Hydraulik. En sammanfattning av teori, och ett exempel på uppbyggnad av ett enkelt hydrauliskt kranfordon. Danny Nygård MI.3

Transkript

1 Hydraulik En sammanfattning av teori, och ett exempel på uppbyggnad av ett enkelt hydrauliskt kranfordon Danny Nygård MI.3 Individuell fördjupning Uppsala universitet vt 15

2 Innehåll Innehåll Allmänt Teori Vätsketryck Kraftöverföring Volym Volymström Effekt Strömningshastighet Tryckfall Vridmoment i hydraulmotorer Varvtal i hydraulmotorer Pilotvätska Pumpar Kugghjulspumpar Vingpumpar Skruvpumpar Kolvpumpar Axialkolvpumpar Radialkolvpumpar Reglering av variabla pumpar Tryckkompensering Volymströmsreglering Slutna kretslopp Hydraulcylindrar Enkelverkande cylindrar Dubbelverkande cylindrar Vridcylindrar Hydraulmotorer Riktningsventiler Tryckventiler Tryckbegränsningsventil Mottrycksventil Pilotstyrd tryckreduceringsventil Overcenterventil (balanseringsventil) Tryckavlastningsventil... 14

3 2.19. Volymströmsventiler Strypventil Reglerbar strypbackventil Volymströmsregulator Backventiler Konstruktion och dimensionering av hydraulsystem till kranfordon Uppgift Utgångsmått och värden Avgränsningar och antaganden Kommentarer Kran Övre cylinder Undre cylinder Overcenterventiler Drivning Motor Riktningsventil Slangar Tank och filter Backventil Hydraulpump Bensinmotor Tryckbegränsningsventil Bilaga 1: Bilder på kranfordonet och hydraulsystemet Bilaga 2: Beräkningar Bilaga 3: Cylindrar Bilaga 4: Overcenterventiler Bilaga 5: Hydraulmotor Bilaga 6: Riktningsventil Bilaga 7: Tank Bilaga 8: Filter Bilaga 9: Backventil Bilaga 10: Hydraulpump Bilaga 11: Bensinmotor Bilaga 12: Tryckbegränsningsventil Bilaga 13: Hydraulschema... 43

4 1. Allmänt Med hydraulik menas överföring av krafter och rörelser som sker med hjälp av vätska. Oftast är det energin från en motor (t.ex. en elmotor) som överförs till en roterande eller linjär rörelse en bit bort. Motorn roterar en hydraulpump, som därvid pumpar vätska från en tank genom rör eller slangar till ett verkställande organ. Det kan vara en hydraulmotor eller en cylinder, och då erhålls den roterande respektive linjära rörelsen. Slutligen skickas vätskan tillbaka till tanken. För att styra och reglera vätskeflödet genom systemet finns det ventiler av olika slag. Typiska användningsområden för hydraulik är tillverkande industri, anläggnings- och lantbruksmaskiner, oljeverksamhet och offshore. Inom industrin kan dock en tillbakagång för användningen av hydraulik märkas, som en följd av att direktverkande elmotorer har blivit mer styrbara och kompakta. Men hydraulik har fördelar framför andra sätt att överföra energi: Rörelserna och krafterna kan kontrolleras bra. Energiöverföringen kan ske helt utan rörliga delar mellan pump och verkställande organ. Komponenterna är få, enkla och robusta, och har lång livslängd. Verkningsgraden är förhållandevis hög. Komplexa system som innefattar många verkställande organ kan byggas upp med bara en drivkälla (Ett exempel är en skogsmaskinskran). De flesta fördelarna delas med pneumatik, men pneumatiska system har inte samma exakthet, och kan heller inte överföra lika stora krafter. Det beror på att vätskan (ofta olja) som i hydrauliska system trycksätts, inte komprimeras alls lika mycket som luft. 2. Teori Vätsketryck Grundprincipen för hydraulik är det faktum att tryck verkar lika mycket på alla omslutande ytor. Om det finns en behållare fylld med vätska, med en rörlig kolv som pressar på vätskan, så kommer trycket i behållaren att öka lika mycket i alla riktningar, samma mot behållarens väggar som mot kolvens anliggande yta. Den kraft som kolven pressar med kommer att fördelas över kolvens anliggande yta när den angriper vätskan, vilket betyder att tryckökningen beror på arean. Tryckkraft per ytenhet kallas för vätsketryck (inom hydraulik), och ges av formeln: P = F A 10 (1) där F = kraft (N), A = area (cm 2 ), P = vätsketryck (bar). 1 bar = 10 N/cm 2. 1 Den mesta teorin är en sammanfattning av denna lärobok: Haugnes, S. (1995). Hydraulik 1. Första upplagan. Liber AB, Stockholm

5 2.2. Kraftöverföring Om behållaren har ytterligare en rörlig kolv, med anliggande area A 2, så kommer denna area att utsättas för samma tryck som den första kolven. Det beror på att vätsketrycket är samma i hela behållaren, alltså P bar. Kraften F 2 som verkar på den andra kolven kan alltså beräknas med ett enkelt samband som ges av ekvation 1: 2.3. Volym P = F 1 A 1 10 = F 2 A 2 10 => F 2 = F 1 A 2 A 1. (2) Ett annat viktigt begrepp inom hydraulik är volym. För att en kolv i en cylinder ska kunna röra sig så krävs det att vätska pumpas in. Eftersom vätska inte komprimeras särskilt mycket så måste den mängd vätska som pumpas in ta vägen någonstans, vilket flyttar kolven utåt. Vätskevolymen kallas också för slagvolym och bestäms av kolvarea och slaglängd, vilket är den sträcka som kolvens anliggande yta rör sig. V = A s 100 (3) där V = slagvolym (cm 3 ), A = kolvarea (cm 2 ), s = slaglängd (m) Volymström Den volym vätska som pumpas in i en cylinder per tidsenhet kallas för volymström eller flöde, och beräknas enligt: q = V t (4) där q = volymström (l/min), V = volym (cm 3 ), T = tid (s). Volymströmmen definierar hur snabbt en hydraulcylinder eller motor rör sig, medan trycket avgör vilken kraft eller vilket moment som presteras. Det är dessa två parametrar som regleras med hjälp av ventiler för att styra systemet Effekt Det arbete per tidsenhet, alltså den effekt som ges kan beräknas med formeln: P = p q 0.6 (5) där P = effekt (W), p = vätsketryck (bar), q = volymström (l/min) Strömningshastighet När en viss volym vätska ska färdas igenom t.ex. ett rör på en viss tid så måste den ha en given hastighet. Men rörets tvärsnittsarea inverkar på hastigheten. Om röret har en liten tvärsnittsarea så

6 måste vätskan ha högre hastighet, för att volymen vätska ska hinna transporteras under den givna tiden. På samma sätt innebär en stor tvärsnittsarea en lägre hastighet. Den volym som transporteras per tidsenhet benämns ju volymström, så volymström och tvärsnittsarea är de parametrar som bestämmer strömningshastigheten: v = q A 6 (6) där v = strömningshastighet (m/s), q = volymström (l/min), A = tvärsnittsarea (cm 2 ) Tryckfall När vätska strömmar igenom ett hydrauliskt system så sjunker alltid trycket. Det beror på att hydraulisk energi förbrukas på själva strömningen, och övergår i värme. Faktorer som påverkar är tvärsnittsareans storlek och utformning, strömningslängd, volymström och vätskans viskositet. Detta kan sägas vara analogt med elektrisk resistens. För att hålla tryckfallet och därmed en del av energiförlusterna nere så ska rören/slangarna vara så korta och raka som möjligt, och med en slät och jämn inneryta. Antalet komponenter, t.ex. ventiler och kopplingar, som ingår i systemet påverkar tryckfallet, varje komponent ger ett specifikt bidrag till förlusten. Tryckfall är komplicerat att beräkna i mera komplexa system Vridmoment i hydraulmotorer Den utgående axeln i en hydraulmotor ger ett vridmoment som bestäms av motorns deplacement alltså slagvolym per varv och av tryckfallet över motorn. En stor slagvolym per varv ger en stor mängd vätska per varv som kan påverka rotationen med sitt tryck. Tryckfallet avgör hur mycket motorn utnyttjar av det ingående trycket. Stor skillnad mellan ingående och utgående tryck innebär att mycket av den hydrauliska energin har övergått till mekanisk energi. Vridmomentet beräknas genom ekvationen: M = V p (7) där M = vridmoment (Nm), V = deplacement (cm 3 /r), p = tryckfall (bar) Varvtal i hydraulmotorer På samma sätt som tryckfall och deplacement bestämmer vridmomentet så bestäms varvtalet på den utgående axeln av volymström och deplacement. Varvtalet ges av: n = q 1000 V (8) där n = varvtal (r/min), q = volymström (l/min), V = deplacement (cm 3 /r).

7 2.10. Pilotvätska Detta är vätska inom systemet som för tillfället används för att styra reglerbara komponenter, t.ex. ventiler och vissa pumpar Pumpar Symbol för hydraulisk pump med fast deplacement och en strömningsriktning: Pumpen är normalt den första komponenten i ett hydrauliskt system (efter olika filter). I pumpen omvandlas mekanisk energi från t.ex. en elmotors roterande axel till hydraulisk energi. När pumpens axel roterar så sugs vätska från tanken, och skickas vidare ut i systemet. Kapaciteten för en pump är det samma som deplacementet, alltså hur stor volym vätska som pumpen levererar då drivaxeln roteras ett varv. En pump med stort deplacement ger högt tryck och liten volymström. Ett litet deplacement betyder lägre tryck men stor volymström. Men det är inte pumpen som bestämmer hur stort det nödvändiga trycket i systemet blir, utan systemtrycket ges av vilken kraft eller vilket moment som cylindrar/motorer behöver för att uträtta sitt arbete. Pumpen ska väljas så att den klarar att leverera detta tryck. Eftersom hydrauliska system kan vilja variera sitt tryck och sin volymström så finns det pumpar som kan variera deplacementet. Det finns flera olika pumptyper som används inom hydraulik, ett sätt att dela in dem på är: Pumpar med roterande kompression: o Kugghjulspumpar o Vingpumpar o Skruvpumpar Pumpar med kolvkompression: o Axialkolvpumpar o Radialkolvpumpar Som namnen säger så bygger de olika pumptyperna upp tryck på olika sätt Kugghjulspumpar Ytterkugghjulspumpar Det övre kugghjulet sitter monterat på drivaxeln, detta ses i figur 1. När axeln roterar kommer också det undre kugghjulet att rotera. Varje kugg fraktar en viss volym vätska från kammaren (kallas även sugsidan, märkt med s ) till tryckkammaren (kallas även trycksidan, märkt p ). Eftersom kuggarna är i ingrepp med varandra när vätska ska flyttas från trycksida till sugsida så ryms inte lika mycket. Alltså sker hela tiden en förflyttning av vätska från kammare till tryckkammare, vilket suger vätska från tanken ut i tryckledningen. Innerkugghjulspumpar Kugghjulet (1) är som visas i figur 2 fästad vid drivaxeln, och när den roterar så följer kuggringen (2) med. Vid sugsidan (s) går kugghjulet och kuggringen ur sitt ingrepp vilket tillåter vätska att fylla kuggluckorna. Vätskan transporteras sedan på båda sidor om tätningsstycket (3) till trycksidan där kuggarna åter går i ingrepp vilket pressar vätskan ut från pumpen. Figur 1: Ytterkugghjulspump Figur 2: Innerkugghjulspump

8 Gerotorpumpar Gerotorpumpar fungerar på liknande sätt som innerkugghjulspumpar, men de har inget tätningsstycke. Eftersom kugghjulet (1) har en kugg mindre än kuggringen (2) och dessutom är excentriskt placerad så ryms en större volym i kuggluckorna på väg från sugsidan (s) till trycksidan (p) än mellan trycksida och sugsida, vilket orsakar en vätskeförflyttning. Se figur 3. Både gerotorpumpar och innerkugghjulspumpar är relativt tystgående och används därför när låg ljudnivå krävs Vingpumpar Vingpumpar finns i varianter både med fast eller variabelt deplacement. Figur 4 visar en vingpump med variabelt deplacement. Rotorn (1) är fäst vid drivaxeln. I den sitter ett antal vingar i skåror så att de kan tryckas in i rotorn. Eftersom deplacementringen (4) sitter excentriskt i förhållande till rotorn så kommer vingarna att vara längre utdragna på väg från sugkammaren (S) till tryckkammaren (P) än tvärtom, vilket betyder att en större volym vätska flyttas den vägen. En vingpump med fast deplacement har deplacementringen fast monterad, medan den kan röras upp och ned i en vingpump med variabelt deplacement. Genom att lägga på ett visst styrtryck till hjälpkolven (5) så minskar deplacementringens excentricitet beroende på reglerkolvens (7) motstånd. Därmed minskar skillnaden på hur långt vingarna åker ut på de båda transportsträckorna, och därigenom vätskeförflyttningen. Figur 3: Gerotorpump Figur 4: Vingpump Skruvpumpar Denna pumptyp har tre skruvar som ligger i ingrepp med varandra, se figur 5. Skruven i mitten roterar med drivaxeln och ger själva pumpeffekten. De två medlöparskruvarna fungerar som tätning. Den vätska som förflyttas finns i gängorna, vilket leder till att skruvpumpar ger en vätskeström som är konstant och inte pulserande. Dessutom är ljudnivån låg. Skruvpumpar fungerar bra till vätskor med hög viskositet, t.ex. som transportpump för bränn- och smörjoljor Kolvpumpar Figur 5: Skruvpump Kolvpumpar fungerar på sätt och vis som inverterade förbränningsmotorer. Istället för att kolvarna förs fram och tillbaka av tryck från explosioner och därigenom ger rotation till drivaxeln, så orsakar kolvpumpens drivaxel att kolvarna förs fram och tillbaka och pressar vätskan från sug- till trycksida. Det hade varit möjligt att ha kolvpumpar med bara en kolv, men flera kolvar ger en jämnare strömning av vätskan. De olika kolvarnas rörelser är förskjutna i tiden så att de ger sin pumpeffekt vid olika tidpunkt.

9 Axialkolvpumpar När drivaxeln roterar så följer hela cylinderblocket (2) med kolvarna (3) med, detta visas i figur 6. Kolvarna sitter fästade på en vinkelskiva (6) via glidskor (4) och en klämplatta (5) som ser till att glidskorna inte lämnar vinkelskivan. När cylinderblocket och kolvarna nu roterar så kommer kolvarna att omväxlande dras ut och in eftersom vinkelskivan lutar. När kolvarna rör sig ut ur cylindern så suger de vätska in i cylindern, och den vätskan pressas sedan ut när de åker tillbaka. Ventilskivan (7) ser till att varje kolv när de suger är anslutna till sugsidan, men till trycksidan när de pressar ut vätskan igen. Genom att ändra på vinkelskivans vinkel α så kan deplacementet regleras. Ju större vinkeln är, desto längre slaglängd får kolvarna och förflyttar större volym vätska. Vinkeln regleras hydrauliskt via en reglerkolv. Utöver de raka axialkolvpumparna som beskrivits så finns det även vinklade, se figur 7. De har samma funktionssätt, men vinkeln α och därigenom deplacementet ges av den vinkel som pumpen är byggd med. Därmed är deplacementet normalt inte reglerbart för vinklade axialkolvpumpar. Figur 6: Rak axialkolvpump Radialkolvpumpar Det finns två typer av radialkolvpumpar; med roterande cylinderblock och med stationärt. Figur 8 visar en radialkolvpump med roterande cylinderblock. Cylinderblocket (1) är förbundet med drivaxeln (2). Cylinderblocket med kolvarna roterar inuti en ring (6), men är excentriskt placerad. Eftersom kolvarna är fästade vid ringens insida med glidskor (5) så kommer de p.g.a excentriciteten att dras ut och in när cylinderblocket roterar. Fördelningsventilen (7) ger hela tiden rätt förbindelse mellan kolvarna och sugrespektive trycksida. Figur 7: Vinklad axialkolvpump Deplacementet ändras genom att öka eller minska excentriciteten mellan cylinderblock och ring. Därmed ökar eller minskar nämligen kolvarnas slaglängd.detta görs med styrcylindrarna (8, 9). Figur 8: Radialkolvpump med roterande cylinderblock

10 2.13. Reglering av variabla pumpar Fasta pumpar fungerar optimalt bara när ett visst tryck och ett visst flöde önskas, vilket sällan är fallet. För att få så bra hydraulisk verkningsgrad som möjligt så används pumpar med variabelt deplacement mer och mer Tryckkompensering Ett system med tryckkompenserad pump visas i figur 9. Den tryckkompenserade pumpen fungerar som en pump med fast deplacement ända tills trycket i systemet överstiger den nivå som tryckregulatorn (3) är inställd på. Då kommer vätska att släppas till pumpens (1) reglerkolv (2) vilket gör att deplacementet minskar, med följden att uppbyggandet av tryck i systemet avtar. När systemtrycket understiger tryckregulatorns gräns så stängs tillförseln av trycksatt vätska till pumpens reglerkolv, med följden att deplacementet återigen blir maximalt. Systemet kommer hela tiden att sträva mot att ligga på det tryck som regulatorn är inställd på Volymströmsreglering Med en pump med variabelt deplacement kan man även reglera volymströmmen i systemet, vilket visas i figur 10. Då placeras en strypventil med inställningsbar verkan (1) efter pumpen. När vätskan strömmar från pumpen så uppstår ett tryckfall över strypventilen, tryckfallet är proportionerligt mot volymströmmen. Det finns även en kompensatorslid som är ansluten till ledningen både före och efter strypventilen. Den öppnar och släpper pilotvätska till pumpens reglerkolv om tryckfallet över strypventilen, d.v.s. tryckdifferensen mellan de två ingångarna, överstiger ett visst värde. Därmed minskar pumpens deplacement tills tryckfallet över strypventilen understiger gränsvärdet, vilket innebär en mindre volymström. Pumpen kommer att ställa in sig på en volymström som motsvarar det inställda tryckfallet över strypventilen. En volymströmsreglerad pump ger bäst verkningsgrad, medan en fast pump ger sämst. Men fortfarande finns det faktorer som kan motivera en fast pump, de är generellt enklare och robustare i sin konstruktion och därmed driftssäkrare och billigare. Figur 9: System för tryckkompensering Figur 10: System för volymströmsreglering Slutna kretslopp Öppna kretslopp är det vanligaste, och innebär att pumpen suger vätska ur en tank och pumpar den vidare till de verkställande organen, innan den returneras till tanken. Det är öppna kretslopp som exemplen i denna sammanfattning behandlar. Ett slutet kretslopp innebär däremot att vätskan efter de verkställande organen direkt återvänder till pumpens sugsida. Detta ger speciella fördelar, exempelvis i ett slutet kretslopp med en pump och en hydraulmotor. Då ändras varvtalet på motorn som en direkt följd av att deplacementet på pumpen

11 förändras. Rotationsriktningen på motorn kan ändras genom att skifta pumpens sug- och trycksida. I t.ex. en variabel axialkolvmotor görs detta genom att ändra vinkelskivans lutning från positiv till negativ. Pumptrycket är i ett slutet kretslopp aldrig högre än vad hydraulmotorn kräver. Dessutom kan pumpen användas till att bromsa motorn. Även om slutna kretslopp är enkla så krävs dock ytterligare ett par komponenter för en god funktion: Ett par tryckbegränsningsventiler för att begränsa maxtrycket En matarpump för att tillföra vätska som kompensation för ett visst internt läckage i pump och hydraulmotor En spolventil för att se till så att vätskan inte blir för varm. Slutna kretslopp används ibland i vinschar och framdrivning av mobila maskiner, samt i viss mån till transportskruvar och rullbanor inom industrin. Detta om det finns särskilt behov av att kunna variera varvtalet Hydraulcylindrar Hydraulcylindrar omvandlar den hydrauliska energin till en linjär rörelse, i enkelverkande cylindrar bara i en riktning, men i dubbelverkande cylindrar i båda riktningarna. Beteckningarna plus och minus används för att hålla ordning på riktningarna, cylindern gör ett plusslag när Figur 11: Dubbelverkande cylinder med beteckningar kolvstången rör sig ur cylindern, och ett minusslag när den återvänder in i cylindern. Dessa beteckningar visas i figur 11. På samma sätt innebär pluskammaren det utrymme i cylindern som fylls med vätska när kolven gör ett plusslag, och minuskammaren motsvarande utrymme som fylls med vätska när kolven gör ett minusslag. Cylindrar består vanligen av ett rör med gavlar, cylindern, och en kolv som löper i röret och vars kolvstång sticker ut genom ena gaveln på cylindern. Kolven sluter tätt mot cylinderns innervägg, vilket innebär att om vätska pumpas in på ena sidan om kolven så kommer den att vilja flytta sig för att ge plats för vätskan. Cylindern är försedd med bussningar för att stabilisera kolven, samt tätningar för att vätska inte ska läcka ut runt kolvstången. Dessutom finns normalt avstrykare som ska förhindra att smuts följer med in i cylindern när kolven dras in igen. Den kraft som en cylinder kan utveckla avgörs av systemets tryck och på den area på kolven som vätskan trycker på. Hur lång den linjära rörelsen kan vara avgörs av cylinderns slaglängd, som är den sträcka som kolven har plats att röra sig innan den stoppas av gaveln. Ofta är cylindrar försedda med ändlägesdämpning. Denna dämpning ska förhindra att kolven slår i gaveln hårt när slaglängden är uppnådd. Ändlägesdämpning fungerar så att kolven den sista biten stänger in en vätskevolym som måste strömma genom en strypventil. Därigenom uppnås en bromsande effekt. Symbol för enkelverkande cylinder: Enkelverkande cylindrar En enkelverkande cylinder har bara en pluskammare och kan uträtta arbete bara i plusriktningen. Det krävs en yttre kraft för att trycka tillbaka kolven till utgångsläget. Den vanligaste typen av enkelverkande cylinder är plungecylindern, se figur 12. Den består i stort sett bara av ett rör med en stång, plungen, som samtidigt är kolv och kolvstång. En plungestopp, som är en utstickande kant i änden på plungen, ser till att den inte kan tryckas ut ur cylindern. Plungecylindrar används till exempel i domkrafter och pressar.

12 En variant på plungecylindern är teleskopcylindern som är uppbyggd av flera steg efter varandra, där plungen för ett steg får plats i det föregående stegets plunge. När vätska pumpas in så skjuts först steget med störst area ut, sedan följer de andra i storleksordning. En teleskopcylinder har en mycket mindre hoptryckt längd än total slaglängd, och är därför användbar där inbyggnadsutrymmet är begränsat, exempelvis som tippcylinder i lastbilar, och i hissar. Symbol för dubbelverkande cylinder: Dubbelverkande cylindrar Dubbelverkande cylindrar kan utföra arbete i båda riktningarna. De är konstruerade med en kolvstång som har en mindre diameter än cylinderns innerdiameter. Detta betyder att på andra sidan kolven än pluskammaren, så finns det ett utrymme Figur 12: Plungecylinder mellan kolvstången och cylindern, som utgör minuskammare. När vätska pumpas in där så trycks kolven längre in i cylindern istället för ut ur den. En dubbelverkande cylinder har alltså två anslutningar för vätska, en till varje kammare. När vätska pumpas in i pluskammaren så trycks vätska samtidigt ut ur minuskammaren, och vice versa. Den verksamma arean är mindre för minuskammaren, eftersom kolvstången där upptar en del av arean. Det innebär att kraften som cylindern kan utveckla är mindre i minusriktningen. Samtidigt är hastigheten vid konstant vätsketillflöde större i minusriktningen. Båda dessa förhållanden är viktiga att beakta när man konstruerar med dubbelverkande cylindrar. Om möjlighet inte finns att reglera tryck och volymström så kan två enkelverkande cylindrar monterade mot varandra vara ett alternativ om kraft och hastighet måste vara samma i båda riktningarna. Normalt är arean i minuskammaren ungefär 70 % av pluskammarens Vridcylindrar En vridcylinder kan överföra hydraulisk energi till en begränsad svängningsvinkel med ganska stort moment. Den kan sägas vara en vanlig dubbelverkande cylinder, där kolvstången är försedd med kuggar som roterar ett kugghjul. Istället för utstickande kolvstång så finns en utgående axel. Vridcylindrar används t.ex. för att vrida ventiler på fartyg, och för att manövrera spjäll. Principen ses i figur 13. Figur 13: Vridcylinder Hydraulmotorer Symbol för hydraulisk motor med fast deplacement och två strömningsriktningar: Precis som vridcylindrar så ger hydraulmotorer en roterande rörelse. Men de har obegränsad rotation i båda riktningarna. Hydraulmotorer är konstruerade precis som pumparna, skillnaden är bara att de tar emot ett vätskeflöde med tryck och ger ett varvtal och ett moment på den utgående axeln. Därmed är uppbyggnaden av olika motortyper beskriven i avsnittet om pumpar. Motorer har dock oftast fast deplacement. Ett sätt att dela in hydraulmotorer på är i långsamtgående respektive snabbgående. Långsamtgående motorer rör sig med ett varvtal mellan 0 och 400 rpm, de har istället högt vridmoment. Dessa båda egenskaper ges av ett stort deplacement. De snabbgående motorerna har högt varvtal men lågt

13 vridmoment, och oftast ett mindre deplacement. Kugghjulsmotorer och vingmotorer är generellt snabbgående, medan kolvmotorer är långsamtgående. Hydraulmotorer bör vara försedda med en separat dräneringsledning, för att skydda axialtätningen från för högt avloppstryck. Om det kan uppstå snabba inbromsningar av motorns rörelse så måste speciella backventiler användas, för att tillföra vätska så att det inte uppstår kavitation. Om det finns behov av att motorn fixeras i ett läge så kan den utrustas med en broms, som sköts med hydraulik Riktningsventiler För att styra vätskeströmmen i systemet till olika platser används riktningsventiler. De fungerar så att de öppnar eller stänger förbindelsen mellan portar som leder till olika komponenter. En riktningsventil kan ha två eller flera olika funktionslägen, t.ex. kan ett läge vara att anslutningen från pumpen är stängd, ett annat att anslutningen kopplas till en cylinder, ett tredje att anslutningen går till en motor osv. Till uppbyggnaden består en riktningsventil av ett cylindriskt hus där en ventilslid kan röra sig fram och tillbaka, se figur 14. I huset finns portar som är öppningar där man ansluter ledningar till olika delar av systemet. Ventilsliden är till delar av sin längd tättslutande mot husets väggar, men har också partier med mindre diameter. Det betyder att vätska kan flöda i de delar av huset där sliden har mindre diameter, och att portarna där då inte är blockerade. Beroende på vilket axiellt läge som sliden placeras i, alltså vilket funktionsläge ventilen är ställd i, så kan vätskan flöda mellan de portar som då är öppna. En riktningsventil kan ha två eller flera portar till varje funktionsläge. Symbol för spakstyrd riktningsventil med tre lägen (funktioner) och fyra portar till varje läge. Med fjäderretur till mittenläget: Det finns flera olika sätt att ställa om mellan funktionslägen. Om portarna är mindre än 10 mm i diameter så går det normalt att påverka ventilsliden direkt. Det kan ske manuellt med en spak, elektriskt med en magnetisk spole, hydrauliskt, eller pneumatiskt. Om portarna är större så är strömningskrafterna mot sliden så stora att indirekt styrning eller pilotstyrning måste användas. Då används en mindre elektriskt direktstyrd riktningsventil för att styra den stora. Ofta monteras pilotventilen tillsammans med huvudventilen. Figur 14: Riktningsventil med två portar till varje läge Inom industrin så används vanligtvis riktningsventiler som skruvas fast på en platta med portar. Då används O-ringar mellan portar och ventil, och exempelvis gängade anslutningar från monteringsplattan till ledningarna. Portbilden är då standardiserad för att förenkla monteringen Tryckventiler Symbol för direktstyrd tryckbegränsningsventil: Tryckbegränsningsventil I ett hydrauliskt system som är blockerat för vätskeflöde, t.ex. när en hydraulcylinder har nått sitt ändläge, så stoppas volymströmmen upp. Då kommer trycket att stiga så länge pumpen klarar att fortsätta rotera, eller tills någon komponent brister. För att undgå detta används tryckbegränsningsventiler, de begränsar det maximala trycket i systemet genom att öppnas om trycket överstiger inställt värde. Då kan vätska strömma genom tryckbegränsningsventilen istället för

14 genom den del av systemet som är blockerad. Tryckbegränsningsventilen brukar ofta vara monterad närmast pumpen, och på en ledning från pumpen till tanken. Funktionsprincipen visas i figur 15. En tryckbegränsningsventil består av en ventilkägla (1) som av en fjäder (2) trycks ned i sitt säte, ventilen är alltså normalt stängd. Om trycket i porten (P) överstiger fjäderkraften så kommer ventilkäglan att lyftas från sitt säte, och släppa igenom vätska. Fjäderkraften ställs in med ett vred, därigenom kan önskat maxtryck ställas in. En tryckbegränsningsventil kan vara försedd med dämpning, för att undvika tryckstötar. Dämpkolven (D) bromsar då upp rörelsen genom att stänga in vätska. När vätska strömmar genom tryckbegränsningsventilen så förbrukas den hydrauliska energin genom att gå upp i värme istället för att utföra mekaniskt arbete. Figur 15: Tryckbegränsningsventil Det finns också pilotstyrda tryckbegränsningsventiler, som har en pilotventil som först öppnar sig och släpper pilotvätska till tanken, innan huvudöppningen öppnas. De har fördelen att de inte är så beroende av volymströmmen, och att de inte påverkas av trycksvängningar i systemet Mottrycksventil Om en cylinder används för att dra upp och ned en stor tyngd så finns det risk för att kolvstången dras ut okontrollerat när tyngden ska neråt. Det kommer sig av att tyngdkraften ger ett bidrag till trycket i minuskammaren. För att motverka det kan en pilotstyrd tryckbegränsningsventil användas som mottrycksventil. Den placeras då parallellt med en backventil, och ställs in på minst det tryck som tyngdkraften ger som bidrag. När tyngden ska upp så strömmar vätskan genom backventilen så att normal funktion erhålls. När tyngden ska ner så bromsar mottrycksventilen upp vätskeströmmen Pilotstyrd tryckreduceringsventil Om någon del av systemet bör ha lägre tryck än det som är maximalt tillgängligt så kan trycket fås lägre med en tryckreduceringsventil. Den är normalt öppen men börjar sluta sig när trycket i utloppet blir samma som inställningstrycket. Pilotventilen öppnar då och släpper igenom pilotvätska till tanken, varvid förbindelsen mellan inlopp och utlopp minskar och trycket i utloppet återigen sjunker under inställningstrycket. Ett exempel på användning av tryckreduceringsventil är om det finns två cylindrar i samma system, varav den ena inte bör tillföras ett så stort tryck som den andra behöver för drift. Då kan en tryckreduceringsventil placeras före den svagare cylindern. Symbol för overcenterventil: Overcenterventil (balanseringsventil) Overcenterventiler används för att se till att cylindrar och motorer med hängande last inte rör sig okontrollerat. De förhindrar även överbelastning och fungerar därmed som rör- och slangbrottsskydd. I den ena strömningsriktningen är ventilen normalt stängd men öppen i den andra. Om trycket i inloppet plus ett externt pilottryck blir större än inställningstrycket så öppnas även den andra riktningen. Figur 16 visar principiell uppbyggnad. Figur 16: Overcenterventil Normalt pressas kolven (1) mot sitt säte av fjädern (2), då samma gäller backventilen (4) så är det normalt inte förbindelse mellan port A och port B. Men i riktningen B till A så strömmar vätska fritt genom backventilen.

15 Om det tryck från A som verkar på ringarean och pilotkolvens (3) tryck på kolven tillsammans blir större än fjäderkraften så trycks kolven uppåt och släpper vätska även från A till B. Om en overcenterventil ska kunna hålla emot en hängande last så måste inställningstrycket vara större än det tryckbidrag som lasten ger i cylindern eller motorn Tryckavlastningsventil Ventilen är normalt stängd men öppnar för genomströmning när ett tillfört externt pilottryck blir större än inställningstrycket. Det finns inga mellanlägen, utan den är antingen helt öppen eller helt stängd. I exempelvis ett system med två pumpar så kan en tryckavlastningsventil användas för att avlasta den ena pumpen när systemet har tillräckligt högt tryck. Då placeras ventilen innan den pump som ska avlastas, och utloppet leds till tanken. Pilottrycket tas från det övriga systemet. När pilottrycket blir tillräckligt högt så leder tryckavlastningsventilen vätska förbi pumpen, som därigenom kan använda mindre effekt Volymströmsventiler Volymströmsventiler används för att påverka volymströmmens storlek, för att t.ex. reglera hastigheten på cylindrar och motorer, eller att begränsa volymströmmens storlek. Figur 17: Strypningsprincip Strypventil Den vanliga strypventilen kan användas om tryckförhållandena är ganska konstanta, eller om regleringen inte behöver vara så noggrann. Figur 17 visar ett exempel. Strypventilen reglerar volymströmmen genom att minska på strömningstvärsnittet. Om strypningen är utformad som en skarp kant så är det strypningens storlek och tryckfallet över den som bestämmer volymströmmens minskning. Allmänt är volymströmmen proportionell mot kvadratroten på tryckfallet Reglerbar strypbackventil Oftast är det bättre att ha en strypventil där tvärsnittets storlek kan varieras, dessutom är det ofta fördelaktigt att ha fri strömning i andra riktningen. Då används strypbackventilen. Figur 18: Strypbackventil Genom att skruva på vredet, se figur 18, så flyttas kolven (2) upp eller ned, och ökar eller minskar strypningen i strömningsriktningen P till A. I den andra riktningen strömmar vätskan fritt genom att trycket lyfter upp kolven så att öppningen är maximal. Om en reglerbar strypbackventil placeras på båda sidor om en cylinder så kan vätskeströmmen ut från både plus- och minuskammare regleras. Därmed kontrolleras kolvhastigheten i båda riktningarna Volymströmsregulator Som bekant så ändrar sig volymströmmen genom en strypventil med tryckfallets storlek. Om volymströmmen ska vara konstant trots att trycket varierar så används en volymströmsregulator, se figur 19. Den består av två strypningar efter varandra, den första (inställningsdrosseln) ställer in Figur 19: Volymströmsregulator

16 volymströmmen och den andra (tryckkompensatorn) reglerar tryckfallet över den första strypningen så att tryckfallet hålls konstant. I strömningsriktningen A till P så strömmar vätskan fritt. Men i den andra riktningen stryps genomloppet av kolven (1) som fungerar som inställningsdrossel. Eftersom det finns en förbindelse från port P till undersidan på tryckkompensatorn (2) så kommer trycket där att öka i förhållande till på ovansidan, där tryckfallet över inställningsdrosseln skett. Då lyfts tryckkompensatorn upp av fjädern (3) och stänger till utloppet A. Därmed ställs utloppets storlek in så att tryckfallet över inställningsdrosseln blir konstant. Beroende på var volymströmsregulatorn placeras i systemet ges olika egenskaper. Den kan placeras i tilloppet till det verkställande organet, i avloppet eller i en grenledning Backventiler Symbol för backventil: En backventil fyller funktionen att låta vätska flöda fritt i ena riktningen, men stoppar flöde i motsatt riktning. Backventiler utan pilotstyrning består i princip av ett rör med en lätt fjäderbelastad kägla (1) som pressas mot ett säte. När trycket är större i A än i B så övervinns fjäderkraften och käglan lyfts så att vätska kan passera. Om trycket däremot är större o B än i A så pressas bara käglan ännu hårdare mot sätet vilket stänger för flöde. Denna backventil har alltså öppen passage från A till B, men stängt andra hållet. I pilotstyrda backventiler finns det en hjälpkolv som kan trycka upp käglan från sitt säte oavsett om trycket i A eller B är större. Om pilottrycket i den tredje ingången överstiger ett visst värde så trycks käglan upp så att det blir fri passage i båda riktningarna. Figur 20: Backventil utan pilotstyrning Pilotstyrda backventiler kan användas för att se till att en belastad cylinder inte sjunker t.ex. på grund av ett visst internt läckage i riktningsventilen fast den är i stängt läge. Om ventilen placeras efter cylindern så är det normalt stängt för flöde i den riktning som lasten vill pressa vätska. Men eftersom ventilen måste vara öppen när cylindern önskas röra sig i den riktningen, så tas ett pilottryck efter riktningsventilen, som öppnar backventilen i båda riktningar då cylindern ska röra sig.

17 3. Konstruktion och dimensionering av hydraulsystem till kranfordon 3.1. Uppgift Ett fordon med tillhörande kran ska konstrueras. Fordonet ska kunna röra sig framåt och bakåt med hjälp av en hydraulmotor. Den ska även vara försedd med en enkel kran bestående av bom och sticka. De ska kunna manövreras med hjälp av en hydraulcylinder vardera. Alla övriga komponenter som erfordras för grundläggande funktion ska finnas med; däribland en passande pump, riktningsventiler för alla rörelser, andra ventiler som krävs, tank, filter, samt en drivkälla som roterar pumpen Utgångsmått och värden Bommen ska vara 2 m från led till led Stickan ska vara 2 m från led till spets En hängande vikt på 200 kg längst ut på stickspetsen ska kunna hanteras i hela kranens arbetsområde 200 kg 3.3. Avgränsningar och antaganden Kranens egenvikt räknas ej med i beräkningar gällande kranhydraulik Friktionsfria förhållanden antas Det läggs ingen vikt vid fastsättning av komponenter och vid konstruktion av själva fordonet Kopplingar undantas Figur 21: Principiell uppbyggnad och mått 3.4. Kommentarer Vid konstruktionen av detta hydrauliska system görs ingen optimering av exempelvis energiåtgång, utan fokus ligger på funktion. Systemet dimensioneras så att alla funktioner ska kunna köras samtidigt med full belastning, vilket sällan är fallet i verkligheten. Därför skulle ett verkligt normalt arbetstryck och volymflöde vara betydligt mindre än de siffor som uträkningarna görs efter. I bilaga 1 finns bilder på fordonet och hydraulsystemet. I bilaga 13 finns ett hydraulschema Kran Kranens rörelser är begränsade till ett plan, då den inte kan rotera horisontellt. Därmed är denna kran ganska oanvändbar, men bra som förenklat konstruktionsexempel. Dubbelverkande hydraulcylindrar kan avge större kraft i plusriktningen, alltså när de trycker på lasten 2. Därmed är cylindrar som är placerade som i figur 21 att föredra, den tunga lasten lyfts med tryckande rörelse. Men vanligen placeras cylindrar ändå på översidan av bom och sticka, de är mer 2 Se Dubbelverkande cylindrar Figur 22: Kranens geometri och uppbyggnad

18 skyddade för stötar och smuts där. Efter att ha överslagsberäknat vilka tryck och dimensioner som cylindrarna bör ha i de båda fallen valdes placering enligt figur 22, det ger ett större manövreringsutrymme för lasten och mindre risk att förstöra hydraulkomponenter. Måttet 2 m gäller fortfarande från bommens bottenled till dess övre led, och från stickans spets till dess led mot bommen. Stickans totala längd är alltså större än 2 m Övre cylinder Då det inte finns givna data på önskat maximalt arbetstryck, rörelsehastighet, och på stickans rörelseområde så är val av lämplig cylinder närmast en iterationsprocess. Först skapas kranens geometri med preliminära mått för cylinderns fästpunkter. Därefter beräknas den kraft som cylindern måste kunna avge med aktuella vinklar och mått. Efter ett önskat värde på maximalt arbetstryck så kan en cylinder väljas hos tillverkare, då styrs valet av cylinderns kolvarea. Eftersom olika kolvareor betyder olika totallängd på cylindern (om standard slaglängd följs, alltså jämna decimeter), så förändras både krafter och rörelseområde, vilket innebär att geometrin och fästpunkterna kan behöva justeras. Dessutom förändras rörelsehastigheten om kolvarean och slaglängden förändras. Om justeringarna är stora så kan cylindern behöva bytas ut igen. Dessa iterationer fortsätter tills alla värden är inom önskade områden. De beräkningar som följer gäller slutgiltiga mått och värden. Enligt beräkning 1 så är den maximala kraft som den övre cylindern ska kunna avge 14 kn. 3 Det ska ske dragande, när den lyfter upp lasten. För att kunna välja lämplig cylinder måste ett önskat värde på maximalt arbetstryck för cylindern uppskattas, värdet 70 bar antas. Därmed ger formel 1 att cylindern bör ha en kolvarea på 20 cm 2. Hos tillverkaren PMC Cylinders återfinns en cylinder med dragande ytarea 23.6 cm 2. 4 Formel 1 ger nu att verkligt maximalt arbetstryck för denna cylinder blir 59.3 bar. Utgångspunkten var att sikta på ett totalt systemtryck på bar, då det passar de flesta komponenter. För att beräkna vilken volymström som erfordras så måste ett önskat värde på tidsåtgång för att fullfölja ett slag uppskattas. Värdet 5 sekunder antas. Eftersom ett plusslag tar längst tid så är det ett sådant som ligger till grund för beräkningen. Vald cylinder har slaglängd 0.5 m för att passa geometrin på kranen. Därmed ger formel 3 att slagvolymen är 1.66 l i ett plusslag. Slutligen visar beräkning 2 att volymströmmen som krävs är 20 l/min. Med vald slaglängd och mått på kranen så är rörelseområdet för stickan 92.8 grader. Infästningarna för cylindern är vanliga ledlager i båda ändarna, det gäller även den undre cylindern Undre cylinder Enligt beräkning 3 så är maximal kraft som den undre cylindern ska kunna avge 27 kn. Även där gäller det dragande kraft. Passande cylinder hos PMC Cylinders har kolvarea 37.7 cm 3. Då blir maximalt arbetstryck 72.4 bar enligt formel 1. Även här antas att maxrörelse ska ske på 5 sekunder. Vald cylinder har slaglängd 0.4 m, vilket enligt formel 3 motsvarar slagvolym 2 l. Beräkning 4 ger att volymströmmen ska vara 24 l/min för att uppnå denna rörelsehastighet. Rörelseområdet för bommen är 77.8 grader Overcenterventiler Kranen är beräknad att hantera en hängande last. Med cylindrarnas placering innebär det att tyngdkraften ger ett bidrag till plusrörelsen för båda cylindrarna. Detta bidrag måste kompenseras 3 För alla beräkningar gäller att de återfinns i Bilaga 2: Beräkningar 4 Se Bilaga 3: Cylindrar

19 bort, annars kan följden bli att kolvarna dras ut okontrollerat. 5 Eftersom kranen inte kan lyftas så högt att tyngdpunkten skiftar sida så räcker det med en overcenterventil till varje cylinder. Den är då ansluten till slangen som leder vätska bort från cylindern vid plusslag. Genom att skapa ett motstånd motsvarande tryckbidraget från tyngdkraften elimineras det extra trycket (Detta sker i ena riktningen, i den andra är ventilen alltid öppen). Nackdelen är att om lasten inte är maximal så är motståndet onödigt stort och därigenom förbrukas energi i onödan. Figur 23: Overcenterventiler För denna tillämpning valdes pilotstyrda overcenterventiler från tillverkaren CBF Hydraulic, det viktiga är att de kan ställas in i rätt öppningstryck. Figur 23 visar de två overcenterventilerna (lilafärgade) som är anslutna till sina respektive returledningar från cylindrar (ljusrosa och vit). I de vinklade kopplingarna på sidorna kommer vätskan ut från overcenterventilerna och vidare till riktningsventilen. De gröna slangarna motsvarar pilotledningar som är anslutna till de slangar som pumpar vätska in i cylindrarna vid plusslag. När det finns ett tillräckligt stort styrtryck där så öppnar overcenterventilerna. När lasten drar i kolvarna så minskar trycket i matningsslangarna varvid overcenterventilerna stänger. Det tryck som overcenterventilerna ska hålla emot kan ställas in med skruvar, inställningsområdet för valda ventiler är bar. 6 Inställningstrycket beror av vilket tryck som induceras av lasten, alltså i detta fall maximalt arbetstryck, multiplicerat med en säkerhetsfaktor på 1.3. Detta innebär att inställningstryck för den övre cylinderns overcenterventil är bar, och den undres är bar Drivning Framdrivningen av fordonet sker med hjälp av en hydraulmotor som via en snäckväxel överför rörelsen till den bakre hjulaxeln. Rörelse framåt och bakåt erhålls genom att motorn kan byta rotationsriktning. En snäckväxel är egentligen olämplig för ändamålet p.g.a. sin dåliga verkningsgrad, och finns där mest för att markera en utväxling och en överföring. Komponenten har inte sökts fram hos tillverkare, utan en utväxling på 1:20 har antagits, tillsammans med verkningsgraden 70 % som är normal för snäckväxlar. Figur 24: Hydraulmotor med snäckväxel I figur 24 visas hur hydraulmotorn är positionerad med snäckväxeln och drivaxeln. Den rosa slangen är en dränering av inre läckage och leder direkt till tanken. De två andra slangarna är kopplade till riktningsventilen, den ena är tillförsel av trycksatt vätska och den andra returledning. När motorn byter rotationsriktning så byter slangarna roll Motor För att kunna välja passande hydraulmotor måste två parametrar vara kända: Önskat vridmoment och önskad rotationshastighet på den utgående axeln. För att få fram värden på dessa parametrar behöver fordonets minimala hastighet och önskad acceleration vid viss belastning antas. Antaganden och prestandakrav: Fordonet väger 1200 kg inkluderat last 5 Se Overcenterventil 6 Se Bilaga 4: Overcenterventiler

20 Den ska kunna dra en vikt på 100 kg efter sig med friktionskoefficienten 0.5 Den ska ha minimal topphastighet på 1 m/s Den ska kunna accelerera sig till denna hastighet på 4 s Allt detta ska kunna ske i en uppförsbacke med lutning 10 grader Hjulen har radie 0.2 m Beräkning 5 visar att drivaxeln behöver ett vridmoment på Nm och en rotationshastighet på 47.4 r/min. Det vridmoment och den rotationshastighet som motorns utgående axel ska förmedla till snäckväxeln beräknas i beräkning 6 till 11.8 Nm respektive 948 r/min. En hydraulmotor som kan leverera önskat vridmoment vid detta varvtal återfinns hos tillverkaren Eaton och är en vinklad axialkolvmotor med fast deplacement. 7 Deplacementet är 20 cm 3 /varv. 8 Det drivtryck som motorn behöver förses med för att kunna leverera önskat vridmoment ges av beräkning 7 och är 37.8 bar. Detta förefaller rimligt eftersom det totala maximala arbetstrycket från cylindrar och motor nu uppgår till bar vilket är ett passande värde. För att kunna driva fordonet i önskad hastighet krävs en viss volymström till motorn. Denna volymström ges av beräkning 8 och uppgår till 18.6 l/min Riktningsventil För att kunna styra kranens två cylindrar och hydraulmotorn behövs en riktningsventil. 9 Den tar emot vätska från pumpen och fördelar vidare den till avsedd komponent. Den valda riktningsventilen är manuell för att förenkla systemet så mycket som möjligt. Genom att operatören drar i spakar utförs rörelser av de verkställande organen. Eftersom det finns tre verkställande organ så är vald riktningsventil från tillverkaren HYDAC i tre sektioner, varje sektion har en spak som kan föras åt båda hållen från sitt fjäderbelastade mittenläge. 10 När en spak dras åt ena hållet strömmar vätska till komponentens ena anslutning, och när spaken flyttas åt andra hållet skiftas riktning så att vätskan pumpas till den andra anslutningen. Därigenom Figur 25: Riktningsventil med anslutna slangar bestämmer riktningsventilen om plus-eller minusslag ska utföras av cylindrarna, och rotationsriktningen hos hydraulmotorn. Figur 25 visar riktningsventilen med spakar och anslutna slangar. Den gröna slangen är tillförsel av trycksatt vätska och kommer från pumpen. Den rosa slangen är returledning och leder till tanken. De två blå slangarna leder till hydraulmotorn, de två rödaktiga till övre cylindern, och de två gula till undre cylindern. Vid val av riktningsventil var antalet sektioner viktigt, så att alla funktioner kan uträttas. Sedan måste ventilen klara systemtrycket, denna ventil klarar ett maximalt tryck på 210 bar. Ventilen måste även klara av volymströmmen som cirkulerar i systemet, vald ventil klarar en volymström upp till 70 l/min. Behovet av volymströmmar i systemet uppgår till 20 l/min för övre cylindern, 24 l/min för undre, och 18.6 l/min för motorn, vilket ger den totala volymströmmen 62.6 l/min. 7 Se Axialkolvpumpar (Motorer är uppbyggda på samma sätt). 8 Se Bilaga 5: Hydraulmotor 9 Se Riktningsventiler 10 Se Bilaga 6: Riktningsventil

21 Denna riktningsventil har vid en volymström på 20 l/min (ungefärligt genomsnittsvärde i detta fordon) ett tryckfall på 2.2 bar för varje sektion, detta motsvarar ett totalt tryckfall på 6.6 bar Slangar Eftersom slangar är en standardprodukt med otaliga varianter och tillverkare så har ingen speciell produkt fastslagits. Det räcker att slangen klarar av det maximala systemtrycket som inte överstiger 200 bar, vilket alla vanliga hydraulslangar av högtryckstyp klarar. Slang med innerdiametern ¾ används hela vägen från tank till riktningsventil, och hela vägen tillbaka från riktningsventil till tank. Detta är en större dimension som passar en större volymström. Totalt 3 m slang av denna dimension uppskattas åtgå. Innerdiametern ½ används i resten av hydraulsystemet, 12.5 m uppskattas åtgå. Enligt beräkning 9 blir det totala tryckfallet i slangarna bar Tank och filter Normalt ska tanken rymma 2-4 ggr volymströmmen i systemet, för att vätskan inte ska röra sig för snabbt i tanken utan hinna skilja ut smuts och luft. För att fordonet inte skulle bli för stort valdes dock en tank med volymen 100 l, det motsvarar ungefär 1.5 ggr volymströmmen. Tillverkare är Flowfit. 11 Tanken är placerad längst bak på fordonet för att vara motvikt mot kranen. Som ses i figur 26 är filtret (grå tub) placerat på returledningen (rosa) och är alltså av lågtryckstyp. Den klarar volymströmmen 120 l/min och orsakar ett tryckfall på 1 bar Backventil För att vätska som returneras från tryckbegränsningsventilen och från dräneringen av hydraulmotorn inte ska kunna strömma mot riktningsventilen så är en backventil från tillverkaren Eaton placerad där. 13 Den klarar ett maxtryck på 210 bar, en volymström på 75 l/min, och orsakar ett tryckfall på 1 bar vid maxflöde. 14 Figur 26: Tank med filter och anslutningar Figur 27 visar backventilen (blå cylinder) med slang från riktningsventil (till höger), från tryckbegränsningsventil (nedåt), från motordränering (snett ned till vänster), och mot tank (vänster) Hydraulpump Nu kommer valet av den viktigaste komponenten; själva pumpen som förser systemet med tryck och volymström. Anledningen till att den kommer nästan sist är att systemets totala drivtryck måste vara känt, och även totalt volymflöde. 11 Se Bilaga 7: Tank 12 Se Bilaga 8: Filter 13 Se Backventil 14 Se Bilaga 9: Backventil Figur 27: Backventil med slangar Totalt tryckfall: Övre cylinder = 59.3 bar Undre cylinder = 72.4 bar Hydraulmotor = 37.8 bar Riktningsventil = 6.6 bar Slangar = bar Filter = 1 bar Backventil = 1 bar Summa: bar Figur 28: Totalt tryckfall

22 Som ses i figur 28 är det totala tryckfallet och därmed erforderliga drivtrycket i systemet bar. Den totala volymströmmen uppgår som nämnts till 62.6 l/min. En motor som uppfyller dessa värden är en vingpump från Eaton med deplacementet 25 cm 3 /r. 15 Den klarar ett maximalt arbetstryck på 280 bar, och levererar en volymström som uppgår till 68.3 l/min vid varvtalet 3000 r/min och vid trycket 210 bar. 16 För att driva pumpen vid denna belastning krävs en ingående kraft på 28.3 kw eller 37.7 hk. Figur 29 visar vingpumpen (brun) med ansluten tryckledning (rosa). Pumpen suger vätska från tanken i den undre anslutningen, och pumpar ut den i tryckledningen. Pumpens drivaxel är kopplad till den utgående axeln på en bensinmotor. Figur 29. Hydraulpump med tryckledning Bensinmotor Det är en bensinmotor från Kohler som ska generera rörelsen till pumpens drivaxel, den är inte närmare specificerad än att den kan avge 38 hk, 17 vilket räcker för att driva fordonets hydrauliska system. Dess mått är också intressanta för att kunna placera komponenter på fordonet. Bränsletank och dylikt är dock inte med i konstruktionen. Motorn har en vertikal axel nedåt, därför är pumpen placerad under motorn och med axeln vertikalt. Figur 30 visar motorn och dess placering med pumpen under Tryckbegränsningsventil För att systemets maximala tryck inte ska kunna stiga för högt finns en tryckbegränsningsventil. 18 Den är placerad direkt efter pumpen, och öppnar för genomströmning till tanken om trycket överstiger inställningstrycket. Vald tryckbegränsningsventil är tillverkad av Eaton och kan ställas in i Figur 30: Bensinmotor med fästplatta området bar. 19 Den klarar ett maximalt flöde på 75.7 l/min och ett maximalt tryck på 345 bar. I detta fordon ska den ställas in på systemets maximala tryck, alltså på bar. Tryckbegränsningsventilen kan även den ses i figur 29, där den är grön till färgen. Den rosa ledningen uppåt leder till tanken, där strömmar vätska om ventilen har öppnat sig p.g.a. för högt tryck. I normalt läge strömmar vätska i den gröna ledningen nedåt till riktningsventilen. 15 Se Vingpumpar 16 Se Bilaga 10: Hydraulpump 17 Se Bilaga 11: Bensinmotor 18 Se Tryckbegränsningsventil 19 Se Bilaga 12: Tryckbegränsningsventil

23 Bilaga 1: Bilder på kranfordonet och hydraulsystemet

24

25 Bilaga 2: Beräkningar Beräkning 1: Kraft i övre cylinder Parametrar: Massa vid kranspets = 200 kg Uträkning: Största belastningen på den övre cylindern kommer att inträffa när stickan är sträckt rakt ut, alltså horisontellt. Eftersom leden mellan bom och sticka är momentpunkt så kommer hävarmen till lasten att vara maximal i det läget. Samtidigt är cylindern mest vinklad i förhållande till bommen när den är helt ihopskjuten. Den krankonfiguration som ger det största belastningsfallet på cylindern ses i figur 11. För att beräkna kraften som cylindern ska kunna avge behöver vinkeln φ fås fram: α = = 44 β = 90 α = 46 cos 46 = x => x = y = x 0.1 = = sin γ = y = γ = sin = 12 φ = γ = = 34 Figur 31: Kranens konfiguration vid det största belastningsfallet på övre cylindern positivt): Figur 32: Kraftförhållanden i snittad sticka Eftersom massan vid kranspetsen är 200 kg blir kraften Fv = = = 1962 N Momentjämvikt ger (medurs Fv 2 Fc cos φ 0.35 = 0 Nm Fc = Fv cos φ = = N 0.35 cos 34 Avrundat uppåt (begränsad säkerhetsfaktor 20 ) blir den maximala kraft som den övre cylindern ska kunna avge dragande 14 kn. 20 I cylindrarna behövs ingen säkerhetsfaktor, eftersom de bara inte orkar om lasten är större. Det skadliga övertrycket vid för hög last avvärjs av tryckbegränsningsventilen. Samtidigt kan det vara bra om cylindern klarar att hantera en last som är något större än angiven maxvikt.

26 Beräkning 2: Volymflöde till övre cylinder Parametrar: Slaglängd s = 0.5 m Kolvarea vid plusslag, A = 33.1 cm 2 Tid för fullfört plusslag, T= 5 s Uträkning: Enligt formel 3 är slagvolymen: V = A s 100 = = 1655cm 3. Därmed blir volymflödet enligt formel 4: q = V 60 = T = min l l. min Beräkning 3: Kraft i undre cylinder Parametrar: Massa vid kranspets = 200 kg Uträkning: Största belastningen på den undre cylindern kommer att inträffa när vinkeln mellan bom och sticka är så stor som möjligt och kranspetsen är i nivå med leden mellan bom och fundament. Eftersom den leden är momentpunkt blir hävarmen som längst i det läget. Denna krankonfiguration kan ses i figur 13. Då är vinkeln mellan undre cylindern och bommen 9 grader. Eftersom triangeln är likbent blir vinkeln α = = Därmed är sträckan x: x = 2 2 cos 18.5 = 3.8 m Kraften på kranspetsen är: Fv = = 1962 N Momentjämvikt ger (medurs positivt): Figur 33: Kraftförhållanden vid största belastningsfall på undre cylindern Fv x Fc cos 71 = 0 Nm Fc = Fv x = = N cos cos 71 Avrundat uppåt är den kraft som undre cylindern ska kunna avge dragande 27 kn.

27 Beräkning 4: Volymflöde till undre cylinder Parametrar: Slaglängd s = 0.4 m Kolvarea vid plusslag, A = 50.2 cm 2 Tid för fullfört plusslag, T= 5 s Uträkning: Enligt formel 3 är slagvolymen: V = A s 100 = = 2008cm 3. Därmed blir volymflödet enligt formel 4: q = V 60 = T = min l l. min Beräkning 5: Vridmoment och rotationshastighet på drivaxel Parametrar: Massa på fordon med last, M 1 = 1200 kg Massa på dragen vikt, M 2 = 100 kg Friktionskoefficient mellan dragen vikt och underlag, µ = 0.5 Hastighet V = 1 m/s Accelerationstid t = 4 s Lutning på uppförsbacke, α = 10 grader Hjulradie R = 0.2 m Uträkning: Enligt accelerationsformeln blir fordonets acceleration: a = V V 0 t = = 0.25 m/s2. Newtons 2:a lag ger att denna acceleration kräver en horisontell kraft på: F = ma = (M 1 + M 2 )a = ( ) 0.25 = 325N. Friktionsbidraget av den släpade lasten ges av Coulumbs förenklade friktionslag: F f = Nµ = M µ = = N. Total kraft för att driva fordonet med belastning framåt på plan mark är: F h = F + F f = = N. Då fordonet även ska kunna hantera en uppförslutning på α grader ökas erfordrad kraft enligt: cos α = F h => F F tot = F h = = N 828 N. tot cos α cos 10

28 Total kraft som krävs för att driva fordonet är alltså 828 N. Då denna kraft överförs via hjulen med radie R så blir vridmomentet på hjulaxeln enligt vridmomentlagen: Hjulomkretsen X ges av: τ = Fr = F h R = = Nm. X = π 2r = = 1.26 m. Då hjulets periferihastighet ska vara 1 m/s så motsvarar det att axeln roterar med vilket motsvaras av = 47.4 r/min = 0.79 varv/s Beräkning 6: Utväxling och momentförlust i snäckväxeln Parametrar: Utväxlingsfaktor U = 20 Verkningsgrad N = 0.7 Uträkning: För att drivaxeln till hjulen ska få vridmomentet Nm behöver den utgående axeln från hydraulmotorn avge vridmomentet: τ motor = = = Nm 11.8 Nm. U N Varvtalet 47.4 r/min på drivaxeln innebär en rotationshastighet på motorns utgående axel som uppgår till 47.4 N = = 948 r/min. Verkningsgraden inverkar inte på rotationshastigheten. Beräkning 7: Drivtryck till hydraulmotor Parametrar: Vridmoment M = 11.8 Nm Deplacement V = 19.6 cm 3 /r Uträkning: Enligt formel 7 så kan tryckfallet Δp beräknas med sambandet: M = V Δp => Δp = M 628 = = 37.8 bar, V detta tryckfall motsvarar drivtrycket som motorn ska matas med.

29 Beräkning 8: Volymflöde till hydraulmotor Parametrar: Varvtal n = 948 r/min Deplacement V = 19.6 cm 3 /r Uträkning: Volymströmmen q kan enligt formel 8 beräknas med ekvationen: n = q 1000 V => q = n V = = l/ min 18.6 l/min Denna volymström krävs för att motorn ska kunna rotera i önskad hastighet. Beräkning 9: Tryckfall i slang Parametrar (Se Bilaga 6: Tryckfall i slang): Tryckfall i ½ slang = 20 mbar/m vid volymströmmen 22 l/min Tryckfall i ¾ slang = 25 mbar/m vid volymströmmen 65 l/min Slanglängd ½ = 12.5 m Slanglängd ¾ = 3 m Uträkning: Tryckfall i slang med innerdiametern ½ uppgår till = 250 mbar = 0.25 bar. Tryckfall i slang med innerdiametern ¾ uppgår till 25 3 = 75 mbar = bar. Totalt tryckfall i slangar uppgår därmed till = bar.

30 Bilaga 3: Cylindrar

31 Bilaga 4: Overcenterventiler

32 Bilaga 5: Hydraulmotor

33 Bilaga 6: Riktningsventil

34

35

36 Bilaga 7: Tank

37 Bilaga 8: Filter

38

39 Bilaga 9: Backventil

40

41 Bilaga 10: Hydraulpump

42 Bilaga 11: Bensinmotor

43 Bilaga 12: Tryckbegränsningsventil