Vademecum Hydrauliki Tom 2

REXROTH

START przejście do Spisu treści

Vademecum Hydrauliki Tom2

APL 00303/10.86

Informacja dla polskich nabywców i urządzeń hydraulicznych

użytkowników

1. Autoryzowany serwis techniczny w Polsce W ramach organizacyjnych Fabryki Elementów Obrabiarkowych "Polar-Wadowice" istnieje autoryzowane Biuro Serwisu, które wykonuje naprawy gwarancyjne i pogwarancyjne zarówno wyrobów grupy Mannesmann Rexroth dostarczanych do Polski w ramach eksportu bezpośredniego lub w postaci elementów i urządzeń hydraulicznych wmontowanych do nabywanych przez Polskę zagranicznych maszyn i urządzeń, jak i wyrobów produkowanych przez Fabrykę Elementów Obrabiarkowych według licencji Rexrotha. Do zadań Biura Serwisu włączono również doradztwo techniczne związane z doborem, projektowaniem i użytkowaniem urzą­ dzeń hydraulicznych; organizowaniem szkolenia i sympozjów; udział w pracach normalizacynych; informację techniczną. Biuro Serwisu powołało Punkty Konsultacyjne w Warszawie i Gdańsku. Punkt Konsultacyjny w Warszawie działa przy Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Obróbki Plastycznej "Plasomet". Do zadań tego Punktu Konsultacyjnego należy przede wszystkim doradztwo techniczne w zakresie elementów i urządzeń hydraulicznych produkowanych przez grupę Mannesmann Rexroth, a także w zakresie projektowania układów oraz rowiązywania problemów występujących zarówno w fazie projektowania, jak i użytkowania układów hydraulicznych. Punkt Konsultacyjny w Gdańsku działa przy Zakładach Urządzeń Okrętowych. Zakres działania tego Punktu Konsultacyjnego jest pod względem tematycznym taki sam, jak Punktu w Warszawie, ale przedmiotowo ograniczony do urządzeń i układów hydraulicznych stosowanych w budownictwie statków. Zachęcamy do korzystania z wszelkich usług Biura Serwisu i Punktów Konsultacyjnych. Usługi z zakresu doradztwa technicznego, informacji i organizacji sympozjów itp świadczone są bezpłatnie. Adresy placówek serwisu technicznego: Fabryka Elementów Obrabiarkowych "Ponar-Wadowice" Biuro Serwisu ul. Wojska Polskiego 29, 34-100 Wadowice, telefon: 33041i34441, telex: 035469 Biuro Serwisu- Punkt Konsultacyjny Mannesmann Rexroth przy OBR "Plasomet" ul. Czackiego 21 /23, 00-043 Warszawa, telefon: 261051, wewn. 15, telex: 813542 Biuro Serwisu · Punkt Konsultacyjny Mannesmann Rexroth przy Zakładach Urządzen Okrętowych "Hydroster" ul. Szafarnia 1O, 80-755 Gdańsk, telefon: 315651 do 59, telex: 0512031 2. Sprzedaż wyrobów grupy Mannesmann Rexroth do Polski Wszelkie sprawy techniczne i handlowe związane z opracowaniem ofert, uzgadnianiem szczegółowych warunków technicznych i handlowych, przyjmowaniem zamówień i ich realizacją załatwiane są przez Wiedeńskie Biuro Mannesmann Rexroth, którego adres jest następujący: G.L. Rexroth Ges.m.b.H. Weimarerstr. 140, A-1190 Wien Telefon: (0222) 31 5531 56; telex: 115006

Od tłumacza Dynamiczny rozwój techniki sterowania hydraulicznego charakteryzuje się ostatnio coraz głębszymi powiązaniami z elektroniką i automatyką. Stale wzrasta też liczba specjalistów-hydraulików, dla których niezmiernie ważna jest możliwość jak najszybszego zapoznawania się z aktualnym stanem postępu technicznego i tendencjami rozwojowymi w tej dziedzinie. Dla polskich specjalistów istotnym ułatwie­ niem tej możliwości powinno stać się wydanie niniejszego poradnika w języku polskim. Przygotowanie w krótkim czasie przekładu z niemieckiego oryginału zmusiło jednakże wydawcę do korzystania z zawartych w oryginale materiałów ilustracyjnych, wykresów i obliczeń tak, by wprowadzane zmiany ograniczone zostały do zupełnie nieodzownego minimum. Z tych względów w polskim tekście zachowano użyte w oryginale jednostki miar i symbole literowe. Dotyczy to między innymi nie objętych układem SI jednostek miar ciśnienia (bar, dN/cm2), których nie zastąpiono obowiązującymi w Polsce jednostkami. Tłumacz i opiniodawcy starali się uwzględnić polskie nazewnictwo ustalone w obowiązujących normach, bądź stosowane już we współczesnym polskim piśmiennic­ twie technicznym. Jednak w toku prac nad przekładem napotkano na szereg trudności wynikających z żywiołowego tworzenia się nowej terminologii, braku adekwatnych polskich odpowiedników itd. Zapewne nie wszystkie te trudności udało się pomyślnie pokonać. Tłumacz

poczuwa się do miłego obowiązku złożenia serdecznych podziękowań opiniodawcom drowi inż. Zbigniewowi Szydelskiemu z Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej i drowi inż. Mariuszowi Olszewskiemu z Instytutu Automatyki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej za wnikliwe sprawdzenie przekładu oraz wniesienie niezmiernie cennych uwag merytorycznych i redakcyjnych, dzięki czemu udało się uniknąć wielu błędów i nieścisłości. Tłumacz zwraca się do Czytelników, by wszelkie uwagi i spostrzeżenia dotyczące niniejszego poradnika i jego polskiego przekładu zechcieli przesyłać pod adresem: OBR "Plasomet", Punkt Kosultacyjny Mannesmann Rexroth, ul. Czackiego 21 /23, 00-043 Warszawa.

Leon Berman

Przedmowa Czy hydrauliczne sterowanie proporcjonalne jest zapowiedzią nowej technologii hybrydowej, łączącej hydrauliczne przenoszenie mocy z precyzją i elastycznością sterowania elektronicznego? Pytanie to pojawiłlo się w połowie lat siedemdziesiątych. Dzisiaj, po latach efektywnego stosowania hydraulicznego sterowania proporcjonalnego, odpowiedzią jest jednoznaczne "tak". Proporcjonalne sterowanie hydrauliczne :zapewnia siłę i elastyczność Proporcjonalne zawory i pompy z ich elektromagnesami proporcjonalnymi mogą stanowić dogodne miejsca połączeń (złącza) z elektronicznym układem sterowania, a tym samym zapewniać osiągnięcie większej elastyczności w przebiegu pracy maszyn i urządzeń produkcyjnych, a nawet toworzenie swobodnie programowalnych sterowań i napędów. Proporcjonalne sterowanie hydrauliczne wypełnia lukę istniejącą dotąd między zwykłym konwencjonalnym sterowaniem hydraulicznym i serwosterowaniem. Proporcjonalne sterowanie hydrauliczne umożliwiło i umożliwia realizację nowych koncepcji urządzeń zarówno seryjnie produkowanych, jak i specjalnych. W ciągu krótkiego czasu sterowanie proporcjonalne zdobyło sobie znaczącą pozycję w technice hydraulicznych napędów i sterowań. Czynnikiem korzystnym dla rozwoju hydraulicznego sterowania proporcjonalnego było konstrukcyjne oparcie się na elementach zwykłego sterowania hydraulicznego, a nie serwosterowania. Dodatkowo sprzyjał temu procesowi również szybki postęp techniczny w dziedzinie wzmacniaczy elektronicznych, ich budowy i sposobu działania. Wiedza o możliwościach hydraulicznego sterowania proporcjonalnego stanowi dziś podstawę pomyślnego projektowania nowoczesnych maszyn roboczych z napędem hydraulicznym. Proporcjonalne sterowanie hydrauliczne występuje już obecnie w wielu rodzajach maszyn i urządzeń, niemal we wszystkich dziedzinach zastosowania hydraulicznych napędów i sterowań, dlatego też szczególnie istotne staje się zdobywanie i pogłębianie wiedzy o tej nowoczesnej dziedzinie techniki. Poradnik "Vademecum hydrauliki, technika hydraulicznego sterowania zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami" został opracowany z myślą o tych, którzy pragną dokształcać się i bliżej poznać tę nową technikę. Zakłada się przy tym, że czytelnikowi znane są podstawy napędów i sterowań hydraulicznych w takim zakresie, jak to np przedstawiono w polskim wydaniu pierwszego tomu "Vademecum hydrauliki" (Wydawnictwo G.L. Rexroth z 1980r). W niniejszym poradniku zamieszczono opisy zarówno zaworów proporcjonalnych, jak i serwozaworów. Uczyniono tak przede wszystkim w celu wskazania przydatności każdej z tych technik sterowania hydraulicznego, ale także dla podkreślenia, że obecnie istnieje płynna granica przejścia od hydraulicznego sterowania zaworami proporcjonalnymi do sterowania serwozaworami. Teraz stało się już rzeczą oczywistą, że proporcjonalne sterowanie hydrauliczne nie jest jakąś "tańszą" odmianą sterowania hydraulicznego. Znajomość elementarnych podstaw elektrotechniki ułatwia zrozumienie opisanych przykładów zastosowań. Jednakże w tekście zamieszczono też opisy objaśniające działanie specjalnych modułów

wzmacniaczy elektronicznych. Oprócz opisów działania elementów hydraulicznych i elektronicznych przedstawiono w poradniku także ich współdziałanie, zilustrowane przykładami praktycznych zastosowań. Obszerny rozdział poswięcono obliczaniu układów sterowania z zastosowaniem zaworów proporcjonalnych. Tok obliczeń został szczegółowo objaśniony na podstawie zrealizowanych układów sterowania. W poradniku starano się w zasadzie pomijać nazbyt teoretyczne rozważania o systemach regulacji, aby nie przeciążać nadmiernie czytelników stykających się po raz pierwszy z tą odmianą sterowania hydraulicznego i nie potęgować obaw przed wdrażaniem hydraulicznego sterowania proporcjonalnego i serwosterowania. Rozdział "Od sterowania do układu regulacji" zawiera obszerne informacje, umoż­ liwiające realizację układów odpowiadających wymaganiom praktyki. Przykłady wykonanych układów stanowią uzupełnienie przedstawionego zestawu informacji. W zawodowym dokształcaniu specjalistów coraz więcej miejsca zajmują tematy dotyczące hydraulicznych napędów i sterowań. Niniejszy podręcznik powinien umożliwić czytelnikowi przyswojenie sobie wiedzy o aktualnym stanie rozwoju tej dziedziny techniki.

Mannesmann Rexroth GmbH Lohr am Main (RFN)

Spis treści Rozdział

A

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego Arno Schmitt Rozdział

B

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie Arno Schmitt RozdziałC

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Dieter Kretz Rozdział

D

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi Heribert Dorr Rozdział

E

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi Roland Ewald Rozdział

F

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami Dieter Kretz RozdziałG

Serwozawory, budowa i działanie Friedel Liedhegener Rozdział

H

Od sterowania do układu regulacji Arno Schmitt, Dieter Kretz RozdziałJ

Wpływ

dynamiki serwozaworu na

układ

regulacji

Dieter Kretz Rozdział

K

Filtrowanie w układach hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi Martin Reik Rozdział

L

Przykłady

zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami Josef Hutter

Rozdzial A

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego Arno Schmitt

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego

Technika hydraulicznego sterowania proporcjonalnego Proporcjonalne elementy sterujące stały się obecnie w hydraulice ogniwem łączącym zwykłe sterowanie hydrauliczne z regulacją. Zalety praktycznego zastosowania tych elementów w układach hydraulicznych zostały bardzo szybko rozpoznane.

Co właściwie należy rozumieć pod pojęciem "technika hydraulicznego sterowania proporcjonalnego"? Najpierw zapoznajmy się z przebiegiem sygnałów przedstawionym na rys. 1. wejściowy w postaci napięcia O i ± 9 V) zostaje w elektronicznym wzmacniaczu przetworzony w prąd elektryczny odpowiednio do wartości napięcia, np 1 mV = 1 mA.

Elektryczny

sygnał

(najczęściej między

Proporcjonalnie do tej wartości prądu elektrycznego jako zostaje przez proporconalny elektromagnes wytworzona wielkość wyjściowa w postaci siły i drogi. sygnału wejściowego

Wielkości te, siła lub droga, służące jako sygnał wejś­ ciowy dla zaworu hydraulicznego, oznaczają proporcjonalne do tego sygnału oreślone natężenie przepływu lub ciśnienie.

Dla odbiornika, a tym samym dla elementu roboczego maszyny lub urządzenia, oznacza to nie tylko ewent. zmianę kierunku, lecz również wywarcie wpływu na płynną zmianę prędkości i siły. Równocześnie,

odpowiednio do zależności czasowej, np w czasie, można powodopłynną zmianę przyspieszania lub opóźniania.

zmiany wać

natężenia przepływu

Elektr. sygnał wejściowy

Maszyna

najczęściej

O... ±9V

Rys. 1 Przebieg sygnałów A1

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego

Przedstawiony niżej przykład objaśnia możliwości z zastosowania techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego.

wynikające

Jako przykład posłuży nam linia spawalnicza w produkcji nadwozi samochodowych. Niektóre

zespoły

samochodu

już

w fazie produkcji przezanim jeszcze którykolwiek kierowca będzie mógł sprawdzić parametry przyspieszenia swego samochodu. Jeżeli poddamy analizie przyspieszenie elementów nadwozia przemieszczanych na linii spawalniczej, to dojdziemy do wartości, które po przeliczeniu odpowiadają przyspieszeniu od O do 1OO km/h w ciągu ok. 11 sekund (wykres na rys. 4).

jawiają nadzwyczajną "ruchliwość",

Na linii spawalniczej odbywa się zestawienie i spawanie elementów nadwozia, które zgrupowane są wokół pomostu. Proces spawania odbywa się na wielu stanowiskach spawalniczych lub lepiej mówiąc w toku wielu operacji. W celu osiągnięcia pozycji roboczej następują jednoczesne ruchy podnoszenia lub opuszczania we wszystkich stanowiskach spawalniczych, a więc w obrębie kleszczy spawalniczych. Przejmowanie elementów blaszanych odbywa się w połowie skoku, przy zmniejszonej prędkości. Prędkość w chwili przejmowania elementu nie powinna przekraczać O, 15 m/s. W innym bowiem razie automatycznie wkładane elementy blaszane zostałyby wyrzucone siłą odśrodkową. Jednakże procesy podnoszenia i opuszczania powinny odbywać się możliwie szybko, a więc racjonalnie.

Rys. 2 Jeden siłownik hydr. (u góry), powiązany z ukła­ dem mechanicznym, powoduje jednoczesny ruch wszystkich stanowisk spawalniczych. Drugi siłownik, rezerwowy, jest w stanie ciągłej gotowości.

Zastosowanie sterowania propocjonalnego umożliwia spełnienie warunków. Rozwiązanie tego bez sterowania proporcjonalnego zmusiłoby, na przykład, do znacznego zredukowania prędkości maksymalnej. Zachodziłaby też konieczność stosowania zaworów opóżniających z odpowiednimi mechanicznie obciążonymi krzywkami dla przyspieszania i opóźniania oraz zaworów sterujących natężeniem przepływu do zadawania prędkości i oczywiście rozdielaczy do sterowania kierunkiem przepływu. Takie rozwiązanie wymagałoby większych nakładów na urządzenia hydrauliczne i, mimo zredukowania przyspieszenia i prędkości, byłoby rozwiązaniem mniej dokładnym i mniej uniwersalnym. Zastosowanie hydraulicznego sterowania proporcjonalnego umożliwia przemieszczanie dużych mas przy dużym przyspieszeniu i dużej prędkości oraz łagodnym dochodzeniu do celu.

Rys. 3 Akumulator hydrauliczny widoczny z lewej strony, zapewnia wymagane dla procesu przyspeiszenia natężenie przepływu 400 /Imin. Pompa łopatkowa V4 (z prawej) napełnia akumulator w fazach "bezruchu". W środku znajduje się rozdzielacz proporcjonalny

4 WRZ25.

A2

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego

D= d= H=

140mm 100mm 450mm

12 stanowisk podnoszenia

vmax = 0,5 mis Omax = 460dm 3/min p= 110daN/cm2

X

krzywka hamująca inicjator analogowy

1 s

V M-------------.i

450 mm

O 05 ml

Rys. 4 Schemat hydrauliczno-mechanicznego napędu linii spawalniczej (u góry) i wykres przebiegu ruchów (na dole, z prawej strony) A3

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego

Zawory i pompy proporcjonale z ich proporcjonalnymi elektromagnesami mogą stanowić miejsca połączeń (złącza) z elektronicznym układem sterowania, a tym samym zapewniać osiągnięcie większej elastyczności w przebiegu pracy maszyn i urządzeń produkcyjnych, a nawet umożliwiać tworzenie swobodnie programowalnych sterowań i napędów. Zalety techniczne proporcjonalnych elementów steruprzede wszystkim na kontrolowanym przełączaniu, płynnym sterowaniu i możliwości zredukowania liczby elementów hydraulicznych potrzebnych do zrealizowania określonych zadań z zakresu sterowania. W ten sposób sprzyja to również ogólnemu zmniejszeniu materiałochłonności układów hydraulicznych.

jących polegają

Stosując zawory proporcjonalne można uzyskać szybsze i dokładniejsze przebiegi ruchów z jednoczesnym usprawnieniem procesu przełączania. Dzięki kontrolowanym przełączeniom unika się szczytowych wartości ciśnienia. Inną konsekwencją stosowania zaworów proporcjonalnych jest osiągnięcie większej trwałości elementów mechanicznych i hydraulicznych.

Rys. 5 Rozdzielacz proporcjonalny typu 4 WRZ, elektroniczny układ sterowania

Elektryczne przekazywanie sygnałów sterujących kierunkiem i natężeniem przepływu lub ciśnieniem umożli­ wia umieszczanie proporcjonalnych elementów sterujących bezpośrednio na odbiorniku. W ten sposób uzyskuje się istotną poprawę charakterystyki dynamicznej sterowania hydraulicznego. Użytkownicy urządzeń

hydraulicznych zaczęli szerzej sterowanie proporcjonalne dopiero wówczas, gdy na rynku pojawiły się odpowiednie elmenty sterujące o prostej konstrukcji. Elementy te nie różnią się w istotny sposób od objętych normalnymi programami produkcyjnymi. Wiele części lub zespołów przejęto z standardowego programu produkcji. wprowadzać

Ostatecznie do zwiększenia zasięgu stosowania sterowania porporcjonalnego przyczyniło się także opracowanie funkcjonalnie niezadwodnych i konstrukcyjnie prostych elektronicznych płytek drukowanych o zunifikowanych wymiarach (tzw moduł Europa). Do

Rys. 6 Zawór proporcjonalny ograniczający typu DBE, elektroniczny układ sterowania

ciśnienie,

każdego

rodzaju proporcjonalnych elementów steruopracowano odpowiedni wzmacniacz, który zawiera właściwe dla danego elementu zespoły elektroniczne.

jących

Z reguły są to: -

stabilizator napięcia generator przebiegów liniowych generator funkcji elementy zadające przekaźniki wartości zadanych impulsowany stopień końcowy

Rys. 7 Proporcjonalny regulator natęzenia typu FRE, elektroniczny układ sterowania A4

przepływu

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego

Zestawienie funkcji spełnianych przez produkowane obecnie proporcjonalne hydrauliczne elementy sterowania

z sterowaniem

bezpośr.

Zawory ograniczające

bez regulacji położenia

ciśnienie

suwaka

z sterowaniem

bezp. i regulacją

+

położenia

ewentualnie zawory

kompensujące

Zawory ograniczające ciśnienie

z sterowaniem

bezpośr.

wstępnym

i regulacją położenia

z sterowaniem bez regulacji

położenia

suwaka

+ ewentualnie

Zawory redukcyjne

zawory kompensujące z sterowaniem bez regulacji z sterowaniem

bezpośr.

położenia

wstępnym

z lub bez regulacji położenia

suwaka Zawory redukcyjne

+ ewentualnie

z sterowaniem

zawory kompensujące

bez regulacji

wstępnym

położenia

Regulatory natężenia przepływu

z

regulacją

położenia

tulejki

dławiącej

Zawory dławiące z regulacją tulejki

położenia

dławiącej

Wzmacniacze zwykłe

••••••••li

i regulujące, dostosowane do proporcjonalnych elementów sterujących

A5

Wprowadzenie do techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego

Notatki

A6

Rozdział

B

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie Arno Schmitt

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Elektromagnesy proporcjonalne Elektromagnesy proporcjonalne stanowią ogniwo łą­ elektroniczny z hydraulicznym. Proporcjonalne elektromagnesy zaliczają się do grupy elektromagnesów na prąd stały. Proporcjonalnie do sygnału wejściowego wytwarzają one silę i przemieszczenie jako wielkości wyjściowe. czące układ

W

zależności

od praktycznego zastosowania

rozróżnia

się:

- elektromagnesy o analogowej zależności przemieszczenia od natężenia prądu, tzw "elektromagnesy o regulowanym skoku"; - elektromagnesy o szczególnie zdefiniowanej zależ­ ności siły od wielkości prądu, tzw "elektromagnesy o regulowanej sile"; Proporcjonalną do prądu zmianę wielkości wyjściowej w postaci siły lub skoku można uzyskać jedynie stosując elektromagnesy na prąd stały. Nie nadają się do tego elektromagnesy na prąd przemienny, które ze względu na ich zależność poboru prądu od przemieszczenia rdzenia muszą niezwłocznie zająć położenie krańcowe.

Elektromagnesy o regulowanej sile

Dzięki sprzężeniu zwrotnemu we wzmacniaczu elektrycznym utrzymywana jest stała wartość natężenia prądu w obwodzie elektromagnesu i tym samym stała wartość siły magnetycznej również przy zmianie rezystancji elektromagnesu. Istotną cechą proporcjonalnych elektromagnesów o regulowanej sile jest charakterystyka siły w funkcji skoku.

Przy takim samym natężeniu prądu siła magnetyczna pozostaje stała w pewnym zakresie skoku. Skok ten dla omawianych elektromagnesów wynosi 1,5 mm. Ten zakres jest też wykorzystywany.

około

Elektromagnesy o regulowanej sile są konstrukcyjnie małe, co wynika z małego skoku. Właśnie ze względu na mały skok elektromagnesy te znajdują zastosowanie w rozdzielaczach proporcjonalnych ze wstępnym sterowaniem oraz w proporcjonalnych zaworach sterujących ciśnieniem. Następuje przy tym przemiana siły magnetycznej na ciśnienie hydrauliczne. Proporcjonalny elektromagnes jest regulowanym elektromagnesem na prąd stały, działającym w oleju.

W tych elektromagnesach regulowanie siły magnetycznej następuje przez zmianę natężenia prądu I, bez istotnego przemieszczenia rdzenia elektromagnesu.

800 mA 600 mA


~

400 mA

.IQ

200 mA

łJ..

·u; potencjometr

elektryczne sprzężenie zwrotne

Rys. 1 Proporcjonalny elektromagnes o regulowanej sile

ca. 1,5 mrn

skok s(mm)

Rys. 2 Charakterystyka siły magnetycznej w funkcji skoku 81

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Elektromagnesy o regulowanym skoku Położenie rdzenia w tych elektromagnesach (rys. 4) jest regulowane przez zamknięty układ regulacji i to niezależnie od siły reakcji, o ile ta siła mieści się w dopuszczalnym zakresie roboczym elektromagnesu.

Za

pomocą

elektromagnesów o regulowanym skoku np suwakami proporcjonalnych rozdzielaczy, zaworów natężeniowych i ciśnie­ niowych, powodując doprowadzenie tych suwaków do każdego dowolnego położenia. Skok elektromagnesu, zależnie od wielkości konstrukcyjnej, wynosi od 3 do 5 mm. można bezpośrednio sterować

10

~

LL lQ "1i5

Elektromagnesy o regulowanym skoku stosowane są, jak to już wyżej wspomniano, przede wszystkim w czterodrogowych rozdzielaczach proporcjonalnych. W powiązaniu z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym otrzymuje się małą histerezę i mały błąd powtarzalności skoku elektromagnesu. Poza tym następuje wyregulowanie sił hydrodynamicznych występujących na suwaku rozdzielacza (siła magnetyczna jest stosunkowo mała w porównaniu z siłami zakłócającymi). W rozdzielaczach ze sterowaniem wstępnym ciśnienie sterujące działa na dużą powierzchnię czynną. Wskutek tego dysponowane siły nastawcze są nieporównywalnie większe i siły zakłócające nie wywierają już procentowo tak silnego wpływu. Z tego względu można wstępnie sterowane rozdzielacze proporcjonalne wykonywać bez elektrycznego sprzężenia zwrotnego.

5

skok s(mm) -4

o

-2

skok równy O odpowiada całkowitemu wysunięciu rdzenia elektromagnesu

Rys. 3 Charakterystyka elektromagnesu o regulowanym skoku

czujnik położenia

skok regulowany


Rys. 4 Elektromagnes proporcjonalny o regulowany skoku 82

potencjometr

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Rozdzielacze proporcjonalne Rozdzielacz proporcjonalny służy do wywierania wpływu na kierunek i natężenie przepływu.

Rozdzielacz proporcjonalny sterowany bezpośrednio Przedstawiając opis tych rozdzielaczy zamieszczamy szereg punktów, które dotyczą również innych, opisanych niżej rozdzielaczy proporcjonalnych. Są to następu­ jące punkty: Histereza; Powtarzalność; Suwaki; Uwagi zasadnicze do wykresów i charakterystyki przejścia suwaka.

Proporcjonalny elektromagnes wywiera bezpośrednie działanie na suwak, tak samo jak w rozdzielaczach przełączających.

Działanie

Postawowymi częściami rozdzielacza są; kadłub (1 ), jeden lub dwa elektromagnesy proporcjonalne (2) o analogowej zależności przemieszczenia od prądu, indukcyjny czujnik położenia (3) (w odmianie rozdzielacza przedstawionej na rys. 6), suwak (4), a także jedna lub dwie sprężyny powrotne (5). Gdy elektromagnesy nie są wzbudzone, wówczas suwak (4) jest przez sprężyny powrotne (5) utrzymywany w położeniu środkowym. Suwak przemieszczany jest bezpośrednio przez proporcjonalne elektromagnesy. Przedstawiony na rysunku suwak zamyka teraz połącze­ nia między P, A, B i T. Jeżeli np wzbudzony zostanie elektromagnes A (lewy), to przesunie on suwak na prawo. Utworzone zostanie połączenie P --7 Bi A --7 T. Im większy jest sygnał otrzymywany z elektrycznego uksterowania (dokładny opis w rozdziale "Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi"), tym dalej na prawo przesunięty zostanie suwak. Przemieszczenie jest więc proporcjonalne do sygnału elektrycznego. Im większe jest przemieszczenie, tym większy jest przekrój przepływowy i tym samym większe jest natężenie przepływu. ładu

Rys. 5 Bezpośrednio sterowany rozdzielacz proporcjonalny WRE 1Oz elektrycznym sprzężeniem zwrotnym; w głębi rysunku elektroniczny układ sterowania

~

Lewy elektromagnes na rys. 6 jest wyposażony w indukcyjny czujnik położenia. Mierzy on położenie suwaka i w postaci proporcjonalnego do przemieszczenia sygnału elektrycznego (napięcia) "informuje" wzmacniacz elektroniczny o rzeczywistym położeniu suwaka.

40

2

\

T

Rys. 6 Bezpośrednio sterowany rozdzielacz proporcjonalny z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym

83

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Zakres czujnika położenia odpowiada podwójnemu przemieszczeniu, wobec czego poddane są kontroli obydwa położenia sterujące rozdzielacza. Poza tym wykonanie tego elementu jest szczelne i nie jest wymagane połączenie dla przeciekającego oleju. Nie jest też potrzebne jakiekolwiek dodatkowe uszczelnienie. Oznacza to, że żadna dodatkowa wartość tarcia nie wywiera ujemnego wpływu na dokładność rozdzielacza.

występowanie zawsze zdefiniowanego przekroju przelotowego w kształcie trójkąta.

Nie ma więc takiego położenia w standardowych rozdzielaczach, w którym obydwie krawędzie zachodzą na siebie lub wzajemnie oddzielają się przy otwieraniu dopiero poprzez "przesunięcie jałowe". Poza tym

dopływ i odpływ są

zawsze

dławione.

We wzmacniaczu elektrycznym następuje porównanie wartości rzeczywistei (tj faktycznego położenia suwaka)

z wartością zadaną. Występuje tutaj układ regulacji położenia, który rozpoznaje istniejące odchyłki między wartością zadaną i rzeczywistą, a następnie koryguje położenie suwaka przesyłając odpowiednie sygnały do właściwych elektromagnesów. W praktyce oznacza to, że w zależności od wielkości rozdzielacza jego histereza i powtarzalność działania wynoszą ::2 1 %. Histerza ogólnie: zależność danego stanu od stanów poprzedzających.

Jeżeli sygnał

elektryczny będzie zmieniać się od O do maks i z powrotem do O, to suwak zawsze przybierać będzie określone położenie proporcjonaln8 do sygnału. Histerezą lub błędem histerezy (rys. 8) nazywa się odchylenie wynikające przy takiej samej wartości zadanej, która jednak może być nastawiana z różnych kierunków (wychodząc od mniejszej lub od większej wartości).

Rys. 7 Bezpośrednio sterowany rozdzielacz proporcjonalny typu WRA 6 bez sprzężenia zwrotnego; wgłębi elektroniczny układ sterowania

o ::I

$

Powtarzalność (zwana też odtwarzalnością)

..c n.

Pod tym pojęciem rozumie się rozpiętość (stopień zgodności), w obrębie której osiąga się sygnały wyjściowe przy kolejnym wielokrotnym nastawianu takich samych sygnałów wejściowych. Odnosząc to do suwaka sterującego oznacza to, że przy wielokrotnym nastawianiu tej samej wartości zadanej otrzymywane odchylenie położenia wynosić będzei ::2 1 % (dotyczy rozdzielaczy WRE).

N ,_

IJ)

Rozdzielacz wg rys. 7 nie ma czujnika położenia. Położenie suwaka nie jest więc poddawane dodatkowej kontroli. Wskutek tego, zależnie od wielkości rozdzielacza, otrzymuje się histerezę wynoszącą 5 - 6 % i powtarzalność z odchyleniem 2 - 3 %.

n.

-~

c


·N

(j)'

U)

.::t:.

o

.::t:. fJ)

-ro ..o

z ::;

Sygnał wejściowy

Rys. 8 Histereza

Wykonanie suwaka Suwak rozdzielacza proporcjonalnego różni się wyraźnie od suwaka normalnego rozdzielacza, co można zauważyć na przekroju przedstawionym na rys. 6. Suwak ten ma zwężające się przekroje dławiące w kształcie trójkąta. One to przyczyniają się do progresywnej charakterystyki przepływu (rys. 9). Krawędzie sterujące suwaka, mające kształt trójkąta (rys. 10), i krawędzie sterujące kadłuba zachodzą na siebie we wszystkich położeniach suwaka. Oznacza to

Skok suwaka

s lub

Rys. 9 Charakterystyka Q - s lub Q - I

84

I (mA)

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Rys. 10. Rowki steruję.ce rozmieszczone z przestawieniem na obwodzie suwaka i jego długi skok przyczyniaję. się do uzyskania dobrej zdolności rozdzielczej

Położenie sterujące

Położenie

A

Położenie sterujące

elektromagnesu "b"

Położenie

neutralne

B a

elektromagnesu "b"

neutralne

~~u :XA:Htt mt~x' p

b

T

Symbol graficzny "E"

Symbol graficzny "E"

Rys. 11 Przekrycie suwaka w zwykłym rozdzielaczu wielk. nom. 25 i o symbolu graficznym "E" (z ryglowaniem w położeniu neutralnym)

Rys. 12 Przekrycie suwaka rozdzielacza proporcjonalnego wielk. nom. 25 i o symbolu graficznym "E" (z ryglowaniem w położeniu neutralnym)

przełączającym

85

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Charakterystyka natężenia przepływu W celu optymalnego wykorzystania maksymalnego skoku suwaka ustalono przekroje poprzeczne rowków sterujących odpowiednio do różnych nominalnych natężeń przepływu.

Zamieszczony niżej przykład objaśnia przedstawione twierdzenie i ułatwia odczytywanie wykresu. Dane układu: - ustalone ciśnienie w układzie p = 120 bar - ciśnienie od obciążenia przy prędkości roboczej p = 110 bar - ciśnienie od obciążenia przy ruchu szybkim 60 bar p = - natężenie przepływu wymagane dla zakresu prędkości roboczej Q = 5 - 20 I/min - natężenie przepływu wymagane dla zakresu prędkości ruchu szybkiego Q = 60 - 150 I/min Załóżmy, że

zawór proporcjonalny wybrano w sposób powszechnie stosowany, tzn tak, jak wybiera się zwykły zawór przełączający (na nominalne natężenie przepływu

1 pv

450 400

=

2 pv

Q = 150 I/min). Błąd ten, niestety często popełniany, dodo występowania następujących danych: - spadek ciśnienia w zaworze przy ruchu szybkim Pv = 120 - 60 = 60 bar Owymagane dla ruchu roboczego = 5 - 150 I/min - spadek ciśnienia w zaworze przy ruchu roboczym Pv = 120 - 110 = 10 bar Owymagane dla ruchu roboczego = 5 - 20 I/min prowadziłby

Ruch szybki Q = 150 I/min przy Pv = 60bar przy wartości zadanej ok. 66 %, natomiast Q = 60 I/min przy około 48 % wartości zadanej. Pozostaje zakres nastawiania wynoszący tylko 18 %. Natężenie przepływu

osiąga się

Ruch roboczy Do nastawiania prędkości roboczych pozostaje już jedynie 10 % całkowitego zakresu nastawczego (47 % wart. zadanej przy 20 I/min, 37 % wart. zadanej przy 5 I/min). Przy histerezie zaworu wynoszącej np 3 % (stanowi to 30 % jeżeli odniesiemy do zakresu nastawczego wynoszącego 1O%) staje się oczywista trudność nastawiania wynikająca ze złej zdolności rozdzielczej.

6

10 bar const. 20 bar const.

3 pv =

30 bar const.

4 pv

=

50 bar const.

5 pv

=

60 bar const.

6 pv = 1OO bar const.

350

5 1-~-1-~~~~1--~~~-+-~~~~+--~~~-1-~~~~+-~--.Jl'---!-~~~...,,_14

.Ec: ::::,

:J

300

~

-5: il>

N ....

3

250

o.

·c:il>il> ·N

(!);

2

200

"al

z

I 40 I ~100/o-łl>l

37

50

47 48

70 60 18°/o---111111! 66

80 Natężenie prądu

90

100

w% prądu znam.

Rys. 13 Charakterystyka natężenia przepływu wfunkcji prądu znamionowego dla nominalnego natężenia przepływu 150 /Imin przy spadku ciśnienia wzaworze 10 bar 86

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Właściwie należałoby wybrać

zawór np o

następującej

Charakterystyka czasowa suwaka

charakterystyce:

Zamieszczone poniżej wykresy przedstawiają charakterystyki przejściowe suwaka przy skokowym sygnale

- Warunki przy ruchu szybkim Wartość zadana wypada między 66 % i 98 % (60 - 150 I/min). Stąd wynika przedział nastawczy 32 %.

wejściowym. Przejście z jednej pozycji do innej następuje bez przeregulowania. Suwak przesuwa się ruchem tłumionym i w stosunkowo krótkim czasie osiąga nowe położenie.

- Warunki przy ruchu roboczym Wartość zadana wypada teraz między 36 % i 63 %, a więc występuje teraz znacznie większy zakres nastawczy i tym samym lepsza zdolność rozdzielcza. Równocześnie maleje oczywiście odchyłka powtarzalności.

Również stała czasowa jest więcej niż wystarczająca dla procesów przyspieszania i hamowania.

200 c:

:§

1....

-;- 150

ł

..,..,,,,,,,-

l!:i 100 ,_ c.

-

(I)

·c:

60

(I)

·N

---·

50

ca

(!)-

z

__ ..,,,,,,.,,,. .,,,,,,,,,. ....

5

I

30

25

40

... i.....__5o_ 27%

36

Pv

I

--- -----+-I

_,,,,,,,.-

I

I

I

I

I

I... 70

63 66

I I

~--I I

-1

-.-.-

20

__ .,.,,,,,.. ~·

.

..,,.,..,,. ~

..,,...,,.-1

I

80

32% _90 _____. ...1 100

Natężenie prądu w% prądu znam.

98

= spadek ciśnienia w zaworze (suma spadków ciśnienia na krawędziach sterujących dopływu i odpływu)

Rys. 14 Charakterystyka natężenia przepływu wfunkcji prądu znamionowego dla nominalnego natężenia przepływu 641/min przy spadku ciśnienia wzaworze 1Obar

Zmiany sygnału O -7 1OO %

Zmiany sygnału 25 -7 75 % 100

100 80


---

-

„

o

,

-

-

1--


~

- --

--

\

20 40 60 80 100

o

f

........ 20

Czas t, ms

Rys. 15 Charakterystyka przejścia przy skokowym elektrycznym sygnale wejściowym; zmiany sygnału 25 -7 75 %

o

,

I

~ 40

20 40 60 80 100

\ \

J

I o

\, \

60

(j)

- -- - - -

'

I

.::Z

\

I

80

-

\

I

~

20

,-

J

60

~ 40

--

V

I

J

\ "'"-

20 40 60 80 100

o

20 40 60 80 100

Czas t, ms

Rys. 16 Charakterystyka przejścia przy skokowym elektrycznym sygnale wejściowym; zmiany sygnału O-7 1OO %

87

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Przyspieszanie, opóźnianie W opisanym na wstępie przykładzie wspommiano o przyspieszaniu pomostu z elementami nadwozia samochodowego. Takie przyspieszanie albo też opóźnianie hydraulicznego siłownika lub silnika oznacza zmianę ilości cieczy roboczej dopływającej w jednostce czasu. Zmiana natężenia przepływu, tj zwiększenie lub zmniejszenie, dokonywana jest przez zawór proporcjonalny. W elektronicznym układzie sterowania nastawia się wartości zadane dla proporcjonalnych elektromagnesów. Zadanie te określają w jakim czasie ma nastąpić wspomniana zmiana natężenia przepływu, a tym samym zmiana położenia suwaka. Wartość zadana, przekazywana przez układ elektroniczny, zmienia się w zadanym czasie na wartość zadaną nastawioną jako wartość koń­ cowa. Stosowany do tych celów zespół elektroniczny nazywa się generatorem przebiegów liniowych, a przedział cza<(

Np, maks.

E

wartość

zadana

natężenia przepływu,

a wielkość zaworu wybiera się w od ustalanego ciśnienia w układzie. Problem ten został bliżej opisany w rozdziale E "Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi". zależności

Ogólnie jednak należy dążyć do tego, by dla maksymalnego natężenia przepływu przyjąć wartość zadaną bliską 100%. Zakres sterowania (zdolność rozdzielcza) Pod pojęciem zakres sterowania (w języku praktyki nazywanym też często zakresem regulacji) rozumie się stosunek między minimalnym i maksymalnym natężeniem przepływu. Dla rozdzielacza proporcjonalnego bez czujnika położenia (typ WRA) zakres sterowania wynosi 1 : 20) przy maksymalnym natężeniu przepływu np 40 I/min możliwe byłoby więc najmniejsze natężenie przepływu 2 I/min. Ważną rolę

odgrywa przy tym odchylenie powtarzalktóre, wyrażone w postaci wartości, powinno być znacznie mniejsze od minimalnego natężenia przeności,

pływu.

Dla rozdzielacza proprocjonalnego z czujnikiem położe­ nia (typ WRE) zakres sterowania wynosi około 1 : 1OO. Odmiany wykonania suwaków W praktyce najczęściej spotykane miany wykonania suwaków: 1

2

3 Czas,

4

5

s

Rys. 17 Wykres natężenia prądu w funkcji czasu sowy zmiany wartości nazywa biegu liniowego.

się

czasem trwania prze-

Np zmiana wartości zadanej od O do maks. w ciągu 2 s krótki czas przyspieszania, duże przyspieszenie

--7

Np zmiana wartości zadanej od O do maks. w ciągu 5 s czas przyspieszania małe przyspieszenie

--7 długi

W procesie hamowania następuje odpowiednio zmiana wartości zadanej od wartości większej do mniejszej. Sterowanie elektroniczne jest dokładniej opisane w dalszej części tego opracowania (patrz rozdział "D"). Granica mocy Granice mocy dotyczą również zaworów proporcjonalnych, podobnie jak i zwykłych rozdzielaczy. Na przestrzeganie tych granic należy zwrócić uwagę. Interesująca jest przy tym charakterystyka bezpośrednio sterowanego zaworu bez czujnika położenia. Zwiększenie tip nie zapewnia zwiększenia natężenia przepływu po przekroczeniu granicy mocy. Suwak sam przymyka przepłyu wskutek działania sił hydrodynamicznych. Z tych względów można tutaj mówić o "naturalnej" granicy mocy. Suwak dla danego układu wybiera się w zależności od

88

I· i

i:o:J i b I

są następujące

~ P

T

!~i~ ~i: :1~ ~lf li c=~l(*) IX l~ ~;!ii~ ~!1 ~I ~E3("*) E2( 0

1

z:S1Sl~ rn u

)

m:Il=~1(*) W2(**)

IXiX$l~ rn ~I ~-W3('")

~

~ ~ ~

p

c

T =EA

m

=WA

tm t1D a:rD m p

m m I

(*) (**)

T

(***)Objaśnienia -

=EB

=WB

patrz rys. 18a

Rys. ·1 a Symbole graficzne z funkcjami przejścia

od-

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Gdy silnik nie jest obciążony, wtedy nie następuje peł­ przemieszczanie wskutek przecieków oleju na zaworze, gdyż przecieki oleju w silniku są większe. zające

(*) Dla symboli graficznych E1 i W1: P7 A= Omax I 87 T = Q/2 P7 8 = 012 I A 7 T = Omax (**) Dla symboli graficznych E2 i W2: P7 A= Q/2 I 8 7 T = Omax P7 8 = Omax I A 7 T = Q/2 Dla symboli graficznych E3 i W3: P 7 A= Omax P7 8 = Q/2

Rys. 18a

l I

87 T A7 T

= zamknięte = Omax

Zależności przepływowe

Przykłady dotyczące

- ....,

I

l

suwaków

poszczególnych wariantów suwaków

Suwaki E Suwak E wyróżnia się najlepszą charakterystyką hamowania. Powierzchnie przekrojów przepływowych P 7 A i 8 7 T, a także P 7 Bi A 7 T są takie same. Suwak "E" jest więc stosowany do sterowania siłownikiem hydraulicznym dwustronnego działania z tłoczyskiem dwustronym lub do sterowania silnikami hydraulicznymi, jak pokazano na rys. 20.

0,5 bar

_J

0,5 bar

3 bar

A

B Rys. 20 Suwak Ew układzie sterowania silnika hydr.

a

p

T

Dla układu z siłownikiem o stosunku powierzchni czynnych AK : AR = 2 : 1 należy wybrać taki suwak, w którym stosunek przekrojów dławiących wynosi również 2 : 1. Ten warunek spełnia suwak E1 (jak i suwak W1 ).

b

AK= 2 Rys. 19 Suwak E w układzie sterowania dwustronnym

siłownikiem

AR =

1

z

tłoczyskiem

W układach z silnikami hydraulicznymi zalecamy przedstawione na rys. 20 zasilanie przewodów odbiornika. Ewentualnie występujące podciśnienie mogłoby w przypadku silników hydraulicznych spowodować zwiększe­ nie poziomu natężenia hałasu. silnik powinien być dokładnie zatrzymywany pod to należy przewidzieć hamulec przytrzymujący, stosowany zazwyczaj w takich układach.

A

B

p

T

Jeżeli

obciążeniem,

a

b

Rys. 21 Suwak Et wukładzie sterowania siłownikiem ztłoczyskiem jedostronnym.

89

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Zależności

te objaśnia szkic przedstawiony na rys. 22. Miejsca dławienia symbolizują powierzchnie przekrojów przepływowych w zaworze proporcjonalnym.

Obowiązuje

0 1/02

=

\{;;p; I {-;;p;_

jeżeli

a gdy powierzchnie przekrojów przepływowych są jedna-

Suwaki E3 (prosimy też uwzględnić układ połączeń z suwakiem W3) Suwak ten stosowany jest do sterowania siłownikiem o stosunku powierzchni 2 : 1, aby w stosunkowo prosty sposób uzyskać różnicowy układ połączeń. Zawór zwrotny może być zastosowany również w postaci płyty pośredniej.

kowe wówczas otrzymujemy L1p 1I L1p2

L1P2

A

2Qap2

ł

~ 0 12 I 0 22

~

(022 I 01 2) · L1P1

B a

>< >< i

B

p

T

b

.1p11Q

p Rys. 22 Zależność spadkiem ciśnienia

T

między natężeniem przepływu

i

tej wynika, że wymagany jest 4-krotnie spadek ciśnienia, aby przy takim samym przekroju powierzchni przepływowej uzyskać podwojenie

Z

A

zależności

Rys. 23 Suwak E3 w układzie sterowania siłownikiem z tłoczyskiem jednostronnym Suwaki W Suwak W, zastosowany w układzie sterowania siłowni­ kiem z jednostronnym tłoczyskiem i o stosunku powierzchni bliskim 1 : 1, zapobiega wywoływanemu przez przecieki oleju pełzającemu ruchowi tłoka nieobcią­ żonego siłownika. W położeniu neutralnym istnieje połączenie od A i B do To wielkości 3 % nominalnego przekroju przepływowego.

większy

natężenia przepływu.

Gdy stosunek powierzchni tłoka do jego powierzchni pierścieniowej wynosi 2 : 1, wówczas przy jednakowych przekrojach powierzchni przepływowych np dla P -7 A i B-7 T uzyskuje się stosunek różnic ciśnień 4 : 1. wyhamowaniu siły masowe po stronie pierścienieowej tłoka wymagają przeciwciśnienia, które przekracza 1/4 ciśnienia roboczego, to w danym przypadku można zauważyć, że strona tłoka nie jest całkowicie napełniona, co jest konsekwencją kwadratowej zależności między Lip i Q.

A

Jeżeli podlegające

Można uniknąć tych trudności stosując suwak Ei (P-7 A = przekrój przepływowy 1/1 i B-7 T =przekrój przepływowy 1/2), albo stosując suwak E2 o odwrotnym układzie.

810

a

p

T

b

Rys. 24 Suwak Wwukladzie sterowania silownikiem ztloczyskiem jedostronnym

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Suwak W1 , suwak W2 Ten suwak, podobnie jak suwak E1, ma stosunek przekrojów dławiących jak 2 : 1 dla siłowników o stosunku powierzchni 2 : 1 i jak wszystkie suwaki odmiany W ma w położeniu neutralnym połączenie od A i B do T o wielkości 3 % nominalnego przekroju przepływu.

M1

SuwakW3 Suwak W3, podobnie jak suwak E3, umożliwia uzyskanie różnicowego układu połączeń. W układach z tym suwakiem nie ma sprężystego cofania się tłoka siłownika po zahamowaniu, gdyż przepływ 8-7 T jest odciążony.

M2

p

l T

A

B

a

A

B

p

T

b

Rys. 27

Rys. 25 Suwak Wwukładzie sterowania siłownikiem z tłoczyskiem jednostronnym

M2 M1

a

p

T

b

I

p

I Rys. 26

Połączenie różnicowe

l

z suwakiem E

innych układów połączeń Rysunek 27 przedstawia siłownik z tłoczyskiem jednostronnym, o stosunku powerzchni bliskim 1 : 1. Zawieszenie pionowe ze zrównoważeniem ciężarów. Zastosowano suwak odmiany W1 . Zrównoważenie ciężarów odbywa się za pomocą bezpośrednio sterowanego zaworu ograniczającego ciśnienie (DBDs „.) z bezprzeciekowym zamknięciem przewodu siłownika. Rysunek 28 przedstawia siłownik z tłoczyskiem jednostronnym, o stosunku powierzchni 2 : 1 oraz różnicowym układzie połączeń. Zawieszenie pionowe ze zrównoważeniem ciężarów. Zawór z suwakiem W1.

_J

T

Przykłady

a

A

B

p

T

b

Rys.28

B 11

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Zamknięcie bezprzeciekowe (rys. 29) Ze względu na występujące stosunki ciśnień zastosowanie podwójnego zaworu zwrotnego nie zapewnia osiągnięcia bezprzeciekowego zamknięcia. Tutaj niezbędne jest zastosowanie sterowanych zaworów zwrotnych (zamków hydraulicznych) z przyłączem dla odprowadzania przecieków. Na rysunku przedstawiono przykład bezprzeciekowego zamknięcia przepływu dla obydwu kierunków ruchu.

B

B r

I L LU A

A

I

UJ L

----

**

a

Rys. 29 (*

A

B

p

T

uwzględnić uwagę zawartą

w tekście!)

W tym układzie, mimo zastosowania sterowanego zaworu zwrotnego z przyłączem do odprowadzania przecieków, należy zwrócić uwagę na stosunki ciśnień. Stosunek ciśnień większy niż stosunek powierzchni może doprowadzić do występowania ruchów nieciągłych. W takim przypadku wysterowanie zaworu zamykającego powinno odbywać się z zewnątrz, jak to pokazano na rysunku, a nie od strony przeciwnej. Inną możliwość zamknięcia przepływu daje zastosowanie na odpływie odcinającego zaworu kompensującego (p. rozdział C "Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące").

812

Należy zwrócić uwagę na to, by przyłącze A rozdzielacza połączone było z przyłączem A siłownika tzn ze stroną tłoka. Dotyczy to zwłaszcza suwaków odmian E1, W1, E3 i W3. Należy tego przestrzegać także w odniesieniu

do podstawowej odmiany suwaka, ponieważ drogą w rozdzielaczu jest połączenie A--7 T.

najkrótszą

Optymalne wartości dynamiczne można osiągnąć jedynie wówczas, gdy połączenie między rozdzielaczem proporcjonalnym i odbiornikiem (siłownikiem, silnikiem) są możliwie jaknajkrótsze. Z tych względów proporcjonalny rozdzielacz czterodrogowy jest przeważnie tak instalowany, by wyloty A i B były w sposób jak najkrótszy połą­ czone z obydwoma przyłączami nawrotnej komory wyporowej. Tylko taka kombinacja oporów na wlocie i wylocie, sprzężonych wspólnym suwakiem, pozwala na szczególnie intensywne wywieranie wpływu na przebieg ruchów. możliwe przyspieszenie układu masajakim jest każdy układ hydrauliczny, wyznacza czas nastawiania hydraulicznego elementu sterującego lub sam układ masa-sprężystość.

Maksymalnie

(J ..,

~

Wskazówki praktyczne

sprężystość,

W rozdziale E zamieszczone ten problem.

jaśniające

są przykłady obliczeń

ob-

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Rozdzielacz

proporcjonalny

ze

sterowaniem

wstępnym

Rozdzielacze proporcjonalne większych nominalnych wielkości, podobnie jak i zwykłe rozdzielacze, są wstępnie sterowane. Również tutaj sterowanie wstępne jest stosowane ze względu na wartość siły niezbędnej dla przemieszczenia głównego suwaka. Zazwyczaj rozdzielacze do wielkości nominalnej 1O są sterowane bzepośrednio, a od tej wielkości wykonywane są ze sterowaniem wstępnym. Sterowany wstępnie rozdzielacz proporcjonalny (rys. 33) z zaworu sterowania wstępnego (3) z proporcjonalnymi elektromagnesami (1) i (2), zaworu głównego (7) wraz z suwakiem głównym (8) oraz sprężyną centrującą i regulacyjną (9). składa się

Stosowane są elektromagnesy proporcjonalne o charakterystyce opartej na zależności siły od natężenia prądu. Rozpatrzmy najpierw uproszczony przebieg działania: otrzymywany z elektronicznego układu sterowania, zostaje w proporcjonalnym elektromagnesie (1) albo (2) przetworzony na proporcjonalną siłę. Odpowiednio do wartości tej siły otrzymujemy ciśnienie na wylocie (A lub B) zaworu sterowania wstępnego. Ciśnienie to działa na powierzchnię suwaka głównego i pokonując siłę sprężyny (9) przemieszcza ten suwak aż do osiągnięcia równowagi między siłą sprężyny i siłą ciśnienia. Przemieszczenie suwaka, a tym samym przekrój przepływu, jest zależny od wartości ciśnienia działającego na powierzchnię suwaka. W celu wywierania wpływu na wartość tego ciśnienia można zastosować zawór ograniczający ciśnienie lub redukcyjny regulator ciśnienia. Sygnał,

Opisany tutaj zawór ma redukcyjny regulator ciśnienia jako zawór sterowania wstępnego. Zaleta polega na tym, że olej sterujący nie przepływa w sposób ciągły. Trójdrogowy redukcyjny regulator ciśnienia (rys. 30) składa się przede wszystkim z dwóch proporcjonalnych elektromagnesów (1) i (2), kadłuba (3), suwaka (4) i dwóch tłoczków pomiaru ciśnienia (5) i (6).

Proporcjonalny elektromagnes przetwarza sygnał elektryczny w proporcjonalną siłę, tzn zwiększenie natężenia prądu sterującego powoduje odpowiednie zwiększenie siły wywieranej przez elektromagnes. Nastawiona siła elektromagnesu pozostaje stałą w obrębie skoku regulacyjnego. Gdy elektromagnes nie jest wzbudzony, jak to przedstawiono na rys. 30, wówczas suwak (4) utrzymywany jest w położeniu środkowym przez sprężyny. Przyłącza A i B połączone są z przyłączem T, a więc są bezciśnieniowe. Przyłącze P jest zamknięte. Jeżeli np nastąpi wzbudzenie elektromagnesu B (1 ), to siła wywierana przez ten elektromagnes będzie działać poprzez tłoczek (5) na suwak (4) i przemieści go w prawo. Wskutek tego olej będzie przepływać od P do A. Przyłącze B pozostaje nadal połączone z wylotem T. Ciśnienie, jakie wytworzyło się na przyłączu A, działa poprzez otwór promieniowy w suwaku (4) na tłoczek pomiaru ciśnienia (6). Wynikająca z tego siła ciśnienia przeciwdziała sile wytwarzanej przez elektromagnes i przemmieszcza suwak (4) w kierunku zamykania, aż do osiągnięcia równowagi pomiędzy obydwoma siłami. Tłoczek pomiaru ciśnienia (6) opiera się przy tym na po-

pychaczu elektromagnesu (2).

Symbol graficzny

T

p

,-

- - --i

I

lb I

._... . . .ijiiiiiiil

L_ B

-,I

_ _J -

r

I

L __

__j

A

Rys. 30 Trójdrogowy proporcjonalny redukcyjny regulator ciśnienia typu 3 DREP 6 zastosowany jako zawór sterowania wstępnego

813

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Połączenie od

P --7 A zostaje przerwane, ciśnienie w obwodu roboczego A jest utrzymywane jako wartość stała. Zmniejszenie siły wywieranej przez elektromagnes powoduje przewagę siły wywieranej przez ciśnienie na suwak (4). Z tego powodu następuje przesunięcie suwaka (4) w lewo. przyłączu

Przez połączenie przyłączy A--7 T olej sterujący odpowiednio zmniejszyć

spływać i ciśnienie może

może się.

Równowaga sił oznacza znów utrzymanie stałości ciś­ nienia, ale teraz już na niższym poziomie. W stanie spoczynkowym, gdy elektromagnesy nie są zasilane prądem, wówczas przyłącze A lub B jest otwarte do T, tzn olej może bez przeszkód spływać do zbiornika, a przyłącze B lub A staje się bezciśnieniowe. Jednocześnie przerwane zostaje połączenie P --7 A lub P --7 B. Zaworem wstępnego sterowania zmieniamy więc ciśnie­ nie w przyłączu A lub B, proporcjonalnie do elektrycznego sygnału wejściowego. Jeżeli

komory (1 O) i (12) są bezciśnieniowe, tzn takimi też A i B zaworu sterowania wstępnego, to suwak główny utrzymywany jest w położeniu środkowym przez sprężynę centrującą (9). są przyłącza

Rys. 31 Sterowany wstępnie rozdzielacz proporcjonalny typu 4 WRZ, elektroniczny układ sterowania środkowe. Możliwości wewnętrznego i zewnętrznego wlotu i wylotu oleju sterującego są takie same, jak w sterowanych wstępnie rozdzielaczach zwykłych.

Wymagane ciśnienie oleju 30 bar i Pst max = 1OO bar.

sterującego

wynosi Pst min

=

Histereza wynosi ok. 6 %.

A teraz o działaniu wywieranym przez suwak główny.

Odchylenie

Jeżeli,

Charakterystyka funkcji przejścia przy skokowym elektrycznym sygnale wejściowym wykazuje również i tutaj, że suwak dochodzi do swego nowego położenia bez przeregulowania (rys. 32). Wynika to z zastosowania

na przykład, znów wzbudzany będzie elektromagnes B, to olej sterujący z kanału P lub z zewnątrz poprzez przyłącze X i zawór wstępnego sterowania dopłynie do komory (1 O). Tutaj narastać będzie ciśnienie proporcjonalnie do sygnału wejściowego. Wynikająca z tego siła ciśnienia przesunie suwak główny (8) w kierunku sprężyny (9) (rys. 33a), aż do osiągnięcia równowagi między siłą sprężyny i siłą ciśnienia. Wartość ciśnienia sterującego wyznacza zatem położenie suwaka, a więc wielkość otwarcia przekroju dławiącego i tym samym

wynosi 3 %.

Zmiana sygnału O --? 1OO % 100

(

I\

,

\

80

natężenie przepływu.

Wykonanie suwaka głównego odpowiada wykonaniu stosowanemu w bezpośrednio sterowanym rozdzielaczu proporcjonalnym.

powtarzalności

-;-!?_

o

::Z o .::.::.

(/)

60

\

,

40

\

Jeżeli

wzbudzony zostanie elektromagnes A (2), to w komorze (12) wytworzy się ciśnienie odpowiednie do wielkości sygnału. Ciśnienie to spowoduje przesunięcie suwaka głównego (rys. 33b) powodujące znów ściskanie sprężyny (9) poprzez cięgło (13) sztywno połączone z suwakiem.

(9) jest napięta wstępnie między talerzykami i dopasowana bez luzu między pokrywą i obudową.

20

j

o

20 40 60 80 100

o

20 40 60 80 100

Czas, ms

Sprężyna

Zastosowanie jednej sprężyny dla obydwu kierunków ruchu suwaka, w powiązaniu z dopasowaniem, zapewnia przy jednakowym sygnale jednakowe wychylenie w każ­ dym kierunku. Poza tym zawieszenie talerzyków sprężyny jest obciążone szczególnie małą histerezą. Gdy komora ciśnieniowa zostaje odciążona, wówczas powoduje znów powrót suwaka w położenie

sprężyna

814

Rys. 32 Funkcja przejścia przy skokowym elektrycznym sygnale wejściowym silnej sprężyny centrującej. Wskutek tego siły hydrodynamiczne też nie mogą wywierać jakiegokolwiek wpływu na położenie suwaka.

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

11

1

Dławik

4

3

11

wtykowy 0 1,8

!

Typ 4 WRZ 16„·30/6A".Z4

I Rys. 33a

Rys. 33b

IB

A

Symbol graficzny

.1\~ XI

a

o

Pl h

b

~~b I

I

= zewętrzne Y = wewnętrzne

X

IV

Rys. 33 Sterowany wstępnie rozdzielacz proporcjonalny typu 4 WRZ z jednostronnym centrowaniem sprężynowym 815

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

W

związku

z

pujące wciąż

powyższym wyjaśnienia

wymaga

wystę­

pytanie:

"Czy proporcjonalne rozdzielacze ze sprzężeniem zwrotnym położenia suwaka należy stawiać wyżej niż inne odmiany tych rozdzielaczy?" Jest prawdą, że powtarzalność położenia suwaka głów­ nego przy elektrycznym sprzężeniu zwrotnym przesunięcia i w jednakowej temperaturze ma odchylenie mieszczące się w zakresie do 0,01 mm. Należy jednak zwrócić uwagę, że różne temperatury oleju (20 „. 70 °C), przesunięcia termiczne czujnika położenia i cięgła, powodują zmiany położenia suwaka. Zmiany te, zmierzone w laboratorium zakładów Mannesmann-Rexroth, wynosiły 0,03 „. 0,04 mm, gdy całkowite przemieszczenie suwaka rozdzielacza proporcjonalnego typu 4 WRE 1Owynosi 4 mm. Odchylenie powtarzalności dla sterowanych wstępnie rozdzielaczy proporcjonalnych grupy 4 WRZ z programu Mannesmann-Rexroth mieści się w zakresie 0,06 „. 0,07 mm. Nie ma tutaj przesunięcia termicznego, istnieje bowiem bezpośrednie sprężyste sprzężenie zwrotne. Jako całkowite przemieszczenie suwaka podano 5,5 mm.

Rys. 34 Rozdzielacz proporcjonalny ze sterowaniem bezpośrednim, bez sprzężenia zwrotnego położenia suwaka, typ 4 WAA 1O, elektroniczny układ sterowania

Dobrą powtarzalność w rozdzielaczach 4 WRZ osiągnię­ to dzięki dużej sztywności sprężyny roboczej przy suwaku głównym, a także małemu tarciu sprężynowego centrowania (czasze kuliste). W ten sposób uzyskano duże siły nastawcze w porównaniu z możliwymi siłami zakłócającymi.

Elektryczne sprzężenie zwrotne w sterowanym bezpośrednio rozdzielaczu proporcjonalnym jest racjonalne, ponieważ stosunek występujących sił zakłócjących do dysponowanej siły elektromagnesu jest niekorzystny (względnie mała siła elektromagnesu w porównaniu z siłami zakłócającymi).

Duży udział w dobrej powtarzalności procesu sterowania, zarówno bezpośrednio sterowanych, jak i sterowanych wstępnie rozdzielaczy proporcjonalnych Rexrotha, przypada precyzyjnie wykonywanym, wyróżniającym się wysmukłym kształtem, rowkom trójkątnym w suwakach.

Rys. 35 Rozdzielacz proporcjonalny ze sterowaniem i z sprzężeniem zwrotnym położenia suwaka, typ 4 WRE 1O, elektroniczny układ sterowania

bezpośrednim

Tarcie mechaniczne, również wywołane przez cząstki zanieczyszczeń w oleju, wywiera jakiś wpływ na powtarzalność jedynie wówczas, gdy należy utrzymać taką samą wartość zadaną w ciągu dłuższego czasu (zjawisko zatykania się). Przy szybkich zmianach wartości zadanych, a jest to warunkiem stawianym obecnie niemal wobec wszystkich układów, wpływ współczynnika tarcia jest bardzo mały. Suwak zaworu jest stale utrzymywany w stanie tarcia poślizgowego. W procesach regulacji istotne jest, by element nastawczy, a więc rozdzielacz proporcjonalny, wykazywał nie tylko dobrą powtarzalność, małą histerezę, ale także dobrą dynamikę. Tego nie można jednak osiągnąć w sposób doskonały stosując sterowanie wzbudzeniem proporcjonalnego elektromagnesu (indukcyjny układ

816

Rys. 36 Rozdzielacz proporcjonalny ze sterowaniem wstępnym, bez sprzężenia zwrotnego położenia suwaka, typ 4 WRZ 1O, elektroniczny układ sterowania

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

magnetyczny). Dla takich przypadków można zalecić zastosowanie sterowania z serwozaworem wyposażonym w silnik momentowy (patrz rys. 37). Charakterystyka regulacyjna tych urządzeń ze sprzężeniem zwrotnym i serwosterowaniem jest lepsza. rozdzielaczy proporcjonalnych ze wstępnym sterowaniem i bez sprzężenia zwrotnego jest ich prosta konstrukcja i tańszy układ elektroniczny. Nie trzeba też ukła­ dać odrębnego ekranowanego kabla od czujnika poło­

Na zakończenie opisu rozdzielaczy proporcjonalnych przedstawiamy zestawienie ich najważniejszych cech:

1. Konstrukcja - jak czterodrogowych, trójpołożenio­ wych rozdzielaczy z sprężynowym centrowaniem w położeniu środkowym.

Zaletą

2.

żenia.

3. Sterowanie kierunkiem i natężeniem przepływu odbywa się w jednym elemencie sterującym. Do sterowania przebiegiem programów nie potrzeba dodatkowych rozdzielaczy, ani też zaworów dławiących dla ruchu szybkiego i ruchu pełzającego. Zmiany prędkości odbywają się nie skokowo, lecz bezstopniowo.

Mała wrażliwość

na zanieczyszczenia.

4. Stosunkowo długi skok suwaka, jak w rozdzielaczach zwykłych.

5. Odbiornik jest zawsze "napięty" poprzez 2 sterujące na dopływie i odpływie.

krawędzie

z elektronicznym układem sterowania w sposób bardzo prosty i niezawodny realizować procesy przyspieszania i opóżniania.

6. W

powiązaniu

można

wstępnie

Rys. 37 Sterowany czterodrogowy regulator ze sprzężeniem zwrotnym położenia suwaka, typ 4 WRD 16, elektroniczny układ sterowania. Nie można w sposób ogólny wypowiadać się "za" lub "przeciw" stosowaniu sprzężenia zwrotnego położenia suwaka w rozdzielaczu proporcjonalnym. Najlepsze rozwiązanie można znaleźć jedynie uwzględniając specyficzne właściwości i wymagania dotyczące konkretnego przypadku zastosowania.

r

B

A

A

V

s

„

Rys. 38 Wykres prędkości i drogi A = przyspieszanie lub opóźnianie 8 == różne prędkości C = prędkość szczątkowa przed zatrzymaniem Czasy przyspieszania i opóźniania zadawane są przez układ elektroniczny i nie są zależne od wpływów hydraulicznych (lepkość oleju). 7. Pobór prądu jak w elektromagnesach na

prąd stały.

817

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Proporcjonalne zawory sterujące

ciśnieniem

Służą one do zdalnego elektrycznego nastawiania ciś­ nienia, przy czym dodatkowo można wywierać wpływ na narastanie i spadek ciśnienia w czasie. Ciśnienie można więc za pomocą elektrycznej wartości zadanej zmieniać, tzn dopasowywać odpowiednio do wymagań danego procesu.

Bezpośrednio

sterowany

proporcjonalny zawór

ograniczający ciśnienie

Zawór ten jest wykonywany jako zawór grzybkowy. Składa się on z kadłuba (1 ), elektromagnesu proporcjonalnego (2) z indukcyjnym czujnikiem położenia (3), gniazda zaworowego (4 ), grzybka (5) oraz sprężyny ścis­ kanej (6) (rys. 41 ). Stosowany jest elektromagnes o regulowanym przemieszczeniu rdzenia. Elektromagnes poniekąd zastę­ puje ręczne przestawianie za pomocą śruby nastawczej.

Z przedstawionej przykładowo charakterystyki dla stopnia 25 bar wynika, że maksymalne nastawiane ciśnienie zależy także od natężenia przepływu. W razie wartości zadanej O, zaniku zasilania proporcjonalnego elektromagnesu lub przerwy w przewodzie czujnika położenia następuje nastawienie się najniższej wartości nastawianego ciśnienia. (Zależnie od stopnia ciś­ nienia i natężenia przepływu).

818

sterowany propocjonalny zawór typ DBETR, wzmacniacz typu

ograniczyjący ciśnienie,

VT5003.

Stopień ciśnienia

Wprowadzenie wartości zadanej poprzez wzmacniacz powoduje skok elektromagnesu proporcjonalny do wartości zadanej. Elektromagnes przemieszcza talerzyk sprężyny (7), napina sprężynę (6) i dociska grzybek do gniazda. Położenie talerzyka sprężyny (tzn położenie rdzenia elektromagnesu), a tym samym pośrednio nastawienie ciśnienia, jest określane przez czujnik poło­ żenia i kontrolowane w układzie regulacji położenia przez elektroniczny układ sterowania. Występujące odchyłki od wartości zadanej są korygowane przez układ regulacji. Zastosowanie tej zasady eliminuje wpływ tarcia w elektromagnesie. Uzyskuje się bardzo dokładną, powtarzalną silę wstępnego napięcia sprężyny: histereza < 1 % maksymalnej wartości nastawianego ciśnie­ nia, dokładność powtarzania< 0,5 % maks. wartości nastawianego ciśnienia. Maksymalna wartość nastawianego ciśnienia zależy od stopnia ciśnienia (25, 180, 315 bar). Różne stopnie ciś­ nienia maks. uzyskuje się przez zastosowanie odpowiedniego gniazda zaworowego, tzn gniazda o odpowiedniej średnicy. Siła wywierana przez elektromagnes pozostaje taka sama, wobec czego najwyższy stopień ciśnienia ma najmniejszą średnicę gniazda zaworowego.

Bezpośrednio

Rys. 39

25 bar

30 (ii

e

25

5

·c: ·c:CD

20

·5

15

4 3 2

CD

•(/)

CD

c

C1l

-~

J!l (/) C1l

z

10

5

o

1o 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Napięcie wartości

zadanej(%)

Krzywa 1 !:>natężenie przepływu= 21/min Krzywa 2 6

natężenie przepływu

= 41/min

Krzywa 3 6

natężenie przepływu

= 61/min

Krzywa 4 !:>

natężenie przepływu

= 81/min

Krzywa 5 !:>

natężenie przepływu

= 1OI/min

Rys. 40 Wartość nastawianego od napięcia wartości zadanej

w zależności

z tym należałoby jeszcze wspomnieć o (8). Jej zadanie polega na tym, by w razie sygnału O cofnąć do wyjściowego położenia części ruchome, np rdzeń elektromagnesu, co zapewnia osiąg­ nięcie najniższej wartości Pmin· Gdy zawór wmontowany jest pionowo, wówczas sprężyna ta służy również do kompensowania ciężaru rdzenia elektromagnesu. W

związku

ciśnienia

sprężynie

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

~

cp cp cp
I

I

/1

i

·- -·

.

:

--·--·

--·-

--

----

--

I

I

.1

I

r

;

ł-~· -----

--

I

'

'I

:

I

I

..................... . ..................... .. . . . . . . . . . . . . . . . . ......... ...... ... .................... • • • • • • • • • • • • • • • „ •• ~

::::::::::: ::::::. ::·:::::::::::::::::::::

Rys. 41 Sterowany

bezpośrednio

proporcjonalny zawór

ograniczający ciśnienie,

typ DBETR, z

regulacją położenia

wstępnego naprężenia sprężyny

Symbol graficzny

p

r

Lr I

T

819

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Proporcjonalny zawór ogranic:zającvy ciśnienie ze sterowaniem wstępnym Do większych natężeń przepływu stosuje się zawory ze sterowaniem wstępnym. Zawór składa się z zaworu sterowania wstępnego (1) z proporcjonalnym elektromagnesem (2), ewentualnie z wbudowanym zaworem bezpieczeństwa (3) oraz z zaworu głównego (4) z suwakiem głównym (5) (rys. 44). Podstawowe działanie odpowiada działaniu „zwykłego" zaworu organiczającego ciśnienie ze sterowaniem wstępnym. Różnice występują w zespole sterowania wstępnego. Sprężyna zastąpiona została proporcjonalnym elektromagnesem. Jest to elektromagnes o regulowanej sile. Określonemu natężeniu prądu, zadawanemu przez układ sterowania, odpowiada proporcjonalna siła wywierana na grzybek (6) sterowania wstępnego. Większe natężenie prądu wejściowego oznacza wywieranie większej siły przez elektromagnes, a tym samym nastawienie większego ciśnienia; mniejsze natężenie prądu wejściowego to nastawienie mniejszego ciśnienia. Ciśnienie istniejące w układzie (przyłącze A) działa na suwak główny (5). Równocześnie ciśnienie w układzie, poprzez wyposażony w dysze (7, 8, 9) kanał sterujący (1 O), dochodzi do obciążonej sprężyną strony suwaka głównego (11 ). To ciśnienie w układzie poprzez dyszę (12) działa na grzybek (6) sterowania wstępnego, w kierunku przeciwnym do siły wywieranej przez proporcjonalny elektromagnes (2). Jeżeli ciśnienie w układzie przekracza zadaną wartość odpowiadającą sile wywieranej przez elektromagnes, to otwiera się grzybek (6) sterowania wstępnego. Olej sterujący może przez przyłącze Y (13) spływać do zbiornika. Należy przestrzegać, by odpływ ten zawsze odbywał się bezciśnieniowa.

natężenia przepływu", ważne znaczenie ma jeszcze współzależność ciśnienia wejściowego od natężenia prądu.

Jako przykład przedstawiono charakterystykę dla stopnia ciśnienia 200 bar. Maksymalne ciśnienie w danym stopniu ciśnienia osiąga się zawsze przy maksymalnym natężeniu prądu wynoszącym 800 mA. W praktyce oznacza to, że należy wybrać jedynie niezbędny stopień ciśnienia, a nie wyższy, aby uzyskać najlepszą zdolność rozdzielczą.

Charakterystyka wskazuje również, że powstaje większa histereza, gdy stosuje się inny elektryczny układ sterowania, np inny niż VT 2000 bez prądu wymuszonego. Zaworem tym można osiągnąć następujące wartości: Liniowość prąd-ciśnienie wejściowe ± 3,5 % Dokładność powtarzania < ±2% Histereza ± 1,5 % Zalecana dokładność filtrowania :s:: i Oµm (filtr w przewodzie tłocznym)

200 180

160 140

120

100

80

ciś-

=r=1=-

-·-

Histereza z wymuszeniem

60

Na suwaku głównym (5) powstaje teraz spadek ciśnie­ nia, uzależniony od rozmieszczenia dysz w kanale sterującym. Suwak unosi się od gniazda i otwiera połączenie od A do 8 (pompa-'?> zbiornik). W celu zabezpieczenia układu przed niedopuszczalnie dużym natężeniem prądu wzbudzającego proporcjonalny elektromagnes (2), wywołującym wymuszone niedopuszczalnie wysokie ciśnienie, można ewentualnie dodatkowo wmontować sprężynowy zawór bezpieczeństwa (3) jako zabepieczenie przed maksymalnym ciśnieniem. Zawór ten może równocześnie zabezpie-

Stopief1

nienia 200 bar

40 20

o

l:::::::::::::!:::::!~-_J__..L

o 100

_

_L.___L_J__J

200 300 400 500 600 700 800

Rys. 42 Zależność ciśnienia wejściowego od natężenia prądu

czać także pompę.

Przy nastawianiu zaworu bezpieczeństwa należy zwrócić uwagę na odpowiedni odstęp w stosunku do maksymalnej wartości ciśnienia nastawionego proporcjonalzadziałanie zaworu bezpieczeństwa natępowało rzeczywiście tylko przy szczytowych wartościach ciśnienia.

nym elektromagnesem, aby

Odstęp ten, jako wartość orientacyjna, powinien wynosić około

·1 O% maksymalnego

ciśnienia

roboczego.

Na przykład: - maksymalne ciśnienie nastawiane poprzez elektroniczny układ sterowania = 1OO bar - nastawienie zaworu bezpieczeństwa 11 O bar Różne stopnie ciśnienia (np tutaj 50, 100, 200, 315 bar) osiagane są również przez stosowanie gniazd o różnych średnicach. Oprócz zwykłych charakterystyk "Ciśnienie robocze w zależności od przepływu" i "Najmniejsza nastawiana wartość ciśnienia w zależności od

820

Rys. 43 Proporcjonalny zawór ograniczający r''"'"". ."' ze sterowaniem wst~?pnym, typ DBE, elektroniczny układ sterowania

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Rys. 44 Sterowany wstępnie proporcjonalny zawór typ OBEM

ograniczający ciśnienie

z zabezpieczeniem przed maksymalnym

ciśnieniem,

Symbol graficzny

A

r-

r1

L

r

1

L

A

r

I

B X I

Y

bez zabezpieczenia maks.

ciśnienia

B X

1

I

Y

z zabezpieczeniem ciśnienia maks.

B21

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Proporcjonalny zawór ograniczający ciśnienie ze sterowaniem wstępnym, typ DRE 1O, 25 Siła wywierana przez elektromagnes działa bezpośred­ nio na grzybek sterowania wstępnego, jak w opisie przedstawionego wyżej zaworu organiczającego ciśnie­ nie.

Nastawianie ciśnienia w kanale A dokonywane jest przez proporcjonalny elektromagnes (2) w zależności od natężenia prądu. W stanie spoczynkowym, gdy wartość zadana =O (nie ma ciśnienia lub przepływu do B), wówczas sprężyna (1 O) utrzymuje zespół suwaka głównego w jego położeniu wyjściowym. Połączenie od B do A jest zamknięte. Następuje w ten sposób ograniczenie skoku rozruchowego.

Ciśnienie w kanale A, poprzez przewód sterujący (6), działa na powierzchnię (7) suwaka głównego. Od kanału B prowadzi kanał sterujący (8) przez suwak główny do małego regulatora przepływu (9). Ten regulator utrzymuje stałą wartość natążenia przepływu oleju sterują­ cego z kanału B, niezależnie od spadku ciśnienia między kanałami A i B.

Od małego regulatora przepływu (9) olej sterujący przechodzi do komory sprężyny (1 O) i przez otwory (11) i (12) oraz gniazdo zaworowe (13) do przewodu Y (14, 15, 16) prowadzącego do zbiornika.

jj_

-0 ®

Rys. 45 Proporcjonalny zawór ograniczający ciśnienie ze sterowaniem 822

wstępnym,

typ DRE 1O

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Pożądaną wartość ciśnienia

w kanale A nastawia się na wzmacniaczu. Elektromagnes proporcjonalny dociska grzybek (20) zaworu w kierunku gniazda (13) i ogranicza ciśnienie w komorze sprężyny (1 O) do nastawionej wartości. Gdy ciśnienie w kanale A jest mniejsze od wartości zadanej, wówczas wyższe ciśnie­ nie w komorze sprężyny (1 O) przesuwa suwak główny na prawo. Następuje otwarcie połączenia od A do B. przynależnym

Wraz z osiągnięciem nastawionego ciśnienia w kanale A uzyskana zostaje równowaga sił na suwaku głównym. w A· powierzchnia suwaka 7 = w komorze sprężyny (1 O) · powierzchnia suwaka - siła sprężyny (17) Ciśnienie

=

ciśnienie

Zwiększanie się ciśnienia

w A powoduje przesuwanie się suwaka na lewo, w kierunku zamykania przepływu z B do

A. Jeżeli

w słupie oleju (np siłownik przy zderzaku) należy zmniejszyć ciśnienie w A, to wtedy na potencjometrze wartości zadanej właściwego wzmacniacza należy wybrać wstępnie mniejsze ciśnienie, które natychmiast ustali się w komorze sprężyny (1 O). Wyższe ciśnienie w A, wywierane na powierzchnię (7) głównego suwaka, dociska go w kierunku śruby zamykającej (18), aż do zderzaka. Połączenie

od A do B jest zamknięte, a od A do Y otwarte. (17) przeciwdziała teraz sile hydraulicznej działającej na powierzchnię (7) suwaka głównego. W tym położeniu suwaka głównego ciecz robocza z kanału A może poprzez krawędż sterującą (19) spływać do kanału Y i dalej do zbiornika. Siła sprężyny

Gdy ciśnienie w A zmalało do ciśnienia w komorze sprężyny (1 O) + Lip ze sprężyny (17), wówczas suwak główny zamyka na krawędzi sterującej A do Y główne otwory sterujące w tulei. Resztkowa różnica ciśnień, wynosząca ok. i O bar w stosunku do nowej wartości zadanej w A, zostaje teraz odciążona tylko poprzez otwór (22) dokładnego sterowania. W ten sposób osiąga się dobrą charakterystykę przejścia bez nadmiernych drgań ciśnienia w dół.

Rys. 46 Proporcjonalny zawór ograniczający ciśnienie ze sterowaniem wstępnym, typ DREM 20, elektroniczny układ sterowania. Ewentualnie moża wbudować zawór zwrotny (5), co uswobodny przepływ powrotny z kanału A do B. Wtedy część strumienia oleju z kanału A będzie poprzez otwartą krawędż sterującą (19) suwaka głównego przepływać od A do Y i do zbiornika. możliwia

Typ DREM Niedopuszczalnie duży elektryczny prąd sterowniczy na proporcjonalnych elektromagnesach powoduje duże ciśnienie w przyłączu A. W celu hydraulicznego zabezpieczenia układu przed takim stanem można ewentualnie wbudować sprężynowy zawór ograniczający maksymalne ciśnienie (21 ). Uwaga: Jeżeli ciecz robocza poprzez zawór zwrotny (5) przepływa z powrotem od kanału A do B, to występujący rórwnoległy przepływ poprzez Y do zbiornika wywiera wpływ

ma przebieg hamowania odbiornika na przyłączu A, gdy w kanale B realizowane jest hamowanie zaworem dławiącym (np rozdzielaczem proporcjonalnym). Trzecia droga od A do Y nie jest odpowiednia do ograniczania ciśnienia w kanale A.

B

B

sr-1

I

r

I L_

L A

r I

I

IY

bez zabezpieczenia maksymalnego i bez zaworu zwrotnego

ciśnienia

I L_

L A

z zabezpieczeniem ciśnienia maksymalnego, bez zaworu zwrotnego

bez zabezpieczenia maksymalnego z zaworem zwrotnym ciśnienia

z zabezpieczeniem maksymalnego, i z zaworem zwrotnym ciśnienia

Rys. 47 Symbole graficzne

823

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Proporcjonalny zawór ograniczający sterowaniem wstępnym, typ DRE 30

ciśnienie

ze

Nastawianie ciśnienia w kanale A dokonywane jest przez proporcjonalny elektromagnes w zależności od natężenia prądu.

W stanie spoczynkowym nie ma ciśnienia w kanale B, a zestaw suwaka głównego daje otwarty przepływ od kanału B do A. Ciśnienie w kanale A działa na dolną stronę suwaka głównego w kierunku zamykania, a ciśnienie zaworu wstępnego działa na stronę sprężyny suwaka głównego w kierunku otwierania przepływu od kanału B do A. Olej sterujący pobierany jest z kanału Bi przepływa przez otwór (6), regulator stałego natężenia przepływu (9), otwór (7), gniazdo (1 O) wokół grzybka (8) i dalej przez kanał

i otwiera równocześnie połączenie od kanału A do komory sprężyny suwaka głównego (4). W tym położeniu objętość sprężona w kanale A może zostać odciążona poprzez zawór wstępnego sterowania (1) i przyłącze Y. Ewentualnie można wbudować zawór zwrotny (11 ), co umożliwia uzyskanie swobodnego przepływu powrotnego od kanału A do B.

Y do zbiornika. W zależności od elektrycznej

wartości zadanej na proporcjonalnym elektromagnesie (2) kształtuje się na zaworze wstępnego sterowania (1) ciśnienie, które działa na stronę sprężyny suwaka głównego. W położeniu regulacyjnym suwaka głównego (4) olej przepływa od kanału B do A, wobec czego ciśnienie w kanale A (nastawienie zaworu sterowania wstępnego plus sprężyna suwaka głównego) nie zostaje przekroczone. Jeżeli odbiornik na przyłączu A nie wykonuje ruchu (np siłownik jest przy zderzaku) a proporcjonalnym elektromagnesem (2) nastawiono małe ciśnienie dla kanału A, to suwak główny (4) zamyka połączenie od kanału B do A

Rys. 48 Proporcjonalny zawór ograniczający ciśnienie ze sterowaniem wstępnym, typ DRE 30, elektroniczny układ sterowania

symbol graficzny

B

I

A

y

bez zabezpieczania ciśnienia

maksymalnego

B

z zabezpieczniem ciśnienia

maksymalnego

Rys. 49 Proporcjonalny zawór ograniczający ciśnienie ze sterowaniem wstępnym, typ DRE 30 I DREM 30

824

Zaworyproporctonalne, budowa i sterowanie

Proporcjonalne zawory

sterujące natężeniem

przepływu

Dwudrogowy proporcjonalny regulator przepływu z na wylocie zaworem kompensującym (wielk. nom. 6) przyłączonym

Dwudrogowy proporcjonalny regulator przepływu może regulować natężenie przepływu oleju według elektrycznej wartości zadanej i to w największym stopniu niezależnie od ciśnienia i temperatury. Najważniejszymi częściami regulatora są: kadłub (1 ), proporcjonalny elektromagnes z indukcyjnym czujnikiem położenia (2), zwężka pomiarowa (3), a także ewentualnie stosowany zawór zwrotny (5).

Płynny rozruch może odbywać się od wartości zadanej O % w górę. Nastawiane na wzmacniaczu dwa różne nachylenia przebiegu liniowego umożliwiają otwieranie i zamykanie zwężki pomiarowej z wybranym opóźnie­ niem. Zawór zwrotny (5) umożliwia swobodny przepływ powrotny od B do A.

Nastawienie natężenia przepływu wyznaczane jest przez elektryczny sygnał (wartość zadaną) wprowadzany za pomocą potencjometru. Wprowadzana wartość zadana powoduje wytworzenie odpowiedniego sygnału prądowego przez elektryczny układ sterowania (np wzmacniacz typu VT 501 O), i tym samym wywołuje odpowiedni skok elektromagnesu (o regulowanym skoku). Odpowiednio do tego następuje przesunięcie w dól zwężki pomiarowej (3) i otwarcie przekroju przepływo­ wego. Położenie tej zwężki jest mierzone przez indukcyjny czujnik położenia. Istniejąca odchyłka od wartości zadanej ulega skorygowaniu w procesie regulacji. Zawór kompensujący utrzymuje stalą wartość spadku ciśnienia na zwężce pomiarowej. Wskutek tego natężenie przepływu jest niezależne od obciążenia. Korzystny kształt zwężki skutecznie zmniejsza wpływ wywierany przez wahania temperatury. Gdy wartość zadana wynosi O %, wówczas zwężka jest zamknięta. Zamknięcie zwężki następuje również w razie zaniku sygnału prądowego lub przerwy w przewodzie elektrycznego czujnika położenia.

Rys. 50 Dwudrogowy proporcjonalny regulator przepływu,

typ 2 FRE 6, elektroniczny układ sterowania

Rys. 51 Proporcjonalny regulator przepływu typu2FRE6 825

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Rys. 52

Zewnętrzne

blokowanie zaworu kompensującego

wewnętrznym kompensającego

Odmiana z

blokowaniem zaworu

Układ sterowania oraz podstawowe działanie odpowiada opisanemu wyżej dwudrogowemu proporcjonalnemu regulatorowi natężenia przepływu. Dodatkowo jednak w celu ograniczenia skoku rozruchowego przy otwartej zwężce prmiarowej (3) (wartość zadana > O) przewidziano w tej odmianie blokadę zaworu kompensującego (4) poprzez przyłącze P (6) (rys. 52). Wewnętrzne połą­ czenie (7) pomiędzy przyłączem A i powierzchnią czynną zaworu kompensującego (4) jest zamknięte. Natomiast poprzez zewenętrzne przyłącze P (6) działa ciśnienie w P przed rozdzielaczem (8) (patrz przykład układu połą­ czeń); ciśnienie to działa na zawór kompensujący (4), utrzymując go w położeniu zamknięcia i przeciwdziałając sile sprężyny (9). Gdy rozdzielacz (8) zostaje przełą­ czony w położenie lewe (połączenie P--;;.. B), wówczas zawór kompensujący (4) przechodzi z położenia zam-

knięcia do położenia regulacji. W ten sposób się występowaniu skoku rozruchowego.

Przez stosowanie różnych zwężek pomiarowych można przy 1OO % wartości zadanej osiągać różne maksymalne natężenia przepływu. Wykres zamieszczony na rys. 53 przedstawia możliwe warianty natężenia przepływu. Przy odpowiednim ukształtowaniu przekroju zwężki można uzyskać zakres dokładnej regulacji, np do 2 I/min (rys. 54). Elektryczną wartość zadaną można dowolnie zmieniać od O do maksimum. Charakterystyka częstot­ liwościowa ilustruje szybkość działania zaworu (rys. 55) (Objaśnienie tego pojęcia zawarte jest w rozdziale F "Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami").

Regulacja natężenia przepływu (A > B)

Regulacja natężenia przepływu (A --7> B) 250

30

25 ::i

~ o. CD

!:::!

o.

20

I

I

15

I

·c:CD .:1;l

a>-

10

~ ~-

5

IV

/

/

16 o

J

V

20

40

Napięcie wartości

826

20

I

I

7 I

i

15

CD

100

.Q?

c

J

10

7 I

CD

·N a>-

I/

60

CTl

z

5

I

V

80

j

I

I

1--

60

I

o.

/

o

100

20

c-- J.....-"

40

od

napięcia

.........

60

Napięcie wartości

zadanej(%)

Zależność natężenia przepływu wartości zadanej

Rys. 53

I

N .....

V /V

V

~

.c o.

~ ~ ..... I_......./..... --- 30 _. ~ ~ - i....I V

I

::i

/V

/

o

I

I

20E

~

/V

V

I

c.E

I

I

CTl

z

25

/

J V

zapobiega

80 100 zadanej(%)

Zależność natężenia przepływu od napięcia zadanej dla regulatorów o progresywnej charakterystyce i skoku ruchu szybkiego

Rys. 54

wartości

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

o

-...........

EO - 1 ~

-€;' - 2 :i

:t:::

-

Ci

-

--...

'

!"'-...

"'

3

i'\ ~

~ ~

I\

E - 4 CC!

-~

Krzywa I amplituda wartości zadanej O- 1oo %

"f'. '\. I'

5

\

[\

\ \

Q)

~

-

"Ci) ·c:

-

ł

-

-

-10

->1

-11 0,1

6 7

\ \,I 11\ \

~ - 8

Ł.-

& Q)

~ -

~

-

-~ _gr

§

fil !:::!

a..

Krzywa li amplituda wartości zadanej 45 - 55 %

I\

9

0,5

o

20 - 40 - 60 - 80 -100 -120 140 -160

1

2

Częstotliwość

-- -

I

3 4 5 6 (Hz)

......

r--

,_

-

~r----.

8 10

~

15

20

i--._

~i--- ....

...............

--.......

l~I

li ~ t--- t--

0,1

0,5

+

Tablica dynamiki

1

2

Częstotliwość

Odpowiedź na funkcję skokową(%)

-~-

8 10

15

20

OmindoOmax

OmindOOmax

Tu+ Tg(ms)

Tu+ Tg(ms)

0-100

50 45

40

25- 75

= czas zwłoki

r-~

3 4 5 6 (Hz)

10- 90 Tu

--+-

60 50 45

Tg= czas wyrównania

Rys. 55 Charakterystyka częstotliwościowa

Dwudrogowy proporcjonalny regulator przepływu z przyłączonym na wlocie zaworem kompensjuącym (w. nom.10 i 16) Uzupełniająco przedstawiono niżej opis tej odmiany regulatorów. "Tylko" uzupełnienie wynika stąd, że czytelnikowi właściwie znane już są elektryczne przetwarzanie sygnałów oraz część hydrauliczna tego regulatora. Zmiana przekroju następuje w wyniku przemieszczania się rdzenia proporcjonalnego elektromagnesu o regulowanym skoku. Wskutek współdziałania zwężki dławiącej i zaworu kompensującego otrzymujemy regulację natężenia przepływu.

Rys. 56 Dwudrogowy proporcjonalny regulator przetyp 2 FRE 1O, elektroniczny układ sterowania

pływu,

827

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Dwudrogowy proporcjonalny zawór wbudowania)

dławiący

(do

Ten zestaw elementów przeznaczony do większych natężeń przepływu można stosować jako zawór dławiący lub w połączeniu z zaworem kompensującym do regulacji natężenia przepływu. Zawory te stosuje się np w układach sterowania prasami lub maszynami do przetwarzania tworzyw sztucznych. Mimo dużej przepustowości zawór ten wyróżnia się wysoką dynamiką i dzięki temu małym czasem przełączania. Dwudrogowy zawór dławiący jest zwężką, której skok otwarcia zadawany jest poprzez elektryczną wartość zadaną.

Zawór dławiący dostarczany jest jako element całkowicie gotowy do wbudowania, a jego wymiary montażowe odpowiadają normie DIN 24342. Do pokrywy (1) wkręcona jest tuleja (2) tłoczkiem dławiącym (3), a także czujnik położenia (4) i zawór wstępny (5) z proporcjonalnym elektromagnesem (6). Przepływ dobywa się w kierunku A do B. Przyłącze oleju sterującego X należy połączyć z przyłączem A. Wypływ oleju sterującego Y należy połączyć z przyłączem A. Wypływ oleju sterującego Y należy możliwie bezciśnie­ niowa doprowadzić do zbiornika.

Rys. 57 Dwudrogowy proporcjonalny zawór typ FE„C, elektroniczny układ sterowania

dławiący,

Przy wartości zadanej O (elektromagnes proporcjonalny 6 jest w stanie bezprądowym) ciśnienie w przyłączu A poprzez przewód sterujący X i suwak (1 O) działa wspólnie ze sprężyną w komorze (8). Tłoczek dławiący (3) jest przytrzymywany. Po wprowadzeniu wartości zadanej następuje we wzmacniaczu (7) porównanie wartości zadanej (sygnał zewnętrzny) z wartością rzeczywistą (sprzężenie zwrotne sygnału czujnika położenia). Odpowiednio do występującej różnicy następuje wysterowanie proporcjonalnego elektromagnesu (6) sygnałem prądowym. Elektromagnes przesuwa suwak (1 O) pokonując siłę (11 ). Wskutek współdziałania miejsc dławienia (13) i (14) ustala się w komorze (8) sprężyny takie ciśnie­ nie, że tłoczek dławiący (3) zajmuje położenie odpowiadające wprowadzonej wartości zadanej i tym samym wyznacza natężenie przepływu.

o

20

40

60

80

100

sprężyny

Rys. 58 Progresywna charakterystyka

natężenia

prze-

pływu

Przy zaniku zasilania elektrycznego lub w razie przerwy w przewodzie elektrycznym następuje samoczynne zamknięcie tłoczka dławiącego (układ zabezpieczający). Składniki układu regulacji położenia są w taki sposób wzajemnie dopasowane, że wartość zadana i skok tłoczka dławiącego (3) są wzajemnie bezpośrednio proporcjonalne. W konsekwencji tego natężenie przepływu od A do B jest dla stałych różnic ciśnienia na zwężce zależne tylko od przemieszczenia tłoczka dławiącego i geo-

metrii okienka (9). Dla układu o liniowej funkcji otwarcia (FE„C10/L) obowiązuje procporcjonalność prosta między wartością i natężeniem przepływu. Kwadratowa funkcja otwarcia (wykonanie FE..C1 O/Q) oznacza zwiększanie się natężenia przepływu w zależności kwadratowej do wzrostu wartości zadanej. Powyższy stan rzeczy objaśniają dwie charakterystyki zamieszczone na rys. 58 i 59.

Rys. 59 Liniowa charakterystyka 828

natężenia przepływu

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Wartość zadana


:x I

3

I

I

I I

_ _ _ _ _J

Rys. 60 Dwudrogowy proporcjonalny zawór dławiący (do wbudowania), typ FE„C

829

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Montaż, uruchamianie i obsługa techniczna proporcjonalnych hydraulicznych elementów sterujących

1. Uwagi ogólne W celu zapewniania nienagannego działania zaworów proporcjonalnych należy przestrzegać również wskazówek zawartych w: - kartach katalogowych; - wytycznych VOi dotyczących uruchamiania oraz obsługi technicznej układów i urządzeń hydraulicznych, VOi 3027

2.

Montaż

2.1 Zasady montażu Przed wmontowaniem zaworu należy porównać jego oznaczenie typu z danymi zawartymi w zamówieniu. 1. Czystość - podczas montażu zapewnić czystość otoczenia i zaworów proporcjonalnych; - zbiornik należy uszczelnić przed przedostawaniem się zenieczyszczeń zewnętrznych;

- Przewody rurowe i zbiornik należy przed ich wmontowaniem oczyścić z zanieczyszczeń, zgorzeliny, piasku, wiórów itd; - rury wyginane na gorąco lub spawane należy następ­ nie wytrawić, przemyć i naoleić; - do oczyszczania stosować jedynie tkaniny nie pozostawiające włókien i specjalny papier 2. Niedopuszczalne jest stosowanie takich materiałów uszczelniających jak: konopie, kit lub taśma uszczelniająca.

3. W celu zapewnienia dużej sztywności układu należy unikać stosowania przewodów giętkich w połączeniach między zaworem i odbiornikiem. 4. Jako przewody rurowe stosować precyzyjne stalowe rury bez szwu według DIN 2391/C. 5. Przewody połączeniowe między zaworem i odbiornikiem powinny być możliwie jak najkrótsze; zalecamy instalowanie zaworu proporcjonalnego blisko odbiornika. Powierzchnia zamocowania powinna mieć jakość powierzchni obrobionej o chropowatości R2 max ~ 4 µm i odchyłkę płaskości ~ 0,01 mm na długości 1OO mm. 6. Śruby mocujące powinny mieć wymiary zgodne z podanymi z kartach katalogowych. Śruby należy dokręcać podanym momentem obrotowym. 7. Jako filtr wlewowy i odpowietrzający zalecany jest przez nas filtr powietrza z kąpielą olejową. Wielkość oczka~ 60 µm.

830

2.2 Położenie zabudowy Dowolne, przeważnie poziome; w razie instalowania zaworu proporcjonalnego na odbiorniku należy jednak unikać równoległości położenia suwaka zaworu z kierunkiem przyspieszania odbiornika. 2.3 Przyłączenie do sieci elektrycznej Sposób przyłączenia do sieci elektrycznej przedstawiono we właściwej karcie katalogowej. Specjalne rodzaje ochrony wymagają podjęcia szczególnych środków, które opisane są we właściwych kartach katalogowych.

3. Uruchamianie 3.1 Ciecz robocza Przestrzegać zaleceń

zawartych w kartach katalogo-

wych! Przestrzegać zakresów ciśnienia i temperatury! Jako ciecz roboczą na ogół można stosować: - olej mineralny H-LP według DIN 51525 - roztwory poligklikolu w wodzie - ester kwasu fosforowego O innych cieczach roboczych informujemy na zapytanie. Dbałość o zachowanie właściwości cieczy roboczej wymaga nie przekraczania maksymalnej temperatury zalecanej przez producenta cieczy roboczej. W celu zapewnienia niezmiennych warunków rozruchu układu zaleca się utrzymywanie stałej temperatury oleju(± 5 °C).

3.2 Czy zastosowano

właściwy materiał

uszczelnia-

jący?

Do trudnozapalnych cieczy roboczych typu HFD oraz dla temperatury> 90 °C należy stowować typ uszczelnienia oznaczony literą "V". 3.3 Filtrowanie Ze względu na

dłuższą trwałość należy

do sterowania na dopływie filtrowanie o absolutnej dokładności 1O µm. Można też stosować dokładność filtrowania podaną w kartach katalogowych. wstępnego stosować

- Dopuszczalna różnica ciśnień na filtrach ciśnienio­ wych powinna być większa niż ciśnienie robocze. - Zalecamy stosowanie filtrów z wskaźnikiem zanieczyszczenia przegrody filtrującej. - Podczas wymiany filtru należy zwrócić uwagę na zachowanie skrupulatnej czystości. Zanieczyszczenia ze strony wylotowej filtru sę wpłukiwane do układu i powodują uszkodzenia. Zenieczyszczenia po stronie wlotu skracają trwałość przegrody filtrującej.

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

robocze dla zaworu wstępnego obwodu sterowania wstępnego nie powinno być mniejsze niż 30 bar. Jeżeli ciśnienie w obwodzie sterowania wstępnego przekracza 1OO bar, to w kanale dopływowym płyty pośredniej należy zainstalować zawór redukcyjny. Stosując zawór zwrotny można uniknąć uderzeń ciśnie­ nia z przewodu idącego od zbiornika. 3.4

Ciśnienie

Ciśnienie

3.5 Odpowietrzanie elektromagnesu W celu zapewnienia nienagannego działania należy przy uruchamianiu układu odpowietrzyć elektromagnes w najwyższym punkcie zaworu. Przy odpowiednich warunkach montażowych można zapobiec pracy "na pusto" przewodu łączącego ze zbiornikiem przez wmontowanie zaworu stwarzającego nadciśnienie. 4.

Obsługa

techniczna

4.1 Zwrot zaworu do naprawy Przed wysłaniem uszkodzonego zaworu należy zabezpieczyć powierzchnię podstawy zaworu przed zanieczyszczeniem. Wskazane jest staranne zapakowanie zaworu, aby nie doszło do dalszych uszkodzeń podczas transportu. 5. Przechowywanie Wymagania dotyczące pomieszczenia składowego: - pomieszczenie powinno być suche, wolne od pyłu, materiałów żrących i par. W razie przechowywania zaworów przez okres dłuższy niż 3 miesiące należy: - kadłub napełnić olejem konserwującym i zamknąć.

831

Zawory proporcjonalne, budowa i sterowanie

Notatki

832

Rozdział

C

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące Dieter Kretz

Kompensacja obciążenia i zawory

Zawory kompensujące

kompensujące

ciśnienie

Wszystkie przedstawione dotąd proporcjonalne zawory rozdzielcze są zaworami dławiącymi, w których wraz ze zmianą stosunku ciśnień zmienia się również natężenie przepływu. Gdy wzrasta ciśnienie określone przez obciążenie odbiornika, wówczas maleje natężenie przepływu, a gdy maleje ciśnienie od obciążenia, wtedy natężenie przepływu wzrasta. Stosowanie zaworów dławiących jest więc racjonalne jedynie wówczas, gdy nie ma wahań obciążenia lub gdy wahania te są niewielkie. Typową charakterystykę dławieniową

przedstawiono na widoczna jest zmiana natężenia przepływu w zależności od spadku ciśnienia na zaworze. Spadek ten przy stałym ciśnieniu na wylocie pompy istałym ciśnieniu w zbiorniku, zależy bezpośrednio od ciśnie­ nia określonego przez obciążenie. rys. 1.

Wyraźnie

Pv

= Ps -

lią -

PT

gdzie

= spadek ciśnienia na zaworze = ciśnienie w układzie = con st = ciśnienie w zbiorniku = const = ciśnienie od obciążenia = zmienne

Pv Ps PT lią Stosując

odpowiednie elementy sterujące i urządzenia należy skompensować opisane wpływy wywierane przez obciążenie.

Natęże~przepływu Q,

I/min

5

1 1

3 11--~-t-~-ł-~--1~~+--~-+-~-l-~--l-J<'--~ll<'--l--Jl''-I

~+,.,,,e:...-1 2 """"--t:::.."""""'-1

o

1o

20

30

40

50

Wartość

Nominalne natężenie rozdzielaczu 1O bar

przepływu

60

70

80

1

90 1oo

zadana

64 I/min przy spadku ciśnienia w

1 lipv = 1O bar const

Rys. 1 Charakterystyka dławieniowa rozdzielacza proporcjonalnego

2 lipv

=

20 bar const

3 lipv

=

30 bar const

4 lipv

=

50 bar const

5 lipv = 1OO bar const

a ps

pr

=

ps - pr

c1

Kompensacja

obciążenia

kompensujące

i zawory

Kompensacja obciążenia z zastosowaniem na zasilaniu dwudrogowego zaworu kompensującego ciśnienie

Przez zastosowanie na zasilaniu dwudrogowego zaworu uzyskuje się stałą wartość spadku ciśnienia na wlotowej krawędzi dławiącej rozdzielacza proporcjonalnego.

Zawór przełączający

kompensującego ciśnienie

W ten sposób następuje kompensowanie wahań ciśnie­ nia od obciążenia i zmian ciśnienia na wylocie pompy. Ale to znaczy też, że nie można już zwiększać natężenia przepływu przez podwyższenie ciśnienia na wylocie pompy. Należy więc wybierać rozdzielacz o nominalnym natężeniu przepływu odpowiadającym z reguły 11.p zaworu kompensującego ciśnienie.

Rozdzielacz proporcjonalny

llp con st

Działanie umieszczanego na zasilaniu dwudrogowego zaworu kompensującego ciśnienie

Ten dwudrogowy zawór kompensujący ciśnienie ma zwężkę nastawną A 1 i zwężkę pomiarową A2, połączone kolejno jedna za drugą. Dla położenia równowagi suwaka należy dowieść, że spadek ciśnienia 11.p = p 1 - p2 na zwężce pomiarowej pozostaje stały przy zmieniającym się ciśnieniu odbiornika. Dla położenia równowagi bez uwzględnienia siły hydrodynamicznej obowiązuje P1 . AK skąd

= P2 . AK + FF

wynika

11.p = P1 - P2

= FF I AK =

constans

ma miękką sprężynę, a skok regulacyjny jest krótki, wobec czego zmiana siły sprężyny jest mała, a spadek ciśnie­ nia w przybliżeniu stały. Suwak regulacyjny może zmienić przekrój poprzeczny zwężki regulacyjnej A 1 dopiero wówczas, gdy pokonana zostanie siła wywierana przez sprężynę. Działanie regulacji

Zawór

kompensujący

natężenia przepływu występuje więc

dopiero wtedy, gdy zewnętrzna róż­ nica ciśnień PP - p 2 jest większa niż FF I AK I reguła 11.p/. Jeżeli

wraz z większym natężeniem wzrasta też opór hydrau·· liczny, to musi wtedy wzrastać również zewnętrzna różnica ciśnień aby osiągnąć działanie regulacji naprzepływu

tężenia przepływu.

Rys. 3 Schemat szkicowy dwudrogowego zaworu kompensującego, umieszczonego na zasilaniu

C2

Rys. 2

Przykład układu połączeń

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Dwudrogowy zawór kompensujący, umieszczany na zasilaniu w kanale P, typ ZDC (wykonanie w postaci płyty pośredniej)

Zawory typu ZDC są bezpośrednio działającymi zaworami dwu lub trojdrogowymi, wmontowanymi do płyty pośredniej.

Służą one do kompensacji ciśnienia odbiornika jako zawór kompensujący ciśnienie, umieszczony na zasilaniu w kanale P.

Zawór ten składa się przede wszystkim z kadłuba (1 ), suwaka (2), sprężyny (3) z talerzykiem (4) oraz pokrywy (5) z wbudowanym zaworem przełączającym (6). Sprężyna (3) utrzymuje suwak (2) w położeniu otwarcia od P do P1, gdy różnica ciśnień P1 --7 A lub P1 --7 B jest mniejsza niż 10 bar. Gdy różnica ciśnień przekracza 1O bar, wówczas suwak przesuwany jest na lewo aż do ponownego utworzenia się własciwej różnicy ciśnień. Sygnał i olej sterujący dochodzi wewnątrz poprzez przewód sterujący (7) z kanału P1. Olej sterujący (kanał X), potrzebny dla proporcjonalnego rozdzielacza (4 WRZ) ze sterowaniem wstępnym, można ewentualnie pobierać wewnętrznie z kanału P.

Trójdrogowy zawór kompensujący różni się tylko pod względem wykonania suwaka. Dwudrogowe i trójdrogowe zawory kompensujące są wykonywane w wielkościach nominalnych 1O, 16 i 25.

X

T

A

P1 B

y

X

T

A

p

y

B

Rys. 4 Dwudrogowy zawór kompensujący, umieszczony w kanale P, typ ZDC

C3

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Zwykłe rozdzielacze proporcjonalne bez zaworu kompensującego umożliwiają osiągnięcie zdolności rozdzielczej natężenia przepływu 1 : 20 dla rozdzialaczy ze sprężynowym sprzężeniem zwrotnym lub 1 : 1OO dla rozdzielaczy z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym. Natomiast stosując zawór kompensuący można jeszcze znacznie rozszerzyć zakres zdolności rozdzielczej. Na rys. 5 zamieszczono wykres przedstawiający zdolność rozdzielczą natężenia przepływu, właściwą dla typo-

wego rozdzielacza proporcjonalnego z zaworem kompensującym. W przedstawionym przypadku osiągnięto zdolność rozdzielczą natężenia przepływu wynoszącą 1 : 300 przy dobrej współzależności ciśnienia i natężenia przepływu w całym zakresie.

150

o/-..

t

„

100

c.E

~~

--

1,0

::::.-

o

::i

0,8

$:

.c Cl.

I

Q)

N .....

o. 0,6

f

Q)

·c:Q)

'·.,

0,4

-

-N

(1)-

ctl

z

..._

...

0,2

o

100

50

200

150

Różnica ciśnień

Rys. 5 Zdolność rozdzielcza natężenia przepływu osiągana przez rozdzie-

lacz proporcjonalny z umieszczonym na zasilaniu zaworem kompen-

Ps - PL (bar)

sującym

zwiększającym się natężeniem przepływu musi zwiększać się również zewnętrzna różnica ciśnień (Ps ą), aby tym samym umożliwić regulację natężenia przepływu, tzn. umożliwić osiągnięcie niezależności natężenia przepływu od L1p. Zależność tej zewnętrznej różnicy ciśnień od natężenia przepływu przedstawia rys. 6.

Wraz ze

Początek

..... ctl

ec

Do pracy np z Q = 1OO I/min przy od obciążenia p = 120 bar wymagzne byłoby ciśnienie na wylocie pompy Pp = Pobc + Pmin = 120 bar + 22 bar= 142 bar ciśnieniu

regulacji

50 ·N

·lr .o

40

E cf

QI

•C:

.!E

,53

'(3

i'l: ~

li

·N

~E

•O

a:

22

cf 20

-~ c:

30

c

...._

10 Zakres dławienia

o

20

40

60

80

100

Natężenie przepływu,

C4

120 I/min

140

160 Rys. 6 Charakterystyka Pmin - O

Kompensacja

Rys. 7 Rozdzielacz proporcjonalny 4 WRZ ze wstępnym sterowaniem i z umieszczonym na zasilaniu zaworem kompensującym ZDC - wewnętrzne zasilanie olejem sterującym - wykonanie w postaci płyty pośredniej

obciążenia

i zawory

kompensujące

Rys. 8a Rozdzielacz proporcjonalny 4 WRE ze sterowaniem bezpośrednim i z umieszczonym na zasilaniu zaworem kompensującym - zewnętrzne zasilanie olejem sterującym - wykonanie w postaci płyty przyłączeniowej

Zastosowanie umieszczonego w płycie pośredniej zaworu kompensującego z wstępnie sterowanym rozdzielaczem proporcjonalnym wymaga zasadniczo użycia rozdzielacza proporcjonalnego w wykonaniu "z zewnętrznym zasilaniem olejem sterującym". Natomiast można w tym układzie stosować odmianę zaworu kompensującego ciśnienie bądź z wewnętrznym bądź też z zewnętrznym zasilaniem olejem sterującym. Do przyłącza X nie powinien dostawać się olej, ponieważ w bezpośrednio sterowanych rozdzielaczach proporcjonalnych w tym miejscu nie ma żadnego uszczelnienia.

Rys. 8b Rozdzielacz proporcjonalny 4 WRZ ze sterowaniem wstępnym i z umieszczonym na zasilanin zaworem kompensującym - zewnętrzne zasilanie olejem sterującym wykonanie w postaci płyty przyłączeniowej

es

Kompensacja

obciążenia

i zawory

kompensujące

Kompensacja obciążenia z zastosowaniem na zasilaniu trójdrogowego zaworu kompensującego

L__

Dotychczas rozpatrzono umieszczane na zasilaniu dwudrogowe zawory kompensujące, znajdujące zastosowanie przede wszystkim w układach stacjonarnych. Trójdrogowe zawory kompensujące (rys. 1O), mimo lepszej sprawności są jednak rzadziej stosowane. W niektórych przypadkach można z umieszczonego na zasilaniu dwudrogowego zaworu kompensującego utworzyć w prosty sposób trójdrogowy zawór przez wymianę suwaka. Sygnał od obciążenia otrzymuje się jak w dwudrogowym zaworze kompensującym. Zdolność rozdzielcza oraz współzależność ciśnienia i natężenia przepływu są takie same jak w dwudrogowym zaworze kompensującym. Zawory te stosuje się z pompami o stałej

A

B

wydajności.

Działanie trójdrogowego zaworu umieszczonego na zasilaniu

kompensującego,

W umieszczanym na zasilaniu trójdrogowym zaworze kompensującym występuje równoległe połączenie zwężki pomiarowej A2 o stałym nastawieniu i zwężki A 1

o przekroju porprzecznym regulowanym przez zawór kompensujący.

Regulowana zwężka A 1 otwiera przekrój Dla położenia równowagi suwaka regulacyjnego, bez uwzględnienia sił tarcia i sił hydrodynamicznych, obowiązuje

P1 . AK

= P2 · AK + FF

lip

= P1 - P2 =FF! AK= const

A więc znów utrzymywana jest stała wartość spadku ciśnienia na zwężce pomiarowej i tym samym osiąga się niezależne od ciśnienia natężenie przepływu O.

W układzie z dwudrogowym zaworem kompesującym pompa musi stale wytwarzać maksymalne ciśnie­ nie odpowiadające zaworowi ograniczającemu ciśnienie. Natomiast ciśnienie robocze przy zastosowaniu trójdrogowego zaworu kompensującego jest większe od ciśnienia odbiornika jedynie o wartość spadku ciśnienia lip na zwężce pomiarowej. Dzięki temu strata mocy jest mniejsza. Jeżeli w rozdzielaczu proporcjonalnym zostanie zastosowany suwak W (A i B w położeniu środko­ wym połączone ze zbiornikiem), to następuje obieg cieczy roboczej od pompy do zbiornika z podtrzymaniem ciśnienia w wysokości !ip.

Rys. 1O Szkic ideowy

C6

wypływu.

Rys. 9

Przykład układu połączeń

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Uwagi praktyczne dotyczące stosowania zaworów kompensujących, umieszczanych na zasilaniu Umieszczane na zasilaniu zawory kompensujące mają jak wiadomo tę wadę, że nie działają prawidłowo w fazie opóźniania, zwłaszcza zaś, gdy ciśnienie opóźniania jest wyższe od zadawanego przez sprężynę spadku ciśnie­ nia dla krawędzi sterującej po stronie zasilania. Jeżeli układ jest wyposażony w zawór przełączający, to w czasie trwania fazy opóźniania nie jest już sygnalizowane występujące po stronie zasilania ciśnienie (A), lecz występujące po stronie wylotu ciśnienie (B), które w danej chwili jest większe, co powoduje otwarcie zaworu kompensującego. Wskutek tego zwiększa się natężenie przepływu przez rozdzielacz proporcjonalny. Napęd chciałby przyspieszać. Przeciwdziała temu ruch zamykania zaworu proporcjonalnego. Po stronie zasilania następuje skuteczne zapobieżenie kawitacji. Przez zwykłe dławienie (a nie regulację natężenia przepływu) następuje opóźnianie aż do zatrzymania napędu.

W układach bez zaworu przełączającego może w napę­ dzie występować kawitacja wskutek utrzymywania stałej wartości spadku ciśnienia po stronie zasilania. Kawitacja ta, zwłaszcza w silnikach hydraulicznych, może doprowadzić do znacznych szkód. Wmontowanie elementu podtrzymującego ciśnienie, jak zawór hamujący (rys. 13) lub zawór ciśnieniowy (rys. 12) umożliwia regulowane hamowanie napędu. Jeżeli nie ma żadnego z tych dwóch elementów podtrzymujących ciśnienie, to stosowanie umieszczanego na zasilaniu zaworu kompensującego należy ograniczyć do napędów o jednoznacznie dodatnim kierunku

Rys. 12 Zawór ciśnieniowy jako element podtrzymania ciśnienia

:i....

obciążenia.

t

i ,---

FD .. ./B OO

Omaleje

Owzrasta

1

I

I Ia

A

B

~~;;piiiijiiii

I I

L__ T

Rys. 11 Zawór kompensujący, umieszczony na zasilaniu

Rys. 13 Zawór hamujący jako element podtrzymania ciśnienia

C7

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Zawór humujący typ FO (zawór odcinający i regulator przepływu) Zawór hamujący składa się zasadniczo z kadłuba (1 ), grzybka głównego (2), tłoczka pomocniczego (3), tłoczka sterującego (4), tłoczka ciągnącego (5) i tłumika sterowania (6).

Po osiągnięciu ciśnienia sterującego na przyłączu X (1 / 20 ciśnienia od obciążenia) następuje wstępne otwarcie grzybka głównego; kulka w grzybku głównym zostaje przez tłoczek sterujący (4) uniesiona od gniazda.

Regulator spełnia zadania: - sterowanego zaworu odcinającego, bez przecieków; - regulatora natężenia przepływu; reguluje on natężenie przepływu 02 oleju wypływającego, odpowiednio do natężenia przepływu 01 oleju doprowadzanego do przeciwnej strony odbiornika. W odniesieniu do siłowników należy przy tym uwzględnić stosunek powierzchni (02 = 01 · cp); - zaworu bocznikowego, ponieważ w przeciwnym kierunku przepływ jest wolny; - zaworu ograniczającego ciśnienie w obwodzie wtórnym przez dotatkowe wmontowanie (taka możliwość istnieje tylko w wykonaniu kołnierzowym).

Wskutek tego komora (8) zostaje poprzez otwory w tło­ czku pomocniczym (3) odciążona przez stronę A do zbiornika.

Podnoszenie ładunku Przy otwartym przepływie od A do B następuje otwarcie grzybka głównego (2). W razie spadku ciśnienia (np. pęknięcie rury między rozdzielaczem i przyłączem A) grzybek główny (2) niezwłocznie zamknie przepływ. Takie działanie osiąga się przez połączenie strony obciążenia (7) z komorą (8). Opuszczenie ładunku (patrz rys. 14) Przepływ odbywa się teraz od B do A. Przyłącze A odcinającego regulatora natężenia przepływu jest poprzez rozdzielacz połączone ze zbiornikiem. Strona tłoka w siłowniku zostaje zasilona takim natężeniem przepływu, które odpowiada warunkom roboczym.

Stosunek ciśnienia sterującego na przyłączu X do ciśnie­ nia od obciążenia na przyłączu B = 1 : 20.

Równocześnie wskutek ruchu wzdłużnego tłoczka pomocniczego (3) w grzybku głównym ustaje zasilanie komory (8) ciśnieniem od obciążenia zewnętrznego z komory B. Wskutek tego następuje odciążenie grzybka głównego (2). Tłoczek sterujący (4) przybiera następu­ jące położenie: powierzchnia czołowa przylega do grzybka głównego (2) a jego kołnierz przylega do tłoczka ciągnącego (5). Ciśnienie, potrzebne do otwarcia przepływu od B do A, zależy teraz jeszcze tylko od działania sprężyny w komorze (9). Wartość początkowa ciśnienia otwarcia połą­ czenia od B do A wynosi 20 bar; do całkowitego otwarcia wymagane jest ciśnienie bar.

5q

Współzależność między ciśnieniem sterującym, powierzchnią przekroju otwarcia i L1p połączenia od B do A wyznacza natężenie przepływu oleju wypływającego w bezpośredniej zależności od natężenia przepływu oleju

doprowadzanego do odbiornika. W ten sposób wykluczona zostaje możliwość niekontrolowanego wyprzedzania odbiornika. Zastosowanie dławiącego zaworu zwrotnego w przewodzie X, powinno - przez działanie po stronie wylotowej - umożliwić wywieranie wpływu na charak1erystykę otwierania i zamykania zaworu hamującego.

X

i

5 Rys. 14

CS

Odcinający regulator natężenia przepływu

®

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

Uzupełnienia układu

1. Ograniczenie ciśnienia maksymalnego komora sprężyny według rys. 15 zostanie zabezpieczona przez zawór organiczający ciśnienie, to w ten sposób można uzyskać ograniczenie ciśnienia maksymalnego.

Jeżeli

L__

----

~(

2. Nastawialny i1p Spadek ciśnienia dla przyłączonego dławika jest, jak to już zostało opisane, wyznaczany przede wszystkim przez wstępne napięcie wbudowanej sprężyny. Jeżeli sygnał od obciążenia będzie zgodnie z rys. 16 doprowadzony poprzez zawór ograniczający ciśnienie, to różnica ciśnień na krawędziach sterujących będzie mogła być zmieniana bezstopniowo.

I I I

p

r-

I I

T T

P1

I I

I

r----1

J

L

r--• I

L

p

r

T

Rys. 15 Umieszczony na zasilaniu zawór kompensujący z ograniczeniem ciśnienia maksymalnego

,rI L

B

A

•

J

I I

B

L..

L_

--Ap= const

_J

__J

Ap = zmienny

Rys. 16 Nastawianie Ap przez zawór organiczający ciśnienie

C9

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Kompensacja obciążenia przez umieszczane na odpływie zawory W układach ze zmianą kierunku obciążenia można tylko z pewnymi ograniczeniami stosować umieszczane na zasilaniu zawory kompensujące. W takich sytuacjach sięga się często do umieszczanych na odpływie zaworów kompensujących ciśnienie. W zależności od przypadku zastosowania można taki zawór umieścić tylko w jednym albo w każdym z dwóch przyłączy odbiornika. Taki zawór kompensujący znajduje się zawsze w przewodzie odpływowym między odbiornikiem i zaworem, utrzymując stałą wartość spadku ciśnienia między A do B i zbiornikiem. Dla wielkości nominalnych 16, 25 i 32 istnieją umieszczane w przewodzie odpływowym zawory kompensujące wykonane jako grzybkowe, zamiast powszechnie stosowanych suwakowych. Opisane tutaj zawory kompensu-

c

10

kompensujące

jące zamykają przepływ w sposób bezprzeciekowy i spełniają w ten sposób również funkcje odciążanego zaworu zwrotnego, który w innym układzie byłby niezbędny dla obciążeń pionowych. Poza tym można zrezygnować z obejściowego zaworu zwrotnego. Przy przepływie w

przeciwnym kierunku grzybki zaworowe po prostu unoszą się i dopuszczają przepływ w obydwu kierunkach.

Rys. 17 Przykład układu połączeń grzybkowego zaworu kompensującego, umieszczonego w przewodzie odpły­ wowym

Kompensacja

Odcinający

zawór

kompensujący

obciążenia

i zawory

kompensujące

umieszczany

na odpływie Zawór składa się z następujących głównych części: kad(1 ), wkłady zaworowe (2.1) i (2.2) oraz zawór ograniczający ciśnienie (3).

łub

Kierunek i natężenie przepływu oleju nastawia się potencjometrem wartości zadanej rozdzielacza proporcjonalnego. Jeżeli,

na przykład, pompa zostaje przyłączona do wlotu A, to ciecz robocza płynie poprzez wkład zaworowy (2.1) do odbiornika. Wkład zaworowy (2.1) działa przy tym jak zawór zwrotny. Równocześnie ze strumienia cieczy roboczej tłoczonej przez pompę zostaje poprzez tłoczek (4.1) skierowany strumień oleju sterującego do komory (5). Tłoczek sterujący (4.1) działa jako regulator natęże­ nia przepływu z kompensacją od obciążenia. Ten strumień oleju sterującego wytwarza ciśnienie przed zaworem ograniczającym ciśnienie (3), które poprzez dysze (6) i (7) działa od strony B na tłoczek sterujący (4.2).

Dodatkowo spływ z zaworu ograniczającego ciśnienie jest połączony z kanałem T. Tłoczek sterujący (4.2) otwiera grzybek odciążający (8) pokonując ciśnienie od obciążenia (maks. 315 bar), występujące w komorze sprężyny (9). Grzybek odciążająca (8) zamyka przy tym połączenie do ciśnienia od obciążenia. Wskutek zmniejszenia się ciśnienia przy grzybku odciążającym (8) ustala się w komorze sprężyny (9) ciśnienie występujące przed rozdzielaczem proporcjonalnym w kanale B. Ciś­ nienie to działa zarówno na stronę pierścieniową, jak i na stronę czołową tłoczka sterującego (4.2). W ten sposób utrzymuje się stała wartość spadku ciśnie­ nia od B do T poprzez rozdzielacz proporcjonalny. Ten spadek ciśnienia jest regulowany przez krawędź sterującą (1 O) i stanowi różnicę ciśnienia w komorze (11) minus siła sprężyny (12). Siła sprężyny (13) jest nieznaczna. Jeżeli rozdzielacz proporcjonalny przełączy pompę na wlot B, to wkład zaworowy (2.1) w A działa jak opisano wyżej.

@

@ I

A1

I

I

I: ~

I I

Szczegół

Rys. 18 Przekrój odcinającego grzybkowego zaworu kompensującego, umieszczonego na odpływie

c 11

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

Uwaga W razie zastosowania umieszczanego na odpływie odcinającego zaworu kompensującego w układzie sterują­ cym siłownikami o różnym stosunku powierzchni, zachodzi niebezpieczeństwo transformacji ciśnienia po stronie tłoczyska siłownika (porównaj opis regulatora natężenia przepływu umieszczonego na odpływie). W celu uniknięcia ewentualności takiej transformacji ciś­ nienia zaleca się stosowanie opisanego wyżej umieszczanego na zasilaniu zaworu kompensującego wraz z zaworem hamującym.

Obcią­ żenie

Rys. 19 Umieszczony na zasilaniu zawór kompensujący wraz z zaworem hamującym

c 12

Kompensacja obciążenia i :zawory kompensujące

Granice zastosowania i możliwe

układy połączeń

Jakie układy sterowania można realizować :z zastosowaniem umieszczanego w przewodzie odpływo­ wym odcinającego :zaworu kompensującego? Można realizować wszelkie układy sterowania hydraulicznych silników, siłowników z tłoczyskiem dwustronnym, a także jednostronnym, o ile tylko dopuszczalne jest zaakceptowanie po stronie tłoczyska transformacji ciśnienia, wiążącego się z umieszczeniem na odpływie odcinającego zaworu kompensującego. Jakich układów sterowania nie można realizować :z umieszczanym w przewodzie odpływowym odcinającym :zaworem kompensującym? Gdy zachodzi konieczność wykluczenia transformacji ciśnienia po stronie tłoczyska, wówczas należy stosować umieszczany na zasilaniu zawór kompensujący. Odcinający regulator natężenia przepływu działa po stronie B jak zawór hamujący (patrz rys. 19). Układu różnicowego (rys. 20) nie można realizować z odcinającym zaworem kompensującym umieszczanym na przewodzie odpływowym. Do tego celu nieodzowne jest zastosowanie zaworu kompensującego umieszczanego na zasilaniu.

Rys. 20

Maksymalne ciśnienie hamowania przy wysuwaniu tłoka siłownika odpowiada ciśnieniu na wylocie pompy i z reguły jest wystarczające. W układzie sterowania siłownikiem nurnikowym (rys. 21) niezbędne jest dla ruchu w górę zastosowanie umieszczanego na zasilaniu zaworu kompensującego (czerwone pole), natomiast dla ruchu w dół niezbędny jest odcinający zawór kompensujący (zielone pole), umieszczany na przewodzie odpływowym.

Rys.21

C13

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

Dla

dużych natężeń przepływu można realizować

pensację obciążenia z zastosowaniem

komwbudowywanego

duwudrogowego zaworu o działaniu redukującym ciśnie­ nie (DR) lub ograniczającym ciśnienie (DB).

Dwudrogowy zawór

kompensujący

z

redukcją

ciśnienia

Dwudrogowy wbudowywany zawór o działaniu redukują­ cym ciśnienie należy zawsze umieszczać w kierunku przepływu przed miejscem dławienia, aby uzyskać stały spadek ciśnienia na dławiku. Krawędzie sterujące dwudrogowych zaworów wbudowywanych zostają zmodyfikowane w celu zastosowania ich jako elementów kompensacji obciążenia.

W niektórych przypadkach zastosowania okazuje się korzystne, gdy zawór ten może otwierać się bez tłumie­ nia i zamykać w sposób kontrolowany przez dyszę. Z tego względu istnieje też odmiana wykonania pokrywy z dławiącym zaworem zwrotnym w przewodzie sterującym.

W celu uzyskania wystarczającego tłumienia dwudrogowego zaworu wbudowywanego stosuje się powszechnie umieszczaną w pokrywie dyszę, której przekrój dostosowany jest do odpowiedniej średnicy nominalnej.

~---

~-----

I I

B

I I I I I I

A

I I

L.Y_ A

l

-.

I

.J

Rys. 22 Wbudowywany dwudrogowy zawór do kompensacji obciążenia C14

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

Wytyczne projektowania Przykłady układów połączeń

Rys. 24 Dwudrogowyzawór kompensujący, umieszczany na odpływie, /Jp = 8bar

r--:fe>

B -----,

I

r

I

I

1

L_

I

r--

1 I L

A

Olej sterujący

J

I

V A

I

I I I

,,.._v_r---, l A

A

_J I

I I

--B

.;;;.;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;~

: --Xf---=_-J

--,

;~

-----1

Rys. 23 Dwudrogowy zawór kompensuący, umieszczany na odpływie, /Jp = 8bar

Rys. 25 Dwudrogowyzawór kompensujący, umieszczany na odpływie, !lp:::: 15 „. 18 bar

x-f=-

,--~

B

--}ł--,-

i l L

A

-

ó

@)

I

L _

4

_j

l l I

I

L _ _ _ __

a

Rys. 26 Dwudrogowyzawór kompensujący, umieszczany na zasilaniu, nastawialny !lp

A

B

p

T_ _ _ _ _ _ _ _ _ _J

Rys. 27 Dwodrogowyzawór kompensujący, umieszczany na odpływie, nastawialny /Jp C15

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

1) Kompensacja obciążenia dla dodatnich i ujemnych obciążeń hydraulicznych siłowników i silników bez układu różnicowego z elementami logicznymi. Uwaga: W odniesieniu do siłowników o stosunku powerzchni 2 : 1 należy zwrócić uwagę na to, by suwak główny rozdzielacza proporcjonalnego miał otwarcia dławiące o stosunku 2 : 1.

r=-=1

,JI!lL1 IL_~

I

------+-------. 111 I

ljl

l. I H ..

I

II

I I l I I I I I

I A

I I I B I I I I _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _JI Przeciwciśnienie w zbiorniku 3 bar

Rys. 28 C16

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

2) Kompensacja

obciążenia

dla dodatnich i ujemnych o stosunku powierzchni 2 : 1 z elementami logicznymi w układzie różnicowym.

obciążeń siłownika

1.-----,

ig:lLj

1

I

I

r--I

I

I

I I I I I I I I I I

I I I I

I I

_ _ _J

I I

A

B

p

T

I I

I I

I

a

b

IL_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Przeciwciśnienie

w zbiorniku 3 bar

Rys. 29 C17

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

kompensujący

Trójdrogowy zawór

o działaniu

ograniczającym ciśnienie

Wbudowywany zawór o działaniu ograniczającym ciś­ nienie jest wykonywany jako zawór suwakowa-grzybkowy bez różnicy powierzchni (nie ma powierzchni

--,

czynnej na przyłączu B). Zawór ten umieszczany jest zawsze równolegle do miejsca dławienia.

---------1

I

I I I I I I I

I I I I I A

\iJ /\

I

L _ _J

B

Rys. 30

-

-----, I I l

lx

a

pul

b,;l-y<[D I

L_...J

Rys. 31 Trójdrogowy zawór kompensujący, Ap = 8 bar C18

B

Rys. 32 Trójdrogowy zawór kompensujący, nastawialny Ap

Kompensacja

obciążenia

i zawory

kompensujące

Z1

L _

_J

Rys. 33 Trójdrogowy zawór kompensujący, nastawialny tJ.p, z ograniczeniem maksymalnego ciśnienia i elektrycznym odciążeniem

C19

(") I\.)

o

JJ

?'

w

.i::.

Rys.

~

@

N (!)

(i)

3(!)

21

:::;

°' ~

({)

(i) ...,

22

-S

.J:U"

~ ()

:::;-

23 24 25 29 30 31

~

WN

'<

d

Poz. 1

25

16

32

40

50

63

"O

Cl> ::i Ili Q)

n

LC160R80060

LC250R80060

LC320R80060

LC400R80060

LC500R80060

LC630R80060

iii" o

LFA6308·60

.Ej" N·

C"

n

1.1

LFA1608-60

2

LC160R80060

LC250R80060

LC320R80060

LC400R80060

LC500R80060

LC630R80060

2.1

LFA 16017-60

LFA25017-60

LFA32017-60

LFA40017-60

LFA50017·60

LFA63017-60

3

LC160R80060/A07 LC250R80060/A07 LC320R80060/A08 LC400R80060/A1O LC500R80060/A12 LC63DR80060/A15

LFA2508-60

LFA3208-60

LFA4008-60

LFA5008-60

Cl> ::i

iii"

-· Iii ~

~

""

o 3

"O

3.1

LFA1608-60

4

LC160R40060

4.1

LF A1682-60/050

LF A2582-60/050

LFA3282-60/050

LF A4082-60/050

LFA5082-60/050

LFA6382-60/050

5

LC160R40060

LC250R40060

LC320R40060

LC400R40060

LC50DR40060

LC630R40060

5.1

LFA 1608-60/050

LFA25082·60/050

LFA32082-60/050

LFA40082-60/050

LFA50082-60/050

LFA63082-60/050

6

LCi 60880060

LC250880060

LC320880060

LC400880060

LC500880060

LC630880060

6.1

LFA1608-60

LFA2508-60

LFA3208-60

LFA40008-60

LFA5008-60

LFA6308-60

7

LCi 60840060

LC250840060

LC320840060

LC4000840060

LC500840060

LC630840060

7.1

LFA16082-60/050

LF A25082-60/050

LFA32D82-60/050

LFA400D82-60/050 LFA50082·60/050

LF A63082-60/050

8

LC160840060

LC250840060

LC320840060

LC400840060

LC50D840060

LC63D840060

LFA16DBU2K... ·60/...

LFA25DBU2K ... ·601...

LFA32DBU2K„.-60/...

LFA40DBU2K.„·60/.„

LFA50DBU2K„. -60/...

LFA63DBU2K. „ -60/...

751/min

1501/min

2501/min

5001/min

5501/min

8501/min

LFA2508-60

LFA3208-60

LFA4008-60

LFA5008-60

LFA6308-60

Cl>

:::s

Ili

LC250R40060

LC320R40060

LC40DR40060

LC500R40060

LC63DR40060

c: :a;· n Cl>

8.1 . ,

Omax

o 3

8bar Sprężyna

dla L1p

=5 bar

dla L1p

=5 bar

dla L1p

=5 bar

dla L1p

=5 bar

dla L1p

=5 bar

dla L1p

=5 bar

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

Kompensacja obciążenia z dwudrogowymi zaworami wbudowywanymi Wskazówki dla projektantów w sprawie wyboru elementów logicznych o prawidłowej wielkości nominalnej Przy zastosowaniu elementów logicznych DR jako zaworu kompensującego i służącego do regulacji natężenia przepływu nie można dokonywać wyboru tych elementów logicznych na podstawie zamieszczonych w katalogu charakterystyk działania DR (tj. redukcji ciśnie­ nia). Przedstawione poniżej rozważania podają kryteria wyboru dotyczące takiego przypadku zastosowania. Granica mocy przy regulacji ciśnienia Przy działaniu DR ciśnienie sterujące dla strony spręży­ ny pobierane jest bezpośrednio na wyjściu wkładu (patrz rys. 36). Granica mocy osiągnięta zostaje wówczas, gdy siła sprężyny jest kompensowana przez siły hydrodynamiczne. Pomijając udział przepływu nieustalonego otrzymuje się osiową składową tej siły hydrodynamicznej dla przedstawionej na rys. 35 objętości odniesienia według następującej zależności:

Fax

=siła

=

w kierunku osiowym cieczy roboczej

gęstość przepływającej

= natężenie przepływu = prędkość na wejściu i na wyjściu = kąt wlotu cieczy

Q

I

B A

Rys. 36 Jednakże

eksperymentalnie

Obliczenie Fax jest w tym przypadku bardzo problematyczne, gdyż trudno jest z wystarczającą dokładnością wyznaczyć zarówno kąt a ze względu na stosunkowo skomplikowaną geometrię krawędzi sterujących (otwory plus dokładne rowki dławiące), jak i prędkość na wyściu wA ze względu na małą odległość między miejscem zmiany kierunku i wylotem z objętości kontrolnej.

określić

F1 je~t znane.

Fax > F1, to suwak przemieszcza

Granica mocy przy regulacji natężenia przepływu elementy logiczne zostaną użyte jako zawór kompensujący i służący do regulacji natężenia przepływu, to pobór ciśnienia dla komory sprężyny odbywa się za zwężką regulowaną (rozdzielacz proporcjonalny) (rys. 37). Granica mocy zostaje przy regulacji natężenia przepływu osiągnięta wówczas, gdy suma opisanych uprzednio sił hydrodynamicznych Fax• L1p81 zwężki i ewentualnego L1ą przewodu połączeniowego, kompensuje siłę sprężyny F1 . Jeżeli

F1

= Fax + i1Ps1 · AK + L1ą · AK =powierzchnia tłoka

Wymienione wyżej współzależności przedstawione zostały na wykresach (rys. 38 i 40) dla wielkości nominalnych 32 i 40. Linie poziome przedstawiają niezależne od natężenia przepływu napięcie wstępne sprężyny F1 , odniesione do danej powierzchni tłoka AK jako L1p. F1 I AK = const Linie te kończą się na określonych przy pomiarach DR maksymalnych natężeniach przepływu, przy których siły sprężyn kompensowane są przez siły hydrodynamiczne. Linie łączące te punkty końcowe przedstawiają funkcję

Fax ł

I IE WE

/

Fax I AK

IA;

prosto

się w kierunku zamykania. Punkt ten, który w działaniu DR wyróżnia się tym, że dalej już nie może zwiększać się natężenie przepływu. Punkt ten można określić w zależności od L1p.

AK

t

można dość

Fax· Jeżeli

gdzie:

--, .J

Wstępne napięcie sprężyny

Fax= Q · Q(wE ·cosa+ wA)

Q

)I(

= f (Q)

WA

Rys.35

C21

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

,---1

Przykład

W układzie sterowania hydraulicznego dla Q = 340 I/min należy skompensować obciążenie za pomocą elementów logicznych DR. Wybrano rozdzielacz typu 4 WRZ 32 E 360, tzn 360 I/min przy całkowitym spadku ciśnienia na rozdzielaczu 1O bar, to znaczy po 5 bar L\p na krawędź sterującą, a więc dla 340 I/min wymagany jest następujący L\p na krawędzi

...~ ... . . . . . . . . . . .

l I I

sterującej

A

VL\pl !1pN

Q= QN.

I I

gdzie

B

I

Zwężka

L __ _

L\p

= (Q/QN) 2 ' L\pN = (340 I 360)2 · 5 = 4,45 bar= 5 [bar]

QN

= Nominalne natężenie przepływu przez zawór

L\pN

= Nominalny L\p zaworu = Wymagane L\p

L\p

regulowana

Rys. 37

L\p

W odniesienu do każdej sprężyny można różnicę ciśnień będącą do dyspozycji na zwężce i przewodach

Na podstawie charakterystyki można teraz wybrać właś­ ciwy element logiczny. Wybierając element logiczny LC 32 DR 80 dysponowalibyśmy dla zaworu przy 340 I/min L\p wynoszącym ok. 3 bar, t.zn. że !1p byłby za mały dla zapewnienia wymaganego natężenia prze-

LlPsL

+ Llą = (F1 - Fax) I AK

odczytać dla określonego natężenia przepływu jako odstęp między dwoma krzywymi

F1 I AK

pływu.

= constans i Fax I AK = f (Q)

bar

Fax

F1

-- -AK AK

12

F1

-..... AK

Przykład

I

dla

+

~pBL

wykonania 80:

~pl

=

Fl - Fax

I

dot. wykonania 80

I

I

3bar~

8 6

wykonanie 50

4

wykonanie 40

...--

~

2

I

I I

I

o 100

AK

I

~~

o

~ Fax - - ==

I

~

wykonanie 20

200

300

340

400

Qin L/min

Rys. 38 Granica mocy dla wbudowywanego dwudrogowego zaworu wielkości nominalnej 32

C22

= 3 bar

AK

-

/

f (Q)

Kompensacja obciążenia i zawory

kompensujące

Istnieje jednak możliwość zwiększenia L1p przez odpowiednie połączenia układowe (patrz rys. 39). Tutaj należałoby jednakże zastosować odmianę LC 32 DR 40 (ze sprężyną 4 bar). Alternatywą byłby

wybór większego elementu logicznego LC 40 DR 80. Ten element logiczny przy Q = 340 I/min dopuszcza na krawędzi dławiącej rozdzielacza L1p 7 bar.

Lip = zmienny

Rys. 39 Zawór kompensujący z nastawialnym L1p

bar

Fax

F1

AK

AK

-- --

12

Przykład

dla wykonania 80:

I

F1 10 - - dot. wykonania 80

I

A'.<.

8

6

wykonanie 50

4

wykonanie 40

2

7 bar

I

I

I

o 200

=

::::

AK

~

7 bar

,,, -

"" Fax

AK

= f (Q)

:.~~ ~

I

I

I I

I 340

...,,,-

I

I

_____.,,- ,,,.,,,.,....--

Fl - Fax ~pl

~

I

< I

y

+

I

I

I

wykonanie 20

o

LlpBL

I

400

600

800

1000

Qin Llmin

Rys. 40 Granica mocy dla wbudowywanego dwudrogowego zaworu

wielkości nominalnej 40

C23

Kompensacja obciążenia i zawory kompensujące

Notatki

C24

Rozdział

O

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi Heribert Dorr

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Określenie pojęć i objaśnienia

Niniejszy rozdział rozpoczyna się od przedstawienia najelementów i zespołów elektronicznych do sterowania zaworami proporcjonalnymi, objaśnienia pojęć oraz opisu działania i schematów blokowych. ważniejszych

Wszystko to przeznaczone jest jako pomoc dla tych, którzy dotychczas z tymi zagadnieniami nie stykali się w ogóle, lub tylko w małym stopniu.

Generator przebiegów liniowych

R

Generator ten ze skoku wartości zadanej, jako sygnału wejściowego, tworzy powoli narastający lub opadający sygnał wyjściowy. Czas trwania sygnału wyjściowego można zmieniać nastawiając odpowiednio potencjometr.

c

Zasada działania generatora przebiegów liniowych polegna na tym, że kondensator C ładuje się z opóźnieniem, wskutek czego przy skokowym sygnale wejściowym następuje powolna ciągła zmiana napięcia. Na

zmianę szybkości

narastania napięcia wyjściowego za pomocą potencjometru R, a określać szybkość ładowania kon-

można wywierać wpływ

tym samym densatora.

można

Czas trwania przebiegu liniowego odnosi się zawsze do 1OO% wartości zadanej (skokowy sygnał wejściowy). Przykład

Nastawiony czas przebiegu liniowego wynosi maks. 5 sekund dla 100 % wartości zadanej: jeżeli nastawiono wartość zadaną wynoszącą 60 %, to ta wartość zadana zostanie osiągnięta już po upływie ok. 3 sekund.

Rys. 1 Generator przebiegów liniowych

Np, skok od Odo 100 %

-5: :>,

$

o

100°/o

«3

'(/)

·:;;;.: $:

CB c

Cl :>, (/)

0%

t

Czas t Nastawiony czas przebiegu liniowego

,~Np,

skok od 100%do0

t

Czas t Nastawiony czas przebiegu liniowego

Rys. 2

Sygnał skokowy,

czas przebiegu liniowego

01

Elektroniczne

układy

sterowania zaworami proporcjonalnymi

-

Czas przebiegu liniowego t

-

- - - - - - - - - - - - - - --,,\scio'-Ni- Si9{\a\'-N,

1

2

3

4

5

Czas przebiegu liniowego t(s)

Rys. 3 Czas przebiegu liniowego w

zależności

od sy-

gnału wejściowego

lmpulsowany stopień końcowy W stopniu końcowym następuje przemiana nap1ęc1a wartości zadanej na prąd wzbudzania elektromagnesu. W celu osiągnięcia możliwie jak najmniejszej mocy strat stopnia końcowego, a tym samym jak najmniejszego obciążenia cieplnego płytki z obwodem drukowanym, zastosowano impulsowanie prądu wzbudzania elektromagnesu.

Przy użyciu impulsatora ustala się częstotliwość impulsów w zależności od typu zaworu. Odpowiednio do zależności między czasem włączenia i czasem wyłączenia końcowego tranzystora mocy, zmienia się prąd doprowadzany do elektromagnesów. Przykład

Wartość

zadana

Rys. 4 lmpu/sowany stopień końcowy

02

Elektroniczne

a)

Całkowicie

wysterowany stopień

ut

I•

+UL= constans

sterowania zaworami proporcjonalnymi

końcowy

Częstotliwość impulsów

I

układy

= constans

..I ·I I

t ~ stąd

Ta powierzchnia

odpowiada powierzchni zielonej,

wynika lett dla elektromagnesu zaworu

I

lmulsowane napięcie powoduje przeplyW oreślonego prądu leff przez rezystancję elektromagnesu

I I

I b) Częściowo wystero~any stopień końcowy I uf I

I

I

J

+UL= constans

leff dla elektromagnesu

t ~ stąd

Ta powierzchnia

-

odpowiada powierzchni zielonej,

wynika teff dla elektromagnesów

Szerokość

impulsu {czas włączenia) jako powierzchnia stanowi o wielkości skutecznego sygnału syjściowego

Rys. 5 lmpulsowany stopień końcowy, wysterowany całkowicie i częściowo

03

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Zasilanie

napięciowe

Wszystkie moduły płytkowe wzmacniaczy proporcjonalnych mogą być zasilane napięciowa według rys. 6. W celu zwiększenia niezawodności się zawsze po dwa zaciski (rys. 7).

styczności

VT 3000-S-30

Na przykład:

stosuje

+ 24V

- - - - . - - u 32a

Napięcie

32c

zasilania a)

ov

Wygładzone napięcie stałe

-----.---l

1

26a 26c

U=30V.„35V

u 30V=do 35V=

Rys. 7 Przykład

Przebieg nap1ęc1a na płytkowych modułach wzmacniaczy przy jednofazowym prostowaniu pełnookreso­ wym (rys.8). W okresie 1

następuje przekształcenie napięcia

220 V w sieci odbiorczej, na napięcie 24 V prądu przemiennego. Napięcie to zostaje doprowadzone do płytkowego modułu wzmacniacza.

t

prądu stałego, występującego

b) Prostowanie mostkowe

W okresie 2 wego.

odpowiada jednofazowemu prostowaniu pelnookresowemu Ueff = 24 V ± 1O%

= 21,6 V „. 26,44 V

następuje wygładzenie napięcia wejścio­

W okresie 3 następuje przekszałtcenie wygładzonego napięcia w stabilizowane napięcie 18 V. Wskutek ustalenia nowego punktu odniesienia MO otrzymujemy stabilizowane napięcie ± 9 V, odniesione do punktu MO.

u

24 Veff Względem

± 10%

niaczy

wszystkich

modułów

wzmac-

należy przestrzegać następujących zaleceń:

- Wzmacniacz wolno od napięcia. t

płytkowych

- Pomiary

wyciągać

przeprowadzać

w

jedynie po

odłączeniu

położeniu napięcia

sta-

łego.

c) Mostek trójfazowy odpowiada trójfazowemu prostawaniu pelnookresowemu

- Zero pomiarowe (MO) jest wyższe o do O V napięcia zasilania.

+ 9 V w stosunku

- Nie wolno łączyć MO z O V napięcia zasilania. - Znaku uziemienia na indukcyjnym czujniku nie wolno łączyć z O V napięcia zasilania. -

Należy zachować odległość

od

urządzeń

położenia

radiowych

co najmniej 1 metr. -

Wartości

ków

zadane

przełączać

nadających się

tylko przy użyciu zestyna prądy o natężeniu < 1 mA.

- Przewody wartości zadanych i przewody indukcyjnego czujnika położenia należy ekranować. Ekranowanie powinno być z jednej strony otwarte; po stronie modułu płytkowego należy przewód ekranowania połączyć z O V napięcia zasilania. Rys. 6 Zasilanie napięciem

04

- Przewodów łączących z elektromagesami nie należy układać w pobliżu przewodów elektroenergetycznych.

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

V

24Vz 24V =eff (-)

-.1--t--••

z zewnątrz

....

t

moduł wzmacniacza

\

\

+18V

\

\

\

I

\/

2. okres

I

I

, , +9V

-1- MO ov

----łllll>ł4llf-----

-9V 3. okres

Rys. 8 Jednofazowe prostowanie pelnookresowe Układ

rozpoznania przerwy w kablu

Generator funkcji skokowej

Układ ten nadzoruje całość przewodów prowadzących do czujnika położenia. W razie usterki, tzn w razie pęknięcia (przerwania) jednej spośród trzech żył kabla stanowiącego połączenie z czujnikiem położenia, następuje wstrzymanie dopływu prądu do obydwu elektromagnesów A i B. W razie pęknięcia przewodu zawór przechodzi do jego położenia środkowego.

Generator ten wytwarza stały sygnał wyjściowy gdy napięcie wartości zadanej jest większe niż 100 mV. Natomiast, gdy jest ono mniejsze niż 100 mV, wówczas sygnał wyjściowy wynosi O V. Sygnał wyjściowy generatora funkcji powoduje skok prądu na elektromagnesach. Ten skok prądu służy do szybszego pokonania dodatniego przekrycia suwaków w zaworach proporcjonalnych.

+ UA • 100%

100%

-0,lV +O,lV

1-100%

Rys. 9 Generator funkcji skokowej

05

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Regulatory na płytkowych Regulator

PID

•----...a

Wartość

rzeczywista

wzmacniaczy

Regulatory, zastosowane na płytkowych modułach wzmacniaczy proporcjonalnych, zostały specjalnie dopasowane do poszczególnych typów zaworów. Regulator, w zależności od różnicy między wartościami zadaną i rzeczywistą, daje sygnał wyjściowy, który steruje impulsowany stopień końcowy.

Sygnał wyjściowy

Wartość zadana

modułach

do stopnia końcowego

Rys. 10 Regulator PIO Człon sumujący

l>

Un UE2

UE1 = + 4V UA = 6V UE1 = + 4V UA = 2V

Np: lub:

Rys. 11

I

E

UA = -(UEl + UE2)

Człony sumujące,

umieszczone na płytkowych moduwzmacniaczy proporcjonalnych, powodują dodawanie dwóch napięć, przy czym zsumowany sygnał zostaje odwrócony w fazie. łach

+ 2V

LJ

E2

=

LJ

E2

= - 2V

Człon sumujący

Inwertery Inwertery, umieszczone na modułach płytkowych wzmacniaczy, powodują odwrócenie polaryzacji doprowadzonego napięcia. Np + 5 V zmienia na - 5 V lub - 3 V zmienia na + 3 V Rys. 12 Inwerter

Potencjometr Potencjometr jest rezystorem z nastawnym odczepem (ślizgaczem). Jeżeli do końcówek potencjometru przyłoży się napięcie OV i 1OV, to na

> :::i;;, :J N

u

(1j

Ol

.!:::!

:(ii (1j

c: CD ·0

(!)>

·a.. (1j

z

10

1ovj

8 6

~

4

ov!

2

o

o

20

40

60

80

ślizgaczu

można

wartość pośrednią

uzyskać

Przykład

Przy

60 %-owym przestawieniu na ślizgaczu uzyskać nawynoszące 6 V.

można pięcie

100

Nastawianie potencjometru w %

Rys. 13 Potencjometr

06

każdą

od O do 1O V.

Elektroniczne

układy

sterowania zaworami proporcjonalnymi

Prąd wstępny

Prąd wstępny jest prądem elektromagnesu. Gdy tylko do płytkowego modułu wzmacniacza przyłoży się napięcie zasilające, a zawór przyłą­ czony będzie do wzmacniacza, wówczas w elektromagnesie zacznie pły­ nąć prąd wstępny. Służy on do podtrzymania częstotliwości impulsowania, do wstępnego magnesowania elektromagnesów, oraz powoduje, że po wywołaniu wartości zadanej elektromagnes szybko rusza z jego położenia podstawowego.

Indukcyjne czujniki waków w zaworach

położenia

su-

Indukcyjny czujnik położenia składa się z cylindrycznej obudowy, w której zagłębia się zwora pomiarowa z rdzeniem ferromagnetycznym.

Cewka 1

Mierzone przesunięcie

---11

wyjściowy

l

Punkt pomiarowy 1 Demodulator Cewka 2

Czujnik składa się z dwóch cewek, które połączone razem tworzą mostek jednopołówkowy. Indukcyjny czujnik położenia zasilany jest przebiegiem nośnym o częstotliwości 2,5 kHz. Amplituda tego przebiegu nośnego zmienia się odpowiednio do położenia zwory pomiarowej. Przesunięcie się zwory powoduje zmianę indukcyjności cewek.

r

Sygnał

Zwora pomiarowa z rdzeniem ferromagnetycznym

Rys. 14 Schemat indukcyjnego czujnika położenia

(+)U Us1 Us

UwL = reaktancja) zmienia się również impedancja Zw i wskutek tego zmienia się też amplituda przebiegu wyjściowego.

Wraz z

indukcyjnością

Gdy zwora pomiarowa znajduje się w położeniu środkowym, wówczas amplituda przebiegu wyjściowego wynosi Us. Przesunięcie się zwory pomiarowej powoduje także zmianę amplitudy wzebiegu wyjściowego (rys. 15) w stronę Us 1 lub U82 . Demodulator przetwarza wielkość amplitudy przebiegu wyjściowego w odpowiedni sygnał stałoprądowy.

Us2

o Us2 Us Us1

Rys. 15 Amplituda sygnału wyjściowego zmierzona wpunkcie pomiarowym 1 według rys. 14

07

Elektroniczne układy sterowania :zaworami proporcjonalnymi

Wzmacniacze do zaworów proporcjonalnych Dla różnych zaworów proporcjonalnych opracowano i znormalizowano elektryczne wzmacniacze na modułach płytkowych o formacie europejskim ·1 OO x 160 mm. Każ­ demu proporcjonalnemu elementowi sterującemu przyporządkowano określony płytkowy moduł wzamacniacza elektrycznego. Zapewnia to optymalne dopasowanie i tym samym możliwość osiągnięcia optymalnych wyników. Wzmacniacze proporcjonalne podzielono na dwie grupy: - Wzmacniacze proporcjonalne zaworów bez elektrycznego sprzężenia zwrotnego (do elektromagnesów 'proporcjonalnych o regulowanej sile); - Wzmacniacze proporcjonalne zaworów z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym (do elektromagnesów o regulowanym skoku).

zostaje doprowadzony do impulsowanego stopnia koń­ cowego (3), tak samo jak sygnał napięciowy potencjometru R1. Potencjometrem R1 można nastawiać prąd wstępny elektromagnesów proporcjonalnych. Stopień końcowy (3) może wysterować elektromagnesy proporcjonalne maksymalnym prądem 800 mA. Prąd płynący przez elektromagnesy proporcjonalne można zmierzyć na gnieździe pomiarowym X2 jako napięcie stałe (1 V= 1 A).

Punkty pomiarowe we wzmacniaczu proporcjonalnym UWĘ!gg

Pomiary należy wykonywać na zakresie napięcia stałego.

Wzmacniacze proporcjonalne bez elektrycznego sprzężenia zwrotnego

1) Pomiar napięcia zasilającego kami 24ac i 18ac.

Wzamacniacze proporcjonalne do zaworów proporcjonalnych sterujących ciśnieniem

2) Pomiar napięcia stabilizowanego± 9 V: + 9 V między zaciskami 1Oac i 14ac - 9 V między zaciskami 16ac i 14ac

Działanie wzmacniacza proporcjonalnego opisano na podstawie przedstawionego schematu blokowego.

3) Pomiar

Da zacisków 24ac (+)i 18ac (O V) doprowadzane jest nazasilania. Na module płytkowym wzamacniacza (1) następuje wygładzenie tego napięcia i wytworzenie stabilizowanego napięcia± 9 V. pięcie

Stabilizowane napięcie± 9 V służy: a) do

zasilania

potEmcjometru

zewnętrznego

lub

wewnętrznego.

+ 9 V występuje na styku 1Oac - 9 V występuje na styku 16ac b) do zasilania wewnętrznego wzmacniacza operacyjnego Na module płytkowym wzmacniacza znajduje się potencjometr R2 do nastawiania wartości zadanej. W celu nastawienia potencjometrem R2 napięcia wartości zadanej należy do wejścia wartości zadanych 12ac doprowadzić stabilizowane napięcie + 9 V. Napięcie wartości zadanej, występujące na odczepie potencjometru R2, zostaje doprowadzone do generatora przebiegów liniowych (2). Z sygnału skokowego generator przebiegów liniowych (2) tworzy powoli narastający lub opadający sygnał wyjściowy. Stromość sygnału wyjściowego, tzn zmianę jego czasu trwania, można nastawiać potencjometrem R3 (narastanie) i R4 (opadanie).

+

24 V między zacis-

napięcia wartości zadanej od O do + 6 gnieździe pomiarowym wartości zadanych X1.

V na

4) Pomiar prądu elektromagnesu od O do 800 mA na gnieździe X2 (1 V = 1A). Przykład

sterowania

Następujące przeznaczenie styków płytki wzmacniacza pozostaje stałe: ·- do połączenia z zaworem: styki 22ac i 20ac - dla napięcia zasilającego 24 V: styki 24ac ( +) i 18ac ( - ) Działanie

·-· Zdalne sterowanie przy użyciu potencjometru z wywołaniem przez przekaźnik; - Zdalne sterowanie poprzez wejście różnicowe; - Zewnętrzne wyłączanie narastającego lub opadającego przebiegu liniiowego.

Podany maksymalny czas przebiegu liniowego wyno·· 5 sekund można osiągnąć jedynie wykorzystując całkowity zakres napięcia (od O V do+ 6 V, mierzony na gniazdach pomiarowych wartości zadanej). Napięcie wartości zadanej + 9 V na wejściu, daje napięcie + 6 V na gniazdach pomiarowych wartości zadanej. szący

Sygnał

08

wyjściowy

generatora przebiegów liniowych

Rys. 16 Wzmacniacz proporcjonalny typu VT 2000 S 40

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Wartość zadana O.„

32c

+ 6V

---,

14 111>-- a_c_ _ _ _ _ _ _ _ __,__::;:i

Wartość zadana

1 'I o „. + 6V ..__.____________~x_,.

Lf

I I R1 = prąd wstępny I A3 czas prądmaksymalny I I I

+

Wejście różnicowe

0„.10V

VT 2000-S-40

A2

R2= =

narastającego

przebiegu liniowego

A4=

Wejście od

+ UL

potencjometru

liniowego

R1 MO

A-'='----,

R54

.9yn----,

Prostowanie pełnookresowe

24V6 tt±10% Napięcie

+24V Elektromagnes

OV

zasilania

mV=mA

Mostek trójfazowy

28 V6 tt„.35 Vett

I L______ _

100Hz/200Hz

Rys. 17 Schemat połączeń wzmacniacza proporcjonalnego VT 2000 S 40

Wartość zadana O do Wyłączenie przebiegu iiniowego

----<'>"""-----------------,

32c

+6V

---,

- 1-4a_c_ _ _ _ _ _ _ _ _~_::;:i Wartość zadana 1 e--+-----------~-X-{ 'I o „. + sv

L Wartość zadana O...

Wejście różnicowe

I

+lov --cr~--t

VT 2000-S-40

ov --<:f"""'"-il ;o

j

I I

Wejście od po,-te_n_·--&==------'

+

§--~ Wywołanie

-\1

UL

j

prądwstępny

R1 = R2 = prąd maksymalny R3 = czas narastającego przebiegu liniowego

R4 = czas opadającego przebiegu liniowego

I

---R-+:-<:>-"'~----,

potencjometru

24

v.ff

Napięcie zasHania

100Hz/200Hz

_J

Rys. 18 Przykład sterowania z wzmacnaczem proporcjonalnym typu VT 2000 S 40

09

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Wzmacniacze proporcjonalne sterowanych wstępnie rozdzielaczy proporcjonalnych bez sprzężenia zwrotnego Działanie wzmacniacza proporcjonalnego opisano na podstawie schematu blokowego.

niżej

Wzmacniacz proporcjonalny jest zasilany napięciem doprowadzonym do styków 32ac ( +) i 26ac (O V). Na module płytkowym wzmacniacza (7) następuje wygładzenie napięcia zasilającego i równocześnie z tego napięcia zostaje wytworzone stabilizowane napięcie± 9 V. Stabilizowane

napięcie

± 9 V służy:

zasilania potencjometru zewnętrznego lub zasilanie potencjometr otrzymuje ze styków 20c ( + 9 V) i 26ac ( - 9 V);

a) do

wewnętrznego;

b) do zasilania nego.

wewnętrznego

wzmacniacza operacyj-

Na module płytkowym wzmacniacza znajdują się 4 potencjometry R1 do R4 (8), służące do nastawiania wartości zadanych. 4 zaciski 12a, Ba, 1Oa, 1Oe, jako wejścia wartości zadanych, powinny być połączone z napięciem stabilizowanym+ 9 V (zacisk 20c) lub - 9 V (zacisk 26ac), co umożliwia nastawianie wartości zadanych. Jeżeli wejścia wartości

zadanych zostaną połączone z + 9 V, to nastąpi wzbudzenie elektromagnesu B, który połączony zostaje z zaciskami 22a i 28a. napięciem

Natomiast jeżeli wejścia wartości zadanych zostaną poz napięciem - 9 V, to nastąpi wzbudzenie elektromagnesu A, który połączony zostaje z zaciskami 30a i 24a. łączone

Napięcia wartości

do R4,

zadanych, nastawione za pomocą R1 przez przekażniki K1 do K4.

są wywoływane

Napięcie wywoływania przekaźników można uzyskać z zacisku 28c i poprzez bezpotencjałowe styki doprowadzić do wejść przekażników Sc, 4a, 6a, 6c.

nania zerowego przekrycia zaworu. Ten skok nie występuje przy małych napięciach wartości zadanych (poniżej 1OO mV). Gdy napięcie wartości zadanej wzrasta ponad 100 mV, wtedy generator funkcji skokowej (2) wysyła stały sygnał. Sygnał wyjściowy członu sumującego (3) działa na obydwa stopnie końcowe wraz z regulatorem prądu (4), impulsatorem (5) i wzmacniaczem mocy (6). Przy dodatnim napięciu wartości zadanej na wejściu wzmacniacza następuje wysterowanie stopnia końcowego dla elektromagnesu B napięciem ujemnym, a stopnia końcowego dla elektromagnesu A napięciem dodatnim. Powyższe wymaga jeszcze następującego uzupełnienia:

a)

Wejście różnicowe wartości

zadanej od O do ± 1O V to jest potrzebne dla osiągnięcia wielkooporowego oddzielenia wzmacniacza od zewnętrznego elektronicznego układu sterowania. Wejście

b) Do wytwarzania oscylacji można zastosować przekaźnik K6. Zestyk przełączny przekaźnika K6 powoduje, że na wyjściu 2a następuje przełączenie napięcia z 9 V na+ 9 V. Gdy wyjście 2a połączone zostanie z jednym spośród wejść wartości zadanej, wtedy przez wywołanie odpowiadającego mu przekaźnika oraz przekaźnika K6 (zestyk 4c) można spowodowac zmianę kierunku. c) Wywołanie przekaźnika d5 powoduje zbocznikowanie generatora przebiegów liniowych, tzn generator ten zostaje wyłączony. Wskutek tego czas przebiegu liniowego staje się najkrótszy i wynosi ok. 50 ms.

Punkty pomiarowe wzmacniacza proporcjonalnego: Pomiary

należy wykonywać

na zakresie

napięcia

potencjometrów wartości zadanych R1 ... R4 powoduje, że na wejściu generatora przebiegów liniowych (1) powstaje sygnał napięciowy.

łego.

Z skokowo narastającego sygnału wejściowego generator (1) tworzy powoli narastający sygnał wyjściowy. Czas narastania (stromość) sygnału wejściowego można nastawiać potencjometrem R8 (czas przebiegu liniowego). Podany czas tego przebiegu, wynoszący maksymalnie 5 sekund, można osiągnąć wykorzystując cały zakres napięcia (od OV do± 9 V, mierzony na gniazdach wartości zadanych). Napięcie wartości zadanej ± 9 V na wejściu daje ± 6 V na gniazdach pomiarowych wartości zadanych. Przyłożenie na wejście generatora przebiegów liniowych (1) mniejszej wartości zadanej niż ± 9 V powoduje skrócenie maksymalnego czasu przebiegu liniowego.

2) Pomiar napięcia stabilizowanego ± 9 V: + 9 V między zaciskami 20c i 20a - 9 V między zaciskami 26ac i 20a

Wywołanie

Sygnał wyjściowy generatora (1) zostaje doprowadzony do członu sumującego (3) i generatora funkcji skokowej (2). Generator (2), na swoim wyjściu wytwarza funkcję skokową, która w członie sumującym zostaje dodana do wyjściowego sygnału generatora przebiegów liniowych (1 ). Funkcja skokowa jest niezbędna do szybkiego poko-

010

1) Pomiar napięcia zasilania + 24 V 32ac i 26ac;

między

sta-

zaciskami

3) Pomiar napięcia wywoływania przekaźnika (wygła­ dzone napięcia zasilania) między zaciskami 28c i 26ac. 4) Pomiar napięcia wartości zadanej: Odo± 6 V na gnieździe wartości zadanej BU1 Odo + 6 V dla elektromagnesu A Odo - 6 V dla elektromagnesu B 5) Pomiar prądu elektromagnesu na gnieździe pomiarowym BU3 (prąd elektromagnesu A) i na gnieździe BU2 (prąd elektromagnesu B). Mierzy się spadek napięcia na rezystorze 1 Q, tzn napięcie 1 V odpowiada prądowi 1 A.

:o

'< (fJ


~

26ac

+--,

CD

3l:ll ..... lj o

Wartość zadana Odo+ 6 V dla elektromagnesu A Odo - 6 V dla elektromagnesu A

.,fil'

~

CD ::i,

~ 3 l:ll

Dodatkowe wejście wart. zadanej Wejście

wart zadanej 4

Wejście

wart. zadanej 3

Wejście

wart. zadanej 2

±9V

au

3

R3

~

30a

I R4

R8

5K

+-

l:ll

I

8a

3i.i)• _J

Elektromagnes A

©

26ac

lj

~I

C3

"8-.

IE I

VT 3000-S-30

®

~

a·

::i

~

l:ll

s-

!§S.

ov

~ o

~

R6

w lewo

Wyjście

Elektromagnes B

!Ba

wart. zadanej

c:;·

c::

IK6

Zestyk przełączny przekaźnika d6

w

a a a

(/)

w

a

...a:o ::i

lj

:'.=i

m Ci

Steruje elektromagnes "B" Zero pomiarowe

MO

P1

Wywołanie

P2

Wywołanie

P3

32c

26c

nK2

zasilania

K6

Mostek trójfazowy 28 V0 tr do 35 Vefl

c: i»

"a.

'<

:e. (!) .... o

:E

Q)

::i

iii" R1, R2, R3, R4

4c

+24V

ov

P4

d6

CD

Prostowanie pełnookresowe 24V0 1rdo±10% Napięcie

I~_ 4a

I

7l~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~--.i>-~32a

2oc

9 p

liniowego

Wywołanie

Regulator prądu

·9V

Wywołanie

Wywołanie

0

26--

Steruje elektromagnes

Wyłączenie przebiegu

+9V

N ::I

R5 R6

"'8

wartości zadane

= prąd wstępny elektromagnesu B = prąd wstępny elektromagnesu A

N

~ o

-. 3

Il!

"O

....

o

"O

o... (')

c:r ::i

o......

......

!!. ::i

'<

3

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Jako uzupełnienie do przedstawionego wzmacniacza służy wzmacniacz proporcjonalny z pięcioma nastawialnymi czasami przebiegu liniowego. Zasadniczo odpowiada on wzmacniaczowi z jednym nastawialnym czasem przebiegu liniowego i ma takie same możliwości zastosowania. Ten moduł płytkowy wzmacniacza został uzupełniony dodatkową płytką. Dzięki temu każdej wywołanej wartości zadanej można przyporządkować odrębnie nastawiany czas przebiegu liniowego. Wartości

zadanej R1 przyporządkowany jest czas przebiegu liniowego t1 (nastawiany potencjometrem R11)

Wartości

zadanej R2 przyporządkowany jest czas przebiegu liniowego t2 (nastawiany potencjometrem R12)

Rys. 20 Wzmacniacz proporcjonalny typu VT 3000 S 30

Wartości

zadanej R3 przyporządkowany jest czas przebiegu liniowego t3 (nastawiany potencjometrem R13)

Wartości

zadanej R4 przyporządkowany jest czas przebiegu liniowego t4 (nastawiany potencjometrem R14)

Gdy nie występują już wartości zadane, wówczas działa czas przebiegu liniowego t5, nastawiany potencjometrem R10.

Rys. 21 Wzmacniacz proporcjonalny typu VT 3006 S 30

012

Il

'o:i I\) I\)

g

r::------, I

Q)

~.....

Dodatkowa płytka

I

~

----,

26ac

........

"'t:l

I

~

---

R Q)

:::;,

~

::i

lll

3 R lll Oj•

Wartość zadana Odo + 6 V dla elektromagnesu A o do 6 V dla elektromagnesu B

Dodatkowe wejście wart. zadanej Wejście

wart. zadanej 4

Wejście

wart. zadanej 3

Wejście

wart. zadanej 2

w lewo

R6

BU 3

BU l

I

I

:50a

l::l

-gCl (:i -g·

wart

Y~+-

lll

s-

~

Elektromagnes A

0 E

VT 3006-S-30

m Cii ;i;-

-...

~

-oi:::

"' -;

(.,,)

8

O)

Elektromagnes B BU 2 Wyjście

wart. zadanej

::i;-

S" o.

lR

Zestyk przełączny przekaźnika d6

Regulator prądu

a

~--·--------·------··-----··-·--. . . . t.---032a

Steruje elektromagnes "B"

6-'~"--"·-·<:;;26a ov

Steruje elektromagnes "A" R1

r··

Wywołanie R2

+-

Wywołanie

zasilania

Mostek trójfazowy 28 Vett do 35 Vett

Wylączenie przebiegu liniowego t·

f-

-O/o--

L

-·-

-... lll Cl>

o :::: Q)

::I

iii" N

Q)

Q)

wartości

R1, R2, R3, R4

Wywołanie R4 f-

'<

:::: o...

Wywołanie R3 f- -ef'O--

Wywolanie

Prostowanie pełnookresowe 24 V0 tt 10 °/o + 24 V Napięcie

pomiarowe

N ::I Cl>

c:

28a

Cf) (.,,)

o ::I c:;·

zadane

RS

= prąd wstępny dla elektromagnesu 8

R6

=

R10·14

= czasy przebiegów liniowych

prąd wstępny

dla elektromagnesu A

3

... o "O o... "'O

(')

(5" ::I

o_. w

!!. ::I

'<

3

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Przykład

sterowania

Opisane niżej przeznaczenie styków pozostaje niezmienne przy dowolnym wysterowaniu wzmacniacza: - połączenie elektromagnesu A ze stykami 24a i 30a, natomiast elektromagnesu B z stykami 2Ba i 22a; - połączenie napięcia zasilającego 24 V ze stykami 32ac (+)i 26ac (O V). 1) W jaki sposób za pomocą zaworu proporcjonalnego i wzmacniacza proporcjonalnego można osiągnąć ła­ godny rozruch i łagodne hamowanie hydraulicznego siłownika (lub silnika) i jego zatrzymanie w określonym miejscu? Przebieg ruchów powinien odbywać się według wykresu przedstawiającego prędkość w funkcji czasu (rys. 23). Okablowanie wzmacniacza wykonuje się według schematu połączeń (rys. 24).

Opis układu połączeń Zestykiem zwiernym (1) zostaje wydany rozkaz startu, powodujący

wysunięcie

tłoczyska.

Wzbudzają

powoduje w końcu odwzbudzenie przekaźnika K1 i zahamowanie ruchu tłoczyska do stanu zatrzymania. Zestykiem zwiernym (4) zostaje włączony ruch powrotny tłoczyska, przy czym prędkość ruchu szybkiego nastawia się potencjometrem R4, a prędkość ruchu pełzania potenciometrem R3. Dalszy przebieg ruchu powrotnego odbywa się tak samo jak ruch wysunięcia tłoczyska. Istotne jest przestrzeganie właściwej kolejności sygnałów, aby przy przełączaniu uniknąć podcięcia sygnału, co mogłoby spowodować niezamierzony skok tłoczyska. Podczas wszystkich procesów przyspieszania i opóźnia­ nia występują w podanym tutaj przykładzie takie same wartości przyspieszania i opóźniania. Czas trwania przebiegu liniowego nastawia się potencjometrem RB.

się

obydwa przekaźniki K1 i K2, przy czym wskutek szeregowego zadziałania zestyków skuteczny jest tylko sygnał otrzymywany z potencjometra R2 poprzez przekaźnik K2. Z tego względu prędkość ruchu szybkiego należy nastawiać potencjometrem R2. Odpowiednio do nastawionego potencjometrem RB czasu przebiegu liniowego następuje przyspieszenie ruchu tłoczyska siłownika aż do osiągnięcia prędkości nastawionej potencjometrem R2. Po osiągnięciu wyłącznika krańcowego (2) następuje rozwarcie jego zestyku rozwiernego (2), który przerywa zasilanie przekaźnika K2, co powoduje jego odwzbudzenie. Wskutek tego działa R1 (ponieważ K1 pozostaje w stanie wzbudzenia) i ruch tłoczyska zostaje wyhamowany do prędkości pełzania. Wyłącznik krańcowy (3)

Prędkość

4

v

do przodu (elektromagnes B)

Prędkość

v

wstecz (elektromagnes A)

1

Rys. 23 Wykres prędkości w funkcji czasu

014

2

3

5

6

JJ

'< (/)

I\)

.j:>.

~

Okablowanie

Okablowanie

(])

:3

Wzmacniacz proporcjonalny

Sll ..,. o ..fil" ~ (])

----

l::;

- - - - - ---------Wartość zadana

O O ,„

::i,

I

+ 6 V dla elektromagnesu A -

6 V dla elektromagnesu B

wlewa BU l

wprawo

JJ

r.:71

©

R6

~ G)

K: -1 ~

© J fJVI 1 -

3

BU

lOa

J

J

1 Loa

lR

lOc

Rl

I R2

I R3

I R4 P8

I

~I

I I

~

Elektromagnes A

0

IE I

VT 3000-S-30

®

m

co

...... .

~~

I

Elektromagnes B

18a

...:5: o ::I c:;· N ::I (I)

K6

c: Prostowanie pełnookresowe 24V6 rt±10%

0 -------------*--032a

Napięcie

~

Q.

-

'<

+24V

(/)

zasilania

ov Mostek trójfazowy 28 V0 n do 35 V0 ff

...

(I)

o

~

Q)

::I

s· N

Q) K4

18c 4C

K6

R1, R2, R3, R4

=wartości

R5

=

prąd wstępny dla elektromagnesu

R6

=

prąd wstępny

R8

:::;;: czas orzebieou liniowego

::E

zadane B

dla elektromagnesu A

o... Q)

3 "C

....

o ...o

"O

(')

o· ::I o...... 01

!!. ::I

'<

3

o

.....

I

Il

'< (/)

(Q

m : : :; 3 o

I\)

(Jl

g

:::::

-.. '<

Cl)

Okablowanie

o m :::::; m ~5
Okablowanie

(1)

__.,..14-------

Wzmacniaczproporcjonalny - - ·

:3 -o o

'< :::::

cm

tll ......

~ ::::: ""O


o m

::i

::im

:::::

(J),

(/) Q.

.Sir ~ (1)

(i)

N

-.. m Cl :::::; m

o

:::i,

m

::i

::::; '<

-·

O „. + 6 V dla elektromagnesu A - 6 V dla elektromagnesu B

w
en cr . '<

R6

••t•;@1L]1~-lZJ1;,.~=-

:::::

m (/)

~egulator prądu

.{ii" ""O Elektromagnes A

N


""O

9

VT 3006-S-30 _.6J.6E__

-

lR

Prostowanie pełnookresowe 24v•• ±10% +24V Napięcie zasilania

ov Mostek trójfazowy 28 do 35

v••

R1, R2, R3, R4 =wartości zadane R5 = prąd wstępny dla elektromagnesu B R6 = prąd wsJępny dla elektromagnesu A R1 O· 14 czasy przebiegów liniowych

4C

---~---

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~


o c:;·

::li

Pi"

N ::li

Il (3, :::::

:::::

c:

O (J),

'<

'<

m

Ul

iii"

o

m

Il> ::li

~ 3 ~­

CD ~ CD

o

:::::

N


~

Il ::::: Q. .;::,. ::::;

N

o..~ m N -.. Cl -· N Ol m ::i-.. -'< ~

O

Ol

""O

N ~

Cl N

ro

(I)

~

o.

-... ( I)

=E

ii.i"

N Il>

N·:::::; CD Ol ""O c;Q,

o....

::::; o<(!) ()"(i) N

N::::; Ol

~ .9.-o -· o o 3 3

CD

7'

'<

o ::::;


(ii"

..... o()


.;;::: ..m

=E

Il>

3

...o o...

"O "O (")

o·::li '<

Elektromagnes B 8lJ 2

28c -tUL

m Cl m

m

Il> ::li

I

l16a ~ ~--

N

:i

() ~- () ~­ m :::J en o ~.?"o ..... o.. -o Cl m 7' N CJ

Wartość zadana

O „.


~-§· ~-

..... or o Cl Cl

7' -..

::::;

_ .L

~~~-

~--·-----

--

-~

I

I

v••

3

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

3) W tym układzie obydwa elektromagnesy A i B sterowane są za pomocą jednego potencjometru zewnętrz­ nego. Obydwa końce potencjometru zasilane są napięciem stabilizowanym ± 9 V. Odczep potencjometru połączony jest z wejściem 12a. Wewnętrzny potencjometr R4 działa jako ograniczenie potencjometru zewnętrznego.

Przykład

Jeżeli

potencjometrem zewnętrznym wporowadza się 1OO % wartości zadanej, to potencjometrem wewnętrz­ nym można zmieniać wartościowość od O do 1OO %.

Wywołanie przekażnika

K4 powoduje włączenie nastawionej wartości zadanej, tzn następuje wzbudzenie elektromagnesu A lub B.

Rys. 26 Schemat połączeń

017

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Wzmacniacze proporcjonalne z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym Wzmacniacze proporcjonalne do bezpośrednio sterowanych rozdzielaczy proporcjonalnych ze sprzężeniem zwrotnym

przebiegów liniowych ± 9 V powoduje skrócenie maksymalnego czasu trwania przebiegu liniowego.

Na podstawie przedstawionego schematu blokowego opisano niżej działanie wzmacniacza proporcjonalnego.

Sygnał wyjściowy generatora (1) zostaje doprowadzony do członu sumującego (3) i generatora funkcji skokowej (2). Generator (2) na swoim wyjściu wytwarza funkcję skokową, która w członie sumującym (3) zostaje dodana do sygnału wyjściowego generatora przebiegów liniowych (1 ). Funkcja sokowa jest niezbędna do szybkiego pokonania zerowego przekrycia zaworu.

Napięcie pobierane z sieci odbiorczej 220 I 380 V zostaje przetworzone przez transformatory z prostownikami na napięcie zasilania płytkowego modułu wzmacniacza proporcjonalnego.

Napięcie zasilania zostaje doprowadzone do styków 22ac ( +) i 28ac (O V). Na płytce wzmacniacza, w zespole (9), następuje wygładzenie tego napięcia oraz wytworzenie z niego napięcia stabilizowanego± 9 V.

Stabilizowane napięcie ± 9 V służy: zasilania potencjometru zewnętrznego lub wewnętrznego; zasilanie następuje z styku 26a ( + 9 V) i styku 24a (- 9 V);

a) do

b) do zasilania wewnętrznego wzmacniacza operacyjnego. Na module płytkowym wzmacniacza znajdują się 4 potencjometry do nastawiania wartości zadanych R1 do R4 (13). Możliwość nastawiania wartości zadanych uzyskuje się po połączeniu czterech wejść wartości zadanych (styki 20c, 20a, 14a, 14c) z napięciem stabilizowanym 9 V

+

(styk 26a) lub - 9 V (styk 24a). Jeżeli wejścia wartości zadanych zostają połączone z 9 V, to następować będzie wzbudzanie elektromagnesu A, który połączony jest ze stykami 2a i 32 a.

+

Włączenie na wejście generatora (1) wartości zadanej mniejszej niż

Ten skok nie występuje przy małych napięciach wartości zadanej (poniżej 1OO mV). Gdy napięcie wartości zadanej wzrasta ponad 1OO mV, wtedy generator funkcji skokowej (2) wysyła stały sygnał. Sygnał wyjściowy członu sumującego zostaje doprowadzony jako wartość zadana do regulatora PID (4).

Oscylator (6) przekształca sygnał napięcia stałego na napięcie przemienne (o częstotliwości 2,5 kHz). Ten sygnał działa na indukcyjny czujnik położenia (11 ). Czujnik położenia (11) zmienia wartość napięcia przemiennego w zależności od położenia suwaka rozdzielacza. Sygnał napięcia przemiennego zostaje ponownie przekszałcony przez demodulator (7) na sygnał napięcia stałego.

Wzmacniacz dopasowujący (8) wzmacnia napięcie stałe do wartości maksymalnej ± 6 V (maksymalny skok suwaka ). Sygnał wyjściowy wzmacniacza dopasowują­ cego (8) zostaje, jako wartośc zadana, doprowadzony do regulatora PIO (4).

Jeżeli wejścia wartości zadanych zostają połączone z - 9 V, to następować będzie wzbudzanie elektromagnesu 8, który połączony jest ze stykami 2c i 32c.

Regulator PIO (4) został specjalnie dopasowany do tego typu zaworów. Regulator ten wysyła sygnał, którego wartość jest zależna od różnicy między wartością zadaną i wartością rzeczywistą. Ten sygnał wyjściowy steruje stopień końcowy (5) wzamcniacza.

Napięcia wartości zadanych, nastawione potencjometrami R1 do R4, są wywoływane przez przekaźniki (12) K1 ... K4. Napięcia te występują na stykach 12c, 12a, 16a, 16c.

Układ rozpoznania przerwy w kablu (1 O) nadzoruje całość przewodów doprowadzających do czujnika poło­ żenia (11) i w razie usterki powoduje przerwanie dopływu prądu do obydwu elektromagnesów (A i 8).

Napięcie wywoływania przekaźników można pobierać z 24c i poprzez bezpotencjałowe zestyki doprowadzić do wejść przekaźników (styki 12c, 12a, 16a, 16c).

Przy wywoływaniu potencjometrów wartości zadanej R1 ... R4 następuje wytworzenie sygnału skokowego na wejściu generatora przebiegów liniowych (1 ). Z skokowo narastającego sygnału wejściowego generator przebiegów liniowych (1) tworzy powoli narastający sygnał wyjściowy. Czas narastania (stromość) sygnału wyjściowego można nastawiać potencjometrem PS (nastawianie czasu przebiegu liniowego). Podany maksymalny czas przebiegu liniowego, wyno5 sekund, można osiągnąć wykorzystując cały zakres napięcia (od OV do± 6 V, mierzony na gniazdach pomiarowych wartości zadanych). Napięcie wartości zadanej, wynoszące ± 9 V na wejściu, daje napięcie ± 6 V na gniazdach pomiarowych wartości zadanych. szący

018

Rys. 27 Wzmacniacz proporcjonalny typu VT 5005 S 1O

Il

'<

Ul F\) ())

~

Okablowanie

(])

Okablowanie

::3 Ol

......

'b

:::i,

~ ::3

Ol

3 iii• ~

Ol

'b

d

'b

--

Zewn. sygnał ograniczenia

o

..Dl ~ (])

----------

I

Zewn. potencjometr do nast czasu Wejście różnicowe

wart Odo

zadanej

10V

ov Wejście

wart zadanej 4

9V

Wejście

wart zadanej 3

9V

Wejście

wart zadanej 2

9V

~~-=12J r20c

@

~

~

'..\K

~

~ "b

"

Zmiana kierunku

-;

.....

:

(i)

Stopień końcowy z regulatorem prądu

Wartość

zadana O -6VdlaelektromagnesuA

-Y l i ~] I '

I

I

Elektromagnes B

o

I

·:::r:::::·' , ~ """'""''""""' 0 1 y.,jr® I ~„~.: = w rI

m Q

I

d6

Wywołanie

P1

wiewa

Wywołanie P3 ~·

+-

Wył. czasu przebiegu liniowego t- -ef0 -~

Wywołanied6 r

-<:{

...~

:i

c;· N

wprawo

~I

lew

r-

Wywołanie P2 +- -<:("oWywołanie P4

+

co

o

O + 6 V dla elektromagnesu A 0 ::: _ 6 v dla elektromagnesu B

i:::

o

d5

I

u

::r

~

VT 5005-S-1 o

28c

o ~ o ~

(/)

--

:i CD

c:

fr

c.

-...

'< (/I

Indukcyjny czujnik

-0""L-.~~

....r.'"'

położenia

CD

o :E Q)

:i

iii'

..

o- -v----·~
Steruje elektromagnes "A"

Q)

24 Vetr +24V

:E o

10%

Napięcie zasilania OV Mostek trójfazowy

Steruje elektromagnes "B"

N

Prostowanie pełnookresowe

28

Vetf do

35 Veff

o; 3

"t:I

o

"t:I

o

ri c;· :i

!:!!..

:i

o ......

'<

~-


:;::::::::.::;:::-~-::~~~::..~;;:~...,,,,:::::::::::::::::::::~,_,__~~~~-=::~--

m

-·~--

Elektroniczne

Uwagi

układy

sterowania zaworami proporcjonalnymi

uzupełniające

a) Wejście różnicowe wartości zadanej od O „. ± 1O V (styki 6c i 6a). Wejście to jest wykorzystywane w celu uzyskania wielkooporowego oddzielenia płytkowego modułu wzmacniacza od zewnętrznego elektronicznego układu sterowania. k6 powoduje przełączenie 30a z - 9 V na+ 9 V. Wskutek tego połączenie potencjometru ze stykiem 30a powoduje odwrócenie polaryzacji wartości zadanych. b)

Wywołanie przekaźnika

wyjścia

c) Wywołanie przekaźnika k5 powoduje zbocznikowanie generatora przebiegów liniwych, tzn generator ten zostaje wyłączony. Wskutek tego czas przebiegu liniowego jest najkrótszy i wynosi ok. 50 ms. Punkty pomiarowe wzmacniacza proporcjonalnego

Uwaga 1) Pomiar napięcia zasilania + 24 V 22ac i 28ac.

między

zaciskami

2) Pomiar napięcia stabilizowanego ± 9 V: + 9 V między stykami 26a i 26c - 9 V między stykami 24a i 26 c 3) Pomiar napięcia wywoływania między stykami 24 c i 28ac.

przekaźnika

4) Pomiar napięcia zadanego od O do ± 6 V na dzie pomiarowym wartości zadanej. 5) Pomiar napięcia wartości rzeczywistej na rzeczywistej.

+ UL gnieź­

gnieździe

wartości

Zmierzone napięcie wartości rzeczywistej odpowiada przemieszczeniu suwaka zaworu.

020

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Notatki

021

Elektroniczne układy sterowania zaworami proporcjonalnymi

Notatki

022

Rozdział

E

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi Roland Ewald

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Wstęp

Wykonywanie obliczeń związanych z zaprojektowaniem układu sterowania hydraulicznego wymaga uprzednio jednoznacznego ustalenia stałych pojęć. Niezbędne jest też jednoznaczne określenie kierunków działania sił, prędkości, oznaczeń skrótowych itd. Takie właśnie ustalenie pojęć ułatwia wykonywanie obliczeń z zastosowaniem programów dla komputera i sprzyja lepszemu wzajemnemu zrozumienu. Poniżej przedstawiono pojęcia niezbędne do obliczeń hydraulicznych napędów silnikowych i siłownikowych.

E1

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Napędy siłownikowe

+ +

h +X

„ Fst „m

ds

hK

m

a p

T

Rys.1

Zastosowane oznaczenia i jednostki miary OK dA

ds d1

d2 h

s hK AK AR AA As KA

= = = = = = = =

= = =

=

VA

= = = =

Vs

=

Ks

Aw

Średnfca tłoka Średnica tłoczyska 1 po stronie A Średnica tłoczyska 2 po stronie B Średnica przewodu rurowego po stronie A Średnica przewodu rurowego po stronie B Skok siłownika Przemieszczenie

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]

VA

= = = =

Vs

=

V3 V4 V

Położenie tłoka charakteryzujące się

m

najmniejszą częstotliwością własną

a

[mm] [cm 2] Powierzchnia tłoka po stronie A lub B Powierzchnia pierścienia tłoka po str. A lub B [cm2] Powierzchnia pierścienia tłoka po stronie A [cm 2] Powierzchnia pierścienia tłoka po stronie B [cm 2] Stosunek powierzchni AK I AA Stosunek powierzchni AK I As [cm2] Powierzchnia czynna Objętość siłownika w położeniu tłoka charakte ryzującym się najmniejszą częstotliwością własną dla powierzchni pierścieniowej AA po stronie A [cm 3] Objętość siłownika w położeniu tłoka charak-

=

Fst

= =

FK

=

Fr Fa FG

= = =

Pp

= = = = = =

L1pv Pa Po Ps i1P1

teryzującym się najmniejszą częstotliwością własną dla powierzchni pierścieniowej

/1 12 VL1 VL2

E2

As po stronie B = Długość przewodu rurowego po stronie A = Długość przewodu rurowego po stronie B = Objętość przewodu rurowego po stronie A = Objętość przewodu rurowego po stronie B

[cm 3] [mm] [mm] [cm3] [cm3]

i1P2 =

Objętość całkowita po stronie A Objętość całkowita

po stronie B

Prędkość siłownika

[cm3] [cm3] [mis]

Prędkość przepływu oleju w przewodzie rurowym po stronie A [mis] Prędkość przepływu oleju w przewodzie rurowym po stronie B [mis] Przemieszczana masa związana z tłokiem [kg] [mls2] Przyspieszenie Obciążenie statyczne (wynikające z masy) [N] Siła statyczna (występująca podczas obróbki lub dociskania) [N] Siła tarcia [N] Siła przyspieszania [N] Siła całkowita (sumaryczna) [N] Ciśnienie na wylocie pompy [daNlcm2] Straty ciśnienia w przewodzie rurowym [daNlcm2] [daNlcm2] Ciśnienie przyspieszania Fa I 1O· Aw) Ciśnienie dynamiczne Pa+ (F8 +FR) I(1 O· Aw) [daNlcm 2] [daN/cm2] Ciśnienie statyczne FG I (1 O· Aw) Spadek ciśnienia na krawędzi sterującej P-A lub B-T [daNlcm2] Spadek ciśnienia na krawędzi sterującej [daN/cm2] P - B lub B - T

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Fst

+„•--

• VA

V

m

„+

+ ...• - ds

Va

m VA

VB

Vu A

B ap2

ap1 a p

T

Rys. 2

OK

= =

OR

==

OA

=

Os

=

Op

=

Pv

Ea1.

=

C1 C2

=

Wo

=

Hz fzaworu

= =

Wv

==

V L'isv L'isp

Ss Sv Ss

=

= = = :;:::

=

Całkowity

v5

Natężenie przepływu

spadek ciśnienia na zaworze [daN/cm2] po stronie [dm3/min] powierzchni tłoka AK Natężenie przepływu po stronie [dm3/min] powierzchni pierścieniowej AR Natężenie przepływu po stronie [dm3/min] powierzchni pierścieniowej AA Natężenie przepływu po stronie [dm3/min] powierzchni pierścieniowej As Natężenie przepływu na przyłączu pompy [dm3/min] do zaworu proporcjonalnego Moduł sprężystości oleju = 1,4 · 101 [kg/cm· s2] Stala sprężystości po stronie A [N/m] [N/m] Stała sprężystości po stronie B Nietłumiona częstotliwość własna układu [1/s] Nietłumiona częstotliwość własna whercach [Hz] Częstoliwość krytyczna zaworu w hercach (częstotliwość rezonansowa przy przesunięciu fazowym 90°) [Hz] Częstoliwość krytyczna zaworu w rad/s (częstotliwość rezonansowa przy przesunięciu fazowym 90°) [1 /s] Wzmocnienie całkowite [1 /s] Błąd wybiegu [mm] Błąd położenia [mm] Droga przyspieszania [mm] Droga z prędkością stałą [mm] Droga z prędkością pełzania [mm]

ts tv t8 t8

= = = = =

Prędkość pełzania [mm/s] Czas przyspieszania [s] Czas przebycia drogi z prędkością stałą [s] Czas przebycia drogi z prędkością pełzania [s] Łączny czas ruchu [s]

E3

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

+FK

+FK + Fst

m

+ Fst

ds

m

M--1--

..,_OK_.

A Siłownik

+Fstm

nurnikowy

Siłownik z tłoczyskiem

dwustronnym, zawsze dwustronego działania

- - - dA

+ F st

-+--1•1

m

dA

A

--li-A

- FK Siłownik dwustronnego działania,

Rys. 3

E4

Siłownik jednostron-

z tłoczyskiem jednostronnym,

nego działania,

wiszący

wiszący

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Objaśnienia dotyczące

mas,

obciążeń

i sił

a) Masa m W obliczeniach siły przyspieszenia, a także w obliczeczeniach częstotliwości drgań własnych, należy uwzględniać całkowitą przemieszczaną masę, niezależ­

nie od kierunku ruchu. Jeżeli pomiędzy przemieszczaną masą

duje

się przekładnia,

no

i napędem znaj-

należy określić zredukowaną

masę zastępczą.

Masa zmienia się proporcjonalnie do kwadratu nia dźwigni lub przekładni

b)

Obciążenia

przełoże­

statyczne F81

Przy podnoszeniu i opuszczaniu masy działa ona jako które odpowiednio należy podnieść lub

obciążenie, opuścić.

Przy poziomym przemieszczaniu masy F81 Obciążenie dźwigni

c)

Siła

lub

zmienia

się

liniowo w funkcji

= O. przełożenia

przekładni.

statyczna FK

W celu wytworzenia siły potrzebnej do tłoczenia, odkształcania lub skrawania, niezbędne jest przeniesienie przez napęd odpowiedniej siły statycznej.

E5

Kryteria projektowania

Napędy

układów

silnikowe o ruchu

sterowania z :zaworami proporcjonalnymi

postępowym

i obrotowym

+--

V

- .,__. +

-----+-+-~

n q St red Cred

1

b

Rys. 4

Napędy

silnikowe o ruchu postępowo-obrotowym

Zastosowane oznaczenia i jednostki miary q

d1 d2 /1 12 VL1 VL2 V1

=

-

V2 V

VA

=

Vg E

n

=

nM m FSt FK FR J

E6

-

[cm3/obr] Geometryczna objętość robocza Średnica przewodu rurowego po stronie A [mm] Średnica przewodu rurowego po stronie B [mm] Długość przewodu rurowego po stronie A [mm] Długość przewodu rurowego po stronie B [mm] Objętość przewodu rurowego po stronie A [cm3] Objętość przewodu rurowego po stronie B [cm3] [cm 3] Objętość całkowita po stronie A [cm3] Objętość całkowita po stronie B Prędkość przemieszczania obciążenia [m/s] [m/s] Prędkośó przepływu oleju w przew. rurowym A [m/s] Prędkośó przepływu oleju w przew. rurowym B [1 /s 2] Przyspieszenie kątowe Prędkość obrotowa wału napędzanego [i /min] Prędkość obrotowa walu napędzającego [i /min] [kg] Masa przemieszczana [N] Obciążenie statyczne Siła statyczna [N] Siła tarcia [N] [kgm2] Masowy moment bezwładności na wale

Moment bezwładności silnika i przekładni [kgm 2) masowy moment bezwładności na Jo [kgm2] wale napędzanym (J +JM· i2) Zredukowany masowy moment bezwładności JR = [kgm2] na wale napędzającym (J0 /i2) Moment statyczny na wale napędzanym [Nm] Mst Moment siły na wale napędzanym [Nm] MK Moment siły tarcia na wale napędzanym [Nm] Me [daN/cm2] - Ciśnienie na wylocie pompy Pp Straty ciśnienia [daN/cm2] Apv 2] Ciśnienie przyspieszania [daN/cm Pa 2l Ciśnienie statyczne [daN/cm = Ps Llp1 = Spadek ciśnienia na krawędzi sterującej P -A lub A-T [daN/cm 2] Spadek ciśnienia na krawędzi sterującej i1P2 P - B lub B T [daN/cm2] 2) Całkowity spadek ciśnienia [daN/cm Pvcatk= Natężenie przepływu na przyłączu pompy Op [I/min] do zaworu proporcjonalnego Moduł sprężystości oleju = 1 ,4 · 1 Q7 [kg/cm· s2] Eo1.

JM

=

Całkowity

I I i

I

_-1.

Kryteria projektowania

lred,

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

M St red,

M Kred, M Cred

q d1

11

C1

r.::====::::.J

A

B

b

a p Rys. 5

Napędy silnikowe

C1 C2 w0 Hz

= = = =

Fzaworu

=

wv

V Lisv Li~x

Liax Lix

PM Pw

= = = = = = = =

s s8

Sv s8

= =

C2 = C 1

T

o ruchu obrotowym

Stała sprężystości

[N/m] [N/m] Nietłumiona częstotliwość własna układu [1 /s] Nietłumiona częstotliwość własna układu w Hz [Hz] Częstotliwość krytyczna zaworu w herach (częstotliwość rezonansowa przy przesunięciu fazowym 90°) [Hz] Częstotliwość krytyczna zaworu w rad/s (częstotliwość rezonansowa przy przesunięciu fazowym 90°) [1/s] Wzmocnienie całkowite [1/s] Błąd wybiegu (ruch wzdłużny) [mm] Błąd wybiegu na silniku napędzającym [0 ] Błąd wybiegu na wale napędzającym [0 ] Błąd położenia (ruch wzdłużny) [mm] Błąd położenia na silniku napędzającym [0 ] Błąd położenia na wale napędzającym [0 ] Przemieszczenie [mm] Droga przyspieszania [mm] Droga ze stałą prędkością [mm] Droga z prędkością pełzania [mm] Stała sprężystości

po stronie A po stronie B

a as av Vs ns

ts tv ts

tG

= = = = = = = = =

[o] przemieszczania na wyjściu [o] przyspieszania na wyjściu 0 Kąt przemieszczania dla n = const na wyjściu [ ] Prędkość pełzania (ruch wzdłużny) [mm/s] Prędkość obrotowa pełzania na wyjściu [1 /min] Czas przyspieszania [s] Czas przebycia drogi z prędkością stałą [s] Czas przebycia drogi z prędkością pełzania [s] Łączny czas ruchu [s] Kąt

Kąt

E7

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Odpowiednio do głównych kierunków zastosowania rozdzielaczy proporcjonalnych, w szczególności do przyspieszania i opóźniania hydraulicznie poruszanych mas, należy przy projektowaniu układów sterowania ustalić żądane przyspieszenie lub opóźnienie.

Czas przyspieszania

v

=prędkość

Nie można jednak wybierać przy tym wartości dowolnych.

a

Możliwa do przyjęcia wartość przyspieszenia lub opóź­ nienia zależy od wielu czynników:

Według

1) Czas opóźniania i przyspieszania dla przyspieszenia jednostajnego Na rys. 6 przedstawiono zależność pomiędzy czasem przyspieszania, przyspieszeniem i osiąganą prędkością.

[m/s] [m/s2] [s]

= przyspieszenie ta = czas pozyspieszania

uzyskiwanych krzywych można z ładwościa wyjeszcze do zaakceptowania czas przyspieszania dla pożądanej prędkości końcowej. brać możliwy

Nie jest wskazane wybieranie zbyt dużego przyspieszenia (dolna linia graniczna pola żółtego), gdyż daje to jedynie bardzo małe skrócenia czasu łącznego. Zbyt małe przyspieszenie (lewa linia graniczna pola zielonego) daje bardzo długi czas przyspieszania. Zamieszczony wykres dobitnie wykazuje, że przyjęty czas przebiegu liniowego, wynoszący od O, 1 do 5 s, jest więcej niż wystarczający.

1,15 1,1

Czas przyspieszania i opóźniania dla przyspieszania jednostajnego

1,05 1,0 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5

v == 2,0 m/s

0,45 0,4 0,35

v= 1,5 m/s

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

v= O 5

1

2

mis

3 4

6

8

10

12 ~

14

16

a [m/sec 2]

Rys. 6 Czas przyspieszania i opóźniania dla przyspieszania jednostajnego

ES

L

Kryteria projektowania

układów

2) Droga opóźniania i przyspieszania dla przyspiesze-

Należy

nia jednostajnego

opóżniania

Na rys. 7 przedstawiono zależność między drogą przyspieszania lub hamowania i przyspieszeniem oraz uzyskiwaną prędkością ruchu.

tutaj

podkreślić, że

zmienia

się

droga przyspieszania lub proporjonalnie do kwadratu

prędkości.

Podwojenie prędkości ruchu wymaga więc czterokrotnie drogi przyspieszania lub opóźniania.

większej

Również

Droga przyspieszania lub opóźniania

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

na drogę przyspieszenia do pole) nie jest wskazane. ze

względu

zwiększanie (żółte

można stwierdzić, że wartości

nadmiernej

Poza tym przy wyborze przyspieszenia należy również z tym niezbędną wartość energii instalowanej. uwzględnić wiążącą się

Siła

wyhamowania (opóźnienia), np z określonej do mniejszej prędości, niezbędna jest odpowiednia droga hamowania, którą w praktyce określa się na wyczucie, jednak często wybiera się ją stanowczo zbyt krótką.

przyspieszania:

Do

prędkości

440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120

Ciśnienie

przyspieszania:

Czas przyspieszania i dla przyspieszania jednostajnego

opóźniania

v= 2 O mis

100

80 60 40 20 1

2

3 4

6

8

10

12

--••

14

16

a [m/sec2]

Rys. 7 Czas przyspieszania i opóźniania dla przyspieszania jednostajnego

E9

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

3)

Sztywność układu:

Częstotliwość własna

Innym istotnym punktem rozważań związanych z wyborem przyspieszenia jest częstotliwość własna. Jest ona miernikiem stabilności i sztywności układu.

Porównanie sprężystości mechanicznej z hyw odniesieniu do siłowników

drauliczną

Gdy nie zważając na częstotliwość własną wybierze się zbyt duże przyspieszenie, lub gdy częstotliwość własna jest zbyt mała, wówczas wystąpią drgania układu. Dla odbiornika, to jest silnika lub nierównomierny ruch.

siłownika,

oznacza to

Częstotliwość własną

odbiornika hydraulicznego można podobnie jak układu mechnicznego masasprężyna, uwzględniając stałą sprężystości C i poruszaną masę m według wzoru

obliczyć

C

= stała sprężystości

też

się stałą sprężytości

dla ruchu obroto-

[N/m] [kg]

m =masa

Odpowiednio

Podobnie oblicza wego

dla ruchu obrotowego

można obliczyć

częstotliwość własną według następującego

C = stała sprężystości J = masowy moment bezwładności

wzoru:

Z wykresu i wzoru na obliczenie stałej spężystości wynika, że powierzchnia tłoka A powinna być możliwie duża, a długość słupa oleju powinna być możliwie jaknajmniejsza, aby uzyskać dużą wartość sprężystości C. Tyle na początek o teoretycznych zależościach. W praktyce jednak droga robocza, a tym samym również wymagany skok siłownika, ustalane są konstrukcyjnie. Powierzchnię czynną tłoka Aw można jednak łatwo zmie-

[N/rad] [kgm2]

niać.

Przewody rurowe sterującym

14-h-1

~h~

MwA'1~1 ~~1 ~

pomiędzy siłownikiem

przepływem

powinny

być

i elementem jak

możliwie

najkrótsze. Długość przewodu rurowego między pompą i zaworem nie odgrywa przy tym istotnej roli, dopóki nie wystąpią gwałtowne spadki ciśnienia przy nagłym poborze oleju.

VWNVi

&x \.----

Ax

.Ax

Ax

.Ax2 .Ax1 .AF1.AF2 .AF Rys. 8 Porównanie

sprężystości

.AF1 .AF2

.AF

mechnicznej z hy-

drauliczną

E10

L

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Stosunki ciśnień na krawędziach sterujących w fazie przyspieszania i hamowania oraz przy prędkości stałej

Poszczególne fazy ruchu wymagają różnych sił w siłow­ niku lub silniku. Przy stałym ciśnieniu na wylocie pompy spadek ciśnienia na krawędziach sterujących zaworu proporcjonalnego będzie więc odpowiednio różny. Zjawisko to ilustruje

następujący przykład.

Dane wyjściowe: m = 700 [kg] F =7000 [N] FSI = F· sin 30° = 7000 X 0,5 =3500 [N] v = 2,0 [m/s] s 6 = 250 [mm] FR =O [N] (wartości FR nie uwzględnia się w tym obliczeniu) Przyspieszanie a = v2 I (2 · s6 · 1Q-3) a = 22 I (2 · 250 · 10-3)

V

v= 2,0 mis

[m/s2] [m/s2]

=8

Czas przyspieszania t6 = via= 2/8 = 0,25 Uwaga: Przy sterowaniu przyspieszeniem

Rys. 9

[s]

dławieniowym

J.__ 250 przyspieszenie a jest

Sb

średnim.

Wymagane siły przy ruchu "w górę": Fs1 = 3500 FA = m . a = 700 X 8 = 5600

[N] [N]

Przyspieszanie FG = Fs1 + FA

[N]

= 3500 + 5600 = 91 OO

2so_J Sb

Rys. 10

Prędkość stała

FG = FSI

= 3500

[N]

Opóźnianie

FG = Fs1 - FA= 3500 - 5600

=-

2100

(N]

Wymagane siły przy ruchu "w dół" Przyspieszanie

FG

=-

FSI + FA

=-

3500

+ 5600 = 2100

(N]

Prędkość stała

FG

=-

Fs 1= - 3500

[N]

Opóźnianie

FG

=-

Fs1 - FA= - 3500 - 5600 == - 9100

[N] Rys. 11

E 11

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Wymiary siłownika, natężenie przepływu i ciś­ nienie w układzie OK

= = = =

50 mm 36 mm 19,64 cm2 9,45 cm2 == 700 mm Omax,AK = 235,6 dm3/min Omax, AR = 113,4 dm 3 /min PP = 1OO daN/cm2 Ciśnienie wytwarzane przez pompę pp= 100 (daN/cm2) jest ściśle z góry ustalane dla danego przypadku zastosowania (układ z akumulatorem hydraulicznym).

d8 AK AR h

Rys. 13 Ruch w górę b) Ruch "w dół" dla L1P1 = L1P2 -7 FG/1 O = AR · (Pp - L1p2) - AK · LlP1 FG/10 =AR· Pp - AR· LlP1 - AK· L1P1 L1p1 = (AR · Pp - FG I 1O) I (AK + AR) Przyspieszanie L1p1 = (9,45 · 1OO - 21OOI1 O) I (19,64 + 9,45) = 25 [daN/cm2]

= 2 x L1p1 = 50 [daN/cm2]

Pv

Prędkość stała

L1p1 = (9,45 · 1OO + 31OOI1 O) I (19,64 + 9,45) 43 [daN/cm2]

Rys. 12 Ruch w górę

Jakie ciśnienia zach ruchu?

ustalają się więc

=

w poszczególnych fa-

L1p1 = (9,45 · 1OO + 91OOI1 O) I (19,64 + 9,45) = 64 [daN/cm2] Pv

Przyspieszanie L1p1 = (19,64 · 1OO - 91OOI1 O) I (19,64 + 9,45) = 36 [daN/cm2] Pv = 2 · L1p1 72 [daN/cm 2]

=

Prędkość stała

= 11 O daN/cm2]

Opóźnianie

L1p1 = (19,64 · 1OO+ 21OOI1 O) I (19,64 = 75 [daN/cm2] Pv

E12

2 · L1p1

= 128 [daN/cm2]

Przy uruchiamianiu układu sterowania okazało się, że najodpowiedniejszym jest rozdzielacz proporcjonalny typu 4WRZ16 E 1-100„.

(Q

=

100 dm3/min przy L1p 2 : 1)

=

10 daN/cm2; stosunek

krawędzi sterujących

L1p1 = (19,64 · 1OO - 3500I1 O) I (19,64 + 9,45) = 55 [daN/cm2] 2 · L1p1

= 86 daN/cm2]

Opóźnianie

a) Ruch "w górę" dla L1P1 = L1P2 -7 FG/10 =AK. (Pp - L1p1) - AR. LlP2 FG/10 =AK· Pp - AK· L1P1 - AR· L1p1 L1p1 = (AK · Pp - FG I 1O) I (AK + AR)

Pv

2 · L1p1

Pv

2 · L1P1 = [150 daN/cm 2]

+ 9,45)

Potwierdziły to również obliczenia sprawdzające spadków ciśnienia na krawędziach sterujących rozdzielacza proporcjonalnego i procentowe wartości otwarć właści­ wych dla tych spadków ciśnienia.

Kryteria projektowania

Odpowiednio do spadków ciśnienia na krawędziach sterujących rozdzielacza proporcjonalnego kształtuje się procentowa wartość nominalnego natężenia przepływu dla ruchu "w górę".

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Dla opisanego wyżej układu sterowania nie można zalecić zmniejszenia ciśnienia na wylocie pompy w celu poprawienia sprawności hydraulicznej. Minimalną wartość wymaganego ciśnienia można obliczyć na podstawie maksymalnej siły całkowitej przy przyspieszaniu oraz minimalnego całkowitego spadku ciśnie­ nia (1 O daN/cm3) na krawędziach sterujących elementu dławiącego.

Obliczenie pompy: dla ruchu dla L1p1 FG/1 O FG/10 Pp

con st

60 Prąd

70

80

90 100

znamionowy w%

pv„ 10 daN/ cm 2 const.

•

pv„ 100 daN/ cm 2 const.

wymaganego

ciśnienia

na

wylocie

"w górę" = L1p2 = 5 daN/cm2 -7 =AK· (Pp - L1p1) - AR· L1p2 =AK· Pp - AK· L1P1 - AR· L1p1 :::: [FG + L1p1 . (AK+ AR)]/AK = [9100/1 o + 5. (19,64 + 9,45)]/19,64 = 54 daN/cm2

dla ruchu "w dół" dla L1p1 = L1p2 = 5 daN/cm 2 FG/1 O = AR · (Pp - L1p2) - AK · L1P1 FG/10 =AR· Pp - AR· L1p1 - AK· L1p1 Pp = [FG + L1P1 . (AK+ AR)]/AR = [2100/1 o + 5 . (19,64 + 9,45)]/9,45 = 38 daN/cm2 Wybrano ciśnienie na wylocie pompy: Pp

= 55 daN/cm2

Rys. 14 Charakterystyka Q-1 dla nominalnego natężenia przepływu 1OO dm3Imin przy spadku ciśnienia w rozdzielaczu 1OdaNJcm2 Porównanie z rozdzielaczem proporcjonalnym 4WRZ16E1-150.„ (Q = 150 dm3/min przy L1p = 1O daN/cm2, stosunek krawędzi sterujących 2 : 1) wskazuje, że suwak jest za duży, co daje nierkorzystne rozwiązanie w odniesieniu do natężenia przepływu.

Rys. 16 Ruch w górę

const

o 25 30

40

50 Prąd

l pv„ 10 daN/cm2const.

60

70

80

znamionowy w%

90 100

•pv„ 100 daN/cm 2 const.

Rys. 15 Charakterystyka Q-i dla nominalnego natężenia 150 dm3Imin przy spadku ciśnienia w rozdzielaczu 1OdaNlcm2

przepływu

E13

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Dla ruchu "w górę" uzyskuje się następujące wartości: Przyspieszanie !1p1 = (19,64 · 55 - 9100/10)/(19,64 = 6 daN/cm2 Pv = 2 · !1p1 12 daN/cm2

+ 9,45)

=

Prędkość stała

!1p1

Pv

= (19,64 · 55 -

3500/10)/(19,64 = 25 daN/cm2 = 2 · L1P1 = 50 daN/cm2

+ 9,45)

Opóźnianie

!1p 1

= (19,64 · 55 + 2100/10)/(19,64 + 9,45)

Pv

= 2 · !1p1 =

= 45 daN/cm2 90 daN/cm2

Natężenie przepływu

w dm3/min

480

60 Prąd

70

80

90 100

znamionowy w%

1 pv= 10 daN/cm 2const.

.pv= 100 daN/cm 2 const.

Rys. 17 Charakterystyka Q-1 dla nominalnego natężenia przepływu 150 dm3/min przy spadku ciśnienia w rozdzie-

laczu 1O daN!cm2 Przejście z prędkości stałej na opóźnianie układu przy tym ciśnieniu na wylocie pompy wymaga procentowo większej zmiany skoku suwaka, niż przy Pp = 100 daN/cm2.

Taka proporcjonalna zmiana skoku suwaka w rozdzielaczu proporcjonalnym wymaga odpowiednio dłuższego czasu nastawczego. Podczas tej fazy występuje jedynie małe narastanie opóźnienia.

E14

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Obliczenie spadku c1sn1enia na krawędziach sterujących 4-drogowego rozdzielacza proporcjonalnego z uwzględnieniem stosunku powierzchni tłoka siłownika i stosunku otwarć krawędzi sterujących w rozdzielaczu. Dostarczane seryjnie rozdzielacze proporcjonalne mają stosunek krawędzi sterujących F = 1 : 1 i F = 2 : 1 . Przy obliczaniu spadku ciśnienia na krawędziach sterujących należy uwzględnić F odpowiednio do stosunku powierzchni siłownika. Zależnie od tego, czy powierzchnia AA jest większa od As, czy też jest odwrotnie, należy do następnych obliczeń wstawiać odpowiednio:

AA>As-7 X= F As> AA -7 X= 1/F

B

p

T

VLlp1 · X)

VLlp2 =Os· a· y;;p; ·X (a· OA)

-7

= os2;0A2 · Llp1

Llp2

Natężenia przepływu

· x2

mają się

w stosunku do po-

wierzcnhi siłowników jak Os/OA =As/AA wstawiono do Llp2 Llp2 = As2/AA2 . Llp1 . x2

-?

Równowaga sił przy wysuwaniu tłoczyska siłownika

Fa/10 =AA. [(pp - LlPv) - Llp1] - As. Llp2 dla Llp2 wstawia się As2/AA2 · Llp1 · x2

Fa/1 O = AA· (pp - LlPv) - AA· Llp1 - As· Llp1 · X2 · As2/AA2 Równanie mnoży się przez AA2 AA2 · Faf1 O =AA3 ·(pp - Llpv) - AA3 · Llp1 - Llp1 · x2 . As3

As

A

Dla Ass wstawia się OA/( a·

Przy wsuwaniu tłoczyska siłownika (strona napędowa B) obowiązuje:

- Faf1 O=As· [(pp - LlPv) - Llp2] - AA· Llp1 Rys. 18

- Fa/1 O=As· [(pp - LlPv) - As2/AA2 · Llp1 · X2] -

Przy wysuwaniu tłoczyska siłownika (strona napędowa A) obowiązuje natężenie przepływu P -7 A. =a· AsA ·

OA

y;;p;

AA· Llp1 Równanie mnoży się przez AA2 - AA 2 . Fa/1

= wolny przekrój przepływu na krawędziach

AsA

sterujących

rozdzielacza

o=

AA 2 . As. (pp - LlPv) -

- As3 · X2 · Llp1 - AA3

proporcjonal-

+ Llp1

nego od P-7 A

AsA = OA/( a·

7

Stosunek krawędzi cjonalnym

y;;p;)

sterujących

w rozdzielaczu propor-

AsAIAss= X Ass= wolny przekrój przepływu na krawędziach sterujących rozdzielacza proporcjonalnego od

8-?T

-7

Ass

= AsAIX

Dla AsA wstawia się OA/( a·

y;;p;)

Ass = OA/(a·V Llp1 ·X)

-7

Natężenie przepływu

B -7 T

= a . Ass . y-;;p2. y-;;pi. = Os/( a · A8 s) Os

-?

Natężenie przepływu

i całkowity spadek ciśnienia w rozdzielaczu mogą być określone ze spadków ciśnień na poszczególnych krawędziach sterujących dla wsuwania i wysuwania tłoczyska siłownika. Należy

szego

zawsze

wybierać

najmniejszy 11p dla

najwięk­

natężenia przepływu.

Na przykład: Całkowity

Llp w rozdzielaczu

= Pv = 2 · 11p1 dla O= „. (dm3/min). E15

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Dokładność zależnym

drogi opóźniania przy od czasu

opóźnieniu

Istnieje tendencja do stosowania coraz większych prędkości ruchu w celu skorócenia czasów pomocniczych. Jednakże jest to racjonalne jedynie wówczas, gdy droga opóźniania jest taka sama w wszystkich stanach roboczych. Zmiany długości drogi opóźniania wymagają nienia dłuższej drogi z prędkością pełzania.

uwzględ­

To jednak zwiększa czasochłonność!

Z obliczeń wynika, że w danym przypadku przy opóźnie­ niu z prędkości v = 1m/s do prędkości pełzania v8 = O, 1 m/s może nastąpić zmiana drogi pełzania s8 o 22 mm. Wymagny w związku z tym czas t8 = 220 ms. s81

= (v + v8 )/2 · t81 == (1+0,1)/2 · 0,2

s82

= (v +

1

v8 )/2 · t82

Różne

czasy martwe w sygnale elektrycznym

Przetwarzanie

3,75 [m/s 2 ] = 4,5 [m/s2)

elektrycznego od

wyłącznika

czasu trwania. Zmiana czasu martwego wynosząca 1O (ms) przy prędkości 1O (m/s) powoduje zmianę długości drogi o 1O (mm). Na pokonanie tej drogi przy prędkości pełzania O, 1 (m/s) potrzebny będzie czas t8 = 1OO (ms).

0,1

tn

o

.tr

1•

0,2 0,24 ta [ms] tai ts2

Rys. 19 Droga nia

opóźniania

Jakie czynniki niania?

mogą wpływać

przy zmianie czasu opóźnia­

opóźniania

na zmianę drogi

1 V

=

20 [ms]

~h

=

10 [ms]

= 10 [msJ

=

1 [m/s]

opóź­

(czasu trwania przebiegu

Pod tym względem hydraulika proporcjonalna z jej elektronicznym generatorem przebiegów liniowych jest niewątpliwie korzystniejsza w porówaniu z czasem trwania tradycyjnego przełączania hydraulicznego. Dobrze wykonany elektroniczny układ przebiegów liniowych nie ulega jakimkolwiek odchyleniom wskutek wpływów temperatury. właściwego wykorzystania zalet tego układu nie należy wybierać zbyt krótkiego czasu narastania lub opadania przebiegu liniowego, tzn należy utrzymać wystarczająco duży odstęp w stosunku do hydraulicznego własnego czasu przełączania rozdzielacza proporcjonal-

W celu

nego. Reguła

ogólna: Minimalny czas trwania przebiegu liniowego powinien być co najmniej dwukrotnie większy od hydraulicznego własnego czasu przełączania. W kartach katalogowych rozdzielaczy proporcjonalnych podany jest hydrauliczny czas własny przełączania (odpowiedź na zmianę skokową). Wpływ zmiany czasu przebiegu liniowego przedstawia wykres na rys. i 9.

E16

sygnału

krańcowego aż do wejścia wartości zadanej na elektroniczną płytkę modułową powinno odbyć się jak najszybciej i nie ulegać jakimkolwiek zmianom pod względem

v = 1 [m/s)

a) Zmiana czasu liniowego)

= 110 [mm]

= (1 +O, 1)/2 · 0,24=O,132 [m] = 132 [mm] 11 88 = 22 [mm] ts dla s8 = 22 [mm) przy v8 = O, 1 [m/s] t8 = s8 !v8 = (22 · 1o-3)/0,1 = 0,22 [s] = 220 [ms] b)

v [m/s]

= 0,11 [m)

t Rys. 20 Czas opóźniania przy zmianie czasu martwego Droga pokonywana w ciągu 1O [ms] przy v = 1 [m/s] = 10 [mm] Czas potrzebny na przebycie 1O [mm] przy v8 =O, 1 [m/s] = 100 [ms] c) Zmiana prędkości v wskutek występowania różnych L1p na krawędziach sterujących rozdzielacza proporcjonalnego. Wpływy lepkości zmieniają natężenie przepływu, samym zmienia się prędkość odbiornika.

a tym

Krawędzie sterujące rozdzielaczy proporcjonalnych ształtowane są w postaci zwężek turbulentnych, aby chować mały wpływ lepkości.

ukza-

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

t L1p w przewodzie do odbiornika

ł

A

I L1p w rozdzielaczu

B b

a

p

iJ.p w przewodach od

T

pompy i do zbiornika

pP

= 1OO [daN/cm 2]

Rys. 21 Spadek ciśnienia Pomiary, przeprowadzone w układach hydraulicznych, przy zmianach temperatury następują procentowo dużo większe zmiany L1p w przewodach rurowych, złączkach i blokach sterowniczych niż zmiany L1p w samym elemencie sterowania natężeniem przepływu. dowiodły, że

Tego rodzaju zmiany L1p powodują oczywiście zmianę

w układzie hydraulicznym

L1p w przewodzie do odbiornika = 4 [daN/cm2] przy 50 °C L1pw przewodzie do odbiornika= 6 [daN/cm2] przy 20 °C L1pw przewodzie od pompy = 5 (daN/cm2] przy 50 °C L1pw przewodzie od pompy == 8 [daN/cm2] przy 20 °C zmiana L1p w rozdzielaczu proporcjonalnym = 5 [daN/cm2]

natężenia przepływu.

Poniżej

opisano przykład ilustrujący wpływ tych zmian na

drogę opóźniania.

E17

Kryteria projektowania

Zmiany

prędkości

lepkości

w

układzie

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

spowodowane zmianami przewodów rurowych

Zmierzony całkowity spadek ciśnienia w rozdzielaczu wynoszący 55 daN/cm2 występuje przy temperaturze oleju 50 ac, ciśnieniu na wylocie pompy PP = 1 oo [daN/cm 2] i obciążeniu silnika hydraulicznego momentem obrotowym. Zmierzona maksymalna prędkość wynosi wówczas v = 1,3 [m/s]. Gdy olej jest zimny, wówczas całkowity spadek ciśnienia w rozdzielaczu zwiększa się jeszcze tylko o L1p = 50 [daN/cm2]. Prędkość

przemieszczania przy temperaturze 20 ac wy-

nosi. 2oaC-7 v=

v·Y L1p1/L1p2

= 1,3 · Y50/55 = 1,24 [m/s] L1p1 =spadek ciśnienia w rozdzielaczu przy temp. 20 ac L1p2 =spadek ciśnienia w rozdzielaczu przy temp. 50ac Drogi przyspieszania i opóźniania wynoszą: przy 50aC-7 Ss = v2 (2 ·a)· 1Q3 = 1,32/(2 · 2) · 103

= 422,5 [mm]

przy 20 ac -7 Ss = v2 (2 · a) · 103 = 1,242/(2 · 2) · 103 Zmiana drogi Spadek noszący

Ze

= 384,0 [mm]

38,5 [mm]

w rozdzielaczu proporcjonalnym wyL1p = 50 [daN/cm2] jest stosunkowo duży. energetycznych

zupełnie zrozumiałe

do obniżenia ciśnienia w

układzie

obciążenia

dławienia.

Przy sterowaniu dławieniowym zachodzi konieczność wybierania większego spadku ciśnienia w rozdzielaczu proporcjonalnym, aby zachować mały rozrzut długości drogi opóźniania. Należy zaznaczyć, że

przy małym przyspieszeniu wartego dotatkowego L1p wypada mniejsza, natomiast przy dużym przyspieszeniu należy przyjąć, większą wartość L1p. tość

Straty energii wskutek dławienia wydają się na pierwszy rzut oka nader duże, ale w wyniku ruchu odbiornika straty te występują tylko krótkotrwale. Przy dużych prędkościach (orientacyjnie> 1 m/s) i szybkich procesach przyspieszania, nie można, ze względu na dynamikę układu, stosować zaworu kompensują­ cego. Sterowanie dławieniowe powoduje jednak zbyt zmiany długości drogi opóźniania.

ciśnienia

względów

dążenie

opóźniania=

sterowania z kompensacją ciśnienia od nie występuje taka zmiana drogi opóźniania dzięki zastosowaniu zaworu kompensującego, gdyż utrzymywana jest stała wartość ciśnienia w miejscu W

jest

układzie.

Zastosowanie układu elektronicznego z zależnym od drogi opóźnieniem daje przy tak szybkich ruchach znacznie lepszy wynik pod względem stałości drogi opóźnia­ nia, a tym samym stałości czasu trwania przemieszczenia (rys. 22). Zamykanie rozdzielacza proporcjonalnego odbywa się bestopniowo w zależności od drogi. Droga przemieszczania jest rejestrowana analogowo lub cyfrowo.

Natomiast w odniesieniu do zmiany drogi opóźniania nie moża tego zalecać, co potwierdza zamieszczone niżej obliczenie.

I Wyłącznik

v (ms]

Zakładając, że

mininalny całkowity spadek ciśnienia w rozdzielaczu przy 20 ac wynosi L1p = 1O [daN/cm2] i odpowiednio do strat z przewodach rurowych, które przy 50 ac wynoszą L1p = 15 [daN/cm2], otrzymujemy:

rkrańcowy V1 I I

V2

:

-~-'

I

50aC-7 v= 1,3 [m/s] 20 °C -7

V= V· \{1p1/L1p2

= 1,3·\!10/15=1,06[m/s] L1p1 =spadek ciśnienia w rozdzielaczu przy temp. 2oac L1p2 =spadek ciśnienia w rozdzielaczu przy temp. 50ac , Drogi przyspieszania i opóźniania wynoszą: przy 50 °C -7 Ss = v2 (2 · a) · 103 = 1,32/(2 · 2) · 103

422,5 [mm]

przy20aC-7> Ss= v2 (2 ·a)· 103 = 1,062/(2 · 2) · 103

= 281,6 [mm]

Zmiana drogi

E18

opóźniania=

140 [mm]

duże

hamowanias Rys.22

Kryteria projektowania

Obliczanie wymiarów siłowników i silników dla układów sterowania z 4-drogowym rozdzielaczem proporcjonalnym Punktem wyjścia dla obliczeń jest dane locie pompy. a) Ruch posuwisty przy Do obliczenia

ciśnienie

na wy-

napędzie siłownikiem

niezbędne są następujące

Masa przemieszczana (na 1 siłownik) statyczne (na 1 siłownik) Siła statyczna (na 1 siłownik) Siła tarcia (na 1 siłownik)

dane:

m

Obciążenie

Fs1 FK FR

Prędkość siłownika

v t8

Pożądany czas

przyspieszania Ciśnienie na wylocie pompy Straty l1pw przewodzie rurowym

PP l1Pv

[kg] [N] [N] [N] [m/s] [s] [daN/cm2] [daN/cm2]

b) Ruch obrotowy przy napędzie silnikiem hydraulicznym Do obliczenia niezbędne

są następujące

dane:

Masowy moment bezwł. na wale napędzanym

J

Statyczny moment od obciążenia na wale napędzanym Statyczny moment siły na wale napędzanym Moment tarcia na wale napędzanym Moment bezwł. silnika i przekładni

JM

Przełożenie przekładni

i

Ms1 MK

Me

obrotowa silnika/prędkość obrotowa na wale napędzanym = nM/n Prędkość obrotowa silnika nM Prędkość obrotowa na wale napędzanym n Pożądany czas przyspieszania t8 Ciśnienie na wylocie pompy PP Straty l1pw przewodzie rurowym l1Pv

[kgm 2] [Nm] [Nm] [Nm] [kgm2]

Prędkość

[1/min] [1/min]

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Określanie wymaganej powierzchni czynnej siłow­ nika (lub geometrycznej objętości roboczej silnika) dla układu ze sterowaniem dławieniowym (bez kompensacji ciśnienia od obciążenia) Doświadczenie dowiodło, że wymiary siłownika lub silnika hydraulicznego zostały dobrze dobrane wówczas, gdy rozdział będącego w dyspozycji ciśnienia

[pp - l1Pv] przedstawia się następująco: 1/3 na obciążenie 1/3 na przyspieszenie 1/3 na prędkość. To znaczy, że przy 1/3 obciążenia tylko 1/2 wartości [(pp - llPv) - Psl powinno być wykorzystane na opóź­ nianie masy lub masowego momentu bezwładności, gdyź w przeciwnym razie rozdzielacz proporcjonalny musiałby realizować zbyt duże zmiany przekrojów przy przechodzeniu ze stałej prędkości na opóźnianie. Udział obciążenia bardzo rzadko będzie wynosić dokładnie 1/3. Z tego względu należy od dysponowanego ciśnienia zawsze odejmować rzeczywiste ciśnienie wynikające z obciążenia, a następnie określać. wymiary siłownika lub silnika według podanych wyżej wzorów. Przy napędzie siłownikiem powierzchnię czynną oblicza dla odpowiedniego przyspieszenia lub opóźnienia w sposób następujący: się

1/1 O · a · m = llp · Aw llp = 112 ·[(pp - l1Pv) - Ps] Ps = (Fs1 + FR)/(Aw · 1O)

Aw

= powierzchnia czynna [cm2] a= przyspieszenie [m/s2J

L\p =ciśnienie czynne (daN/cm2]

a == v!t8 -7 v!t8 · m/10 =

= 1/2. [(pp -

l1Pv) - (Fst +FR) I (Aw. 10)]. Aw

[s] [daN/cm2] [daN/cm2] W fazie przyspieszania lub opóźniania nie będzie działać siła FK, wynikająca z obróbki, tłoczenia itp. Uwaga: w fazie przyspieszania ma jednak działać jakaś część siły, to tę część należy dodać do siły statycznej FK.

Jeżeli

Powierzchnię czynną

nia i maksymalnej

siły

dla stałej prędkości przemieszczaFK oblicza się następująco:

"1 O" -7 najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcjonalnym.

E19

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Większa powierzchnia czynna z obydwu obliczeń wyz-

Dla stałej poędkości i maksymalnego momentu siły MK

nacza wymiary siłownika. Jeżeli powierzchnia czynna i czas przyspieszenia są znane, to można odpowiednio obliczyć wamagane ciś­ nienie na wylocie pompy.

Dla przyspieszenia

"1 O" --7 najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcj. Większa

geometryczna objętość robocza decyduje o wyborze silnika hydraulicznego.

Gdy geom. objętość robocza i czas przyspieszania są już znane, wówczas można obliczyć wymagane ciśnienie na wylocie pompy:

Przy prędkości stałej i maksymalnej sile

dla przyspieszania ~·-· <'" ~'.'F'>'?:v:-

"1 O" --7 najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcj. Gdy znane są powierzchnia czynna i ciśnienie na wylocie pompy, wówczas można obliczyć czas przyspieszania

Dla napędów silnikami hydraulicznymi oblicza się geometryczną objętość roboczą przy sterowaniu dławieniowym dla przyspieszania i opóźniania w sposób następujący:

w

= (Va· L1p)/(1 o· n) = 1/2 ·(pp - L1Pv) = w!t8 = n · n · i/30

Ps

[(Ms+ Me) · 20 · 11)/(i · Va

Jali2 • E

L1p E

' "1 O" -7 najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcj.

Gdy geom. objętość robocza i ciśnienie na wylocie pompy są już znane, wówczas oblicza się czas przyspieszania.

Psl

·n· n·

i/(30 · t8 )= Va/(20 · l1) · 1/2 {(pp - L1pv) -

Jafi2

=

dla stałej prędkości obrotowej i maks. momentu MK

- [(Ms+ Me) · 20 · !1)/(i · Va) }

L1p

= wamagana różnica ciśnień dla przyspieszania

[daN/cm2]

= całkowity moment bezwł. na wale napędzanym

[kg m2]

i

= pr. obr. silnika/pr. obr. wału napędzanego

Va

= geometryczna objętość robocza

w

= prędkość kątowa = przyspieszenie kątowe

silnika E

[cm3/obr.] [1 /s] [1 /s2]

Uwalli!.; w fazie pryzspieszania działa moment siły MK, to należy ten moment dodać do momentu od obciążenia Ms.

Jeżeli

E20

I

Kryteria projektowania układów sterowania z :zaworami proporcjonalnymi

Określanie wymaganej powierzchni czynnej siłow­ nika dla układów z kompensacją ciśnienia od obciążenia

W

układach

sterowania z

kompensacją ciśnienia

napędów silnikami hydraulicznymi i sterowania z kompensacją ciśnienia od obciążenia oblicza się geom. objętość roboczą dla przyspieszania i opóźniania

Dla

od ob(p

ciążenia można dysponować całkowitym ciśnieniem

- i1Pv) po odjęciu i1Pv na zaworze kompensującym (8 daN/cm2) i spadku ciśnienia na krawędziach sterujących od odbiornika do zbiornika (8 daN/cm2). Powierzchnię czynną dla następująco:

przyspieszania i

opóźniania

oblicza się

Natomiast powierzchnię czynną dla prędkości maksymalnej siły FK oblicza sięy następująco:

stałej

dla

prędkości stałej

"16"

~

i maks. momentu

siły

MK

i najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcjonalnym + na zaworze kompensującym

Gdy znane już są geom. objętość robocza i czas przyspieszania, wówczas można obliczyć ciśnienie na wylocie pompy, jakie jest wymagane dla przyspieszania "16"

~

najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcjonalnym + na zaworze kompensującym

Większa

powierzchnia czynna Aw wyznacza wymiary

siłownika. Jeżeli powierzchnia czynna i czas przyspieszania są już znane, to można obliczyć ciśnienie na wylocie pompy, które wynosi:

- dla stałej prędkości obrotowej i maksymalnego momentu MK otrzymujemy:

dla przyspieszania

"16"

dla prędkości

stałej

i maksymalnej

siły

FK

~

najmniesjszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcjonalnym + na zaworze kompensującym

Gdy geom. objętość robocza i ciśnienie na wylocie pompy są znane, wówczas oblicza się czas przyspieszania

"16" --7> najmniejszy spadek ciśnienia w rozdzielaczu proporcjonalnym + na zaworze kompensującym Jeżeli powierzchnia

są

czynna i ciśnienie na wylocie pompy znane, to wtedy oblicza się czas przyspieszania

E21

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Obliczenia i wpływ częstotliwości dów hydraulicznych

własnej ukła­

Wspomniano już wyżej, że częstotliwość własna jest miernikiem dobroci napędu i najmniejszego możliwego czasu przyspieszania. Dla obliczenia dokładnej częstotliwości własnej układu muszą być znane różne parametry, jak tarcie mechaniczne i lepkość oleju hydraulicznego. Niestety, dość często, parametry te nie są jeszcze znane w fazie projektowania. W praktyce wystarcza jednak obliczenie nietłumionej częstotliwości własnej i określenie odpowiednich wartości na podstawie doświadczenia. W celu lepszego objaśnienia obliczeń nietłumionej częs­ totliwości własnej układu hydraulicznego przedstawiono poniżej porównanie z częstotliwością własną mechanicznego układu sprężyna-masa.

E22

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Nietłumiona częstotliwość własna siłownika z tłoczyskiem dwustronnym

= Powierzchnia czynna tłoka

Aw h VL1 VL2 VA V3 , V4

= Skok siłownika = V1 = Objętość przewodów rurowych = V2 = Objętość przewodów rurowych = V8 = Objętość siłownika = Objętość oleju między rozdzielaczem

E01

=

regulującym i siłownikiem Moduł sprzężystości oleju

( V1

h/2

-+I

Cges.min

+ VA)

m Aw

L2

ll

Całkowita stała sprężystości Ccałc = C1 (ges.)

+ C2

= 2 · [Aw2 · E01/(V1 + h/2/10 · Aw)] = 2. [Aw2. Eo1/(V1 + VA)]

FMF

= 2 · [Aw2 • E01/V3)]

I -s +s I

Rysunek zastępczy powyższego

M

układu sprężyna-masa F T

s

= siła sprężyny

= czas trwania 1 całkowitego drgania = ugięcie sprężyny Il/2

Drgania nietłumione powyższego układu sprężyna-masa

T

n a12 n

Pulsacja układu sprężyna-masa

mo

2Il

=V Ccałc/m [1/s] (ges.)

Częstotliwość własna

Il/2

Rys. 23 Nietłumiona częstotliwość własna siłownika z tłoczyskiem dwustronnym

E23

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Wyznaczanie częstotliwości własnej

siłownika

dA

hydraulicznego

ds

ds

-------t+m

m VL1

A

VL1

B

I

C1 + C2max

1I

C1+C2 C1 + C2min

I

I I h

i

o

Rys. 24 Siłownik dwustronnego działania z dwustronnym C1 = AA2 · E 1 /[(AA· h/211 O) + VL1] 0

C2

= As 2 · E01 /[(As· h/2/1 O) + VLd

w0

= Y(C1

1

tłoczyskiem

[N/m]

C1 C2

m h

[kg] [mm]

częstotliwości własnej

hK AK AR VL 1

[mm] [cm 2] [cm 2] [cm3]

VL 2

[cm3] [kg/cm· s2] [N/m] [N/m]

Moduł sprężystoxci Stała sprężystości Stała sprężystości

E24

= 1,4 · 107

E01 .

po stronie tłoka C1 po stronie tłoczyska C2

C2

C1+C2min I

I

h

Rys. 25. Siłownik dwustronnego działania z tłoczyskiem jednostronnym

[N/m]

Masa Skok siłownika Skok siłownika przy najmniejszej

tłoczyska

VL2

o

Częstotliwość własna w środkowym położeniu cylindra jest najmniejsza wówczas, gdy powierzchnia pierście­ niowa tłoka AA = As. a VL 1 = VL2·

Powierzchnia tłoka Powierzchnia pierścieniowa tłoka Objętość przewodów po stronie tłoka Objętość przewodów po stronie

B

C1 + C2max

i (1 /s]

+ C2)/m

A

= AK2 · E = AR 2 · E

01

/(AK· hK/10) + VL1]

[N/m]

01

/[(AR· (h - hK) + VL2l

[N/m]

Położenie osiąga

hK tłoka, w którym całkowita stała sprężystości minimum, można obliczyć następująco:

(C1 + C2)max = AK 2 · Eo1IVL1 + + AR 2 · E0 1/VL2 +AR· h/1 O) (C1 + C2)max

= AK2 · Eo1/VL 1 +AR· h/1 O) +

+ AR 2 · Eo1IVL2

dla h

=o

dlah = h

Różniczkując równanie dla (C1 + C2) można obliczyć (C1 + C2)min i przynależny temu skok siłownika:

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Wyznaczanie częstotliwości własnej siłownika hydraulicznego przy połączeniu różnicowym

Wyznaczanie częstotliwości własnej siłownika hydraulicznego dla układów sterowania z kompensacją ciśnienia od obciążenia

ds

h R

AK

AR

ł

ds

m VL2

VL1

A

B

Rys. 26

C1

= AK2 · E01 /(AK · h/10 + = Vc11m

VL1)

[N/m] [1/s]

W układzie z połączeniem rozrncowym (rys. 26) nie C2 po stronie powierzchni pierścieniowej AR przy wysuwaniu tłoczyska.

występuje stała sprężystości

Uzasadnienie Strona pierścieniowej powierzchni tłoka znajduje się pod PP· Siły zewnętrzne, działające na siłownik, nie powodują zwiększenia ciśnienia po tej stronie siłownika. Nie występuje więc jekiekolwiek zwiększenie sił reakcji w tej przestrzeni cylindra. stałym ciśnieniem

Najmniejsza wartość stałej sprężystości C1, a tym samym najmniejsza częstotliwość własna, występuje przy skoku h tłoka.

Rys.27

C2

Wo

= AR2 · E01/(AR · h/10 + = yc21m

VL 1)

[N/m] [1/s]

Również dla układów sterowania z kompensacją ciśnie­ nia od obciążenia można w obliczeniach uwzględniać tylko stałą sprężystości po jednej stronie cylindra.

Druga strona, nie podlegająca kompensacji ciśnienia od znajduje się pod stałym ciśnieniem wynikającym ze spadku ciśnienia na krawędzi sterującej dla wypływającego oleju (gdy zawór kompensujący znajduje się na dopływie.) obciążenia,

Siły zewnętrzne

nie powodują jakiegokolwiek zwiększe­ nia ciśnienia, a tym samym jakiegokolwiek zwiększenia siły po tej stronie siłownika. Najmniejsza wartość stałej sprężystości, a 'więc najmniejsza częstotliwość własna, występuje przy wsunię­ tym tłoku siłownika.

E25

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Określanie częstotliwości własnej

dla napędów z sil-

nikami hydraulicznymi

'w

a

A

B

p

T

b

Rys.28 C1

C2

Wo

= [VG (2. JI)]2. Eol /[ZV8 /2 + Vu) · 104

[Nm/rad]

= [VG (2. JI)]2. Eol /[ZVG/2 + VL 2) · 1Q4

[Nm/rad]

= V(C1 + C2)/JG

Masowy moment bezwładności Geom. objętość robocza silnika hydr. Objętość przewodów rurowych Objętość przewodów rurowych Moduł sprężystości = 1,4 · 107

[1 /s]

JG V8 VL1 VL2

E0 1.

(kgm2] [cm3/obr] [cm3] [cm3] [kg/cm · s2]

Rys.29 Dla układów sterowania z kompensacją ciśnienia od obw obliczeniach uwzględniać tylko stałą sprężystości jednej strony silnika. ciążenia można

Druga strona, nie podlegająca kompensacji ciśnienia od znajduje się pod stałym ciśnieniem, wynikającym ze spadku ciśnienia na krawędzi sterującej dla wypływającego oleju (gdy zawór kompensujący umieszczony jest na dopływie). obciążenia,

Siły zewnętrzne

nie powodu ją jakiegokolwiek zwięszenia a tym samym jakiegokolwiek zwiększenia sił po tej stronie.

ciśnienia,

Womin

E26

= VC1/JG

[1 /s]

Kryteria projektowania

układów

Jakie

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

wartości doświadczalne można

wyz dokonanych obliczeń częstotli­ wości własnej dla układów z rozdzielaczami proporcjonalnymi? prowadzić

a) Najmniejsza częstotliwość własna

układu

Częstotliwość własna układów ze sterowaniem

bez komnie powinna być mniejsza niż 3 Hz= 18,84 [1/s], a układów z kompensacją ciśnienia od obciążenia nie powinna być mniejsza niż 4 Hz= 25, 13 [1/s]. pensacji

ciśnienia

Przy mniejszych częstotliwościach własnych układu okaprocesy przyspieszania i opóźniania nie mogą już dobrze przebiegać ze względu na zbyt małą sztywność układu. Ponadto przy małych prędkościach przemieszczeń należy liczyć się z występowaniem ruchu przerywanego wskutek przywierania (stick-slip). zało się, że

Takie objawy ujemne już wcześniej występują w ukła­ dach z kompensacją ciśnienia od obciążenia, ponieważ zawór kompensujący ma również własną charakterystykę częstotliwościową. Sterowanie dławieniowe (bez kompensacji ciśnienia od obciążenia) ma dodatkowe działanie tłumiące i lepiej wygładza nierówny przebieg prędkości przy małych częstotliwościach układu. Przy

dużych różnicach między

tarciem spoczynkowym i w układach ze sterowaniem dławieniowym liczyć się z tym, że przebieg prędkości wcale nie będzie nawet w przybliżeniu stały. poślizgowym należy jednak również

b) Minimalny czas przyspieszania i opóźniania Na postawie

częestotliwości własnej można określić

wartość doświadczalną

czasu przyspieszania i opóźnia­

nia. Dla układów sterowania z zaworami natężeniowymi proporcjonalnymi i rozdzielaczami proporcjonalnymi otrzymuje się

t8 = 18/w0 [s] w0

= nietłumiona pulsacja układu w [1 /s]

Dla celów praktycznych zamieszczono na następnej stronie tabelaryczne zestawienie czasu przyspieszania/ opóźniania w zależności od wartości pulsacji w0 . Tablica zawiera także wartości przyspieszenia a, wyrażone w [m/s2] i odniesione do różnych prędkości ruchu.

E27

Kryteria projektowania

układów

sterowania z zaworami proporcjonalnymi

V=

0,5

I

dla prędkości v [mis] V=

1

I

V=

1,5

I

V=

2

otrzymuje się przyspieszenie/opóźnienie

a w(m/s2)

tB (s)

0,138 0,277 0,416 0,555 0,833 1, 111 1,388 1,666 1,94 0,225 02 0,18 0,16 0,15 0,138 0,128 0,12 O, 1125 0,105

O, 1 Uwaga

najmnieiszy czas przyspieszania/opóźniania można za pomocą trzech wielkości charakterstycznych:

wyznaczać

1. Najmniejszy czas przyspieszania/ opóźniania z zaleźności od częstotliwości własnej w0 [1 /s]

2. Najmniejszy czas przyspieszania/ opóźniania wyznaczany przez zainstalowaną wielkość ciśnienia roboczego pompy 3. Najmniejszy czas przyspieszania/ opóźniania ograniczony przez własny czas przełączania rozdzielacza proporcjonalnego

E28

4,16 4,44 4,72 5,0

0,277 0,55 0,833 1, 11 1,66

3,33 3,89 4,44 50 5,56 6, 11 6,66 7,22 8,33 8,89 9,44 10,0

0,416 0,833 1 1,66 3,33 4,16 5,0 5,83 6,66 75 8,33 9,16 10,0 10,83

0,555 i' 11 1,66 3,33 4,44 5,55 6,66

8,88 10 o 11, 11 1

Kryteria projektowania układów sterowania z zaworami proporcjonalnymi

Notatki

E29

Rozdział

F

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami Dieter Kretz

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

Historia rozwoju serwozaworów elektrohydraulicznych Podstawowe rozwiązania systemów serwohydraulicznych wywodzą się z lotnictwa. Elektrohydrauliczne serwozawory zostały skonstruowane w celu umożliwienia bardzo dokładnego sterowania obiektami latającymi przy użyciu jak najmniejszych elektrycznych sygnałów wejś­ ciowych. Przejście od elektrycznych lub elektronicznych układów sterowania do elektrohydraulicznych układów sterowania i regulacji było w szczególności uwarunkowane większymi prędkościami lotu i wynikającymi stąd większymi szybkościami nastawiania i większymi siłami nastawczymi. Wobec elementu nastawczego postawiono tutaj wyższe wymagania pod względem szybkości, dokładności i stosunku masy do mocy. Z biegiem lat również przemysł sięgnął do tych rozwią­ zań technicznych i uwzględniając dokładności wymagane w praktycznych zastosowaniach przemysłowych wprowadził takie zmiany, kóre umożliwiły oferowanie elektrohydraulicznych zaworów po cenie opłacalnej dla

określeniem układy

Dla oceny elektrohydraulicznych układów regulacji lub granicy ich możliwości, niezbędne jest by użytkownik poznał także następujące dziedziny: - technika regulacji; - elektronika; - hydraulika; - technika pomiarowa. określenia

Układy

serwohydrauliczne jako system

Stało się rzeczą oczywistą, że układ

serwohydrauliczny

tworzy określony system. Rozważaniami należy objąć niczące

wszystkie elementy uczest-

w procesie regulacji.

Wynik jest w dużym stopniu uzależniony od intensywnej współpracy wszystkich osób uczestniczących w opracowaniu projektu.

przemysłu.

Definicja układów serwohydraulicznych Pojęcie "układ serwohydrauliczny" znalazło trwałe miejsce w słownictwie technicznym. Mimo to istnieje jeszcze wiele różnych poglądów na temat znaczenia tego pojęcia.

Jeszcze bardziej wyrazistym określeniem dla tego poję­ cia mogłoby być, na przykład, "technika regulacji elektrohydraulicznej". Tym

serwohydrauliczne należy więc nie tylko poszczególne składniki układu hydraulicznego, lecz raczej współdziałanie stosowanej techniki regulacji, w tym hydrauliki do przenoszenia energii oraz elektroniki do przetwarzania informacji. Pod

widzieć

pojęciem można byłoby objąć

wszystkie rodzaje zaz elementami hydraulicznymi działającymi w układach regulacji.

począwszy od możliwie fazy projektowania, pozwala spodzieoptymalnego wyniku.

Jedynie dobra

współpraca,

najwcześniejszej wać się

Wymuszone rozwiązania kompromisowe powstają zwłaszcza wówczas, gdy współdziałanie rozpoczęło się w takim czasie, kiedy nie można już zmienić wcześniej ustalonych istotnych cech charakterystycznych danego projektu.

stowań

Zastosowanie w układach regulacji oznacza, że stan roboczy jest stale nadzorowany środkami techniki pomiarowej, a odchyłki od wymaganego stanu są samoczynnie korygowane. Wielkości regulowane chanicznymi, jak:

są najczęściej wielkościami

- przemieszczenie

lub

kąt

me-

obrotu

-

prędkość

lub

prędkość

-

siła

lub

moment obrotowy

obrotowa

albo wielkościami hydraulicznymi, jak: -

natężenie przepływu

-

ciśnienie.

Praktyczna realizacja regulacji wymienionych wymaga zastosowania odpowiednich dzeń do pomiaru wartości rzeczywistej. wielkości

wyżej urzą­

F1

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

Różnice mmiędzy

torem sterowania i

układem

regulacji Tor sterowania Gdy zwarty zostanie zestyk w łączniku elektrycznym "a'', wówczas wzmacniacz proporcjonalny "b" steruje zaworem proporcjonalnym zgodnie z nastawioną wartością zadaną.

Zawór proporcjonalny otwiera

się

i powstaje

określony

przepływ.

Następuje

ruch

tłoczyska siłownika

hydraulicznego Z.

Jeżeli

wymaga się, by po rozwarciu zestyku w wyłącz­ niku "a" tłok siłownika zatrzymał się w ściśle określonym i powtarzalnym miejscu, to spełnienie tego jest możliwe tylko z pewnymi zastrzeżeniami. Powody tego są następujące: - Charakterystyka zaworu proporcjonalnego zmienia się wraz ze zmianą lepkości oleju. - Spadek ciśnienia w zaworze zmienia się wskutek zależnych od lepkości strat w przewodach rurowych. - Różne lip dają różne natężenia przepływu, a tym samym różne szybkości nastawiania siłownika hydraulicznego. -· Droga hamowania zmienia się w zależności od przemieszczanej masy i szybkości nastawiania. W torze sterowania wszystkie te wpływają na wynik.

Lącznik

Wzmacniacz

Rozdzielacz proporjonalny

hydrauliczny

a

b

c

z

"wielkości zakłócające"

Rys. 1 Schemat blokowy toru sterowania

M

© ®

®

Rys. 2 Sterowanie za pomocą rozdzielacza proporcjonalnego

F2

Siłownik

elektr.

A

B

p

T

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

Układ

regulacji

Potencjometrem P1 wybiera się wstępnie napięcie warzadanej, odpowiadające określonemu położeniu tłoka. Faktyczne położenie tłoka, wartość rzeczywista, zostaje przez potencjometr P2 odwzorowana również w postaci napięcia. Obydwa napięcia zostają doprowadzone na wejście wzmacniacza V, gdzie odejmowane jest jedno napięcie od drugiego, tzn. utworzona zostaje różnica między wartością zadaną i rzeczywistą, czyli odchyłka lub uchyb regulacji. Odchyłka zostaje wzmocniona we wzmacniaczu V i może już wzbudzić cewkę serwozaworu SV. Wskutek tego serwozawór otwiera przepływ i powoduje przemieszczenie się tłoka. Zmienia się także położenie potencjometru P2, napięcie wartości rzeczywistej zbliża się do napięcia wartości zadanej tak długo, aż zostanie osiągnięte żądane położenie. Podtości

Wzmacniacz Xzadana

-f:r!lt.

Ue

*' Xrzecz

Można zauważyć, że

opisane wyżej wielkości zakłóca­ ujemnie w otwartym torze sterowania, natomiast w zamkniętym układzie regulacji nie wpływają one w ogóle lub prawie nie wpływają na wynik. Jest to ważną cechą charakterystyczną techniki regulacji, a zatem i układu serwohydraulicznego.

jące oddziaływały

Siłownik

Serwozawór

Ua

r>

czas tego procesu odchyłka regulacji stale się zmienia i mimo wzmocnienia cewka serwozaworu otrzymuje coraz mniejszy prąd. Oznacza to, że serwozawór stopniowo zamyka przepływ i wskutek tego hamuje tłok. Po osiągnięciu pożądanego położenia odchyłka jest równa zeru, a serwozawór jest zamknięty.

SV

q

X

z

~

System pomiarowy (czujnik przesunięcia)

K Rys. 3 Uproszczony schemat blokowy układu regulacji

M

--ł~----------~-1--

Potencjometr wartości reczywistej

A

B

p

T

Potencjometr zadanej

wartości

V

P1

C>

Serwozawór

Wzmacniacz Rys. 4

Układ

regulacji z serwozaworem

F3

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

Pojęcia,

dane i ich znaczenie praktyczne

Do opisania serwozaworów stosuje się dużą liczbę których znaczenie należałoby najpierw zdefiniować i objaśnić. pojęć,

1. Parametry statyczne 1.1 Nominalne natężenie

Nominalne natężenie przepływu odnosi się zawsze do wysterowania serwozaworu. Przy częściowym wysterowaniu natężenie przepływu zmienia się proporcjonalnie do stosunku wysterowania. pełnego

1.2 Charakterystyka

przepływu

Nominalne natężenie przepływu przez serwozawór jest odnoszone najczęściej do całkowitego spadku ciśnienia 70 bar. Nie oznacza to jednak, że można pracować tylko ze spadkiem ciśnienia 70 bar. Można ustalić każdy dowolny punkt pracy (natężenie przepływu).

natężenia przepływu

Zależność między natężeniem przepływu przez zawór i elektrycznym sygnałem wejściowym przedstawiono niżej w postaci charakterystyki natężenia przepływu.

A, B

A B

= charakterystyczne punkty robocze = punkt roboczy wokół punktu zerowego = punkt roboczy w stanie otwarcia

Znaczenie punktu roboczego dla zadania regulacji opisano w p. 1.3 (str. F 6).

Onom

= Nominalne

natężenie przepływu

przy nominal-

nym spadku ciśnienia L1Pnom

110 100

a

- - [%] Natężenie przepływu

ON

80 60 B

Wzmocnienie 200 %

40

60 Prąd

A -60 -80

Typowa charakterystyka natężenia przepływu

Rys. 5 Charakterystyka natężenia przepływu

F4

-100 -110

80 100 znamionowy[%]

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

w lewo

w prawo

+--

--+

+ Q Qo

Qo = 100 %

-

o·

w lewo

+---+

= 100 %

Yo= O wprawo

--+

Q

Przekrycie zerowe W położeniu suwaka IY I = O. nie ma w ogóle przepływu. Przy IYI > Ojest stały przepływ poprzez krawędź sterującą

Przekrycie dodatnie Przekroje dławiące pozostają zamknięte w zakresie IY I ~Y0 . Przy IY I > Y0 jest stały przepływ poprzez krawędź sterującą

-Q

w lewo

+-+O

wprawo

--+

Przekrycie ujemne W zakresie Y = Y0 jest stały przepływ poprzez obydwie krawędzie sterujące. Przy IY I > Y0 jest jeszcze przepływ poprzez jedną krawędź sterującą

Rys. 6 Charakterystyki natężenia przepływu dla różnych przekryć w punkcie zerowym (punkt A) F5

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

1.3 Przyporządkowanie przekrycia do zadania regulacji

a [L/min]

Regulacja położenia i ciśnienia Przy regulacji położenia i ciśnienia zawór działa w punkcie roboczym "A", tzn. koło punktu zerowego. Do takiego zastosowania należy wybrać przekrycie zerowe lub przekrycie ujemne. Przekrycie dodatnie nie może tutaj być przydatne, ponieważ w obrębie zakresu przekrycia sygnały nie będą przenoszone, a poza zakresem przekrycia następować będzie przekazywanie sygnałów ze zniekształceniami. Uniemożliwia to uzyskanie stabilnej regulacji. - Regulacja prędkości lub natężenia przepływu W układzie regulacji prędkości zawór działa w punkcie roboczym "B". W takim razie można stosować dodatnie przekrycie w punkcie zerowym. - Działanie zamykające przy przekryciu dodatnim Przekrycie dodatnie nie zapewnia niezawodnego zamknięcia. Na ogół wybiera się małe przekrycie, aby przy pozostającym przemieszczeniu można było osiągnąć jeszcze wystarczający przepływ. Wskutek przesunięcia punktu zerowego w wyniku wahań ciśnienia i temperatury albo przy jednostronnym zanieczyszczeniu zwężki powstaje wolny przepływ w jednym kierunku i napęd rusza.

1.4 Wzmocnienie

-I

Punkt zatrzymania

Prąd

E = i2 - i1[mA] Rys. 7 Czułość progowa przy zmianie znaku sygnału Czułością przy zmianie znaku sygnału nazywa się zmianę elektrycznego sygnału wejściowego powodującą zmianę natężenia przepływu, jeżeli sygnał w danym punkcie zatrzymania zmieniany jest w przeciwnym kierunku do tego, w którym osiągnięto ten punkt. Dane podaje się w% prądu znamionowego.

-

Czułość

natężenia przepływu

a [L/min]

Wzmocnienie podawane jest na ogół jako stosunek między sygnałem wyjściowym i wejściowym. Wzmocnienie natężenia przepływu można więc określić nastę­ pującym wzorem:

i [mA]

Powyższa zależność

przedstawia średnie nachylenie charakterystyki natężenia przepływu. Nachylenie tej charakterystyki jest zależne od ciśnienia w układzie. Z powodu tolerancji produkcyjnych otrzymuje się różne wzmocnienia, zwłaszcza koło punktu zerowego (patrz charakterystyka natężenia przepływu na rys. 6). Z tego względu przy wymianie zaworu może zaistnieć konieczność poprawienia nastawienia regulatora.

I

Rys. 8 Czułość przy zmianiu znaku sygnału Czułość

progowa i czułość przy zmianie znaku sygnału strefami martwymi, wywierającymi wpływ na dokładność układu regulacji. są więc

1.5 Czułość progowa "E" i czułość przy zmianie znaku sygnału "S" - Czułość progowa Pod czułością progową rozumie się taką zmianę elektrycznego sygnału wejściowego, która jest konieczna dla wytworzenia mierzalnej zmiany natężenia przepływu, gdy sygnał w danym punkcie zatrzymania zmieniany jest w tym samym kierunku, w którym osiągnięto ten punkt. Czułość progową podaje się w % prądu znamionowego.

F6

Podjęcie odpowiedniej korekcji przez serwozawór wymaga takiego sygnału wejściowego, który, odpowiednio do kierunku korekcji, musiałby być większy od czułości progowej lub czułości przy zmianie znaku sygnału. Sygnał wejściowy powstaje w wyniku odchyłki regulacji, a więc w wyniku różnicy między wartością zadaną i rzeczywistą. Oznacza to, że serwozawór wywiera bezpoś­ redni wpływ na zakres regulacji natężenia przepływu oraz na możliwą dokładność pozycjonowania przy regulacji położenia, jeżeli pominięte zostaną stosunki ciśnie­ nia.

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

1.6 Funkcja ciśnienie -

sygnał

Korygowanie napędu wymaga zastosowania odpowiedniej siły. Z tego względu duże znaczenie ma przebieg ciśnienia wyjściowego w funkcji sygnału wejściowego. Przebieg ten przedstawiono w postaci charakterystyki ciśnienia. Charakterystykę ciśnienia zdjęto łączach

przy zamkniętych przy-

y

odbiornika.

Psilnika

Rys. 1O

-f- [%] nom

Rys. 9 Funkcja

Czterokrawędziowa

-

P2

regulacja

dławieniowa

Zakładając

idealne warunki można natężenie przepływu przez miejsce dławienia określić według następującego równania:

Gdzie Q jest natężeniem przepływu oleju, Y jest stopniem wysterowania (wyrażonym procentowo, patrz rys. 11 ), K jest stałą, która uwzględnia geometrię szczeliny sterującej, gęstość oleju idt„ a
ciśnienie-sygnał

1.7 Wzmocnienie

= PL = P1

ciśnienia

Stosunek ciśnienia wyjściowego do sygnału wego nazywany jest wzmocnieniem ciśnienia.

wejścio­

Na podstawie charakterystyki ciśnienia można stwierna ile serwozawór musi otworzyć przepływ aby uzyskać ciśnienie niezbędne dla korekcji. Otwarcie zaworu powodowane jest z kolei przez układ regulacji. Z tego powodu powstaje ścisły związek między wzmocnieniem ciśnienia i dokładnością regulacji. Z tego względu wzmocnienie ciśnienia powinno być możliwie duże. Z przedstawionej charakterystyki ciśnienia wynika, że przy 1 % prądu znamionowego można do korekcji odchyłki regulacji dysponować już ciśnieniem, stanowią­ cym 80 % ciśnienia w układzie.

Przyłączony

w danym przykładzie silnik, w zależności od wymaga ciśnienia PL· Jeśli Ps jest ciśnieniem w układzie, to jako spadek ciśnienia pozostaje obiążenia,

dzić

1.8 Funkcja

natężenie przepływu

-

obciążenie

= O, wówczas w układzie jako
Gdy silnik nie jest obciążony, tzn. PL można dysponować całym ciśnieniem

Napęd z serwozaworem składa się na ogół z serwozaworu oraz siłownika lub silnika jako odbiornika. Na ruchy odbiornika wywiera się wpływ przez dławienie doprowadzanego strumienia oleju.

F7

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

2. Parametry dynamiczne Miarodajną

dla

dokładności

regulacji

napędu

jest jego wzmocnienie całkowite. Częstotliwość własna napędu wyznaczana jest właściwie przez dynamikę serwozaworu.

częstotliwość własna i wynikające stąd możliwe

Podanie stałej czasowej nie jest wystarczające dla opisania charakterystyki dynamicznej. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem badania władności dynamicznych jest wyznaczanie charakterystyki częstotli­

11 Prąd znamionowy

wościowej. Według łami

tej metody serwozawór jest wzbudzany sygnasinusoidalnymi i bada się reakcję zaworu na te

sygnały.

Sygnał

odpowiedzi serwozaworu

(natężenie przepływu

Q) jest też sinusoidalny, jednakże w porówaniu z sygnao~~_._~_....~~..__~_._.~_,,.--

o

20

40

60

80

100

Ciśnienie od obciążenia w% ciśnienia roboczego

łem wzbudzjącym ma on jak i położenie fazowe. Zaczynać należy

Sygnał wejściowy

Xe

obciążenie

Sygnał wejściowy

Xa

+

Czas t[ms]

Przesunięcie

cp

fazowe

14--

Rys. 12a i 12b Charakterystyki częstotliwościowe Sygnał wejściowy

X8

Sygnał wejściowy

Xa

+

Czas t[ms]

F8

zarówno

amplitudę,

i stopniowo ją w miarę zwiększania się częstotliwości maleje amplituda i ruch zaworu wciąż "pozostaje w tyle" za sygnałem wejścio­ wym. zwiększać.

Rys. 11 Funkcja natężenie przepływu -

zmienioną

od

Należy

małej częstotliwości

przy tym

zauważyć, że

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

2.1 Wykres Bodego Powyśze zależności

przedstawia się w postaci wykresu

Bodego. Na tym wykresie każdorazowy stosunek amplitudy wyjdo amplitudy wejściowej Xa/X 8 nanosi się na częstotliwość wzbudzenia i otrzymuje się w ten sposób "charakterystykę amplitudową". Następnie na osi częstotliwości wpisuje się przesunięcie fazowe sygnału wyjściowego względem sygnału wejściowego i otrzymuje się w ten sposób "charakterystykę fazową". Obydwie krzywe łącznie tworzą wykres Bodego. ściowej

Częstotliwość f - 90° opisuje ten punkt charakterystyki fazowej, w którym sygnał wyjściowy jest opóźniony fazowo o 90° w stosunku do sygnału wejściowego.

A(dB) 1

o -1

~

28 26 24

N-

(}'

co

J;1 0,5 14

1111

I ITTI

co

:;: o

$ ~

...

ca

2

o -2 -4 -6

\

-3

4 -16 2 -18

i.-

010

-

20

.....

........-

70 Częstotliwość Hz

-8

~

20

j

30

\ ~

f'

\

75

- 60 \

'\

-

\

\

45

- 30

\

-

200

300

'·\ \

15

o

40 5060 80100

ON: 45 - 75 L/min, ON: ~ 30 L/min, ON: 45 75 L/min, ON: ~ 30 L/min,

Częstotliwość

Z;N z;N 25 % z;N 25 % ziN

Hz

Rys. 14 Charakterystyka częstotliwościowa serwozaworu wielk. mech. 1O z mechanicznym sprzężeniem

40°

- 20°

Częstotliwość

Rys. 13 Wykres Bodego

~

V

0,9

podaje się najczęściej w dB (de-

0,7

0,6

Gdzie

0,5

I

7

/'

------

f-90° przyp= 140 bar

1,1

0,8

cybelach).

f-90° przy ciśnieniu p

Częstotliwość

200

1,0

Charakterystykę fazową

'

60° -

100

~

'

::;....-"'

- 90

\

i=:;;

-120° -100°

Charak!. fazowa '

-120

-105

~ '

,# ~

' "i.. ~~

30 40 50

V/ ~:(, I/

----·-----

80°

I; ,

1' •

V' (

()

-

()

-6

-180° -160°

17

' \I~

I

10

-140°

11 7 /

' „. li „ ~ I ,., f 1\

)17/

-7 -9

li

-150 -135

/

-4

z

\. 17

~ 0,4 12 -8 i::' ~ 0,3 10 -10 !:i 8 -12 _fg 0,2 6 -14

0,1

lllTl

Charak!. amplitudowa '

co :;:

22 .g 1 20 .-El 18 ~ 0,7 16

1111

&

'

""'\ l\

\

-2

-5 lin dB dB

//

.... r\., "·~ ... !"';

-165

/

/

17

0,4

o

50

100

150

200

250

300

140 Ciśnienie

lub po przestawieniu

robocze p [bar]

Rys. 15 Zależność od ciśnienia roboczego Istotny wpływ na charakterystykę serwozaworu wywiew układzie Ps i wielkość sygnału wejścio­ wego /!lnom. rają ciśnienie

Do

jakościowego

opisania charakterystyki zdefiniowano parametry częstotli­ przy - 3 dB i przy - 90°.

czysto

częstotiwościowej wości

Jako f - 3 dB

określa się tę częstotliwość,

przy której Q zaworu opadł o - 3 dB w stosunku do sygnału wejściowego, przy czym - 3 dB odpowiada stosunkowi Xa/Xb == 0,707. Ten wskaźnik opisuje jeden punkt charakterystyki amplitudowej. sygnał wyjściowy

Dla ciśnienia roboczego 140 bar można bezpośrednio dane z charakterystyki częstotliwościowej.

odczytać

Dla innych ciśnień należy częstotliwość odczytaną z charakterystyki fazowej dla punktu - 90° przemnożyć przez wskaźnik odczytany z wykresu zamieszczonego na rysunku 15.

F9

Wprowadzenie do techniki sterowania serwozaworami

Notatki

F10

Rozdział

G

Serwozawory, budowa i działanie Friedel Liedhegener

Serwozawory, budowa i działanie

Uwagi ogólne Serwozawory firny Rexroth zostały opracowane z przeznaczeniem dla przemysłu i odpowiadają wymaganiom stawianym przez przemysł pod względem niezawodności, wymienności i łatwości obsługi technicznej. Zawory te są zbudowane według systemu konstrukcji modułowych.

Konstrukcja serwozaworów uwzględniam. innymi: - zasadnicze stosowanie znormalizowanych schematów rozmieszczenia przyłączy według DIN 24340 dla wszystkich wielkości nominalnych; - wymienność momentowych silników sterujących lub stopni wstępnych; - możliwość doregulowania z zewnątrz; - wymienność elementu filtrującego w stopniu wstępnym.

Serwozawory Rexroth stanowią kolejny podstawowy zestaw w programie dostaw grupy Mannesmann-Rexroth. "Serwo-" jest członem wielu wyrazów złożonych, uży­ wanych często w bardzo różnorakim znaczeniu. Na ogół pod tym określeniem rozumie się działanie, które przy

małym sygnale wejściowym powoduje duży sygnał wyjś­ ciowy (wzmacniacz).

Najbardziej znanym wydaje się serwomechanizm kie·· rowniczy w samochodzie, w którym poruszana małą siłą kierownica przenosi dużą siłę na koła. Podobnie dzieje się w układach hydraulicznych z serwozaworami. Sygnał sterujący o małej mocy, np. 0,08 W może analogowo sterować wielkimi mocami, sięgającymi do wielu setek kW.

Serwozawór, jako elektrycznie sterowany wzmacniacz hydrauliczny, stosowany jest przeważnie w układach regulacji, tzn. następuje nie tylko przetworzenie elektrycznego sygnału wejściowego w odpowiednie natężenie przepływu oleju, lecz ponadto następuje elektryczny pomiar uchybu od zadanej prędkości lub położenia i uchyb ten zostaje doprowadzony do serwozaworu w celu dokonania korekcji.

Rys. 1 Jednostopniowy zawór sterujący ciśnieniem, typ 4 WO 1 EO 2, pierwszy stopień modułowego systemu konstrukcji serwozaworów

Rys. 2 Serworozdzielacze wielk. nom. 1O z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym, typ 4 WS 2 EM 1O (z prawej); z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym, typ 4 WS 2EE10 (z lewej); z barometrycznym sprzężeniem zwrotnym, Typ 4 WS 2 EB 1O (w środku)

Rys. 3 Jednostopniowy zawór regulacyjny (serwozawór), typ 4 WS 1 EO 6

Rys. 4 Dwustopniowy rozdzielacz proporcjonalny typu 4 WRV; jako pierwszy stopień zastosowano zawór regulacyjny (wg rys. 3)

G1

Serwozawory, budowa i działanie

Momentowy silnik sterujący Silnik sterujący przetwarza mały sygnał prądowy w proporcjonalny ruch mechaniczny. W serwozaworach Rexrotha silnik ten jest samodzielnym elementem, odrębnie montowanym i wypróbowanym. Jest on też wymiennym elementem. Wszystko to ułatwia obsługę techniczną i

TWornik

Rurka (sprężyna

powrotna)

naprawę.

"Suchy silnik

sterujący"

względem części

jest hermetycznie uszczelniony hydraulicznej i jest skonstruowany

następująco:

Twornik, wykonany z magnetycznie "miękkiego" materiału, jest sprężyście zamocowany na cienkościennej rurce podatnej, która jednocześnie jest elementem prowadzącym przysłonę i przejmującym uszczelnienie względem cieczy roboczej. Przysłona należy więc konstukcyjnie do silnika sterującego, ale pod względem funkcjonalnym należy do wzmacniacza hydraulicznego. Silnik

Pierścień samouszczelniający

"O"

Przysłona

(z rubinową powłoką)

Regulowane śruby biegunowe

sterujący

jest silnikiem wzbudzanym magnesami zastosowaniu regulowanych "śrub biegunowych" można regulować szczelinę między twornikiem i śrubą biegunową, a tym samym można otymalizować charakterystykę silnika. trwałymi. Dzięki

Magnes trwały

Twornik magnesują dwie umieszczone na nim cewki. Wskutek tego wywierany jest moment na rurkę (sprężynę powrotną).

Wywierany. moment jest proporcjonalny do wartości prądu sterującego i przy wyłączonym prądzie sterującym (/ = O) moment ten jest równy zeru. Wtedy rurka (sprężyna powrotna) powoduje, że twornik, a tym samym przysłona powraca znów do położenia środkowego. Sposób przenoszenia momentu od twornika do przysłony w silniku o takiej konstrukcji ma oczywiste zalety, jak na przykład: - nie ma tarcia; - bardzo mała histereza; uszczelnienie oddzielające ciecz roboczą od silnika

Cewki sterowania

sterującego;

- nie ma pola magnetycznego w cieczy roboczej.

Rys. 5 Budowa momentowego silnika sterującego

Rys. 6 Momentowy silnik sterujący bez sprzężenia zwrotnego

Rys. 7 Momentowy silnik sterujący z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym

G2

Serwozawory, budowa i działanie

Pierwszy stopień Zawory typów 4 DS 1 EM 2 są jednostopniowymi serwozaworami sterującymi ciśnieniem i służą do wstępnego sterowania wielostopniowych serwozaworów. Składają się one głównie z: - silnika sterującego wzbudzanego magnesem trwałym (1) - wzmacniacza hydraulicznego (2) wykonanego w postaci zaworu typu dysza-przysłona.

Momentowy silnik sterujący Silnik sterujący jest silnikiem wzbudzanym magnesem i jest hermetycznie uszczelniony względem części hydraulicznej.

trwałym

Twornik, wykonany z magnetycznie miękkiego materiału, jest sprężyście zamocowany na cienkościennej podatnej rurce (4). Ta rurka stanowi jednocześnie element prowadzący przysłonę (5) i uszczelnia silnik sterujący (1) względem części hydraulicznej. Srubami biegunowymi (6) można regulować odległość między twornikiem (3) i górną płytą biegunową (8).

Wzmacniacz hydrauliczny Przetworzenie wychylenia przysłony w wielkość hydrauwe wzmacniaczu hydraulicznym (2) . . Jako wzmacniacz hydrauliczny stosowany jest tutaj układ dysza-przysłona rys. (8). liczną następuje

Układ ten składa się z dwóch dysz stałych D1 i dwóch dysz regulowanych D2. Występujące po obydwu stronach ciśnienie sterujące p jest obniżane przez dysze D1 i D2. Jeżeli przekroje poprzeczne dysz są jednakowe, to na dyszach występuje jednakowy spadek ciśnienia (np. p = 100 bar, AstfBst = 50 bar, T= O).

Wraz z wychyleniem przysłony zmieniają się odległości od dysz regulowanych. Na przykład przy wychyleniu przysłony w lewo: Maleje odległość przysłony od lewej dyszy 02, natomiast wzrasta odległość od prawej dyszy D2. Odpowiednio do tego, lecz w odwrotnym kierunku zmieniają się ciśnienia przy Ast i Bst· Ciśnienie Ast wzrasta, natomiast ciśnienie Bst maleje. Sygnałem, podlegającym wykorzystaniu, jest różnica ciśnień Ast - Bst·

Przy jednakowych odległościach i bez elektrycznego magnetyczny jest jednakowej wielkości w czterech szczelinach (9). Doprowadzenie do cewek (1 O) elektrycznego sygnału sterującego powoduje wychylenie twornika (3). Wraz z twornikiem (3) zostaje wychylona też przysłona (5). sygnału sterującego strumień

Moment, wytworzony przez prąd sterujący w tworniku, jest proporcjonalny do elektrycznego sygnału wejścio­ wego i przy wyłączonym prądzie sterującym (/ = O) jest równy zeru. Wtedy twornik i przysłona utrzymywane są przez rurkę (4) w położeniu środkowym.

A

B

Rys. 8 Zasada układu dysze-przysłony

Rys. 9 Schemat pierwszego stopnia

G3

Serwozawory, budowa i działanie

Wykres rys. (1 O) przedstawia zmianę ciśnienia w zależ­ ności od wychylenia. Dostrojenie zależności przeprowadza się tak, by uzyskać charakterystykę liniową (różnicy ciśnienia między

przyłączami

Ast - Bst)·

Olej sterujący jest doprowadzany od przyłącza P poprzez filtr ochronny (11) do dysz stałych (12) i dalej do dysz regulowanych (7). Odbiór ciśnienia Ast i Bst odbywa się zawsze między dyszami stałymi i regulowanymi. Właśnie

ta różnica ciśnień, będąca proporcjonalną do elektrycznego sygnału wejściowego, jest odprowadzana dalej do suwaka sterującego stopnia drugiego.

, 1

Ciśnienie

A81 i 8 81

--...

-t-1...+-11"+-'lł-!.--.--.__,.......,.._,,,.....,„,

0,2

0,2

0,1

i\p

= Bs1 -

Ast

40

Rys.1 O Zmiana ciśnienia w zależności od wychylenia przysłony

G4

Serwozawory, budowa i działanie

Dwustopniowy serworozdzielacz z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym Dwustopniowe serworozdzielacze

składają się głównie

- pierwszego stopnia; - mechanicznego sprzężenia zwrotnego (3) jako elementu łączącego pierwszy stopień z drugim; - drugiego stopnia z wymienną tuleją sterowniczą i suwakiem (5) połączonym z mechanicznym sprzęże­ niem zwrotnym (3). Drugi

W ten sposób następuje proporcjonalne do sygnału przemieszczenie suwaka, a tym samym nowe, wyregulowanie natężenia przepływu.

wejściowego

z:

stopień

Suwak sterujący (5) jest poprzez mechaniczne sprzęże­ nie zwrotne niemal bez luzu połączony z momentowym silnikiem sterującym stopnia pierwszego.

Na pokrywach (9) zaworu z lewej i prawej strony znaj2 śruby (8) z łbem walcowym o gnieździe sześ­ ciokątnym. Obracając te śruby można tak przesuwać położenie krawędzi sterujących tulei (4) w stosunku do suwaka (5), by dokładnie doregulować hydrauliczny punkt zerowy. dują się

Szczególne cechy zaworu

Zawór tego typu ma wymiary przyłączeniowe odpowiednie dla stopnia głównego (drugiego) według DIN 24340.

Zastosowany tutaj rodzaj sprzężenia zwrotnego działa na podstawie zależności równowagi momentów silnika sterującego (1) i sprężyny powrotnej (3). To znaczy, że w razie niejednakowych momentów, wywołanych przez zmianę elektrycznych sygnałów wejścio­ wych, następuje najpierw wychylenie przysłony (6) z jej położenia środkowego między dyszami regulowanymi. Wytworzona zostaje różnica ciśnień, działająca na obydwie powierzchnie czołowe suwaka. Suwak (5) zmienia swoje położenie wskutek działania wywieranego przez różnicę ciśnień. Zmiana położenia suwaka (5) powoduje zginanie sprężyny powrotnej (3), aż przysłona zostanie na tyle cofnięta do położenia środkowego, by nastąpiło zatrzymanie się suwaka głównego i zrównoważenie momentów.

Rys. 11 Dwustopniowy serworozdzie/acz typu 4 WS 2 EM 1O

Rys. 12 Dwustopniowy serworozdzie/acz z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym, typ 4 WS2EM10

G5

Serwozawory, budowa i działanie

Charakterystyka natężenia przepływu

W zależności od zastosowania serwozaworu, oprócz jego własności dynamicznych, ważne są też dwa parametry hydrauliczne, mianowicie: wzmocnienie natężenia przepływu i przekrycie suwaka (określające wzmocnienie ciśnienia). Wzmocnienie natężenia przepływu (rys. 13)

Tuleja ma protokątne okienka sterujące, które w zależności od sygnału wejściowego odsłaniane są przez suwak główny. Szerokość tej szczeliny wyznacza wzmocnienie natężenia przepływu (objętości cieczy na skok suwaka). Podawane jest natężenie przepływu występu­ jące przy 1OO% prądu wejściowego i spadku ciśnienia na zaworze 70 bar (35 bar z P do A i 35 bar z B do T). Przy dużych wzmocnieniach natężenia przepływu następuje załamanie się krzywej natężenia przepływu wskutek oporów przepływu w korpusie.

40

20

Prąd

60

80 100

znamionowy

Zin(%)

40 60 .,....,.....,.___~~--~~~10

80

Przekrycie suwaka (rys. 14)

100

Cztery krawędzie sterujące suwaka głównego docierane są symetrycznie. Można przy tym wybierać spośród czterech wymiarów przekrycia dodatniego lub ujemnego (w % skoku suwaka). Przy dodatnim przekryciu przebieg charakterystyki w środkowym zakresie jest spłaszczony; natężenie przepływu w punkcie zerowym jest małe, a wzmocnienie ciśnienia jest duże. W razie przekrycia ujemnego przebieg w pobliżu środkowego położenia charakterystyki może być bardziej stromy (wzmocnienie natężenia przepływu do 200 %). Natężenie przepływu w punkcie zerowym jest większe, a wzmocnienie ciśnienia mniejsze. Najważniejsze

~~~~~~~~~110~~~~~~--'

Rys. 13 Pole tolerancji

natężenia przepływu

sygnału

zastosowania:

Przekrycie dodatnie A suwaka

(+ 0,5 ... 1,5 %) Nadaje się do układów regulacji prędkości. Zaleta: mniejsze natężenie przepływu w punkcie zerowym niż przy przekryciu "D". Przekrycie ujemne B suwaka (- 0,5 „. 1,5 %) Nadaje się do układów regulacji położenia i siły. Zaleta: większe tłumienie, jednakże większe również natężenie przepływu w punkcie zerowym niż przy przekryciu "D". Przekrycie dodatnie C suwaka Nadaje się do sterowania i regulacji chodzenia przez zero.

prędkości

bez prze-

Przekrycie zerowe D suwaka

(+o „. 0,5 %) Jako uniwersalne przekrycie nadaje się do układów regulacji prędkości, położenia i siły. Zaleta: małe natężenie przepływu w punkcie zerowym, jednakże mniejsze też tłumienie niż przy przekryciu "B".

G6

Rys. 14 Zasada przekrycia suwaka

w funkcji

Serwozawory, budowa i działanie

Dynamika serworozdzielacza Dynamikę

tego zaworu przedstawia charakterystyka Specjaliści z dziedziny regulacji przyjęli jako skalę oceny częstotliwość odpowiadejącą punktowi, w którym zmniejszenie amplitudy wynosi - 3 dB. Wartość - 3 dB oznacza, że zmniejszenie amplitudy wielkości wyjściowej wynosi 30 % wielkości

częstotliwościowa.

wejściowej.

A

A A= 20·lg ~[dB] Ao

T

Rys.15 Spadek amplitudy i przesunięcie fazowe 200

„

100 80

c: ~

o

60

50

- ...... .., ....... ...

40

30

.ta. 20 ::i

~ o. Q.)

·c:

Q.)

·N

©-

enc:: Q.)

c:: cac::

.E o z

10 8

6 5 4

3 2

0,8

0,6

„ ,.,...,..-

v

„!'"'

„v-

...

.........

--

.... i""

.....

....

...... ...

I/

-

... „

I

'·-

/

-9

20

j

,, I „ . /.

'

' ',

''

5

.......-

2

......

10

...

V

p_y_ 70

- 150 - 135 - 120 1-

.... \

\

\

\.

\

I\

\

"\ '\

~

'

30 40 50 60 80 100 Częstotliwość

-

Q=ON.

20

/

/\

™

/.

i-

„(

)c ł' A.' r,

-

~/

j

·~

\

105

90

-

75

-

60 45

-

30

\

-

15

200

300

o

f(Hz)

ON: 45- 75 L/min, ziN ON: ~30 Z;N ON: 45- 75 L/min, 25 % ~30 25 %

Z;N ZiN

I

I I

I I

7 8 Hl

LI r\'- "\r"· .... I,• ...... \ ~\ Ili 1)1"v'/ ~ ' V LI r.t / '

-7

~

... i"

.... ....

-3 5

.....__,,..

...

-1

-6

10

„

.....

-8

;_., .4

o

-4

..... .....

20

(p(o) 165

A(dB)

-2

i"/

„i...-

-

4F

J.."' ~

-

-"'

„ """ .......-

30

i.-"'

......

... „. .

.....

.......

/ .....

-

75

,/;'

.,.,,,,.

V

~

!..-" ....

„V .....

...

,I'

/ i.;' I/

30

40

50

70 100

200 300

Spadek ciśnienia na zaworze Pv (bar) Rys. 16 Natężenie przepływu w funkcji obciążenia dla serworozdzielacza wielk. nom. 1Oz barometrycznym lub elektrycznym sprzężeniem zwrotnym (tolerancja± 1O%)

Rys. 17 Typowa charakterystyka częstotliwościowa serworozdzielaczy z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym Porówanie charakterystyk częstotliwościowych (rys. 23) serworozdzielaczy wielk. nom. 1O z mechanicznym i barometrycznym sprzężeniem zwrotnym dowodzi, że serworozdzielacz z machanicznym sprężeniem zwrotnym ma lepszą dynamikę.

G7

Serwozawory, budowa i działanie

Dwustopniowy serworozdzielacz z barometrycznym sprzężeniem zwrotnym

Elektryczny sygnał weisc1owy powoduje wychylenie przysłony, wskutek czego powstaje różnica między ciś­ nieniami panującymi w obydwu komorach (8) i (9) su-

Dwustopniowe serworozdzielacze tej odmiany składają z: - pierwszego stopnia; - drugiego stopnia z wymienną tuleją sterującą (7), suwakiem sterującym (3) i sprężynami regulacyjnymi (4).

waka.

się głównie

Drugi

stopień

Różnica ciśnień między obydwoma komorami (8) i (9) suwaka (3) jest proporcjonalna do elektrycznego sygnału wejściowego pierwszego stopnia. bezprądowym występuje równowaga ciśnień komór suwaka (3) i przez sprężyny regulacyjne (4) jest on utrzymywany w położeniu środkowym.

W stanie

Następuje przesunięcie suwaka trwające tak długo, aż powstanie równowaga sił wynikająca z różnicy między ciśnieniami w obydwu komorach (8) i (9) suwaka (3) z jednej strony oraz siły sprężystości i siły hydrodynamicznej z drugiej strony. Sprężyny

regulacyjne (4) mają również charakterystykę (3), a tym samym natężenie przepływu przez serworozdzielacz jest proporcjonalne do elektrycznego sygnału wejś­ ciowego. liniową, wobec czego przemieszczenie suwaka

Szczególne cechy zaworu Zawór tego typu ma wymiary przyłączeniowe odpowiednie dla stopnia głównego (drugiego) według DIN 24340. Znajdującą się w pierwszym stopniu przegrodę filtrującą można bez trudności wymontować i poddać obsłudze

technicznej. Przestrzeń wewnętrzna filtru podzielona jest na komory, co uniemożliwia przedostawanie się cząstek zanieczyszczeń do układu hydraulicznego.

W

szczególnych

zastosowaniach korzystne jest sterowania wstępnego. Znormalizowane według DIN płyty przyłączeniowe nie przewidują przyłącza dla tego celu, wobec czego można wmontować płytę przyłączeniową między pierwszym stopniem i drugim. uwzględnienie zewnętrznego

Z obydwu stron istnieje dobry dostęp do elementu nastawiania punktu zerowego.

Rys. 18 Dwustopniowy serworozdzielacz typu4WS2EB10

Spadek

amplitudy i fazowe są w serworozdzielaczach z barometrycznym sprzężeniem zwrotnym zależne od ciśnienia w układzie i od natężenia przepływu. W celu osiągnięcia optymalnych wyników serwozawory poddawane są optymalizacji dla określo­ nych zakresów ciśnień. Dotyczy to równiez określonych zakresów natężenia przepływu. Z tego względu otrzymuje się różne charakterystyki częstotliwościowe. przesunięcie

p GB

A

T

B

Rys. 19 Dwustopniowy serworozdzielacz typu 4 WS 2 EE 1O

Serwozawory, budowa i działanie

Dwustopniowy serworozdzielacz z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym Rozdzielacze typu 4 WS 2 EE 10-30„B„ wymi serworozdzielaczami.

są

dwustopnio-

Składają się one głównie z: - pierwszego stopnia; drugiego stopnia z wymienną tuleją sterującą (3); - indukcyjnego czujnika położenia (4), z rdzeniem (5) zamocowanym na suwaku (6).

Drugi

stopień

Suwak (6) jest poprzez odpowiedni układ elektroniczny połączony z indukcyjnym czujnikiem położenia (4). Zarówno zmiana położenia suwaka (6), jak i zmiana wartości zadanej, wytwarzają, poprzez rdzeń (5), różnicę napięcia w zasilanej prądem przemiennym cewce czujnika (4).

Położenie suwaka (6) względem tulei (3) warunkuje utworzenie się szczeliny sterującej odpowiedniej dla regulacji natężenia przepływu. Zarówno szczelina sterująca, jak i przemieszczenie suwaka oraz natężenie przepływu są proporcjonalne do wartości zadanej.

Charakterystyka częstotliwościowa zaworu jest poprzez wzmocnienie elektryczne optymalizowana w układzie elektronicznym.

Szczególne cechy zaworu Zawór tego typu pod względem wymiarów przyłączenio­ wych odpowiada stopniowi głównemu (drugiemu) według

DIN 24340.

Odpowiednie urządzenia elektroniczne określają uchyb z porównania wartości zadanej z rzeczywistą i uchyb ten, jako uchyb regulacji, jest doprowadzany do pierwszego stopnia zaworu. Sygnał ten wychyla przysłonę (7), znajdującą się między dwoma dyszami regulacyjnymi (8). Wytwarza się przy tym różnica między ciś­ nieniami w obydwu komorach sterujących (9) i (1 O). wynikający

Suwak sterujący (6) wraz z zamocowanym na nim rdzeniem (5) indukcyjnego czujnika położenia (4) zostaje przesunięty aż do uszyskania zgodności między wartoś­ cią zadaną i rzeczywistą oraz powrotu przysłony do jej położenia środkowego.

W stanie wyregulowania występuje równowaga ciśnień w komorach (9) i (1 O), co utrzymuje suwak w tym położe­ niu regulacji.

Rys. 20 Dwustopniowy serworozdzie/acz typu 4 WS 2 EE 10

Rys.21

Dwustopniowy serworozdzie/acz z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym typu 4 WS 2 EE 1O G9

Serwozawory, budowa i działanie

Porównanie danych hydraulicznych i dynamicznych wskazuje czym różnią się między sobą trzy systemy sprzężenia zwrotnego.

Sprzężenie

mec haniczne

elektryczne

metryczne

S2,0

::50,5

5:3,0

::s:0,5

:50,2

Si.O

:::::: 1,0

S0,2

S::2,0

:::s5

55

55

Histereza optymalizowana na tętnienie (O/o)

baro-

Czułość

Rys. 22 Porównanie parametrów hydraulicznych

progowa

("/o)

Czułość przy zmianie

znaku

Rys.23 Porównanie charakterystyk częstotliwościowych mechanicznego, barometrycznego i elektrycznego sprzężenia zwrotnego serworozdzielaczy wielk. nom 1O

sygnału

(o/o)

Odchyłka symetrii tężenia przepływu

na("/o)

A(dB)

1

ON '"" 30 L/min PN ~ 140 bar, Z;N

o

"\:' !'...

\\

~

-2

""

-3

I

\

barometryczne sprzężenie zwrotne

\-elektryczne sprzężenie

zwrotne

mecha~icze sprzężenie zwrotne

30°

100

200 f (Hz)

A(dB) L----

o -1

-2 -3

-

I I

~

""'

I

barometryczne sprzężenie zwrotne

"

ON< 30 L/min PN= 140 bar, 25 %

\""I

\ \---/\ \

elektryczne sprzężenie

mechanicze sprzężenie zwrotne

200 f {Hz)

G10

zwrotne

ziN

Serwozawory, budowa i działanie

Trójstopniowe serwozawory z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym rzeczywistą i ichyb ten, jako uchyb regulacji, zostaje doprowadzony do pierwszego stopnia zaworu. Sygnał ten wychyla przysłonę (8), znajdującą się między obydwoma dyszami regulacyjnymi (9). Wytwarza się przy tym róż­ nica między ciśnieniami w obydwu komorach (10) i (14) suwaka. Suwak (11) zostaje przesunięty i wpuszcza odpowiednią ilość oleju do komory (15) lub (16). Suwak (7) wraz z zamocowanym na nim rdzeniem (6) indukcyjnego czujnika położenia (5) zostaje przesunięty aż do osią­ gnięcia zgodności między wartością zadaną i rzeczywi-

Zawory typu 4 WSS EE .. ./.. są trójstopniowymi serworozdzielaczami. Składają się one głównie z: - pierwszego stopnia; - drugiego stopnia (3) jako stopnia wzmocnienia natężenia przepływu do wysterowania trzeciego stopnia (4); - trzeciego stopnia (4) do sterowania natężenia przepływu głównego strumienia; - indukcyjnego czujnika położenia (5) z rdzeniem (6) połączonym z suwakiem sterującym (7) trzeciego stopnia.

stą.

W stanie wyregulowania występuje równowaga ciśnień w kormorach (15) i (16), co utrzymuje suwak w tym położeniu regulacji.

Trzeci stopień Suwak (7) jest poprzez odpowiedni układ elektroniczny połączony z indukcyjnym czujnikiem położenia (5).

Położenie

suwaka (7) względem tulei (13) ustala wielszczeliny sterującej odpowiedniej do regulacji natężenia przepływu. Zarówno szczelina sterująca jak i przemieszczenie suwaka oraz natężenie przepływu są proporcjonalne do wartości zadanej. kość

Zarówno zmiana położenia suwaka (7), jak i zmiana wartości zadanej, wytwarzają, poprzez rdzeń (6), różnicę napięcia w zasilanej prądem przemiennym cewce czujnika (5).

Charakterystyka częstotliwościowa zaworu jest optymalizowana w układzie elektronicznym za pomocą wzmacniacza elektrycznego .

Odpowiednie urządzenia elektroniczne określają uchyb wynikający z porównania wartości zadanej z wartością

.., .., T

A

Ap

'fi!

B

Rys. 24 Trójstopniowy serworozdzielacz z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym, typ 4 WS 3 EE G 11

Serwozawory, budowa i działanie

Zawór regulacyjny wielk. nom. 6 Suwak zaworu regulacyjnego, w przeciwieństwie do sterowanych wstępnie serwozaworów, nie jest uruchamiany przez hydrauliczny zawór wstępny (układ dyszaprzysłona), lecz jest uruchamiany mechanicznie przez momentowy silnik sterujący dużej mocy. Zawór regulacyjny składa się głównie z silnika sterującego (1) i czterodrogowego rozdzielacza suwakowego (3). Silnik sterujący (1) jest przetwornikiem elektromechanicznym, który przetwarza sygnał elektryczny w liniowy ruch końca sworznia (4). Silnik ten jest hermetycznie oddzielony od części hydraulicznej. Twornik (5), rurka podatna (6) i sworzeń (4) połączone są wzajemnie bez luzów. Wystający z silnika koniec sworznia (4) jest połą­ czony z suwakiem (2) za pośrednictwem drążka połącze­ niowego (7). Sprężystość rurki (6) przeciwdziała sile wywieranej przez silnik sterujący przy wychylaniu sworznia (4). Wskutek tego następuje działanie centrujące. Wychylenie suwaka (2), a tym samym natężenie przepływu przez zawór, są proporcjonalne do wartości elektrycznego sygnału wejściowego.

Śruba odpowietrzająca

G 12

Do nastawiania hydraulicznego punktu zerowego służy (8). Obracając tę śrubę można w stosunku do suwaka (2) przestawiać tuleję (1 O) umieszczoną przesuwnie w kadłubie (9) zaworu. śruba

Szczególnymi cechami tego "jednostopniowego" zaworu regulacyjnego są: - Silnik z magnesami trwałymi ( = szybki), który przez rurkę podatną jest zarówno uszczelniony, jak i centrowany. - Tuleja i suwak odpowiadają jakości przyjętej dla serwozaworów, tzn. mają liniową charakterystykę natężenia przepływu i dokładną geometrię krawędzi sterujących.

- Tłumienie hydrauliczne i elektryczne.

Rys. 25 Jednostopniowy zawór regulacyjny sterowany przez silnik momentowy z magnesem trwałym, typ4WS1 E06

Serwozawory, budowa i działanie

Skok suwaka głównego wynosi± 0,4 mm; odpowiednio do występującego spadku ciśnienia uzuskuje się natężenie przepływu w funkcji obciążenia jak przedstawiono na wykresie rys. 28. Silnik swoją siłą nastawczą może tylko do pewnej określonej granicy przeciwdziałać siłom hydrodynamicznym, wobec czego przy okreś­ lonym "L1p" następuje stopniowe cofanie suwaka głów­ nego do położenia środkowego mimo pełnego sygnału wejściowego. Wskutek tego zmniejsza się przekrój przepływowy otworu i maleje natężenie przepływu! Powyższe

zjawisko wywiera jednak dodatni wpływ na dy-

namikę.

Mniejszy skok przebiega szybciej, a spadek amplitudy, z ograniczeń dynamicznych zaworu, zachodzi z powodu L1p później niż w stanie bez przepływu. wynikający

Rys. 26 Jednostopniowy zawór regulacyjny typu 4 WS 1 EO 6

-- ---

180 -165 I"- -

r""'--

... V/ ... v/

- r---

~

-

I'" ~/

~·~ ...

, _..,X

5

10

20

i...........-

30

-~

40

--

t,:;-

,_ ~' ...... .,,.,. ....... i...- j..--" ...

Rys. 27 Typowa charakterystyka

częstotliwościowa

"

150

100

105

I\.~

'

75 -

(l)

$:

o

N

60

.:.<.

~ 2':'

45 ~ ~

Cll 30 .c o 15

I-

' '~

200

c:&

- 90 JE Cll

I-

"....

o

300

f(Hz)

± 1OO% prądu znamionowego (Zin)

- - - -

I',

-120 ~

'I'

50

Częstotliwość

V

V

i.--

-150 -135

± 25 %

prądu

znamionowego (Zin)

przyp= 315 bar i On= 15 I/min Zależność charakterystyki częstotliwościowej

Amplituda ± 1OO % Z.n 315~-+----+.....--+---h.-----.-+-----+----~

300 t---+---

c

~--n----,,.

~

o ::i

$:

li (l)

!:::!

o. (j)

·c: (I)

N

'

1

150 140

roc

(l)

c

roc

100

o

70 50 40

'§

z

2

5

10

20

35 50 100

200 315

Spadek ciśnienia na zaworze Pv, bar

30 40

60

Częstotliwość

Zin

Rys. 28

Natężenie przepływu w funkcji obciążenia przy

(powyżej

granicy mocy zależność Q-pv staje się ujemna)

80

100

120

140

160

(Hz) dla charakterystyki fazowej - 90°

Rys. 29 Zależność charakterystyki częstotliwościowej (amplituda ± 1OO % Zin) G 13

Serwozawory, budowa i działanie

Rozdzielacz proporcjonalny 4 WRV Opisany wyżej zawór regulacyjny, można, dokładnie tak samo jak dwustopniowy serwozawór, zastosować do sterowania zaworów proporcjonalnych z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym. Dwustopniowy rozdzielacz proporcjonalny 4 WRV wyi dobrą powtarzalnością. Zawór wstępnego sterowania, w przeciwieństwie do dwustopniowego serwozaworu, nie wymaga w ogóle oleju różnia się dobrą dynamiką

sterującego.

Rozdzielacz ten nadaje się do zastosowania w zamknię­ tych układach regulacji siły, prędkości i położenia.

llHll

Rys. 30 Sterowany wstępnie rozdzielacz proporcjonalny z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym, typ 4 WRV

G 14

Serwozawory, budowa i działanie

Montaż,

uruchamienaie i obsługa techniczna hydraulicznych serwozaworów 1. Uwagi ogólne W celu zapewnienia nienagannego działania serwozaworów należy przestrzegać również wskazówek zawartych w: - kartach katalogowych; - instrukcjach oczyszczania i regulacji, zamieszczonych w niemieckim wydaniu Poradnika Obsługi Technicznej ("Service-Handbuch" - RO 09 240); - wytycznych VDI dotyczących uruchamiania oraz obsługi technicznej układów i urządzeń hydraulicznych (publikacja VDI 3027). Uwaga: Sprawdzenie działania każdego serwozaworu jest udokumentowane w świadectwie kontroli.

2.

Montaż

2.1 Zasady montażu Przed wmontowaniem zaworu należy porównać jego oznaczenie typu z danymi zawartymi w zamówieniu. 1. Czystość - podczas montażu zapewnić czystość otoczenia i serwozaworu; - zbiornik należy uszczelnić przed przedostawaniem się zanieczyszczeń zewnętrznych;

- przewody rurowe i zbiornik należy przed ich wmontowaniem oczyścić z zanieczyszczeń, zgorzeliny, piasku, wiórów itd.; - rury wyginane na gorąco lub spawane należy następ­ nie wytrawić, przemyć i naoleić. W sprawie płukania układu należy bezwarunkowo przestrzegać szczegółowych wskazówek zawartych w punkcie 3.6; - do czyszczenia stosować jedynie tkaniny nie pozostawiające włókien i specjalny papier. 2. Niedopusczczalne jest stosowanie takich materiałów uszczelniających, jak: konopie, kit lub taśma uszczelniająca.

3. W miarę możliwości wodów giętkich.

należy unikać

stosowania prze-

4. Jako przewody rurowe stosować precyzyjne stalowe rury bez szwu według DIN 2391/C.

8. Płytę ochronną, znajdującą się na serwozaworze, należy usunąć dopiero bezpośrednio przed montażem serwozaworu. 2.2 Położenie zabudowy Dowolne, raczej poziome. Należy jednak przestrzegać właściwego położenia suwaka dla danego rodzaju sprzężenia zwrotnego. W razie instalowania serwozaworu na odbiorniku należy jednak unikać równoległości położenia suwaka zaworu z kierunkiem przyspieszenia odbiornika. 2.3 Przyłączenie do sieci elektrycznej Sposób przyłączenia do sieci elektrycznej przedstawiono we właściwej karcie katalogowej. Serwozawór może działać w układzie połączeń szeregowym, równoległym lub różnicowym. Ze

wzgędów bezpieczeństwa

pracy zalecamy

pracę

w

równoległym układzie połączeń.

Uwaga: Ze

względu

na elektryczne wzmocnienie w regulacji, zawór nie powinien otrzymywać sygnału elektrycznego, zanim w pierwszym stopniu nie pojawi się ciśnienie robocze. Wyjątek stanowi ograniczenie przy 100%. Specjalne rodzaje ochrony wymagają podjęcia szczególnych środków, opisanych we właściwych kartach katalogowych. zamkniętym układzie

3. Uruchamianie 3.1 Ciecz robocza Jako ciecz roboczą należy stosować przede wszystkim olej mineralny według DIN Si 524, DIN 51 525 lub VDMA 24318. W razie stosowania oleju mineralnego H-L36 lub H-LP36 należy starać się by temperatura cieczy roboczej wynosiła 50 °C. Dbałość o zachowanie właściwości cieczy roboczej wymaga nie przekraczania maksymalnej temperatury zalecanej przez producenta cieczy roboczej. W celu zapewnienia niezmiennych warunków rozruchu układu zaleca się utrzymywanie stałej temperatury oleju(± 5 °C). O innych cieczach roboczych informujemy na zapytanie.

5. Przewody połączeniowe między odbiornikiem i zaworem powinny być możliwie jak najkrótsze; zalecamy instalowanie serwozaworu bezpośrednio na odbiorniku. Powierzchnia zamocowania powinna mieć jakość powierzchni obrobionej o chropowatości Rz max. ;:;=:; 4 µm i odchyłkę płaskości ;:;=:; 0,01 mm na długości 1OO mm.

3.3 Czy pierścienie uszczelniające o przekroju okrąg­ głym są wykonane z właściwego materiału?

6. Sruby mocujące należy dokręcać momentem obrotowym podanym w kartach katalogowych.

3.3 Filtrowanie - Serwozawory

7. Jako filtr wlewowy i odpowietrzający zalecamy umieszczanie na agregacie filtru powietrza z kąpielą olejową. Wielkość oczka;:;=:; 60 ~tm.

Do trudnozapalnych cieczy roboczych typu HFD oraz dla temperatury > 90 °C należy stosować typ uszczelnienia oznaczony literą "V". z

wewnętrznym

sterowaniem przed serwozaworem zabezpieczyć filtrem ciśnieniowym umieszczanym w przewodzie tłocznym "P" bez zaworu bocznikowgo. Nominalna doładność filtrowania 1O ~tm = (3 10 ~ 75 (klasa czystości 5 według NAS 1638). wstępnym należy bezpośrednio

G 15

Serwozawory, budowa i działanie

serwozaworach z zewnętrznym sterowaniem bezwarunkowo bezpośrednio przed serwozaworem, w przewodzie doprowadzającym do przyłącza X, wbudować filtr ciśnieniowy bez zaworu bocznikowego. Nominalna dokładność filtrowania 1O µm (klasa czystości 5 według NAS 1638). W takim przypadku zalecamy oczyszczanie oleju w całym układzie hydraulicznym przez dodatkowy filtr o nominalnej dokładności filtrowania 1O ~tm. - Dopuszczalna różnica ciśnień na filtrach ciśnienio­ wych powinna być większa niż ciśnienie robocze. - Zalecamy stosowanie filtrów z wskaźnikiem zanieczyszczenia przegrody filtrjuącej. - Podczas wymiany filtru należy zwrócić uwagę na zachowanie skurpulatnej czystości. Zanieczyszczenia ze strony wylotowej filtru są wpłukiwane do układu i powodują uszkodzenia. Zanieczyszczenia po stronie wlotu skracają trwałość przegrody filtrującej. - W

wstępnym należy

3.4 Ze względu na pożądaną dobrą charakterystykę regulacji należy utrzymywać stałą wartość ciśnienia sterowania wstępnego(± 5 bar). 3.5 Nastawianie hydraulicznego punktu zerowego: Wyregulowanie hydraulicznego punktu zerowego zostało w odniesieniu do każdego serwozaworu przeprowadzone na stanowisku badawczym za pomocą silnika hydraulicznego. W celu uzyskania optymalnej dokładności regulacji, może jednak okazać się niezbędne przeprowadzenie ponownego nastawienia hydraulicznego punktu zerowego. Należy to wykonywać odpowiednio do danego odbiornika i zgodnie z wskazówkami zawartymi w kartach katalogowych serwozaworów. 3.6 Płukanie układu Przed uruchomieniem serwozaworu należy przepłukać wszystkie przewody dopływowe i odpływowe. Lepsze od stosowania płyt z obwodem płukania, które łączą P z T (typ płyty podają karty katalogowe), jest zastosowanie zaworów rozdzielczych (symbol G lub H), które umoż­ liwiają także przepłukiwanie przewodów roboczych i odbiorników. W razie zewnętrznego przyłącza obwodu oleju sterującego, należy zwrócić uwagę na przepłukanie również tego przyłącza. Ilość oleju, znajdująca się w układzie, powinna w procesie płukania przechodzić przez filtr co najmniej 150 „. 300- krotnie.

Wynika z tego orientacyjny czas płukania:

t= V/O· 2,5 .„ 5 Gdzie:

t =czas płukania w godzinach V O

= objętość zbiornika w litrach = wydajność pompy w I/min

W toku procesu płukania należy stale sprawdzać wszystkie filtry i w razie potrzeby wymieniać przegrody filtrujące.

G 16

Po otwarciu przewodów połączeniowych (obojętnie z jakiego powodu) należy ponownie płukać w ciągu 30 minut.

4.

Obsługa

techniczna

4.1 W razie uzupełnienia więcej niż 1O % pojemności zbiornika należy powtórzyć płukanie oleju w układzie (patrz również 3.6). 4.2 Zwrot zaworu do naprawy Przed wysłaniem uszkodzonego serwozaworu należy zabezpieczyć powierzchnię jego podstawy przed zanieczyszczeniem. Wskazane jest staranne zapakowanie serwozaworu, aby nie doszło do dalszych uszkodzeń podczas transportu.

5. Przechowywanie Do przechowywania serwozaworów wymagane jest pomieszczenie suche, wolne od pyłu, o małej wilgotności powietrza. Pomieszczenia te powinny być wolne od materiałów żrących i par. Prawidłowość przechowywania zaworów należy sprawdzać od czasu do czasu. W razie przechowywania serwozaworów przez okres dłuższy niż 3 miesiące zaleca się wypełnienie ich olejem konserwującym.

Rozdział

H

Od sterowania do układu regulacji Arno Schmitt, Dieter Kretz

Od sterowania do układu regulacji

Od sterowania do

układu

regulacji

Przykłady obliczeń projektowych układów sterowania z zaworami proporcjonanymi dowodzą, że dokładność układu zależy od wielu czynników wynikających z systemu jako całości.

Przykład

Prędkość ruchu Czas hamowania

-7

Zanim przejdziemy do opisu układów regulacji, rozważmy niejako "po drodze" jeszcze dwa możliwe rodzaje układów sterowania: - hamowanie w funkcji czasu; - hamowanie w funkcji położenia.

1. Hamowanie w funkcji czasu Jeżeli do sterowania procesem hamowania zastosujemy zawór proporcjonalny z elektrycznym ustalaniem czasu liniowo zmieniającego się przebiegu, to uzyskamy następujący obraz tego procesu:

1.1

v

2 tb 2

= 1,2 mis = 0,3 s

a= vlt

Opóźnienie

a= 1,2 [mls]/0,3 [s) = 4 [m/s2]

Droga hamowania s 2 = vl1(2 ·a) = 1,221(2 · 4)

= O, 18 [m] = 180 [mm]

To znaczy, że zatrzymanie ruchu siłownika następuje w różnych punktach. W praktyce wciąż się o tym zapomina, gdy z różnymi prędościami należy dojść do określonego punktu zatrzymania. 1.2 Przy różnych prędkościach ruchu można osiągnąć punkt zatrzymania przez wyhamowanie do stosunkowo małej prędkości. Dopiero po osiągnięciu tej małej prędkości wyłącznik krańcowy E2 daje sygnał zatrzymania. Dokładność zatrzymania jest tutaj wystarczająco dobra (partz również str. E 16). określony

Wyłącznik

krm'lcowy a 1 = a 2 =a

V

V

V

s

s

Rys. 1 przemieszcza się z prędkością v1 . Po dojściu do wyłącznika krańcowego następuje przełączenie z wybranej zadanej prędkości (zmiana wychylenia suwaka zaworu) do v = O, t. zn. zatrzymania tłoczyska siłownika. Wartość zadana prędkości zmienia się teraz odpowiednio do nastawionego czasu liniowo zmieniającego się przebiegu. To też określa drogę hamowania.

v3 = zredukowana

Siłownik

Rys. 2 Jednakże odbywa się to przy prędkościach v < Vmaks• n zatem powoduje to wydłużenie czasu trwania procesu.

Przykład: Prędkość ruchu v1 = 0,8 mis czas hamowania tb 1 = 0,2 s -? a v/t Opóźnienie a= 0,8 [mis] = 4 [m/s2]

Droga hamowania s1 = v121(2 ·a) = 0,8 2 · /(2 · 4) = 0,08 [rn] = 80 Zmiana prędkości, np. odpowiednio do wymagań procesu roboczego, powoduje oczywiście zmianę drogi hamowania przy zachowaniu nastawionego czasu przebiegu liniowego.

H1

Od sterowania do

układu

regulacji

1.3 Inną możliwość stanowi przyporządkowanie określonej przebiegu liniowego do każdej zadanej wartości prędkości. Gdy np. z różnych prędkości ruchu znów chcemy osiągnąć ten sam punkt zatrzymania, wówczas teoretycznie będzie to przedstawiać się następująco: stromości

1.4 Aby dopuścić do większych niż w punkcie 1,3 opóźnień, należałoby dla każdej prędkości ruchu zastosować oddzielny wyłącznik krańcowy.

V

V

s

s Rys.4 Rys. 3

Wyłącznik krańcowy

Przy odpowiednim nastawieniu stromości przebiegu liniowego otrzymujemy wprawdzie tę samą drogę hamowania, ale tracimy czas (jak również w przykładzie 1.2, patrz także str. E 16). Przykład:

Przyjmijmy uprzednio obliczoną drogę hamowania 180 mm (przy v2 = 1,2 mis i a= 4 m/s2). wtedy przy v1 = 0,8 mis i sb = 180 mm otrzymujemy opóźnienie

wynoszące

E1 został tutaj umieszczony dalej, odpowiednio do mniejszej prędkości v1. Dla każdej prędkości wymagany jest odrębny wyłącznik krańcowy. Rozwiązaniem, które umożliwia realizację procesu przedstawionego na rys. 4 i to bez konieczności stosowania oddzielnego wyłącznika krańcowego dla każdej prędkości jest hamowanie w funkcji drogi.

2. Hamowanie w funkcji drogi Jak już to z samej nazwy wynika, hamowanie (opóźnianie) odbywa się nie w zależności od czasu elektrycznego przebiegu liniowego, lecz zależy od drogi odbiornika.

-? a 1 = v2 · 103/2 · s = 0,82 · 1Q3/2 · 180 = 1,8 [m/s2]

oraz potrzebny czas -"> tb = via= 0,8/1,8 = 0,44 [sek] W praktyce rozrzut w punkcie końcowym jest większy niż w przykładzie 1,2, gdyż zawsze hamuje się z różnych prędkości.

V

Tutaj pragniemy jeszcze raz przypomnieć o maks. możli­ wym przyspieszeniu/opóźnieniu, opisanym na str. E 27/28. Przy tym należy sobie także zdawać sprawę z kłopotów, jakie nastręcza dokładne nastawienie stromości przebiegu liniowego, wobec czego nie można zalecać stosowania takiego rozwiązania, gdy zależy nam na osiągnięciu ściśle określonego punktu zatrzymania.

Rys.5 Wykres na rys. 5 pokazuje wyraźnie, że w tym przypadku osiągany jest zawsze ten sam punkt zatrzymania, niezależ­ nie od prędkości ruchu odbiornika.

H2

Od sterowania do układu regulacji

Inicjator analogowy jest elektronicznym czujnikiem zbliW zależności od odległości od stalowej krzywki czujnik ten powoduje wytworzenie sygnału napięciowego. W miarę zbliżania się krzywki do czujnika, a więc zmniejszania się odległości pomiędzy powierzchnią krzywki i czujnika, zmniejsza się w sposób ciągły napięcie wyjściowe czujnika, aż do wartości O V. Ten sygnał napięciowy przesyłany jest wstępnie do specjalnego wzmacniacza i steruje w ten sposób elektromagnesami zaworu proporcjonalnego. żeniowym.

Krzywka hamowania Inicjator analogowy

Schemat blokowy (rys. 9) przedstawia układ sterowania z czujnikiem zbliżeniowym. Dla uproszczenia przedstawiono sterowanie tylko jednym elektromagnesem.

Rys.6

Układ wyboru wartości minimalnej przekazuje na wyjście tylko ten z dwóch sygnałów wejściowych (E1 = wartość zadana, E2 =sygnał czujnika zbliżeniowego), którego wartość jest aktualnie mniejsza.

Jak to pokazano na schemacie blokowym (rys. 9), bardzo często sygnał wyjściowy czujnika zbliżeniowego jest pierwiastkowany (rys. 8). Praktyczną zaletą jest oszczędność czasu, ponieważ osiąga się optymalne, t. zn. z możliwie największą prędkością, dojście do pozycji zadanej. Wykonanie takiego układu opisano na stronach LB i L9. Jeżeli analogowy pomiar drogi hamowania ma działać tylko wa obszarze drogi hamowania związanej z tylko jednym punktem zatrzymania, to układy sterowania, niezależnie od zakresu ruchu, mogą być zbudowane w identyczny, opisany sposób.

U [V]

-6

u

Sygnał po spierwiastkowaniu

-,<

+1

2

6

10

Sx [mm]

Odległość między krzywką

i inicjatorem

Rys. 7 W praktyce jedną z częściej stosowanych odmian hamowania w funkcji drogi jest układ z krzywką sterującą i inicjatorem analogowym (rys. 6).

Sygnał

inicjatora analogowego

s

Rys.8

układ

wyboru minimalnej

wartości

E1

I

I I

E2

I

Prędkość

magnes A

końcowa

Inicjator

Człon

pierwiast-

kujący

Rys. 9 Praktyczny układ sterowania z inicjatorem analogowym

H3

Od sterowania do układu regulacji

Inną możliwością

hamowania

pomiaru przemieszczenia w układzie od drogi jest zastosowanie

zależnego

Potencjometr liniowy Rys. 10 potencjometru liniowego. W tym wariancie przemieszczenie reprezentuje również analogowy sygnał napięciowy, który jest przetwarzany z zastosowaniem wzmacniacza elektronicznego. Sygnał

ten reprezentuje cały zakres drogi, co umożliwia dowolnie wybranego przemieszczenia.

realizację

Przedstawione wyżej przykłady do przypadku sterowania.

odnoszą się wyłącznie

Oznacza to, że wartość rzeczywista, np. prędkość tło­ czyska siłownika, nie jes! mierzona i nią jest porównywana z wartością zadaną. W przypadku sterowania wszystkie wielkości zakłóca­ na wynik pracy układu.

jące oddziaływują oczywiście Jeżeli wpływ zakłóceń

stem musi

H4

być

ma być skompensowany, to syzbudowany jako układ regulacji.

Od sterowania do układu regulacji

Zamknięty układ

regulacji

Podstawowym warunkiem dla zrozumienia współzależ­ w układzie regulacji jest znajomość niektórych podstawowych pojęć z zakresu techniki regulacji. ności występujących

Najważniejsze zależności

czonym

przedstawiono w zamiesz-

poniżej przeglądzie.

Nie obejmuje on wzorów i metod obliczania, lecz raczej fizyczne w języku jakim posługują się specjaliści z dziedziny regulacji. objaśnia zależności

Co należy rozumieć pod pojęciem "regulacja"? Na rys. 11 przedstawiono zasadę budowy układu regulacji z podaniem najważniejsszych pojęć.

~u

•U ro'

~tJ'J ~ca

o u

.ll::,o

Wartość

zadana(+ Urządzenie regulująe

]? :i ~ is

1------•

Wielkość

regulowana X

Sygnał nastawiający

V

Rys. 11 Zasada budowy układu regulacji Definicja W układzie regulacji następuje ciągły pomiar wartości wielkości regulowanej i porównanie jej z wartością zadaną. Gdy tylko zakłócenia wywołują powstanie różnicy pomiędzy tymi wartościami, to ta różnica zostaje wykorzystana do skorygowania oddziaływania regulatora na obiekt, a w jego wyniku doprowadzenia do zgodności wartości wielkości regulowanej z jej wartością zadaną.

Urządzenie regulujące

I

L Rys. 12

Układ pomiarowy

_............... Przykład budowy układu

= regulacji położenia

H5

Od sterowania do

Układ

układu

regulacji

regulacji położenia, jak każdy układ regulacji, z urządzenia regulującego i obiektu regulacji.

składa się

podanym na rys. 12 do urządzenia reguzaliczono: - regulator, składa się on z członu porównawczego, który tworzy różnicę między wartością zadaną i rzeczywistą oraz z wzmacniacza regulacji; - układ pomiaru położenia. W

przykładzie

lującego

Obiekt regulacji obejmuje: - napęd hydrauliczny z silnikiem hydraulicznym i zaworem; - mechaniczne elementy przeniesienia ruchu jak: • przekładnia; • sprzęgło; • śruba pociągowa.

Przebieg przejściowy charakteryzuje odpowiedź członu na dowolnie wybrane wymuszenie, t. zn. zmianę czasową wielkości wyjściowej, następującą po wprowadzeniu sygnału wejściowego.

Xe

Wymuszenie skokowe

t

Xa

Cechą charakterystyczną układu

sterowanie w

układzie

jest i w tym przypadku zamkniętym. Przebiega ono na-

t

stępująco:

Położenie X elementu ruchomego ( = wartość regulowana) jest mierzone za pomocą czujnika pomiarowego połączonego z wzmacniaczem pomiarowym i stanowi wartość rzeczywistą położenia. Sygnał wartości zadanej w, reprezentujący żądane położenie, wytwarzany jest przez generator wartości zadanej. Tworząc różnicę między wartością zadaną i wartością rzeczywistą (w - x) otrzymuje się odchyłkę regulacji. Sygnał odchyłki regulacji po przejściu przez regulator staje się sygnałem nastawiającym y. Wielkość reprezentująca sygnał nastawiający y jest równocześnie wielkoś­ cią wyjściową obiektu regulacji sterując zaworem. Ruch obrotowy silnika, poprzez przekładnię śrubową, zostaje przekształcony w ruch liniowy elementu ruchomego. W ten sposób zamyka się przebieg sygnałów w układzie regulacji położenia.

Schemat blokowy Poszczególne elementy układu regulacji jak "obiekt regulacji" i "urządzenie reguluj@ce" nazywa się "członami układu regulacji". Na ogół człony te przedstawione są na schematach w postaci prostokątnych symboli, nazywanych blokami. Połączenie układ

poszczególnych bloków w jeden tworzy "schemat blokowy".

Przepływ sygnałów określającymi

oznaczany jest liniami i ich kierunek przepływu.

zamknięty

strzałkami

Przebiegi przejściowe Na poszczególne człony układu regulacji działają sygnały wejściowe lub "wielkości wejściowe", X0 . Zgodnie z charakterystyką przebiegu przejściowego danego członu, sygnały te przetworzone zostają w sygnały lub "wielkości wyjściowe" Xa, poddawane następnie przetwarzaniu.

H6

Rys. 13

Przykład przebiegu przejściowego

Charakterystycznie typowym wymuszeniem jest skokowa zmiana sygnału wejściowego, nazywana wymuszeniem skokowym. Zmiana sygnału wyjściowego nazywana jest w tym przypadku "odpowiedzią skokową" lub "funkcją przejściową". Tę funkcję przejściową

schematu

wrysowuje się często w bloki w celu poglądowego przedstawienia poszczególnych członów.

układu

właściwości

Mimo wielkiej różnorodności techniczno-konstrukcyjnej elementów stosowanych do układów, można ich przebiegi przejściowe przyporządkować do kilku podstawowych typów. Pominięcie różnorodności rozwiązań

technicznych przy od rzeczywistego układu technicznego do jego modelu matematycznego ułatwia badanie procesów dynamicznych i umożliwia określenia zachowania się układu regulacji, niezależnie od tego czy składa się on z członów konstrukcyjnych elektrycznych, mechanicznych lub jakichkolwiek innych. przejściu

Człony układu

regulacji można ze względu na charakter przebiegu liniowego zaliczyć do następujących grup podstawowych (rys. 14).

Od sterowania do układu regulacji

1.

Człon

2.

Człon

bezinercyjny (proporcjonalny)

inercyjny pierwszego rządu

v=

Człon

3.

inercyjny drugiego rządu

l/

Człon całkujący

4.

L

5. Człon różniczkujący

6. Człon opóźniający

Człon

P

Człon

PT1

Człon

PT2

Człon

I

Człon

D

Człon

Rys. 14 Podstawowe grupy członów Przykłady członów Człon

podstawowych bezinercyjny (proporcjonalny), P

Xe

12

11

Xa

Symbol

członu

P przedstawia się

następująco:

Rys. 15 Przy skokowej zmianie wielkości weściowej Xe naskokowa zmiana wielkości wyjściowej

stępuje również

Xa. Wielkością wyjściową

jest

Wzmocnienie członu (nazywane także współczynnikiem

Rys. 16 Symbol członu P Innymi przykładami członu P są m. in. współzależność U = R · I między natężeniem prądu I i napięciem U na rezystancji R, bądź współzależność F = m ·a między przyspieszeniem "a" i siłą F dla masy przyspieszanej m, bądź też idealny wzmacniacz z połączeniem rezystancyjnym (objaśnienie patrz uzupełnienie - str. H 40).

proporcjonalności) określa zależność

H7

Od sterowania do układu regulacji

lub: silnik hydrauliczny obrotu wału silnika od prędkości kątowej

R2

Zależność kąta (J)

R1

lub napęd śruby pociągowej Zmiana prędkości obrotowej n śruby pociągowej na ruch wzdłużny.

Rys. 17 Wzmacniacz elektroniczny

s ...

m

Przy skokowej zmianie napięcia wejściowego U1 następuje również skokowa zmiana napięcia wyjściowego

U2. Napięciem wyjściowym

jest

Skok gwintu h

z wzmocnieniem

Rys. 20 Przemieszczenie s jako wielkość wyjściowa określa:

przy stalej prędkości obrotowej nśruby pociągowej przemieszczenie s wynosi

Rys. 18

tzn, przemieszczenie wzrasta liniowo wraz z upływem czasu.

Człon całkujący (człon/) Sygnał wyjściowy

narasta liniowo z

upływem

czasu

s Również

tutaj K nazywana jest współczynnikiem prolub wzmocnieniem członu I.

porcjonalności

t Rys. 21

Rys. 19 Symbol cz/anu I Przykład występowania członu Zależność

skoku s przepływu oleju Q.

HB

I:

siłownik

tłoczyska siłownika

hydrauliczny. od natężenia

Od sterowania do układu regulacji

Człon różniczkujący

Wartość

zmian

sygnału

(D)

wyjściowego

zależy

od

prędkości

sygnału wejściowego.

Xa

4

t.

... ~

t 2

-

2

e = czas trwania impulsu Rys. 22

Odpowiedż

-E 2

E

-2

t

Xa= K • Xe

na wymuszenie skokowe Człon opóźniający

Sygnałem wejściowym Xe jest ilość materiału na początku podajnika taśmowego, a sygnałem wyjściowym

ilość materiału na jego końcu. W chwili t ilość materiana początku przenośnika niech będzie Xe (t)· Opóźnie­ nie przeniesienia tej ilości na koniec taśmy przenośnika wyniesie 1i = //v.

Xa

łu

W chwili t znajdujemy więc na końcu przenośnika tę ilość materiału, która znajdowała się na początku taśmy wcześniej o czas 1i·

Rys. 23 Symbol członu O

_.le

Uci 1C o-___.T

le= C • dUc/dt

Stąd

Rys. 24 Przykładami członu

-

D są:

=

zależność U L · I napięcia U od natężenia prądu I przepływającego przez cewkę indukcyjną; prąd ładowania kondensatora o pojemności C w zależności od przyłożonego napięcia ą; lub zależność F m · v t. zn. zależność siły F od prędkości (v =a).

=

Xa

t Rys. 25 Np przenośnik taśmowy

H9

Od sterowania do

Człon

układu

regulacji

inercyjny pierwszego

rzędu

Wartość końcowa

K zostaje osiągnięta po upływie pewnego czasu. Dynamikę członu charakteryzuje więc opóźnienie odpowiedzi na zmiany sygnału Xe(t)·

(P- T1)

I

__ x. 1Ł= xa•

R

11

ł

BL.-<'°

F ....

Rys. 28 Symbol członu P - T1 Styczna do krzywej odpowiedzi na wymuszenie skokowe w chwili t =O osiąga wartość ustaloną Kw chwili t = T.

Przykład zastosowania członu

Rys. 26 Na

masę

prędkości

P - T1

Tj est nazywane stałą czasową członu P - T1 .

m działa siła zewnętrzna Fi proporcjonalna do ruchu siła tarcia lepkiego R · v

Obowiązuje więc

Człon

inercyjny drugiego rzędu (P- T2 )

Człon

P- T2 P- T2 określa równanie

Człon

lub Stała T jest również nazywana stałą czasową. Bezwymiarowy współczynnik O określa tłumienie, a K jest współczynnikiem proporcjonalności członu

P- T2 .

Zależność między siłą Fi przesunięciem masy w ukła­ dzie mechanicznym (rys. 29).

K

lub

t

T

Rys. 27 Odpowiedź członu P - T1 na wymuszenie skokowe

R

F

m

C = stała sprężystości

R = stała tłumika, proporcjonalna do

F=

Rys. 29

H10

Przykład zastosowania członu

P - T2

siła

prędkości

Od sterowania do

Odpowiedź członu

K

układu

regulacji

P- T2 na wymuszenie skokowe

------ -

Rys. 32 Symbol członu P - T 1

t Rys. 30 Dla O> 1 przebieg odpowiedzi członu jest aperiodyczny (rys. 30).

t Rys.31 Dla O < 1 odpowiedź na wymuszenie skokowe ma charakter oscylacyjny z tłumionymi drganiami. Ich częstotliwość wynosi

w0 == 1/T Przebiegi odpowiedzi członu na wymuszenie mają charakter periodycznie drgający i z tego właśnie względu człon P- T2 nazywany jest także członem oscylacyjnym. Z odpowiedzi na wymuszenie skokowe wyprowadzony jest symbol blokowy P- T2 ; dotyczy on wszystkich przypadków jego działania.

H 11

Od sterowania do

układu

regulacji

Zestawienie członów podstawowych

Xe ....

Człon

P

Xe

P-T1

T1 • Xa + Xa :::: Kp • Xe

P-T2

T2 Xa + 2 D T Xa + Xa

=Kp • Xe

Człon

I

D

Xa= K1 f Xe(t) dt

~

Xa::: Ko• Xe

Xe

Człon

7f

-

Xe ....

•

--

.._

""

Xa(tf= K • Xe (t-Tt)

Xa....._

r

~

Va

Człon

,._ V

Xe

Człon

.

Xa::::::: Kp• Xe

o

Człon

Xa....._

.

V I

- I

.....-

Xa....._

.

y,......._

...

Xa..._ ...

.Xa ....._ ?

~"'

Rys. 33

Człony podstawowe

Jak już wspomniano wyżej, zadanie układu regulacji polega na skompensowaniu zakłóceń działających na wielkość regulowaną. Układ jest jednak przystosowany również do tego, by przy zmianach wartości zadanej doprowadzić wartość rzeczywistą wielkości regulowanej do nowej wartości zadanej. Układ

regulacji ma zatem dwa zadania: a) skompensowania wpływu zakłóceń; b) usuwania niezgodności wartości rzeczywistej wielkości regulowanej z jej wartością zadaną (nadążanie). Wywarcie wpływu na wielkość regulowaną, po zmianie zadanej lub powstaniu zakłócenia, wymaga na

wartości

H12

ogół

pewnego czasu (porównaj opis odpowiedzi na wymuszenie skokowe). Gdy np. zakłócenie zwiększa się skokowo, wówczas układ regulacji stabilizuje zmienioną początkowo wartość wielkości regulowanej na żądanym poziomie. Następuje to zawsze z pewnym opóźnieniem, niezależnym od fizycznych właściwości systemu regulacji.

Jednak o właściwościach układu regulacji decydują przede wszystkim charakterystyki skokowe wielkości regulowanej. próba znacznego skrócenia opóźnienia z bardzo silnym ingerowaniem regulatora na zmiany wartości zakłóceń, co może doprowadzić do nieNa

przykład,

wiąże się

stabilności układu.

Od sterowania do układu regulacji

Aby układ regulacji mógł spełnić stawiane wobec niego wymagania, niezbędne jest przestrzeganie określonych zasad, dotyczących zwłaszcza wyboru regulatora.

Jeśli układ

powraca do stanu równowagi po ustaniu działania zakłócenia, które wytraciło go z tego stanu, to taki układ nazywany jest stabilnym. Gdy drgania, które pojawiły się w przebiegu przejściowym nie gasną, wtedy układ określany jest jako niestabilny.

Właściwy regulator można wybrać na podstawie możli­ wie doładnego opisu charakterystyki dynamicznej wszystkich elementów układu regulacji.

Właściwością cechującą

stabilny układ regulacji, powinno być również utrzymywanie wielkości odchyłki regulacji w dopuszczalnych granicach.

W tym miejscu nie zamierzamy bliżej rozpatrywać wszystkich kryteriów jakości układu. Zagadnienia te są opisane w odnośnej literaturze z zakresu techniki regulacji.

Wymagania, dotyczące stabilności i nieprzekraczalności dopuszczalnej wartości odchyłki regulacji, są niepodważalnymi wymaganiami stawianymi układowi regulacji. jeszcze inne

Przedstawiamy jedynie ogólne warunki doboru odpowiedniego regulatora do danego obiektu regulacji.

Tak np„ czas regulacji liczony od chwili przyłożenia wymuszenia zakłócającego lub zmiany wartości zadanej, nie powinien przekraczać określonej wartości.

Jak to wynika z rys. 34, charakterystyka regulatora powinna być dopasowana do właściwości danego obiektu regulacji. Z tego względu niezbędne są regulatory o róż­ nej strukturze i charakterystyce skokowej.

Dołączenie

Objaśnienie

Często wobec wymagania.

układu

regulacji stawiane

są

do rys. 34 oznacza: zastosowanie w przypadku zmian wartości zadanej. Stabilizacja oznacza: zastosowanie do kompensacji wpływu zakłóceń.

do danego obiektu regulacji układów pomiarowych, regulacyjnych i nastawczych oraz zamknięcie układu regulacji bynajmniej nie zapewnia jeszcze samo przez się spełnienia powyższych wymagań.

Nadążanie

Układ regulacji stanie się prawdopodobnie bądź niestabilny, bardzo niedokładny, bądź też bardzo powolny.

nie przydatny

nieco porszy niż Pl

nie przydatny

gorszy niż Pl

nadążanie

+ stabilizacja

nieco gorszy niż Pl

nadążanie

+ stabilizacja

zły

+ stabilizacja

nie odpowiedni

stabilizacja

nieco

nie odpowiedni

nadążanie z małym opóźnieniem

nie

stabilizacja z małym opóźnieniem

nadążanie

+ stabilizacja

nadążanie (bezopóź-

nienia)

nieprzydatny

nadążanie

nie odpowiedni

nadążanie

nieprzydatny

nadążanie

niestabilna

stabilizacja

Rys. 34 Dobór regulatora do obiektu regulacji

H13

Od sterowania do

układu

regulacji

Zestawienie ogólne stosowanych rodzajów regulatorów Przedstawione niżej regulatory zbudowano z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego.

Regulator P (działanie proporcjonalne)

Regulator P, na skokową zmianę wartości wielkości zadanej, odpowiada więc skokową zmianą wartości wiel-

R1

kości wyjściowej (wielkości nastawiającej).

Zalety regulatora P - prosta budowa; - łatwe nastawianie; - szybkie reagowanie na zmiany wartości wielkości regulowanej.

RO

o Ue

Wady regulatora P Regulator P zasadniczo nie daje możliwości osiągnięcia zrównania wartości wielkości regulowanej z wartością zadaną. Trzeba się zawsze pogodzić z pozostającą odchyłką regulacji, zależną od współczynnika wzmocnienia.

Rys. 35 Działanie

proporcjonalne oznacza, że wartość wielkości wyjściowej UA jest proporcjonalna do wartości wielkości wejściowej UE. Dla przedstawionego wyżej

Działanie chyłki

regulatora P wymaga bowiem istnienia odregulacji.

układu

gdzie R1/R0 =wzmocnienie proporcjonalne= KP Dla oceny charakterystyki regulatora proporcjonalnego wykorzystuje się jego odpowiedź skokową. Pod tym pojęciem rozumie się przebieg czasowy napięcia wyjś­ ciowego UA, gdy napięcie wejściowe UE wzrasta skokowo od zera do nastawionej wartości.

A~

Ue

..._

t,.... o

-Ua

I I

..... t~

Rys. 36

H14

Odpowiedź

skokowa regulatora P

Rys. 37 Symbol blokowy regulatora P

układu

Od sterowania do

regulacji

Regulator I

c Ua

Xw

Uc

RO

I I I

o Xw= Ue

Y= Ua

,-----

ty

I I I

1

= Ua Uc

t

Tl Rys. 40 Rys.38

Ue

y

+ + Rys. 39 Symbol blokowy regulatora I Regulator o działaniu całkującym integruje wartość wielw funkcji czasu.

kości wejściowej

Charakteryzuje go stała akcji całkującej. (stała akcji całkujacej zapewnia czas potrzebny członowi całkującemu, by na wyjściu osiągnąć wartość napięcia Ua, gdy na wejściu nastąpi skokowa zmiana napięcia Ue)·

Ua

+ lub jej

odwrotność (współczynnik całkowania)

Rys. 41 Wykres czasowy działania regulatora I jak

długo wielkość wejściowa

nie jest równa zeru. Nagdy napięcie wejściowe jest równe zeru (rys. 41 ). pięcie wyjściowe może przyjąć dowolną wartość,

Napięcie wejściowe

UE jest odchyłką regulacji

w-x=Xw. Napięcie wyjściowe

jest wielkością

nastawiającą

Odpowiednio do połączeń wewnętrznych regulatora możliwa jest inwersja sygnału wyjściowego. Skokowa zmiana napięcia wejściowego powoduje liniową i proporcjonalną do czasu zmianę napięcia wyjś­ ciowego. Szczególną właściowością

regulatora I jest więc to, że ulega zmianie tak długo,

wartość wielkości wyjściowej

W porównaniu z regulatorem P, w regulatorze I nie wardo od-

tość wielkości nastawiającej jest proporcjonalna chyłki regulacji, lecz jej przebieg czasowy.

Regulator całkujący usuwa całkowicie każdą odchyłkę regulacji, ponieważ nawet najmniejsza wartość sygnału wejściowego wywoła po upływie określonego czasu odpowiednio dużą wartość sygnału wyjściowego. Zaletą tego regulatora jest zera odchyłki regulacji.

możliwość

sprowadzenia do

Wadą

regulatora I, jak to wynika z wykresu, jest stosunkowo powolne reagowanie na zmianę wartości wielkości regulowanej. Konsekwencją tego jest dłuższy czas regulacji i możliwość występowania silnego przeregulowania.

H15

Od sterowania do

układu

regulacji

Regulator Pl

V

Rys. 44 Charakterystyka regulatora Pl

Rys. 42 Regulator Pl

_w--1-~-x-1':• I~ -j~ -X

+:--

R1

V

Xw

RO

CO

o-e:::J--1 ,._________.

Rys. 43 Symbol blokowy regulatora Pl Regulator proporcjonalna-całkujący Pl łączy w sobie dobre właściwości regulatora proporcjonalnego (szybkość) i regulatora całkującego (dokładność). Regulator Pl charakteryzuje się stałymi KP i K oraz czasem zdwojenia Tn. Rys. 45 Regulator O

Xw Czasem zdwojenia Tn jest czas, po którym składowa działania całkującego sygnału wyjściowego zrównuje się ze składową działania proporcjonalnego, a zatem całkowita wartość sygnału wyjściowego jest zdwojona w stosunku do początkowego przyrostu sygnału, reprezentującego tylko działanie proporcjonalne. Można to też wyrazić inaczej: Charakterystyka regulatora Pl odpowiada charakterystyce regulatora I, którego działanie rozpoczyna się wcześniej o czas zdwojenia Tn (rys. 44).

Regulatory te stosowane są najczęściej w tych przypadkach, w których składowa proporcjonalana zakłócenia musi zostać szybko, choć nie koniecznie dokładnie, skompensowana a następnie składowa całkowa wymusza dokładne sprowadzenie odchyłki do zera.

Rys. 45a Charakterystyka regulatora O

Regulator D Regulator różniczkujący reaguje na LiXw/Litodchyłki regulacji.

Działanie regulatora charakteryzuje stała czasowa akcji różniczkującej T0 , nazywana też czasem wyprzedzenia, albo wzmocnienie dynamiczne K0 .

prędkość

zmian

Regulator ten badany jest więc nie wymuszeniem skokowym, lecz sygnałem o przebiegu zmieniającym się liniowo w funkcji czasu.

H16

Y= -T

dXw(t)

---~--

di

Regulator ten stosowany jest z innymi regulatorami.

łaniu

przeważnie

we

współdzia­

Od sterowania do układu regulacji

Regulator PIO

Regulator PD

R1

R1

C1

R2

Xw

Xw

RO

R2

C2

RO

y

y

R3

R3

Rys. 46

Rys. 48 Regulator PID stanowi pów regulatorów.

połączenie

wszystkich trzech ty-

Do dobrych właściowości dynamicznych regulatora PD dochodzi jeszcze możliwość całkowitego wyeliminowania statycznej odchyłki regulacji. Taki regulator z nastawialnymi parametrami pasować do każdego obiektu regulacji.

Xw

można

do-

t Rys. 47 Symbol blokowy regulatora PD Zwtoka T1 = C · R3 opóźnia sygnał wyjściowy i w czasie t = Oogranicza go do Xw · Kp · Tv I T1 . (Kp= (R1 + R2 ) I R0 ; Tv= [R2 I (R1 + R2 )] · C) Badając reakcję bezzwłocznego regulatora PD sygnałem o przebiegu zmieniającym się liniowo w funkcji czasu, można łatwo określić czas wyprzedzenia Ty.

y Xw. Kp~ składowa P

--+--

Xw. Kp= składowa D

• Rys. 47a Charakterystyka regulatora PD Czasem wyprzedzenia Tv jest czas potrzebny, by skła­ dowa P osiągnęła wartość sygnału wyjściowego, jaką składowa D ma w czasie t = O. Składowa

akcji różniczkującej w regulatorze proporcjonalnym przyspiesza proces kompensacji zakłóceń, ponieważ prędkość zmian odchyłki regulacji wywiera również istotny wpływ na wartość sygnału wyjściowego.

Rys. 49 Wartość wielkości nastawiającej zmienia się najpierw o wartość zależną od prędkości zmian wielkości wejścio­ wej dxd/dt (składowa D). Wielkość nastawiająca, po upły­ wie czasu wyprzedzenia, powraca do tej wartości, która odpowiada zakresowi proporcjonalności a następnie zmienia się odpowiednio do wartości składowej działania ca/kującego

Kp TN Tv T1

R3

I.

= (R1 + R2 )! R0 = R1. C1 = R2. C2 = R3 · C2

-7 stała

czasowa tłumienia

= opór tiu mienia (patrz regulator PD)

Regulator PD pozostawia jednak zawsze statyczną odregulacji, tzn tak samo jak regulator PD.

chyłkę

H17

Od sterowania do układu regulacji

Układ

regulacji

położenia, napęd

Urądzenie regulujące

silnikowy

Serwozawór

Silnik hydrauliczny

~+----

Układ

pomiaru położenia

Rys. 50 Hydr. napęd silnikowy; schemat blokowy układu regulacji położenia Charakterystyka układu regulacji.

przejściowa

poszczególnych

członów

Serwozawór i obciążony silnik napędu rozpatrywane są jako szeregowo połączone człony inercyjne drugiego rzędu (człon

PTd.

Uwzględniając działanie całkujące

przy przechodzeniu z obrotu, obiekt regulacji jest układem wyższego rzędu (wynika to z przemnożenia transmitancji poszczególnych członów składowych; patrz literatura z zakresu techniki regulacji). prędkości

obrotowej do

kąta

Zgodnie z kryteriami doboru regulatora do danego obiektu regulacji (rys. 34), wybrano regulator PIO. Układ

bez

rozpatrywany jest jako człon P t. zn. że na zmianę wartości wielkości reaguje on bez opóźnienia.

pomiaru

położenia

opóźnienia,

wejściowej

Silnik hydrauliczny ma właściwości proporcjonalno-inwersyjne w odniesieniu do prędkości obrotowej i całku­ jące w odniesieniu do wyjściowego kąta obrotu.

H18

Mechaniczne elementy przenoszenia napędu

Od sterowania do układu regulacji

Układ

regulacji

położenia, napęd siłownikowy

Urządzenie regulujące

Regulator

Siłownik

w -X

'-----tt=t------• Układ

pomiaru położemia

Rys. 51 Hydr. napęd siłownikowy; schemat blokowy układu reguluacji położenia

Charakterystyka przejściowa poszczególnych nów układu regulacji.

czło­

Serwozawór i siłownik są, podobnie jak w przykładzie poprzednim, rozpatrywane jako szeregowo połączone człony drugiego rzędu. W tym przypadku

działanie całkujące wiąże się

z prze-

kształceniem prędkości tłoczyska siłownika na jego prze-

mieszczenie. Również bliżej

i tutaj powstaje na str. J 4.

układ wyższego rzędu,

opisany

Można zauważyć, że obydwa schematy blokowe są bardzo podobne. Potwierdza to zawartą na str. J 6, uwagę, że przy przechodzeniu od rzeczywistego układu technicznego do modelu zanika wszelka różnorodność rozwiązań urządzeń technicznych.

Siłownik

hydrauliczny ma właściowości proporcjonalnoinwersyjne w odniesieniu do prędkości ruchu tłoczyska i całkujące w odniesienu do jego przemieszczenia.

H19

Od sterowania do układu regulacji

Regulacja

położenia

(Nadążny układ

regulacji)

Układ pomiaru położenia

Serwozawór

Generator przebiegów liniowych RA 1 Rys. 52 Układ

Przykład nadążnego układu

ten

Serwowzmacniacz SR 2

regulacji położenia

może być użyty

żeniem tłoka siłownika,

zarówno do sterowania poło­ jak i do kształtowania prędkości

ruchu.

Położenie

Przebieg sygnałów zadana położenia zostaje po podaniu sygnału startowego doprowadzona do generatora przebiegów liniowych. Sygnał wyjściowy tego generatora narasta w ciągu nastawionego czasu od O V do wartości napięcia nastawionej potencjometrem wartości zadanej.

zadane

T

Wartość

Nastawiony czas liniowo narastającego wada prędkości przebiegu.

napięcia

odpo-

'E

E .......

s

(I)

co

C>

e c Czas t[s] Czas przebiegu liniowego

Rys.53

H20

Od sterowania do układu regulacji

Regulacja prędości obrotowej z kompensacją zakłóceń

Prądnica

Moduł uniwersalny

tachometryczna

UK2

Rozdzielacz proporcjonalny 4WRE

~'---' Start

Generator Inwerter przebiegów liniowych RA 1

Człon sumujący

Wzmacniacz mocy

~~····~~-~-~~~-~-~~~--~-·~~~~·~··~~·

Rys. 54

Przykład układu

regulacji prędkości obrotowej

Wartość

zadana prędkości obrotowej zostaje po podaniu startowego doprowadzona do generatora przebiegów liniowych. sygnału

Wartość zadana na wyjściu tego generatora zmienia się zgodnie z nastawionym czasem narastającego przebiegu liniowego. Sygnał ten poprzez inwerter i człon sumujący dociera do wzmacniacza mocy i steruje zaworem. Jednocześnie porównywana jest wartość zadana z wartością wielkości regulowanej (chwilową rzeczywistą prędkością obrotową), a odchyłka regulacji zostaje doprowadzona do właści­ wego regulatora.

Sygnał

nastawiający

regulatora podany zostaje do i tam wpływa na przesyłany do wzmacniacza sygnał nastawiający, a tym samym wywiera wpływ na wysterowanie serwozaworu. członu sumującego

Przez taką właśnie budowę układ regulacji uzyskuje lepsze właściwości dynamiczne, ponieważ właściwy regulator uaktywniany jest tylko przy istnieniu różnicy między wartością zadaną i rzeczywistą.

H21

Od sterowania do układu regulacji

Regulacja prędkości Układ

sterowania z rys. 56

może

jedynie

stabilizować

wartość prędkości.

Nie

można

dokładnego

jednak za pomocą tego pozycjonowania.

układu realizować

Przebieg sygnałów Nastawiona potencjometrem wartość zadana prędkości jest, po podaniu sygnału startowego, doprowadzana jako sygnał wejściowy do generatora przebiegów liniowych RA 1. Generator ten zwiększa swój sygnał wyjściowy odpowiednio do nastawionego czasu przebiegu liniowego, t. zn. od O V do wartości zadanej podanej na wejście tego generatora. Czas ten określa przyspieszenie ruchu. Sygnał wyjściowy generatora RA 1 zostaje doprowadzony do serwowzmacniacza (SR). Prędkość tłoczyska siłownika jest mierzona za pomocą przetwornika prędkości. Sygnał prędkościowy zostaje dopasowany do zakresu zmian sygnału wartości zadanej przez wzmacniacz, znajdujący się również w module generatora RA 1.

Zakres zmian wartości zadanej wynosi z reguły O - 1O V. Dopasowanie wartości rzeczywistej oznacza więc, że sygnał wartości rzeczywistej musi wynosić także 1O V przy prędkości maksymalnej. Znormalizowany sygnał wartości rzeczywistej doprowadzany jest również do serwowzmacniacza. serwowzmacniaczu SR następuje porównanie zadanej z rzeczywistą. Odchyłka regulacji xw zostaje doprowadzona do regulatora Pl. Wytwarza on sygnał nastawiający y, który steruje bezpośrednio serwozaworem, w następstwie czego prędkość rzeczywista zostaje zrównana z zadaną. W

wartości

Regulator Pl tak długo zmienia swoje napięcie wyjś­ ciowe, aż różnica między wartością zadaną i rzeczywistą staje się równa zeru (partz regulator Pl na str. H 16). Aby zapobiec niepożądanym zmianom wartości sygnału z regulatora Pl, a zwłaszcza aby uniknąć ła­ dowania się pojemności w jego sprzężeniu zwrotnym przed startem, dopiero właśnie sygnał startu odblokowuje działanie regulatora przez wzmacniacz przełącza­ wyjściowego

jący.

Gdy przekaźnik d1 jast wzbudzony, wówczas regulator Pl działa normalnie. Natomiast gdy przekaźnik d1 jest w stanie odwzbudzeniowym, wtedy następuje zwarcie sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu operacyjnym, a tym samym jego sygnał wyjściowy y staje się równy zeru (ponieważ wzmocnienie jest równe zeru). Odblokowanie regulatora dzenie przekaźnika d1.

następuje więc

przez wzbu-

Zmianę

stanu przekaźnika i w następstwie odblokowanie regulatora wywołuje wzmacniacz przełączający (1) zależnie od aktualnej wartości zadanej. Wzmacniacz przełączający zostaje tak nastawiony, że regulator przejmuje swoje podstawowe zadanie wówczas, gdy sygnał wartości zadanej wynosi około 1 OO mV. Jako dodatkowy element układu przedstawiono tutaj drugi wzmacniacz przełączający, który z kolei wpływa na odblokowanie regulatora w zależności od rzeczywistej wartości prędkości. Jeżeli, np. wartość zadana prędkości spada skokowo do zera, to poprzez wzmacniacz przełączający połączony z sygnałem wartości zadanej następuje odblokowanie normalnego działania regulatora.

W stanie tym jednak normalne działanie regulatora będzie nadal zapewnione, a to dzięki drugiemu wzmacniaczowi przełączającemu, wobec czego tłok siłownika będzie mógł się przemieszczać do punktu zerowego zgodnie z charakterystyką regulatora.

R1

Xw

C

RO

Rys. 55 Schemat układu odblokowania w regulatorze Pl

H22

Trzecim podstawowym nienia.

układem

jest

układ

regulacji

ciś­

Schemat blokowy tego układu jest bardzo podobny do poprzednich, wobec czego pomijamy opis przebiegu sygnałow.

:Il

'< (f)

01

(j)

\J

N

'<:::

Q: O) Q

c::

Q: O)

Wzmacniacz

§-

dopasowujący

(i) CQ

c::

ii)

-2: \) .(il

o~

Przetwornik

(fh

S?.

prędkości

Serwozawór

~ :::t.

!).)

o

Ili' ('), N

Il)

o.. D>

::i

!).)

-:::

~----' Start

Generator przebiegów liniowych RA 1

Regulator Pl

Przetwornik napięcie-prąd

Serwozmacniacz SR

oo.

fi)

....CD

o

:E D> ::I

iii'

o. c:

o

~

o. c:

....

CD

(C

c:

J:

~

D>

!?.

Od sterowania do układu regulacji

Regulacja wartości

ciśnienia

Wzmacniacz dopasowujący

p

Serwozawór

Regulator Pl

Generator przebiegów liniowych RA 1

Rys. 57

Przykład układu

regulacji

Serwozmacniacz SR

ciśnienia

z jednym

Dopóki nie występują przepływy zakłócające, dopóty zawór pracuje w położeniu środkowym. Wzmocnienie układu wyznaczają w tym przypadku właściwości serwozaworu. Pewien wpływ mają również właściwości komory ciś­ nieniowej siłownika, które należy uwzględnić w postaci stałej czasowej T. możliwego

wzmocnienia

Krytyczne wzmocnienie porcjonalne do iloczynu

układu

napięcie-prąd

wartości ciśnienia

Uwagi ogólne do układu regulacji serwozaworem

Ocena

Przetwornik

układu

jest w

Jeżeli

zmnie1szenie amplitudy wysterowania zaworu przy częstotliwości własnej ( - 90°) oznaczymy jako Av (w decybelach), to otrzymamy:

Wynika stąd wartość współczynnika tłumienia Dv

regulacji

przybliżeniu

proW odniesieniu do

Dv

= współczynnik tłumienia zaworu

M;

=częstotliwość własna

T

zaworu [1/s] (częstotliwość przy przesunięciu fazowym - 90°) = stała czasowa komory ciśnieniowej

stałej

czasowej Tmamy

Kpq

= objętość oleju w komorze ciśnieniowej = moduł sprężystości oleju [1,4 · 1os N/cm3] = współczynnik proporcjonalności natężenia

Kpq

= Omaxf Pmax [cm 3/s/bar]

V E

przepływu względem ciśnienia

Optymalne wzmocnienie

H24

układu

wynosi

około

Od sterowania do układu regulacji

Technicza realizacja

układu

regulacji

Opracowano elektroniczne moduły uniwersalne, które ułatwiają wykonanie różnych układów regulacji. Przez odpowiednie połączenie tych modułów analogowy układ regulacji.

można

utworzyć każdy Zostało

wych

to przedstawione w postaci schematów blokoposzczególnych układów, mianowicie:

przykładów

Rys. 52

Układ

regulacji

położenia

Rys. 54

Układ

regulacji

prędkości

Rys. 56

Układ

regulacji

prędkości

Rys. 57

Układ

regulacji ciśnienia

obrotowej

H25

Od sterowania do układu regulacji

1. Serwowzmacniacz Serwowzmacniacze służą do wysterowania serwozaworów lub zaworów proporcjonalnych ze sterowaniem pośrednim. Głównym zadaniem serwowzmacniacza jest takie wzmocnienie analogowego sygnału wejściowego (wartości zadanej, wielkości zakłócającej), aby za pomocą sygnału wyjściowego można było sterować serwozaworem (np. wzmocnienie 1 mA: 60 mA).

W tym celu można zastosować np. zasilacz sieciowy NE 1 S 30. Wygładzone napięcie wyjściowe wynosi ± 22 do 30 V, a napięcie zasilania 220 V I 50 - 60 Hz lub 11OVI50 - 60 Hz.

Rys. 59 Zasilacz sieciowy typu NE 1 S 30 W module wzmacniacza napięcie zasilające zostaje przemienione w stabilizowane napięcie (2) ± 15 V.

Rys. 58 Serwowzmacniacz typu SR 1 Wykonywane są następujące odmiany serwowzmacniaczy, różniące się ich przeznaczeniem: Serwowzmacniacz SR 1 Dla serwozaworów lub zaworów proporcjonalnych z serwozaworem jako stopniem wstępnym i elektrycznym sprzężeniem zwrotnym w stopniu głównym. Prąd wyjś­ ciowy wynosi /maks ± 60 mA. Serwowzmacniacz SR 2 Dla serwozaworów bez elektrycznego sprzężenia zwrotnego. Prąd wyjściowy wynosi /maks ± 60 mA. Odpowiednio do maks. prądu wyjściowego ± 60 mA możliwe jest sterowanie serwozaworów z wzmacniaczem typu dysza-przysłona. Serwozmacniacz SR 3 Dla serwozaworów lub zaworów proporcjonalnych z serwozaworem jako stopniem wstępnym i elektrycznym sprzężeniem zwrotnym w stopniu głównym. Prąd wyjściowy wynosi Imax ± 700 mA. Serwowzmacniacz SR 4 Dla serwozaworów bez elektrycznego sprzężenia zwrotnego. Prąd wyjściowy wynosi Imax ± 700 mA. Ostatnie dwie odmiany wzmacniaczy z Imax ± 700 mA przewidziane są do jednostopniowego sterowania zaworów regulacyjnych z suwakiem wzdłużnym. Budowę serwowzmacniacza przedstawia schemat blokowy na rys. 60.

Do zasilania wymagany jest prąd stały o napięciu (1) wynoszącym± 20 do 28 V.

wygładzonym

Służy ono: - do zasilania odbiorników zewnętrznych, jak np. potencjometrów ( + 15 V na odczepie 12c i - 15 V na odczepie 22c); - do zasilania wewnętrznych wzmacniaczy operacyjnych. Należy następnie przedstawić jeszcze dwa funkcjonalne serwowzmacniacza:

zespoły

a) Zespół sterowania serwozaworem z stopniem wym (4) i regulatorem PD (3).

końco­

W odmianach bez elektrycznego sprzężenia zwrotnego (SR2 i SR4) wartość zadana jest doprowadzana bezpośrednio do regulatora PD (3). Natomiast gdy stosowany jest moduł przeznaczony dla za,worów z elektrycznym sprzężeniem zwrotnym (5), wowczas regulator PD zostaje zastosowany w układzie regulacji położenia suwaka zaworu. Położenie suwaka jest mierzone przez przetwornik indukcyjny, przy czym zasilanie napięciem przemiennym oraz przekształcanie sygnału dokonywane jest za pomocą demodulatora (5). W zależności od położenia suwaka zaworu przetwornik indukcyjny wytwarza sygnał napięciowy prądu przemiennego o różnej amplitudzie. Sygnał ten jest przekształ­ cany przez demodulator (5) w odpowiedni sygnał napięciowy prądu stałego (patrz również str. D 7). Regulator położenia (3) suwaka zaworu porównuje wartość zadaną na styku 28a (ewent. 30a) z wartością rzeczywistą położenia suwaka (mierzoną na gnieździe pomiarowym 2 lub zacisku 32a). Regulator (3), w zależ­ ności od różnicy między wartością zadaną i rzeczywistą pr~ekazuje odpowiedni sygnał do stopnia końcowego, ktory przekształca ten sygnał napięciowy w odpowiedni proporcjonalny sygnał prądowy sterujący zaworem. przekaźnika K2 może nastąpić przyłączanie sygnału wyjściowego stop-

Poprzez zwarcie zestyku (7) i zestyku

nia kor'icowego (4), np w zależności od wartości ciśnienia w układzie hydraulicznym. Zapobiega to ewentualnemu uszkodzeniu zespołu dysza-przysłona w serwozaworze.

H26

JJ

'<

en

O)

o

s CD

:3 ~ o-

o

a-

~(/)

CD

.....

Wartość zadana polozenia 1

)

Wartość zadana położenia 2

~

I

Napięcie zmi~n{-w I

(/)

stanu przekazrn o

(,:)

--(LO)

I

~

a

Zestyk odbloko.wania +UL

I

3tij•

(/)

® I ...:_

(j)

:3

.....

c-B

I

! !

Wartość rzeczywista

!:!)

JJ

I

Pl '-'-'IT

c

I

I

)

~ ~

!:!)

~Alle I I

0 :..:

i i

ma (LO) +Ul___...-:

warto~.

Wa"""' " ··

Wyjście

oeczy\'8"

V14

Jr.'

K1, K2, KS . PrzełączeniedZ>ała. regulatora

____.... ----.... regulatora

Q

l

II

2;>_

I I

II Ii"

-

2~

132c

± (20 do 28) V = wygładzone

CD

'( _ - --

- --

I

:

I

.::----;

PIO 1

-Re

;!; _______ 4 s

----;:-

I14c Napięcie zasilające

3

+UL

--

A

I

r'll

-----ii§'-~ l~;---:_- ----6c -

B

I

~ ----- --

--

_ - -

-i

c

o

I

@

JI

~ Obciąż?n.ie

i u~

V34

I

________ _

rwowy

Zestykreze +UL(LO)

1_0c - - - - - -

L_ _ -J
.Le-

L- -

-

___

_____ 12c

styków przekazn1ka _ A 24 V /-0,5 1s v

®

-...

Ili CD

V37 ()I

o

6

Q) == ::i iii" o..

18c MO

~20c

-UL

Vr!.6

oo..

C15J

~

~- l

--'----.C13 7915

>T

22~-

15

v

o

i:: ;li;"

iii o..

Przekaźniki

I I\)

-...J

K1 i KS oraz regulator PIO występują tylko w wykonaniu specjalnym i w zamówieniu

należy

to

podać jako

VT!

i::

....CD

CC i::

w

.!?.

Od sterowania do

układu

regulacji

Niebezpieczeństwo

zniszczenia lub uszkodzenia zewówczas, gdy następuje wysterowanie serwozaworu, a do układu nie podano jeszcze ciśnienia. Z tego względu odblokowanie serwozaworu powinien zapewniać wyłącznik ciśnie­ niowy w układzie hydraulicznym, połączony z serwowzmacniaczem poprzez wejście 6a.

Istnieje możliwość realizacji

następujących działań.

społu dysza-przysłona występuje

Poprzez to wejście można realizować także inne warunki poprawnej pracy układu hydraulicznego.

Różne

regulatory

Rys.62

Do wyjściowego sygnału prądowego zostaje przez modulator (8) dołączony sygnał prądu przemiennego (20 mA55 ) o stałej częstotliwości (480 Hz) i amplitudzie. W ten sposób uzyskuje się zmiejszenie histerezy oraz poprawę stabilności i zwiększenie czułości progowej zaworu.

..... ..""'. I

~

,,,,...

Wartość prądu

sterowania zaworem wskazuje miernik (9) umieszczony na płycie czołowej modułu.

b) Regulator PIO (1 O) dla kaskadowego układu regulacji. W razie potrzeby można ten regulator zastosować jako dodatkowy w układzie. Charakterystykę regulacji określa wówczas odpowiednie połączenie obwodu regulacji. Krótko o przebiegu działania: Regulator PIO (1 O) porównuje przyłożoną do styku 30c wartość zadaną (np. prędkości) z wartością rzeczywistą występującą na styku 28c. W zależności od odchyłki regulator wytwarza odpowiedni sygnał napięciowy (na styku 32a). Sygnał ten doprowadzany jest poprzez styk 28a do zespołu sterowania serwozaworem. Do odblokowania regulatora (1 O) wywoływany na zacisku 2a. 2.

służy przekaźnik

K1,

Rys.63

czton

sumujący ~

Rys. 64

Przerzutnik Schmitta

-

lT

-

Moduł

uniwersalny (UK 2) służy do budowy dowolnego układu operacyjnego. Moduł jest wyposażony w 3 podwójne wzmacniacze operacyjne i 5 potencjometrów punktu zerowego. Moduł

ten

Rys.65

Człon różniczkujący

-X

li dx/de

-

y

Rys.66 Montaż elektronicznych elementów i ich połączenie wykonuje się poprzez punkty lutownicze zgodnie z założo­ nym schematem działania.

Rys. 61

H28

Moduł uniwersalny

UK 2

Płytka obwodów drukowanych modułu z 6 wzmacniaczami operacyjnymi (3 podwójne wzmacniacze) powinna być zasilana stabilizowanym napięciem ± 15 V.

:D

'< ~

+ R9 _

O)

-..,i

::iCD

±-9-=

R36

en

()

R40

24a

::i

Sc

~

R3a ..........

CS li

~ '"6

26a

C3

2~J_7~-r 7

~

-

R42

~

2~

•C:

::i

22c

C7 IR39

CD ::i,

a

-

...._

en.

R34

& c:

R29

R2a

R70

~

C6

R41

C15

R66

-r

C16

I 11

I

aa 20a

-

10a

I

R62

~Jg'

• [:=J

C14

R61

R63

• L.--1 •

T~

1~ R72

Jl3

7

T

!::!!?.!!

I

12a

I

12c

R67

c:::

::i

~-

(ii tu

C3

+ Ra _

sCD

+ R3 R4S

CQ

o c:

30a

)\

6a

R2 C12

R43

!\)

en C.:i

a

~

4c

+ R7 _

2Sa

fil!!

6..._

]'.'

R4s

0

~~' C11 Ja R51 -:if-Jg

C4

~

:~

. ji :

2a 30c

2c

d44

~:

-

R50

....

""' a:

IO

T

H!>3

.

:~

I~

flj

...

CD

o

:e

R24 22a

tt.::.l

I

2....

+UM

I

20c

MO -UM

1Sac 1c1 Ic2

I

!§ac 14ac

Q)

:l

a;· o. o

s:::

;li;"

Q)

o.

Podstawowe wyposażenie: - 3podwójnewzmaczniaczeoperacyje N1, N2, N3 - 5 potencjometrów punktu zerowego R3,R4,R7,R8,R9 I I\)


...s::: CD

(,Q

s::: iii

..2.

Od sterowania do układu regulacji

3. Moduł generatora przebiegów liniowych RA 1

Rys. 68 Generator przebiegów liniowych typu RA 1S30 Wyposażenie podstawowe tego modułu stanowi analogowy generator przebiegów liniowych. W zależności od potrzeb można wybrać jeden spośród trzech zakresów czasu przebiegu liniowego:

0,01 0,1 -

1

0,1 s 1 s

-10

s

Każdy zakres odnosi się do zmiany napięcia wynoszącej 1O V. Czasy liniowego przebiegu narastającego i opadającego można oddzielnie nastawiać potencjometrami P1 i P2. Możliwe jest także nastawianie czasu przebiegu liniowego z zastosowaniem zewnętrznego potencjometru. Poza wspomnianym generatorem na płytce modułu umieszczono jeszcze 5 wzmacniaczy operacyjnych do swobodnego połączenia.

Odpowiednio do przewidzianego można co najwyżej wmontować:

wyposażenia modułu

2 regulatory (P, Pl, lub PID) 1 inwerter 2 wzmacniacze przełączające z indywidalnie nastawianym punktem przełączenia

H30

JJ

'< (j)

en

Sc

-

R31 ......,___.

g

Sa

R21,1

c.o

CD

3

~

V4

+

~ "tj ~

R24

10c

~

C3

Generator przebiegów liniowych

vs R21

Inwerter

K1

2a

~

2c

R27

CD ::i,

4c

3 o

0.01·0.1s

g.

V2

;::~ ::i

o

03 "'Q i\l

~

~-

a: a: Elementy połączone przełączający)

Łączone

J3

przewodowo wznacniacze operacyjne

-=---c=:

~

g.

o-J2

Człon całkujący

trwale - komparator (wzmacniacz

+ R3

§'

~

1-10s

10uF"C2

Q,

a·

o..-~

J1

. . ON..... ,...

CD

03

4a

3

~ R41

2~

2Gc

Ga

R33

- ·-

1

~

l

30a

R32

30c

fil1

Z§c

7

28a

~

i:::

52

R35

R37

oo.

(})

R44

C5 _ __ , ~·r._._ I R57

R42

f

+ R5 -

~

a

-'--l'::;:J--

21!

__

r---t

•c:::::J• ---

•

C10

~

RSG

2~a

I~

R49

r--4f--+---

H48

I

C11

RGO

Q)

(/)


....

o

• c:::::J

::'E

::i

__,_....,__ R54

24c

RG1

-

CG

iii" o. o

32a

32c 20a

c:::::J-o--ł

22c

---

rlfj~1

!

-~-

j

c:

20c

Q: Q)

C7

a.

-łl-

R53 Elementy nie połączone

:::r: C..J .....

~

+ R9

"tj

......

n

R35,1

...c:
te

c:

Q)

!?.

Od sterowania do

układu

regulacji

Oprócz opisanych modułów istnieje oczywiście jeszcze pewna liczba modułów standardowych, które można stosować do przetwarzania sygnałów analogowych.

Ogranicznik - wzmacniacz

przełączający

BG 1

Rys. 70 Ogranicznik typu BG 1 S 30

E1

UA

E2

Rys. 71 Ogranicznikiem - wzmacniaczem dwa działania:

Ograniczanie i

przełączanie

można realizować

wartości

sygnałów

wejściowych

Zadania ogranicznika można sklasyfikować następująco: 1) Ograniczanie wartości sygnałów analogowych od połączenia, otrzymuje się ograniczenia unipolarne (jednograniczne) lub bipolarne (dwugraniczne).

Zależnie

2) Wysterowanie wzmacniacza przełączającego (pozytywne lub negatywne) w przypadku, gdy wartość różnicy dwóch sygnałów przekraczająca ustalony próg ma być zasygnalizowana jako zakłócenie. 3) Wysterowanie wzmacniaczy przełączających w przypadku konieczności sygnalizacji przekroczenia pewnej wartości absolutnej sygnałów wejściowych. Wartości sygnałów wejść E1 i E2 są sumowane, przy czym ta wartość absolutna lub jej inwersja jest porównywana z zadanym progiem przełączania.

4)

Sygnały mogą być zapamiętane;

sygnał

H32

"reset".

kasowanie przez

Od sterowania do układu regulacji

Rys. 72 Schemat wyprowadzeń modułu ogranicznika typu BG 1 S 30

H33

Od sterowania do

układu

regulacji

Pomiar wielkości mierzonych Pomiar wielkości mierzonej, a przede wszystkim warrzeczywistej wielkości regulowanej, ma istotne znaczenie w układzie regulacji. tości

Pomiar może być dokonywany cyfrowo lub analogowo. Objaśnienie pojęć na przykładzie pomiaru przesunięcia

liniowego:

Należy

bowiem pamiętać, że dokładność układu nie od dokładności pomiaru wartości rzeczywistej. może być większa

Urządzenia

pomiarowe powinny więc być w miarę możli­ o co najmniej jeden rząd wielkości (1 O) dokład­ niejsze od żądanej dokładności układu. W odniesieniu do osiągalnej dokładności należy uwzględnić również charakterystykę obiektu regulacji (opóźnienie).

wości

cyfrowy

analogowy

III IIIII II

___.;Jl ,._[;L\S

+ L U0

= zakres pomiarowy

Ux X

=

=przyłożone napięcie

(np 10 V)

napięcie odbierane = mierzone przesunięcie

Ux / Uo = X 1 L Xx U · L IUo

=

Rys. 73 Pomiar cyfrowy: pomiar z zastosowaniem cyfrowo kroków.

Poza tym rozróżnia się pomiary przyrostowe i absolutne.

określonych

Pomiar analogowy: Odwzorowanie (odtworzenie) wielmierzonej w postaci innej wielkości zmieniającej się analogowo (np. napięcia). kości

cyfrowy

analogowy (jeden pomiar analogowy jest zawsze absolutny)

o +

o

1 2 3

każdy

wiersz ma określoną

wartość cyfrową

H34

Od sterowania do układu regulacji

Pomiar przyrostowy: Dodawanie lub odejmowanie elementarnych przyrostów wartości danej wielkości. Pomiar absolutny: Bezpośrednie przedstawienie wardanej wielkości, a przy pomiarze cyfrowym w postaci zakodowanej.

Cewki

różnicowe

dają się

z rdzeniem zanurzonym (rys. 75) nado pomiaru bardzo małych przesunięć.

Czułość

takiego przetwornika wynosi ok. 2 µm.

tości

1. Pomiary

przesunięć

liniowych

1.1 Przetwornik potencjometryczny liniowy, drutowy Przesunięcie

jako wielkość analogową mierzy się bezna ślizgaczu w postaci napięcia. Sygnał napięciowy zawiera się na ogół w zakresie ± 1O V~ 20 V. Najmniejsza, możliwa do wykorzystania wartość sygnału, wynosi 20 mV. Zależy to jednak od jakości napięcia zasilającego, t. zn. wahań jego wartości. Z tego względu najczęściej przyjmuje się sygnał 30 „. 50 mV jako jeszcze nadający się do wykorzystania. pośrednio

::::::::::

____

___,

Racjonalny zakres pomiarowy: do 500 mm. Przykład

500

na obliczenie dokładności pomiaru: 20V

mm~

najmniejsza wartość mierzona X= 500 [mm] · 0,2 [V]/20 [V] X=0.5mm

-7

1.2 Przetwornik potencjometryczny warstwowy Jest to przetwornik pomiarowy mający część oporową i tor ślizgacza wykonane z tworzywa sztucznego (pomiar analogowy). Zakres pomiarowy: do ok. 1OOO mm Zdolność

rozdzielcza: 0,01 mm

Osiągalna dokładność

w tym przypadku jest także zależna od omówionej w p. 1.1 granicznei wartości sygnału jeszcze możliwego do wykorzystania. Zaletą tego przetwornika jest mniejsze zużycie ścierne i lepsza rodzielczość sygnału (nie ma skoków międzyzwojowych). 1.3 Indukcyjny przetwornik

przesunięcia

W tym przetworniku ruchomy okrągły magnetycznie miękkiej stali, przemieszcza się w cewce lub w zespole cewek. Odpowiednio do przesunięcia zmienia się indukcyjność cewki pomiarowej. Pomiar przeprowadza się za pomocą prądu przemiennego w układzie mostokowym. (Patrz także opis indukcyjnego przetwornika przesunięcia zamieszczony na str. 07).

(bezstykowy)

pręt,

wykonany z

Rys. 75 1 .4 Przetwornik optyczny (fotoelektryczny, stosowany w urządzeniach sterowanych numerycznie) Cyfrowo-przyrostowy pomiar polega na odczycie przez fotoelektryczne elementy podziałki kreskowej naniesionej na liniał (rys. 76). Przy ruchu liniału względem zespołu odczytującego fotokomórki wytwarzają sygnały o przebiegu prawie sinusoidalnym. W układzie elektronicznym następuje przetworzenie tych sygnałów na wartość cyfrową. Po wyłączeniu przetwornika lub zaniku napięcia informacja pomiarowa zostaje utracona. W związku z tym liniał jest zaopatrzony w jeden lub kilka znaczników punktu odniesienia. Przy przejściu przez taki znacznik wytwarzany jest dodatkowy sygnał odniesienia. Zakres pomiarowy: 1O mm do 30 mm stemu) Dokładność:

± 1 µm do 1O ~tm

(zależnie

(zależnie

od sy-

od systemu).

szklany

Rys. 76 Przetwornik optyczny

H35

Od sterowania do

układu

regulacji

1.5 Indukcyjny przetwornik przesunięcia wbudowany do hydraulicznego

siłownika

Przetwornik ten umieszczany jest w komorze wej siłownika hydraulicznego.

ciśnienio­

Rys. 77 Zakres pomiarowy, w zależności od odmiany konstrukcyjnej i średnicy tłoka, może wynosić do 1OOO mm. Napięcie zasilania: 2 do 5 V. 1.6 Ultradźwiękowy przetwornik przesunięcia wbudowany do siłownika hydraulicznego Wynik pomiaru absolutnego wartości przesunięcia nie ulega w tym przetworniku zniekształceniom w razie przerw w pracy, zaniku zasilania i oddziaływania innych zakłóceń.

Rys. 78 Dokładność pomiaru wyznacza rodzaj wego: - analogowy: Odo 1O V prądu stałego - cyfrowy: rozdzielczość O, 1 mm Zakres pomiarowy: do 2500 mm

H36

sygnału wyjścio­

Od sterowania do układu regulacji

1.7 Przetwornik laserowy Przetwornik ten służy do bezdotykowego określania wymiarów przedmiotu lub położenia jego krawędzi.

Długość tensometrów wynosi zazwyczaj od 3 do 60 mm. Tensometrami można mierzyć zmiany długości do około ± 5 %o ich własnej długości.

Zespół nadawczy wytwarza wąskie pasmo światła lase-

1.9 Przetwornik obrotowy, przetwornik prędkości

rowego, które skierowane jest na detektor w zespole odbiorczym. Pasmo światła laserowego składa się z szybko i równolegle przesuwającego się bardzo cienkiego promienia świetlnego. Przedmiot, wprowadzony do tego pasma stanowiącego pole pomiarowe, rzuca cień w określonych chwilach czasu. Sygnał odbiorczy określa odstęp czasowy zboczy tego cienia i przekazuje te dane do mikroprocesorowego zespołu analizującego, który określa np. wymiary przedmiotu.

Przesunięcie można zmierzyć również za pomocą przetwornika obrotowego. W celu przekształcenia mierzonego przesunięcia w obrót kodowego elementu przetwornika wykorzystuje się przekładnie typu zębatka­ zębnik, śruba-nakrętka, krzywomierz itp. Zakres pomiarowy jest teoretycznie nieograniczony.

Przykłady

zastosowania przetwornika laserowego:

2. Pomiary przesunięć

kątowych

2.1 Przetwornik potencjometryczny obrotowy Kąt obrotu zostaje odwzorowany na napięcie (przetwornik analogowy). Potencjometr może być wykonany jako drutowy lub foliowy, z elementem rezystancyjnyrn wykonanym z tworzywa sztucznego.

Zakres

pomiarowy wynosi ok. 350°, obrotowa ok. 10000 rnin-1.

maksymalna

prędkość

Potencjometr zasilany jest napięciem ± 1O V (wskazane zasilanie z wyjścia wzmacniacza operacyjnego). Dokładność pomiaru: w= 350° · 0,02 V/20 V= 0,35.~ (przy najmniejszej wartości możliwego do wykorzystania sygnału 20 mV). 111 t,>

Rys. 79 Pomiar odległości między walcami

2.2 Impulsowy przetwornik przyrostowy Przetwornik ten wytwarza określoną liczbę impulsów na obrót jego tarczy pomiarowej. Liczba impulsów jest miarą przebytej drogi (kątowej lub liniowej). każdy

Rys. 80 Wyznaczanie położenia krawędzi przedmiotu) do krawędzi odniesienia Dokładność

(położenia

pomiaru:± 0,25 µm

Przetwornik określa wymiary bezwzględne oraz odod wymiaru nominalnego.

chyłkę

1.8 Przetworniki tensometryczne Tensometry rezystancyjne są czujnikami przetwornika, w których wraz z obciążeniem rozciągającym zmienia się długość i przekrój drutu lub folii, co wywołuje odpowiednie zmiany rezystancji.

Na wałku przetwornika zamocowana jest pomiarowa tarcza kodowa. Tarcza jest podzielona na poszczególne segmenty, które na przemian są przezroczyste lub nieprzezroczyste. Tarcza współpracuje z optycznym zespołem odczytowym wykorzystującym światło podczerwone. Przetwornik przyrostowy wytwarza impulsy w sposób niezależnie od liczby obrotów, wobec czego można nim mierzyć również duże przesunięcia.

ciągły,

Napięcie

zasilania: najczęściej

+ 5 V prądu stałego

Najmniejsza działka elementarna: 1O ~tm

2.3 Cyfrowe przetworniki kodowe (optyczne) Cyfrowe przetworniki kodowe stosuje się w układach pomiarowych i sterujących do pomiaru przesunięć liniowych i kątowych. Przetwornik kodowy przetwarza ruch obrotowy na sygnał elektryczny, wykorzystywany do sygnalizacji lub sterowania. Najmniejsza działka wynosi i O ~tm. Pomiar może być prowadzony zarówno analogowo, jak i cyfrowo. Dokładność pomiaru analogowego jest na ogół ograniczona do 1Q-3 lub 1Q-4 zakresu pomiarowego. Natomiast dokładność pomiaru cyfrowego jest o wiele większa. Ponadto wynik pomiaru jest jednoznaczny i łatwy do dalszego przetwarzania.

Rys. 81 Tensometr rezystancyjny foliowy

H37

Od sterowania do układu regulacji

Wyróżnia się

dwa rodzaje przetworników cyfrowych: przyrostowe i absolutne. Przetworniki przyrostowe (nadajniki impulsćw) wytwarzają ciągi impulsów i do wytworzenia wartości mierzonej wymagają licznika rewersyjnego, którego pojemność określa zakres pomiarowy. Impulsy zakłócające oraz inne, temu podobne zjawiska prowadzą do zniekształcenia wartości mierzonej i nie poddają się korygowaniu. W razie przerw w pracy i przy zaniku napięia zasilania następuje skasowanie stanu licznika i tym samym utrata informacji pomiarowej.

Przetworniki absolutne, w przeciwieństwie do przyrostowych, są skonstruowane jako przetworniki z elementami kodowymi. Każdemu krokowi kątowemu jest przyporządkowana wartość liczbowa, odczytywana przez zespół odczytujący. Wartość mierzona nie jest więc tworzona za pomocą urządzeń pomocniczych, lecz w sposób niezmieniany jest przedstawiana jako numeryczna wartość wynikająca z położenia elementu kodowego. Wartość ta może być bez straty czasu przetwarzana dalej i nie ulega zniekształceniu wskutek przerw w pracy lub zaniku napięcia zasilania. Każde więc położenie liniowe lub kątowe oznaczone jest wartością numeryczną, którą można dowolnie często wywoływać, nie zniekształcając jej wartości. Sposób działania przedstawiono na rys. 82. Na obracają­ cym się wale umieszczona jest tarcza kodowa, a naprzeciwko niej nieruchoma maska ze szczelinami odczytowymi. Tarcza kodowa ma pola jasne i ciemne. Zespół odczytowy zbudowany jest z diod elektroluminescencyjnych jako źródeł światła przechodzącego przez tarczę oraz fototranzystorów jako odbiorników. W zależności od wykonania osiąga się rozdzielczość do 4000 słów kodowych (sygnałów informacji) na jeden obrót.

3. Pomiar prędkości Prądnica tachometryczna Prądnica tachometryczna wytwarza napięcie zeleżne od prędkości obrotowej. Napięcie to jest miarą prędkości kątowej bądź też miarą prędkości ruchu liniowego jeżeli prądnica wyposażona jest w przekładnię zębnik­ zębatka.

3.1

Przykład:

Prędkość

przemieszczania Vmax= 1 m/s

Przełożenie przekładni pomiarowej: łownika hydr. == 1O obrotów prądnicy

1 m skoku tłoka sitachometrycznej.

(Przełożenie należy tak dobierać aby prądnica mogła pracować w zakresie danych znamionowych).

Np. 1OO V przy 1OOO obr/min = 16,67 obr/s przy Vmax= 1 m/s prądnica tachometryczna generuje

-7

napięcie wyjściowe

U= 1O [obr/s]/16,67 [obr/s] · 1OO V= 60 V 3.2 Impulsowe przetworniki prędkości Stosowane są do pomiaru prędkości kątowej. Jak już to podano w p. 2.4, przetworniki te w połączeniu z przekład­ nią typu zębnik-zębatka, śruba-nakrętka, śruba pociągowa lub krzywomierz są stosowane również do pomiarów prędkości. Liczba impulsów na jednostkę czasu określa wartość prędkości ruchu. Różniczkowanie sygnału przesunięcia Inną możliwością określania prędkości ruchu niczkowanie wartości przesunięcia.

3.3

jest

róż­

Analogowy sygnał przesunięcia po zróżniczkowaniu w D staje się sygnałem prędkościowym.

członie

Dokładność napięcia.

Maska~ Fototranzystor

"'-

~ Dioda Ga


Tarcza kodowa

Rys. 82 2.4 Przetwornik przyrostowy Przetworniki te są stosowane do pomiaru

kąta

obrotu i

prędkości kątowej.

Wykonanie z tarczą optyczną odpowiada przetwornikowi optycznemu opisanemu w p. 1.4. W zależności od wykonania można osiągnąć rozdzielczość do 1OO OOO działek elementarnych na 1 obrót.

H38

ok. 2 - 3 %, odniesiona do maks. zakresu

Od sterowania do układu regulacji

4. Pomiar ciśnienia, pomiar siły 4.1 Przetworniki ciśnienia z czujnikami tensometrycznymi Wykorzystuje się w tym przypadku zasadę przetwarzania ciśnienia na sygnał elektryczny przy użyciu czujników tensometrycznych, które, na przykład, w postaci cienkiej folii lub błony są naparowywane lub naklejane na element pomiarowy (np. na membranę poddawaną działa­ niu ciśnienia). Zakres pomiarowy sięga od O do ciśnień przekraczają­ cych nawet 1OOO bar (1 OO MPa). Zależnie od końcowej wartości zakresu pomiarowego osiąga się dokładność od ± 0,2 % do 0,5 %. Mierząc ciśnienie działające

kwarcu działać będzie siła, to na powierzchni prostopaddo obciążonej osi powstanie ładunek elektryczny, a w jego następstwie napięcie na okładach kryształu. Napięcie to jest proporjonalne do działającej siły. Tak zwane napięcie elektryczne zostaje teraz wzmocnione i przetworzone w siłę lub wartość ciśnienia. Napięcie wytwarzane jest praktycznie bez zwłoki po zmianie siły lub ciśnienia, wobec czego przetworniki te nadają się zwłaszcza do pomiarów dynamicznych. łej

Zakres częstotliwości mieści się pomiędzy 1O i 2 · 105 Hz.

na daną powierzchnię, np.

tłoka siłownika, można oczywiście dokonać pośredniego

pomiaru

siły.

Odpowiednio do zakresu częstotliwości (zależnie od odmiany czujnika tensometrycznego np. do 500 Hz lub do wielu tysięcy Hz) można za pomocą tych przetworników mierzyć ciśnienie szybkozmienne (w zakresie ms), w tym również wartości uderzeń ciśnienia.

4.2 Przetworniki ciśnienia z czujnikami indukcyjnymi Przy użyciu indukcyjnego przetwornika przesunięcia elastyczne ugięcie membrany pomiarowej przetworzyć na sygnał elektryczny. Ugięcie środka membrany jest proporcjonalne do mierzonego ciśnienia. można

4.3 Piezoelektryczne przetworniki ciśnienia i siły Metoda pomiaru ciśnienia z zastosowaniem kryształów kwarcu nadaje się zwłaszcza dla przebiegów dynamicznych, t. zn. do pomiaru pulsacji i szczytowych wartości ciśnienia. Natomiast statyczne pomiary ciśnienia można przeprowadzać jedynie w ciągu kilku minut. Sposób działania oparty jest na zjawisku piezoelektrycznym. Jeżeli w kierunku jednej z trzech osi kryształu

F(lub p)

F(lub p)

+

Rys. 83

H39

Rozdział

Wpływ

J

dynamiki serwozaworu na układ regulacji Dieter Kretz

Wpływ

dynamiki serwozaworu na

układ

regulacji

Wstęp

Zamieszczone niżej rozważania dotyczące techniki regulacji powinny sprzyjać zrozumieniu współzależności występujących w układach regulacji i dopomóc w uzyskaniu pewnej wprawy przy wstępnym ocenianiu oczekiwanych właściwości układu. W związku z tym nie podano tutaj obszernych wywodów matematycznych, lecz tylko wzory uproszczonych obliczeń.

J1

Wpływ

dynamiki serwozaworu na

Układ

regulacji położenia

układ

regulacji

Wyznaczanie użytecznego wzmocnienia "Kv opt" i jego wpływu na właściwości układu regulacji.

Serwowzmacniacz

u

I

u

Serwozawór

Siłownik

Obciążenie

nastawczy

położenia

i-----'""Fs •

X,X Rys. 1

r----------,

x

aol I I

1/A

L ___ Siłownik _ _ _

Urzecz.

lx I I

_J

KpQ/A

-

Fzaklóc.

I Przetwornik I połozerna

L _

_J

Rys. 2 Uproszczony schemat blokowy Wzmocnienie Kv jest równe iloczynowi współczynników wzmocnienia czmnów układu regulacji.

K0

= Wzmocnienie natężenia przepływu

KP K; Kx

= Wzmocnienie elektryczne

Kpa

= Ciśnieniowe wzmocnienie natężenia

A

= Powierzchnia przekroju poprzecznego

= Wzmocnienie proporcjonalne = Wzmocnienie sygnału przetwornika położenia przepływu

[V /rnm] (partz str H3)

cylindra siłownika

J2

[mAN]

Wpływ

dynamiki serwozaworu na układ regulacji

1/AK

1-o.....j~ 1 +2dz·s+ ~ ..........jlM wz rnz2

IL

Urzecz.

Siłownik --------

Fzakłóc.

I Przetwornik I Lołozen~

Rys. 3

Szczegółowy schemat blokowy

Serwozawór i obciążony siłownik hydrauliczny rozpatrywane są jako szeregowo połączone człony inercyjne drugiego rzędu. Wyróżniającą chechą napędu siłowniko­ wego jest pulsacja dragań własnych układu hydraulicznego (masa/sprężystość oleju). Funkcja przejścia od prędkości do przemieszczenia tłoczyska siłownika ma charakter całkujący (1 /s). Stała

Stała

czasowa układu czasowa jest proporcjonalna do 1IKv

Potwierdza to,

Kv = wzmocnienie

że

wzmocnienie

układu

powinno

być

możliwie duże.

Z tego wynika, że im szybszy jest układ.

większe

jest wzmocnienie Kv, tym

Sztywność obciążenia

Do

Uchyb przemieszczenia nastawczego Przeważnie już 5 % wartości prądu sterującego serwozaworem wystarcza, aby w układzie regulacji położenia sprowadzić prędkość ruchu do zera lub skompensować wpływ zakłóceń. Bowiem właśnie przy 5 % zmianie wartości sygnału sterującego ciśnienie wyjściowe serwozaworu może osiągnąć pełną wartość ciśnienia układo­ wego, kompensując zakłócenie (patrz wzmocnienie ciś­ nienia, str. F 7). Uchyb przemieszczenia nastawczego wynosi więc

określenia sztywności obciążenia

stosuje

się zależ­

ność

Im większe będzie Kv, tym mniejszy staje się uchyb przemieszczenia nastawczego i tym sztywniejszy staje się układ wobec sił obciążających. Vmax jest przy tym prędkością ruchu tłoczyska siłownika, która ustali się przy 1OO% otwarciu serwozaworu.

Wynika z tego też, że nominalne natężenie

należy dobierać możliwie małe przepływu przez serwozawór

O= A. Vmax· Sztywność obciążenia

jest więc wprost proporcjonalna do wzmocnienia układu i odwrotnie proporcjonalna do ciśnieniowego współczynnika natężenia przepływu

Ze wzgędu na warunki stabilizacji nie dowolnie dużego wzmocnienia.

można wybierać

Jeżeli

wzmocnienie układu Kv, jest większe niż częstotli­ krytyczna układu Kv crit• to przy zakłóceniu układ staje się niestabilny. wość

= wzmocnienie = wzmocnienie

natężenia przepływu ciśnienia

[cm3/s] [bar]

współczynnikowi naserwozaworu z dodaniem zależnych od ciśnienia przecieków w odbiorniku. Powiększenie powierzchni tłoka siłownika lub chłonności silnika hydraulicznego zwiększa sztywność obciążenia w stosunku kwadratowym do wymienionego powiększenia.

Jest on równy

ciśnieniowemu

tężenia przepływu

J3

Wpływ

dynamiki serwozaworu na układ regulacji

Jak duże Istnieją

może więc być

wzmocnienie Kv?

tutaj dwie różne możliwości:

9

a) Częstotliwość wv serwozaworu (częstotliwość przy przesunięciu fazowym - 90°) jest znacznie większa niż częstotliwość własna obciążenia wL.

8

W takim razie można najpierw pominąć dynamikę tej części układu, która ma większą częstotliwość dragań własnych, wskutek czego model układu regulacji zostaje zredukowany do układu trzeciego rzędu, dla którego

7

6

obowiązuje:

5 4

To znaczy, że w każdym przypadku należy wybierać Kv mniejsze niż Kv crit· O= bezwymmiarowy współczynnik tłumienia

3

Na rys. 4 przedstawiono przebieg jakościowy charakterystyki czasowej takiego układu regulacji trzeciego rzędu, której parametrami są wartości względne tłumienia i wzmocnienia układu. Optymalną wartość Kv opt wyprowadza się zazwyczaj z charakterystyki czasowej, będącej odpowiedzią na wymuszenie skokowe. Jeżeli przy danym tłumienu utrzymuje się małe Kv, to wynikiem jest dość monotonicznie narastająca odpowiedź skokowa; natomiast jeżeli przyjmuje się bardzo duże Kv, to odpowiedź będzie miała charakter oscylacyjny. Na podstawie przebiegu odpowiedzi na wymuszenie skokowe (stan nieustalony) można określić wskaźniki jakości układu. Częto stosowane jest kryterium ITAE (lntegral of Iime multipied with .Absolute I;rror):

2 1

o

O, 1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 I

Rys. 5 Można stwierdzić, że

dla zakresu typowych wartości (0,2 < D < 0,9) wartości optymalne ITAE wypadają pomiędzy Kvlwn = 0,25 i 0,35.

współczynników tłumienia

Z tego wynika [email protected]

Granica stabilności +&JYL--f~"--~7----f-=>"--+=7"-~=-+"-

--~--ł--"-">"'------ł-"-">'---ł--=7'-'--+-,1<---F=-><-

..,.L/'-Hl4V''---iHl-W9"--l-"'-'?1':..___,,,C::.::,;:>:--~

3,0

2,5

2,0 / 1,5 /

-7"--;;::c---7"'---t=::Y--il""'il''--of'$'9"-1,0 Wartość względna

1,0

0,7

0,5 0,4 0,3 tłumienia ____ Wartość względna

wzmocnienia

wzmocnienie, nazywane też wzmocnieniem jest iloczynem wzmocnienia w układzie hydraulicznym i sterowania elektronicznego.

Takie

prędkościowym,

b) Uwzględnione zostają obydwie częstotliwości drgań własnych

W tym przypadku powstaje układ piątego rzędu. Z rozważań o stabilności wynika, że należy uwzględnić istnienie krytyczej częstotliwości Wcrit i krytycznego wzmocnienia Kv crit• zależnego od częstotliwości własnej obydwu części układu, tj wv = częstotliwości wlasnej serwozaworu i (l)L = czętotliwości własne.i obciążenia. Wartość

Rys. 4 Chrakterystyka czasowa układu regulacji trzeciego rzędu Jako optymalnyą określa się więc taką wartość wzmocnienia układu, przy której wartość ITAE staje się najmiejsza. Określając wartość wskaźnika całkowego ITA w funkcji zmian wzmocnienie KvxlWn i współczynnika tłu­ mienia jako parametru, otrzymamy wykres zamieszczony na rys. 5.

J4

częstotliwości krytycznej %rit jest zawsze mniejsza od mniejszej spośród obywu wartości wv i wL. Pomijając współczynniki tłumienia

otrzymujemy regułę 2

Wpływ

dynamiki serwozaworu na układ regulacji

Optymalne wzmocnienie układu określa reguła 3

m

Duża dokładność położenia

i sztywność obciążenia układu wymagają możliwie dużego wzmocnienia w ukła­ dzie sterowania elektronicznego KP. Wzmocnienie hydrauliczne powinno być tylko na tyle duże, na ile jest to nieodzowne (porównaj ustęp przemieszczenia nastawczego") (/91111P~~'l~f Reguła

4

Należy stosować

serwozawór o możliwie małym nominalnym natężeniu przepływu. Z zasady będzie nim serwozawór o lepszych właściwościach dynamicznydl.

Rys. 7 Wyznaczanie częstotliwości własnej układu siłow­ nika dwustronnego działania z tłoczyskiem jednostronnym

Określanie charakterystyk częstotliwościowych

E

Serwozawór

AR AK

Charakterystykę częstotliwościową serwozaworu

odczy-

tuje się z wykresu. Siłownik

hydrauliczny

= Moduł sprężystości oleju 1,4 · 1Q7 = Powierzchnia pierścienia tłoka = Powierzchnia tłoka siłownika

V1 == Objętość oleju po stronie tłoka V2 = Objętość oleju po stronie tłoczyska m =Masa

= Skok siłownika

[kg/cm· s2] [cm2] [cm 2 ] [cm3] [cm3] [kg] [cm]

H hK

= Położenie tłoka charakteryzujące się

VLK

= Objętość oleju w przewodzie po stronie

VLR

= Objętość oleju w przewodzie po stronie

najmniejszą częstotliwością własną tłoka

w 0

Wo V1

V2

Rys. 6 Wyznaczanie częstotliwości własnej układu siłow­ nika dwustronnego działania z tłoczyskiem dwustronnym

AR H V

= Moduł sprężystości oleju 1,4 · 107 = Powierzchnia pierścienia tłoka = Skok siłownika = Całkowita objętość użyteczna oleju

m

=Masa

VLR

= Objętość oleju w przewodzie doprowadzającym

w0 V

[cm] [cm3] [kg]

= YE · AK2 I ( V1 · m) + E · AR 2 I ( V2 · m) = AK · hK + VLK = AR · ( H - hK) + VLR

pulsacji oscylacji

własnych

ma swoje minimum w położeniu hK

tłoka.

Siłownik

Wo q V1 J

E

hydrauliczny

= V2 . (q/2 . n:) 2 . EI ( V1

. J)

= Chłonność silnika = Objętość użyteczna oleju

= Masowy moment bezwładności = Moduł sprężystości oleju 1,4 · 107

[cm3/obr) [cm3] [kg· cm3] [kg/cm· s2]

Jeżeli

[cm3]

od serwozaworu

= Y2 · E · AR 2 I (V· m) = V1 = V2 = AR · H/2 + VLR

Wartość

[kg/cm· s2] [cm2]

[cm3]

= \/(C1+_c_2_)'_1m-

Częstotliwość własna

E

[cm3]

tłoczyska

m

[cm]

[s-1]

z obliczeń napędu wynika, że nie zostały spełnione wymagania dokładnościowe, to przez odpowiedni dobór regulatora można to skorygować, zwiększając wzmocnienie układu.

[cm3] ma swoje minimum

w położeniu środkowym tłoka siłownika.

J5

Wpływ

dynamiki serwozaworu na

układ

regulacji

Następujące

warianty wykorzystania regulatora umożli­ optymalnego współczynnika wzmocnienia, a tym samym poprawę dokładności nastawiania.

wają zwiększenie

- Zastosowanie regulatora w układzie połączeń jak regulatora PD - Ciśnieniowe sprzężenie zwrotne - Prędkościowe sprzężenie zwrotne - Działanie całkujące może dowolnie zwiększyć dokładność układu, jednak wymagania dotyczące dynamiki ograniczają udział członu I (całkującego). - Zwiększenie wzmocnienia umożliwia również powiększenie tłumienia w układzie przez objeściowy przewód dla przecieków między przyłączami odbiornika. Powoduje to jednak zmniejszenie statycznej sztywności obciążeniowej.

Wybór układu pomiarowego Jak już uprzednio wspomniano, regulacja wielkości fizycznej wymaga stosowania układu pomiarowego. Powinien on zapewnić możliwość przetwarzania wartości występujących w układzie regulacji wielkości w sygnał elektryczny prądowy lub napięciowy. W związku z tym niezbędne są przyrządy do pomiaru przesunięć, kątów, prędkości, prędkości obrotowych, ciśnień, sił, momentów obrotowych i przyspieszeń. Do pomiaru każdej z tych wielkości istnieją różne metody pomiaru. Zastosowanie danej metody zależy od zakresu pomiarowego, wymagań dokładnościowych, trwałości, warunków otoczenia itp. Istnieje też wiele przetworników pomiarowych, co uniemożliwia przedstawienie chociażby ich ogólnego przeglądu.

Na ogół jednak obowiązują następujące zasady: - Dokładność regulacji nigdy nie może być większa od dokładności stosowanej metody pomiaru. - Układ pomiarowy charakteryzuje się współczynnikiem przetwarzania. Miarą jego jest stosunek napięcia lub prądu wyjściowego przetwornika do wartości wielkości mierzonej. - Dokładność układu pomiarowego powinna być co najmniej 5-krotnie większa od żądanej dokładności regulacji. - Układ pomiarowy powinien bez opóźnień nadążać za zmieniającą się wartością wielkości mierzonej. - Współczynnik przetwarzania i punkt zerowy powinny być stałe w całym zakresie parametrów użytkowych. - Sygnały elektryczne powinny być zabezpieczone przed zakłóceniami generowanymi przez położone w pobliżu urządzenia elektroenergetyczne. - Przekładnie sprzęgające układ pomiarowy z elementami ruchomymi napędu powinny być wykonane jako bezluzowe. - Układ pomiarowy powinien być tak umieszczony, by pomiar regulowanej wielkości odbywał się możliwie bezpośrednio i nie był zniekształcany przez zjawiska uboczne. Z tych paru punktów widać wyraźnie jak wielkie znaczenie ma technika pomiarowa dla regulacji w ogóle, a w szczególności dla sterowania hydraulicznego.

J6

Wpływ

Przkład obliczeń

dynamiki serwozaworu na

układ

regulacji

projektowych

50/36, skok 1OO

m

Rys. 8 Siłownik

hydrauliczny 50/36 x (skok) 1OO Powierzchnia pierścienia tłoka AR Przemieszczana masa m Czas przestawiania dla skoku 80 mm t Maksymalna siła ustalająca FH

= 9,45 cm 2 = 500 kg

= 400 ms = 6000 N

Vopt = 1/3 wl Vopt = 325/3 = 108 s-1 Stała

Hydrauliczna częstotliwość masa

własna układu siłownik­

czasowa

T

=1/V=1/100s-1=0,0092s

Możliwy

T8

czas przyspieszania

= 5 · T = 50 ms

Wybór serwozarowu Jeżeli

zawór jest zainstalowany bezpośrednio na siłow­

niku to objętość użyteczną określi zależność V= H/2 ·AR

Po wstawieniu do zamieszczonego otrzymujemy

wyżej

wzoru na w0

w0

= Y4 · E ·AR I (H · m)

w0

= Y4 · 1,4 · 107 (kg/cms2) · 9,45 (cm2) I

Maksymalna

prędkość

V V max

I 10 (cm)· 500 (kg) WL

= W= 325 s-1

f0

= 51

Hz

Gdy częstotliwość własna serwozaworu jest większa od wówczas wzmocnienie układu Kv określa

- - - - - - 400 ms

-------111"1

częstotlowości własnej układu siłownik-masa,

Kv

< Kv crit = 2 D · wL (patrz str. J 4 - możliwość a)

Rys. 9 Vmax= si ( Tcatk - Ts) Vmax = 228 (mm/s)

= 80 (mm) I (0,4 (s) -

0,050 (s))

J7

Wpływ

dynamiki serwozaworu na układ regulacji

Wymagane

natężenie przepływu

Q =A· v = 9,45 (cm2) · 22,8 (cm2/s) Q = 215,5 (cm3/s) Q = 13 (I/min) Wybrano: Serwozawór o QN

= 20 I/min przy L1p = 70 bar

Obliczenie wzmocnienia układu z uwzględnieniem serwozaworu

częstotliwości własnej Częstotliwość własną

stawie charakterystyki

serwozaworu określamy na podczęstotliwościowej (patrz rys. 1 O)

\0(0)

A(dB)

-165

I

o

-...::: -- e------

-1

-2 -3 -4

r-.,

"

1\- --' I'~ :._" ~ r-.\ --

~--

1---------·

J

-6 ,______

//

-7

-8 -9

:::;;.

~

P"V

V ,I

\I

)(

Vl.J

'// \

~/ './_

\

"' / \

\' \

f0 linia odniesienia

-120

\

\

\ \

\

\

\

\

\

\

40 50 60

30

Częstotliwość

80 100

-105

1, 1

-90

1,0

-75

0,9

-60

0,8

-45

0,7

-30

0,6

-15

0,5

o

0,4

~-

/

200

300

---

l...--

-

V I

\

\ \

\ \

\

(-90°)

f

-135

\

\

\

-150

I

'\

/,'

--/I

l/ -/-/

~

\ I ~'~.'

::-,/

20

10

~

~ / 1~ --

I

-5

'I

-

·-

_ _ -7

I

o

/

I

I 50

100 140 ciśnienie

f(Hz)

200 250 300

robocze p (bar)

QN:45 - 751/min, ~30

QN:45 - 75 ON: ~ 30 I/min,

Rys. 1O Typowa charakterystyka częstotliwościowa (z lewej) i zależność pulsacji od ciśnienia roboczego dla serwozaworów z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym Określenie Wv liwościowej Wcrit °'crit

= Wv · ml ( Wv + wL)

= 534 · 325 I (534 + 325) °'crit = 202 [1/s]

Dla ::.:; 30 I/min i 25 % sygnału jest f -90° = 85 Hz przy 140 bar Cill

Kv opt == 1/3 Wcrit

J8

= 202/3 = 67 ,3 1/s

na podstawie charakterystyki częstot­

== 2 · :re · 85

= 534

[1 /s]

Wpływ

Porównanie obydwu wyliczonych wartości wzmocnień wskazuje, że w opisywanym przykładzie serwozawór wywiera duży wpływ na wartość wzmocnienia układu i z tego względu powinien być uwzględniony w dalszych obliczeniach. układu

Statu czasowa T= 1/Kv = 1/67 (1/s-1) Możliwy

T8

= 0,015 [s]

dynamiki serwozaworu na układ regulacji

Obliczenie wartości

ciśnień

w

układzie

(patrz rozdział E, str. E20)

PP

= 2 · m · v I ( T8 · 1O · Aw) + 11Pv +

PP

= 2 · 500 (kg)· 0,25 (m/s) I

+ (Fst + FR) I 1o . Aw

/(0,075 (s) · 1O· 9,45 (cm2)) + 1O (bar) + 6000 (N) I (1 O· 9,45 (cm2))

czas przyspieszania

= 5 · T= 0,075 [s]

PP

Wybór serwozaworu

+

= 109 [bar]

wybrano pp 11 O bar

V V max

175 msl t .....----- 400 ms ------1 Rys. 11

Vmax

= s!Tcatk - Ts

Vmax= 80 (mm) I (0,4 (s) - 0,075 (s)) Vmax= 246 (mm/s) Wymagane natężenie przepływu Q =A· v = 9,45 (cm2) · 24,6 (cm/s) Q = 13,9 [I/min] Wybrano: Serwozawór o QN

= 232,5 [cm3/s]

= 20 I/min przy 11p = 70 bar

Spadek ciśnienia na serwozaworze 11p = (Q/QN2 · 70 (bar)= (14/20)2 · 70

= 34 [bar]

Przyspieszanie amax Siła

= VmaxlTs = 0,25 (m/s) I 0,075 (s) = 3,3 [m/s 2]

przyspieszania

Fs

= m · amax = 500 (kg) · 3,3 (m/s2) = 1650 [N]

Wymagane

ciśnienie

Ps max= Fs!AR

przyspieszania

= 1650 (N) /9,45 (cm 2) = 17,4 bar

Wymagane ciśnienie dla siły ustalającej PH = 6000 (N) I 9,45 (cm2) = 64 [bar]

J9

Wpływ

dynamiki serwozaworu na

Wyznaczanie stawczego

dokładności

Wzmocnienie układu Kv = K1 · K2 · K3 · K4 K1

układ

regulacji

przemieszczenia

na-

= 67 [s-1]

= wzmocnienie elektronicznego układu sterowania

(jeszcze nie znane) [cm3/sN] K2 = 20 l/min/1 Owolt = 33 K3 =1/9,45cm = 0,106 [1 /cm2] [V/cm] K4 =10wolt/10cm = 1 Określenie odchyłki

Siłownik

Serwozawór

Wzmacniacz

regulacji Xzad.

+

ax

K3 • F 3

Kz • F 2

X

Xrzecz.

Złącze

Układ

Rys. 12 Obliczenie K1 K1 = Kvl(K2 K3 K4 ) = = 67 (cm/s/cm) I I (33 (cm3 Is/wolt· O, 106 (1/cm2) · 1 (V/cm)) K1 =19 Błąd

wybiegu

SN = Vmaxl Kv Vmax jest maksymalną wartością prędkości, gdy serwo-

Błąd wynikający

przy LlF =

pomiarowy

ze zmiany obciążenia

+ 3000 N

W celu kompensacji zmiany obciążenia serwozawór powinien zmienić wartość natężenia przepływu, co wywołuje oczywiście spowodowany zakłóceniem uchyb regulacji Llx.

zawór jest całkowicie otwarty. sN = 250 (mm/s) I 67 (s-1) = 3,7 mm

K2 jest ciśnieniowym współczynnikiem wzmocnienia serwozaworu.

Błąd

przemieszczenia nastawczego Llx =:::; 5 % od sN Llx =:::; 0,19 mm

Przy 1 % wartości sygnału sterującego odbiornik dysponuje 80 % wartości ciśnienia roboczego.

Błąd powstający na skutek histerezy działania serwozaworu Jak duża musi być odchyłka regulacji, aby w serwozaworze usunąć wpływ histerzy działania? Założenie:

Ku= 0,2 %

sygnału

nominalnego

Llx = Ku I (K1 · K4 ) Llx = 0,002 · 1O (V) I (19 · 1 (wolt/cm) Llx = 0,01 mm

J10

= 0,001

0,8 · 1OO/O,1 (wolt) = 800 bar/wolt Błąd pochodzący

od zmiany obciążenia wynosi więc:

Lls

= 3000 (N) I I (18 · 8000 (Nfcm2/wolt) · · 9,45 (cm2) · 1 (wolt/cm)

~

= 0,0022 cm = 0,022 mm

cm

Wpływ

dynamiki serwozaworu na

układ

regulacji

Notatki

J11

Rozdział

K

Filtrowanie w układach hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi Martin Reik

Filtrowanie w

Dlaczego

należy filtrować

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

oleje hydrauliczne

Od układów z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi wymaga się większej opłacalności ekonomicznej, mniejszej podatności na zakłócenia, większej trwałości oraz łatwości wykonywania obsługi technicznej. W związku z tym producenci zaworów oraz użytkownicy układów żądają lepszego filtrowania cieczy roboczej.

zmiany czasu przełączania, uszkodzenia zaworu, zmiana charakterystyki zaworu.

Ze względu na stałe zwiększanie się mocy urządzeń hydraulicznych niezbędne jest postawienie wysokich wymagań dotyczących dokładności przełączania. Można to osiągnąć między innymi przez stosowanie coraz ciaś­ niejszych pasowań między korpusem zaworu i suwakiem tłoczkowym.

mogą

Bez filtrowania powstaje reakcja łańcuchowa, prowado zwiększonej koncentracji za-

dząca w konsekwencji nieczyszczeń.

W

ciągu dłuższego

zatkać

czasu

zwężkę

przepływu

w

zanieczyszczenia obwodzie sterowania

wstępnego.

Zużycie erozyjne krawędzi sterujących Zanieczyszczenia zwiększają obciążenie szczególnie zaś jego wrażliwych krawędzi.

materiału,

Skutki: Zwiększone wymywanie i wynikające stąd niedokładne przełączanie oraz sterowanie serwozaworów proporcjonalnych (zużycie wzrasta progresywnie).

Zanieczyszczenia przedostające się z zewnątrz do uktaki proces zainicjować lub przyspieszyć. Przez zastosowanie dobrych filtrów w układzie należy zminimalizować lub całkowicie zapobiec łańcuchowej reakcji powstawania i koncentracji cząstek zanieczysz-

ładu mogą

Luz suwaka

-----~~ ·~ .~

c

~

'C/)

__.._

'(3 Q)

:S2 Cf)

z

czeń. Właściwe obliczenie i wybór filtru zapewnia poprawę opłacalności ekonomicznej całego układu (zmniejszenie czasu przestojów) i oszczędność nakładów na obsługę techniczną.

Wybrany system filtrowania powinien zapewniać: - działanie i trwałość zaworów; - wyeliminowanie nagłych awarii zaworów; - wykluczenie spadku sprawności wynikającego ze zwiększenia się przecieków wewnętrznych; - niezmienność danych nastawczych zaworu w ciągu całego okresu użytkowania; - wykluczenie ewentualnych zmian charakterystyki zaworu np. wskutek zakleszczonych zanieczyszczeń. Wciąż

Rys. 1 Proces zużycia ściernego, wpływ cząstek zaniena gniazdo zaworowe i luz suwaka

czyszczeń

Działanie zanieczyszczeń stałych

Uwagi ogólne Zanieczyszczenia, o wymiarach znacznie większych od granicznego luzu w pasowaniu, nie szkodzą zaworowi. Cząstki zanieczyszczeń mniejsze od granicznego luzu w pasowaniu przepływają przez szczelinę i również nie powodują uszkodzenia zaworu. Natomiast krytycznymi dla powierzchni zaworu i suwaka zanieczyszczenia o takiej samej wielkości jak grubość szczeliny. Działanie ścierające takich cząstek zanieczyszczeń powoduje powstawanie nowych cząstek (z materiału zaworu). Poza tym ruch suwaka przy przełą­ czaniu lub prędkość przepływu cieczy roboczej rozdrabniają te cząstki, które są większe od luzu w zaworze. są

Skutki: Zwiększenie

przecieków, zakleszczanie

się

suwaków,

jednak zdarza się, że przy projektowaniu układu hydraulicznego nie dba się o filtr lub wręcz zapomina się o konieczności zastosowania filtrów hydraulicznych. Dopiero podczas montażu układu filtr zostaje dodatkowo wbudowany. Wtedy to, ze względu na koszt lub brak miejsca, wybrany zostaje filtr za mały i o gorszej dokładności. Użytkownik układu napotyka wówczas trudności wynikające ze zbyt krótkiej trwałości przegród filtrujących (za mała zdolność przepustowa filtru) lub z powodu częstych uszkodzeń serwozaworów i zaworów proporcjonalnych (za mała dokładność filtrowania). Użytkownik musi też ponosić związane z tym koszty.

Powstawanie zanieczyszczeń wywoływanych przez cząstki stałe w układach hydraulicznych Istnieją następujące

rodzaje zanieczyszczeń:

Zanieczyszczenia początkowe Zanieczyszczenia początkowe cieczy roboczej powstają podczas montażu i uruchamiania układów hydraulicznych (pył, zgorzelina, wióry, nacieki metalu powstałe przy spawaniu, topniki, rdza, pozostałości opakowań, cząstki farb itd.). K1

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Zanieczyszczenia eksploatacyjne Przenikanie zanieczyszczeń do zbiornika cieczy roboczej wskutek niewystarczającego odpowietrzania zbiornika, z przewodów rurowych, uszczelnienia tłoczysk itd. Stopień przenikania zanieczyszczeń zależy w dużej mierze od dziedziny zastosowania, np. kamieniołomy, budowa dróg, cementownie itd. Zanieczyszczenia wprowadzane wraz z świeżym olejem

, . . I .h zdarza się, że dostarczony sw1ezy o ei ydrauliczny jest zanieczyszczony cząstkami stałymi w stopniu niedopuszczalnym dla serwozaworów i zaworów proporcjonalnych. Zanieczyszczenia te powinny być usunięte przez filtry zainstalowane w układzie. Dość często

Zanieczyszczenia wprowadzone wraz z świeżym olejem do tych układów, które mają tylko filtr w przewodzie spły­ wowym, mogą już przy przemywaniu układu doprowadzić do poważnego uszkodzenia jego elementów. Z tych względów przy wlewaniu świeżego oleju lub j~go wymianie należy posługiwać się specjalnym serwisowym agregatem filtrującym albo wlewać olej poprzez zainstalowany filtr w przewodzie spływowym. Zastosowany tam filtr hydrauliczny powinien zapewniać_ taką samą dokładność filtrowania, jaką daje filtr w układzie hydraulicznym.

Klasy zanieczyszczeń olejów hydraulicznych Klasa zanieczyszczenia oleju określa ile cząstek o znajduje się w 1OO ml hydraulicznej cieczy roboczej. określonej wielkości

Ustalanie klasy zanieczyszczenia odbywa się przez zliczanie cząstek zanieczyszczeń z ich przyporządkowa­ niem według określonych wielkości. Czynności te wykonuje się bądź za pomocą mikroskopu, bądź też z zastosowaniem elektronicznego licznika cząstek. Zliczanie za pomocą elektronicznego licznika cząstek jest w znacznie mniejszym stopniu uzależnione od warunków subiektywnych, niż zliczanie pod mikroskopem. Począwszy od stężenia zanieczyszczeń wynoszącego ok. 1O mg na litr lub w razie bardzo silnego zmętnienia cieczy możliwe jest ustalanie zanieczyszczeń tylko przez oznaczanie wagowe (analiza grawimetryczna). Stosując tę metodę nie można jednak klasyfikować poszczególnych cząstek zanieczyszczeń.

Najczęściej serwozawory oraz zawory proporcjonalne są najbardziej wrażliwymi na zanieczyszczenia elementami układu hydraulicznego. Z tego względu wyznaczają one ogólną klasę zanieczyszczeń oleju hydrualicznego, a tym samym wymaganą dokładność filtrowania.

Struktura klas zanieczyszczeń Obecnie istnieje 5 systemów klasyfikowania zanieczyszczeń (ISO 4406 lub CETOP RP 74 H, NAS 1638, SAE, Mil. std 1246 A).

Z zamieszczonego niżej zestawienia wynika, że systemy te są wzajemnie porównywalne. ISO Ucz~b ACFTD Mf[STD NAS SAE 44061ub cząstek zawartość 1246 A 1638 (1963) CETOP > 1Oµrn cząstek (1967) (1964) RP70H na 1 ml stałych mg/I 26/23 140000 1000 25/23 1000 23/20 100 700

Rys. 2 Agregat serwisowy do wlewania i wymiany oleju

Rys. 3 Tabilca porównawcza klas czystości K2

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Struktura wg ISO 4406 Na wykresie, na osi X podane są wielkości cząstek. Na os(Y wpisane są liczby cząstek z podziałem na klasy oznac2:one liczbowo od 1 do 20. Zamieszczona na wykresie linia prosta opisuje rozkład cząstek w oleju hydraulicznym. Nachylenie prostej jest wyznaczane przez wpisanie cząstek o wielkości 5 µm i 15 µm. Ustalenie liczbowo określonej klasy według cząstek 5 µm i 15 µm opisuje prostą rozkładu cząstek (patrz rys. 4). Dla serwozaworów i zaworów proporcjonalnych wymagana jest następująca czystość oleju: Serwozawory: 13/1 O (czerwona linia wykresowa) Zawory proporcjonalne: 17/14 (niebieska linia wykresowa)

106 105 „.

.„

cri

Lł

...

1a$ c

cri "Cl

o o..

cri

104

(/)

cri

32 cri c

/\

E o o ..-

cri :(ii

cri

""$ (/)

crs'

102

N

(.)

cri

.o N

(.)

::i

:!:?

103

c

101

Wymagana czystość oleju hydraulicznego: Serwozawory: NAS 4 do 6 (zakres czerwony) Zawory proporcjonalne: NAS 8 i 9 (zakres niebieski)

Klasa zanieczyszczeń według SAE Ze względu na stosukowo małą liczbę klas zanieczyszczeń (9 cząstek na ml do 580 cząstek na ml) niemal w ogóle nie stosuje się tej klasyficacji.

Zaleta NAS 1638: Zliczone cząstki można natychmiast przyporządkować do określonej klasy.

...

o

Dla każdego zakresu podaje się maksymalną liczbę w każdej klasie (patrz rys. 5).

cząstek

Zalety i wady systemu klasyfikowania NAS 1638 w porównaniu z ISO 4406

Oznaczenie próbek

•(,) o(/)

Struktura według NAS 1638 Poszczególne wielkości cząstek zestawiono w 5 zakresach.

""oo

... „. .„ ...„.

$

o .o N

(.)

::i

Wada NAS 1638: Nie ma dokładnego opisu rzeczywiście występującego rozkładu cząstek zanieczyszczeń. Wymagana klasa może być dotrzymana tylko w jednym zakresie wielkości cząstek. Z tego względu przy klasyfikowaniu według NAS 1638 należy podawać również ustalony zakres wielkości cząstek.

Zaleta ISO 4406: Opis rzeczywistego rozkładu cząstek. Można opisać każdy stan zanieczyszczeń cieczy . Wada ISO 4406: Czasochłonna metoda oceny. Zmierzoną liczbę cząstek należy najpierw przekształcić w liczbę porządkową.

•

Następnie można opisać prostą rozkładu. 2

5

10

!5

Wielkość cząstek,

20

µm

Rys. 4 Struktura klasy czystości według ISO 4406 lub

CETOPRP70H

Maksymalna liczba cząstek zanieczyszczeń w i OO ml cieczy roboczej dla danych grup wielkości cząstek Klasa µm

5-15 15-25 25-

oo

o

125 22 4

250 44 2

Rys. 5 Struktura klas

czystości według

NAS 1638 K3

Filtrowanie w układach hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Poberanie próbek hydr. cieczy roboczej

Zalety i wady poszczególnych rodzajów pobierania próbek

Uwagi ogólne - Przed pobraniem próbki należy urządzenie pomiarowe starannie przemyć rozpuszczalnikiem. -

Należy stosować jedynie butelki do pobierania próbek przemyte oczyszczonym rozpuszczalnikiem.

- Przed pobraniem próbki należy stałości rozpuszczalnika. -

Objętość

usunąć

ewent. pozo-

pobieranej próbki: co najmniej 250 ml.

- Przed właściwym pobraniem próbki należy urządzenie do pobierania przemyć co najmniej 2 litrami cieczy roboczej z danego układu hydraulicznego. ciecz. Folię do pobierania próbek (nie należy zdejmować folii z butelki na próbki).

- Do nowej, przemytej butelki

wlać badaną

ochronną przekłuć urządzeniem

Rodzaje pobierania próbek Pobieranie dynamiczne Miejsce pobrania: znajdujące się w ruchu układy hydrauliczne (powinien występować przepływ burzliwy). Prosimy przestrzegać ISO 4021. - Pobieranie statyczne Miejsce pobrania: ze zbiornika hydrualicznego (układ w stanie spoczynku). Prosimy przestrzegać przepisów CETOP RP 95 H, rozdział 3.

- Zaleta dynamicznego pobierania próbek Można bezpośrednio zmierzyć jakość oleju za filtrem lub zaworem. W ten sposób można dokładnie określić jaka ilość zanieczyszczeń jest doprowadzana do zaworu. - Wada dynamicznego pobieranie próbek Miejsce pobierania próbek należy przewidywać już podczas projektowania układu lub trzeba wykonać specjalne łączniki adaptacyjne. Skomplikowane urządzenie do pobierania próbek. - Zaleta statycznego pobierania próbek Bezproblemowe pobieranie próbek ze zbiornika hydrauliczego. - Wada statycznego pobieranie próbek Określanie jakości oleju jedynie w zbiorniku hydraulicznym, a nie bezspośrednio przy zaworze. Wybór miejsca pobierania próbek

może dprowadzić

do oleju. Np. próbka oleju pobrana z dna zbiornika wykaże inne zanieczyszczenie oleju niż próbka pobrana z powierzchni cieczy. zniekształconego określenia czystości

Test wielobadaniowy według ISO 4572 Za pomocą tego testu określa się charakterystykę oddzielania i zdolność zatrzymywania zanieczyszczeń przez przegrodę filtrującą.

Pobieranie dynamicze

~·~ ./(~9 :~ Pobieranie statyczne

i

'"'-,,»

Wykonanie monitora kontaminacji

Rys. 6 Sposoby pobierania próbek cieczy K4

Rys. 7 Stanowisko do przeprowadzania testu wielobadaniowego

Filtrowanie w układach hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Przepływomierz

Przepływomierz

, ~IZbiornikz 1

Zbiornik z cieczą testową

Q

Strumień wychodzący

~ wtryskiwania

Układ zanieczyszczeń

flx= nz strum. wychodz. > x µm Układ

testowania

Przykład

f310=

Rys. 8 Schemat według ISO 4572

połączeń

stanowiska badawczego

Stanowisko badawcze składa się z dwóch układów hydraulicznych. Układ testowy ze zbiornikiem, cieczą testową, pompą, chłodnicą/ogrzewaczem, przepływomierzem, filtrem z testową przegrodą filtrującą oraz elektronicznym licznikiem cząstek. Układ wtryskiwania z pompą, chłodnicą/ogrzewaczem, dyszą wtryskową i cieczą do wtryskiwania. W tym zbiorniku następuje wprowadzenie testowego zanieczyszczenia (ACFTD) do cieczy roboczej. Przed rozpoczęciem badań obydwa układy zostają oczyszczone z zastosowaniem filtrów ultradokładnych. Test rozpoczyna się dopiero wówczas, gdy w układach testowych znajduje się tylko przewidziana przepisami liczba cząstek zanieczyszczeń. Przebieg testu Z obwodu wtryskiwania podawana jest stale mała ilość cieczy do obwodu głównego. Zanieczyszczona teraz ciecz testowa zostaje doprowadzona do testowej przegrody filtrującej. Pobiera się próbki przed i za filtrem testowym i poddaje zliczaniu przez elektroniczny licznik cząstek. Równocześnie mierzy się różnicę ciśnienia wynikłą z zanieczyszczenia przegrody filtrującej. Jako miernik stopnia zatrzymywania zanieczyszczeń (dokładności filtrowania) służy współczynnik f3x· Uwaga ogólna: Współczynnik f3x odnosi się zawsze do cząstek, które są większe od rozpatrywanej wielkości cząstek X. Wraz ze zmianą różnicy ciśnień na przegrodzie filtrującej zmienia się również współczynnik f3x Obliczanie współczynnika Px Zliczone przed przegrodą filtrującą cząstki zanieczyszczeń większe od określonej wielkości X cząstek zostają podzielone przez liczbę cząstek zliczonych za przegrodą filtrującą (taka sama wielkość X cząstek, przy takiej samej różnicy ciśnień i zliczona w tym samym czasie). Obliczona w ten sposób liczba bezwymiarowa jest współ­ czynnikiem f3x·

liczbowy:

~=100 1000

L wielkość cząstek,

µm

flx = 2;,, 50 % zatrzymanych zanieczyszczeń na przegrodzie filtrującej (num) przeciętna wielkość porów

= minimalna wielkość zatrzymanych cząstek

Rys. 9 Zatrzymywanie cząstek zanieczyszczeń na przegrodzie filtrującej Przykład

liczbowy

Zmierzone

liczebności cząstek:

Strumień wchodzący: Strumień wychodzący:

1OOOO cząstek > w 1OO ml 1OO cząstek> w 1OO ml {33 = nZstr. welnZ 8 tr. wy = 1O000/100 = 100 f3w = 1OO = 99 % zatrzymania (nazywane również stopniem oddzielania). Bezwymiarowe współczynniki f3x można w każdym czasie przekstałcić w procentowe określenie stopnia zatrzymywania (patrz np. 1O). Dlaczego właśnie współczynnik Px?

Dawniej dane dotyczące dokładności oparte były na rozmaitych zakładowych badaniach różnych producentów filtrów. Dopiero przez stosowanie współczynnika f3x z uwzględnieniem powstałej różnicy ciśnień uzyskano możliwość porównywania danych o dokładności filtrowania przedstawionych przez różnych dostawców filtrów.

K5

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Przepływ cieczy przez przegrodę filtrującą powinien zasadniczo odbywać się z zewnątrz do wewnątrz. Mata powinna być gwiaździście sfałdowana, co umożliwia uzyskanie możliwie największej powierzchni filtrującej w przestrzeni zabudowy przegrody filtrującej. Konstrukcja maty filtrującej jest zależna od dopuszczalnego spadku ciśnienia na filtrze.

99.99

-;!< o •C

CD

N Q N

99.90

(/)

>.

Do sklejania maty w

CD

co N ·c:coco

łączenia końców maty stosuje się kleje wysokiej jakości. Wytrzymałość tych klejów bardzo silnie maleje w temperaturze przekraczającej 1OO °C, wobec czego przegrody te można stosować w układach o maksymalnej tempera-

>.

turze roboczej do 1OO °C.

N Q

·c:

:5:

E

>.

N ....

95.00

N •C

90,00

ro

CD

.8

({)

1000

..,._._ _ _ nominalna dokładność wsp. f3x filtrowania Współzależność między współczynnikiem

wyrażanym

f3x i procentowo stopniem zatrzymywania za-

nieczyszczeń

czeń;

dobra odporność chemiczna; - ochrona przed uszkodzeniem przegrody filtrującej dzięki dużej wytrzymałości na ciśnienie niszczące, np. przy zimnym rozruchu oraz przy szczytowych wartoś­ ciach ciśnienia włączenia i różnicy ciśnień; - woda i zawartość wody w cieczy roboczej nie zmniejszają wydajności filtrowania.

Definicja dokładności filtrowania

Stabilność współczynnika

Przed ustaleniem współczynnika f3x pojęcie to nie miało właściwego znaczenia. Dopiero wprowadzenie f3x umożliwiło jednoznaczne określenie tego pojęcia.

W odniesieniu do przegród

Powstały

przegrody filtrującej oraz

Przegrody filtrujące "Betamicron" mają następujące zalety: - dokładnie zdefiniowana wielkość porów; - doskonałe zatrzymywanie najdrobniejszych cząstek w szerokim zakresie różnic ciśnienia; - duża jednostronna poierzchnia gromadzenia osadu zapewnia dużą pojemność gromadzenia zanieczysz-

·a.

Rys. 1O

kołpakach

dwie

różne

definicje dokładności filtrowania.

Px filtrujących

"Betamicron"

można podawać wartości współczynnika f3x dla dużych różnic ciśnienia. Przegrody filtrujące "Betamicron" odmiany BH zachowują stałą wartość współczynnika f3x aż do dużych spadków ciśnienia na filtrze.

Nominalna dokładność filtrowania - nie ustalono współ­ czynników f3x przydatnych do określenia tego pojęcia. Pojęcie to oznacza dla użytkownika, że przy zastosowaniu optymalnego filtru ulega zatrzymaniu tylko część filtrowanych zanieczyszczeń. Definicja: f3x

~

20. Odpowiada to stopniowi zatrzymania %.

wynoszącemu 95

Absolutna dokładność filtrowania. Dokładność filtrowania począwszy od współczynnika f3x ~ 1OO lub od stopnia zatrzymywania wynoszącego 99% nazywana jest absolutną dokładnością filtrowania. Właściwości

przegród

filtrujących

z wielowar-

stwową matą filtracyjną

(Na przykład przegrody filtrujące "Betamicron" firm Rexroth i Hydac) W toku praktycznej eksploatacji i na stanowiskach badawczych uzyskano doświadczenia, które doprowadziły do opracowania przegród filtrujących wykonanych z maty wielowarstwowej. Badania te dowiodły również, że jedynie mata wielowarstwowa moża zapewnić uzyskanie czystości oleju wymaganej przez producentów serwozaworów i zaworów proporcjonalnych.

K6

i

m

Spadek ciśnienia na przegrodzie filtrującej, bar

Rys. 11 Przebieg wartości f3x przy wzrastających spadkach ciśnienia na przegrodach filtrujących różnych producentów

Filtrowanie w układach hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

cej może znacznie pracy.

właśnie duża stabilność współczynnika f3x jest niezbędna dla zapewnienia bezzakłóceniowej pracy ser-

Taka

wozaworów i zaworów proporcjonalnych.

różnić się

w

różnych

warunkach

Wielkościami wpływającymi są:

- obciążenie układu zanieczyszczeniami; - hydrauliczne obciążenie filtru; - użyteczny zakres spadku ciśnienia na przegrodzie

Właściwości zatrzymywania zanieczyszczeń przez opisane wyżej przegrody filtrujące nie ulegają pogorszeniu wskutek dynamicznych obciążen hydraulicznych, szczytowych wartości ciśnienia wywoływanych szybkimi procesami przełączania, gwałtownie zmieniających się natężeń przepływu i różnych zakresów temperatury, a nawet przy nie uwzględnieniu wskazań stanu zanieczyszczenia przegrody filtrującej.

filtrującej. Obciążenie układu zanieczyszczeniami zależy od wytwarzania zanieczyszczeń w układzie, stopnia przenikania zanieczyszczeń, wielkości i liczby cząstek, a także od rodzaju zanieczyszczeń.

Przy stosowaniu filtrów w przewodzie spływowym (z wbudowanym zaworem bocznikowym) niezbędne jest utrzymywanie wartości f3x aż do takiej różnicy ciśnień, która stanowi wielokrotność ciśnienia otwarcia zaworu bocznikowego lub wielokrotność poziomu zadziałania wskaźnika stanu zanieczyszczeń.

Wielkościami dotyczącymi obciążenia hydraulicznego są: powierzchnia filtrująca, natężenie przepływu, lepkość robocza, a także ciśnienie robocze i ciecz robocza.

Wielkości dotyczące przegrody filtrującej wyznaczane są przez skuteczną wielkość zatrzymywanych cząstek, dużą właściwą zdolność zatrzymywania zanieczyszczeń

Cechy konstrukcyjne przegród filtrujących "Betamicron"

oraz

budowę

maty filtrującej.

W celu zapewnienia odpowiedniego zatrzymywania zanieczyszczeń w możliwie dużym użytecznym zakresie różnicy ciśnień, należy przy ustalaniu wielkości filtru przyjmować możliwie mały spadek ciśnienia na czystej przegrodzie filtrującej. Ilustruje to wykres na rys. 12. Wykres ten przedstawia spadek ciśnienia na przegrodzie filtrującej lub zwiększania czasu eksplotacji. Z łatwością można stwierdzić, że przy małym początkowym L1p uzyskuje się większą realną pojemność zatrzymywania zanieczyszczeń na przegrodzie filtrującej, niż przy dużym początkowm L1p. W obydwu przypadkach zawór bocznikowy, wskaźnik zanieczyszczenia przegrody filtrującej i jej wytrzymałość na działanie różnicy ciśnień stanowią górną granicę maksymalnego obciążenia przegrody filtrującej.

Kierunek przepływu: Od zewnątrz do wewnątrz. Odwrócenie kierunku przepływu powoduje uszkodzenie przegrody filtrującej (ujemne szczytowe wartości ciśnienia, spęczanie się przegrody filtrującej). W takich przypadkach należy za filtrem wmontować szybko zamykający zawór zwrotny. Wmontowanie filtrów z wbudowanymi zaworami zwrotnymi (np. filtrów serii OFF) okazało się w takich przypadkach jak najbardziej właściwe. Gwiaździste sfałdowanie: W celu uzyskania możliwie dużej powierzchni filtrującej, a tym samym dużego okresu trwałości przegrody filtrującej, stosuje się matę filtrującą sfałdowaną gwiaździście. Trwałość przegrody filtrującej: Trwałość lub czas między wymianami przegrody filtrującej zależy od jej pojemności zanieczyszczeń. Pojemność tej samej przegrody filtrują~~~,

ww~--,~-,mw,,

spadku ciśnienia dla wskaźnika zanieczyszczeń albo zaworu bocznikowego lub wytrzymałości przegrody filtrującej na działanie różnicy ciśnień

Prze9- liltr. 2

Przeg, 1iltr. 1

Realna pojemność zatrzy----------------------------------~------------------------ __________ ___, mywania zanieszyszczeń CR 1 realna zatrzymywania zanieL1p1 , 2 = początkowy spadek ciśnienia na przegrodzie filtrującej czyszczeń przy dużym początkowym L1p1 = zakres spadku ciśnienia dla przyrostu zanieczyszczenia przy dużym początkowym iJp CR 1 realna pojemność zatrzymywania zanieL1p2 = zakres spadku ciśnienia dla przyrostu zanieczyszczenia przy małym początkowym czyszczeń przy małym początkowym

=

Rys. 12 Zytrzymywanie zanieczyszczeń w zależności od początkowego L1p

K7

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Dobór filtrów O wyborze filtru hydraulicznego odpowiedniego dla ukz serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi decydujące znaczenie ma zarówno niezawodność działa­ nia filtru, jak i koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

ładu

Wybierając

filtr o dużej

dokładności

filtrowania i wysokiej niezawodności eksploatacyjnej i trwałości serwozaworów i zaworów proporcjonalnych.

jakości można osiągnąć zdecydowaną poprawę

Przy ustalaniu konstrukcyjnej wielkości filtrów, dokład­ filtrowania oraz wykonania filtru należy uwzględnić następujące kryteria: - Wrażliwość serwozaworów i zaworów proporcjonalnych na zanieczyszczenia Należy uwzględnić wymagania dotyczące dokład­ ności filtrowania lub klasy czystości. - Miejsce zainstalowania układu hydraulicznego Należy uwzględnić obciążenie zanieczyszczeniami pochodzącymi z otoczenia (inne w laboratorium i inne w zakładzie hutniczym). - Określenie natężenia przepływu Natężenie przepływu może być okresowo większe od maksymalnej wydajności pompy (np. przy siłownikach różnicowych lub przewodach powrotnych z kilku obwodów). - Dopuszczalny spadek ciśnienia na filtrze przy czystej przegrodzie filtrującej ności

Filtr w przewodzie tłocznym: 1,0 bar, przy czystej przegrodzie filtrującej i lepkości roboczej. Fi Itr w przewodzie spływowym: O,5 bar, przy czystej przegrodzie filtrującej i lepkości roboczej.

- Dopuszczalny spadek ciśnienia na przegrodzie filtrującej powinien odpowiadać warunkom układu w miejscu wmontowania filtru. - Tolerancja wzajemna materiału filtrującego i cieczy roboczej powinna być zapewniona. - Ciśnienie obliczeniowe obudowy filtru (ciśnienie robocze) - Dobór odmiany filtru Należy ustalić rodzaj wbudowanego wskaźnika zanieczyszczenia (optyczny, elektryczny, elektroniczny). W razie filtru w przewodzie tłocznym nie wolno stosować zaworu bocznikowego. - Temperatura robocza lub obliczeniowa. Umieszczenie filtru w układzie hydraulicznym

Ogólna zasada projektowania Dokładność filtrowania, wybrana odpowiednio dla danego przeznaczenia, powinna być jednakowa dla wszystkich filtrów w obwodzie hydraulicznym (filtry w układzie, filtr do napełniania i filtr w odpowietrzniku). W układach o większej objętości oleju stosuje się najczęściej filtrowanie w głównym przewodzie spływo­ wym (absolutna dokładność filtrowania 20 µm). Klasę czystości cieczy roboczej, wymaganą dla serwozaworów i zaworów proporcjonalnych, osiąga się przez zastosowanie filtru w przewodzie tłocznym o niezbędnej dokładności filtrowania, umieszczonego bezpośrednio przed zaworem. Dodatkowo do tego zaleca się bezwzględnie zainstalowanie układu filtrowania w przewodzie bocznikowy z filtrem o dokładności 5 µm. Uwaga: Przy takim umieszczeniu filtrów należy zaprojektować większy filtr w przewodzie tłocznym, ze względu na spodziewane większe obciążenia zanieczyszczeniami.

Wybór odpowiedniej dokładności filtrowania

I

Zastosowanie Klasa zanieczrszczenia Zalecana dokła- 'j RP 70 NAS 1638 1 dność filtrowania > 51 15 ~tml>5~tml>15_t_~ f3x?.100_~,'----~·~ do serwozaworów przy nad13 10 4 u. 5 3 u. 4 i X= 3 j ciśnieniu roboczym> 160 bar !-----+------·~-do serwozaworów przy nadu. 7i5u.5 J X= 5 ciśnieniurobocz m<160bar 7 u. 8 · X 1o 1 do zaworów proporcjonalnych

Et---

Wybór przegród filtrujących

Typ Wytrzyma- Doki. filprze- !ość na róż- trowania grody I nicę ciśnień x BH/HC

BN/HC

I 210 bar I

30bar

Oznaczenie przegrody Rexroth

rrzeznaczenie

I Filtr w przewodzie tłocznym. Zapew-

1--_:::_-+.:..:.-=....:::..=-:::_c:_~-:-:::-i nienie działania i trwałości serwoza-

worów i zaworów or orc'onaln eh Filtr w przewodzie spływowym z !--~-+:::-~:.:::.:::~~~ zaworem bocznikowym. Ciśnienie otwarcia: 3 bar Filtr w przewodzie bocznikowym do przepłukiwania układu

KS

Filtrowanie w układach hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Maksymalna temperatura robocza przegród filtrujących wynosi 1OO °C. Przegrody filtrujące podlegają produkcyjnemu badaniu (ISO 2942).

jakości

Wybór korpusu filtru Rodzaj filtru Filtr w przewodzie tłocznym

Określenie konstrukcyjnej wielkości filtru

LlAorpusu

Uwagi

+f ·Lipprzegrody fillrującej ::::; 1,0 bar

bez zaworu obejściowego

Filtr w przewodzie LlAorpusu + f- LlPprzegrodyfiltrującej::::; 0,5 bar

z zaworem obej'ściowym

spływowym

Filtrwprzewodzie bocznikowym

LlAorpusu

wydajność pompy około 5 -1 O% po, jemnościzbior-

+f ·LlPprzegrodyfiltrującej::::; 0,3 bar

I nika bez zaworu

I obejściowego f = współczynnik zwiększenia Wpływ lepkości uwzględniany

lepkości

przy doborze filtru

Wyznaczanie współczynnika zwiększenia

lepkości

"f"

Zamieszczane w prospektach charakterystyki korpusu filtru i przegród filtrujących odnoszą się do lepkości np. 30 mm2/s. Jeżeli lepkość obliczeniowa (na ogół lepkość robocza) różni się od lepkości odniesienia, to straty ciśnienia na przegrodzie filtrującej (podane na wykresie) należy przeliczyć odpowiednio dla danej lepkości roboczej. Przeliczenie odbywa się przez uwzględnienie współ­ czynnika zwiększenia lepkości "f".

Określenie współczynnika

"F" za

pomocą

Zakres stosowania tego wzoru obliczeniowego sięga od 30 do 3000 mm2/s.

wykresu

/

lJ

/

20 15

/

V

10

1'

"-

..-.::

·c:c:

>.

N

.2 a. (;/)

/

5

3

Jest to wzór obliczeniowy Panzera-Beitlera, opublikowany w Arbeitsbuch der Ólhydraulik - Projektierung und Betrieb, wydanie 2, 1969.

/ V t----------t---f-+--f~rt.4'-1!+--t---t-+-+---t---------------

•O

$;

0.1 + - - - - - - - 4 r - - + - + - ' - - . - . . . + + + + - - + - - + - + - + - - - + - - - - - - 10 30 50 70 100 200 300 5CO JOJO

Lepkość robocza v' (mm2/s)-;:,.

Rys. 13 Przedstawienie graficzne współczynnika przeliczeniowego lepkości

K9

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Przykład

- Wyznaczenie

Wykresy w prospektach dotyczą lepkości 30 mm2/s. W układzie hydraulicznym stosowany jest olej hydrauliczny ISO VG 68. Temperatura pracy wynosi 40 °C. Należy wykonać

wielkości

konstrukcyjnej filtru konstrukcyjna: DF „. 11 O Według wykresu dotyczącego korpusu określić stratę ciśnienia przy Q = 50 I/min. Przyjęta wielkość

obliczenia filtru dla danej temperatury

pracy. 1. Obliczenie współczynnika f na podstawie wzoru:

f= (68130 f= 1,89

+

V68/30)12 = 1,89

2. Ustalenie współczynnika "f" za pomocą wykresu Z wykresu na rys. 13 można bezpośrednio odczytać wartość współczynnik~ "f" (czerwona linia). f= 1,9 Wpływ gęstości strukcyjną

filtrowanej cieczy na

wielkość

kon-

filtru

Wykresy dotyczące korpusu filtru sporządzone zostały dla gęstości 0,86 kg/dm3 (olej mineralny). Jeżeli zmienia się gęstość, to proporcjonalnie do zmiany gęstości należy przeliczyć różnicę ciśnień w korpusie. Określenie całkowitego

spadku ciśnienia na filtrze na podstawie charakterystyk korpusu i charakterystyk przegrody filtrującej

O

i/min

Rys. 14 Wykres spadku ciśnienia na korpusie wg prospektu filtrów do przewodów tłocznych

L1p na korpusie = 0,4 bar Według

wykresu spadku ciśnienia na przegrodzie filtruprzy Q = 50 I/min.

jącej określić stratę ciśnienia

Przykład:

-

Układ

hydrauliczny z zaworami proporcjonalnymi 50 I/min Gatunek oleju: ISO VG 68 Temperatura pracy 40 °C Ciśnienie robocze 300 bar Filtr z elektrycznym wskaźnikiem zanieczyszczeń Natężenie przepływu

1.5

1

5}.Jm

1----+----+----t------,-'f-----+--.>"'---1

'10}.Jm

o 10

.D

<:;

•

-·

20µm

Q.

Sposób postępowania - Wyznaczanie dokładności filtrowania Wybrać dokładność filtrowania według wykresu "Wybór odpowiedniej dokładności filtrowania". Np.: Przeznaczenie: zawory proporcjonalne. Z wykresu można odczytać proponowaną dokładność filtrowania 10 µm (/310 ~ 100). - Wyznaczanie rodzaju budowy filtru Filtr powinien być wmontowany bezpośrednio przed zaworem proporcjonalnym (zapewnienie niezawodności działania i trwałości). Ciśnienie robocze 300 bar. Należy zastosować korpus filtru DF bez zaworu bocznikowego. - Wyznaczanie odmiany przegrody filtrującej Według tablicy "Wybór przegród filtrujących" wybrać typ i oznaczenie. Np. Przeznaczenie: zawory proporcjonalne, zapewnienie niezawodności działania i trwałości. Niezbędny typ przegrody filtrującej: BH/HC Oznaczenie: „. D 1O BH/HC - Wyznaczanie współczynnika zwiększenia lepkości "f" Według rysunku 13 określić współczynnik f: f = 1,9

<1

o

20

60

80

100

120

Rys. 15 Wykres spadku ciśnienia na przegrodzie filtrującej

L1p na przegrodzie filtrującej

= 0,6 bar.

- Określenie całkowitego spadku ciśnienia

Dla filtru DF BH/HC 11 O G 1O LC1 .X otrzymujemy naobliczenie: i1Pcałk = 0,4 bar + 1,9 · 0,6 bar = Ll_4 bar

stępujące

Określony

w ten sposób całkowity spadek ciśnienia jest 1,0 bar.

większy niż

Oznacza to, że filtr DF BH/HC 11 O G 1O C 1.X jest za mały.

K10

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

takie same obliczenie powtórzyć dla następnego, większego filtru. Wybrany filtr jest właściwy, jeżeli obliczony całkowity spadek ciśnienia jest mniejszy do zadanego początkowego spadku ciśnienia. Teraz

należy

Wielkości filtrów umieszczanych w przewodzie spły· wowym (wbudowanych w zbiorniku) należy określać według następujących wykresów (rys. 17 i 18). Filtry RF z przegrodą filtrująca BN/HG tip= 0,5 bar; lepkość= 30 mm2/s

W celu uproszczenia tego stosunkowo skomplikowanego sposobu obliczania filtru opracowano wykresy, według których można określać wielkość konstrukcyjną filtru.

Sposób posługiwania się wykresami

Filtry OF, LF, MDF z przegrodami filtrującymi BN/HC i BHIHC tip= 1 bar; lepkość = 30 mm2/s

Rys. 17 Wykres do określania wielkości konstrukcyjnej filtru umieszczanego w przewodzie spłwowym przy Q = do200!/min Filtry RF z przegrodą filtrującą BN/HG tip= 0,5 bar; lepkość= 30 mm2/s 1200

·c:"'

"';;: e """"'

" "'t:'a.

;;: ca.

Rys. 16 Wykres do określania wielkości konstrukcyjnej filtru umieszczanego w przewodzie tłocznym

•()

•U>

o

c:

·c:"'

"' ""c:

'O

"'o

32

-N

Punkt przecięcia linii natężenia przepływu i dokładności filtrowania wyznacza wielkość konstrukcyjną filtru. Jeżeli lepkość

od przyjętej na wykresie za podstawę lepkości 30 mm 2 /s, to należy uwzględnić natężenie przepływu pomnożone przez współczynnik zwiększenia lepkości "f".

Przykład:

obliczeniowa

przykładu)

Wyznaczanie (rys. 16).

wielkości

= 95 I/min

konstrukcyjnej

według

przecięcia

wykresu

linii natężenia przepływu 95 I/min z linią dokładności filtrowania 1O ~tm znajduje się w obszarze wielkości konstrukcyjnej 160. Punkt

Należy więc zastosować następujący

DF BH/HC 160 G 10 C 1.X

;;:

·c:o

filtr:

500

'O

.s"'

400

o"

300 -

.o "'

"'

4'.

-~

różni się

Zawór proporcjonalny (wg poprzedniego

Ona wykresie= 50 I/min· 1,9

'"'"

:o

o

Rys. 18 Wykres do określania wielkości konstrukcyjnej filtru umieszczanego w przewodzie spływowym przy Q = do 1200 !Imin

Obliczanie filtrów do filtrowania cieczy trudnozapalnych Do filtrowania trudnozapalnych cieczy można na ogół seryjnie produkowane filtry jedynie po spełnieniu pewnych warunków.

stosować

W

zależności

niezbędne

od zestawienia składników cieczy jest dokonanie zmiany korpusu filtru albo

przegrody filtrującej. Przy filtrowaniu takich cieczy należy szczególną uwagę na telerancję wzajemną cieczy i materiału filtrującego. Producenci filtrów dysponują obecnie wystarczającym doświadczeniem, umożliwiającym zaoferowanie filtrów odpornych na działanie wskazanego typu cieczy. Zachodzi przy tym koieczność częściowego zastosowania innych materiałów lub pokrycia powierzchni powłokami ochronnymi. Dotyczy to również wskaźników zanieczyszczeń i innego osprzętu. Ponadto zaleca się zastosowanie większych filtrów niż w układach z olejem zwrócić

K 11

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

mineralnym. Jest to nieodzowne ze względu na zwięk­ szenie zużycia ściernego powodowanego przez składniki cieczy, a także ze względu na pozostałości mydlaste, rozwój drobnoustrojów oraz zmienioną zdolność więzania zanieczyszczeń. Przy projektowaniu systemu filtrowania wskazane jest porozumienie się z producentem filtrów.

Obliczanie filtrów do odpowietrzania zbiorników Istotny wpływ na obciążenie układu zanieczyszczeniami ma stopień przenikania zanieczyszczeń. Szczególne zadanie przypada odpowietrzaniu zbiornika. Zastosowanie tutaj filtru powinno zapobiec przenikaniu zanieczyszczeń z otoczenia mimo dokonywanej wymiany powietrza. Źle lub niedbale zaprojektowane odpowietrzanie zbiornika może doprowadzić do dużego dodatkowego obciążenia obwodu filtrowania, a tym samym do skrócenia trwałości przegród filtrujących. Wydajność filtrów odpowietrzania powinna być dostosowana do wydajności filtrów w układzie. Przy projektowaniu filtrów odpowietrzania prosimy uwzględnić następujące dane: Dokładność

Cechy konstrukcyjne filtru hydraulicznego Filtr tłoczny (do wbudowania w przewodzie)

Wylot

Wlot .......

.......

Przegroda filtrująca Taśma

magnetyczna

filtrowania /33 ~ 1OO

Obliczeniowe natężenie przepływu dla filtru powietrza: 1O-krotność maksymalnych zmian z objętości w zbiorniku cieczy. Obliczeniowy spadek ciśnienia na niezanieczyszczonej przegrodzie filtrującej: 0,02 bar.

Rys. 19 Przekrój filtru do wbudowania z przewodzie tłocznym Filtry te należy stosować bez zaworów bocznikowych. zawsze odbywać się od zewnątrz do wewnątrz (prosimy zwrócić uwagę na kierunek przepływu według strzałki umieszczonej na głowicy filtru). Bezwzględnie należy stosować wskaźniki zanieczyszczenia filtru. Przepływ przez przegrodę filtrującą powinien

Filtry tłoczne do bezpośredniego instalowania na serwozaworach i zaworach proporcjonalnych

Rys. 20 Fitr

tłoczny,

umieszczony

bezpośrednio pod zaworem Dzięki takiemu umieszczeniu filtru wykluczona zostaje możliwość zanieczyszczenia cieczy roboczej między filtrem i zaworem. Poza tym możliwe jest płukanie układu przy działaniu zaworu.

K12

AP'f'A

'f'T

'f'B

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Filtr spływowy (do wbudowania w zbiorniku)

Wlot __..,..

Rys. 22 Elektryczny wskaźnik różnicy ciśnień

fwylot

Rys. 21 Przekrój filtru zbiorniku)

spływowego

(do wbudowania w

Filtry spływowe są stosowane najczęściej z zaworami bocznikowymi, co wyklucza ewentualność błędnych przełączeń zaworów lub innych elementów hydraulicznych. Przepływ reguły,

cieczy przez przegrodę od zewnątrz do wewnątrz.

filtrującą następuje,

z Strona czysta

Bezwarunkowo należy stosować wskaźnik zanieczyszczenia filtru, gdyż w przeciwnym razie nie jest rejestrowane otwarcie zaworu bocznikowego.

Rys. 23 Optyczny wskaźnik różnicy ciśnień

Zastosowanie osadnika zanieczyszczeń zapobiega temu, by silnie zanieczyszczona ciecz spływała do zbiornika podczas wymiany przegrody filtrującej. Podane nadciśnienie robocze 25 bar odnosi pusu filtru przy obciążeniu dynamicznym.

się

do kor-

Wskaźniki

zanieczyszczenia Do sygnalizacji zanieczyszczenia i kontroli czasu wymiany lub oczyszczenia przegrody filtrującej oferowane są różne odmiany wskaźników zanieczyszczenia. W razie stosowania wskaźników optycznych należy przestrzegać, by nie były one zakryte osłonami, ponieważ uniemożliwiłoby to ich obserwację. Wskaźniki elektryczne można umieszczać również w miejscach trudno dostępnych, albowiem o konieczności dokonania obsługi

Rys. 24 Optyczny wskaźnik różnicy ciśnień w filtrze spływowym technicznej sygnalizuje wielokrotnie powtarzany elektryczny.

sygnał

K13

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Dla zastosowań specjalnych przeznaczone są elektroniczne wskaźniki zanieczyszczeń. Wskaźniki te, w połą­ czeniu z przegrodami filtrującymi odpornymi na duże róż­ nice ciśnień, stosowane są przede wszystkim w układach o dynamicznych warunkach eksploatacji. Ewentualnie też przy niskiej granicznej temperaturze rozruchu lub przy częstym występowaniu szczytowych wartości ciśnienia.

Filtry wlewowe i flitry odpowietrzania

Wskaźnik elektroniczny blokuje swoje działanie do czasu osiągnięcia temperatury roboczej wynoszącej np. 32 °C. Działanie wskaźnika jest blokowane również przy szczytowych wartościach ciśnienia, których czas trwania wynosi do 9 sekund. Tego rodzaju szczytowe wartości ciś­ nienia nie mogą więc wyzwolić zadziałania wskaźnika

zanieczyszczenia.

Rys. 26 Przekrój filtru wlewowego z wbudowanym filtrem odpowietrzania

Głowica

filtru

- - - - - - - + . - . ( 2)

- - -1 I

Rys. 25 Elektroniczny wskaźnik różnicy ciśnień

K14

l

Filtrowanie w

układach

hydraulicznych z serwozaworami i zaworami proporcjonalnymi

Instrukcja obsługi technicznej 1.

Napełnianie i przemywanie układu

hydraulicznego

Możliwość

przenikania zanieczyszczeń występuje rówprzy wlewaniu cieczy roboczej do układu hydraulicznego. Nowa ciecz robocza może wykazywać stosunkowo duży stopień zanieczyszczeń powstałych w procesie produkcji, przy wlewaniu do naczyń, podczas transportu i przechowywania. W celu wyeliminowania tej możliwości wprowadzenia zanieczyszczeń wskazane jest wlewanie cieczy roboczej do układu z zastosowaniem serwisowego agregatu filtrującego (rys. 2). Tego rodzaju agregaty filtrujące nadają się też szczególnie do płukania układu przed uruchomienniem. W wyniku płu­ kania poziom zanieczyszczeń montażowych zostaje obniżony do bezpiecznego dla eksploatacji stopnia, bez konieczności zbędnego obciążania filtrów układu. nież

Wielkość przyłącza wlewowego wiednio do wydajności pomp.

należy dobierać

odpo-

Dokładność

filtrowania należy przewidywać co najmniej taką samą, jaką mają filtry układu. W celu szybszego wykonywania czynności manipulacyjnych przy urządzeniach przedstawionych na rys. 2 zaleca się zastosowanie szybkozłącza na zbiorniku hydraulicznym.

2.

Obsługa

techniczna przy uruchamianiu

Sprawdzić

czy ciecz robocza, ciśnienie i natężenie w układzie są zgodne z danymi zamieszczonymi w prospekcie filtru i na filtrze. przepływu

3.

Obsługa

Otwierać

techniczna podczas eksplotacji

korpus filtru i

oczyszczać

wskaźnika zanieczyszczeń.

cieków w korpusie,

należy

go po zadziałaniu W razie stwierdzenia przewymienić odpowiednią usz-

czelkę.

Uwaga: Przed otwarciem filtru

należy

go odciążyć od

ciśnienia.

4. Wymiana przegrody filtrującej a) Wszystkie przegrody mieniać po 1 roku pracy.

filtrujące należy

z zasady wy-

b) Przy pojawieniu się sygnału "filtr zanieczyszczony" należy bezwarunkowo wymienić przegrodę filtrującą. c) Podczas wymiany przegrody filtrującej nie wolno dopuścić przedostawania się zanieczyszczonej cieczy do układu hydraulicznego. Zanieczyszczoną ciecz roboczą należy spuścić z korpusu filtru przed wymianą przegrody filtrującej.

K15

Rozdział

L

Przykłady

zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami Josef Hutter

Przykłady

zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Wstęp

Coraz wyższe wymagania stawia się obecnie wobec techniki hydraulicznego sterowania proporcjonalnego. W jednakowym stopniu wzrastają też wymagania stawiane wobec projektantów układów ze sterowaniem proporcjonalnym. układów wymaga nie tylko dobrej znajoelementów i urządzeń hydraulicznych, ale również uwzględnienia niektórych istotnych kryteriów i warunków, mianowicie:

Zaprojektowanie mości działania

-

Częstoliwość własna układu;

-

Właściwy

wybór suwaka; spadek ciśnienia na krawędziach - Zakres sterowania- Omin/Omax; -

sterujących!

Wpływ zmian masy, prędkości, ciśnienia i lepkości; granice opóźnienia zależnego od czasu;

- Czy wymagane są zawory kompensujące?, gdzie je umieścić: na zasilaniu, czy na odpływie? - Czy wymagane

są

zawory

hamujące

lub podtrzymu-

jące?

- Stosunek ciśnień w układach z siłownikami dwustronnego działania z tłoczyskiem jednostronnym oraz z zaworami kompensującymi umieszczonymi na odpły­ wie; Sumaryczne ciśnienie w układach z silnikami! - Czy

regulacyjnego /l.p na zaworze komjest wskazane lub niezbędne?

zwiększenie

pensującym

- Czy w ogóle możliwe jest sterowanie, czy też zachodzi konieczność utworzenia układu regulacji? - Wybór zaworów o wystarczająco dużej dynamice dla danego zadania, zwłaszcza w układach regulacji. Przedstawione w dalszej części przykłady zastosowania z różnych dziedzin przemysłu i reprezentują typowy przekrój stawianych zadań. Z łatwością można stwierdzić, że w przykładach tych uwzględniono wspomniane wyżej kryteria i warunki. pochodzą

Dla projektowania hydraulicznych układów proporcjonalnego sterowania i napędów niezmiernie istotne jest ścisłe zdefiniowanie zadania. Jeśli nastąpiło ścisłe określenie zadania, to niemal bez wyjątku można już za pierwszym podejściem ustalić optymalne rozwiązanie.

L1

Przykłady

zrealizowanych

Sterowanie radiowe

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

jednoszynową kopalnianą

kolejką wiszącą

Do przewozu materiałów i osób stosowane twie kolejki wiszące z napędem linowym.

są

w górnic-

W urządzeniach transportowych z napędem linowym stosuje się przekładnie hydrostatyczne we względu na łatwość zmiany prędkości i jednoczesne zachowanie niezbędnych sił napędowych w całym zakresie prędkości obrotowej. Zmiana

wydajności

pompy, a tym samym zmiana jazdy kolejki, odbywa się w zależności od ciś­ nienia sterowania. Kąt wychylenia pompy osiowej tłoko­ wej jest proporcjonalny do ciśnienia sterowania w urzą­ dzeniu nadawczym. W celu zapewnienia ciągłej gotowości do pracy przewidziano dwa układy regulacji ciśnie­ nia sterowania zmianą wydajności pompy: prędkości

1)

układ

ciśnienia

z trójdrogowym proporcjonalnym regulatorem 3 DREP 6 C (poz. 1)

2) układ z ręcznie uruchamianym urządzeniem sterowania wstępnego 2 TH 7 (poz. 2) Sterowanie regulatorem ciśnienia odbywa się za pośred­ nictwem radia. Motorniczy posługuje się tutaj przenoś­ nym nadajnikiem. Przesyłanie sygnałów wielkiej częstot­ liwości między nadajnikiem i odbiornikiem odbywa się w zakresie częstotliwości około 30 MHz. Częstotliwoś­ ciowa modulacja odebranych sygnałów oparta jest na cyfrowej metodzie PCM (impulsowa modulacja kodowa), która w porównaniu z innymi metodami zapewnia największą możliwą niezawodność przesyłania sygnałów.

Operator ze swego stanowiska steruje napędem jazdy posługując się urządzeniem do sterowania 2 TH 7. Jednocześnie za pośrednictwem radiotelefonu operator utrzymuje łączność z motorniczym kolejki. Do przenoszenia sygnałów służy kabel współosiowy ułożony wzdłuż trasy. Zarówno proporcjonalny regulator ciśnienia 3 DREP 6 C, jak i urządzenie sterowania wstępnego 2 TH 7 zostały zmodyfikowane odpowiednio do wymagań przepisów BVS i uzyskały dopuszczenie.

L2

A

-1 '"C

j:J '<

"

iii o.

'<

... N

CD

a!..

;:;r o :E m

::i

'< (')

::;

c:

Sterowanie ręczne z urządzeniem sterowania wstępnego typu 2TH 7

Sterowanie radiowe z trójdrogowym proporcjonalnym regulatorem

I

~

o.

O•

:E

::;

'<

ciśnienia

..._,

pst

~

,p

I

~~ S11 SP

o. ... m c:

c;· N ::i

-01

'< (')

::; N

N

m

T

b

ri!r

:E o...

2

m

3

L_..., A

...o

f1' :t '< ,_._,X2 L--r------,

!-----...

L______ -

x1

r

I Pompa osiowa tłokowa I A2P355HDGR5GV2P :

;:J

"O "O

j~

o ....

(')

es· ::i

I I I 1 I

a!..

::i

'<

3

I/)

CD

I

IL ________ P'T' ..J I

L-----------------L _________ J I

r

w

~ o N

PI I

L-----------;1

m

:E o... m 3

Przykłady

zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Napęd mechanizmu jazdy wózka do wymiany konwertora w stalowni konwertorowej

Wymurowanie konwertora ulega zużyciu, wobec czego zachodzi konieczność ciągłego odnawiania wymurówki. W tym celu konwertor przemieszczany jest na specjalnym wózku do różnych miejsc.

zapewniają zawsze zawory kompensujące, umieszczone na odpływie, i to nawet wówczas, gdy zmieniają się wspomniane wyżej oddziaływania.

Wymiana konwertora odbywa się w 4 fazach: 1) Przemieszczenie wymontowanego konwertora na stanowisko oczekiwania 2) Przemieszczenie wózka do stanowiska

wykładania

materiałem ogniotrwałym

3) Przemieszczenie naprawionego konwertora do stanowiska wprowadzania dmuchu 4) Przemieszczenie zużytego konwertora od stanowiska oczekiwania do stanowiska wykładania materiałem ogniotrwałym

Dane techniczne Średnica wózka Wysokość wózka wraz z konwertorem Całkowita masa wózka i konwertora

16m 9m 1200 t

Maksymalna prędkość jadzy wózka wynosi 15 m/min. Odpowiada to prędkości obrotowej 4 kół napędowych 3,2 min- 1. Wymagana jest płynna, całkowicie pozbawiona szarpnięć i bardzo czuła regulacja prędkości jazdy od prawie zera do 15 m/min. Dajazd do poszczególnych pozycji powinien następować ze stosunkowo dużą dokładnością. W punkcie krzyżo­ wania następuje obrócenie wózka o 90° wokół części środkowej. W tym celu kompletny wózek zostaje uniesiony i po obróceniu opuszczony na nową parę szyn. Uchyb pozycjonowania wynosi przy tym 30 mm, co ze względu na wymiary i masę jest raczej wystarczającą

Hydrauliczny napęd jazdy wózka do wymiany konwertora

dokładnością.

Wszystkie procesy jazdy sterowane są za pomocą rozdzielacza proporcjonalnego (poz. 1). Oddziaływania, wynikające z różnego tarcia kół o szyny, a także z różnego obciążenia, lepkości itd, kompesowane są za pomocą zaworów kompensujących, umieszczonych na odpływie w przewodach A i B. Zawory te są wbudowane do bloku jako elementy logiczne DR. Wbudowane do pokrywy zawory ograniczające ciśnienie (poz. 3) umożliwiają nastawienie dp na zwężce ( = suwak rozdzielacza proporcjonalnego). Jest to wymagane z tego względu, że rozdzielacz proporcjonalny 4 WRZ 32 nie może przepuścić maksymalnego natężenia przepływu 624 dm3/min przy nastawionym na stałe dp = 8 daN/cm2 zaworu kompensującego, umieszczonego w płycie pośredniej. Rozdzielacz proporcjonalny jest sterowany wstępnie za pomocą ręcznego nastawnika. Istotne znaczenie dla operatora ma ta okoliczność, że określony kąt wychylenia nastawnika daje zawsze taką samą prędkość. Taką zgodność

L4

Wózek do wymiany konwertora doprowadzony do właś­ ciwego położenia po obróceniu nad skrzyżowaniem szyn

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z :zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

L- - -

L_ -

______ _...._ --,

------~-

--~~~~~~~--

J,

!

624 dm' /min

I I I I I I I

624 dm' /min

A

! B

_ _, &J..a L

NS

"'

p

r--,

T

I

T

r--

I

I I I

I

L ___ _

I I

T

__ __J L5

Przykłady

zrealizowanych

Zasilający

przesuwacz

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

podnośny

stosowany w

walcowni W dotychczasowym wykonaniu układ sterowania siłow­ nikiem obrotu zawierał 8 elementów hydraulicznych.

dwa zawory kompensujące, które zainstalowane są w przewodach A i B odbiornika i w sposób bezprzeciekowy odcinają przepływ, gdy rozdzielacz proporcjonalny znajduje się w położeniu środkowym.

Połączenie rurami tych elementów lub zmontowanie ich w postaci bloku było pracochłonne i kosztowne.

Optymalne nastawienie i dostrojenie wszystkich elementów wymagało dużo czasu.

W nowym wykonaniu z rozdzielaczem proporcjonalnym wystarczy tylko jeden hydrauliczny element sterujący przyłączyć poprzez płytę lub zainstalowć na bloku, ponieważ umieszczony na odpływie zawór kompensujący­ odcinający został wykonany w postaci płyty pośredniej. Ten odcinający zawór kompensujący zawiera właściwie

160/100 295 dm 3 /min

4

•

X

AK

AR

AK

AR

800

484 dm 3 /min

160/100

X

800 AK= 2 x 201 = 402 cm 2 AR= 2 X 122,5 = 245 cm2 v= 0,2 m/s mmin

= 10

t

Omax = 484 dm 3 /min

a p

L6

T

Przykłady

zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

160/100

X

800

295 dm 3 /min 4 ...

484 dm 3 /min

160/100

X

800

AK = 2 X 201 = 402 cm 2 AR= 2 x 122,5 = 245 cm2 v= 0,2 mis ffimin=

10

ł

Omax = 484 dm 3 /min

I

L ___ _ p

T

L7

Przykłady

zrealizowanych

układów

Urządzenie podnośnikowe

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

na linii spawalniczej

Linia spawalnicza została zastowowana przy wytwarzaniu nadwozi samochodów osobowych. Całkowita dłu­ gość linii wynosi 30 m. Zawiera ona 12 stanowisk spawalniczych, które wspólnie podnoszone są i opuszczane przez jedno urządzenie. W połowie skoku następuje przejęcie lub odłożenie materiału. Prędkość przejmowania nie powinna przekraczać O, 15 m/s, aby wkładane elementy blaszane nie ulegały wyrzuceniu przez siłę odśrodkową. Z drugiej jednak strony zarówno proces podnoszenia, jak i proces opuszczania powinny odbywać się możliwie szybko.

Analogowy pomiar drogi powinien odbywać się tylko w obszarze drogi hamowania, wobec czego można takie układy stosować w urządzeniach o dowolnej długości, np w napędach mechanizmów jazdy. Tego rodzaju technikę sterowania stosuje się przeważ­ nie wówczas, gdy przy różnych wartościach energii kinetycznej napędu należy zapewnić dojście do określonej pozycji ze stosunkowo dokładną powtarzalnością. Gdy

prędkość napędu

należy

reczej

jest

większa niż

ok. 1 m/s, wtedy od czasu.

stosować opóźnienie zależne

Zastosowano tutaj rozdzielacz proporcjonalny z urzą­ dzeniami elektronicznymi dla uzyskania opóźnienia zależnego od drogi. Elektroniczne wyłączniki zbliżeniowe, tzw inicjatory analogowe, prowadzone są wzdłuż krzywek stalowych. Wraz ze zbliżeniem się inicjatora następuje analogowe obniżanie napięcia wyjściowego do O wolt. Napięcie to zostaje doprowadzone do specjalnie zaprojektowanego wzmacniacza i steruje elektromagnesami rozdzielacza proporcjonalnego. Nie następuje tutaj regulowanie, lecz zależne od drogi sterowanie z analogowym pomiarem drogi w fazie hamowania. Z przykładu tego wynika, że w każdej pozycji skoku można za pomocą krzywki zmniejszać prędkość do dowolnej wartości i ponownie zwiększać do wartości wyjściowej. Czynnikiem decydującym jest tutaj odległość X krzywki od linii łączącej obydwie krzywki krańcowe.

Potrzebne do procesu przyspieszania 460 !Imin daje akumulator hydrauliczny (z lewej strony). Pompa łopat­ kowa (z prawej strony) napełnia akumulator w fazach "bezruchu". Z prawej strony znajduje się rozdzielacz proporcjonalny 4 WRZ 25

LB

Jeden siłownik hydrauliczny z układem mechanicznym nadaje ruch jednocześnie wszystkim 12 stanowiskom. Drugi siłownik stanowi rezerwę.

Przykłady

D

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

12 stanowisk podnoszenia

= 140mm

= 100mm =450mm Vmax = 0,5 m/s Omax = 460 dm3/min

d H

i=l,2

•

opuszczanie

krzywka hamująca inicjator analogowy

P= 110 daN/cm 2

1

V

450 mm

4 WRZ 25 W3-325-30 Schemat hydrauliczno-mechanicznego napędu linii spawalniczej i wykres przebiegu ruchów

s

O, 15 mis 225

mm__..j

0,05 mis

L9

Przykłady

zrealizowanych

układów

Siłownik

hydrauliczny mechanizmu jazdy prze-

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

nośnika łańcuchowego Kręgi taśmy, zwinięte w końcowej części zespołu walcowniczego, należy w walcowni gorącej przemieścić na składowisko. Temperatura kręgów na zwijarce wynosi ok. 800 do 1OOO °C. Podczas transportu kręgi powinny ulec ostudzeniu do ok. 500 - 600 °C. Z tego względu częstokroć pewien odcinek przenośnika łańcuchowego przechodzi poza halą, na wolnym powietrzu.

Całkowita długość łańcuchowego przenośnika kręgów

wynosi 280 m. Napędzany silnikiem hydraulicznym krótszy przenośnik łańcuchowy

doprowadza kręgi do stanowiska przejścio­ wego, gdzie następuje przeniesienie kręgów na przenośnik łańcuchowy umieszczony w podłodze hali. Ten przenośnik napędzany jest przez siłownik hydrauliczny o równomiernym cyklu skoku wynoszącym 3600 mm.

W dotychczasowym wykonaniu układ sterowania składał się z wielu elementów hydraulicznych. Optymalne nastawianie tych elementów było skomplikowane i pracochłonne.

Według nowej koncepcji układ sterowania został zrealizowany z zastosowaniem tylko jednego rozdzielacza proporcjonalnego. Ten układ okazał się zdecydowanie korzystniejszy pod względem kosztów i znacznie prostszy w obsłudze. Przebieg rozruchu i hamowania oraz prędkość nastawia się w sposób bardzo prosty na płycie czołowej wzmacniacza.

W początku skoku napęd wzębia się w łańcuch przenośnika. Po wykonaniu skoku i wyzębieniu się napędu następuje zatrzymanie się łańcucha na czas powrotnego skoku tłoka siłownika. Po powrocie do położenia wyjścio­ wego rozpoczyna się nowy cykl, gdy tylko stanowisko przejściowe przekaże nowy krąg taśmy.

Nowa koncepcja układu sterowania z rozdzielaczem proporcjonalnym

AK

+3.-

AR

~

c

.E

.E ._

"'E

"'E

'
O')

c

- c

.E

"'

E

'C I'-

o

-o

'O

M C\I

c

.E

-.

"' E 'O M

C\I M

LO

a

b

4 WAZ 32 W1-520

o d H

v1 v2

L 10

=

220 mm 160 mm 3850 mm 0,222 mis 0,3 mis

mmm

mmax

AK AR Omax

560 2800 380 cm 2 179 cm 2 684 dm 3 /min

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

AK

v2 ..,_

c

:§ D d

H

=

v1 v2

220 160 3850 0,222 0,3

560 2800 380 cm

ffimin

mmax

AK AR

"' E

mm mm mm m/s m/s

"O I"-

oI.{)

AR

c

.E

"O Ol

"O

p

'tj-

GO

I i I

Układ sterowania

"'

E

"O C') (\j C')

yl I

T

'---..,I

I I

I I

NG 52 T

IrI I

T

I ł

I I I I I I I

I

p

:§

2

•

i i

C') (\j

(!)

r---------I

c

"' E

-. "' E

p

I

:§

--+

179 cm 2 684 dm 3 /min

Omax

i

c

v1

p

T

I vl

w dotychczasowym wykonaniu

L 11

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Układ

sterowania pomostu podnośnego do ła­ dowania towarów przewożonych samolotem Sterowanie powinno zapewniać spełnienie następu­ warunków: - bezuderzeniowe przyspieszanie i wyhamowanie; - niezależne od obciążenia sterowanie prędkością we wszystkich fazach ruchu; - bezprzeciekowe zamknięcie w stanie zatrzymania; - mała moc tracona przy pracy z pompami stałej wydaj-

jących

ności.

Stałą prędkość, niezależnie od obciążenia, uzyskuje się dla ruchu w górę stosując na zasilaniu trójdrogowy zawór kompensujący (poz. 3) jako element logiczny DB. Ten zawór kompensujący ma sprężynę regulacyjną nastawioną na 4 daN/cm2. W układzie zastosowano zawór odciążający (poz. 6), dzięki któremu ciecz tłoczona przez pompę płynie do zbiornika pod tak niskim ciśnieniem 4 daN/cm2. Zawór ograniczający ciśnienie (poz. 5), umieszczony w przewodzie ciśnienia od obciążenia odbiornika, pozwala zmieniać regulacyjny i1p. W danym przypadku nastawiono 1O daN/cm2. Zaworem ograniczają­ cym ciśnienie (poz. 4) nastawia się maksymalne ciśnie­ nie pompy. Przy ruchu pomostu w górę ciśnienie na wylocie pompy ustawia się samoczynnie na wymagane ciś-

nienie określane przez 1O daN/cm2 na zwężce runku A.

obciążenie

=

Przy zatrzymaniu pomostu i przy ruchu w dół następuje silnika elektrycznego napędu pompy. Z tego powodu potrzebny jest zawór rozdzielczy grzybkowy (poz. 7) do zasilania olejem sterującym rozdzielacza proporcjonalnego (poz. 1) i zaworu kompensującego umieszczonego na odpływie (poz. 2).

Stała wartość spadku ciśnienia na krawędzi sterującej A do T jest podczas ruchu w dół utrzymywana przez umieszczony na odpływie odcinający zawór kompensujący (poz. 2). W ten sposób uzyskuje się też stałą prędkość, niezależnie od zmian obciążenia.

Odcinający zawór kompensujący zapewnia dodatkowo bezprzeciekowe zamknięcie w stanie zatrzymania i spełnia działanie zaworu zwrotnego przy ruchu pomostu w górę.

= =

- mechaniczne zapewnienie współbieżności

ffimax

D H

A1

--- A2

regulacyjny i1p P w kie-

wyłączenie

140 mm 4 m Vmax = 12,5 m/min Omax = 385 dm 3 /min

Pomost

+

krawędzi sterującej

= 20 t

Odcinający

kompensujący, - ---i I

zawór umieszczony na zespól do wbudowania

odpływie,

T

L12 L

Przykłady zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Urządzenie

przemyśle

do układania w stosy, stosowane w papierniczym

125/90x1280 mm

W celu uniknięcia multiplikacji ciśnienia w siłownikach o dwustronnym działaniu z tłoczyskiem jednostronnym zastosowano umieszczony na zasilaniu dwudrogowy zawór kompensujący (w postaci płyty pośredniej). Obciążenie

wymaga użycia zaworu przy ruchu w dół musi więc być przejęte przez zawór hamujący, aby zapewnić zachowanie na rozdzielaczu proporcjonalnym stałej wartości spadków ciśnienia od P do B (8 daN/cm2). ujemne

A1 = 122,7 A2 =

(ciągnące)

cm 2

59,1 cm'

G = 800 . . . 5000 kg

hamującego. Obciążenie

Za

pomocą

ciśnienia

zawór

od

zaworu

I I

FO 16 PA 10/BOO

i-----,

'f!tl'

przełączającego następuje

odbiór w przewodzie odbiornika. Ten jest wbudowany do zaworu kom-

obciążenia

przełączający

pensującego.

4 WRE 10 W2-64-20/. .

ZDC 10 P-20/XM

T

L13

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Wózkowy mechanizm manipulacyjny do obsługi dwóch pras Na prasie do kształtowania i ciągnienia na gorąco wykonywane są stalowe butle do gazów. Całkowicie zautomatyzowany jest transport pomiędzy prasami oraz doprowadzenie materiałów. Wszystkie ruchu wykonuje mechanizm manipulacyjny, składający się z górnego wózka do wzdłużnego przemieszczania oraz dolnego wózka do wprowadzania i wyprowadzania przedmiotów. Rozpatrzmy operacje przemieszczania wykonywane przez górny wózek. Maksymalna droga przemieszczania wynosi 6 m. Na tym odcinku wózek powinien stosunkowo dokładnie zatrzymywć się w 5 położeniach.

dosysania (poz. 2). Rozdzielacz proporcjonalny zamyka wtedy przepływ w sposób nie kontrolowany już przez czas trwania przebiegu liniowego lub układ hamowania, lecz w ciągu minimalnego własnego czasu zamykania, który trwa tylko 70 ms. zapewnić zachowanie napełnienia po stronie dopływu należy w przewodzie do zbiornika przewidzieć zainstalowanie zaworu zwrotnego (poz. 3) o ciśnieniu ot-

Aby

warcia 3 daN/cm2.

Napęd realizowany jest bezpośrednio przez silnik hydrauliczny, zębnik i zębatkę. Do sterowania ruchami zastosowano rozdzielacz proporcjonalny (poz. 1) typu 4 WAZ 16 E 100 ze sterowaniem wstępnym.

Elektryczne sterowanie napędem odbywa się za pomocą cyfrowego ustawnika pozycyjnego - wzmacniacza VT 4630. Hydrauliczne napędy sterowane z zastosowaniem zaworów proporcjonalnych lub serwozaworów, są przy użyciu tych wzmacniaczy doprowadzane do położenia, zadawanego cyfrowo w kodzie BCD. Przyrostowy pomiar położenia dokonywany jest za poimpulsowego przetwornika przesunięcia kąto­ wego lub przetwornika optycznego z podziałką kreskową. Przed osiągnięciem zadanego położenia następuje zależne od drogi wyhamowanie, przy czym wartość zadana stopnia końcowego zaworu zostaje zredukowana do zera. Zawór jest wtedy zamknięty. Proces dochodzenia do zadanego położenia jest nastawiany przez ustalenie czasu trwania przebiegu liniowego. mocą

Wzmacniacz umożliwia wewnętrzne zadawanie poło­ żenia za pomocą przełącznika dekadowego na 5 znaków lub zewnętrzne zadawanie przez swobodnie programowalny układ sterowania. Również i 5-znakowy wskaźnik może być zainstalowany wewnątrz lub zewnątrz. Przy zadawaniu zewnętrznym poprzez układ sterowania PC liczba położeń może być dowolna. Natomiast przy wewnętrznym zadawaniu liczba położeń jest ograniczona do 9. potencjometrów znajdujących się na płycie czołowej wzmacniacza nastawia się prędkości, nachylenie przebiegów liniowych rozruchu i hamowania (dla pracy impulsowej) oraz długość drogi hamowania przy hamowaniu uzależnionym od drogi. Zadawanie poło­ żenia dla 5 pozycji zatrzymywania się wózka dokonywane jest z zewnątrz, z układu sterowania PC. Za

pomocą

Pomiar drogi dokonywany jest przez przyrostowy przetwornik pr,zesunięcia kątowego, dający 1250 impulsów na 1 obrót. Srednica zębni ka dO = 159 mm, wobec czego 2 obroty = 1 m przesunięcia = 2500 impulsów. Ta liczba impulsów zostaje wzmocniona we wzmacniaczu w czwórnasób. W ten sposób droga przesunięcia 1 m zostaje rozłożona na 10000 impulsów (1 impuls= O, 1 mm). Zapewnia to osiągnięcie wymaganej dokładności ± 1 mm. Do ochrony silnika hydrulicznego w razie wyłączenia awaryjnego zainstalowano urządzenie do dopełniania i L14

I

____ _J 4

a

16 E 1

b

daN/cm 2 Motor Silnik

q

1265cm 3 /U 180m1n l

mm

do

1,5 6000

mis kg

Przykłady

Zespół

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

posuwowy

Zespoły

posuwowe w liniach obrabiarkowych mają przehydrauliczne o stosunku powierzchni czynnych 1 : 2. W takich przypadkach stosowany jest układ różnicowy. Zwarte, modułowe bloki sterownicze o wielkości nominalnej 6, 1O i 16, instaluje się bezpośred­ nio na siłownikach zespołów posuwowych. Rozdzielacz proporcjonalny (poz. 1), jako zawór ruchu szybkiego, umożliwia bezuderzeniowe dojście i wyhamowanie przy stosukowo dużych energiach kinetycznych. Często w liniach obrabiarkowych stosowane są prędkości ruchu szybkiego do 25 m/min. Prędkość posuwu nastawia się w sposób konwencjonlany regulatorem natężenia przepływu (poz. 2). ważnie siłowniki

od obciążenia zaworze podtrzymującym (poz. 3) automatycznie wytwarza się optymalne przeciwiciśnienie w każdej fazie procesu obróbki.

W

zależnym

ciśnienie

Prędkość ruchu szybkiego oraz wartości przyspieszania i opóźniania nastawia się bardzo prosto na płycie wzmacniacza elektronicznego.

A

B

Ir-

LL f

0

/\

b

p

T

p

T

I

L_

1© I

© p

I VI I

r--....J

I I

B

© p

A A

B

p

T

a

l

I I I I I I I I I

I

_=J

L15

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Sterowanie pomostem w teatrze Wymagania stawiane wobec

układu

hydraulicznego:

1) Rozruch i wyhamowanie wszystkich procesów ruchu powinny odbywać się bez jakichkolwiek szarpnięć 2)

Płynna

3)

Współbieżność

regulacja

prędkości

ruchów obydwu ramion wychylnych

Napęd mechanizmu jazdy (nie pokazano na rys.)

Napęd wychylenia pomostu

Napęd wychylenia pomostu

G

Giętkie

G

L16

przewody ciśnieniowe

Przykłady

Napęd

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

wychylny pomostu

Podnoszenie i opuszczanie pomostu odbywa się za poramion wychylnych. Z każdym ramieniem połą­ czony jest siłownik hydrauliczny. Siłowniki są przegubowo połączone z wózkiem jezdnym i ramieniem wychylnym. Ruch podnoszenia i opuszczania odbywa się w zamknię­ tym układzie regulacji z zastosowaniem rozdzielaczy proporcjonalnych z wstępnym sterowaniem (poz. 2). Stosunkowo mała dynamika napędu pozwala na użycie tego rodzaju elementów. Zastosowany układ kinematyczny powoduje występowanie sił o różnej wartości w funkcji skoku siłownika. Zawory kompensujące (poz. 1), umieszczone przed rozdzelaczami proporcjonalnymi, kompensują wpływy tych różnych sił. Zachodzi konieczność jedynie doregulowania odchyłek współbieżności. mocą

r-----i---A

1

Do pomiaru kąta wychylenia stosowane są przetworniki z potencjometrami obrotowymi, umieszczonymi w punkcie przyłączenia siłownika do wózka jezdnego. Stosunek powierzchni czynnej w siłowniku wynosi 1 : 2,54, wobec czego nie można stosować zaworów kompensujących umieszczanych na odpływie. Z tego względu oprócz zaworów kompensujących, umieszczanych na zasilaniu w przewodach P, wymagane są również zawory hamujące (poz. 3), umieszczane w przewodach A. Zapewnia to także bezprzeciekowe zamykanie po stronach den tłoków w stanie zatrzymania.

B

©

I I

I

2 siłowniki 180/140 x 3925 Vmax=

70 mm/s

AK= 254cm2

vmin =

4mm/s

AR= 100cm2

Li?

Przykłady

Napęd

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

ruchu obrotowego pomostu

Obracanie (nachylanie) pomostu wokół jego osi środko­ wej odbywa się za pomocą silnika hydrauliczengo i przekładni ślimakowej o przełożeniu 1 : 150. Wymagana jest płynna regulacja prędkości obrotu pomostu od bliskiej zera do 1 min-1. Z tego powodu zastosowano wolnobieżny silnik osiowy tłokowy serii MCS. W danych warunkach, tzn przy małych wahaniach momentu obrotowego i braku większych wahań ciśnienia, silnik ten zapewnia osiągnięcie minimalnej, wolnej od szarpnięć, prędkości obrotowej 0,5 min-1. Do kompensacji obciążenia zastosowano na zasilaniu zawór kompensujący (poz. 1), który umieszczono przed rozdzielaczem proporcjonalnym (poz. 2). Nie można instalować zaworu kompensującego na odpływie, ponieważ przy ciśnieniu roboczym 150 daN/cm2 następowa­ łoby zbyt duże obciążenie silnika. Dopuszczalne sumaryczne ciśnienie pracy w fazie hamowania należałoby wówczas dodać do podwójnego ciśnienia roboczego. Wtedy nastąpiłoby przekroczenie dopuszczalnego ciś­ nienia sumarycznego. Kompensacja obciążenia odbywa się jedynie wówczas, gdy kierunek obiążenia jest dodatni. Wtedy to umieszczony na zasilaniu zawór kompensujący może utrzymywać stałą wartość tip na zwężce. Z tego względu w przewodach A i B odbiorników umieszczono zawory kompensujące (poz. 3). Dodatkowym zadaniem tych zaworów, podyktowanym względami bezpieczństwa, jest bezprzeciekowe zamykanie przepływu w stanie zatrzymania. Silnik jest wyposażony w hydraulicznie zwalniany hamulec cierny wielopłytkowy, co umożliwia niezawodne zatrzymanie pomostu w każdym dowolnym położeniu (niezależnie od przecieków w silniku!). Sterowanie napędem, tzn uruchamianie rozdzielacza proporcjonalnego, wykonywane jest ręcznie.

L18

Przykłady zrealizowanych układów hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

B

-1 a

r-I

---------

-~

------------

I I I I I

p

T I

I I I I I I I

I

-1

I

I

b

----

_ _J

I

I

___ JI T

L19

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Wtryskarki Kształtki,

wykonywane na nowoczesnych wtryskarkach, wysokie wymagania pod względem stałości cech jakościowych, co z kolei coraz częściej wymaga regulacji procesu wtryskiwania. Wprowadzenie tej regulacji umożliwia zmniejszenie zakresu rozrzutu własności kształtek do ok. 1/9. Zakończenie procesu uruchamiania lub rozruchu regulowanej wtryskarki nastę­ puje już po kilku cyklach pracy. Wtedy też osiąga się wypowinny

spełniać

maganą stalość jakości kształtek. Dodatkową poprawę jakości

nawet skomplikowanych do układu regulacji pomiar ciśnienia wewnątrz formy.

kształtek można osiągnąć wlączając także

Przełączanie

z regulacji prędkości na regulację ciśnienia w zależności od drogi wtryskiwania lub w zależności od wewnętrznego ciśnienia tłoczywa. może następować

Ciśnienie ładowania przy plastyfikacji jest również prowadzone według wykresu sporządzanego odpowiednio do danego procesu technologicznego.

Do realizacji wszystkich procesów regulacji zastosowano zawór regulacyjny 4 WRDE 52 V. Układ regulacji elektronicznej został wykonany z zastosowaniem mikroprocesorów. Regulator analogowy zaworu skonstruowany został jako regulator układowy (hardware).

Wykres prędkości wtryskiwania sporządza się odpowiednio do danego procesu technologicznego. Skok siłownika wtryskarki jest mierzony i odpowiednio przetwarzany przez układ pomiaru przesunięcia. Powstała w ten sposób wartość rzeczywista jest porównywana z wartością zadaną według wykresu wtryskiwania i korygowana.

Zastosowanie pomiaru ciśnienia wewnątrz formy wtryskowej umożliwia bardzo dokładne i niezależne od lepkości stopionego tłoczywa prowadzenie ciśnienia wtrysku i ciśnienia dotłaczania według zadanego wykresu.

Vmax. Vmin

Siłownik

=

135 mm/s = 2 mm/s

T

Regulator i przełączanie Ciśnienie Prędkość

s

L20

wtrysk. i

Ciśnienie

Układ

sterowania i układy logiczne

wtryskarki =560mm d =250mm H =480mm Omax = 1900 dm3/min Pmax = 140 daN/cm2 Omin = 30dm3/min Pm in = 5daN/cm2

D

Agregat hydrauliczny

Fmax

= 3500 kN

Przykłady

zrealizowanych

układów

hydraulicznych z zaworami proporcjonalnymi i serwozaworami

Notatki

L21

Skorowidz

Błąd

wybiegu J 1O spadek ciśnienia (na filtrze) K 1O Charakterystyka amplitudowa F 9 - częstotliwościowa F 8, F 9 - dławieniowa C 1 - fazowa F 9 - oddzielania zanieczyszczeń K 4 Ciśnienie maksymalne, ograniczenie C 9 Czas opóźniania E 8 - przyspieszania E 8 - wyprzedzenia H 17 - zdwojenia H 16 Częstotliwość krytyczna J 4 - własna E 10 - - napędów z silnikami hydraulicznymi E 26 - - , nietłumiona E 23 - - obciążenia J 4 - - serwozaworu J 4 - - siłownika dwustronnego działania z tłoczyskiem jednostronnym E 24 - - siłownika z tłoczyskiem dwustronnym E 23, E 24 - - , wpływ częstotliwości własnej E 22 Człon bezinercyjny (proporcjonalny) H 7, H12 - inercyjny pierwszego rzędu H 7, H 1O, H 12 - - drugiego rzędu H 7, H 10, H 11, H 12 - opóźniający H 7, H 9 - pierwiastkujący H 3 - proporcjonalny (bezinercyjny) H 7, H 12 - różniczkujący H 7, H 9, H 12, H 28 - sumujący D 6, H 21, H 28, H 43 Człony układu regulacji, podstawowe grupy H 7 Czujnik położenia (przetwornik przesunięcia) B 2, B 4, D 7 Czułość progowa F 6 Czułość przy zmianie sygnału F 6 Demodulator D 7 Dobór filtrów K 8 Dokładność filtrowania K 6 Droga hamowania H 1 - opóźniania E 9, E 16 przyspieszania E 9 Elektromagnesy proporcjonalne A 1, B 1 - - o regulowanej sile B 1 - - o regulowanym skoku B 2 Element podtrzymania ciśnienia C 7 Filtrowanie K 1 - , dokładność K 6 Filtry, dobór K 8 - do odpowietrzania zbiorników K 12 - do wbudowania w przewodzie tłocznym K 12 - , instrukcja obsługi technicznej K 15 - , określanie wielkości konstrukcyjnej K 9 - , spadek ciśnienia K 8 - spływowe do wbudowania w zbiorniku K 13 - , wielkość konstrukcyjna K 8, K 11 - wlewowe i do odpowietrzania K 14 - , wybór korpusu filtru K 9 Funkcja ciśnienie-sygnał F 7 Generator funkcji skokowej D 5 - przebiegów liniowych B 8, D 1, D 8, H 20, H 21, H 23, H24,H30,H31,H41 Granica mocy B 8 Hamowanie w funkcji czasu H 1 - - - drogi H 2 Całkowity

Histereza B 4 Inwerter D 6, H 21, H 28, H 42 Inicjator analogowy (wyłącznik zbliżeniowy) A 3, H 3 Jakość oleju K 4 Klasa czystości K 2, K 3 Klasa zanieczyszczeń K 2 Kompensacja obciążenia C 2 - zakłóceń H 21 Krawędź sterująca B 4 Kryteria projektowania E 1 - - napędów silnikowych E 6, E 7 - - napędów siłownikowych E 2, E 3, E 4 Krzywka hamowania H 3 Lepkość, wpływ E 18, K 9 - , współczynnik przeliczeniowy K 9 Moduł płytkowy wzmacniacza A 1, D 8 Moduł uniwersalny H 21, H 28, H 29 Nadążanie H 13 Napędy silnikowe, kryteria projektowania E 6, E 7 - siłownikowe, kryteria projektowania E 2, E 3, E 4 Napięcie zasilania D 8 Natężenie przepływu, charakterystyka B 6, F 4, F 5, G 6 , charakterystyka progresywna B 4 - - , nominalne - - , w funkcji obciążenia F 7, F 8, G 7 - - , wzmocnienie F 6, G 6 Obiekt regulacji H 5, H 6 Odchylenie powtarzalności B 8 Odchyłka regulacji F 3, H 5 Odtwarzalność B 4 Ograniczenie ciśnienia maksymalnego C 9 Ogranicznik H 32, H 33, H 41 Określanie wymiarów odbiornika E 19 - - - dla układów bez kompensacji od obciążenia E 21 - - - - - z kompensacją od obciążenia E 21 Olej sterujący, wlot B 14 - - , wylot B 14 Opóźnianie B 8 Oscylator D 7 Pobieranie próbek K 4 Podtrzymanie ciśnienia C 7 Pomiar ciśnienia H 39 - drogi (przesunięcia), analogowy H 3 Pomiar prędkości H 38 - przesunięć kątowych H 37 - - liniowych H 35 - wielkości mierzonych H 34 - - - , absolutny H 34 - - - , analogowy H 34 - - - , cyfrowy H 34 - - - , przyrostowy H 34 Potencjometry D 6, H 40 Potencjometry wartości rzeczywistej F 3 Powtarzalność B 4 Prąd wstępny D 7 - wymuszony B 20 Przebieg liniowy, czas trwania B 8 - - , generator B 8, D 1, H 20, H 21, H 23, H 24, H 30, H31,H41 Przebiegi sygnałów A 1 Przebiegi przejściowe H 6 Przegrody filtrujące, konstrukcja K 6 - - , trwałość K 7

Skorowidz

- - , wybórK8 Przekrycie suwaka F 5, G 6 , dodatnie F 5 - - , ujemne F 5 - - , zerowe F 5 Przemieszczenie nastawcze, błąd (uchyb) J 3, J 10 Przerzutnik Schmitta H 28, H 43 Przesunięcie fazowe F 8 Przetwornik pomiarowy ciśnienia H 24 - - prędkości H 23 Przyspieszanie B 8 Punkt zatrzymania H 1 Pregulacja prędkości H 21, H 22 - - obrotowej H 21 Regulator O H 16 - I H 14 - P H 14 - PD H 17 - Pl H 14 - PIO H 17 Regulatory O 6, H 6, H 41 ·mienia, redukcyjne B 13 ,- , proporcjonalne B 13 rzepływu, proporcjonalne B 25, B 27 "~"11lacja wartości ciśnienia H 24 Jzielacze proporcjonalne A 1, A 5 sterowane bezpośrednio B 3 - - ze sterowaniem wstępnym B 13 Rozpoznanie przerwy w kablu O 5 Różnica między wartością zadaną i rzeczywistą F 3 Ruch pełzający H 1 Schemat blokowy H 6 Serworozdzielacze G 5 Serwowzmacniacze H 20, H 23, H 24, H 26, H 27, J 2 Serwozawory F 1, G 1, H 18, H 19, H 20, J 2, J 3, J 5 - , dynamika G 7 - , montaż G 15 - , obsługa techniczna G 16 - , uruchamianie G 15, G 16 Silnik hydrauliczny H 18 Silnik momentowy, sterujący G 2 Siłowniki hydrauliczne H 19 Spadek ciśnienia B 1O - - na filtrze K 8 - - , mininalny F 4 - - w zaworze B 6, B 7, C1 Sprzężenie zwrotne, barometryczne G 8 - - , elektryczne B 2, G 9, G 11 - - , mechaniczne G 5 Stabilizacja H 13 Stabilność współczynnika f3x Stała czasowa Stała czasowa akcji całkującej H 15 Stopień końcowy, impulsowany O 2 - zatryzymywania zanieczyszczeń K 6 Stosunek amplitudowy F 9 Stosunki ciśnień na krawędziach sterujących E 11 Suwaki B4 - , charakterystyka czasowa B 7 - , odmiany wykonania B 8 Sygnał nastawiający H 5 - wejściowy A 1 Sztywność obciążenia J 3 - układuE10

Test wielobadaniowy K 4 Tor sterowania F 2 - - , schemat blokowy F 2 Układ dysza-przysłona G 3 - elektroniczny O 1 - odblokowania w regulatorze H 22 - pomiarowy F 3, J 6 - pomiaru położenia (przesunięcia) H 18, H 19, H20 - regulacji F 2, F 3, H 5 - - , nadążny H 20 - - położenia B 4, H 5, H 20, J 2 - - - , napęd silnikowy H 18 - - - , napęd siłownikowy H 19 - - , wzmocnienie J 2, H 24 - rozpoznania przerwy w kablu O 5 - różnicowy B 10, B 11, C 13 Układy serwohydrauliczne F 1 - sterowania, elektroniczne O 1 Urządzenia regulujące H 5, H 18, H 19 Wartość rzeczywista B 4 - zadana B 4 , napięcie D 8, O 1O , nastawianie O 8, O 1o , potencjometr F 3, H 20 , wejście O 8, O 10 , wejście różnicowe O 1O Wielkość regulowana H 5 - wyjściowa A 1, H 6 - zakłócająca F 2, F 3, H 5, H 12 Wpływ częstotliwości własnej układu hydr. E 22 - lepkości E 18, K 9 Wskaźnik zanieczyszczeń filtru K 12, K 13, K 14 - - - , elektroniczny K 12, K 13, K 14 - - - , elektryczny K 12, K 13, K 14 - - - , optyczny K 12, K 13, K 14 Współczynnik proporcjonalności natężenia przepływu względem ciśnienia H 24 - przeliczeniowy lepkości K 9 - tłumienia J 4, H 24 - zwiększenia lepkości K 9

- f3x K5 - - , stabilność K 6 Wzmacniacz H 42 - dopasowujący H 20, H 21, H 23, H 24, H 42 - hydrauliczny G 3 - , moduł (płytkowy) A 1, O 8 - operacyjny H 26, H 29, H 40 - przełączający H 23, H 24, H 31 Wzmocnienie H 7 - ciśnienia F 7 - proporcjonalne H 14, J 2 - układu, optymalne J 5 Wykres Bodego F 9 Wyłącznik krańcowy H 1 Wymuszenie skokowe H 6 Zakres regulacji B 8 - sterowania B 8 Zamknięcie bezprzeciekowe B 12 Zanieczyszczenia wywoływane przez cząstki stałe K 1 Zasilanie napięciowe O 4 Zasilacz sieciowy H 26 Zawory bezpieczeństwa B 20 - hamujące C 7, C 8 - kompensujące B 25, B 26, C 1

Skorowidz

, odcinające, umieszczane na odpływie C 11 , trójdrogowe C 18 , umieszczane na odpływie C 1O ,- nazasilaniul17,L18 , - - - , dwudrogowe C 2 , - - - , trójdrogowe C 6 - - z układem logicznym DR (dwurdrogowe zawory do wbudowania) C 14, C 21 - odcinające i regulatory przepływu C 8 - proporcjonalne, dławiące, dwudrogowe B 28 , obsługa techniczna B 30 , ograniczające ciśnienie, sterowane bezpośrednio B 18 , - - , ze sterowaniem wstępnym B 20 - B 24 , montaż B 30 sterujące ciśnieniem A 1, A 5, B 18 - - - natężeniem przepływu A 1, A 5, B 25 - - , uruchamianie B 30 - regulacyjne G 12 Zdolność rozdzielcza B 8, C 4 zatrzymywania zanieczyszczeń K 4 Zmiana sygnału B 7 Zużycie erozyjne K 1