UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik 2013-01-17
TENTAMEN I HYDRAULIK 7.5 hp
Tentamensdatum: 17 januari 2013 Skrivtid: 900-1500Skrivsal: Östra Paviljongen (ÖP), sal 6 Antal uppgifter: 5
Examinator: Sven Rönnbäck
070-9685337
OBS! Läs noga igenom frågan innan Du svarar!
Definiera använda beteckningar både för Dig själv och läsaren! Ange vilka antaganden och approximationer Du gjort!
Redovisa tankegången detaljerat! Sätt ut enheter!
Tillåtna hjälpmedel: Miniräknare, Powerful Engineering, Penna, Sudd, Linjal
Uppgift 1
)Hydraulcylinder
(5p)
En hydrauliklyft består av en enkelverkande hydraulcylinder med den volymeteriska verkningsgraden ηv=1.0. Pga av friktion är den hydromekaniska verkningsgraden ηhm=0.92.
Innerdiametern på cylindern är 120mm, och diametern på kolvstången är 80mm. Slaglängden är 350mm.
Cylindern användas för att lyfta en last på 5.0ton. (5000kg)
a) Vilket tryck behövs i cylindern för att höja lasten? (3p)
b) Vid vilket tryck kommer lasten att sänkas? (2p)
Uppgift 2)
Schemakonstruktion
(5p)
Cylindern i uppgift 1 kopplas till ett konstantflödessystem bestående av en pump kopplad till en elektrisk motor. Den elektriska motorn arbetar på varvtalet 1380 varv/min.
Systemet har även en tryckbegränsningsventil.
Den volmetriska verkningsgraden för pumpen är ηv=0.88, och den hydromekaniska
verkningsgraden är ηhm=0.9
Cylinderns volymetriska verkningsgrad är ηv=1.0, och den hydromekaniska verkningsgraden
ηhm=0.8
a) Rita upp ett schema för systemet bestående av följande komponenter. Enkelverkande
cylinder, 3/3 riktningsventil (manuellt styrd med fjäderåterföring), pump,
tryckbegränsningsventil, filter, tank. Lasten används för att utföra minusslag. (1p)
b) Vilket deplacement har hydraulpumpen om vi lyfter lasten hela slaglängden på 15
sekunder. (1p)
c) Vilken effekt levererar elmotorn till pumpen om vi lyfter lasten på 15 sekunder?
(2p)
d) Vad har tryckbegränsningsventilen för funktion i systemet och vad är ett lämpligt
inställt tryck? (1p)
Uppgift 3) Densitär strypning
(5p)
Systemet kompletteras med en densitär strypning för att begränsa sänkhastigheten till 1cm/s. Den densitära strypningen anpassas för lasten på 5 ton. (Observera att den densitära
strypningen kompletteras med en backventil för att flödet skall ledas förbi vid lyft).
a) Vilken symbol har den densitära strypningen. Skissera även upp den och ange den
formel som beskriver flödet genom strypningen. (2p)
b) Beräkna diametern på hålet för den densitära strypningen. (2p)
Anta att hålet är perfekt utformat. Anta att hela tryckfallet sker över den densitära strypningen, och inget tryckfall sker över ventilen.
c) Kontrollräkna svaret i uppgift 3b och argumentera för ditt svar. (1p)
p*A*n=F => p=F/(n*A)=5000*9.82/(0.92*0.12^2*pi/4)=4.7E6 N/m^2 => 47 bar
Friktion motsvarande p*(1-n)=47*(1-0.92)=3.76 bar
Psäkn = 5000*9.82/(0.12^2*pi/4)-(1-0.92)*4.7E6= ca 40 bar.
Volym=V=0.35*0.12^2*pi/4=0.00395 m^3
q=V/15=0.264 l/sek. q=(n/60)*D*0.88 => D= 0.264E-3*60/(0.88*1380)=13(cm)^3/varv
P=5000*9.82*0.35/(15*0.88*0.9*0.8)=1.8kW
Den har till uppgift att öppna när cylinder gjort sitt plusslag. 50-60 bar är lämpligt tryck.
3a) q=Ck*A*sqrt(2*(p2-p1)/rho)=0.01*0.12^2*pi/4
3b) d^2=(4*(0.01*(0.12^2*pi/4)/pi))/sqrt(2*40E5/880)
d=1.2mm
3c) Kontrollräknar uppgiften med med svaret i b och får korrekt flöde.
Svar: 1.8kW
p2
p1
p=(5000*9.82*0.92/(0.12^2*pi/4))=39.9bar
Svar: Vid ca 40 bar
1a)
1b)
Uppgift 4) QP-diagram på mobil hydraulik(drivlina)
(5p)
Figur 1 visar en drivlina bestående av en kraftig pump och två hydraulmotorer. Flödesgivarna i figuren mäter flödet med enheten liter mer minut och manometrarna visar trycket i bar.a) Utgå från figuren och rita ett QP-diagram där du anger tillförd hydraulisk effekt, och
markerar samtliga förluster och förbrukare i systemet. Skriv tydligt i vilken komponent förlusten/förbrukningen uppkommer. (Utgå från pumpen)
Markera hydraulisk ineffekt och uteffekter för varje motor. (3p)
b) Vilken verkningsgrad har systemet om vi antar att uteffekten de effekten till
motorerna, och ineffekten är den hydrauliska effekten från pumpen? (1p)
c) Vad har backventilerna för funktion i schemat? (1p)
Figur 1) Simulering av en drivlina
Uppgift 5) Mobil hydraulik - drivlina
(5p)
Utgå från drivlinan som visas figur 1. Flödesgivarna mäter flödet med enheten liter mer minut och manometrarna visar trycket i bar.
Den volymetriska verkningsgraden för pumpen i figuren är ηv_p=0.96 och den
hydromekaniska verkningsgraden är är ηhm_p=0.9.
Motorernas hydromekaniska verkningsgrad är ηhm_m= 0.9 och deras volymetriska
verkningsgrad antas vara ηv_m=1.0.
a) Vilket deplacement har motorerna om det utgående axelmomentet är 56Nm. (1p) b) Vilket deplacement har pumpen om varvtalet på pumpaxeln är 1380 varv/min. (1p) c) Beräkna systemes verkningsgrad om uteffekten är summan effekterna på motorernas
axlar och ineffekten är den mekaniska effekten på pumpens axel. (2p)
d) Du misstänker att den flödesmätaren som visar 0.00 i figur 1 är trasig, varför då?
Vad borde den visa? (1p)
P.S) Den nedre pumpen i figur 1 har i uppgift att förse det slutna systemet med olja. b)
n=Put/Pin=
=(4.6*(61.43-15.31))/(5.28*(67.32-9.42))=0.69.
P*(D/2*pi)*0.9=M D=56*2*pi/(0.9*(61.43-38.38)E5)=169 (cm)^3 / varv
n*D*0.96=5.28E-3 => D=5.28E-3/(0.96*1380)= 4 (cm)^3/varv
n=0.69*0.96*0.9*0.9=0.536
Den används för att mata det slutna systemet med olja, täcka upp för de volymeteriska förlusterna. Den borde visa
qin_p*nv=qut_p => qin_p=qut/nv_p qforlust=qin_p-qut_p=(1/0.96-1)*5.28E-3=0.22 liter/min. c) det finns tre olika typer av backventiler
backventiler - snabbkoppling ( fyra hydraulslangar) Backventiler - kavitationsskydd
Backventiler - för att trycksätta drivlina.
