MEKATRONİKTE PNÖMATİK VE HİDROLİK SİSTEMLER MEC5008

Akışkanların Fiziksel Ölçme Boyutları İçerik Akışkanların Fiziksel Ölçme Boyutları Kuvvet, Basınç, Kütle, Enerji, Güç Birimleri Hidrolik-Pnömatik Devre Eleman Seçimi

Temel Fiziksel Kavramlar Hidrolik: Basınçlı sıvılar ile gücün üretimi, kontrolü ve iletimi ile ilgili teknolojiyi ifade eder. Pnömatik: Gaz basıncını mekanik harekete çevirme amaçlı eğitim ve uygulamaları içeren endüstriyel bir bilim dalıdır. Hidrodinamik: Hareket halindeki akışkanların mekaniği. Hidrostatik: Durağan akışkanların, mekaniği üzerine yoğunlaşmıştır. (** Eğer bir akışkanın hidrostatik iş yapabilme yetisi, hidrodinamik iş yapabilme yetisinden daha yüksek ise, bu akışkanı kullanarak gücün kontrol ve iletimi modern hidroliğin tanımını ifade eder)

Temel Fiziksel Kavramlar Atalet: Bir cismin harekete veya hareketi esnasında gerçekleşen bir değişikliğe karşı direnç gösterme özelliğidir. Kütle: Ataletin sayısal bir ölçüsü ve aynı zamanda cismin yoğunluğu ile birlikte hacmini tanımlayan temel fiziksel ölçüdür. İvme: Bir cismin birim zamandaki hızıdır. Cismin hareketindeki hızlanmasını,yavaşlamasını, yön değiştirmesini, durağan halden harekete geçmesini ya da tam tersini ifade eder. Kuvvet: Bir cismi belirli bir ivme değerine ulaştırmak için gerekli büyüklüktür.(Newton 1,2) Yoğunluk: Bir cismin hacminin kütlesine oranıdır ve sıkıştırılamayan cisimlerde, cismi oluşturan maddenin temel değişmez özelliğidir. Basınç: Birim alana düşen kuvvettir. Debi: Birim zamanda birim alandan geçen akışkan hacmidir.

Temel Fiziksel Kavramların SI Birimleri

Temel Fiziksel Kavramlar

Hidrostatik Basınç Hidrostatik kanunları sadece kütlesiz, sürtünmesiz ve sıkıştırılamaz olduğu varsayılan bir ideal akışkana uygulanır. Bu ilişki ile ideal yani kaybı olmayan devrelerin hareketini tahmin etmek mümkündür. Ancak bir takım kayıplar hidrolik sistemdeki tüm elemanlarda kendilerini gösterirler. Kısma prensibine göre çalışan elemanlarda meydana gelen kayıplar fonksiyonlarını sağlayabilmeleri için gerekli ön adımlardır.

Pascal Kanunu Sabit bir akışkana uygulanan kuvvetin etkisi akışkan içerisinde her yöne dağılır. Akışkan basıncının miktarı uygulanan alana göre ağırlık kuvvetine eşittir. Basınç her zaman kap yüzeylerine dik açı ile eşit etki eder. Modern hidrolik devrelerde kullanılan yüksek basınçlardan dolayı, yerçekiminden oluşan basınç ihmal edilir. ** 10m su sütunu = 1 bar

Kuvvet İletimi Basınç tüm yönlerde eşit etki ettiğinden, kabın şeklinden bağımsızdır. Kuvvetler alanlar ile aynı orandadır Böyle bir sistemde P, kuvvet F’in büyüklüğüne ve efektif alan A’ya bağlıdır. Bunun anlamı, akış hareketinin direncini yenene kadar basınç artmaya devam eder. Pistonların aldıkları yol S1 ve S2 alanlar ile ters orantılıdır. Piston(1) kuvveti ile yapılan iş W1, piston(2) yükü ile yapılan işe W2 eşittir.

** Sürtünme kayıpları ihmal Basınç İletimi ** Sürtünme kayıpları ihmal F1 = F2 ve p1. A1 = p2. A2 p1/ p2= A2 / A1

Dar noktalarda akışkan hızı artar. Akış Kanunu Eğer akışkan değişik çaplara sahip bir boruda akıyor ise, herhangi bir anda tüm noktalarda aynı debi mevcuttur. Dar noktalarda akışkan hızı artar. Debi Q akış hacminin zaman t’ye bölümüdür. Q=V/t

Akış Kanunu V=A.s Q=A.s/t v=s/t Q=A.V

Akış Kanunu Borunun her noktasında aynı miktarda debi Q L/dak oluşur. Eğer bir boru farklı A1 ve A2 kesit alanlarına sahip ise, bu kesit alanlarında hızlar alanlar ile ters orantılı oluşur. Q1= Q1 Q1= A1 . V1 Q2= A2 . V2 Süreklilik Denklemi: A1 . V1 = A2 . V2

Kinetik Enerji: Hareket enerjisi, akışın hızına ve geri basınca bağlı Enerjinin Korunumu Akan akışkan ile ilgili enerjinin korunması kanunu, enerji dışarıdan sağlanmadığı veya dışarıya verilmediği sürece akışkanın toplam enerjisinin değişmediğini savunur. Potansiyel Enerji: Pozisyon enerjisi, akışkan sütununun yüksekliğine ve statik basınca bağlı Kinetik Enerji: Hareket enerjisi, akışın hızına ve geri basınca bağlı

Basınç enerjisi yönünden bunun anlamı: Bernoulli Denklemi Basınç enerjisi yönünden bunun anlamı: Statik basınç Akışkan sütunu yüksekliğine bağlı basınç Geri basınç

Bernoulli Denklemi Süreklilik denklemi ve bernoulli denklemi beraber değerlendirildiğinde: Kesit alanı azaldıkça, akışkan hızı artar, hareket enerjisi artar. Toplam enerji sabit kaldığı sürece basınç, kesit alanının küçülmesi ile beraber, azalmalıdır. Potansiyel enerjide ölçülebilir bir değişim olmaz Statik basınç geri basınca bağlı olarak değişir, başka bir değişle akışkanın hızına bağlıdır. Hidrostatik sistemlerde önemli olan statik basınçtır, akışkan sütunu yüksekliği ve akış hızı genelde çok düşüktür.

Sürtünme ve Basınç Kayıpları Akış enerjisi borularda kayıpsız iletilemez. Sürtünme boru yüzeylerinde akışkan içinde oluşur ve ısı meydana getirir. Böylece hidrolik enerji ısıya dönüşür. Akış enerjisinde bu yolla oluşan kaybın anlamı hidrolik devrelerde bir basınç kaybının oluşacağıdır. Basınç kaybı, basınç farkı Δ ile gösterilir. Akışkan tabakaları arasında sürtünme(iç sürtünme) arttıkça, akışkan viskozitesi de artar. Kayıplar: Boru boyu Boru kesit alanı Boru iç yüzey pürüzlülüğü Boru dirsek sayısı Akışkan hızı Akışkan viskozitesi

Akış Çeşitleri Belli bir hıza kadar akışkan, borularda içten dışa doğru silindirik düzgün tabakalar halinde akar. En içteki tabaka en yüksek hızda hareket eder. En dıştaki boru yüzeyi üzerindeki tabaka hareket etmez. Kritik hızda akış tipi değişir ve akışkan tabakalar dönerek akmaya başlar. Böylece akış direnci arttığından kayıplar da artmaya başlar. Kritik hız sabit bir değer değildir. Akışkan viskozitesine ve akışın olduğu kesit alanına bağlıdır. Hidrolik devrelerde kritik hız geçilmemelidir

Akış tipi reynold sayısı kullanılarak hesaplanır. Reynold Sayısı (Re) Akış tipi reynold sayısı kullanılarak hesaplanır. Rekrit=2300 alınır(yuvarlak,pürüzsüz, düzgün borularda uygulanır) Kritik reynold sayısında akış laminardan türbülansa geçer veya tam tersi olur Laminar akış için Re<Rekrit Türbülanslı akış için Re>Rekrit v : akışkan hızı dh : boru çapı ν : kinematik viskozitedir

Basınçlı Hava Teorisi Pnömatik sistemlerle ilgili mühendislik hesapları havanın davranışlarını açıklayan birkaç gaz kanununa dayanır. Boyle – Mariotte Yasası: Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacmi, basıncı ile ters orantılıdır. Buradan elde edilecek sonuç ise sabit sıcaklıktaki bir gaz kütlesinin basıncı (P) ile hacmi (V) nin çarpımı sabittir.

Basınçlı Hava Teorisi Gay – Lussac Yasası: Sabit basınçta, herhangi bir miktardaki ideal gazın sıcaklığı arttıkça hacmi artar; sıcaklığı azaldıkça hacmi azalır

Teşekkürler TMMOB Makine Mühendisleri Odası, Hidrolik Devre Elemanları ve Teknikleri Rexroth Bosch Group, Akışkanlar Tekniğinin Temel Esasları ve Elemanları Öğr. Gör. Güngör Kaya, Hidrolik-Pnömatik Sistemler