EKSPLOATACJA MASZYN Badanie wpływu wybranych parametrów

Transkrypt

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
EKSPLOATACJA MASZYN
Badanie wpływu wybranych parametrów
eksploatacyjnych na proces hamowania
układu napędowego
Numer ćwiczenia: L5
Kod:
Białystok 2011
1. CEL I ZAKRES ĆWICZEŃ
Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu wybranych rodzajów
hamulców i niektórych parametrów eksploatacyjnych na przebieg
hamowania układu napędowego.
Zakres ćwiczenia:
wyznaczenie momentów oporów w łożyskach członu biernego dla
wybranych wyjściowych parametrów ruchu,
wyznaczenie momentów hamowania hamulca tarczowego dla
różnych sił docisku wirującej tarczy,
wyznaczenie momentów hamowania hamulca taśmowego przy
różnych rodzajach par ciernych i różnych naciskach taśmy na
bęben.
2. WPROWADZENIE
Układ napędowy (układ przeniesienia napędu, zespół napędowy)
w ujęciu ogólnym to układ podzespołów, służących do przeniesienia energii
mechanicznej z silnika do maszyny roboczej. W praktyce w układach
napędowych następuje przeniesienie momentu obrotowego. Rozróżnia się
układy napędowe mechaniczne (stosowane np. w pojazdach, maszynach
roboczych), hydrostatyczne i elektryczne. Podstawowe elementy układu
napędowego to: wał silnika, sprzęgło, przekładnia, hamulec, wał maszyny
roboczej. Konfiguracja podzespołów w układzie napędowym bywa różna,
zależna od zastosowania układu (pojazd, obrabiarka, prasa, itp.).
W układzie napędowym można wyróżnić dwa człony:

człon czynny (napędzający)
napędowego i części sprzęgła;
składający
się
z
wału
silnika

człon bierny (napędzany) składający się z wału maszyny roboczej,
części sprzęgła, hamulca.
Przekładnia (cięgnowa, zębata, itp.) i hamulec, mogą być związane
zarówno z członem czynnym jak i biernym.
Energia silnika napędowego jest wykorzystywana głównie na
wykonanie pracy przez maszynę roboczą. Część tej energii jest tracona na
pokonanie oporów ruchu zarówno członu biernego jak i czynnego (opory
tarcia w węzłach łożyskowych). W zakresie niestabilnej pracy układu
(rozpędzanie maszyny roboczej lub jej hamowanie) duża część energii jest
zużywana na pracę tarcia sprzęgła lub hamulca. Szerzej o pracy
i konstrukcji hamulców można dowiedzieć się na podstawie dostępnej
literatury (np. [1,2]).
Do hamowania rzeczywistego układu napędowego wykorzystywane
są różne typy hamulców. W ćwiczeniu skupiono się tylko na pracy hamulca
elektromagnetycznego
tarczowego i taśmowego, zastosowanych
w układzie napędowym stanowiska laboratoryjnego.
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
2
2.1. Hamulec tarczowy
Hamulec tarczowy jest w swej konstrukcji podobny do sprzęgła
tarczowego. Zamiast tarczy płaskiej mogą być stosowane tarcze stożkowe,
czy płytki (hamulec wielopłytkowy). Obudowa hamulca jest zwykle
połączona sztywno z korpusem układu napędowego, a tarcza osadzona
jest na wale tego układu. Siła docisku elementów jest wywierana osiowo.
Uzyskiwany teoretyczny moment hamowania Mh wynosi:
Mh
Nz
D0
,
2
(1)
gdzie: D0 - średnia średnica przyłożenia siły tarcia, z- liczba powierzchni
tarcia, - współczynnik tarcia, N - siła nacisku między tarczą, a korpusem
hamulca.
Średnią średnicę D0 można wyznaczyć ze wzoru:
D0
2r0
2
Dz2 Dz Dw Dw2
,
3(Dz Dw )
(2)
gdzie: Dz , Dw - średnice zewnętrzna i wewnętrzna tarczy.
Włączanie hamulców może być mechaniczne, pneumatyczne,
hydrauliczne lub elektromagnetyczne. Hamulce tarczowe stosowane są
w pojazdach samochodowych lub szynowych. Tarcza jest zwykle
dociskana nakładkami o niedużej powierzchni. Dociskanie nakładek
odbywa się zwykle za pomocą siłownika hydraulicznego lub
pneumatycznego, albo elektromagnesu osadzonego na korpusie hamulca
(np. hamulce ESM5 firmy FUMO).
2.2. Hamulec taśmowy. Tarcie cięgien
W hamulcu taśmowym siła tarcia powstaje między bębnem
a nawiniętą taśmą. Napięcie na długości styku zmienia się od wartości S1
(koniec nabiegający) do S2 (koniec schodzący). Rozkład sił działających na
bęben i taśmę w tym hamulcu pokazano na rys. 1.
3
Rys. 1. Rozkład sił między bębnem a cięgnem
Analizując równowagę sił na wycinku taśmy o długości ED = dφR
(rys. 1) otrzymamy równania w postaci:
S dS cos
d
2
S cos
d
S dS sin
2
dN
d
2
dT
d
S sin
2
0,
(3)
0
Równania te, po niezbędnych uproszczeniach i rozciągnięciu kąta dφ
na kąt opasania α, można zapisać w postaci (wzory Eulera):
ln
S1
S2
,
S1
S2e ,
(4)
gdzie: α - kąt opasania.
Moment hamowania hamulca taśmowego Mh wynosi:
Mh
S1
S2 Dh / 2,
(5)
gdzie: Dh - średnica bębna hamulca.
Należy zaznaczyć, że siły S1 i S2 w hamulcach taśmowych hamują
wzajemny poślizg hamulca i taśmy, natomiast w przypadku kół pasowych
nie dopuszczają do wzajemnego poślizgu koła i pasa. Hamulce taśmowe
można podzielić na: zwykłe, sumowe, różnicowe. Taśmy hamulcowe są
wykonywane z miękkiej stali węglowej S235, S275 (St3, St4) lub C35, C45
(35, 45). Najczęściej są one pokryte okładzinami z materiałów ciernych,
jednolitymi lub w postaci oddzielnych segmentów. Grubość stosowanych taśm
wynosi 2 ÷ 5 mm. Hamulce taśmowe powodują znaczne obciążenie wałów siłą
poprzeczną i momentem zginającym.
4
3. METODYKA BADAŃ
3.1. Opis stanowiska
Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 2. Układ napędowy składa się
z silnika elektrycznego (1), elektromagnetycznego tarczowego sprzęgła
ciernego (2) (ESM3-20-25-24), hamulców (3) i (7) oraz koła zamachowego (4).
Układ ten jest zamocowany na spawanej konstrukcji ramowej (6).
Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1 – silnik elektryczny, 2 – sprzęgło
cierne, 3 – hamulec, 4 – koło zamachowe, 5 – czujniki prędkości obrotowej,
6 – rama, 7– hamulec taśmowy z obciążnikami
Stanowisko jest przygotowane do prowadzenia prób przy różnych
napięciach zasilających hamulec (3), dających różne siły docisku tarczy do
korpusu. Do pomiaru prędkości obrotowych członów czynnego i biernego
wykorzystano czujniki 5. Jako element napędowy zastosowano silnik
elektryczny sterowany falownikiem pozwalającym zmieniać w szerokim zakresie
prędkość obrotową wału. Do rejestracji i wizualizacji przebiegu hamowania
członu biernego stanowisko badawcze wyposażono w niezbędną aparaturę
pomiarową sprzęgniętą z komputerem. Aparatury i zestawu komputerowego nie
pokazano na schemacie.
3.1.1. Hamulec tarczowy ESM5-20-24
W ćwiczeniu do badań wykorzystano hamulec tarczowy ESM5-20-24
firmy FUMO. Schemat tego hamulca przedstawiono na rys. 3. Bardziej
szczegółowe informacje dotyczące tego typu hamulca i jego podstawowe
parametry techniczne można znaleźć w pracy [3]. Widok układu napędowego
z zamontowanymi w nim sprzęgłem oraz hamulcami: tarczowym i taśmowym,
pokazano na rys. 4.
5
Rys. 3. Hamulec tarczowy elektromagnetyczny ESM5 [3]
Rys. 4. Stanowisko do badań hamulców tarczowego i taśmowego
3.1.2. Hamulec taśmowy
Hamulec taśmowy jest konstrukcją opracowaną specjalnie do potrzeb
niniejszego ćwiczenia. Składa się on ze stalowego bębna mocowanego do koła
zamachowego i osadzanego na nim wymiennego pierścienia oraz taśmy
z obciążnikami. Wymienny pierścień i taśma są wykonane z różnych
materiałów, co pozwala badać wpływ różnych par ciernych na przebieg
hamowania. Schemat hamulca pokazano na rys. 5. Do prób wykorzystywane są
6
wymienne pierścienie stalowe, ze stopu aluminium, poliamidu i żeliwa oraz
taśmy wykonane ze stali, polietylenu, mosiądzu i skóry. Zastosowanie
różnorodnych materiałów na wymienny pierścień i taśmę pozwala badać wpływ
różnych par ciernych na hamowanie układu napędowego. Prezentowane
stanowisko można wyposażyć w pierścień wymienny i taśmę z innych
materiałów. Taśmy mogą być obciążane obciążnikami o różnych masach, co
pozwala badać wpływ siły nacisku między taśmą i pierścieniem na przebieg
hamowania układu napędowego. Dynamometr (6) jest wykorzystywany do
pomiaru siły S1. Zastosowanie przesuwnej rolki prowadzącej taśmę (strzałka na
rys. 5) pozwala badać wpływ kąta opasania na skuteczność hamowania
hamulca taśmowego.
Rys. 5. Schemat hamulca taśmowego:1 - koło zamachowe, 2 - taśma,
3 - pierścień wymienny, 4 - bęben hamulca,5 - szalka z obciążnikami,
6 - dynamometr
3.1.3. Analiza przebiegu hamowania układu napędowego
Analizy pracy układu napędowego przy hamowaniu można dokonać
w oparciu o dynamiczne równanie ruchu obrotowego:
M I ,
(6)
gdzie: M - zewnętrzny moment obrotowy wywołujący ruch (lub hamujący
ten ruch), I - masowy moment bezwładności wirujących względem osi mas
(dla walców obrotowych o masie m i średnicy 2r, I=mr2/2),
- przyśpieszenie kątowe wirujących mas.
Równanie (6) wykorzystano do analizy przebiegu hamowania członu
biernego układu napędowego przedstawionego na rys. 2. Przeprowadzona
analiza dotyczy tylko ruchu członu biernego. Zakładając jednoczesne
hamowanie hamulców 3 i 7 oraz występowanie oporów ruchu w węzłach
łożyskowych równanie powyższe można zapisać w postaci (7):
Ib
h
Mhl
M hhe
M hht ,
(7)
7
gdzie: Ib - masowy moment bezwładności członu biernego [kg·m2] (Ib wielkość wyznaczona w ćwiczeniu dotyczącym badania sprzęgła), h opóźnienie hamowania [1/s2], M hl - moment oporu w łożyskach, M hhe moment hamowania hamulca tarczowego, M hht - moment hamowania
hamulca taśmowego.
Równanie (7) uprości się do kolejnych postaci:
gdy występuje tylko opór łożysk:
Ib
h
M hl ,
(8)
gdy występuje opór łożysk i działa hamulec tarczowy:
Ib
h
M hl
Mhhe ,
(9)
gdy występuje opór łożysk i działa hamulec taśmowy:
Ib
h
M hl
M hht ,
(10)
Przyjmując, że w trakcie hamowania opóźnienie hamowania jest
stałe, co wykazały przeprowadzone próby testowe, równania (8, 9, 10)
pozwalają łatwo wyznaczyć momenty hamowania Mhl, Mhhe, Mhht.
3.2. Przebieg ćwiczenia
Kolejność czynności przy realizacji ćwiczenia:
sprawdzić kompletność stanowiska badawczego i zabezpieczenia
elektryczne,
włączyć zasilanie napędu,
przygotować aparaturę pomiarową i rejestrującą do pracy,
uruchomić napęd i przeprowadzić niezbędne pomiary zgodnie
z zakresem ćwiczenia.
Wyznaczanie momentu oporu w węzłach łożyskowych Mhł:
I.
1) wyznaczyć masowy moment bezwładności członu biernego (metodami
znanymi z Mechaniki technicznej, Wytrzymałości materiałów
i przedstawionymi w rozdz. VIII niniejszej pracy),
2) ustalić prędkość obrotową do jakiej ma być rozpędzony człon bierny,
3) rozpędzić człon bierny do zadanej prędkości i ustabilizować obroty,
4) odłączyć człon bierny od członu czynnego (wyłączyć sprzęgło),
5) na podstawie zarejestrowanego wykresu dokonać pomiaru zmian
prędkości obrotowej w ustalonym przedziale czasu,
6) uzyskane wyniki pomiarów zamieścić w odpowiedniej tabeli protokołu
pomiarów,
7) czynności powtórzyć trzykrotnie,
8) przeprowadzić niezbędne obliczenia i na podstawie wzoru (8)
wyznaczyć moment oporu łożysk Mhł.
II.
Wyznaczanie momentu hamowania hamulca tarczowego Mhhe:
8
1) ustalić napięcie zasilające hamulca U1,
2) wykonać działania jak w punktach I.2 I.4,
3) włączyć hamulec i zmierzyć zmianę prędkości obrotowej w czasie,
a wyniki pomiarów zapisać w odpowiedniej tabeli pomiarów,
4) czynności opisane w punktach II.2 II.3 powtórzyć trzykrotnie,
5) dla uzyskanych pomiarów przeprowadzić niezbędne obliczenia i na
podstawie wzoru (9) wyznaczyć moment hamowania hamulca
tarczowego Mhhe,
6) przeprowadzić działania zgodne z punktami II.1 II.5 dla następnych
dwóch napięć zasilających hamulec.
III. Wyznaczanie momentu hamowania hamulca taśmowego Mhht:
1) przygotować hamulec taśmowy do pracy (wybrać odpowiednią parę
cierną: pierścień wymienny- taśma, ustalić masy obciążników),
2) wykonać działania jak w punktach I.2 I.4,
3) obciążyć taśmę obciążnikiem Q1 (włączyć hamulec taśmowy)
i zmierzyć zmianę prędkości obrotowej w czasie, a wyniki pomiarów
zapisać w odpowiedniej tabeli pomiarów,
4) czynności powtórzyć trzykrotnie,
5) dla uzyskanych wyników pomiarów przeprowadzić niezbędne
obliczenia i na podstawie wzoru (10) wyznaczyć moment hamowania
hamulca taśmowego Mhht,
6) czynności wg punktów III.1
III.5 przeprowadzić dla dwóch
następnych obciążników,
7) czynności wg punktów III.1
III.5 przeprowadzić dla dwóch
następnych par ciernych.
4. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ
a) Na podstawie uzyskanych, z przeprowadzonych prób pomiarów,
obliczyć opóźnienia hamowania εhł, εhhe, εhht.
b) Dla znanej wartości masowego momentu bezwładności członu
biernego (Ib) wyznaczyć momenty hamowania: Mhł, Mhhe, Mhht.
c) Obliczone wielkości zamieścić w tabelach 1 ÷ 5 protokołu pomiarów.
d) Sporządzić wykresy: Mhhe=f1(U), Mhhe=f2(εhhe), Mhht=f3(εhht, Q), εhht =f4(Q)
dla hamulca taśmowego (różne pary cierne).
e) Ocenić wpływ takich parametrów jak: rodzaj par ciernych, obciążenie,
rodzaj hamulca, na prawidłowość przebiegu procesu hamowania
badanego układu napędowego.
5. SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie winno zawierać:
stronę tytułową;
cel i zakres, schemat i opis stanowiska, opis badanego sprzęgła;
9
tabele wyników pomiarów i obliczeń;
analizę uzyskanych wyników i obliczeń, w tym wykresy ilustrujące
analizowane zależności;
podsumowanie i wnioski.
6. LITERATURA
1. E. Mazanek (red.) Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji
maszyn. T. 1, WNT, Warszawa 2009.
2. Z. Osiński Sprzęgła i hamulce, PWN, Warszawa 1996/2000.
3. www.fumo.com.pl
7. PROTOKÓŁ POMIAROWY
10
Białystok, dn………………
PROTOKÓŁ POMIAROWY 1/2
Ćwiczenie nr:
Badanie wpływu wybranych parametrów eksploatacyjnych na przebieg hamowania
układu napędowego
Tab.1. Wyniki pomiarów czasów hamowania członu biernego układu napędowego oporami
łożyskowań
Δn=
Nr
t1[s]
t2[s] Δt = t1 - t2 n1 [obr/min] n2 [obr/min]
εhł
Mhł
n1-n2
pom
1
2
3
Śr.
Tab.2. Wyniki pomiarów czasów hamowania członu biernego układu napędowego
hamulcem elektromagnetycznym.
Nap.
zas.
U1 [V]
U2 [V]
U3 [V]
t1[s]
t2[s]
Δt= t1- t2
n1 [obr/min]
n2 [obr/min]
Δn=
n1-n2
εhhe
Mhhe
Tab.3. Wyniki pomiarów czasów hamowania członu biernego układu napędowego
hamulcem taśmowym,
I para cierna (………………………………………………………………………).
Δn=
t [s] t2[s]
Δt= t1- t2 n1 [obr/min]
n2 [obr/min]
εhht
n1-n2
Obc.[kg] 1
Q1
Q2
Q3
………………………………..
data wykonania ćwiczenia
Mhht
……………………………..
podpis prowadzącego
PROTOKÓŁ POMIAROWY 2/2
11
Ćwiczenie nr:
Badanie wpływu wybranych parametrów eksploatacyjnych na przebieg hamowania
układu napędowego
Tabl.4. Wyniki pomiarów czasów hamowania członu biernego układu napędowego
hamulcem taśmowym,
II para cierna (………………………………………………………………………).
Δn=
t1[s]
t2[s] Δt = t1- t2
n1[obr/min] n2[obr/min]
εhht
Obc.[kg]
n1-n2
Q1
Q2
Q3
Mhht
Tabl.5. Wyniki pomiarów czasów hamowania członu biernego układu napędowego
hamulcem taśmowym,
III para cierna (………………………………………………………………………).
Δn=
t1[s]
t2[s] Δt = t1 - t2 n1[obr/min] n2[obr/min]
εhht
n1-n2
Obc.[kg]
Q1
Q2
Q3
………………………………..
data wykonania ćwiczenia
Mhhe
……………………………..
podpis prowadzącego
12