ANALIZA EFICIENTEI SISTEMELOR DE ACTIONARI HIDRAULICE DE LA BORD

ANALIZA   EFICIENTEI SISTEMELOR DE ACTIONARI HIDRAULICE DE LA BORD

1. AVANTAJELE SI DEZAVANTAJELE SISTEMELOR DE ACTIONARI

HIDRAULICE, COMPARATIV CU ALTE SISTEME DE ACTIONARI

Transmisiile hidraulice si pneumatice au cateva caracteristici specifice, care le diferentiaza de alte tipuri de transmisii, explicand atat larga lor raspandire cat si restrictiile de utilizare.

1.1. Avantaje

Posibilitatea amplasarii motoarelor hidraulice volumice intr-o pozitie oarecare fata de masinile de forta constituie un avantaj major al transmisiilor hidraulice fata de cele mecanice, simplificand considerabil proiectarea masinilor de lucru. Elementele de comanda ale acestor transmisii solicita operatorilor forte sau momente reduse si pot fi de asemenea amplasate in locuri convenabile, conferind masinilor de lucru calitati ergonomice deosebite.

Cuplul realizat de motoarele electrice rotative este proportional cu intensitatea curentului absorbit, fiind limitat de incalzirea izolatiei si saturatia circuitului magnetic. Cuplul dezvoltat de motoarele hidraulice volumice rotative este proportional cu diferenta de presiune dintre orificiile energetice si este limitat numai de eforturile admisibile ale materialelor utilizate. Caldura generata de pierderile interne, care limiteaza performantele oricarei masini, este preluata de lichidul vehiculat si cedata mediului ambiant printr-un schimbator de caldura amplasat convenabil, astfel ca aceste masini au in mod obisnuit puteri specifice mai mari de 1 kW/kg. In acelasi timp, lichidele utilizate indeplinesc si rolul de lubrifiant, asigurand masinilor hidraulice volumice si transmisiilor realizate cu acestea o functionare indelungata.

Motoarele hidraulice volumice rotative pot functiona intr-o gama larga de turatii, valoarea turatiei minime stabile depinzand de tipul mecanismului utilizat, de tipul sistemului de distributie si de precizia executiei. Datorita valorii ridicate a randamentului volumic, caracteristica de turatie are o panta redusa, care confera motoarelor hidraulice volumice rotative o mare rigiditate (scaderea vitezei la cresterea momentului rezistent este mica). In sistemele de pozitionare, aceasta calitate asigura o precizie deosebita si un grad sporit de invarianta a performantelor stationare in raport cu variatia marimilor perturbatoare (momentul rezistent etc.).

Motoarele electrice realizeaza o legatura proportionala intre tensiune si turatie, iar raportul dintre momentul activ si cel de inertie are valori reduse. Motoarele hidraulice volumice rotative ofera o legatura liniara intre debit si viteza unghiulara cu o frecventa naturala mare, care le permite sa efetueze porniri, opriri si inversari de sens rapide, datorita valorii mari a raportului dintre momentul activ si cel de inertie. In ansamblu, transmisiile hidraulice asigura o amplificare mare in putere si un raspuns bun in frecventa, corespunzator aplicatiilor uzuale.

Motoarele hidraulice volumice liniare permit obtinerea unor forte considerabile cu un gabarit redus. Raportul dintre fortele active si fortele de inertie ale partilor mobile are valori ridicate, asiguriand o viteza de raspuns mare, obligatorie in sistemele de pozitionare rapida; randamentul volumic apropiat de unitate le asigura o mare rigiditate si o viteza minima stabila foarte redusa.

Reglarea parametrilor functionali ai motoarelor hidraulice volumice se face relativ simplu, utilizand pompe si elemente de circuit reglabile. Prin intermediul convertoarelor electrohidraulice, transmisiile hidraulice pot fi conduse cu automate programabile sau calculatoare de proces. Acest avantaj major este valorificat in prezent pe scara larga in domeniul masinilor-unelte, al robotilor industriali, in tehnica navala si aerospatiala etc. Elaborarea semnalelor de comanda se face optim pe cale electronica, iar executarea comenzilor pe cale hidraulica.

Motoarele hidraulice volumice rotative le concureaza pe cele electrice indeosebi in cazul masinilor de lucru mobile, unde gabaritul si greutatea componentelor trebuie sa fie minime. Motoarele hidraulice volumice liniare sunt de neinlocuit in toate cazurile care implica forte importante.

Stocarea energiei hidraulice se realizeaza simplu, cu ajutorul acumulatoarelor de lichid sub presiune.

Viteza si forta sau cuplul motoarelor pneumatice volumice pot fi reglate simplu si in limite largi. Realizarea unor cicluri functionale automate este posibila cu ajutorul elementelor logice pneumatice sau a convertoarelor electropneumatice discrete sau continue.

Fiind nepoluante, motoarele pneumatice volumice sunt larg utilizate in instalatiile nepoluante sau antiexplozive specifice industriei alimentare, chimice, miniere, petroliere etc.

Utilizarea pe scara larga a transmisiilor hidraulice si pneumatice creeaza posibilitatea tipizarii, normalizarii si unificarii elementelor acestora. Fabricatia de serie mare in intreprinderi specializate reduce costul asigurand in acelasi timp o calitate ridicata. [24]

1.2. Dezavantaje

Desi transmisiile hidraulice ofera numeroase avantaje, cateva dezavantaje tind sa limiteze utilizarea lor.

Transmisiile hidraulice sunt scumpe deoarece includ, in afara pompelor si motoarelor volumice, elemente de comanda, reglare si protectie, elemente de stocare, filtrare si transport al lichidului. Majoritatea acestor componente solicita o precizie de executie ridicata, specifica mecanicii fine, materiale si tehnologii neconventionale necesare asigurarii etanseitatii, preciziei, randamentului si sigurantei functionale impuse.

Pierderile de putere care apar datorita transformarilor energetice din masinile hidraulice volumice si din elementele de reglare si protectie, precum si datorita curgerii lichidului intre componentele transmisiilor, afecteaza randamentul global al instalatiilor deservite.

Transmisiile hidraulice sunt poluante deoarece prezinta seurgeri, existad intotdeauna pericolul pierderii complete a lichidului datorita neetanseitatii unui element. Ceata de lichid care se formeaza in cazul curgerii sub presiune mare prin fante si fisuri este foarte inflamabila datorita componentelor volatile prezente in hidrocarburile care constituie baza majoriatii lichidelor utilizate in aceste sisteme.

Pericolul autoaprinderii lichidului sau pierderii calitatilor sale lubrifanite limiteaza superior temperatura de functionare a transmisiilor hidraulice. Acest dezavantaj poate fi evitat prin utilizarea lichidelor de inalta temperatura sau a celor ignifuge, concepute relativ recent.

Contaminarea lichidelor constituie principala cauza a iesirii din functionare a transmisiilor hidraulice. Daca contaminantul este abraziv, performantele sistemului se reduc continuu. Infundarea orificiilor de comanda ale elementelor de reglare furnizeaza semnale de comanda false care pot provoca accidente grave. Patrunderea aerului in lichidul sub presiune genereaza oscilatii care limiteaza sever performantele dinamice ale sistemelor hidraulice.

Intretinerea, depanarea si repararea transmisiilor hidraulice solicita personal cu o calificare superioara celei necesare altor tipuri de transmisii.

Complexitatea metodelor de analiza a transmisiilor hidraulice nu permite elaborarea unei metodologii de proiectare accesibila fara o pregatire superioara, limitand astfel complexitatea acestor sisteme.

Transmisiile pneumatice au ca principal dezavantaj randamentul foarte seazut. Nivelul redus al presiunii de lucru limiteaza fortele, momentele si puterile transmise. Compresibilitatea gazelor nu permite reglarea precisa cu mijloace simple a parametrilor functionali, indeosebi in cazul sarcinilor variabile. Aerul (gazul) nu poate fi complet purificat, contaminantii provocand uzura si coroziunea continua a elementelor transmisiei. Apa, prezenta intotdeauna in aer, pune in mare pericol functionarea sistemelor pneumatice prin inghetare.

Transmisiile pneumatice le concureaza pe cele electrice la puteri mici, indeosebi in cazurile cind sunt necesare deplasari liniare realizate simplu cu ajutorul cilindrilor pneumatici.

Alegerea tipului optim de transmisie pentru conditii concrete date reprezinta in general o problema de natura tehnico-economica, a carei solutionare corecta presupune cunoasterea detaliata a tuturor solutiilor posibile. [24]

1.3. Avantajele si dezavantajele actionarilor hidraulice utilizate la instalatiile navale de

guvernare, ridicare sau stabilizare

Transmisiile hidrostatice, comparativ cu alte transmisii - mecanice, electrice si hidromecanice - prezinta urmatoarele avantaje:

Variatia continua a raportului de transmitere intre motorul de antrenare (electric, termic, etc.) si organul actionat;

Variatia fara trepte a momentului face posibila pornirea la sarcina maxima, fara decuplarea organului de executie;

Transmiterea de forte mari la gabarite relativ mici ale transmisiei;

Modificarea turatiei de antrenare, fara intreruperea fortei de tractiune (elimina ambreiajele si cutiile de viteza);

Posibilitatea amplasarii motoarelor hidraulice la orice distanta fata de pompa hidraulica;

Usurinta inversarii raportului de transmitere si realizarea aceleiasi viteze in ambele sensuri;

Reducerea efectului inertiei maselor;

Obtinerea turatiilor oricat de mici la sarcini mari, pana la starea de repaus, fara franare mecanica;

Utilizarea motoarelor de antrenare in zonele sale economice;

Posibilitatea de automatizare, disipare usoara a caldurii, protejarea la suprasarcini, supravegherea usoara, comanda simpla si centralizata intr-un singur loc, ales dupa dorinta.

2. MASURI CONSTRUCTIVE CE SE POT LUA PENTRU IMBUNATATIREA

EFICIENTEI ECHIPAMENTELOR HIDRAULICE

Analiza eficientei curgerii fluidului de lucru prin elementele echipamentului hidraulic

In structura tuturor componentelor sistemelor hidraulice se intalnesc, in mod invariabil, unele elemente comune: [14]

Orificii fixe sau variabile, singulare sau multiple;

Fante fixe sau variabile;

Contacte hidraulice variabile, singulare sau multiple.

Orificii

Curgerea unui debit Q [cm³/s] printr-un singular de sectiune A [cm²] se datoreste (figura 1) unei tensiuni hidraulice numita cadere de presiune Δp = p_i - p_e [daN/cm²] si este caracterizata in general printr-o lege de forma:

in care: c_d = 0,7, ρ = densitatea lichidului, m = 1 pentru curgere laminara si m = 0,5 pentru curgere turbulenta.

a)  b) c) d)

Figura 1.

Pentru determinarea elementelor necunoscute ale curgerii unui lichid printr-un numar n de orificii multiple (figura 2), este necesara rezolvarea sistemului de ecuatii:

Figura 2

In acest caz p_i3 = p_i2 = p_e1. Cunoscute sunt p_i1, p_e2 si p_e3 iar necunoscute sunt Q₁, Q₂, Q₃ si p_e1.

Fante

Curgerea unui debit Q [cm³/s] printr-o fanta de un profil oarecare se datoreste de asemenea unei caderi de presiune Δp = p_i - p_e [daN/cm²], dar este caracterizata, in general, printr-o lege liniara de forma:

unde: reprezinta un coeficient de pierderi prin neetanseitati. [14]

Contacte hidraulice (spatii de curgere cuprinse intre piesele mobile si cele fixe ale aparatelor)

Contactul hidraulic singular se caracterizeaza printr-o lege de curgere de forma (1), in care de data aceasta aria de curgere A este functie de deschiderea x a contactului, iar debitul nu mai este o functie numai de Δp ci si de x:

Ecuatia (4) exprima o legatura neliniara intre Q, x, si Δp chiar daca m ar fi egal cu 1, datorita produsului dintre variabilele A(x) si Δp. Intr-un domeniu ingust de variatie a deschiderii x, relatia (6.4) poate fi adusa la una din urmatoarele forme liniarizate:

in care: - gradientul de debit;

- gradientul de presiune;

- coeficientul de amplificare a debitului;

- coeficientul de amplificare a fortei;

- suprafata pistonului actionat.

Contactul hidraulic multiplu caracterizeaza in fapt distribuitoarele hidraulice (cu sertar sau clapeta ajutaj) folosite in sistemele hidraulice de actionare sau reglare automata. Spre deosebire de contactul singular, in acest caz intervin, intr-o functionalitate unica, curgeri simultane printr-un ansamblu de contacte, conectate intre ele in serie si/sau in paralel. Pentru determinarea relatiei de interes Q = f(x, Δp), in care Δp = p_i - p_m (iar p_m este caderea de presiune in motorul hidraulic actionat), trebuie luate in considerare curgerile posibile nu numai prin contactul (distribuitorului) care face legatura dintre pompa si intrarea motorului, ci si prin toate contactele ce se modifica solidar (cu aceeasi variatie a deschiderii x) cu contactul mentionat, aflate in amonte sau in aval de acestea. Situatiile intalnite in practica sunt numeroase, ele depinzand de urmatorii factori principali: tipul sursei de alimentare (cu presiune constanta sau cu debit constant), tipul distribuitorului (cu sertar - cu 1, 2, 4 muchii active - sau cu clapeta ajutaj), tipul motorului actionat (diferential sau nediferential), tipul de sertar (cu acoperire pozitiva, nula sau negativa, simetrica sau asimetrica).

Ecuatia caracteristica neliniarizata a distribuitoarelor cu acoperire negativa alimentate la presiune constanta poate fi exprimata in forma generala:

in care: x_o [cm] reprezinta acoperirea negativa a sertarului;

D [cm] reprezinta diametrul sertarului, la muchia activa.

In figura 3 sunt sintetizate sase dintre cele mai caracteristice distributii cu sertar utilizate in practica industriala: [14]

Figura 3

Relatia (6) exprimata pentru cazul sertarului cu patru muchii active alimentat in presiune constanta p_i (conform datelor din tabelul urmator) se poate aduce la forma (6.7):

in care trebuie sa se tina seama ca variabilele sunt exprimate sub forma adimensionala:

In cazul sertarului cu patru muchii active, alimentat in debit constant Q_i, ecuatia caracteristica neliniarizata este:

in care trebuie sa se tina seama ca variabilele sunt exprimate sub forma adimensionalizata:

Ca si in situatia contactului singular, in practica este deseori necesar sa se aduca ecuatia (6) sau (7) la o forma liniarizata. Pentru functionarea intr-un domeniu ingust de variatie a deschiderii x. Aceasta necesitate apare in legatura cu modelarea matematica a sistemelor hidraulice (mai ales a celor de reglare automata), in scopul analizarii lor in regim dinamic. Prin derivarile partiale ale ecuatiei generalizate (6), in conformitate cu definitiile date ale coeficientilor de amplificare c_o¸ E_o, se ajunge la substituirea ecuatiei neliniarizate (6) cu una liniarizata de forma:

Valorile coeficientilor de amplificare c_o si E_o sunt determinate in functie de constructia distribuitorului. [14]

Pentru exemplificare vom considera distribuitorul 4/3 prezentat in figura 4.

Figura 4

In figura 5 sunt prezentate cele 3 pozitii de comutare ale distribuitorului.

Ne propunem sa studiem caderea de presiune intre doua pozitii de trecere ale distruibuitorului, pentru trei solutii constructive de distribuitor, dupa cum urmeaza:

Distribuitor la care sertarul este cu muchie dreapta, figura 6.a);

Distribuitor la care sertarul este cu usor conica, figura 6.b);

Distribuitor la care sertarul este cu muchie rotunjita, figura 6.c).

Consideram distribuitorul aflat in pozitia 3. Fluidul de lucru va curge de la pompa P spre conducta A (figura 7) cu un debit constant de 4.5 m³/h. Distribuitorul are dimensiunile sertarului prezentate in figura 8, diametrul orificiilor prin care circula fluidul fiind de 10 mm.

Figura 8

Cu ajutorul programului COSMOS FloWorks 2005 analizam curgerea fluidului prin distribuitorul prezentat anterior. Domeniul de analiza cuprinde volumul intern prin care circula fluidul incadrat intr-un cub ca in figura 9. Conditiile limita sunt: la intrare, prin orificiul pompei, este introdus un debit de fluid reprezentat prin sageti rosii in figura 9, iar la iesire fluidul va intampina o presiune statica reprezentata prin sageti albastre.

Figura 9

Pentru modelul din figura 6.a) se obtin urmatoarele rezultate grafice:

Curgerea pe o sectiune din volumul de lichid dispusa pe planul frontal:

Reprezentarea pe contur, figura 10.a);

Reprezentarea pe contur impreuna cu vectorii de viteza, figura 10.b);

Reprezentarea liniilor de fluid:

In plan frontal, figura 10.c);

Pe partea inferioara a sertarului (partea opusa orificiilor), figura 10.d);

Pe partea superioara a sertarului, figura 10.e);

In perspectiva, figura 10.f);

Graficele de variatie a parametrilor fluidului pe o curba din interiorul distribuitorului, paralela cu sertarul:

Variatia, vitezei figura 10.g);

Variatia, presiunii figura 10.h).

a)

b)

g)

h)

Figura 10

Pentru modelul din figura 6.b) se obtin urmatoarele rezultate grafice:

Curgerea pe o sectiune din volumul de lichid dispusa pe planul frontal:

Reprezentarea pe contur, figura 11.a);

Reprezentarea pe contur impreuna cu vectorii de viteza, figura 11.b);

Reprezentarea liniilor de fluid:

In plan frontal, figura 11.c);

Pe partea inferioara a sertarului (partea opusa orificiilor), figura 11.d);

Pe partea superioara a sertarului, figura 11.e);

In perspectiva, figura 11.f);

Graficele de variatie a parametrilor fluidului pe o curba din interiorul distribuitorului, paralela cu sertarul:

Variatia vitezei, figura 11.g);

Variatia presiunii, figura 11.h);

a)

b)

g)

h)

Figura 11

Pentru modelul din figura 6.c) se obtin urmatoarele rezultate grafice:

Curgerea pe o sectiune din volumul de lichid dispusa pe planul frontal:

Reprezentarea pe contur, figura 12.a);

Reprezentarea pe contur impreuna cu vectorii de viteza, figura 12.b);

Reprezentarea liniilor de fluid:

In plan frontal, figura 12.c);

Pe partea inferioara a sertarului (partea opusa orificiilor), figura 12.d);

Pe partea superioara a sertarului, figura 12.e);

In perspectiva, figura 12.f);

Graficele de variatie a parametrilor fluidului pe o curba din interiorul distribuitorului, paralela cu sertarul:

Variatia vitezei, figura 12.g);

Variatia presiunii, figura 12.h);

a)

b)

g)

h)

Figura 12

Se observa ca in urma celor trei seturi de analize efectuate s-au obtinut rezultate diferite. Analiza a avut ca scop determinarea solutiei constructive optime din punctul de vedere al curgerii fluidului prin fantele, orificiile si contactele hidraulice.

Cel mai dezavantajos distribuitor este cel prezentat in cazul B, in care liniile de fluid se distribuie inegal pe suprafata tijei cuprinsa intre doua pistoane ale distribuitorului hidraulic. Aceasta distributie neuniforma determina solicitari diferite asupra sertarului in planuri diferite care vor duce la deteriorarea rapida a mecanismelor de centrare si actionare a distribuitorului, vor creea uzuri inegale a suprafetelor sertarului si vor duce la aparitia scurgerilor de fluid intre pistoanele acestuia.

CONCLUZII

Pe parcursul lucrarii, constituita din sapte capitole, am parcurs probemele principale ce tin de sistemele de actioari hidraulice, astfel:

In capitolul I, pentru a putea aprecia corect prioritatea si necesitatea actionarilor hidraulice utilizate la bordul navei am prezentat principalele misiuni si caracteristici tehnice ale acesteia.

Din multitudinea de instalatii hidraulice de la bordul fregatei, le-am prezentat in capitolul II, pe acelea fara de care nava si armamentul acesteia nu ar putea functiona si misiunie acesteia nu ar putea fi indeplinite.

In capitolul III am prezentat simboluile hidraulice utilizate atat in documentatia tehnica de la bordul navei cat si la nivel national si international ca standarde STAS si respectiv ISO.

Am ales din cadrul instalatiei de guvernare si stabilizare de la bordul navei doua tipuri de pompe si un tip de cilindru hidraulic pe care le-am proiectat in capitolul IV si V, utilizand la efectuarea calculelor programul MathCAD. Valorile parametrilor obtinute in urma calculelor, se incadreaza in domeniul de valori corespunzatoare echipamentelor proiectate si se apropie de valorile parametrilor inregistrati la echipamentele de la bordul navei.

In capitolul VI am prezentat echipamentul de distributie, reglare si cel auxiliar, fiecare din aceste elemente fiind intalnite in sistemele de actionari hidraulice de la bordul navei.

In finalul lucrarii am prezentat avantajele sistemelor de actionari hidraulice comparativ cu alte sisteme de actionari si am studiat o problema de curgere a fluidului printr-un distribuitor hidraulic cu scopul de a prezenta solutia constructiva cea mai eficienta. Analiza am efectuat-o cu ajutorul programelor SolidWorks si COSMOS FloWorks rezultatele fiind prezentate sub forma grafica. Aceste doua programe pot constitui instrumente destul de utile atat studentilor cat si profesorilor, pentru realizarea de modele si prezentari electronice ale instalatiilor si echipamentelor studiate la orele de curs beneficind din plin de avantajele unei prezentari tridimensionale ce ar putea inlocui cu usurinta atat laboratoarele cat si standurilor experimentale.

Pe baza modelului de analiza prezentat in capitolul VII mai departe se pot analiza si studia si alte echipamente hidraulice si nu numai, atat din punct de vedre al curgerii fluidelor de lucru cat si din punct de vedere al solicitarilor termice si mecanice.

ABSTRACT

This work presents the principal questions about the hydraulic systems witch equip the 22 class frigates. The work is structured in seven chapters.

In the first chapter I presented the mission of the 22 class frigates and its main technical characteristics.

In the second chapter I chose from all the hydraulic systems on board the ship the steering and the stabilizing systems because without them the ship will not be able to accomplish its missions.

In the third chapter I presented the hydraulic symbols used in hydraulic diagrams in province with British Standard, STAS and ISO.

Using MathCAD software, in the forth chapter I designed two hydraulic generators and an actuator in the fifth chapter. The values of the parameter that I obtained can be compared with the values from the technical documentation.

In the sixth chapter I chose to present the auxiliary hydraulic equipment (distributors, valves, accumulators and filters).

In the last chapter I presented the advantages and disadvantages of the hydraulic systems compared with the mechanical and electrical systems. Also I made a study of a flowing problem in a distributor. Using SolidWorks and COSMOS FloWorks software I analyzed the flow of the hydraulic fluid across the piston of the distributor.