Cześć 3 - Obliczenia projektowe en

autor:   mgr inż. Tobiasz Gola - inżynier ds. badań i rozwoju  |  dr inż. Piotr Rosikowski - dyrektor centrum badań i rozwoju

Projektowanie układów hydraulicznych jest skomplikowanym oraz czasochłonnym procesem. Składa się z wielu etapów m. in. z: zebrania danych wejściowych, przeprowadzenia analizy tych danych, wykonania modelu 3D czy też z wykonania dokumentacji technicznej. Każdy z tych etapów jest niezwykle ważny i należy podejść do nich z wielką starannością i z dbałością o szczegóły. 

Dobór pompy

Wydajność pomp można określić przy wykorzystaniu wzoru:

\[Q = {q*n*\eta_v \over 1000}\]

gdzie:

$q$ - wymagana wydajność jednostkowa pompy  $[{cm^3 \over obr}]$

$n$ -prędkość obrotowa silnika elektrycznego $\$[\{obr\; \backslash over\; min\}]\$$

$Q$ -wydajność pompy $\$[\{l\; \backslash over\; min\}]\$$

$\eta_v$- objętościowa sprawność pompy

W celu obliczenia sprawności całkowitej pompy możemy się posłużyć poniższym wzorem:

\[\eta_c = {\eta_{hm} *\eta_v}\]

gdzie:

$η_c$- całkowita sprawnośc pompy
$η_{hm}$ - hydrauliczno-mechaniczna sprawnośc pompy

Dobór silnika

Wzór na moc dostarczoną przez pompy do obliczanego układu będzie miał postać:

\[N = {Q * p \over 600}\]

gdzie:

$Q$ - natężenie przepływu $\$[\{l\; \backslash over\; min\}]\$$
$p$ - ciśnienie cieczy roboczej $[bar]$
$N$ - moc dostarczona od układu $[kW]$

W pompach dochodzi do start energetycznych dlatego też każda z pomp charakteryzuje się swoją własną sprawnością. Do obliczenia zapotrzebowania mocy silnika elektrycznego należy posłużyć się wzorem:

\[N_z = {N \over \eta_c}\]

gdzie:

$N_z$ - zapotrzebowani na moc $[kW]$

Podczas doboru silnika elektrycznego należy wziąć pod uwagę jego sprawność.  Należy również pamiętać, aby przyjąć 10%-wy zapas mocy, po uwzględnieniu tych czynników wzory będą miały postać:

\[P ≥ {N_z \over \eta_s}\]

\[P_r ≥ {P * 1,1}\]

gdzie:

$P$ - wymagana moc silnika elektrycznego $[kW]$
$η_s$ - sprawność silnika elektrycznego
$P_r$ - rzeczywista wymagana moc silnika elektrycznego $[kW]$

Dobór zbiornika

Podczas doboru zbiornika należy mieć na uwadze w jakim rodzaju układu (otwarty czy zamknięty) będzie stosowany. Przyjmuje się, że zbiornik powinien mieć pojemność od 3 do 5 maksymalnej wydajności pompy pobierającej olej ze zbiornika.

$V = (3÷5) * Q_{max}$

gdzie:

$V$-wymagana wielkość zbiornika $[l]$
$Q_{max}$- maksymalna wydajność pompy $\$[\{l\; \backslash over\; min\}]\$$

Kolejnym ważnym czynnikiem który należy wziąć pod uwagę przy doborze wielkości zbiornika jest wolna przestrzeń nad olejem (poduszka powietrzna) której zadaniem rozkład piany powstającej podczas większych natężeniach przepływu. Na tę okoliczność pojemność zbiornika powinna być większa od 10 do 15% od objętości cieczy, a więc:

$V_R = V * 1,15 $ $[l]$

gdzie:

$V_R$ - rzeczywista wymagana wielkość zbiornika $[l]$

Dobór chłodnicy

Jak każdy problem konstrukcyjny, wybór własności fizykochemicznych cieczy roboczej dla konkretnego układu hydraulicznego zależy od wielu czynników, których ważność, dla zapewnienia poprawnej pracy systemu, musi być starannie wyważona. Utrzymanie pożądanych własności płynów przez określony okres zależy jednak w znacznym stopniu od ich temperatury w czasie pracy, która musi być utrzymywana w ściśle określonym zakresie. Tracona energia powoduje, oprócz nagrzewania się elementów układu, przyrost temperatury cieczy roboczej, spadek jej lepkości i w konsekwencji zmianę parametrów pracy całego układu – wydajności pomp, czasów działania elementów sterujących, sił potrzebnych do przesunięcia współpracujących części. Długotrwały wzrost temperatury powoduje ponadto pogorszenie warunków pracy uszczelnień, rozszczelnienia systemu, wzrost przecieków wewnętrznych i w efekcie spadek jego sprawności wolumetrycznej. Działa on również destrukcyjnie na sam płyn, powodując jego przyspieszona starzenie. Wszystkie te niekorzystne efekty powodują wzrost kosztów eksploatacji urządzeń hydraulicznych.

Na wstępie należy obliczyć ciepło odbierane przez zbiornik, które możemy opisać wzorem:

$P_B = (T_2 - T_1 ) * k * A$

gdzie:

$P_B$ - ciepło odbierane przez zbiornik $[kW]$
$T_1$ - temperatura otoczenia $[°C]$
$T_2$ - temperatura pracy $[°C]$
$k$ - przenikalność energii cieplnej $\$[\{kW\; \backslash over\; m^2\; *\; °C\}]\$<br>$

$A$ - czynna powierzchnia zbiornika $[m^2]$

Następnie należy obliczyć sprawność całkowitą układu. Dla  przypadku, gdzie przy pomocy agregatu hydraulicznego zasilany będzie siłownik to sprawność całkowita układu będzie składała się z:

• sprawności pompy hydraulicznej,
• sprawności siłownika,
• sprawności ciśnieniowych układu.

Straty mocy wpływają na ilość ciepła uwalnianego do układu, które możemy zapisać:

$N_t = (1-η_{ouh}) * N_z$

Od powyższej wartości należy odjąć ciepło odbierane ze zbiornika, a zatem:

$N_{tu} = N_t - P_B$

$N_{tu}$ - ilość ciepła jaką należy schłodzić $[kW]$
$N_t$ - straty mocy w układzie $[kW]$
$η_{ouh}$ - sprawność ogólna układu hydraulicznego

W przypadku wielu układów stacjonarnych, dla szybkiego oszacowania niezbędnej mocy chłodnicy, przyjmuje się założenie, że straty mocy wynoszą około 1/3 mocy zainstalowanej.

Zapraszamy do zapoznania się z kolejnymi artykułami dotyczącymi projektowania układów hydraulicznych:

Projektowanie układów hydraulicznych »

Część 1 - Proces projektowania układów hydraulicznych »

Część 2 - Elementy składowe agregatów hydraulicznych »

Pełną ofertę układów hydraulicznych znajdziecie Państwo na naszej stronie internetowej.

Kontakt z naszym Zespołem:

mgr inż. Tobiasz Gola
Inżynier ds. Badań i Rozwoju
Działu Badań i Rozwoju Układów Hydraulicznych
tel. 32 323 34 00 | e-mail: tobiasz.gola@ponar-wadowice.pl

dr inż. Piotr Rosikowski
Dyrektor Centrum Badań i Rozwoju
Centrum Badań i Rozwoju
tel. 32 323 34 00 | e-mail: piotr.rosikowski@ponar-wadowice.pl

DZIAŁ HANDLOWY - systemy hydrauliczne
tel. +48 32 323 34 00 | e-mail: systemy@ponar-wadowice.pl

DZIAŁ HANDLOWY - elementy hydrauliki siłowej
tel. +48 33 488 26 00 | e-mail: dok@ponar-wadowice.pl