Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op)

Esitys aiheesta: "Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op)"— Esityksen transkriptio:

1 Kon-41.4027 Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op)
Viikkoharjoitukset syksyllä 2016 Paikka: Maarintalo, E-Sali, yleensä Aika: perjantaisin klo 10:15-13:00 (14:00) Päivämäärät: Harjoitus, R-building Harjoitus, Maarintalo Harjoitus ( Arviointiviikko, Periodi I ?) Luento (K1, bulding K202) Harjoitus Huom! Sylinterimallin pakollinen välinäyttö Harjoitus Harjoitus Huom! Venttiilimallin pakollinen välinäyttö Harjoitus Huom! Tiivistemallin pakollinen välinäyttö Harjoitus Huom! Henkilökohtaisen harjoitustyön palautus Harjoitus Loppukeskustelu (Arviointiviikko, Periodi II) Opetushenkilöstö Asko Ellman, prof. (TTY) Jyrki Kajaste, yliopisto-opettaja Yhteyshenkilö: Heikki Kauranne, yliopisto-opettaja

2 Lisäohjeita Harjoituksissa tarvitaan - Windows -salasana - Ellman & Linjaman -opintomoniste "Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi" Harjoituksiin liittyvä materiaali löytyy sivulta (MyCourses) Aikatauluun merkityt pakolliset välinäytöt tarkoittavat sitä, että kunkin kurssilla olevan tulee kyseisessä harjoituksessa esittää harjoituksen vetäjälle dokumentaatio vaaditusta mallista. Dokumentaatioon tulee sisältyä mallin kuvaus lohkokaaviona sekä simulointeja, joilla on todennettu mallin toimivuus. Nämä venttiili-, sylinteri- ja tiivistemallien dokumentoinnit sisällytetään henkilökohtaisesta simulointityöstä laadittavaan työselostukseen (palautettava viimeistään ). Loppukeskustelu

3 Osaamistavoitteet YLEISET MALLINNUS- ja SIMULOINTITAIDOT
Opintojakson suoritettuaan opiskelija ymmärtää mallinnuksen ja simuloinnin perusteet (A, vaativuustaso 2) Opintojakson suoritettuaan opiskelija osaa soveltaa mallinnustyökalun (Matlab- ja Simulink-ohjelmistot) perusominaisuuksia järjestelmien dynaamisen käyttäytymisen ratkaisemiseen (A, vaativuustaso 3) HYDRAULISTEN JÄRJESTELMIEN ERITYISET MALLINNUS- JA SIMULOINTITAIDOT Opintojakson suoritettuaan opiskelija kykenee soveltamaan mallinnusta ja simulointia hydraulisten järjestelmien erityisalueella (A, vaativuustaso 3) Opintojakson suoritettuaan opiskelija kykenee analysoimaan kriittisesti hydrauliselle komponentille tai järjestelmälle laaditun mallin hyvyyttä ja puutteita (B, vaativuustaso 4) DYNAAMISTEN JÄRJESTELMIEN ANALYSOINTITAIDOT Opintojakson suoritettuaan opiskelija pystyy analysoimaan hydraulijärjestelmien dynamiikkaa askel- ja taajuusvastekokeiden avulla (A, vaativuustaso 4) Opintojakson suoritettuaan opiskelija kykenee tunnistamaan hydraulisissa järjestelmissä olevia dynaamisia järjestelmärakenteita ja analysoimaan niiden ominaisuuksia niihin liittyvien parametriarvojen perusteella (B, vaativuustaso 4) A) YDINAINES - B) TÄYDENTÄVÄ TIETÄMYS – C) ERITYISTIETÄMYS VAATIVUUSTASO asteikolla (1-6)

4 Simulointi Nesteen ominaisuuksien mallinnus ja simulointi
Venttiilien mallinnus ja simulointi Toimilaitteiden mallinnus ja simulointi Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi

5 Harjoitustyö Sylinterijärjestelmä Hydraulisylinteri
Proportionaaliventtiili Kuorma (massa) Ohjausjärjestelmä (venttiilin ohjaus)

6 Harjoitustyöpiiri 1 M pA pB p/U p/U x OHJAUS U

7 Harjoitustyöpiiri 2 M pA pB p/U p/U x CONTROL U ASEMASÄÄTÖ

8 Harjoitustyöpiiri 3 ,  pA pB p/U p/U CONTROL NOPEUSSÄÄTÖ ASEMASÄÄTÖ

9 Dynamiikan simulointi
Ilmiöt muuttuvia, ajan funktiona Ratkaistaan differentiaaliyhtälöitä Hydrauliikan simuloinnin ytimenä tilavuudessa (venttiili, putki tms.) vallitsevan paineen ratkaisu integroimalla ”Hydraulinen kapasitanssi”

10 Harjoituskerran 1 tavoitteet
Osaamistavoitteet Opetustuokion jälkeen opiskelija Hallitsee Matlab/Simulink –ohjelmiston perustoiminnot ja pystyy rakentamaan omatoimisesti yksinkertaisia simulointimalleja Kykenee selittämään, kuinka hydraulisten järjestelmien simulointimallit rakentuvat ”paineen generoitumisen kaavan” pohjalle. Pystyy soveltamaan kaavaa eri teknillisiin kohteisiin ja selittämään sillä erilaisten komponenttien toimintaa (mäntäpumppu etc.)

11 Hydraulijärjestelmien simulointi - muuttujat
Oleelliset muuttujat hydraulitekniikassa ovat Tilavuusvirta qv [m3/s] Paine p [Pa], [N/m2] Kyseiset muuttujat määrittelevät muun muassa hydraulisen tehon P= p qv (komponentin teho, esim. pumppu, venttiili etc.) p paine-ero komponentin yli qv tilavuusvirta komponentin läpi

12 Järjestelmän simulointi
pOUT qvOUT V qv1IN qv2IN p1IN p2IN ”Nestetilavuus”: ratkaistaan paine, tilavuusvirrat syötteinä ”Venttiili”: ratkaistaan tilavuusvirta, paineet syötteinä Yleinen tapa toteuttaa järjestelmän mallinnus on jakaa se Nestetiloihin (tiloihin liittyy oleellisesti paine) Nestetilojen välisiin komponentteihin (”venttiilit” ja ”pumput”, komponentteihin liittyy oleellisesti tilavuusvirta)

13 Järjestelmän rakentuminen tilavuuksista sekä ”venttiileistä”/”tilavuusvirtalähteistä”
”pumppu” – ”putki” – ”venttiili” – ”putki” – ”venttiili” – ”toimilaite”

14 Paineen laskeminen Edellä esitetty tapa muodostaa järjestelmämalli on numeerisen ratkaisun kannalta edullinen, paine ratkaistaan integroimalla ”Paineen generoitumisen kaava” voidaan esittää esim. näin: Kf nesteen puristuskerroin [Pa], n. 1.6109 Pa (hydrauliöljy) V nestetilavuus [m3] qv nettotilavuusvirta [m3/s] tilavuuteen siirtynyt nestemäärä

15 Pohdiskelutehtävä 1 Painetta tulee pystyä muuttamaan joissain sovelluksissa erittäin nopeasti (esim. servosäätö) Miten saat ”paineen generoitumisen yhtälön” perusteella nestejärjestelmääsi mahdollisimman nopean painevasteen? Kf nesteen puristuskerroin [Pa] V tilavuus täynnä nestettä [m3] qv nettotilavuusvirta [m3/s] tilavuuteen siirtynyt nestemäärä

16 Hydraulisylinteri – lineaarimoottori
Nestemäärän lisäys pieneen nestetilavuuteen aiheuttaa voimakkaan paineen kasvun (vahvistus Kf/V) sekä voiman muutoksen hydraulisylinterissä, joka on eräs tärkeimmistä hydraulitekniikan komponenteista Hyvän dynaamisen suorituskyvyn (nopeat paineen/voiman muutokset) saavuttamiseksi nestetilavuudet on syytä pitää pieninä (ammattislangissa: ”kuolleet tilavuudet”) F qv

17 Lisää paineen generoitumista
Nestetilan paine voi muuttua myös suljetun astian tilavuuden muutoksen seurauksena Kf nesteen puristuskerroin [Pa] V tilavuus täynnä nestettä [m3] V tilavuusmuutos [m3] Etumerkki?

18 Pohdiskelutehtävä 2 Pintaan kohtisuorasti kohdistuva paine tuottaa voiman, jonka suuruus on A pinta-ala [m2] Minkä komponentin/toiminnon kuvassa oleva sylinteri muodostaa, kun männänvarteen kohdistetaan voima (kuvan mukaisesti)? Kf nesteen puristuskerroin [Pa] V tilavuus täynnä nestettä [m3] V tilavuusmuutos [m3] F

19 Nestejousi Nesteet ovat kokoonpuristumattomia
Nestettä (, joka on siis kuitenkin jossain määrin kokoonpuristuvaa) täynnä oleva suljettu sylinteri muodostaa jousen (jousivakio?) Yksinkertainen, mutta tärkeä asia, sillä sylinteri ja massa muodostavat yhdessä jousi-massa –järjestelmän, jolla on taipumus värähtelyyn ominaistaajudellaan M k

20 Yleissivistävä laskutehtävä
Kuinka paljon paine kasvaa, mikäli hydrauliöljyä täynnä olevan joustamattoman astian tilavuus pienenee 1%? Kf nesteen puristuskerroin [Pa], n. 1.6109 Pa (hydrauliöljy) V tilavuus täynnä nestettä [m3] V tilavuusmuutos [m3]

21 Paineen generoitumisen yhtälö - yhdistelmä
Hydraulitekniikassa nestetilan paineenmuutoksessa vaikuttavia mekanismeja voivat olla siis a) nestemäärän muutokset tilavuudessa b) nestetilan tilavuusmuutokset ”Paineen generoitumisen kaava” voidaan siten esittää esim. näin: Ellman & Linjama: Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi, opetusmoniste Kokonaistilavuuden muutos on mitätön (V0= vakio) Kokonaistilavuuden muutos on merkittävä (V) a) b) Opetusmoniste s. 18 Kaava 25 Tämä kaava sopii hydraulisylinterien laskentaan.

22 Pohdiskelutehtävä 3 F qv
Minkä hydraulitekniikassa yleisen komponentin voi muodostaa kuvan mukaisesta järjestelmästä? Millä edellytyksillä paine muuttuu sylinterissä? F qv

23 Mäntäpumppu Hydraulitekniikassa pumput toimivat yleensä syrjäytysperiaatteella, jolla tarkoitetaan ”pumpun syrjäytyskammioiden koon jaksollista vaihtelua” Paine sylinterissä (pumpussa) kasvaa, mikäli syrjäytyselimen (mäntä) liike pienentää kammiotilavuutta nopeammin kuin mitä neste ehtii poistua kammiosta Yleensä ajatellaan, että pumppu tuottaa tilavuusvirtaa ja paine muodostuu siitä, että virtausta vastustetaan (ventiilit yms.)

24 Lisäpohdittavaa - kotitehtäviä
Onko nesteen puristuskerroin oikeasti vakio? Miten puristuskertoimeen vaikuttavat esimerkiksi paine, nesteessä oleva vapaa ilma sekä nesteen lämpötila? Miten lämpötila vaikuttaa paineen muodostumiseen? (mineraliöljy 6.410-4 1/°C – hiiteräs 10-4 1/°C ) Nesteen tilayhtälö?

25 Yhteenveto Mitä suurusluokkaa paineen nousu on hydraulinesteen kokoonpuristumisen seurauksena? Kuinka hydraulisten järjestelmien simulointimallit rakentuvat ”paineen generoitumisen kaavan” pohjalle. Miten sovellat kaavaa esimerkiksi mäntäpumppuun ja nestejouseen?