenia przenoszonej mocy, a więc zwiększenia jeszcze współczynnika mocy do masy. Jednym z ograniczeń zwiększania tego współczynnika jest rosnąca hałaśliwość układów i elementów hydrostatycznych wraz z wzrostem generowanej lub przenoszonej mocy. Często bywa tak, że uciążliwego hałasu nie można w dostateczny sposób wyeliminować w fazie projektowej i jest to przyczyna rezygnacji z tego rodzaju napędu w konkretnym urządzeniu z powodu przekroczenia dopuszczalnego natężenia hałasu. Wzbudzanie hałasu w układzie hydraulicznym może odbywać się w dwojaki sposób: • Bezpośrednio – źródło hałasu wywołuje zmiany ciśnienia w otaczającym je powietrzu. Przykładem takiego źródła hałasu może być wirnik wentylatora w silniku elektrycznym napędzającym pompę. • Pośrednio – czasowo zmienne siły pobudzają do drgań elementy układu hydraulicznego. Na skutek drgań powierzchni tych elementów występuje emisja hałasu. Zmienne siły działające na elementy układu hydraulicznego powstają na skutek: • pulsacji ciśnienia, • powiązania w sposób mechaniczny elementów układu hydraulicznego, które realizowane jest za pośrednictwem przewodów i wspólnego zamocowania. Wahania wydajności i w konsekwencji ciśnienia są w układzie hydraulicznym zjawiskiem niepożądanym, ponieważ mogą powodować wiele zakłóceń utrudniających normalną eksploatację. Jednym z najpoważniejszych skutków pulsacji ciśnienia są drgania przewodów oraz, w niektórych przypadkach, elementów sterujących układów hydraulicznych. Z badań koincydencji pulsacji ciśnienia i drgań przewodu hydraulicznego potwierdzono, że w pasmach częstotliwości, gdzie występują maksymalne amplitudy pulsacji ciśnienia, tam też są maksymalne amplitudy przyspieszeń drgań przewodu. Zjawisko pulsacji ciśnienia jest konsekwencją z jednej strony okresowo zmiennego natężenia przepływu czynnika roboczego, co wynika z cyklicznego charakteru pracy elementów wyporowych pomp, z drugiej strony jest to skutek wymuszeń zewnętrznych w postaci drgań mechanicznych działających na elementy układu hydraulicznego mocowane do różnego typu konstrukcji nośnych, np. rama ładowarki. Kolejnym źródłem występowania pulsacji ciśnienia w układzie hydraulicznym jest zmienny charakter obciążeń silnika hydraulicznego oraz rozruch i hamowanie (stany nieustalone). Pulsacje ciśnienia w układach napędowych wywołane zmiennym obciążeniem systemów roboczych występują w niskim pasmie częstotliwości tj. 0,5 do 10 Hz (zakres infradźwięków). Natomiast pulsacje pochodzące od pompy zawierają się w paśmie częstotliwości od 50 do 1500 Hz, a nawet więcej. 2. Źródła pulsacji i wydajności ciśnienia w układach hydraulicznych a) Nierównomierność wydajności pomp wyporowych

Ogólnie przyjętą w literaturze miarą pulsacji jest tzw. współczynnik nierównomierności wydajności, definiowany, jako:

gdzie: Qmax, Qmin, Qśr – odpowiednio maksymalna minimalna i średnia wydajność pompy. W zależności od rodzaju (odmiany konstrukcyjnej) pompy wyporowej do opisu pulsacji wydajności pompy, jako przyczyny pulsacji ciśnienia, przyjmuje się odpowiednie modele matematyczne opisujące wydajność chwilową. Do pomp powszechnie spotykanych i najczęściej wykorzystywanych w hydrostatycznych układach napędowych zalicza się pompy: zębate (o zazębieniu wewnętrznym i zazębieniu wewnętrznym), łopatkowe i wielotłokowe osiowe lub promieniowe. b) Pulsacje ciśnienia generowane wymuszeniami zewnętrznymi Występowanie drgań zewnętrznych powodować może niejednokrotnie zakłócenia w pracy całego układu hydraulicznego maszyny. Jako zakłócenie pracy takiego układu rozumie się pojawienie się zmian w widmie pulsacji ciśnienia. To prowadzić może m.in. do zmniejszenia dokładności pozycjonowania organów wykonawczych, nierównomierności pracy, skrócenia czasu eksploatacji maszyny oraz wzrostu poziomu emitowanego hałasu. Do celów identyfikacji wymuszeń w postaci drgań mechanicznych występujących w układach hydraulicznych posłużyć mogą między innymi badania drgań zbiornika typowego zasilacza hydraulicznego wykonane w warunkach pracy eksploatacyjnej w kierunku ruchu elementu sterującego zamontowanego na nim zaworu hydraulicznego. Wyniki badań wykazują, że zewnętrzne drgania mechaniczne powodują zmiany w widmie amplitudowo częstotliwościowym pulsacji ciśnienia w układzie hydraulicznym z badanymi zaworami. Tłumaczyć to należy tym, że częstotliwości zewnętrznych drgań mechanicznych zbliżone są do częstotliwości drgań własnych elementów sterujących: suwak, grzybek, te zaś wpadają wtedy w rezonans. Dla jednostopniowego zaworu przelewowego częstotliwość zewnętrznych drgań mechanicznych, przy których obserwuje się maksymalną amplitudę pulsacji ciśnienia w badanym układzie, wynosi ok. 20 Hz. Natomiast dla rozdzielacza proporcjonalnego i konwencjonalnego odpowiednio: ok. 50 Hz i 30 Hz. Wpływ ten natomiast zanika, gdy kierunek zewnętrznych drgań mechanicznych jest prostopadły do kierunku ruchu elementu sterującego zaworu. c) Pulsacja ciśnienia wynikająca ze stanu przejściowego układu hydraulicznego W układach napędów i sterowań hydrostatycznych często dochodzi do stanów przejściowych, powodowanych wymuszeniem dynamicznym wynikającym z nagłych zmian obciążenia silnika lub siłownika hydraulicznego, bądź zmiany kierunku ruchu lub prędkości przepływu cieczy roboczej powodowanej przez zespół sterowania. W ostatnich latach można zauważyć intensywny rozwój różnego typu systemów sterowania wpływających na parametry stanów nieustalonych hydrostatycznych układów napędowych. Szczególnie należy tu wymienić układy „load sensing” lub sterowane mikroprocesorowo w technice proporcjonalnej. Należy

jednak nadmienić, że zarówno ze względu na stosunkowo niski koszt, jak i specyficzne warunki pracy, wiele maszyn roboczych ciężkich z napędem hydrostatycznym wyposażonych w pompy stałego wydatku sterowanych jest dławieniowo za pomocą rozdzielaczy konwencjonalnych. Powszechnie przyjętymi wielkościami kryterialnymi opisującymi właściwości dynamiczne układu są:  współczynnik nadwyżki dynamicznej ciśnienia definiowany, jako stosunek różnicy wartości ciśnienia maksymalnego pmax i ciśnienia w stanie ustalonym pu do wartości ciśnienia w stanie ustalonym, czyli:

   

częstość drgań własnych tłumionych ωu , zredukowany współczynnik tłumienia ζu, czas reakcji τ u , czas trwania procesu przejściowego tp.

3. Metody redukcji pulsacji ciśnienia i hałasu w układach hydraulicznych Negatywne skutki powodowane przez pulsację ciśnienia oraz rosnące wymagania stawiane maszynom i urządzeniom wyposażonym w układy hydrauliczne zmuszają projektantów takich obiektów do redukcji pulsacji ciśnienia. Realizować to można metodami czynnymi lub biernymi. Redukcji amplitud pulsacji ciśnienia generowanych przez pompy wyporowe w zakresie częstotliwości wymuszeń większych od 150 Hz dokonuje się za pomocą tłumików biernych. Zasada działania tłumików biernych opiera się na interferencji fali ciśnienia pochodzącej od pompy z falą ciśnienia odbitą od tłumika i biegnącą w kierunku przeciwnym. Na wartość amplitud wahań ciśnienia można też wpływać poprzez geometrię przewodów hydraulicznych zasilających układ, uzyskując efekt zwiększania lub obniżenia amplitud pulsacji ciśnienia, w danej częstotliwości, w zależności od długości przewodów. Natomiast w celu redukcji amplitud pulsacji ciśnienia w zakresie niskich częstotliwości zastosować można tłumik czynny. Istota działania tłumika sprowadza się do przejęcia wymuszeń wahań wydajności, które to wahania są przyczyną wzbudzania pulsacji ciśnienia występującej w układzie. Wymuszenia związane z wahaniem wydajności, a w konsekwencji ciśnienia przejmowane są przez układ: ruchomy tłok z tłoczyskiem-sprężyna hydropneumatyczna. Z analizy modelu matematycznego wynika, że dobór parametrów tłumika sprowadza się do zapewnienia warunku równości częstotliwości rezonansowej f r układu tłok-sprężyna hydropneumatyczna, z częstotliwością wymuszeń f w pulsacji ciśnienia, generowanej w układzie. Aktywny tłumik pulsacji jest efektywnym urządzeniem do niwelacji pulsów ciśnienia medium wypływającego z pompy. Tłumik pulsacji działa aktywnie, wykorzystując membranę i sprężone powietrze, automat nastawia ciśnienie przeciwstawne ciśnieniu medium, w ten sposób minimalizując amplitudę pulsacji. W momencie, gdy ciecz wypływa z pompy i wpływa do tłumika, dostarcza on dodatkowe ciśnienia pomiędzy suwami membrany przemieszczając

medium za pomocą membrany. To działanie pompowania wykonywane przez tłumik, obniża amplitudę pulsacji medium. 4. Patenty

5. Szerokopasmowy tłumik pulsacji ciśnienia 6. Szerokopasmowy tłumik pulsacji ciśnienia na podstawie tłumika odgałęźnego 407552 Aktywny tłumik hydrauliczny, zwłaszcza do strojenia komponentów i badania wpływu zjawiska aeracji cieczy roboczej Aktywny tłumik hydrauliczny, zwłaszcza do strojenia komponentów i badania wpływu zjawiska aeracji cieczy roboczej, zbudowany z dwóch separowanych komór, olejowej i gazowej, rozdzielonych tłokiem pływającym, charakteryzuje się tym, że stanowi dwa równoległe cylindry, cylinder komory hydraulicznej i cylinder akumulatora pneumo - hydraulicznego (4) i ma zawór napowietrzający, przy czym w obudowie zaworu napowietrzającego umieszczone jest przyłącze zaworu napowietrzającego zamocowane w korpusie akumulatora pneumatyczno - hydraulicznego (3) oraz przyłącze zaworu komory gazowej, zamocowanej w głowicy akumulatora pneumo - hydraulicznego i wyposażonej w przyłącza czujników ciśnienia....