Echipamente din [608512]

6
INTRODUCERE

Lucrarea are ca scop studierea unui sistem hidrostatic de strângere a
materialului tubular în domeniul utilajului petrolier. Aceste sisteme se utilizeaz ă
pentru a realiza strângerea îmbinarilor filetate ale materialelor tubulare cu un
anumit moment.
Datorită i ntroducer ii dispozitivelor mecanizate în cadrul instalațiilor pentru
foraj, dar și în cadrul celor de intervenție sau a unor subansamble ale acestora, a
făcut ca această metodă de acționare să își mărească orizonturile de utilizare în
ultima perioadă.
În prezent aceste sisteme de strângere se dovedesc a fi foarte performante,
deoarece tipul de acționare al acestora, cel de tip hidrostatic, a fost combinat cu
comenzile electrice, care implică posibilitatea de a putea introduce un calcula tor cu
ajutorul căruia se pot dirija anumite procese, cu o precizie semnificativ mai
ridicată, ceea ce a condus la obținerea unei instalații cu o manevrabilitate ușoară și
totodată cu perfonmanțe ridicate.
În primul capitol al lucrării s -au prezentat două elemente principale,
realizate într -un program de proiectare tridimensional, care se utilizează la acest
sistem și un exemplu de circuit de testare a unei supape de siguranță realizat într –
un program de calcul, cu explicarea blocurilor din componența lui.
În cel de -al doilea capitol se explică principiul de funcționare ai unor
elemente ce se află în componența sistemului, împreună cu relațiile de calcul ale
acestora. Se definește și explică pachetul de programe denumit Simulink , din
cadrul programului Ma tlab, se prezintă mediul de modelare și design pentru acest
tip de acționări, denumit SimHydraulics . La finalul acestui capitol se prezintă
modalitatea prin care se poate realiza o construcție și o simulare a unui sistem
hidraulic în programul Matlab, împr eună cu rezultatele obținute în urma rulării
unei simulări a circuitului de testare a supapei de siguranță.
În capitolul al treilea s -a realizat un calcul de proiectare a sistemului, în
urma căruia s -a ales diametrul de conductă optim, motorul electric de acționare a
pompei cu pisotane axiale, s -au determinat pierderile de presiune pe treseu ,
diametrul pistoanelor pompei, s -a realizat schema sistemului de acționare în
programul Matlab și s -a efectuat un studiu asupra acestei scheme.

7
La finalul capitolulu lui s-au prezentat diferite aspecte asupra protecției mediului și
asupra eficienței energetice a sistemului.
Ultimul capitol prezintă o analiză economică a sistemului de acționare, ce
implică alegerea unor metode mai convenabile din punct de vedere econom ic
pentru întreținerea acestuia. Se prezintă posibilitatea de a utiliza piese
recondiționate în locul celor noi, datorită costurilor mai avantajoase.

8
Tema proiectului:
Să se proiecteze schema de acționare a unui sistem de strângere a
materialului tubular cunoscând:
– Momentul rezistent:
– Turația: ( )

– Lungimea de circuit hidraulic:
– Caderea de presiune pe motorul hidraulic :
– Tipul u leiului hidraulic: H12, cu densitatea
, și vâscozitatea
12 [cSt] .
Se va studia modul de funcționare a schemei de acț ionare cu ajutorul
programului Simulink .

9
CAPITOLUL 1

ELEMENTE UTILIZATE ÎN ACȚIONĂRILE
HIDROSTAT ICE

1.1. Modelele mecanice cu modelarea tridimensională în Solid
Works

În acest subcapitol, se vor prezenta două elemente principale realizate in
programul SOLIDWORKS, ale sistemului hidrostatic de strângere a materialului
tubular.

În figura de mai jo s este reprezentată pompa cu pistoane axiale :

Fig.1.1. Pompa cu pistoane axiale

10

Fig. 1.2. Pompa cu pistoane axiale în secțiune

Pompa este compusă din următoarele elemente :

1- Rulment radial – axial cu bile
2- Capac cu gur ă de admisie și refulare
3- Corp
4- Bloc de cilindri
5- inel de prindere
6- inel de prindere
7- Piston
8- Articulație sferică
9- Disc de înclinare
10- Rulment radial – axial cu bile
11- Arbore de antrenare

11
Defini ție:

Pompa se compune dintr -un bloc al cilindrilor în care su nt amplasate
pistonasele axiale, din tr-un disc pe care sunt la unul din capete tijele pistonaselor
(prin intermediul unor articulații sferice) și dintr -o placă de distribuție .
Poziția relativă a acestor elemente și sistemul lor de antrenare definesc trei
tipuri mari de mașini: pompe cu pistonase axiale cu bloc fix înclinat, pompe cu
disc înclinat, și pompe cu disc fulant. Din punctul de vedere al posibilităților de
debitare, mașinile cu pistonase axiale sunt de două tipuri : cu debit constant și cu
debit variabil.

În figura de mai jos este reprezentată supapa de siguranță :

Fig. 1.3 Supapa de siguranță

12

Fig. 1.4 Supapa de siguranță în secțiune

Supapa este compusă din următoarele elemente :

1- Robinet
2- Tijă de tensionare a arcului
3- Capac
4- Scaunul superior
5- Corpul supepei
6- Arc de tensionare
7- Tija de apasare pe flanșa supapei
8- Scaunul inferior
9- Flanșa supepei
10- Scaunul supapei

13
Definiție:

Supapele de presiune sunt aparate care reglează presiunea în instalațiile
hidraulice, o menț in constantă sau o reduc la diferite valori stabilite. În unele
cazuri, în funcție de construcție, cuplează sau decuplează diferite circuite în
sistemele hidraulice.
Aceste supape se reglează la presiunea dorită, iar în momentul în care se
întampină în ci rcuit diverse probleme, care duc la creșterea presiunii, supapa se
deschide parțial sau total, pentru a permite unei parți de lichid să se scurgă înapoi
in rezervor, egalând presiunea în circuit si menținându -l în paramerii.

1.2. Modele de calcul

Mai j os este reprezentată schema hidrostatică de testare a unei supape de
presiune.

Fig. 1.5 . Exemplu circuit de testare supapă de presiune

14
s-a procedat în felul următor :

În programul Matlab s -au introdus pe rând elementele componente ale
circuitului de testare, urmând ca apoi, acestea să fie conectate între ele cu scopul
de a realiza circuitul hidraulic propriu -zis.

1. S-a introdus o supapă de presiune împreuna cu parametrii săi, acestia
fiind : aria maximă de curgere, presiunea setată a valvei, re glarea valvei,
coeficientul de descărcare a debitului și suprafața de pierderi.
unde (conform figurii de mai sus) :

A- represintă intrarea în supapă
B- reprezintă ieșirea din supapă

2. S-a introdus o sursă ideală de energie hidraulică suficient de pute rnică
pentru a menține debitul specificat la ieșire, indiferent de diferența de presiune din
sursă.

unde (conform figurii de mai sus) :

S- reprezintă un port de semnal fizic
T- reprezintă portul de admisie hidraulică
P- reprezintă portul de ieșire hidraul ică

3. S-a introdus un bloc (notat în figură cu C) ce reprezintă motorul electric
care acționează sursa de energie hidraulică.

4. S-a introdus un rezervor de fluid hidraulic

5. S-a introdus un fluid hidraulic cu parametrii prestabiliți de exemplele
din biblioteca programului.

6. S-a introdus un orificiu variabil cu scopul de a crește presiunea în
sistem.

15
unde (conform figurii de mai sus) :

S- reprezintă un port de semnal fizic
A- reprezintă orificiul de admisie hidraulică
B- reprezintă orificiul de ieșire hidraulică

7. S-a introdus un bloc (notat în figură cu Orifice Opening ), cu ajutorul
căruia se transmite un semnal electric la convertorul de semnal pentru a
deschide/închide orificiul cu o valoare numerică dorită.

8. S-a introdus un convertor de semnal (notat in figură cu PS S ), care
transformă semnalul electric provenit de la blocul de deschidere al orificiului, în
semnal fizic ce va acționa deschiderea orificiului.

9. S-a introdus un ecran (notat în figură cu Scope ), pentru a observa
grafic ul de variație a supapei, adică, momentul în care supapa s -a deschis/închis si
la ce valoare a presiunii.
Funcționarea acestui circuit este explicată mai jos :
Blocul C, ce reprezintă motorul electric, acționează sursa de energie
hidraulică prin portul S al sursei. Aceasta va trage fluid hidraulic din rezervor prin
portul T și îl va transmite mai departe prin intermediul portului P. O parte din fluid
va ajunge cu o presiune la portul A al supapei de siguranță, rămânând în corpul
acesteia, iar restul de flui d va ajunge la portul A al orificiului, acesta fiind deschis
complet. Fluidul va străbate orificiul fară dificultate și se va întoarce înapoi în
rezervor. Pentru a testa supapa de siguranță, prin intermediul blocului Orifice
Opening , se va transmite un sem nal electric la convertorul de semnal și se va
acționa orificiul prin portul S, rezultatul fiind închiderea parțială/completă a
orificiului. Presiunea în sistem va crește, iar supapa de siguranță se va deschide,
permițând fluidului să se scurgă înapoi în r ezervor, protejând astfel elementele
componente ale sistemului.

În subcapitolul 2.5. este reprezentată o aplicație a acestui circuit, împreună
cu rezultatele obținute în urma rulării simulării.

16
CAPITOLUL 2

PROGRAME UTILIZATE LA SIMULAREA SISTEMELOR
HIDRAULICE

2.1. Aspecte generale

În acest subcapitol se vor scrie relațiile de calcul preluate din meniul „ Help ”
din programul Matlab, pentru anumite elemente componente din sistemul
hidrostatic :

1. Supapa de siguran ță

Fig.2.1. Supapa de siguran ță

În mod prestabilit, blocul nu include dinamica deschiderii supapei, iar
supapa își stabilește suprafața de deschidere direct ca funcție de presiune:

A=A(p) (2.1)

Adăugarea dinamicii de deschidere a supapei asigură un comportament
continuu mai realist din punct de vedere fizic și este deosebit de util în situațiile în
care se deschide și se închide rapid supapa. Suprafața A (p) de trecere a orificiului
de presiune dependentă în ecuațiile blocurilor devine apoi aria de staționare și ari a

17
de trecere instantanee a orificiului în ecuația debitului este determinată după cum
urmează:

( ) (2.2)

( )
(2.3)

În ambele cazuri, debitul prin vană este determinat conform următoarelor ecuații:

√

( ) (2.4)
(2.5)

(
)
(2.6)

( ) {

( )

(2.7)

(2.8)

√
(2.9)

unde:

– debitul
– Diferența de presiune
– Calibre presiuni la terminalele bloc
– Coeficientul de descărcare a debitului
– Zonă de trecere instantanee a orificiului
( )- Zonă de trecere instantanee a orificiului
– Zona inițială deschisă a supapei
– Deschidere completă a zoei de trecere a supapei

18
– Suprafața de scurgere a supapei închisă
– Domeniul de reglare
– Presiunea setată a supapei
– Presiunea supapei la des chiderea maximă
– Densitatea lichidului
– Viscozitatea cinematică fluidă
– Constanta de timp pentru răspunsul de ordinul întâi al deschiderii supapei
– Timpul
– Presiunea minimă pentru fluxul turbulent
– Numărul critic al lui Re ynolds
– Diametrul hidraulic instantaneu al supapei

2. Pompă cu pistoane

Fig.2.2. Pompă cu pistoane

Blocul pompei fixe reprezintă o pompă pozitivă, cu deplasare fixă, de orice
tip, ca model bazat pe date tehnice. Parametrii cheie necesari pentru acest bloc sunt
deplasarea pompei, randamentul volumetric și total, presiunea nominală și viteza
unghiulară. Toți acești parametri sunt furnizați, în general, în fișele de date sau în
cataloage. Pompa cu deplasare fixă este reprezentată cu următoa rele ecuații:

(2.10)

(2.11)

(2.12)
( )
(2.13)
(2.14)

19
unde:

– Încărcarea pompei
– Diferența de presiune pe pompă
– Calibrele presiunilor la terminalele bloc
– Cuplul la arborele de antrenare al pompei
– Cilindreea pompei
– Viteza unghiulară a pompei
– Coeficient de scurgere
– Coeficientul Hagen -Poiseuille
– Randamentul volumic al pompei
– Randamentul mecanic al pompei
– Viscozitatea cinematică fluidă
– Densitatea fluidului
– Densitatea nominală a fluidului
– Presiunea nom inală a pompei
– Viteza nominală unghiulară a pompei
– Viscozitatea cinematică a fluidului nominal

3. Motor hidrostatic

Fig.2.3. Motor hidrostatic

Blocul motoarelor hidraulice reprezintă un motor hidraulic pozitiv, cu
deplasar e fixă, de orice tip, ca model bazat pe date tehnice. Parametrii cheie
necesari pentru parametrizarea blocului sunt deplasarea motorului, randamentul
volumetric și total, presiunea nominală și viteza unghiulară. Toți acești parametri
sunt furnizați, în gen eral, în fișele de date sau în cataloage. Motorul este
reprezentat cu următoarele ecuații:

20

(2.15)
(2.16)

(2.17)
( )
(2.18)
(2.19)

unde:

– Debitul prin motor
– Diferența de presiune pe motor
– Calibrele presiunilor la terminalele bloc
– Cuplul la arborele de antrenare al motorului
– Cilindr eea motorului
– Viteza unghiulară a arborelui de ieșire
– Coeficient de scurgere
– Coeficientul Hagen -Poiseuille
– Randamentul volumic al motorului
– Randamentul mecanic al motorului
– Viscozitatea cinematică fl uidă
– Densitatea fluidului
– Densitatea nominală a fluidului
– Presiunea nominală a motorului
– Viteza nominală unghiulară a motorului
– Viscozitatea cinematică a fluidului nominal

21
2.2. Programul Matl ab- Simulink

Simulink reprezintă un pachet de programe pentru modelarea, simularea și
analizarea sistemelor dinamice. Se pot simula atât sisteme liniare, cât și sisteme
neliniare, modelate în timp continuu sau discret sau printr -o combinație a celor
două . Sistemele pot avea porțiuni eșantionate cu fre cvențe de eșantionare diferite.
Pentru a modela un sistem, este furnizată o interfață grafică intuitivă și ușor
de utilizat. Blocurile sunt plasate și interconectate cu ajutorul mouse -ului ceea ce
reprezintă un foarte mare avantaj (față de scrierea directă a ecuațiilor diferențiale
ce definesc un sistem). Simulink oferă o colecție foarte mare de blocuri cum ar fi:
instrumente de vizualizare, generatoare de semnal, blocuri ce realizează funcții
matematice, comp onente liniare și neliniare, etc. Setul de blocuri pe care îl
furnizează poate fi extins oricând cu noi blocuri. [6]
Mai multe blocuri pot fi grupate oricând într -un bloc nou, oferind astfel
posibilități extinse de analiză la un nivel superior de organizar e.
După ce s -a definit un model nou, simularea se poate efectua atât în mod
grafic cât și cu ajutorul interpreterului. Cele două instrumente sunt legate unul de
celălalt și astfel se poate opta pentru oricare dintre acestea.

Pentru a începe sesiunea de lucru pe SIMULINK se vor efectua
următoarele:
– Se apelează biblioteca principală prin comanda Simulink.
– Dacă nu apare automat un fișier cu numele „ Untitled ” se va selecta New…
din meniul File pentru a deschide o fereastră nouă în care se ca construi modelul.
Fereastra are deocamdată numele Untitled , nume care va fi schimbat în momentul
salvării pe disc a modelului.
– Se vor apela librăriile disponibile și se vor aduce elementele necesare
construirii modelului prin tehnica binecunoscută drag and drop .
– Se vor realiza conexiunile dintre blocuri prin trasarea liniilor dinspre
ieșirile spre intrările blocurilor.
-Dacă este necesar, se vor schimba parametrii blocurilor printr -un dublu clic
cu mouse -ul pe blocul respectiv.
– Se salvează mode lul, selectând Save din meniul File.
-Se execută o simulare prin opțiunea Start din meniul Simulation .

22
-Se pot schimba parametrii simulării selectând Parameters din meniul
Simulation .
-Comportarea sistemului este vizualizată, folosind un bloc din biblioteca
Sinks , fie grafic ( Scope ), fie este transmisă în mediul MATLAB folosind un bloc
To Workspace , rezultatul putând fi prelucrat ulterior cu ajutorul funcțiilor
MATLAB.

2.3. Modele Matlab ale elementelor folosite în acționările
hidrostatice – Modulul Simhydraulics

SimHydraulics este un mediu de modelare și design oferind posibilitatea de
simulare a sistemelor hidraulice prin intermediul programului Simulink din
Matlab.

Fig.2.4. Familia de produse pentru simularea sistemelor fizice

SimHydrau lics se poate folosi pentru a analiza sisteme hidro -mecanice
inclusive în regim tranzitoriu. Există posibilitatea de a crea modele specifice, pe
lângă cele standard din librăria Foundation library. SimHydraulics este dezvoltat în
special pentru modelarea s istemelor de control cu pistoane, ca parte dintr -un sistem
de control complex. Se pot folosi totodată și parametrii din spațiul de lucru din
Sistems. [7]

23
Posibilitățile prezentate nu includ următoarele:

– Transportul fluidelor
– Sisteme de irigație
– Sisteme cu parametri distribuiți

SimHydraulics este bazat pe principiul transformării izoterme: pe timpul
experimentelor temperatura este presupusă să rămână constantă. [4]

SimHydraulics este bazat pe Simscape, platforma de Simulink pentru
modelarea sist emelor fizice. Astfel SimHydraulics se integrează în mediul
Simulink/Matlab, diferența dintre blocurile din Simulink și SimHydraulics fiind
faptul că până când blocurile din Simulink reprezintă blocuri matematice, acestea
în SimHydraulics devin blocuri fiz ice, cu parametrii aferenți. [7]

Parametrii la blocul de conversie sunt în SI și au la bază metrul, kilogramul
și secunda.

Structura librăriei se regăsește astfel:

– Foundation library – Conține blocuri de bază pentru sisteme hidraulice, mecanice
și fizice.
– SimHydraulics library – Conține elemente avansate hidraulice cum ar fi pompe,
robineți, etc.
– Utility library – Conține elemente de bază pentru modelarea sistemelor fizice.

24

Fig.2.5. Structura de librării din SimHydraulicss

Pentru a deschide librăria de SimHydraulics se poate introduce comanda
sh_lib în Matlab.
Pe lângă combinarea elementelor din aceste librării se mai pot folosi și
elementele din Simulink pentru modelarea și simularea sistemelor fizice.

25
2.4. Simularea funcționării e lementelor de sistem

Pentru a putea realiza o simulare a funcționării unui sistem hidrostatic, este
necesar pentru început să se impună anumite condiții. Una din aceste condiții o
reprezintă condițiile inițiale, cum ar fi :

– tipul de ulei folosit pentru c ircuitul hidrostatic, care se va alege din
biblioteca programului Matlab și căruia i se modifică, sau nu, valoarea
cantității de aer reținute și temperatura la care va lucra în sistem;
– precizia ce calcul, pentru a obține valori cât mai exacte în urma efec tuării
simulării;
– modelul matematic, deoarece, orice simulare necesită un set de formule ce
vor fi folosite de program pentru a realiza simularea corect;
– tipul de simulare dorit, deoarece, putem efectua mai multe tipuri de simulări
in acest program, cum a r fi: acționări electrice, acționări mecanice etc.

Totodată, pentru a putea realiza o simulare, este necesar să se utilizeze
aparate de masună, pentru a putea observa dacă circuitul funcționează în parametrii
doriți si pentru a observa rezultatele final e. Aceste aparate de măsură sunt:

– corespondetele elementelor mecanice,
– corespondentele elementelor de masură,
– corespondentele elementelor de afișare, adică ecrane unde se pot vizualiza
rezultatele finale ale simulării, de exemplu grafice de variație.

26
2.5. Aplicație : lucrare de laborator cu tema: Echipamente din
schemele de acționare hidrostatică

Acest exemplu prezintă un circuit de testare construit pentru verificarea
caracteristicii de curgere a presiunii unei supape de presiune cu acționare d irectă.
Modelul supapei constă intr -un orificiu, un convertizor hidromecanic, un arc
preîncărcat și un opritor tare.
O sursă ideală de debit asigură transportul uleiului în circuit printr -un
orificiu variabil.

Fig. 2.6 . Exemplu circuit de testare supapă de presiune

Diagramele de mai jos arată comportamentul supapei de presiune cu
acțiune directă. Când orificiul de încărcare se închide, presiunea în sistem crește.
Când presiunea sistemului atinge setarea de presiune, se deschide supapa care
deviază lic hidul pe orificiul de evacuare și permite sistemului să mențină presiunea
reglată a supapei de presiune.

27

Fig. 2.7 . Graficele cu valorile ob ținute din rularea simulării

Pe măsură ce orificiul se închide, presiunea crește treptat și în cele din
urmă, ajunge la reglarea supapei de presiune. La această presiune, supapa începe să
devieze fluxul către un rezervor și menține presiunea presetată la ieșirea pompei.
Pe măsură ce orificiul este deschis din nou, supapa de presiune este închisă și
întregul flux t rece prin orificiul variabil.

28
CAPITOLUL 3

PROIECTAREA SCHEMEI SISTEMULUI DE STRÂNGERE A
MATERIALULUI TUBULAR

3.1. Datele de proiectare

– Momentul rezistent:

– Turația:
( )

Se va adopta o turație medie:

– Lungimea de circuit:

– Presiunea de lucru:

– Ulei hidraulic:
Tip: H12
Densitate:

Vâscozitate: 12 [cSt]

Puterea motorului:

(3.1)

29
3.2. Alegerea schemei de acționare

Schema hidrostatică de acționare esre reprezentată în figura 3.1.

Fig 3.1. Schema de acționare hidrostatică [1]

3.3. Calculul de dimensionare

Cu formulele pr eluate din [3]

Pentru dimensionarea schemei pornim de la expresia momentului hidraulic
dezvoltat de motor:

(3.2)
unde:
– momentul rezistent

30
Valoarea lui M r reprezintă momentul obținut dup ă reductorul de turație folosit la
strângere

= 1355,8
unde:
– momentul de la motor

Pentru a reduce dimensiunile motorului hidralulic este necesară utilizarea
unui reductor între motor și coloana de prajini/burlane .

= 1419,7 [ W]
= 1,419 [kW]

Se alege un motor de tip ASU cu specificațiile prezentate î n tabelul 3.1.

Tabelul 3.1. Caracteristicile motorului electric ales [2]
Tip motor Putere
nominală
[kW] Turație
nominală
[rpm] Curent
nominal
[400V]
A η
% Cos
ϕ

Masa
[kg]
ASU
112M -8 1,5 705 4,18 73,0 0,71 4,1 2,0 2,0 51

(3.3)

(3.4)

Debitul la motor:
(3.5)

31

Căderea de presiune de la pompă la motor se calculează cu formula
[conform 5] :
(

∑
) (3.6)
Densitatea uleiului ρ este:

√
(3.7)

( )

dc- diametrul conductei
( )

√

Se alege:
= 10 mm

{

√ (3.8)

Numărul lui Reynolds se calculează cu formula:

(3.9)
– vâscozitatea cinematică

32

Tabelul 3.2 Coeficienții de pierderi hidraulici pe fitting -urile din sistem pe tur

Element Nr. elemente
Filtru 0,3 1
Intrări pompă 1 2
Iesiri pompă 0,5 2
Cot 0,75 4
Teu 0,4 3
Distribuitor 39 1
Supapă reținere 8 0

Suma coeficienților de pierdere hidraulică:

Pierderi de presiune:

(

) Mpa

Tabelul 3. 3 Coeficienții de pierderi hidraulici pe fitting -urile din sistem pe retur
Element lech [m] Nr. elemente
Filtru 0,3 1
Intrări pompă 1 2
Iesiri pompă 0,5 2
Cot 0,75 4
Teu 0,4 3
Distribuitor 39 1
Supapă reț inere 8 1

33
Suma coeficientilor de pierdere hidraulică:

Pierderi de presiune:

(

)

Presiunea necesară la pompă va fi:

(3.10)

Debitul la pompă:

(3.11)

= 4,8

În funcție de debitul pompei, se calculează cantitatea de ulei necesară pentru
sistm, care trebuie să fie de 4 ori mai mare:

Puterea la pompă:
(3.12)

Se alege motorul pentru pompă, cu specificatiile in tabelul 3.4.

34

Tabelul 3.4 . Caracteristicile motorului electric pentru pompă [2]
Tip motor Putere
nominală
[kW] Turație
nominală
[rpm] Curent
nominal
[400V]
A η
% Cos
ϕ

Masa
[kg]
ASU 112M –
8 1,5 705 4,18 73,0 0,71 4,1 2,0 2,0 51

[
]

Calculul diametrului pistonului la motorul hidrostatic:
z = 7
γ= 15o
γ=
(3.13)
( )
( )

( )

√

√ [
]

Se adopt ă:
dp= 19 mm

Corelații dime nsionale:
(3.14)

35
(3.15)

( ) (3.16)

( ) (3.17)

( ) (3.18)

Reprezentarea debitului:

(3.19)

(3.20)

(3.21)

* ( )
+

(3.22)

(3.23)

36
Datorită simetriei vom folosi relația debitului numai pe două intervale:

*
+ {

}

[

] {

}

Fig. 3.2 Graficul de variație a debitului în funcț ie de unghiul

Valorile graficului sunt concentrate în tabelul de mai jos :

37
Tabelul 3.5 . Valorile debitului în funcț ie de variaț ia unghiului

(3.24)

= (3.25)

γ=

= 705 [
] = 11,75 [
]

= 19 [ mm]

[⸰] m A [mm2] R [mm]

Q
0 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077321
0,044 88 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077796
0,08976 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078166
0,13464 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078431
0,17952 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078592
0,224399 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078647
0,269279 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078596
0,314159 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,07844
0,359039 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078178
0,403919 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077812
0,448799 4 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077342
0,448799 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077301
0,493 679 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077774
0,538559 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078143
0,583439 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078408
0,628319 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078568
0,673198 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078622
0,718078 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,07857
0,762958 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078414
0,807838 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,078152
0,852718 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077785
0,897598 3 0,897 283,528 66,87 1,230 0,077314

38

p (3.26)

=
(3.27)

Fig. 3.3. Graficul de variație a presiunii în funcț ie de debit

Fig. 3.4. Graficul de variație a turației în funcție de moment

39
3.4. Realizarea modelului în Matlab –Simulink

În figura 3.5, este reprezentat ă schema de acționare hidrostatică realizată în
programul Matlab, iar în figura 3.6 este reprezentat blocul desfășurat al motorului
hidraulic .

Fig. 3.5 . Schema de acționa re hidrostatică

40
Ca elemente din figura 3.5, avem urm ătoarele :

– Pomp ă cu pistoane axiale ( ), cu rolul de a aduce fluid hidraulic în
sistem ;

– Fluid hidraulic ( ), necesar pentru sistemul hidraulic;

– Rezervor de fluid hidraulic ( ), utilizat la stoc area fluidului hidraulic și
totodată pentru revenirea fluidului după parcurgerea traseului;

– Supap ă de presiune ( ), necesară în cazul în care presiunea din sistem crește
peste valoarea dorită, această supapă se va deschide permițând unei părți de fluid
să se întoarcă înapoi în rezervor;
– Supapă de sens ( ), utilizată pentru a reține fluidul în circuit în mometul în
care sistemul este oprit;

– Counducte ( ), pentru circulația fluidului hidraulic;

– Motor hidraulic ( ), utilizat la acționarea sistem ului de strângere;
– Tabelul de ecuații ( ), aceștia sunt parametrii inițiali pentru rezolvarea
sistemului de ecuații diferențiale din timpul simularii;
– Pompa cu cilindree variabilă ( ), acționează în clipa în care cantitatea de
lichid din circuit se red uce datorită unor descărcări voite (pentru răcirea uleiului)
sau impuse de creșterea presiunii în circuit;

41
– Sursă de viteză unghiulară ideală ( ), aceasta simulează motorul electric ce
acționeaza pompa cu pistoane axiale;
– Traductorii de presiune ( ), aceștia preiau valorile fizice ale presiunii
din sistem și îi convertesc în semnale electrice, urmând a fi afișate pe aparatele de
masură;
– Aparatul de masură ( ), acest aparat primește semnalele electrice pe care le
afișează în format digital.

Fig. 3. 6. Ansamblul motorului hidraulic

În această schemă sunt reprezentate următoarele elemente:

– motor hidraulic ( ), iar valorile 1 și 2 reprezintă intrarea fluidului
hidraulic în motor, respectiv ieșirea lui din motor ;

– Senzorul de moment ( ), cu rolul de a măsura momentul de strângere
ca apoi să il transmită mai departe la convertorul de semnal;

42
– Inerția motorului ( ), reprezintă o simulare a inerției motorului;
– Convertorul de semnal ( ), cu rolul de a transforma semnalul fizic, în
semnal electric, pentru a -l afișa în format digital;
– Referință față de 0 ( ), necesară pentru ca sursa de moment ideală să
genereze momentul dorit;
– Sursă de moment ideală ( ), cu rolul de a genera momentul dorit ;
– Absorbitor de șocuri ( ), acesta este asociat cu un amortizor;
– Senzo r de viteză unghiulară( ), cu rolul de a genera viteza dorită.

În ferestrele de mai jos, sunt arătați și explicați parametrii de funcționare ai
unor elemente din sistem :

1. Parametrii de funcționare ai pompei cu pistoane axiale :

Acest bloc reprezin tă o pompă cu deplasare fixă de orice tip, ca model
bazat pe fișa tehnică. Parametrii cheie necesari pentru parametrizarea blocului sunt
deplasarea pompei, eficiența volumetrică și totală, presiunea nominală,
vâscozitatea și viteza unghiulară.

43

Fig. 3 .7. Parametrii de funcționare ai pompei cu pistoane axiale

Conexiunile P și T sunt porturi de conservare hidraulică asociate,
respectiv, cu orificiul de evacuare al pompei. Conexiunea S este un orificiu de
conservare mecanică asociat cu arborele de antr enare a pompei. Poziția pozitivă a
blocului este de la portul T la portul P. Aceasta înseamnă că pompa transferă
fluidul de la T la P dacă arborele S se rotește în direcție pozitivă.

Parametrii sunt urm ătorii:

– Cilindreea pompei: 68,08
;
– Randamentul volumic: 0,95 %;
– Randamentul total: 0,80 %;
– Presiunea nominală: 180 [ bar];
– Viteza unghiulară nominală: 705 [
];
– Vâscozitatea cinematică a uleiului: 12 [ cSt];
– Densitatea uleiului: 900 [
].

44
2. Param etrii de funcționare ai supapei de presiune:

Acest bloc reprezintă o supapă de presiune hidraulică ca un model bazat pe
fișa tehnică. Supapa rămâne închisă, în timp ce presiunea la intrarea supapei este
mai mică decât presiunea prestabilită a supapei. Câ nd se atinge presiunea presetată,
elementul de control al valorii este forțat de pe scaun, creând astfel un pasaj între
intrare și ieșire.Unele lichide sunt redirecționate către un rezervor prin acest
orificiu, reducând astfel presiunea la intrare. Dacă ac est debit nu este suficient și
presiunea continuă să crească, zona este în continuare mărită până când elementul
de comandă atinge valoarea maximă.

Fig. 3.8 . Parametrii de funcționare ai valvei de siguranță

Conexiunile A și B sunt porturi hidraulice de conservare. Poziția pozitivă a
blocului este de la portul A la portul B.

Parametrii sunt urm ătorii:

– Aria maximă de curgere: 1 [m2]
– Presiunea setată a valvei: 198 [ bar]

45
– Reglarea valvei: 1,5 [ bar]
– Coeficientul de descărcare a debitului : 0,7
– Numărul lui Reynolds critic: 12
– Suprafața de pierderi: 1 [m2]

3. Parametrii de funcționare ai conductelor:

Acest bloc modelează conducte hidraulice cu secțiuni circulare și
necirculare. Blocul reprezintă pierderea de frecare de -a lun gul lungimii țevii și
pentru compresibilitatea fluidului, iar în funcție de gradul de idealizare este nevoie
de un loc intermediar între blocurile rezistive și blocurile segmentate ale
conductelor. Blocul nu ia în considerare inerția fluidă. Modelul este c onstruit din
blocuri de rezistență și blocuri de volum constant.

Fig. 3.9 . Parametrii de funcționare ai conductelor

46
Conexiunile A și B sunt porturi hidraulice de conservare. Poziția pozitivă a
blocului este de la portul A la portul B. Aceasta înseamnă că debitul este pozitiv
dacă fluidul curge de la A la B, iar pierderea de presiune este determinată ca
p = p A – pB.

Parametrii sunt urm ătorii:

– Secțiunea conductei: Circulară;
– Diametrul interior al conductei: 0,010 [ m];
– Factorul geometric de formă: 64;
– Lungimea conductei: 4 [ m];
– Suma coeficienților de pierdere hidraulică: 46 [ m];
– Rugozitate interioară: 1,5 [m];
– Limita de curgere superioară în regim laminar: 2 ;
– Limita de curgere inferioară în regim turbulent: 4 ;
– Tipul de perete al conductei: Rigid.

3.5. Studiul modelului numeric realizat în Matlab

Se va face un studiu asupra schemei de acționare hidrostatice reprezentate
în figura 3.5. Acestu studiu va implica modificarea anumitor parametri de
funcționare ai sistemului, cu scopul de a observa cum se va comporta sistemul în
aceste condiții.

În figurile 3.10. și 3.11. sunt reprezentate graficele de variație a momentului
de torsiune, respectiv cel al variației presiunii, în condiții de funcționare nor male a
sistemului.

47

Fig.3.10. Grafigul de varia ție a momentului de torsiune

Fig.3.11. Grafigul de varia ție a presiunii pe traseul de admisie, respectiv refulare

Caseta de control reprezentată în fig. 3.5. prezintă două ieșiri, Signal 1 și
Signal 2 . Dacă se modifică parametrii din această casetă, valorile celor două
grafice de mai sus se vor schimba.
Astfel, pentru Signal 1 corespunde variația presiunii, iar pentru Signal 2
corespunde variația momentului.

Un prim studiu asupra acestui circuit va i nclude mărirea momentului de
strângere în sistem pentru a observa cum va fi influențat graficul de variație a
presiunii, grafic ce este reprezentat mai jos.

48

Fig.3.12 . Grafigul de varia ție a presiunii , în urma măririi momentului de strângere

Se poate o bserva faptul că daca se măreste presiunea de lucru în sistem,
momentul de strângere la ieșire va crește.
Un al doi -lea studiu se va face pe baza măririi vitezei de rotație a motorului
electric ce acționează pompa cu pistoane axiale. În acest caz, se va mă ri viteza de
la 705
, la 2000
. Rezultatul acestei creșteri a vitezei de rotație este
reprezentat în graficul de variație a momentului din figura de mai jos.

Fig. 3.13 . Graficul de varia ție al momentului, în urma creșterii vitezei
motorului electric de acționare a pompei cu pistoane

49
Se poate observa faptul că daca se măreste viteza re rotație a motorului
electric, va rezulta o creștere a momentului de strângere.

3.6. Aspecte referitoare la protecția mediului

Din acest sistem hidrostatic, cel mai periculos factor pentru mediu îl
reprezintă uleiul hidraulic folosit de sistem. Acest ulei nu poate fi aruncat în apă
sau în orice loc din aerul liber, deoarece ar contamina mediul.
Uleiul uzat este uleiul care, datorită contami nării, și -a pierdut proprietățile
inițiale și nu mai poate fi utilizat în scopul pentru care a fost fabricat.
În urma folosirii uleiului, acesta se trimite la firme specializate pentru
reciclarea lui.
Prima fază de recuperare implică așezarea g ravitațională, care elimină apa
și murdăria. Utilizarea unei centrifuge accelerează considerabil procesul. Uleiul
este apoi tratat chimic cu compuși numiți adsorbanți. Acești adsorbanți elimină
elementele nedorite din ulei. Această parte a procesului este consumatoare de timp,
deoarece fiecare ulei necesită o soluție diferită și trebuie testat pe tot parcursul
procesului pentru a asigura rezultate satisfăcătoare. Rezultatele testelor determină
apoi ce aditivi sunt necesari pentru a aduce uleiul înapoi la s pecificațiile
corespunzătoare. Când întregul proces este finalizat, uleiul este returnat într -o nouă
stare, cu proprietățile de protecție și lubrifiere necesare pentru sistem.

3.7. Aspecte referitoare la eficiența energetică

Un sistem se consideră a fi eficient din punct de vedere energetic, în
momentul în care acesta functionează la randament maxim și cu un consum minim
de energie electrică.
Sistemul hidrostatic de strângere a materialului tubular studiat în această
lucrare se consideră a avea o eficie nță energetică bună, deoarece, în urma
calculelor și adoptărilor făcute,
s-au ales componente corecte care să nu suprasolicite sistemul și care să asigure un
randament cât mai bun.

50
În urma calculelor de la subcapitolul 3.3., a rezultat că diametrul condu ctei
(dc) este de
10 mm. Ca urmare, acest tip de conductă este cel mai potrivit pentru a fi folosită în
sistem din punct de vedere energetic și hidraulic.
În continuare se vor face calculele pentru cazurile în care s -ar fi ales un
diametru mai mic de co nductă, respectiv un diametru mai mare de conductă.

Pentru: dc = 6 mm
{

√

Numărul lui Reynolds se cal culează cu formula:

– vâscozitatea cinematică

(

) Mpa

(

)

51
Presiunea necesară la pompă va fi:

Debitul la pompă:

Puterea la pompă:

Se presupune că sistemul lucrează 8 ore/zi, deci calculul costului energetic este
urmatorul :

(3.28)

Având în vedere că prețul un ui kW este de 1,14 RON, se efectuează calculul
și rezultă că avem un cost zilnic de 13,19 RON.

52
Pentru: dc = 20 mm

{

√

Numărul lui Reynolds se calculează cu formula:

– vâscozitatea cinematică

(

) Mpa

(

)

Presiunea necesară la pompă va fi:

53
Debitul la pompă:

Puterea la pompă:

Costul zilnic de energie fiind 13,16 RON. Totuși această soluție ar fi
însemnat costuri mai mare de achiziție a conductelor.

54
CAPITOLUL 4

ANALIZA ECONOMICĂ A PROIECTULUI SISTEMULUI DE
ACȚIONARE

Această analiză economică efectuată asupra sistemului de acționare,
presupune cunoașterea unor metode cât mai eficiente de a menține buna
funcționare a sistemului, pe ntru o perioada cât mai mare de timp. În funcție de
costuri, se alege metoda cea mai potrivită pentru întreținerea sistemului, această
metodă însemnând repararea sau înlocuirea unei piese, sau a unui subansamblu.
Se consideră ca sistemul de acționare are o durată de funcționare de 8 ani.
Un element cheie al sistemului îl reprezintă uleiul hidraulic. Pe durata de
funcționare a sistemului se va efectua cel puțin o schimbare a uleiului hidraulic din
sistem, deoarece acesta îsi poate pierde proprietățile în t imp. Dacă această lucrare
de mentenanță nu va fi efectuată la timp, există riscul ca anumite elemente din
sistem, mai sensibile, să prezinte defecțiuni pe viiotor, acestea reprezentând prin
urmare, costuri de reparație. În subcapitolul 3.3, s -a constatat f aptul că pentru
sistem este necesară o cantitate de 19,2 L de ulei.
Un alt element cheie pentru buna funționare a sistemului, îl reprezintă filtrul
de ulei. Este imposibilă mentinerea uleiului curat, fără murdărie și contaminare,
dar schimbarea elementel or filtrante la timpul lor va îmbunătăți durata de viață a
sistemului. Aceste filtre sunt de două tipuri: filtre simple și filtre cu autocurățare.
Dacă se ia în calcul utilizarea unor filtre simple, acestea trebuie schimbate
periodic, din aproximativ 6 în 6 luni, ceea ce înseamnă, 1 6 filtre pe toată durata de
fucționare. Costul unui astfel de filtru poate fi în medie de 350 RON , ducând astfel
la un total de 5600 RON . Dacă se va utiliza un sistem de filtrare cu autocurățare,
filtrele s e vor putea schimba o d ată la 3 ani, însă acest sistem implică costuri mai
mari de achiziție, acestea fiind în medie de 6500 RON. Astfel se constată că
folosirea filtrelor simple este mai avantajoasă.
Alt element cheie al sistemului de acționare îl reprezintă pompa cu pistoane
axiale. În cazul deteriorărilor majore, prețul poate crește semnificativ, mai ales la
reparații cu piese originale. O bună soluție pentru repararea acestor pompe o
reprezintă înlocuirea pieselor defecte cu unele interschimbabile, sau în cazul
defectării pom pei, înlocuirea acesteia cu una recondiționată. Avantajele acestor

55
soluții sunt: preț mai mic, mic șorarea timpului de punere în funcționare, creșterea
productivității. Cauza principală de distrugere a pompelor este uleiul contaminat și
filtrele colmatate. În cazul în care uleiul contaminat este abraziv, acesta duce la o
pierdere permanentă de performanță și chiar până la distrugerea pompei. Costul
unai pompe noi poate varia între 4.000 RON și 15 .000 RON, deci este bine de luat
în considerare repararea acest eia sau înlocuirea cu una recondiționată.

56
Tabelul 4.1. Costurile de întreținere ale unor elemente principale din sistem, în funcție de rata apariției defectelor
Nr.
crt. Element Tipuri de defecțiuni Meto dă
întreținere Cost achiziție [8] Cost
manoperă
aproximativ Rata
defecțiunilor /
înlocuir ilor Cost total
aproximativ
1 Ulei pierderea
proprietăților înlocuire 320 RON/ 20L 150 RON O dată la 3
ani 940 RON
2 Filtru ulei colmatare înlocuire – filtru simplu: 350
RON/ filtru

– filtre cu
autocură țare: 6500
RON/ sistem 100 RON

400 RON Din 6 în 6
luni

O dată la 3
ani 7200 RON

13 800 RON
3 Pompă cu
pistoane axiale uzura bloc de
cilindri

uzura rulmenți

uzura cuplajului
piston – cămașă înlocuire

înlocuire

înlocuir e set ce include toate
piesele interne ale
unei pompe cu
pisotane axiale:
1800 RON 450 RON O data la 5
ani 2300 RON

57
Concluzii

Se poate observa faptul că acest sistem de strângere este unul ce se poate
utiliza relativ ușor, datorită c ombinării tipului de acționare a sistemului, cel
hidrostatic, cu cel electric , cu ajutorul căruia se pot dirija anumite procese, se pot
modifica anumiți parametri cu o precizie mai ridicară. Acest lucru este considerat
un avantaj, deoarece parametrii sistemului pot fi constrânși până la anumite valor i
foarte exacte, în funcție de necesitățile de utilizare. Totodată, această combinare a
acționării de tip hidrostatic cu cea electrică implică o complexitate a sistemului mai
mare, ceea ce reprezintă pentru sistem, o fiabilitate mai scăzută, deoarece dacă apar
defecțiuni pe partea electrică, se poate ajunge la incapacitatea de funcționare a
sistemului.
S-a constatat faptul că sistemul nu prezintă un potențial pericol pentru
mediul înconjurător, dacă uleiul hidraulic este depozitat corespunzător, iar mai
apoi să fie trimis la firme specializare pentru reciclarea acestuia.
S-a constatat că sistemul are o eficiență energetică bună, datorită diametrului
de conductă ales și pierderilor de presiune relativ mici. Cu toate că pierderile de
presiune ar fi fost mai mici în cazul în care s -ar fi folosit conducte cu diametru mai
mare, costurile de achiziție ar fi fost mai ridicate, iar sistemul nu ar mai fi fost la
fel de compact.
La finalul lucrării s -a pus problema analizei economice a proiectului
sistemului de acți onare, unde s -au prezentat soluțiile cele mai rentabile în vederea
întreținerii sistemului, adică utilizarea unor filtre hidraulice simple, și nu a celor cu
autocurățare și înlocuirea pieselor uzate ale pompei cu pistoane axiale cu unele
recondiționate.

58
Bibliografie

1. Rădulescu Valentin, Acționări hidraulice și pneumatice în foraj – extracție .
Editura Tehnică, 1984

2. ***Catalog motoare electrice trifazate ale firmei UMEB Elektromotoren

3. Ion Pană, Curs Acționări Hidraulice și Pneumatice

4. ***Universitatea Tehnica din Cluj -Napoca, Simularea circuitelor hidraulice
folosind Simhydraulics – Laborator, 2008

5. Mihaela Păunescu, Constantin Taca, Acționări hidraulice și pneumatice . Editura
Matrixrom , 2002

6. Agam Kumar Tyagi, Matlab and Simulink for engineers . Editura Oxford Higher
Education , 2003

7. Mohammad Nuruzzaman , Modelin g and Simulation In SIMULINK for
Engineers and Scientists . Editura Autho rhouse , 2005

8. www.made -in-china.com (accesat în data de 14.06.2017)