pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna

pobierz plik artykułu - Inżynieria i Aparatura Chemiczna

Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 5, 249-250
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
Nr 5/2012
str. 249
Andrzej SADOWSKI, Bogdan ŻÓŁTOWSKI
e-mail: [email protected]
Zakład Pojazdów i Diagnostyki, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy, Bydgoszcz
Badania sprawności złożonych układów napędowych
Wstęp
h1 =
Maszynę stanowi napędzany pod wpływem impulsu wywołanego
lub zadanego przez człowieka, mechanizm lub zespół mechanizmów
przeznaczony dla wykonywania żądanej pracy. Główną częścią składową maszyny jest element aktywny, który bezpośrednio uczestniczy
w przemianie energii, przekazywaniu mocy, przetwarzaniu rodzajów
ruchów roboczych na inne ich rodzaje, przenoszeniu obciążeń [Żółtowski i Ćwik, 1996].
Przykładem elementu aktywnego maszyn jest układ napędowy który
przekształca i przekazuje energię na kolejne jego części składowe tworząc zespół połączonych ze sobą mechanizmów. Człony w tym układzie
uczestniczą w transformowaniu i przekazywaniu energii z członów napędzających na człony bierne, czyli obciążone siłami oporu. Nie cała
jednak praca sił czynnych zostaje wykorzystana do zamierzonych celów użytecznych. Część energii zostaje zużyta na pokonanie towarzyszących ruchom oporów tarcia i rozprasza się w otoczeniu w postaci
ciepła, część zaś gromadzi się w samym mechanizmie jako energia kinematyczna a czasem także potencjalna [Miller, 1989].
Celem pracy jest odpowiedź na pytanie: Czy o całkowitej sprawności
maszyny decydują sprawności poszczególnych mechanizmów składowych, a sprawność ogólna zależy od struktury samej maszyny?
Wyznaczanie sprawności
Efektywność wykorzystania pracy sił czynnych w postaci pracy
użytecznej może być w praktyce bardzo różna. Zwykle określa się ją
tzw. sprawnością, przy czym ilościową stronę tego zagadnienia ujmuje
bezwymiarowy współczynnik sprawności wyrażony stosunkiem pracy
użytej do pracy dostarczonej. W dostatecznie długim czasie ruchu ustalonego lub w czasie równym wielokrotności okresu T można współczynnik sprawności η wyrazić w postaci:
LU
LD
(1)
LD - LT = - LT
1
LD
LD
(2)
h=
lub
h=
gdzie:
LD – dodatnia praca sił działających na człon mechanizmu (praca dostarczona),
LU – praca oporów technologicznych (praca użyteczna),
LT – praca sił tarcia i innych oporów(straty energii).
Dla określonych celów, np. porównania, można operować tzw. współczynnikiem sprawności chwilowej.
h ch =
NU
ND
NU
NU
NU
; h2 =
... h n =
ND
NU
NU
1
2
n
1
(n - 1)
(4)
gdzie:
ND – moc dostarczona,
NU – moc użyteczna.
Natomiast całkowita sprawność układu napędowego w wyniku przekształcenia powyższego wzoru wynosi:
hC = h1 h 2 ...h n
(5)
lub
h=
%h
(6)
i
Powyższe zależności mają zastosowanie w układach o połączeniu
szeregowym (Rys. 1).
Rys. 1. Schemat blokowy układu w połączeniu szeregowym
Sprawność w połączeniu równoległym
Sprawność całkowita układu napędowego przy równoległym połączeniu mechanizmów zależy głównie od samego rozdziału strumienia
energii w układzie.
NU1 + NU2 + ... + NUn
(7)
NU1 + NU2 + + NUn
h1
h2
hn
W przypadku równoległego połączenia mechanizmów (Rys. 2), jeżeli
przez ki oznaczyć współczynnik rozpływu mocy:
h=
h=
/k h
i
i
(8)
Rys. 2. Schemat blokowy układu w połączeniu równoległym
(3)
Współczynnik sprawności maszyny można określić jedynie dzięki
bezpośredniemu pomiarowi dwóch spośród trzech składników pracy
LD, LU, LT lub mocy ND, NU, NT. Oddzielne i złożone zagadnienie stanowią pomiary tych elementów wymagające oprzyrządowania.
Sprawność w połączeniu szeregowym
Jeśli układ napędowy maszyny składa się z n mechanizmów łączonych ze sobą szeregowo, to moc użyteczna No każdego poprzedniego
mechanizmu jest mocą dostarczoną Nd dla mechanizmu następnego.
Sprawności poszczególnych mechanizmów można więc przedstawić
w następujący sposób:
Należy nadmienić, iż zaprezentowany przypadek połączenia mechanizmów występuje w maszynach niezmiernie rzadko.
Sprawność w połączeniu mieszanym
Najczęściej spotykaną formą układu napędowego jest struktura mieszana, szeregowo-równoległa lub równolegle-szeregowa. Sprawność
takich układów lub wartości mocy w poszczególnych odcinkach określa
się na podstawie poniżej przedstawionej zależności, a przykład takiego
rozwiązania ilustruje rys. 3.
n
hc =
%h
j=1
ij
(9)
Prosimy cytować jako: Inż. Ap. Chem. 2012, 51, 5, 249-250
INŻYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA
str. 250
Nr 5/2012
Rys. 3. Schemat układu napędowego w połączeniu mieszanym
Straty energii w układzie napędowym
Strumień mocy przepływając przez każdy z tych mechanizmów
zmniejsza się, co spowodowane jest z występującymi tam oporami. W układzie napędowym, pozbawionym urządzeń pracujących
z ciągłym poślizgiem, dominującym źródłem strat energetycznych są
przekładnie.
O wartości strat energetycznych w układzie napędowym decydują:
– czynniki konstrukcyjne (budowa podzespołów, parametry zazębień,
itp.),
– czynniki ruchowe (prędkość kątowa i przenoszony moment obrotowy),
– temperatura,
– ilość i właściwości smarne oleju – wpływające na straty hydrauliczne,
– opory ruchu,
– zmienne skokowo przełożenie w skrzyni biegów i skrzyni rozdzielczej,
– stan zdatności obiektu.
Sprawność układu napędowego jest zależna od wielu czynników zarówno zewnętrznych jak i wewnętrznych i pełni rolę chwilowej sprawności dla ściśle określonych warunków pracy danego obiektu [Sadowski
i Żółtowski, 2011; Siłka, 2002].
Metody pomiarowe
W celu wyznaczenia współczynnika sprawności całego układu napędowego niezbędna jest znajomość poszczególnych mechanizmów składowych. Polega na wyznaczeniu mocy doprowadzonej do badanego
mechanizmu oraz mocy traconej na pokonanie oporów nieużytecznych
lub mocy użytecznej. Pomiary te można zrealizować wykorzystując stanowiska mocy krążącej, stanowiska dynamometryczne. Jednak metody
te w celu zrealizowania badań wymagają demontażu podzespołów.
W celu wyznaczenia sprawności podzespołów w układzie napędowym wykonuje się pomiar mocy doprowadzonej do mechanizmu oraz
moc użyteczną pomniejszoną o wartość strat energii w wyniku jej przepływu przez badany element składowy układu.
Pomiar mocy realizowany jest przez jednoczesny pomiar momentu
obrotowego oraz prędkości kątowej elementów wirujących. Sposób
pomiaru powinien jak najmniej ingerować w układ napędowy, aby nie
powodować dodatkowych strat energii. Zatem pomiar powinien być
bezkontaktowy, aby uchwycić zmiany i nie zakłócać strumienia energii
w układzie.
Wyróżnia się następujące techniki pomiaru momentu obrotowego:
– mostki tensometryczne DMS (DehnungsMessStreifen) wykorzystujące rezystory foliowe, klejone na odpowiednio ukształtowanym wale
i zmieniające rezystancję przy jego skręcaniu w wyniku przenoszenia
momentu obrotowego. Przekazywanie sygnału następuje stykowo
przez pierścienie ślizgowe lub bezstykowo w wyniku zastosowania
metody indukcyjnej, telemetrycznej lub optoelektronicznej.
– akustyczną falę powierzchniową SAW (Surface Acoustic Wave), która bazuje na zmianie częstotliwości rezonansowej czujników naklejanych na wałku i wzbudzanych zewnętrzną elektroniką do częstotliwości od ok. 10 MHz do 3 GHz. Skręcenie wału wywołuje zmianę
częstotliwości rezonansowej elementów SAW [Kawalec, 2006].
– bezpośrednie kodowanie magnetyczne (FAST), związane ze zjawiskiem magnetostrykcji, która bazuje na zmianie namagnesowania
przez zmianę formy (torsję). Mechaniczne obciążenie (torsja) czujnika wywołuje zmianę wprowadzonego do materiału czujnika kodowania na poziomie mikroskopowym (pierwotny czujnik). Zmiana
kodowania magnetycznego podlega detekcji bezstykowej przez czuj-
Rys. 4. Telemetryczny układ pomiarowy momentu obrotowego
nik pola magnetycznego i przetworzona zostaje na sygnał użyteczny czujnika (wtórny czujnik) [Idziak i Antczak, 2008; WObit, 2012;
Nowa technologia, 2003].
– system optyczny, wykorzystujący tarcze kodowe do badania skręcenia wału. Wymaga pewnej elastyczności wału, aby uzyskać mierzalne przemieszczenia tarcz. Metoda optyczna dedykowana jest
do pomiarów elementów o dużych prędkościach kątowych, co jest
możliwe dzięki całkowitemu wyeliminowaniu łożysk i innych podzespołów mechanicznych. Ponadto metoda ta umożliwia pomiar bardzo
dużych momentów skręcających, gdyż brak łożysk i sama specyfika
konstrukcji pozwala na budowanie elementów torsyjnych o dowolnej
wytrzymałości.
– dynamometr kwarcowy, którego elementem pomiarowym są czułe
na przemieszczenie tarcze kwarcowe umieszczone pomiędzy płytami
metalowymi, a ich skręcenie powoduje wytworzenie ładunku, który
odbierany jest przez czułe wzmacniacze ładunku.
Wnioski
O całkowitej sprawności układu napędowego decydują sprawności
poszczególnych mechanizmów składowych.
Wpływ sprawności mechanizmów składowych na wynik końcowy
zależy od struktury samego układu, czyli od sposobu ich połączenia.
Technika pomiarowa powinna jak najmniej ingerować w układ napędowy, aby nie powodować dodatkowych strat energii.
LITERATURA
Idziak P., Antczak M., 2008, Magnetostrykcyjny przetwornik momentu obrotowego z obwodem magnetycznym wykonanym z kompozytu proszkowego,
Prace Nauk. Inst. Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektr. Pol. Wrocławskiej,
62, nr 28, 553-558
Kawalec A., 2006, Zastosowanie podzespołów z akustyczną falą powierzchniową do przetwarzania sygnałów, Biuletyn WAT, 55, nr 1, 91-111
Miller S., 1989, Teoria maszyn i mechanizmów. Analiza układów kinematycznych, Wyd. Pol. Wrocławskiej
Nowa technologia bezstykowego pomiaru momentu obrotowego, 2003. Napędy
i Sterowanie, nr 6, 18-20: http://www.einformatyka.pl/newsletter/download/
technologia_fast.pdf
Sadowski A., Żółtowski B., 2011. Badanie rozpływu energii pojazdu samochodowego Polskie Stowarzyszenie Zarządzania Wiedzą, Seria: Studia i Materiały, nr 48.
Siłka W., 2002. Teoria ruchu samochodu. WNT, Warszawa
Żółtowski B., Ćwik Z., 1996. Leksykon Diagnostyki Technicznej Wyd. Akad.
Techn.-Roln., Bydgoszcz
WObit – materiały firmowe (15.02.2012): http://wobit.pl/index.php?site=
applications&type=&details=092
Praca powstała w ramach projektu: Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych
maszyn. WND-POIG.01.03.01-00-212/09.