LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAMEN () Fluida och Mekatroniska Syste 00-03-. a) -orts konstantflödesventil Figuren nedan visar ett sybolschea för en -orts konstantflödesventil. Tryckkoensatorns fjäderförsänning ger en konstant tryckdifferens Δ c,5 MPa och vid utstyrning av ätstryningen (A s A s ) är ventilflödet q L 50 liter/in. Anta att tryckkoensatorns försänning ändras till Δ c,5 MPa. Beräkna q L för denna koensatorinställning. Vilken insta tryckdifferens, ( L ) in krävs för att ventilen ska reglera flödet? b) Konstantflödessyste ed öet-centru ventil Figuren visar en konstantflödesu, so levererar flödet q 70 liter/in och en anöverventil ed öet-centru för styrning av lastflödet (q L ). För att driva lasten krävs lasttrycket L MPa. Koonenterna antas ha ideal karakteristik. (4) Beräkna anöverventilens hydrauliska effektförlust recis när lasten ska börja drivas (q L 0). Beräkna ventilens effektförlust vid utstyrningen x v 0 och 0,5 MPa? c) Startoent och volyetrisk verkningsgrad för hydraulotor En hydraulotor ed fast delaceent, D 90 c 3 /varv har vid tryckdifferensen Δ 30 MPa, varvtalet n 0 varv/in och oljeviskositeten η 0,03 Ns/ hydraulekaniska verkningsgrad η h 0,8. (3) Beräkna hydraulotorns startoent och visa kvalitativt i diagra otorns volyetriska verkningsgrad so funktion av varvtalet, ed start vid 0-varvtal. (3)
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAMEN 3 () Fluida och Mekatroniska Syste 00-03-. a) Kavitation i hydraulsyste Vilken koonent i ett öet hydraulsyste tar noralt est skada av kavitation? Hur inskas risken för kavitation i denna koonent? b) Lägesförändring å grund av koressionseffekter i hydraulcylindrar Hydraulsysteet nedan visar två ekaniskt saankolade hydraulcylindrar (C, C), vilka styrs ed två 3-orts ventiler (V, V). Cylindrarna är identiska och kolvarean är A,8 0-3. Ventilernas försörjs ed trycket s 0 MPa. Vid centrerade cylinderkolvar är V V 7,0 0-4 3 och trycken är,0,0 0 MPa då ventilerna är stängda. Koressionsodulen i cylindervolyerna är β e 00 MPa. () Beräkna lägesförändringen Δx då ventilen V önas till cylinder C och ventil V hålls stängd. Försua cylinderfriktion och ventilläckning. Hur åverkas lägesförändringen Δx av cylindrarnas friktion? (4) c) Konstanttryckreglerad variabel u ed ackuulator En hydraulisk försörjningsenhet består av en konstanttryckreglerad u, en ackuulator och en tryckbegränsningsventil (begränsar systetryck till 5 MPa). Puregulatorn är inställd å trycket 4 MPa och dess iala flödeskaacitet är q 90 liter/in. Ackuulatorn har totalvolyen V 0 50 liter, förladdningstrycket är 0 0,0 MPa och olytroexonenten är n,7. Antag att ackuulatorn är laddad u till uens tryck. Beräkna hur lång tid ett konstant lastflöde q L 0 liter/in kan tas ut från försörjningsenheten för att systetrycket ska sjunka ner till sin 4 MPa. (4)
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAMEN 4 () Fluida och Mekatroniska Syste 00-03- 3. Lastkännande konstantflödessyste ed shuntventil n konst. F F q D LS q L L q L L L Figuren visar ett lastkännande hydraulsyste ed fast u och shuntventil. Båda lasterna drivs satidigt. Trycket å cylindrarnas kolvstångssida är försubart likso även cylinderfriktionen. För lasterna gäller följande flöden och tryck: Lyftlast : q L 40 liter/in L 0 MPa Lyftlast : q L 0 liter/in L 0 MPa Putrycket, regleras så att det är Δ LS,0 MPa högre än det högsta lasttrycket. Det konstanta uflödet är q 0 liter/in. a) Hydraulisk ueffekt och ventilförluster Beräkna uens hydrauliska uteffekt so krävs för att driva lasterna, sat ventilernas totala hydrauliska förlusteffekt. Visa i flödes/tryck-diagra hur förlusteffekten fördelas å de olika ventilerna. (5) b) Byte till variabel lastkännande u Anta att uen ed fast delaceent och shuntventilen i ovanstående syste byts ut ot en variabel lastkännande u ed saa flödeskaacitet och Δ LS. Beräkna den variabla uens hydrauliska uteffekt so krävs för att driva lasterna, sat ventilernas hydrauliska förlusteffekt. (3) c) Flödeskarakteristik för anöverventilen so atar den tyngsta lasten Visa ed ekvationer huruvida anöverventilens flöde (q L ) till den tyngsta lasten är lastberoende eller inte i det lastkännande systeet. ()
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAMEN 5 () Fluida och Mekatroniska Syste 00-03- 4. Sluten hydrostatisk fordonstransission Figuren nedan visar en hydrostatisk transission där både u och otor är variabla. Puen har delaceentet D 70 c 3 /varv och otorn D 40 c 3 /varv. Motorns inställtal är in 0,0. Transissionens - och intryck ställs in ed tryckbegränsningsventilerna och 4, vilka har öningstrycken 45 MPa (ventil ) resektive in,5 MPa (ventil 4). Puvarvtalet vid effekt är n 000 r. Hydraulaskinerna styrs sekventiellt, först styrs uen till delaceent och därefter styrs otorn. a) Transissionens noinella effekt Bestä transissionens iala tryckdifferens Δ sat beräkna förlustfritt transissionsuens ställtal N och otorns utvarvtal n N då uens överförda effekt når värdet P in 90 kw. (4) b) Transissionens TR-värde (Theoretical Range) Beräkna transissionens teoretiska varvtalsförhållande ino vilket effekten 90 kw kan överföras, TR n /n N. Hur åverkas transissionens TR-värde o iala ineffekten sänks? c) Två-otor transission Figuren visar en transission ed variabel u och två variabla otorer (arallellkolade). Hydraulaskinernas delaceent är, D D D 0.0-3 /varv. Max uvarvtal är n 300 r och utväxlingen U n /n. (3) n n D D + D U Beräkna utvarvtal (n ) för denna transission, enligt given varvtalsutväxling (se figur) då in 0, och in 0. Vilka fördelar uvisar denna transission jäfört ed en-otor transissionen i ugift a)? (3)
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA TENTAMEN () Fluida och Mekatroniska Syste 00-03- 5. a) Max sänkhastighet för vertikalonterad neuatisk cylinder Nedanstående figur visar en enkelverkande neuatikcylinder so belastas vertikalt ed assan M. Cylindern, so antas förlustfri, har kolvarean A,9. 0-3. Den 3-ortsventil so styr cylinderrörelsen försörjs ed ett konstant tryck s. För sänkrörelsen används två seriekolade stryningar so har lika konduktans, C C, 0-8 3 /(Pa s). Kritiska tryckförhållandet är b b 0,40. Ogivningstrycket är a 00 kpa och luftens te är 93 K. Beräkna vikten å assan M so krävs för att sänkhastighet, v - ska unås. (4) b) Volyetrisk verkningsgrad för kolvkoressor Figuren visar volyetriska verkningsgraden (η v ) för ett kolvkoressor-steg so funktion av tryckförhållandet /. Antag att tryckluft ska korieras till tryckförhållandet / 9. Vilken volyetrisk totalverkningsgrad, η vtot unås vid -stegs resektive -stegs koression? c) Sekvensstyrning av neuatikcylindrar Två neuatikcylindrar, A och B, skall sekvensstyras, enligt nedanstående väg-tiddiagra. Cylindrarna skall försörjas ed tryckstyrda 4/-ventiler och deras ändlägen känns av ed ekaniskt styrda 3/-ventiler. Syboler för ventilerna visas nedan. (3) Rita ett kolingsschea för sekvensen i det givna väg-tid-diagraet. Systeet ska innehålla en Start/Sto-ventil so för varje aktivering kör cykeln en gång. (3)
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA Lösningar till tentaen (5) Fluid och Mekanisk Systeteknik 00-03- LÖSNINGSFÖRSLAG TILL TENTAMEN - TMHP0 a) -orts konstantflödesventil Data: Δ c,5 MPa ger q L 50 liter/in. Bestäning av q L vid Δ c,5 MPa: Flödessaband för ätstryningen, A s, q q L.5 L Cq As konstant ρ ρ Δ.5 c ql Δc ( L ) Cq As ( Δc ) Δc.5,5 q L 50 4,5 liter/in.,5 Min tryckdifferens ( L ) in Δ c,5 MPa krävs för flödesreglering. (4) b) Konstantflödessyste ed öet-centru ventil > Data: q 70 liter/in, L MPa och 0 0,5 MPa. Manöverventilens effektförlust då q L 0 och L : P q 4 kw. fv L Ventilens effektförlust då x v 0 och 0,5 MPa: P q 0,583 kw. fv 0 (3) c) Startoent och volyetrisk verkningsgrad för hydraulotor Data: D 90 c 3 /varv. Δ 30 MPa, n 0 varv/in och η 0,03 Ns/ ger η h 0,8. Motorns startoent och volyetriska verkningsgrad vid n 0: D Motoroent vid start: ger M η π Δ 90 0 Nueriskt: M ut 30 0 0, 8 35 N. π Volyetrisk otor-verkningsgrad so funktion av n : n 0 η v 0. ut h (3)
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA Lösningar till tentaen (5) Fluid och Mekanisk Systeteknik 00-03-. a) Kavitation i hydraulsyste Den koonent so i ett öet hydraulsyste är känsligast för kavitation är uen. Kavitationsrisken inieras geno att säkerställa att absoluttrycket vid uinloet är > 0. Åtgärdas ed grov sugledning och liten tryckhöjd ellan tank och uinlo. b) Lägesförändring å grund av koressionseffekter i hydraulcylindrar () Data: A,8 0-3, V V 7,0 0-4 3,,0,0 0 MPa, s 0 MPa och β e 00 MPa. Δ Δ Lägesförändring, Δx : Koressionsodul: β e V0 ΔV V0. ΔV β ΔV Δx A. Δ A Δ A. När ventil V önas till C koer att öka till V trycket s alltså Δ Δ s,0 0 MPa. Lägesförändringen blir Δ x Δ. β A 4 7,0 0 0 0 Nueriskt: Δx 0,00,. 3 00 0,8 0 e e Cylindrarnas friktion koer att inska Δx, ty Δ inskar. (4) c) Konstanttryckreglerad variabel u ed ackuulator Data: 4 MPa, q 90 liter/in, V 0 50 liter, 0 0,0 MPa, n,7, q L 0 liter/in och sin 4 MPa. Arbetstryck för ack, sin 4 MPa och 4 MPa. s < 4 MPa innebär att uen ger flödet q q. ΔV Lastflöde: q L q + qack och q ack ΔV / tl ger tiden för lastflöde: tl. q q / n ΔV / 0 0 Ackuulatorvoly: V 0 ger ΔV V / ( ) n 0 /. n,7 ger /,7 3 0 4 9,7 0 ΔV 50 9,7 liter och t L 9,4 s. 4 4 (0 90) / 0000 (4) L
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA Lösningar till tentaen 3 (5) Fluid och Mekanisk Systeteknik 00-03- 3. Lastkännande konstantflödessyste ed shuntventil n konst. F F q D LS q L L q L L L Data: q L 40 liter/in, q L 0 liter/in, L 0 MPa, L 0 MPa, q 0 liter/in och Δ LS,0 MPa. a) Hydraulisk ueffekt och ventilförluster Pueffekt: P h q, L +Δ LS MPa. P 0 0 h 44 kw. 0000 Hydrauliska ventilförluster: P hv q L ( L ) + q L ( L ) + ( q q L q L ) Nueriskt: [ 40,0 + 0 + ( 0 40 0) ] 0 / 0000 P 0,7 kw. hv Visa i flödes/tryck-diagra hur förlusteffekten fördelas å de olika ventilerna. (5) b) Byte till variabel lastkännande u Variabla uens uteffekt: 40 + 0 ger; P h 0 37 kw. 0000 P q, L + Δ LS MPa, q q L + q L h Hydrauliska ventilförluster: P q ( ) + q ( ) hv L L L L Nueriskt: ( 40,0 + 0 ) 0 / 0000 P 3,3 kw. hv c) Flödeskarakteristik för anöverventilen so atar den tyngsta lasten Lastberoende flöde? q C w x ( + Δ ) C w x ( Δ ) L q v ρ Alltså är ventilflödet, ql Kv xv oberoende av lasttrycket L och däred inte lastberoende. L LS L q v ρ LS (3) ()
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA Lösningar till tentaen 4 (5) Fluid och Mekanisk Systeteknik 00-03- 4. Sluten hydrostatisk fordonstransission Data: D 70 c 3 /varv, D 40 c 3 /varv, in 0,0, 45 MPa (ventil ), in,5 MPa (ventil 4) och n 000 r. a) Transissionens noinella effekt Transissionens iala tryckdifferens: Δ - in 4,5 MPa. Beräkna förlustfritt N och n N då uens effekt når är P in 90 kw. Teoretiskt ueffekt vid ineffekt: P in D n Δ, vilket ger ställtalet 3 Pin 90 0 0 N so, N. Nueriskt: N 0,908. D n Δ 70 0 000 4,5 0 Noinellt utvarvtal, n N : qe D n, qe Dn. Med N och,0 fås N D 0,908 70 nn n n N 000 908 r.,0 D,0 40 b) Transissionens TR-värde (Theoretical Range) D TR n /n N. n? n n n D in N,0 70 000 5000 r. 0, 40 n 5000 TR. P in 90 kw ger: TR 5,5. nn N in 908 0,908 0, En inskning av P in innebär att N och n N inskar, alltså ökar TR. c) Två-otor transission Data: D D D 0.0-3 /varv, n 300 r och U n /n. (4) (3) n n D D + D U Beräkna utvarvtal (n ):, in 0, och in 0 ger D 0 n n. Nueriskt: n 300 0455 varv/in. ind 0, 0 Fördelar: Jäfört ed en-otor transissionen uvisar denna transission en väsentligt större varvtalsutväxling, vilket innebär att effekt kan överföras ino ett större varvtalsoråde, alltså större TR-värde. (3)
LINKÖPINGS TEKNISKA HÖGSKOLA Lösningar till tentaen 5 (5) Fluid och Mekanisk Systeteknik 00-03- 5. a) Max sänkhastighet för vertikalonterad neuatisk cylinder Data: A,9. 0-3, A /, C C, 0-8 3 /(Pa s), b b 0,40, a 00 kpa, T s 93 K. Ventilflöde ( stryn.): q C (NTP). Villkor för hast. är att ω,0, vilket gäller då a / b. Alltså a /b () ω M g Kraftjävikt: A a A + M g a + () eller M A ( ) A a (3) g Beräkning av C och b och : 3 +, C 3 3 3 C C ger C ( ) / 3 C /,7. 0-8 3 /Pa/s och b b b C C C b b C 0,44. /b a > 40 kpa ger överkritisk ströning. C Maxhastigheten v - 3 3 unås då assan är M,9 0 ( 40 00) 0 / g kg. (4) b) Volyetrisk verkningsgrad för kolvkoressor -stegs kor. / 9 ger η v 0,0. 3 3 -stegs koression, lika tryckförh. [ ] 9 Enligt diagra ger tryckförhållandet 3, verkningsgraden, η v 0,88 er steg. Total volyetrisk verkningsgrad (η vtot ): ηvtot ηv ηv ger η vtot 0,88 0,77. 3. (3) c) Sekvensstyrning av två dubbelverkande neuatiska cylindrar, A och B Given sekvens Kretsschea (3)