Rezistente reglabile

Tip

Reprezentare schematica

Constructie cu rezistente sertar

A

B

C

D

Totalitatea semipun ilor posibile au fost clasificate īn cinci grupe: A,B,C,D i E (Tabelul 1.4).

Aceste semipun i pot avea rezisten e diafragmatice reglabile (linie īntrerupt dubl ), sau nereglabile (fixe).

Sensul s ge ii (care indic reglabilitatea), define te sensul de varia ie a sec iunii rezisten ei, pentru un sens dat al deplas rii de comand

Comanda ambelor camere ale unui motor se realizeaz prin combinarea arbitrar a cāte dou tipuri de semipun i (Tabelul 1.5).

1.5.1. Comportarea dinamic a rezisten ei

Unul dintre criteriile de performan dinamic din teoria sistemelor [31], este acela al timpului de īntārziere īn r spuns la o solicitare de tip treapt

Īn cazul unei rezisten e hidraulice de comand , aceasta īnseamn timpul de īntārziere al varia iei debitului, la o varia ie treapt a sec iunii S_R.

Īntre aceste dou m rimi exist o comportare propor ional , PT₂, corespunz toare unui sistem oscilant, cu īntārziere de ordinul II (sistemul are mas , elasticitate i frec ri) (Figura 1.13).

Datorit dificult ilor experimentale (varia ia brusc a sec iunii i m sur rii complicate a dinamicii debitului), īn ecua ia diferen ial se neglijeaz termenul asociat elasticit ii lichidului (se ia īn considerare numai iner ia i frecarea). Rezult , īn acest fel, o comportare propor ionalā PT₁ cu īntārziere de ordinul I (Figura1.14), caracterizat de timpul de īntārziere T, pentru care, Ciuprakov a determinat valoarea:

unde:

m este masa lichidului accelerat,

A - aria de strangulare maxim a jetului,

c - coeficient de amortizare.

Din rela ia de mai sus, rezult o dependen invers p tratic īntre T i Dp, ceea ce īnseamn c , pentru a ob ine un timp cāt mai scurt trebuie m rit diferen a de presiune Dp.

Diferen a de presiune nu poate fi crescut nelimitat. Valoarea lui Dp pe o rezisten se limiteaz la 35 bar. Aparatul, avānd dou muchii de comand active, c derea de presiune este de 70 bar.

Cre terea lui Dp, īn scopul mic orarii lui T are īns , o consecin nedorit , sc derea corespunz toare a randamentului.

Un rol esen ial īn acest sistem īl are tipul de actuator, dinamica lui proprie, dar i masele īn mi care i rigiditatea arcului (Figura 1.15).

. 1.5.3. Problema for elor care ac ioneaz asupra sertarului suport al muchiei de comand

Asupra sertarului ac ioneaz for a actuatorului, F_a, for a arcului F_k, for a hidrodinamic F_hd, for ele de frecare (Newton-ian i Coulomb-ian ), F_f i, īn perioada deplas rii for ele masice, F_m (Figura 1.16).

Dac for ele dezvoltate de actuator, arc, precum i for ele de iner ie nu prezint specificit i pentru tehnica propor ional , for ele de frecare i, īn special for ele hidrodinamice, au o pondere deosebit

Aceast stare se rezolv printr-un reglaj automat de pozi ie a sertarului, ceea ce implic prezen a unui regulator electronic i a unui senzor (Figura 1.22).

Īn procesul de curgere al uleiului prin rezisten ele hidraulice de comand apar for e, datorate abaterilor de form , impurit ilor, frec rilor, de impuls, etc.

Īn general, aceste for e au o influen major asupra performan elor aparatelor, precum i a posibilit ii de reglare a debitului, ceea ce prezint o importan deosebit , īn special īn tehnica propor ional , acolo unde se cere asigurarea unei deschideri precise a rezisten ei, care se realizeaz prin intermediul actuatorilor propor ional. Din acest motiv, tratarea for elor care ac ioneaz asupra rezisten elor hidraulice trebuie ata at celor dezvoltate de c tre motorul (actuatorul) de pozi ionare, ceea ce permite studierea influen ei acestora asupra procesului de comand i reglare a energiei hidraulice.

Īn tehnica propor ional , asigurarea deschiderilor programate ale rezisten elor hidraulice se face prin intermediul unor motoare (actuatoare) de pozi ionare, numite i convertoare electromecanice. Acestea trebuie s realizeze conversia unei m rimi electrice (tensiune sau curent) īntr-o m rime mecanic de comand (deplasare sau for ), cu asigurarea propor ionalit tii īntre ele.

Aceste orient ri de cercetare sunt comune i rezisten elor hidraulice de comand . Aici, pentru cre terea dinamicii, conform rela iei 1.28, se urm re te cre terea diferen ei de presiune pe rezisten Dp, p n la limita apari iei fenomenului cavita ional.

Din punct de vedere al direc iei de ac iune asupra rezisten elor hidraulice, for ele pot fi radiale sau axiale. Ele se manifest fie n regim sta ionar, fie nesta ionar (tranzitoriu). Studiul asociat acestora este unul deosebit de complex i sensibil, datorit multitudinii parametrilor i fenomenelor a c ror influen este uneori aleatoare (de exemplu temperatura), iar alteori contradictorie (diferen a de presiune). Un alt impediment major, str ns legat de cele prezentate anterior, este acela al complexit ii deosebite a model rii matematice a curgerii. Aceste considerente conduc activitatea de cercetare spre g sirea unui compromis ntre ele.

3.2.For ele radiale pe rezisten ele hidraulice

For ele radiale, (laterale) ac ioneaz perpendicular pe direc ia de īnaintare a rezisten ei. Īn func ie de m rimea lor, acestea pot produce o cre tere a frec rii, care poate evolua p n la īn epenirea sertarului.

For ele radiale ac ioneaz perpendicular direc ia axului rezisten ei. Acestea sunt neglijabile pentru un sertar perfect cilindric, dar se manifest puternic n prezen a unei excentricita i. Intensitatea acestora merge de la o cre tere a frec rii, p n la n epenire.

Excentricitatea poate fi ob inut datorit erorilor de prelucrare, sau n prezen a impurit ilor care p trund īn intersti iul dintre sertar i corp. M rimea impurit ilor are acela i efect ca al excentricit ii.

For ele radiale pot fi reduse prin cāteva m suri constructive:

ele axiale care ac ioneaz pe rezisten ele hidraulice, sunt de iner ie, de frecare sau hidrodinamice.

Pān nu de mult, datorit maselor mici ale sertarului i a faptului c for ele de iner ie sunt u or de calculat se considera influen a lor asupra comport rilor statice i dinamice ale aparatelor de comand a energiei hidraulice ca fiind neglijabil . Tendin a actual de reducere a maselor īn mi care, īn scopul cre terii performan elor dinamice a f cut ca acest tip de for e s reintre īn aten ia cercet torilor. Frecven a proprie a ansamblului mobil, de mas total m, format din arm tura mobil a electromagnetului i sertar, care ac ioneaz īmpotriva unui arc avānd constanta k, este dat de ecua ia:

(3.2)

Practic s-a demonstrat faptul c reducerea frec rii s-ar putea face prin dou metode: fie prin aplicarea unor oscila ii plunjerului, fie prin introducerea unor mi c ri de rota ie ale plunjerului. Frecvent, se folosesc oscila ii axiale de amplitudine mic dar frecven ridicat , numite semnal Diether, care au permis ob inerea unor reduceri substan iale ale for ei de frecare. Semnalul Diether se recomand a avea amplitudini de ordinul a 10-20% din aceea a semnalului de comand (I_N) i frecven e mult superioare celei mai īnalte posibile a acestuia. Īn general, semnalul Diether are frecven e aproximativ de dou ori celei proprii ansamblului mobil (75-200 Hz). n cazul īn care stratul laminar nu este suficient de rezistent, oscila iile prezint dezavantajul de a accelera uzura suprafe elor.

Utilizarea metodei rotirii sertarului este limitat de considerente constructive, fiind necesar un sistem de antrenare mult prea preten ios. Īn ultimii ani a ap rut o nou metod de reducere a for elor Coulomb-iene, care const īn impregnarea sertarului cu substan e care se depun sub forma unor pelicule lichide fine, av nd reziste mare la uzur

O alt metod este aceea prin care se īncearc compensarea acestor for e cu ajutorul reglajului de pozi ie, prezentat schematic īn figura 1.22.

3.3. For ele hidrodinamice

Datorit importan ei deosebite i a puternicei influen e pe care o au asupra procesului de curgere, precum i asupra comandabilit ii debitului, for ele hidrodinamice reprezint unul dintre principalele obiective de cercetare pe care autorul le-a urm rit n aceast lucrare.

For ele hidrodinamice se manifest īn cadrul procesului de curgere a lichidului, prezent nd tendin a de a se opune celei dezvoltate de c tre actuator, deci aceea de a "īnchide" rezisten a hidraulic , av nd, la debite mari, valori comparabile, sau chiar superioare for ei dezvoltate de actuator. Aceasta conduce la imposibilitatea comandabilit ii debitului, chiar i īn cazul utiliz rii reglajului de pozi ie.

Influen a for elor hidrodinamice se face sim it n special la deschideri mici ale rezisten elor, deci, n domeniul predilect al tehnicii propor ionale i servohidraulicii.

Pentru deschideri mici ale rezisten ei, for a este pozitiv , urcānd spre un maxim i revenine la zero [19] (Figura 3.3).

Pentru deschideri mari ale rezisten ei aceasta este negativ , tinz nd spre 0.

Īn principiu, a a cum s-a ar tat n capitolul introductiv, for ele hidrodinamice apar datorit dezechilibr rii balan ei de presiuni pe umerii rezisten elor (Figura 3.4).

Studiul calitativ al for elor hidrodinamice s-a f cut pe baza cātorva ipoteze

- fluid incompresibil;

- vāscozitate neglijabil

-l rgimea periferic a orificiului este mai mare decāt lungimea axial

Aceste ipoteze, permit s se considere curgerea bidimensional . De asemenea, curgerea se consider cvasista ionar īn zona situat īn amonte de orificiu.

n cazul intr rii uleiului pe muchia de comand (Figura 3.5), poten ialul la intrare provoac o accelerare a particulelor de lichid la viteza medie:

a rezultant va avea valoarea:

Deci, conform ecua iei, dac cosQ > cosQ for a hidrodinamic axial , devine negativ

Īn rezisten ele de tip duz -clapet for ele care ac ioneaz asupra clapetei sunt: for a hidrodinamic , avānd expresia:

(3.15)

i for a de presiune avānd forma:

. (3.16)

Primul termen din rela ia 3.16 este for a de presiune asupra proiec iei pe clapet a cilindrului de diametru d, iar al doilea termen este for a de presiune īn zona inelar , considerānd reparti ia presiunii ca fiind liniar

For a total se exprim cu rela ia:

. (3.17)

Dependen a for ei totale fa de deschiderea clapetei, pentru cele dou variante constructive de rezisten e de tip "duz -clapet " este prezentat īn figura 3.19.

Īn cazul rezisten elor de tip "cartu ", ac ioneaz acela i tip de for e ca īn cazul rezisten elor de tip sertar.

Dup cum reiese din figura 3.20 for a total pe rezisten a de tip "cartu " va fi:

, (3.18)

unde:    

(3.19)

3.4. For e īn regim nesta ionar

For ele īn regim nesta ionar care ac ioneaz asupra aparatelor de comand a energiei hidraulice sunt datorate instabilit ii curgerii, create de for ele īn regim sta ionar, īn regim tranzitoriu, sau datorit fenomenului de rezonan

Instabilitatea curgerii este un fenomen īntālnit frecvent la majoritatea fluidelor, cu excep ia celor foarte vāscoase i apare, la trecerea dintr-un regim de curgere īntr-altul, fiind īnso it de fenomene tranzitorii.

Īn instala iile hidraulice, cu toate c modific rile de curgere se fac rapid, instabilitatea dat aceasta se manifest cu o intensitate mic , cu excep ia cazului cānd se suprapune peste aceea dat de alte cauze.

Acest fenomen devine mai pregnant dac frecven a fenomenelor tranzitorii este egal cu aceea a ventilului, caz n care apare fenomenul de rezonan

Regimul tranzitoriu determinat de for ele de presiune, apare frecvent la ventilele de sens, unde exist posibilitatea curgerii īn ambele direc ii. La un " ut" de presiune, se manifest apari ia unei for e care tinde s īnchid ventilul. Aceast for este creat voluntar, pentru a se ob ine un efect de "basculare", īn scopul deplas rii unor mase mari, cum ar fi ac ionarea meselor ma inilor unelte.

Īn unele cazuri, un ventil, echilibrat static, īn absen a curgerii, se va dezechilibra i va tinde s devin instabil īn prezen a ei. Problemele privind instabilitatea curgerii pot apare atunci cānd jetul de fluid iese direct īntr-o camer mare. Regimul tranzitoriu īn acest caz, este dat de componentele tranzitorii ale for elor hidrodinamice

Din rela iile 3.8 i 3.9, se poate exprima for a hidrodinamic sub forma:

(3.20)

unde:   

. (3.21)

Componenta static a for ei hidrodinamice este independent de sensul de curgere al uleiului prin prin rezisten , fiind egal , īn ambele variante prezentate īn figura 3.21.

Spre deosebire de aceasta, componenta dinamic este dependent de sensul de parcurgere al rezisten ei hidraulice de c tre lichid. Dac coeficientul k₂ este pozitiv (figura 3.21 a), amortizarea este pozitiv , sertarul se g se te īn echilibru static, iar dac el este negativ (figura 3.21 b), amortizarea este negativ , sertarul este īn dezechilibru static.

Pentru a avea sertarul īn echilibru static, este necesar ca lungimile de amortizare pozitive s fie mai mari decāt lungimile negative.

Considerānd ventilul echilibrat static, asupra lui ac ioneaz o for dat de diferen a de presiune pe extremit i F₁, dezechilibrul rezultat de la for a īn regim sta ionar F₂, for a hidrodinamic īn regim sta ionar F₃, for a necesar pentru accelerarea fluidului F₄, for a necesar pentru accelerarea sertarului F₅, for a necesar pentru accelerarea fluidului F₆, for a necesar īnvingerii frec rii vāscoase īntre sertar i corp F₇ i for a exercitat pe piston de c tre resortul K F₈.

For ele F₂, F₃ i F₈ sunt for e ale c ror efecte sunt echivalente ac iunii unui resort (prima for este ca un arc cu ac iune negativ , iar celelalte cu ac iune pozitiv ). Se poate exprima suma lor cu expresia:

ele F₅ i F₆ sunt for e iner iale i sunt propor ionale cu d²x/dt²:

a F₇ corespunde unei for e de amortizare pozitiv , iar F₄ uneia negative.

For a total va avea forma:

A a cum se poate observa, aceast ecua ie corespunde unui sistem cu īntārziere de ordinul doi, care poate fi dinamic stabil sau instabil, īn m sura īn care B este pozitiv sau negativ.

Problematica lui B este dependent de lungimea de amortizare, L. A a cum s-a ar tat, īn paragraful privitor la componentele nepermanente ale for elor hidrodinamice, lumgimile de amortizare pozitive trebuie s fie mai mari decāt cele negative (Figura 3.19), pentru ca un ventil s fie stabil.

Aceast solu ie este practicat de majoritatea produc torilor de aparatur hidraulic propor ional , pentru ventile distribuitoare i pentru pilotul ventilelor de reglare a presiunii.

1.5.4. Problema cavita iei īn rezisten ele hidraulice

Fenomenul cavita ional reprezint un caz tipic de interdisciplinaritate. Īn principiu, el const īn apari ia, dezvoltarea, urmat de dispar ia bulelor de gaz din volumul lichidului. Probabilitatea maxim de apari ie a lui, este legat , conform ecua iei lui Bernoulli:

de cre terea vitezei, ceea ce, determin sc derea presiunii statice, īn zona maxim contractat a jetului de lichid. Sc derea presiunii statice sub valoarea presiunii de vaporizare p_vap, duce la formarea bulelor de vapori īn volumul de lichid. Īn timp, aceste bule cresc īn volum, pān cānd, īn procesul de curgere ajung īn zone de presiune superioare lui p_vap. Īn acest moment are loc o ultima faz a cavita iei, dispari ia, prin implozie (surparea pere ilor), a bulei de gaz.

Se cunoa te faptul c implozia este īnso it de degaj ri masive de temperatur 1800 K), unde de presiune (generate de caracterul pulsatoriu al bulelor de gaz), ocuri mecanice (datorate jeturilor lichide). Toate acestea, concentrate pe o suprafa mic a unui material duc, īn timp, la uzura i chiar distrugerea acestuia.

Īn cadrul ac ion rilor hidraulice, prezen a fenomenului cavita ional are implica ii majore asupra comandabilit ii debitului. El se manifest , cu prec dere la diferen e mari de presiune pe rezisten , īn cazul deschiderilor mici ale acestora. Din acest motiv, diferen a de presiune pe rezisten nu poate fi crescut oricāt de mare, a a cum s-a mai ar tat, aceasta fiind limitat

Īn figura 1.23 se observ faptul c o cre tere a diferen ei de presiune Dp, duce, conform ecua iei lui Bernoulli (1.39), la cre terea debitului Q, implicit, la sc derea presiunii p_d. Aceasta se m soar īn tubul plasat īn imediata apropiere a intr rii lichidului īn duz (zona īn care suprafa a transversal a jetului este minim ), considerat a fi zona de maxim probabilitate de apari ie a cavita iei.

Dahm a ar tat c descre terea lui presiunii p_d are loc, liniar, pān la momentul de incipien cavita ional. Acesta apare numai īn cazul īn care, p_d scade sub o anumit limit , dat de o diferen de presiune Dp (Dp_cav). Aceast valoare a lui Dp define te incipien a cavita ional . Cre terea īn continuare a diferen ei de presiune Dp, are ca efect, sc derea brusc a lui p_d.

Īn acela i timp, odat cu m rirea lui Dp, are loc o cre tere a debitului Q, pān la atingerea aceluia i moment de incipien a cavita ional, unde atinge valoarea Q_cav. Īn zona cavita ional se observ faptul c debitul nu mai cre te cu cre terea lui Dp r mānānd constant la valoarea Q_cav.

Deci, īn cazul rezisten elor hidraulice, la apari ia fenomenului cavita ional nu mai este posibil comandabilitatea debitului. Acest fapt, īn tehnica propor ional are o importan deosebit , fiind factorul care limiteaz valoarea superioar a diferen ei de presiune pe rezisten ele de comand

Īn anii '90, s-au intensificat cercet rile orientate īn direc ia studierii cavita iei, datorit faptului c au ap rut noi i sofisticate metode de diagnoz a aparaturii hidraulice, bazate pe fenomene asociate acestuia (sonoluminiscen , emisie acustic )

Document Info

Accesari: 2682
Apreciat:

Comenteaza documentul:

Nu esti inregistrat
Trebuie sa fii utilizator inregistrat pentru a putea comenta

Creaza cont nou