Kafli 5: Stjórnun á innhlið pumpu

Staðsetning á pumpu

Í iðnaðarhydraulíkkerfum er púmpan venjulega fest ofan á ílátinu sem heldur kerfisvökva. Sogulínan (einnig kölluð inntakslínan) tengir inntak púmpunnar við olíuna í ílátinu.

Hreyfing vökva frá ílátinu til púmpunnar má hugsa sem sjálfstætt hydraulíkkerfi. Í þessu undirkerfi veitir undirþrýstingurinn sem púmpan myndar mótmæti straumi, og orkan sem færir vökva kemur frá loftþrýstingi. Loftþrýstingurinn, sem verkar á yfirborð olíunnar í ílátinu, virkar eins og ökkuskrín.

Mynd 5-1: Staðlað staðsetning á púmpu — púmpa ofan á íláti, sogulína neðan við olíuskipti. Loftþrýstingurinn sem verkar á yfirborð olíunnar er sá sem ýtir olíunni upp í púmpuna.

Mæling á loftþrýstingi

Við hugsum almennt að loft hafi engan þyngd, en loftslaginu sem umgir jarðina er í raun áhrif af þrýstingi. Torricelli, uppfinningamaður barómetra, sýndi að loftþrýstingur má mæla með kvikasilfurstöng. Með því að snúa kvikasilfurfullri rör í öfugt og setja hana í kvikasilfurhólf fann hann að við sjávarmál er háður kvikasilfurstönginnar, sem loftþrýstingur getur stutt, 29,92 tomma (760 mm). Þannig er loftþrýstingur við sjávarmál undir staðlaðum skilyrðum jafn (eða jafngildir) 29,92 tomma (760 mm) kvikasilfurstöng. Auðvitað mun hver staðsetning yfir sjávarmáli hafa lægri loftþrýsting.

Hydraulískur þrýstingur er venjulega táknaður í psi eða bar, en loftþrýstingur er venjulega mældur í in.Hg (tommur af kvikasilfri) eða mmHg. Við 68°F (20°C) og 36% hlutfallslega rökkun er loftþrýstingur á sjávarmáli = 29,92 in.Hg eða 760 mmHg, sem samsvarar 14,7 psia eða 1,01 bar. Mikilvægt er að taka eftir því að bar er ekki notað til að skilgreina loftþrýsting; í staðinn er staðlaður loftþrýstingur 101.000 N/m².

Við umbreytingu milli in.Hg og psi á að hafa í huga að 1 psia = 2,04 in.Hg og 1 bar ≈ 752 mmHg. Þannig er áætlað: 1 psia ≈ 2 in.Hg eða 1 bar ≈ 750 mmHg.

Absólútþrýstingur og mælitþrýstingur

Bæði absólútþrýstingur og mælitþrýstingur geta verið notaðir til að mæla þrýsting í hydraulískum kerfum.

Absólútþrýstingur

Absólútþrýstingur er mældur frá núllþrýstipunktinum – punktinum þar sem þrýstingur vantar alveg. Einingin getur verið psi (bar) eða in.Hg (mmHg). Absólútþrýstingur er merktur með viðbótinni „a“: psia (absólút psi), bara.

Mælitþrýstingur

Mæling á ytri þrýstingi er framkvæmd frá tilvísunarpunkti við loftþrýsting. Einingin er psi (bar). Absólút þrýstingur jafngildir ytri þrýstingi auk staðlaðs loftþrýstings. Dæmi: ef kerfi sýnir 100 psig (6,9 bar ytri þrýstingur) og staðlaður loftþrýstingur er 14,7 psia (1 bar), þá er absólútur þrýstingurinn 114,7 psia (7,9 bar absólút). Til að greina milli tveggja er ytri þrýstingur skrifaður sem psig og absólútur þrýstingur sem psia.

Skilyrði á innhlið pumpunnar

Þegar pumpa er ekki í gangi er innhlið kerfisins í jafnvægi — þrýstingsmunurinn á milli pumpunnar og loftsins er núll, sem þýðir að engin streyming á sér stað. Til að pumpa geti veitt olíu snúðhlutunum sínum þegar hún er í gangi, myndar hún þrýsting sem er lægri en loftþrýstingurinn — kerfið verður ójafnvægt — og streyming hefst.

Tveir hlutverk loftþrýstings

Þrýstingurinn sem loftþrýstingurinn ákvarðar á vötnunum hefur tvö hlutverk:

1. Að veita vötnun pumpunni.
2. Ökva væskuna inn í hraðhreyfanda snúðhlutann — venjulegar snúðhraðar eru 1.200 rpm og 1.800 rpm.

Hæsta hluti loftþrýstisins er notaður til að ökva væskuna inn í pípuna, en fyrsta verkefnið verður að vera gert áður: að veita væsku í inntakspípunnar. Ef of mikill hluti loftþrýstisins er notaður á þessum stigum, verður ekki eftir nógu mikill þrýstir til að ökva væskuna inn í snúðhlutann. Þetta veldur því að pípan „hungar“ og það sem kallað er holubilun (cavitation) á sér stað.

Holubilun

Holubilun er myndun og samdráttur gufuhóla í væski. Hún skaðar pípuna á tveimur vegum:

3. Hún truflar smurninguna.
4. Hún skaðar járnflaturnar.

Á innsláttarsíðu pumpannar myndast rökkurholur í heildinni í vægi. Þetta minnkar smurræði og hræðir slitasvæði. Þegar þessar holur ná háþrýstisvæðinu við útgang pumpannar eru veggar holanna samþrýstir og sprunga ofbeldislega, sem frigefur ótrúlega mikla orku sem „sker burt“ metallskífur — eins og skulptör sem notar hamar og meißil á steini. Ef rökkurmyndun er leyft að halda áfram er líftími pumpannar styttri og geta rökkurmyndunaraflið ferðast til annarra hluta kerfisins og skaðað annað tæki.

Mynd 5-5: Skemmdir af rökkurmyndun á innri yfirborði pumputegundar. Mikroskópískt gryfjumynstur er valdið af endurteknari sprungu rökkurholna á yfirborði máls.

Tákn rökkurmyndunar

Minnst áberandi tákn á kavításskemmdum er hljóð — þegar holur brjóta saman mynda þær hára hristingu sem dreifist um allt kerfið og hydraulískur pípupumpa framleiðir hátt, grænandi hljóð. Þegar kavításskemmdir áttu sér stað minnkar flæðið vegna þess að pípupumpunni er ekki fullkomlega fyllt með vægi og þrýstingur kerfisins verður óstöðugur.

Hvernig kavításskemmdir myndast

Kavításskemmdir myndast í vægi því að vægiet rís — en þessi rísing er ekki valin af hita. Hún er valin af því að vægiet nær nægilega lágmættum algildum þrýstingi.

Þrýstingur gufu vægis

Allar sameindir í vægi eru í stöðugri hreyfingu, en ekki allar með sama hraða. Hraðar sameindir við yfirborðið reyna að flýja í rýmið ofaná, þrátt fyrir aðdragandi áhrif umhverfissameinda. Krafturinn sem hröðu sameindir þurfa að sigra til að flýja í andrúmsloftið er þrýstingur gufu vægis.

Ef væskuþátturinn er læstur, ferðast hratt hreyfðar sameindir inn í rýmdina yfir væskjuna. Þegar þessi rýmd náði mætti kafa, rekast sameindir saman og fara aftur í væskjuna. Sameindir sem fara út úr væskjunni kallast uppþynging; sameindir sem fara aftur í væskjuna kallast samþéttun. Þegar hlutfallið á uppþyngingu og samþéttun er jafnt er jafnvægi náð og þrýstingurinn sem kafan myndar er kafþrýstingur þeirrar væskju. Kafþrýstingur er venjulega gefinn upp í einingum fyrir algildan þrýsting, in.Hg.

Áhrif hitastigs á kafþrýsting

Kafþrýstingur er áhrifaríkur af hitastigi. Þegar hitastigið hækkar fá væskusameindir meiri orku og hreyfa sig hraðar. Kafþrýstingur hækkar. Þegar kafþrýstingur jafngildir umhverfisþrýstingi geta væskusameindirnar frjálst farið í umhverfið — þetta kallast sjóða. Vatn sjávarmáls sjóður við 212°F (100°C), því við þetta hitastig jafngildir kafþrýstingur vatnsins umhverfisþrýstingi.

Áhrif þrýstings á sjóðupunkt

Vökvi getur líka verið kokaður með því að lægja þrýstinginn sem á hann virkar. Þegar lægði þrýstingur jafngildir þrýstingi pörsins í vökvanum geta sameindirnar í vökvanum frjálst farið í rýmdina yfir vökvanum. Vatn við 100°F (37,2°C) hefur pörþrýsting 2 in.Hg (0,068 bar). Ef ílát með vatni við 100°F er tengt tómurýmisvél og innri absóltur þrýstingur lækkar til 2 in.Hg (0,068 bar), byrjar vatnið að koka. Pípur sem vinna með vökva reyna almennt þennan gerð af kökun.

Laus loft í vökva

Hydraulíkolía á sjávarmáli inniheldur um 10% laus loft. Þetta loft er laust í vætinu — það er ósýnilegt og eykur ekki merkilega rúmmál vætisins. Geta hydraulíkolíu eða annarra vætis að leysa loft minnkar þegar þrýstingurinn sem verkar á vætið minnkar. Til dæmis, ef glas af hydraulíkolíu undir loftþrýstingi er sett í vörusogu, breytist lausa lofið í blöðru og fer úr lausninni. Við kavítasjon breytist lausa loftið í olíunni í blöðrur og valdar skaða á hydraulíkpumpunni.

Innblandað loft

Innblandað loft er loft í vætinu í óleystu ástandi — sem blöðrur. Ef pumpa dregur stundum inn olíu sem inniheldur innblandað loft, hafa blöðrurnar áhrif á pumpuna sem eru svipuð áhrifum kavítasjonar. Þó svo það tengist ekki þrýstingi gufunnar í vætinu köllum við það falsk kavítasjon.

Ef eru leka í súgulínu eða ef þjöppunarlásinn á pípunnarásinni mistekst, er loft alltaf næstum í kerfinu. Því að þrýstingurinn á inntaks hlið pípunnar er oft neðri en umhverfisþrýstingurinn, mun hver opnun þar draga loft inn í olíuna og í pípuna. Allar loftbólgur sem ekki geta flutt sig út úr geymslunni munu líka fara inn í pípuna.

Tækniskilyrði fyrir inntaks hlið

Kavítássión er mjög skaðleg bæði fyrir pípuna og kerfið. Af þessari ástæðu tilgreina framleiðendur pípna inntaks hlið skilyrði fyrir vörurnar sínar. Framleiðendur jákvæðra rýmis iðnaðar-hydraulískra pípna tilgreina almennt að þrýstingurinn á inntaks hlið pípunnar verði neðri en umhverfisþrýstingurinn svo að vægið geti verið innreitt í snúðhlutana í pípunni. Þetta þrýstingskrafa er hins vegar venjulega ekki gefin upp í algildum þrýstiseiningum — heldur er hún gefin upp sem dregin þrýstingur.

Skala fyrir dreginn þrýstingur (dreginn þrýstingur)

Vökuum er hver sem er þrýstingur lægri en umhverfisþrýstingur. Vökuum er ruglandi hugtak vegna þess að upphafspunktur þess er sá sami og fyrir mælingu á þrýstingi með þrýstismælum (umhverfisþrýstingur), en gildin eru talin niður í einingum in.Hg (mmHg).

0 in (0 mm) vökuum = umhverfisþrýstingur eða núll þrýstingur með þrýstismælum. 29,92 in.Hg (760 mmHg) vökuum = fullkominn vökuum eða núll absóltur þrýstingur.

Ákvarðun vökuums

Sem sýnt er á myndinni, er kvikasilfurísskál tengd við íláti með umhverfisþrýstingi með gegnum glasrör: þar sem þrýstingurinn inni í ílátinu jafngildir umhverfisþrýstingnum sem verkar á ísskálina, stígur kvikasilfurinn ekki upp í glasrörinu. Núll hæð kvikasilfurstulpunnar gefur til kynna að ílátið sé ekki í vökuumi.

Ef ílátinu er dregið úr því þar til innri þrýstingurinn lækkar um 10 in.Hg (254 mmHg), getur þrýstingur loftslagsins sem áhrifar yfirborðsins á rásinni þá haldið upp 10 in. (254 mm) af kvikasilfri — mætta vakúman er 10 in.Hg (254 mmHg). Ef ílátinu er dregið úr því þar til fullkomlega vakúma er náð (núll absóltur þrýstingur), getur þrýstingur loftslagsins haldið upp 29,92 in. (760 mm) af kvikasilfri — mætta vakúman er 29,92 in.Hg (760 mm).

0 in. (0 mm) af kvikasilfri vakúma = þrýstingur loftslagsins = núll gáttþrýstingur. 29,92 in.Hg (760 mm) vakúma = fullkomlega vakúma = núll absóltur þrýstingur.

Mynd 5-9: Mæling á vakúmu með kvikasilfrímanómetri. Þrjú ástandin frá efst til neðst: loftslagsþrýstingur (0 vakúma), hlutvís vakúma (10 in.Hg) og fullkomlega vakúma (29,92 in.Hg = 0 psia).

Vakuúmmálar

Vakúumsmáli er stillt frá 0 til 30 in.Hg (0–760 mmHg), þar sem hver deild svarar 1 in.Hg. Á sjávarmáli er hægt að breyta lesun á vakúumsmála í algilda þrýsting með því að draga lesunina á vakúumsmálanum (í in.Hg) frá 30 in.Hg (760 mmHg). Til dæmis jafngildir lesun á vakúumsmálanum á 7 in.Hg (177 mmHg) algildum þrýstingi á 23 in.Hg (583 mmHg).

Notkun á vacuum til að tjá teknískar kröfur fyrir innslátt pumpu

Pípuframleiðendur nota einingar fyrir vakúum við kröfur til innana vegna tengslanna við sjávarmálið — þegar pípa er notuð á hærra hæð yfir sjávarmáli verður tekið tillit til lægra loftþrýstingsins á þeirri hæð.

Dæmi: Ef framleiðandi tilgreinir að hámarksinnslátturinn má ekki vera meiri en 7 in.Hg (177 mmHg), þýðir það að framleiðandinn krefur að minnst 23 in.Hg (583 mmHg) af algildri þrýstingi (eða loftþrýstingi) sé við innslátt pumpunnar til að hrökkva vægið inn í snúðvirknina. Ef algildi þrýstingurinn við innslátt pumpunnar fellur neðan 23 in.Hg (583 mmHg), gæti pumpunni verið skaðað, þótt þetta háðist hönnunarfaktorinum sem framleiðandinn hefur ákvarðað fyrir innsláttarstig. Allar opinberaðar tilgreiningar á innslátt pumpunnar gilda fyrir raðhraða og olíu á grjóti. Ef pumpan keyrir á öðrum hraða eða notar annað vægi, verða tilgreiningarnar að breyta.

Áhrif mismunandi vægis á hámarksleyfilegan innslátt

Hámarksleyfilega undirþrýstingur pípunnar er háður því hvaða vægi er pumpað. Tæknilegar kröfur fyrir innsláttarsíðuna eru reiknaðar út frá þéttleika og mættiþrýstingi olíu. Ef eldvarnar hydraulískar vægi eru notaðar, munu breytingar á þéttleika og mættiþrýstingi áhrifa hámarksleyfilegan innsláttarundirþrýsting.

Áhrif þéttleika á hámarksleyfilegan undirþrýsting

Þéttleiki er hlutfall þyngdar einnar vægi við þyngd annarrar vægi. Nákvæmara er það hlutfall þyngdar ákveðins rúmmáls vægi við þyngd sama rúmmáls af vatni. Við 60°F (15,6°C) vegur 1 ft³ af vatni 62,4 lbs (28,3 kg). Með því að deila þyngd olíunnar með þyngd vatnsins fáum við að vita að olían vegur 90% þess sem vatnið vegur, eða þyngdahlutfallið er 1 (vatn) við 0,90 (olía) — þéttleiki olíunnar er því 0,90.

Innflæðiskröfur á pípustöðinni eru reiknaðar fyrir olíu með þéttleika (SG) 0,87–0,90. Þegar notuð er eldvarnandi vökvavirk efni af fosfórestersamsetningu hækkar þéttleikinn um 30%, til um 1,15. Þéttleiki vatnsbyggðra hydraulíkvekja varðar frá 0,93 (HFB-emulsión) til 1,08 (vatn-glykól). Til að hræða þessa þyngri vökvavirk efni inn í pípustöðina er hærra ytriþrýstingur nauðsynlegur við innflæðisopnunina. Því miður ætti hámarksleyfilegt undirþrýstingur að vera smá minnkaður.

Áhrif kviðþrýstingsins á hámarksleyfilegan undirþrýsting

Olía og eldvarnandi vökvavirk efni af fosfórestersamsetningu hafa mjög lágan kviðþrýsting við venjulegar starfshitastig í hydraulíkkerfum, en vatnsbyggð hydraulíkvekja er önnur. Vatnsbyggð hydraulíkvekja inniheldur mikla hlutfall af vatni. Kviðþrýstingur bæði HFB-emulsíunnar og vatn-glykólsins getur náð nokkrum tommum kvikasilfur, en kviðþrýstingur olíu og samsettra vökva er aðeins brot af tomma kvikasilfur. Því miður eru vatnsbyggð hydraulíkvekja meira viðkvæm fyrir úrþroskun og holubilun.

Til að koma í veg fyrir að vatnssjáðar vökvir myndi skemmda (cavitation), krefjast framleiðendur á pípum um nægilegt ytri þrýsting á inntaki pípu til að hrökkva vinnuvökva inn í pípuna. Þessi kröfu má uppfylla með því að lægja hámarksleyfilegan dregidrátt.

Mynd 5-13: Samanburður á þrýstingi ræktunar. Vatnssjáðar vökvir hafa miklu hærri þrýsting ræktunar en miskeljólg, við sama hitastig, sem gerir þá viðkvæmari fyrir skemmdum (cavitation) ef dregidrátturinn á inntakinu er of háttur.

Greining á pumpusprengingu

Viðhaldsfólk er líklegast að greina að pípa er að verða við skemmdir (cavitation) eða að draga inn loft á upphafi, þar sem þeir eru vel þekktir við vélinn og geta því tekið eftir fyrstu táknunum á villa.

Minnst áberandi tákn hydraulískrar pumpuhræringar eða loftinnkomu er háttónn hljóð, en það eru fínar mismunir: hræringarpumpa framleiðir jafna háttónna hljóð — þetta hljóð getur verið valdið af loftrásbubblum af svipu stærð sem sprunga. Þegar pumpan dregur inn loft varierar hljóðið mikið: þegar lítið magn lofts kemur inn hljómar hljóðið eins og klakka eða eins og skemmd á rúllunni; ef mikil magn lofts koma inn framleiðir það strangt hamrar- eða knökkunarljóð.

Áreiðanlegri leið til að greina milli hræringar og loftinnkomu er að nota vacuum-mælir til að ákvarða algildu þrýstinginn við inntak pumpunnar. Dragðu frá vacuum-mælinguna frá loftþrýstingnum; ef algildi þrýstingsins er ónógt gæti hræring verið á gangi.

Fyrir nýja hydraulísk kerfi: ef pípupan dregur loft í sig (cavitation), gæti það verið vegna slæmr útfærslu á innlætisrásinni eða vegna of hárr viðskiptavíska olíu. Notkun olíu með rétta viðskiptavíska eða aukning á þvermáli innlætisrásar til að minnka trykkfall í rásinni mun hjálpa til við að bæta á dregingu lofts í sig (cavitation). Fyrir rétt hönnuðu núverandi kerfi: ef pípupan dregur loft í sig (cavitation), gæti það verið vegna þess að innlætisrásin er lokað af rusli, pappír eða litlum dýrum — eða innlætissía gæti verið of skítug án yfirfæringar (bypass), eða yfirfæringin (bypass) opnar ekki nógu mikið.

Uppfylling á pípupönnu

Fyrir hydraulískar pípupönnur þýðir „uppfylling“ að fylla pípupönnuna með vægi. Óuppfull pípupanna inniheldur loft eða „loftlás“ (air locks). Áður en pípupönnun byrjar að vinna verður þetta loft hreinsað úr innlætisrásinni og pípupönnunni. Ef þessi skref eru sleppt mun hydraulísk pípupanna sem er ræst án uppfullingar valda varanlegum skemmdum innan nokkrum mínútum vegna vanskilvirkis.

Pumpan sem hefur útganginn tengdan beint við ílátinu gegnum stýrihjólsvalva getur almennt auðveldlega losað afgangsgasið í ílátið við ræsingu. Ef pumpan verður að losa innri loftgufu gegnum yfirþrýstivalvuna, gæti þessi aðgerð ekki verið möguleg — vegna þess að venjuleg vélbúin hydraulísk pumpa er mjög slæm loftþjöppunarpumpa.

Til að losa afgangsluft úr ófylltri pumpu skal losa rörhnappinn á útgangspunktinum á pumpunni, hreyfa pumpuna hægt og jafnvel þar til olía skýtur út úr hnappinum, sem gefur til kynna að pumpan sé fyllt, og síðan festa hnappinn aftur. Afgangsluft má einnig losa með því að afláta yfirþrýstivalvuna.

Hydraulískar pumpur þurfa venjulega að vera fylltar aðeins við ræsingu nýs kerfis eða þegar viðhald hefur verið framkvæmt á innblásungarsíðunni á núverandi kerfi.

Lykilorð og skilgreiningar — Innblásungarsíða pumpunnar

Eftirfarandi hugtök og formúlur eru notaðar þegar unnið er með innblásungarskilyrði pumpunnar:

Fyllt innblásung

Ástandið þar sem inntakspípinn á pípuna er neðar en vægið á vægisskálunni. Við fullt inntak veitir vægið (þyngdarkrafturinn) aukna orku til að ýta væginu inn í pípuna.

Ytri þrýstinn

Ýtrykkurinn á botni vægisdálks. Þegar inntakspípinn á pípuna er neðar en vægislýsingin veitir vægisdálkurinn aukna orkugjafa fyrir pípuna. Formúlur fyrir vægisdálksýtrykk:

Líftrýður

Jafngildi dálksins útrykkt í lengdareiningum, neðar við tiltekna tilvísunarpunkt. Formúla fyrir líftrýð (í in.Hg):

Pumping

Aðgerðin sem hydraulísk pípa framkvæmir til að búa til ýtrykkjamun á milli sín og loftslagsins.

Inngangsstykkja

Absólútýtrykkur vægisins við inntak pípunnar.