Wprowadzenie do hydrauliki siłowej

Wprowadzenie do hydrauliki siłowej.. 1

I.          Rys historyczny. 1

II.         Podstawowe pojęcia. 2

1.         Definicja ciśnienia. 2

2.         Ciśnienie w hydraulice siłowej 2

3.         Przepływ cieczy przez przewód. 3

III.       Symbole graficzne elementów hydraulicznych. 4

 

                I.    Rys historyczny

Hydraulika siłowa, zajmuje się głównie wykorzystaniem układów hydraulicznych. Układ hydrauliczny to zespół wzajemnie połączonych części, których zadaniem jest przekazywanie energii lub sterowanie za pośrednictwem cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem.

Ojcem hydrauliki siłowej jest Blaise Pascal, który odkrył, że ciśnienie w gazach lub cieczach jest przekazywane we wszystkich kierunkach jednakowo (rys.1), a ciśnienie hydrostatyczne zależy od wysokości słupa cieczy i od gęstości cieczy.

 

Prawo Pascala

Rys. 1. Prawo Pascala

 

 

 

 

 

 

Paradoks PascalaBlaise Pascal udowodnił również w bardzo widowiskowy sposób to, że parcie cieczy na dno naczynia zależy od pola powierzchni dna, wysokości słupa cieczy i ciężaru właściwego cieczy.

W doświadczeniu przeprowadzonym w 1648 roku Pascal napełnił wodą do pełna dębową beczkę. Do wieka beczki przymocował długą, wąską rurkę, sięgającą aż do czwartego piętra budynku. Beczka i jej połączenie z rurką były bardzo szczelne. Rurka była o małej średnicy tak, że mogła pomieścić zaledwie około 1 litra wody. Rurkę powoli napełniał wodą. Początkowo nic się nie działo. Gdy jednak poziom wody w rurce wzrastał, klepki w beczce zaczęły się rozsuwać pod naporem wody i beczka zaczęła przeciekać (rys.2). Powyższe zjawisko wydawało się paradoksalne dlatego nazwano go paradoksem Pascala.

 

 

Rys.2. Paradoks Pascala

 

 

 

 

              II.    Podstawowe pojęcia

1.    Definicja ciśnienia

Ciśnienie definiujemy jako stosunek siły działającej prostopadle na powierzchnię do wartości tej powierzchni.

 

gdzie:   p – ciśnienie (Pa),           F – siła prostopadła do powierzchni (N), 

         S  – powierzchnia (m2).

Ciśnienie jest wartością skalarną, wyrażoną w paskalach [Pa]. W różnych zastosowaniach używamy również alternatywnych jednostek ciśnienia, takich jak:

1 bar = 105 Pa

1 MPa = 106 Pa = 10 bar

 

W cieczach w polu grawitacyjnym ciśnienie zależy od głębokości pod powierzchnią cieczy:

gdzie:                   h – wysokość słupa cieczy (m),                 ρ - gęstość cieczy (kg/m3),

                             g – przyśpieszenie ziemskie (m/s2).

 

Całkowite ciśnienie strumienia cieczy p składa się z ciśnienia statycznego ps i ciśnienia dynamicznego pc.

Wartość ciśnienia statycznego zależy od oporów, na jakie natrafia ciecz na swojej drodze, wartość ciśnienia dynamicznego natomiast — od energii prędkości cieczy.

2.    Ciśnienie w hydraulice siłowej

W hydraulice siłowej ciecz uzyskuje przyrost ciśnienia wskutek naporu statycznego wywołanego przez pompę. Ponieważ ciecz w obiegu hydraulicznym ma stosunkowo małą prędkość, więc ciśnienie dynamiczne jest również małe w porównaniu z ciśnieniem statycznym i praktycznie się go pomija.

Pomijając ciśnienie dynamiczne w układach hydraulicznych ciecz można traktować jakby była zamknięta w zbiorniku tłokiem o powierzchni S, na który działa siła F (rys. 3).

 

Działanie tłoka na ciecz zamkniętą w zbiorniku

 

 

 

 

 

Rys. 3. Działanie tłoka na ciecz zamkniętą w zbiorniku

Wywołane w ten sposób ciśnienie cieczy w zbiorniku działa z jednakową siłą na ścianki i wynosi:

 

Zadanie 1. Na tłok siłownika hydraulicznego o polu powierzchni S = 50 cm2 działa siła F = 1000 N. Jakie ciśnienie wskaże manometr zabudowany na kanale wlotowym do siłownika?

Tę zasadę wykorzystuje się w prasach hydraulicznych w których działając małą siłą na tłok o małej powierzchni uzyskuje się dużą siłę na drugim tłoku o dużej powierzchni. Zasadę działania takiej prasy pokazano schematycznie na rysunku 4.

 

Prasa hydrauliczna

Rys.4. Prasa hydrauliczna

Działając siłą F1 na tłok o powierzchni S1 wytwarza się ciśnienie cieczy p.

Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie to rozprzestrzenia się po całej objętości cieczy i działa także na tłok roboczy o powierzchni S2 wywołując siłę F2

Z powyższego wzoru wynika, że siła działająca na tłok roboczy jest tyle razy większa od siły działającej na tłok pompy ile razy powierzchnia tłoka roboczego jest większa od powierzchni tłoka pompy.

Zadanie 2. Na tłok podnośnika hydraulicznego o średnicy d1 =1 cm działa siła F1 = 100 N. Jaką siłą będzie działał na podnoszony przedmiot drugi tłok o średnicy d2 =20 cm?

3.    Przepływ cieczy przez przewód

W przypadku przepływu cieczy przez przewód zachodzi ścisła zależność między natężeniem przepływu (Q), polem przekroju przewodu (S) i prędkością cieczy (v), (rys. 5).

Przepływ cieczy przez przewód      a)  o stałym przekroju,     b) o zmiennym przekroju

Rys. 5. Przepływ cieczy przez przewód      a)  o stałym przekroju,     b) o zmiennym przekroju

Analizując powyższe zależności możemy stwierdzić, że przez duży przekrój poprzeczny przepływa ciecz wolniej, natomiast przez mały szybciej (rys. 5.b). Co możemy wyrazić wzorem:

Natężenie przepływu można wyrazić wzorem:

gdzie:  Q - natężenie przepływu cieczy (m3/s),  V - objętość cieczy (m3),  t - czas przepływu (s).

Przekroje przewodów hydraulicznych nie mogą być zbyt małe, aby nie występowały zbyt duże prędkości przepływu, które powodują powstanie nadmiernych oporów ruchu i strat.

Przepływ cieczy przez przewód może być laminarny (warstwowy) lub turbulentny (burzliwy). Ciecz zaczyna przepływać w sposób burzliwy wówczas, gdy zostanie przekroczona tzw. prędkość krytyczna. Przy przepływie warstwowym opory rosną proporcjonalnie do prędkości, przy przepływie burzliwym natomiast — z kwadratem prędkości. Dlatego też przewody dobiera się tak, aby w miarę możliwości nie dopuszczać do przepływu burzliwego.

 

            III.    Symbole graficzne elementów hydraulicznych

Poniższa tabela zawiera wybrane symbole graficzne elementów hydraulicznych stosowane w rysowaniu schematów hydraulicznych.

 

Przewód roboczy zasilający lub zwrotny

Przewód sterujący

Kierunek przepływu w elemencie hydraulicznym

Przewód giętki

Skrzyżowanie przewodów

Połączenie przewodów

Zbiornik otwarty

Zbiornik zamknięty

Akumulator hydrauliczny

Filtr

Manometr

Zawór zwrotny nieobciążony

Zawór zwrotny obciążony

Zawór zwrotny sterowany, otwierany ciśnieniem

Zawór zwrotny sterowany, zamykany ciśnieniem

Zawór logiczny lub przełącznik obiegu

Zawór odcinający

Rozdzielacz połączenia dróg wewnętrznych - dwie drogi połączone

Rozdzielacz połączenia dróg wewnętrznych - dwie drogi odcięte

Rozdzielacz połączenia dróg wewnętrznych – cztery drogi połączone parami

Rozdzielacz połączenia dróg wewnętrznych – dwie drogi odcięte, dwie drogi połączone w układzie obejściowym

Rozdzielacz dwudrogowy dwupołożeniowy

Rozdzielacz czterodrogowy trójpołożeniowy

a) zawór dławiący o stałej wydajności przepływu

b) zawór dławiący o regulowanej wydajności przepływu

Zawór bezpieczeństwa

Zawór przelewowy o regulowanym ciśnieniu wypływu

Pompy hydrauliczne o jednym kierunku tłoczenia

a — o stałej wydajności

b — o regulowanej (zmiennej) wydajności

Pompy hydrauliczne o dwóch kierunkach tłoczenia

a — o stałej wydajności

b — o regulowanej wydajności

Silniki hydrauliczne

a — o jednym kierunku przepływu (jeden kierunek obrotów)

b — o dwóch kierunkach przepływu (obrotów)

Cylindry hydrauliczne

a — jednostronnego działania

b — dwustronnego działania

Cylinder nurnikowy

 

 

 

 

 

 

Zebrał i opracował: Czesław Zając   2003 r.;, 2009 r.; grudzień 2012 r.; wrzesień 2013r.

Bibliografia

- Norma PN/ISO-1219-1