KURZUS: Gépek üzemtana
MODUL: II. modul: A gépek üzemállapotai
5. lecke: A gép jelleggörbéje, munkapontja és szabályozása
Tanulási cél | |||
A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz önállóan elmagyarázni, hogy | |||
| |||
Tananyag | |||
Mint azt a 3. leckében láttuk egy gép az üresjárat és a teljes terhelés között különböző teljesítményt igénylő feladatok ellátására alkalmas, azaz különböző üzemállapotokban működhet. Az említett lecke 7. és 8. ábrája, melyek különböző gépfajtákra vonatkozóan a hasznos és az össze teljesítmény változását mutatják a terhelési tényező függvényében, valójában a gép lehetséges üzemállapotait mutatják a terhelési tényező függvényben. | |||
A teljesítmény önmagában nem ad elegendő felvilágosítást a gép üzeméről, hiszen ugyanazon teljesítmény egészen különböző munkasebesség (fordulatszám) és hajtóerő (nyomaték) szorzataként is előállhat. A gép gyakorlati alkalmazása szempontjából a terhelési tényezőnél sokkal fontosabb üzemtani jellemző a munkasebesség (fordulatszám), ami a gép termelékenységével közvetlenebb kapcsolatban áll. A gép különböző üzemállapotait tehát célszerűbb a munkasebesség (általában fordulatszám) függvényében szemlélni. | |||
A munkasebességet (fordulatszámot) választva független változónak, a gép lehetséges üzemállapotait a munkasebesség (fordulatszám) függvényében változó hajtóerőként (nyomatékként) célszerű ábrázolni (15. ábra). | |||
| |||
A 15. ábra egy olyan elméleti gép jelleggörbéjét mutatja, melynek nyomatéka a munkasebesség növekedése esetén folyamatosan csökken a teljes értelmezési tartományban. | |||
Ez az ábrázolási mód azzal az előnnyel is jár, hogy a két jellemző szorzata a gép teljesítményével arányos mennyiséget ad, amit adott esetben szintén lehet ábrázolni ugyanezen koordinátarendszerben, szintén a munkasebesség függvényében. | |||
A gép fordulatszáma függvényében változó nyomatékát mutató görbét a gép jelleggörbéjének nevezik. | |||
A gép jelleggörbéje | |||
| |||
A gépet érő terhelést, az adott feladat ellátáshoz szükséges teljesítményt (teljesítményszükséglet, teljesítményigény) a vonatkozó fizikai és tapasztalati összefüggések segítségével lehet meghatározni. Nyilvánvaló, hogy az esetek többségében erről a teljesítményszükségletről is ugyanaz mondható, mint a gép teljesítményéről, azaz ezúttal is az a fontos, hogy milyen munkasebesség mellett mekkora nyomatékigény jelentkezik. Ebből következik, hogy a gép által leküzdendő terhelés esetében is lehet jelleggörbéről beszélni. | |||
A terhelés jelleggörbéje alatt azt a görbét értjük, mely megmutatja, hogy a választott fordulatszám (munkasebesség) függvényében mekkora az adott feladat ellátásához szükséges nyomaték. | |||
| |||
A 16. ábra egy lehetséges terhelési jelleggörbét mutat, ahol a terhelés egy alapértékről folyamatosan nő a munkasebesség függvényében. | |||
Értelemszerűen a terhelés jelleggörbéjén lévő pontok mindegyikére szintén igaz, hogy a koordináták szorzata az adott munkasebesség esetén a feladat ellátáshoz szükséges hasznos teljesítménnyel arányos mennyiséget ad. | |||
Meg kell itt jegyeznünk, hogy a gyakorlatban legsűrűbben előforduló eddig itt tárgyalt fordulatszám helyett némely esetben más, kényelmesebben használható, a fordulatszámmal arányos üzemi paramétert választanak a munkasebesség jellemzésére. Például az áramlástani elven működő szivattyúk és ventilátorok (9. és 10. lecke) esetében ilyen a fordulatszámmal arányos üzemtani jellemző a gép által időegység alatt szállított közegmennyiség, a térfogatáram. Ilyen esetben a függő változót is "lecserélik", helyére azt az üzemtani jellemzőt írják, mely a független változóval összeszorozva ismét a hasznos teljesítménnyel arányos mennyiséget ad. | |||
Röviden összefoglalva a gép jelleggörbéje a "hajtóerő", a terhelés jelleggörbéje az "ellenállás" változását mutatja a munkasebesség függvényében. | |||
Amint azt a 4. leckében leszögeztük az egyenletes üzem akkor következik be, ha a hajtóerő és az ellenállás egymással megegyezik. Ebből következik, hogy egy gép, egy bizonyos feladat ellátásakor annál a munkasebességnél képes egyenletes üzemre, ahol a terhelési jelleggörbe éppen elmetszi a gép jelleggörbéjét. Ezt a metszéspontot nevezik munkapontnak. Figyelem! A munkapont tehát nem az a pont, ahol a gép hatásfoka a legjobb! Néha a kettő egybe esik, ami optimális eset, de általában nem biztosítható, hogy a munkapontban a hatásfok is a legjobb legyen (lásd a 3. leckét). | |||
Értelemszerűen: ha az adott terhelési jelleggörbe és a gép jelleggörbéje nem metszik egymást a gépi jelleggörbe értelmezési tartományán belül, akkor az azt jelenti, hogy az adott gép nem alkalmas a feladat ellátására. | |||
| |||
A 17. ábrán bemutatott munkapont ún. stabil munkapont. Bármilyen külső zavarás is lép fel, semmiféle külső beavatkozás nem szükséges ahhoz, hogy a gép az adott munkapontba visszatérjen és zavartalanul üzemeljen tovább ugyanazon munkasebességgel. Figyeljük meg ugyanis, a munkasebesség már kis mértékű növekedése esetén is az ellenállás nyomatéka nagyobb lesz a gép nyomatékánál, ami automatikusan lassulást és az egyensúlyi állapotba történő visszatérést fog eredményezni. Ennek fordítottja játszódik le, ha a munkasebség csökken. Azonnal megjelenik egy hajtónyomaték-többlet, ami automatikusan gyorsítani fogja a gépet, amíg az egyensúlyi állapot elő nem áll ismét. | |||
Ha a terhelés megváltozik, akkor a gép mintegy követi a terhelést és a munkapont a gépi jelleggörbén új helyet foglal, ahol ismét biztosított a stabil egyenletes üzem. Mindez pedig anélkül történik, hogy a gép "oldalán" bármiféle beavatkozás történne. | |||
Stabil munkapont csak akkor állhat elő, ha a munkapontban a gép jelleggörbéjének deriváltja kisebb, mint a terhelés jelleggörbéjéé. Képletesen fogalmazva: növekvő munkasebességet tekintve a munkapont akkor stabil, ha a gép jelleggörbéje "felülről" metszi el a terhelés jelleggörbéjét. | |||
A 18. ábrán az "A" pont egy ún. instabil vagy más néven labilis munkapont. | |||
| |||
A stabil munkapont kapcsán elvégzett vizsgálatot itt is megismételve a következőt tapasztaljuk. Ha bármilyen zavarás lép fel, a munkasebesség megnő vagy lecsökken, az eredeti egyensúlyi állapot, külső beavatkozás nélkül többé már nem áll helyre. | |||
Ha ugyanis, akárcsak kis mértékben megnő a munkasebesség, akkor egy olyan nyomatéktöbblet jelentkezik (gépi nyomaték nagyobb a terhelés nyomatékánál), ami a rendszert tovább gyorsítja. A munkapont megindul a változatlan gépi jelleggörbén a "B" pont felé, ahová megérkezve a gép üzeme stabilizálódik, hiszen a "B" pont egy stabil munkapont. Abban az esetben, ha a gép jelleggörbéjének értelmezési tartományán belül nincs egy másik, stabil munkapont, akkor a munkasebesség a lehetséges maximumig növekszik. Ez egyes esetekben a gép mechanikai károsodásához vezethet. | |||
A labilis munkaponthoz tartozó munkasebesség akárcsak kis mértékű csökkenése esetén egy lassító nyomaték-különbség jelenik meg (a terhelés nyomatéka nagyobb a gép nyomatékánál), ami a gép folyamatos lassulást eredményezi egészen a leállásig. | |||
Labilis munkapont akkor áll elő, ha a munkapontban a gép jelleggörbéjének deriváltja nagyobb, mint a terhelés jelleggörbéjéé. Képletesen fogalmazva: növekvő munkasebességet tekintve a munkapont akkor instabil, ha a gép jelleggörbéje "alulról" metszi el a terhelés jelleggörbéjét. Instabil munkapont csak a gépi jelleggörbe ún. emelkedő ágán alakulhat ki. Éppen ezért, ha van ilyen része a gépi jelleggörbének, akkor azt instabil ágnak vagy labilis ágnak szokták nevezni. | |||
Labilis ágú gépi jelleggörbe esetén a folyamatos üzem csak akkor lehetséges, ha a gép vezérlésével gondoskodunk a hajtóerő és az ellenállás egyensúlyának fenntartásán. | |||
A gép és a terhelés jelleggörbéjéről elmondottakból következik, hogy a munkapont valójában csaknem mindig adódik, azt előre pontosan megtervezni nem lehet. A terhelés jelleggörbéjét több-kevesebb pontossággal meg lehet határozni, de a gép jelleggörbéje tulajdonképpen attól függ, hogy a kereskedelemben milyen gépek kaphatók. Ez pedig szinte elkerülhetetlenül maga után vonja azt, hogy a munkapontnál kiadódó munkasebesség nem lesz egyenlő a kitűzött értékkel. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy a kívánatosnál kisebb munkasebesség kiadódása esetén a vizsgált gép alkalmatlan a feladatra, ha azonban a kiadódó munkasebesség kis mértékben nagyobb a kívánatosnál, akkor ún. szabályozással lehetséges a kívánatos érték beállítása. | |||
Szabályozás alatt értjük azt a műveletet, melynek segítségével a munkapont paramétereit megváltoztatjuk egy új munkapont elérése érdekében vagy biztosítjuk az egyenletes üzem fennmaradását. | |||
Két alapvető lehetőség van a munkapont paramétereinek megváltoztatására, a szabályozásra. Az egyik a terhelés jelleggörbéjének módosítása a másik a gép jelleggörbéjének módosítása. | |||
A terhelés jelleggörbéjének módosításával történő szabályozást a 19. ábrán tanulmányozzuk. | |||
| |||
A terhelés jelleggörbéjének módosítása azt jelenti, hogy további terhelést alkalmazunk annak érdekében, hogy a gép munkasebessége csökkenjen és elérje a kívánatos "nsz" értéket. Ez a koordinátarendszerben oly módon jelenik meg, hogy a terhelés jelleggörbéje meredekebbé válik és egy új munkapont (B) jön létre, melyhez egy kisebb munkasebesség tartozik. | |||
A szabályozásnak ez a módja igen egyszerű, de gazdaságtalan. Gondoljuk meg, hogy az eredeti terhelési jelleggörbe mutatja azt, hogy mekkora nyomaték (Mm) szükséges a munkavégzéshez az "nsz" fordulatszámon. Ugyanakkor a gép a mesterségesen kialakított "B" munkaponthoz tartozó "Msz" nyomaték ellenében dolgozik. Nyilvánvaló, hogy a két nyomaték közötti különbség (Msz-Mm) veszteséget jelent, amiből az ún. szabályozási veszteséget lehet kiszámítani | |||
Az összefüggésben "" a szabályozással beállított munkaponthoz tartozó hatásfok, mely nem egyenlő az eredeti munkaponthoz tartozó értékkel és a gép aktuális terhelésének függvénye (lásd 3. lecke). | |||
Fontos megjegyezni, hogy a szabályozási veszteség tehát nem a két munkaponthoz tartozó teljesítmények különbsége, hanem ennél a különbségnél nagyobb! | |||
A terhelés jelleggörbéjének változtatásával történő szabályozást csak akkor lehet alkalmazni, ha a kívánatos munkasebesség a kiadódott munkasebességnél kisebb. Nincs ugyanis lehetőség arra, hogy a terhelés jelleggörbéjét "laposabbá" tegyük, hiszen az az adott faladathoz elkerülhetetlenül szükséges nyomatékot mutatja a munkasebesség függvényében. | |||
Annak ellenére, hogy a szabályozásnak ez a módja gazdaságtalan, egyszerűsége miatt mégis elterjedten használják elsősorban az áramlástani elven működő szivattyúk és ventilátorok esetében. | |||
A szabályozás másik elvi lehetősége a gépi jelleggörbe változtatása. Az elvi lehetőséget a 20. ábra mutatja. | |||
| |||
A szabályozásnak ez a módja a gép működésének, felépítésének lényeges megváltoztatásával. Lényegében megfelel egy azonos működésű másik, kisebb (vagy nagyobb) teljesítményű gép alkalmazásával. Éppen ezért a szabályozott jelleggörbe mindenben hasonló az eredeti gépi jelleggörbéhez, de értelmezési tartománya és értékkészlete (nyomatéktartomány) más. Ezt a szabályozási módot csak olyan gép esetében lehet alkalmazni, amelyiket gyártója erre speciálisan felkészítette. Például ilyen jellegű szabályozásra alkalmasak a családi házak fűtési rendszereiben használatos egyes keringetőszivattyúk, melyek oldalán egy kapcsoló segítségével lehetséges három különböző jelleggörbéhez tartozó fordulatszámot beállítani. | |||
Mivel a terhelési jelleggörbe ezúttal nem változik, azaz minden esetben csak az adott munkasebességhez tartozó feltétlenül szükséges nyomaték terheli a gépet, a gépi jelleggörbe változtatásával történő szabályozás elvileg veszteségmentes, ha eltekintünk attól, hogy a hatásfokváltozás esetlegesen kedvezőtlen lehet. |
Önellenőrző kérdések | ||
1. Mit neveznek egy gép jelleggörbéjének? ![]() | ||
2. Mit kell érteni azon, hogy a gép jelleggörbéjének értelmezési tartománya van? ![]() | ||
3. Hogyan határozható meg egy gép jelleggörbéje? ![]() | ||
4. Mit lehet meghatározni egy gépi jelleggörbe valamely pontjának koordinátáiból? ![]() | ||
5. Mit kell érteni a terhelés jelleggörbéje alatt? ![]() | ||
6. Mi a munkapont? ![]() | ||
7. Mitől függ, hogy egy gép milyen üzemállapotban fog működni? ![]() | ||
8. Igaz-e az, hogy a gép munkapontjában a legjobb a gép hatásfoka? ![]() | ||
9. Mitől függ egy gép redukált tehetetlenségi nyomatéka? ![]() | ||
10. Mikor beszélünk stabil munkapontról? ![]() | ||
11. Miből adódik a munkapont stabilitása? ![]() | ||
12. Mikor beszélünk instabil munkapontról? ![]() | ||
13. Mi történik akkor, ha az instabil munkapontban üzemelő gép munkasebessége hirtelen kismértékben megnő? ![]() | ||
14. Mi történik akkor, ha az instabil munkapontban üzemelő gép munkasebessége hirtelen kismértékben lecsökken? ![]() | ||
15. Mi a feltétel annak, hogy instabil munkapont esetén folyamatos üzemet lehessen fenntartani? ![]() | ||
16. Mit értünk szabályozás alatt? ![]() | ||
17. Milyen alapvető szabályozási módok vannak? ![]() | ||
18. Mi a sajátossága a terhelés jelleggörbéjének változtatásával történő szabályozásnak? ![]() | ||
19. Mi a szabályozási veszteség? ![]() | ||
20. Miért gazdaságtalan a terhelési jelleggörbe változtatásával történő szabályozás? ![]() | ||
21. Mit kell érteni a gépi jelleggörbe változtatásával történő szabályozás alatt? ![]() | ||
22. Miért veszteségmentes a gépi jelleggörbe változtatásával történő szabályozás? ![]() |