Datorlaboration 1 Enkla hydraulsystem Grundläggande hydrauliska system och dess ekvationer Datorlaboration i kursen TMMI13 Hydraulik och Pneumatik för Mi2 Namn:.. Namn:.. Personnummer:.. Personnummer:.. Datum:.. Godkänd:.
Inledning I denna datorlaboration kommer teknologen att skaffa sig en känsla för hur flöde, tryck och andra förekommande storheter inom hydrauliken interagerar med varandra. I laborationen kommer enkla system och komponenter att simuleras med hjälp av simuleringsprogrammet Hopsan. Teknologen ska läsa noga igenom denna handledning och gör förberedelseuppgifterna innan laborationen får påbörjas. Lösningsgången på förberedelseuppgifterna ska redovisas. Vid oklarheter fråga lektionsassistenten innan laborationen. Teknologen ska läsa igenom Laborationspolicy på avdelningen för Fluida och Mekatroniska System för att informera sig angående regler vid avdelningens laborationer. Syftet med labben är dels att bli förtrogen med tryck, flöde och grundläggande komponenter inom hydrauliken och även att testa på att simulera och analysera enkla hydraulsystem. Simuleringsprogrammet som ska användas i labben är Hopsan. Hopsan Figur 1: Hopsans användargränssnitt Hopsan kan laddas ned gratis på Flumes hemsida http://www.iei.liu.se/flumes/system-simulation/hopsan?l=en. Ladda hem och packa upp zip-filen som finns på hemsidan. Programmet öppnas sedan genom att dubbelklicka på HopsanGUI.exe som finns i bin-mappen. Programmet kan med fördel användas under kursens andra ingående moment för utökad förståelse. Hopsan s användargränssnitt visas i Figur 1. Kompendiet innehåller handledning om hur uppgifterna ska simuleras. Endast nya funktioner och funktioner som behövs beskrivs i handledningen. Hopsan instruktioner är markerade med denna symbol. Utförande Innan laborationen ska labbkompendiet läsas igenom och uppgifterna studeras noga. Förberedelseuppgifterna ska vara genomförda och lösningarna nedskrivna i kompendiet. Teknologerna ska parvis, eventuellt kan en (1) grupp bestå av tre teknologer, utföra uppgifterna vid en (1) dator. Alla uppgifter simuleras och svar på samtliga uppgifter ska skrivas ned i teknologernas egna laborationskompendier, d.v.s. två (ev. 3) kompendier per grupp. Laborationen är godkänd när alla uppgifter är gjorda, frågorna är besvarade och laborationsassistenten skrivit under kompendiet. Kompendiet lämnas in efter laborationen som sedan assistenterna rättar och lämnar tillbaks på efterkommande lektion. Frågorna är markerade med. 2
Förberedelseuppgifter För att få göra laborationen måste förberedelseuppgifterna var noggrant genomtänkta och utförda. Sammarbete uppmuntras men varje teknolog ska individuellt skriva ned lösningarna i sin egen laborationshandledning. Laborationen innehåller fyra (3) uppgifter och varje del börjar med tre eller flera förberedelseuppgifter, markerad med. Ekvationer och svar ska skrivas ned till samtliga uppgifter. Konstanter I tabellen nedan fås konstanter som ska användas genom hela laborationen och behövs för att göra förberedelseuppgifterna. Om inte annat anges i uppgifterna ska förvalda parametervärden i komponenterna användas. Storhet Beteckning Värde Enhet Densitet ρ 890 kg/m 3 Flödeskoefficient C q 0,67 - Uppgift 1 Strypning I denna uppgift ska flödet genom en strypning undersökas. Flödet genom en strypning beror på strypningens öppningsarea och tryckfallet över strypningen. Figur 2 visar ett enkelt system med en strypning ansluten till en tryckkälla på inloppet och tank vid utloppet. Förberedelseuppgift Figur 2 Ett system med en turbulent strypning som är ansluten till tryckkälla och tank. Skriv upp strypekvationen för en turbulent strypning med index enligt Figur 2. Beräkna stryparean, A, för att erhålla ett flöde på 120 l/min när tryckkällan har trycket 20 MPa. Tanktrycket är 0,0MPa. (q 1 = 120 l/min, p 1 = 20 MPa och p 2 = 0.0 MPa.) Beräkna flödet som fås om stryparean, A, ökas till det dubbla. 3
Modellera systemet Bygg systemet i Figur 2. Starta programmat med att klicka på. Öppna en ny modell genom att klicka på New Model. Huvudfönstret öppnas och ser ut som bilden nedan. Längst till vänster och toppen av fönstret innehåller verktygsfält, en beskrivning av verktygens funktion synliggörs om musen svävar över ikonerna. Arbetsytan finns i mitten där simuleringsmodellerna byggs. Fönstret innehåller även ett komponentbibliotek till vänster och meddelandefönster längst ned. Meddelandefönstret nederst i programfönstret är programmets informationskanal. Meddelandena är skrivna med olika färger beroende på orsak; svart för standard meddelande, orange för varning och röd för fel. Det rekommenderas att titta i programmets hjälp där du hittar vidare information om funktioner i programmet. De vanligaste snabbtangenterna fungerar även i Hopsan så som Ctrl+z, Ctrl+c, etc. Lägga till komponenter: Det finns tre huvudbibliotek av komponenter som vi kommer använda i labben; hydrauliska, mekaniska och signal komponenter. Genom att klicka på pilen/triangeln framför kategorin visas underkategorier. Öppna biblioteket Hydraulic Restrictors och hitta komponenten Turbulent Orifice. Namnen på komponenterna visas när musen svävar över ikonen. Flytta Turbulent Orifice till arbetsytan genom att vänsterklicka på ikonen och dra ikonen till arbetsytan. Lägg till ytterliggare komponenter: Dra C-type Pressure Source and C-type Tank från biblioteket Hydraulic Sources & Sinks till arbetsytan. Arbetsytan ska nu innehålla tre komponenter. Rotera komponenter genom att markera komponenten och tryck på Ctrl+r. Koppla ihop komponenter: Koppling mellan två komponenter skapas genom att vänsterklicka på en av portarna och föra musen över arbetesytan (höger musknapp kommer att göra en 90 graders vinkel) och tillslut vänsterklicka på slutporten. Portar är gröna (hydraulisk port) eller blåa (mekanisk port) med bokstaven C och Q. C-port måste alltid kopplas till en Q-port därför att TLM-metoden som används av Hopsan resulterar i att C-typ komponenter så som volymer kan bara kopplas till Q-typ komponenter så som ventiler. Detta kan kännas lite svårt men är å andra sidan alltid fysikaliskt motiverat. Rött v är signal port där man kan styra parametervärden i komponenten utifrån, medan en röd triangel är signal som är en utgående variabel. Vänsterklicka på C-porten på C-type Pressure Source och därefter på den vänstra Q-porten på Turbulent Orifice. Gör samma sak för att koppla samman högra Q-porten på Turbulent Orifice med C- type Tank. För att kunna simulera måste alla hydrauliska och mekaniska portar vara kopplade. 4
Spara modellen: Det är alltid bra att spara modellen regelbundet. Övre vänstra hörnet finns File Operations toolbars. Tryck på Save ikonen och öppna foldern som filen ska sparas i och ge modellen ett passande namn. Tryck på OK och modellen är sparad. Undersök systemet Nu ska systemet undersökas och diverse frågor besvaras. Frågan ställs först och sedan kommer ytterligare information om hur man gör för att analysera systemet och svara på frågan med Hopsan. Verifiera de beräknade värdena från förberedelse uppgifterna. Stämmer det? Ändring av parametervärden: Dubbelklicka på C-type Pressure Source och ett fönster med komponentegenskaper visas. Ändra på Set pressure till önskat värde. Stäng fönstret genom att klicka på OK. Dubbelklicka på Turbulent Orifice och ändra arean på strypningen, tryck OK. Dubbelklicka på C- type Tank och ändra Default Pressure till 0 MPa, tryck OK. Simulera genom att klicka på den gröna triangeln i Simulation Control Toolbar Meddelandefönstrets information ska se ut så här och är skrivet i svart: [time] Info: Simulated 'Filename' successfully! Initialization time: - ms, Simulation time: - ms Plotta en variabel: Högerklicka på Turbulent Orifice högra port. De tillgängliga variablerna kommer visas. Vänsterklicka på flödet. Nu har ett nytt fönster med en graf öppnats. För att zooma, klicka på zoom-ikonen och vänster klicka på plottfönstret och dra musen over området som ska zoomas in. För att zoom ut igen klicka med höger musknapp i plottfönstret. Ändra plottenheter (OBS endast vad som visas i grafen): Du kanske vill ha flöde och tryck i en annan enhet än SI-enheter, t.ex. flöde i l/min i stället för m 3 /s. Till vänster hittar du verktygsfältet Editing 5
Tools och ikonen för Global Program Options. Öppna fliken Plotting och ändra till önskad enhet på flöde och tryck. Vad händer om tryckkällan ändras till 10 MPa istället för 20 MPa (q 1 = 120 l/min)? Vad blir flödet? Vad ska arean sättas till för att 120 l/min ska erhållas igen? Beräkning och verifiera eller använd trialand-error principen? Vilken lösningsmetod kommer gå fortast och vad kommer bli mest rätt? Hur ser flödet ut när inloppstrycket varierar och varför ser kurvan ut som den gör? Koppla in en ramp: Öppna biblioteket Signal Sources and Sinks och hitta komponenten Ramp. Koppla komponenten Ramp till den röda signalnoden på C-type Pressure Source. Den röda pilen är en signalport och kommer att ändra på Default Pressure i C-type Pressure Source. Dubbellklicka på Ramp och ändra på parametrarna enligt nedan. o o o o Base Value - y 0 = 0 Pa Amplitude - y A = 20e6 Pa Start Time - t start = 1 s Stop Time - t end = 8 s Det vill säga trycket i tryckkällan kommer öka linjärt från tanktryck, 0,0 MPa, vid 1 sekund till 20 MPa vid 8 sekunder. Spara modellen. 6
Uppgift 2 Cylinder I denna uppgift ska en hydraulisk cylinder undersökas med olika försörjningssystem. Uppgiften visar hur tryck, hastighet och flöde förhåller sig till varandra med olika parametervärden. Hastigheten på kolven i en cylinder beror på kolvareor och flöden in och ut från cylindern. Tre olika försörjningssystem kommer att undersökas. I alla systemen verkar en last på kolvstången. Massan sätts till 0 kg (i Hopsan kallas den för Inertia Load) och bara den pålagda kraften verkar på kolvstången. Det första systemet visas i Figur 3. Det är en enkelverkande cylinder med ett konstant inflöde. Systemvariant två visas i Figur 4 där flödeskällan har byts ut mot en strypning som försörjs med ett konstant tryck. I sista exemplet, visas i Figur 5, ska flödeskällan från Figur 3 bytas ut mot en variabel pump med konstant varvtal. Figur 3 Cylinder med ett inlopp och ett utlopp, på kolvstången verkar en last. Figur 4 Flödeskällan har bytts ut mot en strypning med konstant försörjningstryck, p p. Figur 5 Flödeskällan har bytts ut mot en pump. Förberedelseuppgift Skriv upp ekvationen för kraftjämnvikt för kolven i Figur 3. 7
Beräkna trycket i cylindern då kraften F är 70 kn och kolvareorna är A T = A 1 = 0,005 m 2. Vilket flöde, q 1, krävs för att kolvhastigheten v k ska bli 0,4 m/s? Hur stor ska strypningsarean A vara om flödeskällan byts ut mot en tryckkälla och en strypning? (Figur 4) Kolvhastigheten liksom kraften ska vara som ovan, alltså v k = 0,4 m/s respektive F = 70 kn. Försörjningstrycket sätts till p p = 30 MPa. Hur stort pumpdeplacement krävs om flödeskällan byts ut mot en pump med rotationshastighet 1500 rpm om man räknar förlustfritt? (Figur 5) Modellera systemet i Figur 3 Öppna en ny modell genom att klicka på New i File Operations toolbar. Lägg till komponenter: Öppna bibliotek Hydraulic Linear Actuators och hitta komponent Q-type Piston. Öppna bibliotek Hydraulic Sources and Sinks och hitta component Q-type Flow Source. Den här komponenten kommer ge oss ett konstant flöde oberoende av yttre faktorer. Inkludera även C- type Tank i samma bibliotek. Både cylinder och flödeskällan modelleras som Q-komponent och därför måste vi lägga till en C-komponent mellan dessa två komponenter. Öppna bibliotek Hydraulic Volumes and Lines och hitta komponenten Hydraulic Volume. Kolven behöver även en kraft; öppna biblioteket Mechanic Linear och hitta komponenten Force Source. Koppla ihop komponenterna. 8
Undersök systemet Ändra parametervärden i Q-type Piston, Force Source, Q-type Flow Source and C-type Tank enligt förberedelseuppgifterna. Öka Stroke i Q-type Piston till 10 meter, endast för att slippa problem med att cylindern är otillräckligt lång. Verifiera den beräknade kolvhastigheten genom att sätta flödeskällan till det beräknade flödet i förberedelseuppgiften. Stämmer det? Verifiera trycket. Stämmer det? Minska kolvareorna till hälften. Vad händer? Vad blir trycket, flödet och kolvhastigheten? Modellera systemet i Figur 4 Ändra tillbaks kolvareorna till A T = A 1 = 0,005 m 2. Kopiera tank, cylinder, kraft och volym genom att vänsterklicka och dra musen över komponenterna. Tryck Ctrl+c och placera musmarkören där du önskar det nya systemet och tryck Ctrl+v. Lägg till komponenter: Öppna bibliotek Hydraulic Restrictors och hitta komponenten Turbulent Orifice och öppna bibliotek Hydraulic Sources and Sinks och hitta komponenten C-type Pressure Source. Undersök systemet Verifiera den beräknade strypningen. Stämmer flödet, trycket och hastigheten? (Kom ihåg att sätta kolvarean A T = A 1 = 0,005 m 2.) Minska kolvareorna till hälften. Vad händer? Vad blir trycket, flödet och kolvhastigheten? 9
Ändra strypningen för att uppnå samma hastighet som tidigare. Förklara skillnaden mellan detta system och systemet med den konstanta flödeskällan? Modellera systemet i Figur 5 Kopiera tank, cylinder, kraft och volym. Lägg till komponenter: Öppna bibliotek Hydraulic Pumps and Motors och hitta komponent Q-Type Variable Displacement Pump och Hydraulic Sources and Sinks och hitta komponent C-type Tank. Koppla samman komponenterna Undersök systemet Verifiera den beräknade pumpstorleken. Observera att rotationen ska anges i rad/s (ω = 1500/60*2*pi = 157 rad/s). Stämmer flödet? Minska ställvinkeln ε p till 0,5. Vad händer med flöde, tryck och kolvhastighet och varför? Minska kraften med hälften. Vad händer med flöde, tryck och kolvhastighet och varför? Spara om du inte redan har gjort det. 10
Uppgift 3 Olika typer av laster I denna uppgift ska den hydrauliska cylindern och kraften i uppgift 2 bytas ut mot andra ekvivalenta laster. I uppgift 2 lyftes en kraft med en hydraulisk cylinder, denna kombination kan ses som en last i ett hydrauliskt system. En last är ett arbete som utförs i ett system. En last kan även vara en hydraulisk motor som driver ett moment på axeln. I dessa två exempel, cylindern och motorn, har lasten omvandlat hydraulisk effekt till mekanisk effekt, lasten har lyfts och axeln har roterat. Ett annat sätt att simulera en last, vanligt i laborativ miljö, är att byta ut cylindern eller motorn mot en strypning. Härigenom kommer all energi att strypas bort i strypningen och omvandlas till värme. En anledning att simulera en last är att testa pumpar och motorer som arbetar vid olika tryck och flöden i en laborativ miljö. Det är opraktiskt och dyrt att använda en cylinder eller motor som last. Det är betydligt billigare och mindre skrymmande att använda en enkel strypning som last. I exemplet nedan är pumpen testobjektet och man vill kunna testa pumpen med olika tryck och hastighet. En strypning kommer att användas i laboration 2 för att simulera en last men i den labben kommer en ventil att testas. Figur 6 Tre olika hydraulsystem med tre olika typer av laster; cylinder, motor och strypning. Förberedelseuppgift Cylindern i Figur 6 har samma konfiguration som uppgift 2 och har en last F = 70 kn och areorna A T = A 1 = 0,005. Det beräknade trycket p 1 blev i uppgift 2 14 MPa. Vilket moment M ska läggas på motoraxeln om samma tryck ska uppnås när cylindern byts ut mot en motor, se mellersta bilden i Figur 6? Varvtalet är 1500 rpm. Räkna förlustfritt och välj motordeplacement 80 cm 3 /varv. Hur stor ska stryparean i systemet till höger i Figur 6 vara för att samma tryck p 1 =14.0 MPa ska uppnås som ovan? Hur beräknas mekaniska uteffekten i de två vänstra bilderna i Figur 6? (Endast ekvationer) 11
Hur beräknas hydraulisk effekt mellan drivkälla och last för systemen i Figur 6? (Endast ekvationer) Modellera systemen Öppna en ny fil och kopiera systemet med pump som flödeskälla i uppgift 2 och ändra parameter värden. Bygg de övriga två systemen. Motorn hittas i bibliotek Hydraulic Pumps and Motors och har namnet Q-type Fixed Displacement Motor. Motorns parametervärden sätts till: Beräkna olika effekter med Hopsan: Öppna bibliotek Hydraulic Sensors och hitta Flow Rate Transducer och Pressure Transducer. Öppna bibliotek Mechanical Linear and Mechanical Rotational och hitta force/torque mätare för linjära respective angulära komponenter. I bibliotek Signals Arithmetics finns Multiply component. För att kunna övervaka värden vid en port måste porten vara inkopplad. Lägg till ett Scope som hittas i biblioteket Signals Sources and Sinks och koppla till utsignalen på Multiply komponenten. Undersök systemen Stämmer de beräknade värdena i förberedelseuppgifterna? Beräkna mekanisk uteffekt och den hydrauliska effekten mellan drivkälla och last för samtliga system där det är möjligt. Vad blir effekterna? Varför blir alla effekter lika stora? Har avsikten med strypningen som simulerar en last uppnåtts? Hur? 12