i övrigt är samma som tidigare? (Antag att rörströmningen är laminär i båda (3p)

Transkript

1 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAEN (6) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Tryckfall i sugledning till hydraulum Figuren visar en variabel konstanttryckreglerad hydraulum med tryckbegränsningsventil. Pumen, som har delacementet D -6 m 3 /varv, drivs med konstant varvtal n 45 varv/min. Ställtalet (ε ) för umen är mekaniskt begränsat till 75% av maximalt värde. Tryckfallet i umens sugledning s har därvid umätts till 4 kpa vid maxflöde. e n max D s L s För att öka umens flödeskaacitet önskar man ändra ställtalsbegränsningen till ε max,. Vilket maximalt tryckfall kan nu förväntas i sugledningen om förutsättningarna i övrigt är samma som tidigare? (Antag att rörströmningen är laminär i båda fallen och friktionsfaktorn λ är konstant samt att umens läckning är försumbar) (3) b) Strömningshastighet genom stryning samt inverkan av kavitation För en skarkantad stryning kan flödet genom densamma tecknas som: q Cq A δ. Beräkna medelvärdet för strömningshastigheten genom stryningen då flödet är q, -4 m 3 /s och stryhålets diameter är d, mm. Beskriv kvalitativt hur ventilflödet (q) åverkas då kavitation uträder nedströms stryningen. (4) c) Volymetrisk verkningsgrad för hydraulmotor En hydraulmotor med fast delacement D m 7 cm 3 /varv försörjs med ett konstant flöde q em, -3 m 3 /s. Vid tryckdifferensen m 5 Pa har motorvarvtalet umätts till n m 6,5 varv/s. Bestäm motorns volymetriska verkningsgrad (η vm ) i denna driftunkt. (3)

2 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAEN 3 (6) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Cylinderfjädring å grund av komression: Figuren nedan visar en hydraulcylinder som belastas med en långsamt varierande störkraft, - kn + kn. Cylinderns kolvarea är A, m och å kolvstångssidan är arean A,5 m. I arbetsunkten är cylindervolymerna V,5 - m 3 och V, - m 3. Den effektiva komressionsmodulen är β e Pa. V V F s A - + A - + Dx Beräkna förflyttning x å grund av den yttre störkraften F s då det lägsta cylindertrycket antas vara noll för båda rörelseriktningarna. b) Pilotstyrd tryckbegränsningsventil. Figuren nedan visar en ilotstyrd tryckbegränsningsventil. (4) F s A A a A s 3 ö Beskriv i ett /q-diagram ventilens rinciiella karakteristik samt dess arbetsområde. Antag vidare att ventilens maximala flödeskaacitet är 6 liter/min vid tryckfallet, Pa över huvudsteget. Vilket maxflöde kan förväntas vid tryckfallet 5 Pa? (4) c) Hydraulolja för utomhusbruk: Antag att en hydraulolja skall användas i ett mobilt system där omgivningstemeraturen varierar från - 3 o C till + 35 o C. Vilket är härvid det viktigaste kravet å hydrauloljans fysikaliska egenskaer? ()

3 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAEN 4 (6) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Hydraulsystem av konstantflödesty med öet-centrum ventiler P in x v F v F x v v q q L L A L A q L Figur visar ett hydraulsystem av konstantflödesty och öet-centrum manöverventiler som samtidigt skall driva två lyftlaster F 5 kn och F 6 kn. Cylindrarna har kolvareorna A A,8. -3 m och trycket å kolvstångssidan är försumbart vid lyftlaster. Vidare har cylindrarna friktionsförluster som motsvarar en verkningsgrad η c,95 och deras flödesbehov är q L 4 liter/min resektive q L 65 liter/min. Pumtrycket ( ) är, Pa högre än det högsta lasttrycket och det konstanta flöde som umen ger är q liter/min. Pumens totalverkningsgrad är η t,9. Beräkna den hydrauliska umeffekt (q. ) som åtgår för att driva båda lyftlasterna samt systemets totalverkningsgrad (mekanisk lasteffekt/umens ineffekt). (6) b) Sekundärreglerat hydraulsystem Nedanstående figur visar ett sekundärreglerat hydraulsystem för drivning av två laster och energilagring i en ackumulator. Antag att de sekundärreglerade maskinerna har samma maxdelacement, D D och att maskin går som motor och att maskin går som um. Vidare är axelvarvtal och moment lika, alltså n n och samt lika verkningsgrader, η v η v och η hm η hm. Ackumulator s q q e e D J t D J t n n Härled ett uttryck för den hydrauliska effekt som måste tillföras sekundärmaskinerna enligt ovanstående driftsfall. (4)

4 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAEN 5 (6) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Dimensionering av um och motor i hydrostatisk fordonstransmission Figuren nedan visar en hydrostatisk fordonstransmission där både um och motor är variabla. Pumen har maxdelacementet D och motors delacement är D m. otorns minställtal är ε mmin,5 och max tryckdifferens max 4 Pa. otorns hydraulmekaniska startverkningsgrad är η hmm,84. Dieselmotorns maxvarvtal är n max 3 rm. e e m Dieselmotor n P in D nm m Beräkna D m så att hydraulmotorns startmoment blir m 856 Nm samt D så att hydraulmotorns teoretiska (förlustfria) maxvarvtal blir n mmax 45 rm. (6) b) Hjälkomonenter i sluten hydrostatisk transmission Figuren visar en sluten hydrostatisk transmission med erforderliga hjälkomonenter som behövs för den slutna kretsen 3 4 Last Namnge och beskriv kortfattat funktionen hos hjälkomonenterna,, 3 och 4. (4)

5 ) ( s a ) ( LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAEN 6 (6) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Bestämning av ventilkonduktans för given sänkhastighet hos neumatisk cylinder Nedanstående figur visar en enkelverkande neumatikcylinder som styrs med en treorts riktningsventil. För utlosstryningen är konduktansen C och kritiska tryckförhållandet b. Ventilens försörjningstryck är s 7 kpa. Den vertikalmonterade cylindern har kolvarean A, m. Cylindern är belastad med massan t 6 kg och har försumbar friktion. t v s a b, C A Bestäm konduktansen C så att sänkhastigheten v s,35 m/s unås då b,5, referenstrycket r a kpa och temeraturkorr. K t,. (6) b) Sekvensstyrning av neumatikcylindrar: Tre neumatikcylindrar, A, B och C sekvensstyrs enligt nedanstående kolingsschema. Cylindrarna A och C har reducerad hastighet i vardera en rörelseriktning. a a A b b B c c C b S I S II c START b a c a Rita ett väg/tid-diagram för sekvensen i det givna kolingsschemat. Observera att de olika cylinderhastigheterna (stry/back-ventiler) skall visas i diagrammet. (4)

6 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA LÖSNINGAR TILL TENTAEN (5) Fluid och ekanisk Systemteknik 3--6 LÖSNINGAR TILL TENTAEN. a) Tryckfall i sugledning till hydraulum e n max D s L s Data: D -6 m 3 /varv, n 45 varv/min, ε,75 ε max och s 4 kpa. Tryckfallet i sugledningen tecknas som: L ρ d s + ς + ς s + λ v () Enligt givna förutsättningar är alla arametrar inom arentesen i ekv. konstanta. Detta ger s kons tan t v. Strömningshastigheten v är roortionell mot umflödet q ε D n. D och n konstanta kons tan t ε. ε, ger ε...75 ε.75 s s s. s, 4 7 kpa.,75 b) Strömningshastighet genom stryning samt inverkan av kavitation Flöde genom skarkantad stryning : q Cq A δ Data: q, -4 m 3 /s och stryhålets diameter är d, mm. q edelvärdet för strömningshastigheten genom stryningen är v m. ed A d A π 4, 4 fås numeriskt v m 7 m/s. 4 π, ( ) (3) Kavitation medströms stryningen innebär att flödet (q) blir mättat, vilket innebär att när tryckfallet ( ) över stryningen ökas kommer flödet att förbli konstant. (4) c) Volymetrisk verkningsgrad för hydraulmotor Data: D m 7 cm 3 /varv, q em, -3 m 3 /s, m 5 Pa ger n m 6,5 varv/s. Dmnm Dmnm Formelsamling ger med ε m,, qem η vm ηvm qem 6 7 6,5 Numeriskt: η vm,96, (3)

7 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA LÖSNINGAR TILL TENTAEN (5) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Beräkning av cylinderfjädring x å grund av komression V V F s A - + A - + Dx Data:, - kn F s + kn, A, m, A,5 m, V,5 - m 3, V, - m 3 och β e Pa. Komressionsmodul: β e V V V. ed V x A, V β V x, A F s och A F s fås s s x + A β e A β e A Numeriskt: x,3 +,37,68 m 6,8 mm e V F V F. b) Pilotstyrd tryckbegränsningsventil.: Data: 6 liter/min vid tryckfallet, Pa. axflöde vid tryckfallet 5 Pa?. (4) A A a A s 3 ö Karakteristik: ö Arbetsområde ax öen ventil q Beräkna maxflöde vid 5 Pa: q max Cqw xv max. ρ ( ) konst q 5 q 5 Numeriskt fås: q / liter/min. (4) c) Hydraulolja för utomhusbruk Vid stora variationer i omgivningstemeratur (- 3 o C till + 35 o C) är det viktigaste kravet å hydrauloljan att dess viskositet inte varierar för mycket. Oljans viskositetsindex bör vara väsentligt större än VI. ()

8 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA LÖSNINGAR TILL TENTAEN 3 (5) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Hydraulsystem av konstantflödesty med öet-centrum ventiler P in x v F v F x v v q q L L A L A q L Data: F 5 kn, F 6 kn, A A,8. -3 m, η c,95, q L 4 l/min, q L 65 liter/min, Lmax +, Pa, q liter/min och η t,9. Hydraulisk umeffekt: P q q ( Pa). F ger Lmax enligt +, L max 3 F 6 sambandet L max L max,6 Pa, vilket ger Aη c,8,95 6 P (,6 +,) 47, kw. 6 Systemets totalverkningsgrad: ql ql F + F F v + Fv A A ηt. Numeriskt P P / η ,8 6,8 fås, η t, , /,9 b) Sekundärreglerat hydraulsystem in t (6) Ackumulator s q q e e D J t D J t n n Data: D D, motor, um, n n,, η v η v, η hm η hm. otoreffekt: P otor εd s ε Dnη v s πn () πηhm ηv η hm ε D s Pumeffekt: PPum ε Dnη v s πn η vη hm () πηhm Effektbehov: P b Potor PPum P b π n ηv η hm ηvη hm (4)

9 LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA LÖSNINGAR TILL TENTAEN 4 (5) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Dimensionering av um och motor i hydrostatisk fordonstransmission: Data: D?, D m?, ε mmin,5, η hmm,84, max 4 Pa och n max 3 rm. e e m Dieselmotor n P in D nm m Beräkna D m så att hydraulmotorns startmoment blir m 856 Nm samt D så att hydraulmotorns teoretiska (förlustfria) maxvarvtal blir n mmax 45 rm. Dm Hydraulmotorns delacement: m maxη hmm π m π Dm maxη hmm 856 π m 856 Nm ger numeriskt D m 6-6 m 3 /varv. 4 6,84 n ε D mmax max Pumdelacement som teoretiskt ger n mmax 45 rm: n ε D mmin 6 εmmindmnm max, D. Numeriskt: D 7-6 m 3 /varv. ε maxn, 3 (6) b) Hjälkomonenter i sluten hydrostatisk transmission m 3 4 Last : atarum som komenserar den slutna kretsen för läckflöde och ger utbyte av olja för kylning å transmissionens lågtrycksida. : Tryckbegränsningsventiler som begränsar transmissionens maxtryck å resektive högtrycksida. 3: Solventil som medger utbyte av olja för kylning å transmissionens lågtrycksida. 4: Tryckbegränsningsventil som begränsar trycket å transmissionens lågtrycksida. (4)

10 ) ( s a ) ( LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA LÖSNINGAR TILL TENTAEN 5 (5) Fluid och ekanisk Systemteknik a) Bestämning av ventilkonduktans för given sänkhastighet hos neumatisk cylinder t v s a b, C A Data: A, m, s 7 kpa, b,5, a kpa, K t,och t 6 kg. Ventilflöde: q CK t ω (NTP). Cylinderflöde: q vs A (NTP). Ventilflöde cylinderflöde och K t, ger maxhast.: ω max bestäms via kraftjämvikten. A A g v s max a C ω a max (). t a t + a A vs A a / /4,5. a / b ω max,. () ger C.,35,96 Numeriskt: C 6,9-9 m 3 /Pas. 5, (6) b) Sekvensstyrning av neumatikcylindrar: Givet kolingsschema: A B C a a b b c c a A g b S I S II c START b a c a Sekvens: A B C (4)