POLITECHNIKA RADOMSKA im. K. PUŁASKIEGO IEPiM Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn

Laboratorium z Hydrauliki i Pneumatyki

Temat: Sterowanie proporcjonalne w układach hydraulicznych Prowadzący: dr inż. Z. Trela Wydział: Mechaniczny Kierunek: I.I. Rok akad.: 2006/2007 Semestr: VI Grupa: 2

Ocena : Wykonawca ćwiczenia:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową zasadą działania i zastosowaniem podstawowych hydraulicznych elementów proporcjonalnych oraz praktycznego ich wykorzystania w układach sterujących.

2. Wprowadzenie

Sterowaniem nazywamy nastawę parametrów wyjściowych charakteryzujących dany przebieg lub proces za pomocą odpowiedniego sygnału wejściowego.

Sterownik to urządzenie służące do zmiany wartości sterowanego parametru, bez możliwości automatycznej korekty w przypadku pojawienia się zakłóceń.

Regulacja to taki rodzaj sterowania, w którym zadana wielkość wejściowa jest systematycznie porównywana z wielkością wyjściową i w przypadku wystąpienia różnicy wartości tych sygnałów zostaje ona przetworzona na odpowiedni sygnał powodujący takie przesterowanie układu, które doprowadzi do ich zgodności.

W procesie regulacji należy, zatem utrzymać stałą wartość określonego parametru, który mógłby ulec zmianie pod wpływem zakłóceń zewnętrznych.

. Regulator to sterownik wyposażony w sprzężenie zwrotne za pomocą którego dokonuje się porównywania sygnałów wejściowego i wyjściowego.

. Funkcje sterowania wartości i kierunku przepływu energii w układach hydraulicznych pełnią elementy zwane ogólnie zaworami.

Sterowanie sprowadza się do odpowiedniego połączenia dróg (otworów przyłączeniowych) zaworu i zmiany przekroju przepływu cieczy poprzez odpowiednie ustawienie ruchomej części sterującej zaworu.

Ogólnie zawory możemy podzielić na: kierunkowe, ciśnieniowe i natężeniowe. Podział, budowę, zasadę działania i funkcje, jakie spełniają w układach sterujących przedstawiono szczegółowo w instrukcji dotyczącej sterowania sekwencyjnego.

Zawory mogą być sterowane bezpośrednio przy pomocy dźwigni, pedału, przycisku lub pośrednio za pomocą urządzeń mechanicznych, elektrycznych, hydraulicznych.

Dla rozwoju sterowania programowalnego szczególny interes przedstawia zawór elektrohydrauliczny umożliwiający na wprowadzenie elektronicznego sterowania do układów hydraulicznych. Zawiera on najczęściej dwa zespoły: sterujący i siłowy (wykonawczy). Pierwszy z nich jest elektryczny a drugi hydrauliczny. Elementem łączącym te części jest przetwornik elektromechaniczny.

W układach przełączających dwustanowych rolę przetwornika spełnia zwykły elektromagnes a w układach o działaniu analogowym stosuje się silniki momentowe lub elektromagnesy proporcjonalne.

W zależności od rodzaju zastosowanego przetwornika zawory elektrohydrauliczne dzielimy na dwa rodzaje:

- zawory elektrohydrauliczne serwo, z przetwornikiem w postaci silnika momentowego

- zawory elektrohydrauliczne proporcjonalne, z przetwornikiem postaci elektromagnesu proporcjonalnego

ZAWORY PROPORCJONALNE

Zawory proporcjonalne powstały w odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na tańsze analogowe elementy sterujące, w napędach hydrostatycznych. W wyniku prac prowadzonych nad udoskonaleniem elektromagnesów sterujących uzyskano elektromagnesy o liniowej charakterystyce zależności siły lub przesunięcia od wartości prądu elektrycznego. Pozwoliło to na budowę zaworów sterujących ciśnieniem i natężeniem przepływu w sposób ciągły', proporcjonalnie do elektrycznego sygnału wejściowego.

W zaworze proporcjonalnym funkcje przetwornika elektromechanicznego spełnia elektromagnes proporcjonalny prądu stałego zamieniający sygnał elektryczny na proporcjonalną siłę lub przesunięcie.

Przetwornikiem mechaniczno-hydraulicznym jest najczęściej zawór suwakowy, przetwarzający sygnał mechaniczny na proporcjonalne ciśnienie lub natężenie przepływu;

Rozróżniamy dwa rodzaje elektromagnesów proporcjonalnych:

- z wyjściem siłowym, - z wyjściem położeniowym.

Przykład elektromagnesu z wyjściem siłowym pokazano na rys.5,4. Składa się on z rdzenia 2 połączonego z popychaczem 3, przenoszącym siłę na dalsze elementy. Przedstawiona schematycznie instalacja elektryczna 7 zasilania elektromagnesu składa się z nadajnika potencjometrycznego 8 i wzmacniacza 9. Elektromagnesy z wyjściem siłowym charakteryzują się zwartą budową i małym skokiem.

Przykład elektromagnesu z wyjściem położeniowym pokazano na rys.5,5. Różni się od elektromagnesu z wyjściem siłowym dodatkowym czujnikiem położenia 6 mierzącym położenie rdzenia a tym samym popychacza 3 i przesyłającym w sposób ciągły informacje w postaci sygnału elektrycznego o tym położeniu do elektronicznego układu sterowania. Wartość zadana i rzeczywista położenia porównywane są w węźle sumującym wzmacniacza a ten dokonuje odpowiedniej korekty sygnału sterującego. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu elektromagnesy z wyjściem położeniowym charakteryzują się dobrymi własnościami statycznymi i dynamicznymi. Skok tych elektromagnesów w zależności od wielkości wynosi 3-5mm.

KLASYFIKACJA ELEMENTÓW PROPORCJONALNYCH

Zawory proporcjonalne w zależności od funkcji spełnianych w układzie możemy podzielić na trzy grupy:

- kierunkowo-przepływowe z sygnałem wyjściowym w postaci strumienia o określonym kierunku i natężeniu przepływu, nazywane także rozdzielaczami proporcjonalnymi dławiącymi;

- regulatory przepływu;

- ciśnieniowe z sygnałem wyjściowym w postaci ciśnienia.

PROPORCJONALNE ROZDZIELACZE SUWAKOWE

Swą budową zbliżone są do zwykłych zaworów sterowanych elektrycznie. Różnica polega na zastosowaniu elektromagnesu proporcjonalnego i bardziej dokładnym wykonaniu pary suwak-korpus.

W zwykłym rozdzielaczu suwakowym sterowanym ręcznie przesterowanie suwaka realizowane jest przy pomocy dźwigni a w rozdzielaczu sterowanym elektromagnetycznie elektromagnesem dwustanowym.

Wraz z rozwojem techniki, rozdzielacze suwakowe, służące pierwotnie wyłącznie do sterowania kierunkiem przepływu przejęły funkcje sterowania natężeniem przepływu co pozwala na jednoczesną możliwość sterowania kierunkiem i prędkością silnika.

Przykład budowy rozdzielacza proporcjonalnego sterowanego bezpośrednio przedstawiono na rys.5.6. Podstawowymi elementami rozdzielacza są: korpus 1, tłoczek proporcjonalny 5, jeden lub dwa elektromagnesy 2; 4, indukcyjny czujnik położenia 3. Gdy elektromagnesy nie mają zasilania, tłoczek jest utrzymywany w położeniu środkowym przez sprężyny 1, 7. Wszystkie drogi (A, a, P, 1) rozdzielacza są zamknięte. Wzbudzenie jednego z elektromagnesów powoduje przesterowanie tłoczka, dla którego wielkość skoku jest uzależniona proporcjonalnie od wielkości natężenia prądu w elektromagnesie. Im większy jest sygnał, tym dalej zostanie on przesunięty. Im większe jest przemieszczenie tłoczka, tym większy przekrój przepływowy i tym samym większe jest natężenie przepływu. Wyposażenie rozdzielacza w indukcyjny czujnik położenia zapewnia pętle sprzężenia zwrotnego, co pomniejsza histerezę przesterowania. Czujnik przekazuje do układu informacje o rzeczywistym położeniu tłoczka, która porównywana jest z zadaną wartością przesunięci~ i w razie konieczności korygowana. Sterowanie rozdzielaczem USEB6 realizowane jest przy pomocy elektronicznego regulatora 30RE21. Wiele procesów technologicznych sterowanych zaworami proporcjonalnymi wymaga, ażeby po zadaniu skokowego napięciowego sygnału wejściowego hydrauliczny sygnał wyjściowy (natężenie przepływu lub ciśnienie) narastał lub malał liniowo w ściśle określonym czasie. W tym celu regulator elektroniczny wyposażono dodatkowo w generator przekształcający napięciowy skokowy sygnał wejściowy w sygnał wyjściowy hydrauliczny o nastawianej w sposób ciągły stromości zbocza zarówno dla rosnących, jak i malejących wartości sygnału.

Blok elektroniczny formuje sygnał sterujący dla rozdzielacza proporcjonalnego, w sposób zapewniający łagodny start i hamowanie

Zawory przelewowe

Zawory przelewowe służą do zdalnego elektrycznego sterowania ciśnieniem oleju. Zadaniem zaworów proporcjonalnych przelewowych jest ograniczenie ciśnienia poprzez odprowadzenie nadmiaru cieczy z układu. Sterujący sygnał elektryczny zamieniany jest w ciągły sygnał wyjściowy w postaci natężenia przepływu cieczy. Zadawanie wartości natężenia przepływu cieczy przez przykładanie elektrycznego sygnału wejściowego pozwala wykorzystać zawór proporcjonalny przepływowy do zdalnego ciągłego nastawiania wartości przepływu cieczy w tym również do nastawiania według z góry określonego programu.

Przykład zaworu przelewowego sterowanego pośrednio przedstawiono na rys.5.S Składa się on z zaworu wstępnego sterowania 1 z proporcjonalnym elektromagnesem 2 o regulowanej sile oraz zaworu głównego z suwakiem 9. Podstawowe działanie odpowiada działaniu klasycznego zaworu przelewowego, sterowanego pośrednio. Różnica występuje w zaworze wstępnego sterowania. Sprężyna zastąpiona została elektromagnesem proporcjonalnym o regulowanej, poprzez zmianę natężenia prądu w uzwojeniu elektromagnesu, sile. Siła ta przez pary przysłona 4 - dysza 8 jest zamieniana na ciśnienie strumienia sterującego podawanego poprzez dysze 6 nad suwak główny 9, porównywanego z ciśnieniem z kanału A. Jeżeli jest ono większe od wartości zadanej to suwak unosi się od gniazda i otwiera połączenie do kanału B. Sterowanie zaworem realizowane jest przy pomocy elektronicznego regulatora typu20RE1.

3. Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko laboratoryjne (rys.5.11) zbudowane jest z trzech podstawowych zespołów:

- zasilacz hydrauliczny;

- blok sterowania proporcjonalnego;

- układ wykonawczy.

Zasilacz hydrauliczny zapewnia wytworzenie strumienia cieczy roboczej o określonych parametrach (natężenie przepływu, ciśnienie) zasilającego blok sterowania proporcjonalnego .

Blok sterowania proporcjonalnego składa się z rozdzielacza proporcjonalnego USAB-6/15-EQ-32, rozdzielacza proporcjonalnego USEB-6/15-MQ-20 oraz zaworu redukcyjnego WZRP-10/11-50Y.

1. stacja zasilająca

2. hydrauliczny blok sterujący

3. sterownik elektryczny

4. układ wykonawczy

Elementy te zamocowane są na specjalnej płycie montażowej zapewniającej ich bezprzewodowe połączenie w układ zgodnie z przedstawionym na rys. 5.11 schematem. Płyta posiada otwory przyłączeniowe do podłączenia punktów pomiarowych umożliwiającego pomiar ciśnienia w wybranej linii układu hydraulicznego.

Nad blokiem hydraulicznym usytuowany jest elektroniczny sterownik składający się z zasilacza elektrycznego, regulatora elektronicznego 30RE21, regulatora elektronicznego 30RE20 oraz regulatora elektronicznego 20RE10 służących odpowiednio do sterowania pracą rozdzielacza proporcjonalnego USAB-6/15-EQ-32, rozdzielacza proporcjonalnego USEB-6/15-MQ-20 oraz zaworu redukcyjnego WZRP-10/1150Y.

4. Wnioski

Układy hydrauliczne z elementami sterowanymi proporcjonalnie umożliwiają pełną, kontrolę nad dynamiką układu mechanicznego.

Technika hydraulicznego sterowania proporcjonalnego jest godnym polecenia sposobem na rozwiązywanie problemów dotyczących sterowań hydraulicznych, zarówno w nowo budowanych jak i modernizowanych urządzeniach.

---