NAUKA Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0
Stanowisko do wyznaczania charakterystyk
statycznych i dynamicznych zaworów
proporcjonalnych
Zygmunt Kudz
ma, Michał Stosiak, Szymon Herok
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, Politechnika Wrocławska
Streszczenie: W artykule przedstawiono stanowisko do wyzna- rym to następuje nazywa się hydrotroniką [2, 3]. Dzięki
czania charakterystyk statycznych i dynamicznych zaworów zastosowaniu systemów elektronicznych w układach
sterowanych w technice proporcjonalnej. Opisano układ steru- hydraulicznych, w ostatnich latach znacznie powiększył
jący rozdzielaczem proporcjonalnym i wielokanałowy tor steru- się obszar potencjalnych zastosowań, zwiększając konku-
jąco-pomiarowy ze specjalistycznym oprogramowaniem umożli- rencyjność układów hydraulicznych w stosunku do innych
wiającym generowanie dowolnego w czasie przebiegu sygnału [4]. Nie byłoby to możliwe, gdyby nie powstały nowo-
sterującego oraz na akwizycję danych pomiarowych. Przedsta- czesne elementy proporcjonalne. Elementy te cieszą się
wiono przykładowe wyniki wyznaczania charakterystyk propor- coraz większą popularnością, z powodu ogromnych moż-
cjonalnego rozdzielacza regulacyjnego najnowszej generacji. liwości, jakie daje sterowanie proporcjonalne. Możliwość
Zamieszczono przykład zastosowania uzyskanych wyników zastosowania układów elektrohydraulicznych w układach
pomiarowych do uściślenia modelu matematycznego sterowania regulacji automatycznej wymaga od elementów sterują-
rozruchem przekładni hydrostatycznej pod kątem minimalizacji cych doskonałych parametrów dynamicznych [5]. Przy-
hałasu. kładem może być układ automatycznego pilota w samo-
lotach. Podczas turbulencji można zauważyć ruchy lotek
Słowa kluczowe: rozdzielacz proporcjonalny, sterowanie pro- o wysokiej częstotliwości, korygujące w sposób automa-
porcjonalne, charakterystyki, przekładnia hydrostatyczna, tyczny tor lotu. Elementy te sterowane są przez układy
badania hydrauliczne wyposażone we wzmacniacze elektrohydrau-
liczne, które mogą przesterowywać się nawet kilkaset razy
DOI: 10.14313/PAR_205/112 na sekundę. Powstające wciąż nowe rozwiązania, mające
na celu polepszenie dynamicznych parametrów elementów
hydraulicznych, pozwalają twierdzić, że układy hydrau-
1. Wstęp liczne jeszcze przez długi czas będą podstawowymi ele-
mentami wykonawczymi wielu maszyn i urządzeń. Nie-
Układy hydrauliczne, mimo upływu ustannie prowadzone są prace nad poprawą właściwo-
lat, cieszą się niesłabnącą popular- ści dynamicznych i statycznych elementów i układów
nością w wielu gałęziach przemysłu hydraulicznych. Dotyczy to również zwiększenia odpor-
takich jak przemysł ciężki, górni-
czy, lotniczy, z racji szeregu zalet [1].
Wymusza to na producentach bada-
nia mające na celu ciągłą poprawę
oferowanych produktów. Układy
zbudowane wyłącznie z elementów
hydraulicznych, często niezastąpione
z uwagi na bezpieczeństwo przeciw-
wybuchowe, są coraz częściej zastę-
powane przez elementy hydrauliczne
sterowane sygnałem elektrycznym.
Obserwuje się postępującą integra-
cję elementów hydraulicznych, elek-
tronicznych, sensorów oraz rozwiązań Rys. 1. Przebieg sygnałów w sterowaniu proporcjonalnym
z zakresu informatyki a obszar, w któ- Fig. 1. Signals run in proportional control technique
112
Cyfrowy sygnał Analogowy sygnał Analogowy sygnał
ności nowoczesnych zaworów hydrau-
sterujący sterujący sterujący
licznych na warunki otoczenia pracy, Karta
Płyta
Komputer pomiarowa, Rozdzielacz
przyłączeniowa
takie jak drgania mechaniczne [6],
przetwornik
Analogowy sygnał Analogowy sygnał
Cyfrowy sygnał
temperatura, wilgoć.
diagnostyczny diagnostyczny
diagnostyczny
Istotnym elementem nowocze-
snych układów hydraulicznych bazu-
Rys. 2. Schemat blokowy układu sterującego oraz diagnostycz-
jących na technice sterowania propor-
nego badanego zaworu proporcjonalnego
cjonalnego są rozdzielacze proporcjo-
Fig. 2. Block diagram of control system and diagnosis system of
tested proportional valve
nalne pełniące w układzie kilka funk-
cji, m.in. sterowanie kierunkiem ruchu
odbiornika hydraulicznego, płynne
sterowanie prędkością ruchu odbiornika hydraulicznego, 2. Stanowisko badawcze
łagodzenie nadwyżek dynamicznych ciśnienia przez odpo-
wiednie kształtowanie charakteru i czasu narastania Zbudowano stanowisko badawcze, które umożliwiało
sygnału sterującego [7 9]. W jednostopniowych rozdzie- wyznaczanie charakterystyk statycznych i dynamicznych
laczach proporcjonalnych stosowane są elektromagnesy zaworów hydraulicznych sterowanych w technice proporcjo-
proporcjonalne o regulowanym skoku, w odróżnieniu od nalnej. Stanowisko realizuje następujące funkcje: formuje
elektromagnesów o regulowanej sile (stosowanych m.in. dowolnie zmienny w czasie przebieg sygnału sterującego,
w zaworach ciśnieniowych) [3], dzięki czemu możliwe jest zbiera sygnał pomiarowy w postaci zmiennych w czasie
uzyskanie funkcyjnej zależności położenia suwaka w funk- przebiegów sygnału elektrycznego na maksymalnie 8 kana-
cji napięcia sterującego (rys. 1). łach równocześnie. Ponadto stanowisko badawcze, dzięki
W sterowaniu konwencjonalnym, z racji odmiennej specjalnie opracowanemu oprogramowaniu, umożliwia
budowy części sterującej, uzyskanie proporcjonalności dowolną konfigurację interfejsu użytkownika, pozwalając
jest niemożliwe. W związku z przytoczonym faktem, m.in. na osadzanie w oknie głównym wybranych przyrzą-
przemieszczenie suwaka wywołane takim samym sygna- dów kontrolnych (np. manometrów). Do badań doświad-
łem sterującym w przypadku obu elementów jest różne. czalnych wybrano jednostopniowy rozdzielacz proporcjo-
W obu przypadkach mamy do czynienia ze sterowaniem nalny Parker-Hannifin o symbolu D1FPE01MC9NB00.
ciągłym w czasie, przy czym przemieszczenie suwaka Zgodnie z notą katalogową [13] jest to rozdzielacz 4/3
rozdzielacza konwencjonalnego typu 4/3 osiąga wartości sterowany bezpośrednio z suwakiem o przekryciu spo-
dyskretne (3 położenia). Z tego względu do sterowania czynkowym dodatnim. Przy zaniku zasilania suwak, za
układów konwencjonalnych używa się prostych sygnałów pomocą sprężyn, przyjmuje pozycję środkową oznacza-
napięciowych o dyskretnej amplitudzie. Przemieszczenie jącą odcięcie wszystkich dróg. Zawór sterowany jest napię-
suwaka rozdzielacza proporcjonalnego przyjmuje warto- ciem ą10 V, które doprowadzane jest do elementu przez
ści ciągłe, zarówno w czasie, jak i amplitudzie. Oznacza 7-pinowe złącze (6 pinów sygnałowych + PE). Rozdzielacz
to, że suwak również może przyjmować dowolne położenia zasilany jest napięciem 22 30 V przy maksymalnym pobo-
z zakresu od minimum do maksimum, przy czym zakres rze prądu równym 3,5 A. Rozdzielacz wyposażono w zin-
ten jest wielkością konstrukcyjną danego rozdzielacza. tegrowaną elektronikę sterującą i sprzężenie zwrotne poło-
Właściwości statyczne i dynamiczne rozdzielaczy żenia suwaka. Rozdzielacz został wykonany w technolo-
proporcjonalnych opisywane są przez szereg parame- gii VCD (ang. Voice Coil Drive). Oznacza to, że w odróż-
trów. Do najważniejszych należą m.in.: histereza, czułość nieniu od konwencjonalnych konstrukcji rozdzielaczy pro-
progowa, częstotliwość graniczna [10, 11]. Ponadto na porcjonalnych, na suwak oddziałuje nie rdzeń elektroma-
charakterystykę pracy rozdzielacza proporcjonalnego gnesu, lecz ruchoma cewka [14]. Dzięki tej technologii uzy-
wpływ ma przekrycie spoczynkowe, które w tego typu skano istotną poprawę parametrów dynamicznych zaworu
zaworach jest zazwyczaj dodatnie. Przez histerezę, z powodu znacznego zmniejszenia masy ruchomej. Zgodnie
w odniesieniu do rozdzielacza proporcjonalnego, rozu- z danymi producenta [13] badany rozdzielacz cechował się
mie się największą różnicę prądu sterującego, przy której następującymi parametrami: histereza <0,05 %, częstotli-
suwak osiąga to samo położenie, odniesioną do warto- wość graniczna przy 5 % sygnału sterującego 350 Hz przy
ści mniejszego z prądów. Wartości histerezy podaje się tłumieniu amplitudy o 3 dB.
w procentach, typowo dla rozdzielaczy proporcjonalnych W celu sterowania badanym zaworem proporcjo-
wynosi ona od 3 % do 6 %. Czułość progowa rozdziela- nalnym, w tym przypadku rozdzielaczem proporcjo-
cza określa najmniejszą zmianę sygnału wejściowego, nalnym, zbudowano układ sterujący z przetwornikiem
przy której następuje zmiana położenia suwaka. Nato- C/A, przetwarzający cyfrowy sygnał z komputera na
miast częstotliwość graniczna, oznacza częstotliwość wartości analogowe wymagane przez rozdzielacz. Do
sygnału wymuszającego, przy której odpowiedz
zaworu diagnostyki rozdzielacza konieczny jest przetwornik
jest tłumiona o 3 dB. Typowa wartość tego parame- A/C, przetwarzający analogowy sygnał diagnostyczny
tru dla rozdzielaczy proporcjonalnych wynosi 6 10 Hz, rozdzielacza na sygnał cyfrowy, możliwy do akwizy-
a w rozdzielaczach proporcjonalnych regulacyjnych cji za pomocą komputera. W tym celu zastosowano
dochodzi do ok. 80 Hz [12]. kartę pomiarową firmy IOtech, model DaqBoard2000.
Pomiary Automatyka Robotyka nr 3/2014
113
NAUKA
Oprogramowanie HydroSter ma wbudo-
pa
7
wany generator sygnałów sterujących, umoż-
6
liwia również zadanie sinusoidalnego sygnału,
dzięki czemu nie ma potrzeby ich generowa-
Zasilacz
nia za pomocą dodatkowego oprogramowania.
rozdzielacza
4 Do badania charakterystyk dynamicznych
out1
5
A B
Komputer
posłużono się układem hydraulicznym (rys. 3),
ain1
Karta sterujący,
pp
przyłączeniowa karta w skład którego wchodzą następujące podze-
pomiarowa
P T społy:
 zębata pompa wyporowa o stałej wydaj-
ności,
2
 zawór maksymalny,
 badany rozdzielacz proporcjonalny
M
D1FPE01MC9NB00,
8
1
3
 nastawny zawór dławiący,
10
 manometry cyfrowe.
9
Czynnik roboczy doprowadzany jest do
rozdzielacza przez zębatą pompę wyporową
Rys. 3. Schemat układu hydraulicznego do pomiaru charakte-
o stałej wydajności. Pompa zbocznikowana
rystyk dynamicznych rozdzielacza proporcjonalnego:
jest zaworem maksymalnym, który pełni rolę
1  pompa, 2  zawór maksymalny, 3  silnik elektrycz-
zaworu przelewowego. Obciążeniem badanego
ny, 4  badany rozdzielacz proporcjonalny, 5, 6  mano-
rozdzielacza jest nastawny zawór dławiący.
metry cyfrowe, 7  nastawny zawór dławiący, 8  chłod-
Kontrola ciśnienia w wybranych punkach,
nica oleju, 9  termometr, 10  zbiornik oleju
w trakcie sterowania rozdzielaczem, była prowa-
Fig. 3. Scheme of hydraulic system for dynamic characteristics
measurement of directional proportional control valve:
dzona za pomocą manometrów cyfrowych.
1  pump, 2  maximal valve, 3  electric motor, 4  pro-
Aby umożliwić poprawną pracę układu,
portional directional control valve, 5, 6  digital pressu-
niezbędne jest zbudowanie odpowiedniego toru
re gauges, 7  adjustable throttle valve, 8  oil cooler,
sterująco-pomiarowego, (rys. 4). W skład układu
9  thermometer, 10  oil tank
elektrycznego wchodzą następujące elementy:
 komputer sterujący z wbudowaną kartą
pomiarową,
 karta przyłączeniowa,
Karta ta wyposażona jest w analo-  zasilacz rozdzielacza,
gowe moduły wejść i wyjść, dzięki czemu  wzmacniacz pomiarowy tensometryczne-
możliwe jest zarówno sterowanie rozdziela- go czujnika ciśnienia,
czem, jak i odczyt danych diagnostycznych.  zasilacz wzmacniacza pomiarowego czuj-
Do połączenia karty pomiarowej z zawo- nika tensometrycznego,
rem użyto płyty przyłączeniowej DKB202  manometry cyfrowe.
oraz 7-pinowego ekranowanego przewodu
sygnałowego.
Zastosowana karta pomiarowa ma
8 wejść analogowych, rozdzielczość 16 bitów,
maksymalną częstotliwość próbkowania
200 kS/s, 2 wyjścia analogowe i 40 wyjść
cyfrowych oraz możliwość generowania prze-
biegu sygnału sterującego z pamięci RAM
komputera.
Na potrzeby obsługi stanowiska zbudo-
wano i wykorzystano specjalistyczne opro-
gramowanie HydroSter. Oprogramowanie
to umożliwia przesyłanie zadanego sygnału
sterującego z komputera do rozdzielacza
oraz odczytywanie sygnału diagnostycz-
nego (pochodzącego z czujnika położenia
suwaka rozdzielacza) lub sygnału z toru
tensometrycznego przetwornika ciśnienia.
Szerzej opisano strukturę oraz działanie Rys. 4. Schemat blokowy toru sterująco-pomiarowego
programu w pracy [8]. Fig. 4. Block diagram of control-measurement line
114
6
pa
5
A B
4
7
pp P T
3
1 9
8
M
10
2
11
Rys. 6. Przebieg czasowy przemieszczenia suwaka dla sinuso-
idalnego sygnału sterującego o amplitudzie 5 V i często-
tliwości 10 Hz
Rys. 5. Schemat hydrauliczny do pomiaru charakterystyki sta- Fig. 6. Time course of slider displacement for sinusoidal control
tycznej "p = f(Q) dla x = const: 1  pompa, 2  zawór signal for amplitude 5 V and frequency 10 Hz
maksymalny, 3  silnik elektryczny, 4  tensometryczny
czujnik ciśnienia, 5  badany rozdzielacz proporcjonalny,
6  manometr cyfrowy, 7  przepływomierz, 8  chłodni-
ca oleju, 9  nastawny zawór dławiący, 10  termometr,
11  zbiornik oleju
Fig. 5. Hydraulic scheme for static characteristic measurement
"p = f(Q) for x = const: 1  pump, 2  maximal valve,
3  electric motor, 4  tensometric pressure sensor,
5  proportional directional control valve, 6  digital pres-
sure gauge, 7  flowmeter, 8  oil cooler, 9  adjustable
throttle valve, 10  thermometer, 11  oil tank
Generowany w programie HydroSter sinusoidalny sygnał
sterujący o ustalonej amplitudzie i częstotliwości podawany
był na rozdzielacz, z którego zbierano sygnał diagnostyczny
położenia suwaka.
Rys. 7. Przebieg czasowy przemieszczenia suwaka dla sinuso-
Do wyznaczenia charakterystyk statycznych badanego
idalnego sygnału sterującego o amplitudzie 5 V i często-
rozdzielacza wykorzystano układ hydrauliczny (rys. 5).
tliwości 160 Hz
Umożliwiał on wyznaczenie podstawowej charakterystyki
Fig. 7. Time course of slider displacement for sinusoidal control
"p = f (Q) dla x = const, przy czym, dla drogi przepływu
signal for amplitude 5 V and frequency 160 Hz
PA, spadek ciśnienia na szczelinie rozdzielacza wobec
tego, że pp >> pa, wynosi "p = pp pa H" pp. Na podsta-
wie tej charakterystyki można było zbudować charaktery-
styki: "p = f (x) dla Q = const i Q = f (x) dla "p = const.
Podczas badań statycznych do sterowania rozdziela-
czem wykorzystano taki sam tor jak dla badań dynamicz-
nych (rys. 4), natomiast ciśnienie pp było mierzone prze-
twornikiem tensometrycznym o znanej charakterystyce,
a wartość ciśnienia pa kontrolowano za pomocą manome-
tru cyfrowego. Czynnikiem roboczym był olej mineralny
HL 68 o temperaturze 25 �C.
3. Wyniki pomiarów statycznych
i dynamicznych
Pomiary charakterystyk dynamicznych prowadzono dla
czterech wartości amplitudy sygnału sterującego: 25 %,
Rys. 8. Charakterystyka amplitudowa przy wymuszeniu o ampli-
50 %, 90 % i 100 %. Ponieważ maksymalne napięcie sygnału
tudzie 2,5 V, 5 V i 9 V
sterującego równe jest 10 V, amplitudy te przyjmują war-
Fig. 8. Amplitude characteristic for amplitude of control signal
tość napięć odpowiednio 2,5 V, 5 V, 9 V oraz 10 V. 2.5 V, 5 V and 9 V
Pomiary Automatyka Robotyka nr 3/2014
115
NAUKA
Przeprowadzone badania doświadczalne na zbudowa-
nym stanowisku pozwoliły na wyznaczenie charakterystyki
amplitudowej oraz fazowej badanego rozdzielacza propor-
cjonalnego dla zadanych parametrów sygnału sterującego.
Charakterystyki amplitudowe uzyskano przez określenie,
na podstawie pomiarów maksymalnej i minimalnej warto-
ści odpowiedzi, w stanie ustalonym i podzielenie sumy tych
wartości przez znaną wartość sygnału sterującego. Zastoso-
wano w tym przypadku ogólnie znaną zależność:
Xmax + Xmin
�ł �ł
(1)
A = 20 log
�ł
�ł łł
A0 �ł
Rys. 9. Charakterystyka fazowa przy wymuszeniu o amplitudzie
2,5 V, 5 V i 9 V gdzie: X  maksymalna wartość przemieszczenia suwa-
max
Fig. 9. Phase characteristic for amplitude of control signal 2.5 V, ka, X  minimalna wartość przemieszczenia suwaka,
min
5 V and 9V
A0  amplituda sygnału wymuszającego.
Wartość kąta przesunięcia fazowego otrzymano przez
wyznaczenie czasu opóz
nienia sygnału badanego wzglę-
dem sygnału wymuszającego. Przy znanej częstotliwości,
przesunięcie fazowe można obliczyć z zależności (2):
j = 360tf (2)
gdzie: t  wyznaczona wartość opóz
nienia sygnału, f  czę-
stotliwość sygnału wymuszającego
Obliczone wartości zobrazowano na wykresie, na któ-
rym oś odciętych stanowi częstotliwość sygnału wymusza-
jącego (rys. 8 i 9).
Układ osiąga tłumienie równe  3 dB przy częstotliwo-
Rys. 10. Zależność spadku ciśnienia (na drodze PA) na roz-
ści około 185 Hz. Przesunięcie fazowe równe 90� znajduje
dzielaczu w funkcji natężenia przepływu dla stałych
się w okolicach 200 Hz.
wartości położenia suwaka
Charakterystykę statyczną spadku ciśnienia w funk-
Fig. 10. Dependence of pressure drop (PA) in function
cji natężenia przepływu, przy znanej wartości położenia
of valve flow rate for fixed values of slider displacement
suwaka, można uzyskać stosując układ przedstawiony na
rys. 5. Pomiary przeprowadzono dla trzech różnych poło-
żeń suwaka, wynoszących 30 %, 50 % oraz 100 %, a wyni-
ki przedstawiono na rys. 10. Do pomiaru ciśnienia użyto
przetwornika tensometrycznego ciśnienia, natomiast war-
Z uwagi na fakt, iż badany rozdzielacz miał dodatnie tość objętościowego natężenia przepływu mierzono prze-
przekrycie spoczynkowe, to przy założeniu braku prze- pływomierzem turbinkowym wzorcowanym metodą obję-
cieków wewnętrznych, ciecz płynie przez niego, gdy na tościową z przedziałem ufności na poziomie 1 %.
wejście podane zostanie napięcie 2,5 V lub większe. Bada- Wyniki badań statycznych potwierdzają analizy teo-
nia charakterystyk dynamicznych wykonano w taki sposób, retyczne strat przepływu przez rozdzielacz opisane zależ-
że częstotliwości sygnałów sterujących zaczynały się od nością [1]:
wartości, w której nie występuje tłumienie ani przesunię-
2
rQ
cie fazowe i były sukcesywnie zwiększane do momentu, Dp = (3)
2
2kvA
w którym odpowiedz
rozdzielacza była wytłumiona wzglę-
dem sygnału sterującego o więcej niż 3 dB. Na rys. 6 i 7 gdzie: r  gęstość cieczy, Q  natężenie przepływu, k 
v
przedstawiono przykładowe wyniki badań w postaci prze- współczynnik oporu przepływu, A  pole przekroju prze-
biegu czasowego sygnału sterującego i przemieszczenia pływu.
suwaka rozdzielacza dla wybranych parametrów częstotli-
wości i amplitudy sygnału sterującego. Na podstawie przeprowadzonych badań statycznych
Jak wykazały badania, których wyniki przykładowe i wyznaczonej charakterystyki "p = f(Q) dla x = const,
przedstawiono na rys. 8, odpowiedz
zaworu jest wytłu- za pomocą równań linii trendu (rys. 10), można obli-
miona o około 1,4 dB, a przesunięcie fazowe wynosi 37,4� czyć, a następnie wyznaczyć pozostałe charakterystyki
przy częstotliwości 160 Hz. "p = f(x) dla Q = const. oraz Q = f(x) dla "p = const.
116
Wyznaczone właściwości dynamiczne rozdziela-
cza proporcjonalnego wskazują, że będzie on skuteczny
w procesie łagodzenia nadwyżek dynamicznych ciśnie-
nia decydujących w znacznym stopniu o poziomie emito-
wanego hałasu. Rozpatrzono układ hydrauliczny, którego
schemat przedstawiono na rys. 11. Dokładny opis i sposób
obciążenia badanej przekładni zamieszczono w [15].
Uzyskane wyniki badań doświadczalnych porównano
z wynikami symulacji komputerowych modeli [7, 16].
Wykorzystując zbudowane stanowisko wygenerowano
przebiegi sygnału sterującego zmiennego w czasie, któ-
re podawane były na rozdzielacz proporcjonalny. W tym
przypadku przebieg sygnału sterującego miał postać sko-
kową oraz taką jak przedstawiono na rys. 12.
Rys. 11. Schemat układu hydraulicznego przekładni hydrosta-
tycznej ze sterowaniem dławieniowym równoległym:
Q  wydajność teoretyczna pompy, Q  straty prze-
pt vp
cieków pompy, Q  przepływ przez zawór maksy-
z
malny, Q  przepływ przez zawór proporcjonalny,
RD
Q  przepływ wywołany ściśliwością w objętości ukła-
Cp
du pomiędzy pompą a rozdzielaczem sterującym kierun-
kiem ruchu, Q  przepływ przez rozdzielacz sterujący
R
kierunkiem ruchu, Q  przepływ do silnika hydrosta-
S
tycznego, Q  straty przecieków silnika hydrostatycz-
vs
nego, Q  przepływ wywołany ściśliwością w objęto-
cs1
Rys. 12. Przebieg sygnału sterującego zaworem proporcjonal-
ści układu pomiędzy rozdzielaczem sterującym kierun-
nym dla sterowania dławieniowego równoległego
kiem ruchu silnika a silnikiem hydrostatycznym
Fig. 12. Control signal course of proportional valve for parallel-
Fig. 11. Scheme of hydraulic system of hydrostatic transmis-
throttle speed control method
sion for parallel-throttle speed control method: Q 
pt
theoretical pump capacity, Q  pump volumetric loss-
vp
es, Q  maximal valve flow rate, Q  proportion-
z RD
al valve flow rate, Q  flow rate resulting from system
Cp
capacity between pump and directional control valve,
W sygnale sterowania wyróżnić można czasy t1, t2
Q  directional control valve flow rate, Q  hydrostat-
R S
i współczynnik sterowania w wynoszący:
ic motor flow rate, Q  hydrostatic motor volumetric
vs
losses, Q  flow rate resulting from system capacity
cs1
i - imin
between directional control valve and hydrostatic motor w = �"100 % (4)
imax - imin
gdzie: i  prąd sterowania, i  maksymalna wartość
max
prądu sterowania, i  minimalna wartość prądu stero-
min
wania.
4. Przykład zastosowania układu
sterująco-pomiarowego
Zaproponowany układ sterująco-pomiarowy i wyniki ba-
dań rozdzielacza proporcjonalnego pozwoliły uściślić mo-
del matematyczny rozruchu przekładni hydrostatycz-
nej zbudowanej z jednostek nienastawialnych oraz zapro-
ponować algorytm sterowania ze względu na minimum
emitowanego hałasu. W tym celu zbudowano stanowisko
przekładni hydrostatycznej, na bazie jednostek zębatych,
sterowanej dławieniowo równolegle. Sterowanie dławienio-
wo równoległe polega na umieszczeniu w przewodzie rów-
Rys. 13. Przebieg doświadczalny i symulacyjny zmian ciśnienia
noległym do przewodu głównego nastawnego zaworu dła-
podczas rozruchu przekładni hydrostatycznej dla sko-
wiącego i zmianie wielkości szczeliny przepływowej w tym
kowej zmiany sygnału sterującego
zaworze. W badanej przekładni elementem zmieniającym
Fig. 13. Experimental and simulation course of pressure chang-
szczelinę przepływu w przewodzie równoległym był bada-
es during hydrostatic transmission starting for input step
ny rozdzielacz proporcjonalny. function
Pomiary Automatyka Robotyka nr 3/2014
117
NAUKA
Podczas rozruchu za pomocą sterowania dławienio-
wego równoległego pompa pracuje przy niższym ciśnie-
niu niż podczas rozruchu za pomocą sterowania dławie-
niowego szeregowego [7]. Jak wykazały badania własne
[17, 18] najbardziej hałaśliwym elementem układu hy-
draulicznego jest pompa wyporowa. Poziom generowa-
nego hałasu przez nią zależy od jej obciążenia, zatem
obniżenie ciśnienia podczas np. rozruchu przekładni hy-
drostatycznej prowadzi do obniżenia wartości skorygo-
wanego poziomu ciśnienia akustycznego LA (rys. 15) ca-
łego układu.
Rys. 14. Przebieg doświadczalny i symulacyjny zmian ciśnienia
podczas rozruchu przekładni hydrostatycznej dla zmia-
Podsumowanie
ny sygnału sterującego wg zależności (4) i wskaz
niku
sygnału sterującego w1 = 55 %
Opracowano koncepcję i zbudowano stanowisko do okre-
Fig. 14. Experimental and simulation course of pressure chang- ślenia podstawowych parametrów dynamicznych i sta-
es during hydrostatic transmission starting for input sig-
tycznych rozdzielaczy proporcjonalnych. Przeprowadzone
nal change according to formula (4) and control signal
badania doświadczalne pozwoliły uściślić i sparametryzo-
coefficient w1 = 55 %
wać model matematyczny rozruchu przekładni hydrosta-
tycznej sterowanej dławieniowo równolegle lub szerego-
wo. Zbudowane stanowisko pozwala wyznaczyć charakte-
rystyki statyczne i dynamiczne dla dowolnej dopuszczal-
nej, amplitudy sygnału sterującego, podczas gdy dane
katalogowe prezentują charakterystyki wyłącznie dla wy-
branych wartości amplitud sygnału sterującego (np. pod-
stawowa charakterystyka Q = f(u) dla badanego rozdzie-
lacza proporcjonalnego przedstawiona jest w karcie kata-
logowej wyrobu [13]). Pozwala to na uściślenie opisu za-
woru proporcjonalnego dla konkretnej aplikacji w ukła-
dzie hydraulicznym o ustalonych parametrach eksploata-
cyjnych. Badać można też inny zawór proporcjonalny lub
wzmacniacz elektrohydrauliczny wyposażony w napięcio-
we wyjście diagnostyczne położenia elementu sterującego
(np. suwaka, grzybka).
Rys. 15. Zależność skorygowanego poziomu ciśnienia aku-
Zaprezentowane stanowisko może być wykorzystane
stycznego LA od wartości ciśnienia maksymalnego pmax
w układach pulsacyjnych, w których niezbędny jest
w trakcie rozruchu badanej przekładni hydrostatycznej
szeroki zakres generowanych pulsacji wydajności i ciśnie-
[16]
nia. W szczególności może być przydatne do badań
Fig. 15. Dependence of corrected acoustic pressure level LA
wpływu przepływów pulsacyjnych w elementach i ukła-
on value of maximal pressure pmax during starting of
tested hydrostatic transmission [16] dach mikrohydraulicznych, w których z racji niewielkich
mas elementów sterujących występują wysokie wartości
częstotliwości drgań własnych tychże elementów, rzędu
Do sterowania zaworem typu D1FP wykorzystano kilkuset Hz [19].
program HydroSter, napisany w języku C#, przeznaczo-
ny specjalnie do tworzenia dowolnych przebiegów sygna- Bibliografia
łu sterującego. Wyniki badań doświadczalnych w postaci
przebiegu ciśnienia przy pompie podczas rozruchu prze- 1. Stryczek S., Napęd hydrostatyczny, WNT, War-
kładni dla skokowej zmiany sygnału sterującego przedsta- szawa 1996.
wiono na rys. 13, na tle wyników badań symulacyjnych 2. Dindorf R., Hydrotronika tendencją w rozwoju hydrau-
[16] i uzupełniono przebiegiem sygnału sterującego roz- liki. Konferencja Naukowo-Techniczna  Napędy i Ste-
dzielaczem proporcjonalnym. rowania Hydrauliczne 2002 . Wrocław 2002.
W oparciu o zbudowane stanowisko wygenerowano 3. Osiecki A., Hydrostatyczny Napęd Maszyn. WNT,
inny przebieg sygnału sterującego (rys. 12). Rezultaty Warszawa 1998.
stosowania takiego sygnału sterującego przedstawiono na 4. Praca zbiorowa pod redakcją Szlagowski J., Automa-
rys. 14  przebieg ciśnienia przy pompie podczas rozruchu tyzacja pracy maszyn roboczych. Metodyka i zastoso-
przekładni. Na rys. 14 przedstawiono dla porównania wy- wania. WKA
, Warszawa 2010.
niki badań symulacyjnych [16] oraz przebieg sygnału ste- 5. Pizoń A., Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe
rującego rozdzielaczem proporcjonalnym. układy automatyki. WNT, Warszawa 1995.
118
6. Stosiak M., Vibration insulation of hydraulic system response proportional directional control valve. An example of
control components.  Archives of Civil and Mechani- application obtained results for mathematical model refinement
cal Engineering Vol. 11, 1/2011, 237 248. of control of hydrostatic transmission start with minimum noise
7. Kudz
ma Z., Stosiak M., Wpływ metod sterowania criterion was presented.
dławieniowego na hałaśliwość przekładni hydrosta-
tycznej.  Hydraulika i Pneumatyka 1/2013, 21 25. Keywords: proportional directional control valve, proportional
8. Kudz
ma Z., Tłumienie pulsacji ciśnienia i hałasu control, characteristics, hydrostatic transmission, research
w układach hydraulicznych w stanach przejściowych
i ustalonych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wro-
cławskiej, Wrocław 2012. Artykuł recenzowany, nadesłany 18.12.2013, przyjęty do druku 07.02.2014.
9. Tomasiak E., Klarecki K., Stosowanie techniki ste-
rowania proporcjonalnego.  Napędy i Sterowanie
10/2008, 118 124.
10. Szydelski Z., Pojazdy samochodowe. Napęd i sterowa-
nie hydrauliczne. WKA
, Warszawa 1999.
11. Tomczyk J., Modele dynamiczne elementów i układów
dr hab. inż. Zygmunt Kudz
ma
napędów hydrostatycznych. WNT, Warszawa 1999.
12. Tomasiak E., Napędy i sterowania hydrauliczne
Pracownik naukowo-dydaktyczny
i pneumatyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wydziału Mechanicznego Politech-
niki Wrocławskiej. Absolwent Wydziału
Śląskiej, Gliwice 2001.
Budowy Maszyn i Okrętów Politechniki
13. [www.parker.com/literature/Hydraulic%20Con-
Szczecińskiej. Doktorat obronił w Insty-
trols%20Europe/Manuals%20UK/D_FP%20HY11-
tucie Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
5175-591%20UK.pdf]  Parker Hannifin (10.08.2013).
Politechniki Wrocławskiej. Habilitował
14. Kolvenbach H., Krips W., Revolution in Dynamik się na Wydziale Mechanicznym Poli-
techniki Wrocławskiej. Obszar dzia-
und Kraft: Neue Antriebstechnologie fur Stetigventile.
łalności naukowej obejmuje m.in.:
4th International Fluid Power Conference  Intelligent
modelowanie i badania doświadczalne przepływów pulsacyj-
Solutions by Fluid Power . Dresden 2004.
nych, sposoby redukcji pulsacji ciśnienia i hałasu w układach
15. Kudz
ma Z., Stosiak M., Praktyczne sposoby ograni-
hydraulicznych, badania właściwości statycznych i dynamicznych
czania hałaśliwości układów hydrostatycznych podczas zaworów hydraulicznych.
rozruchu.  Hydraulika i Pneumatyka 5/2013, 18 23.
e-mail: [e-mail]
16. Kudz
ma Z., A
omotowski G., Sterowanie rozruchem
przekładni hydrostatycznej pod kątem minimalizacji
hałasu.  Hydraulika i Pneumatyka 3/2009, 5 10.
17. Kudz
ma Z., Obniżenie hałasu przekładni hydrosta-
dr inż. Michał Stosiak
tycznej podczas rozruchu.  Hydraulika i Pneumatyka
Absolwent i pracownik naukowo-dydak-
6/2001, 5 8.
tyczny Wydziału Mechanicznego Poli-
18. Fiebig W., Kudz
ma Z., Rozruch przekładni hydrosta-
techniki Wrocławskiej. Doktorat obronił
tycznej z udziałem zaworu maksymalnego.  Sterowa-
w Instytucie Konstrukcji i Eksploatacji
nie i Napęd Hydrauliczny 6/1990, 3 7.
Maszyn Politechniki Wrocławskiej.
19. Kudz
ma Z., Stosiak M., Eksperymentalne określenie
Obszar działalności naukowej obej-
muje m.in.: redukcję skutków oddzia-
wpływu drgań mechanicznych na przebiegi ciśnień
ływania drgań mechanicznych na
w wybranych układach mikrohydraulicznych, [w:]
zawory hydrauliczne, oddziaływanie
praca zbiorowa pod redakcją Kollek W., Podstawy
przepływu pulsacyjnego na elementy
projektowania, modelowania, eksploatacji elementów
sterujące zaworów hydraulicznych, redukcję hałaśliwości pracy
i układów mikrohydraulicznych. Oficyna Wydawnicza
układów hydraulicznych.
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2011.
e-mail: [e-mail]
Test stand for estimation of static and dynamic
characteristic of proportional hydraulic valves
mgr inż. Szymon Herok
Abstract: in the paper a test stand for determination of static Absolwent Wydziału Mechanicznego
Politechniki Wrocławskiej. W pracy
and dynamic proportional valves characteristic was presented.
dyplomowej zajmował się identyfikacją
A multichannel test stand was developed and presented in the
właściwości statycznych i dynamicznych
paper. Moreover control system of proportional directional con-
zaworów proporcjonalnych oraz ukła-
trol valve and multichannel slotted line with special software for
dami sterowania tych zaworów.
generation several control signals were presented too. More-
e-mail: [e-mail]
over some experimental tests results were presented for high-
Pomiary Automatyka Robotyka nr 3/2014
119