POLITECHNIKA RADOMSKA im. K. PUŁASKIEGO IBM INSTYTUT BUDOWY MASZYN

LABORATORIUM NAPĘDÓW I STEROWAMIA HYDRAULICZNEGO I PNEUMATYCZNEGO. Ćw 3

Temat ćwiczenia: Sterowanie sekwencyjne układów hydraulicznych Wydział: Mechaniczny Kierunek: MiBM Rok akad.: 2005/2006 Semestr: VI Grupa: A1

Ocena : Wykonawca ćwiczenia:

1. Cel ćwiczeni

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania podstawo­wych hydraulicznych elementów sterujących oraz możliwościami ich praktycznego wykorzystania w sterowaniu sekwencyjnym układów hydraulicznych

2. Wprowadzenie

Sterowanie napędów hydrostatycznych sprowadza się do zmiany jego parame­trów wyjściowych. Parametrami tymi są: prędkość, siła, moment i kierunek ruchu. W zależności od rodzaju elementu roboczego napędu (silnik obrotowy lub liniowy) parametrami tymi są: prędkość obrotowa n2 lub liniowa v, siła F lub moment M, moc N=M-n lub N=F-v.

Parametry te są funkcjami następujących czynników:

[Obr/min] (5.1)

[m/s] (5.2)

[Nm] (5.3)

[N] (5.4)

gdzie:

Q - natężenie przepływu cieczy doprowadzonej do odbiornika qs- chłonność jednostkowa silnika S - powierzchnia czynna tłoka siłownika

p- ciśnienie cieczy na wejściu do silnika ( pominięto ciśnienie na wyjściu z silnika) Tlhs, Tims, iihsk, Timsk" odpowiednie sprawności hydrauliczne i mechaniczne silnika.

Z tych zależności wynikają ogólne zasady sterowania parametrów wyjściowych napędów hydrostatycznych, które możemy wyrazić następującymi funkcjami:

Prędkość wyjściowa n = f (Q, Vgs) lub v =f(Q, S)

Moment M = f(p, Vgs) lub siła F = f(p, S)

Z zależności tych wynika, iż sterowanie prędkości wyjściowej silnika może być realizowane przez zmianę wydajności pompy, zmianę oporów przepływu cieczy w instalacji lub zmianę parametrów silnika (zmiana qs lub S).

Sterowanie momentu lub siły może być realizowane przez zmianę ciśnienia na wyjściu z pompy, zmianę ciśnienia w instalacji lub zmianę parametrów silnika lub siłownika (zmiana qs lub S).

W napędach hydrostatycznych pojazdów i maszyn roboczych najczęściej sto­suje się sterowanie prędkości a siły i momenty wynikają z obciążenia maszyny. W zależności od tego obciążenia ustala się wartość ciśnienia cieczy na wejściu do silnika. W napędach hydrostatycznych pojazdów i maszyn roboczych nie stosuje się na ogół regulacji tego ciśnienia ograniczając jedynie jego max wartość za pomocą odpowiednich zaworów bezpieczeństwa. Ogranicza to wartość max momentów lub sił zabezpieczając cały układ przed przeciążeniem.

W celu realizacji sterowania ww. parametrów hydrauliczny układ napędowy musi być wyposażony w odpowiedni układ sterujący usytuowany miedzy pompą a elementem wykonawczym (silnikiem lub siłownikiem). Zadaniem układu sterujące­go jest doprowadzenie strumienia cieczy roboczej do odbiornika zgodnie z wymaga­nym do realizacji danego ruchu kierunkiem oraz natężeniem przepływu i ciśnieniem.

Układ sterujący składa się z elementów wytwarzających sygnały, do których na­leżą dźwignie, przyciski, wyłączniki, czujniki członów sterujących (od prostych prze­kaźników do mikroprocesorów) oraz człony wykonawcze, czyli zawory służące do sterowania wartością i kierunkiem przepływu cieczy roboczej.

Zawory stanowią najbardziej rozbudowaną grupę elementów hydrostatycznych układów napędowych. Wynika to z bardzo zróżnicowanych funkcji, jakie mają do spełnienia w układzie. Najogólniej mówiąc, zawory powinny umożliwiać uruchomie­nie, zatrzymanie i zmianę kierunku ruchu silnika. Od wyboru tych elementów zależy funkcjonalność układu. Wybór typu i wielkości zaworu jest zdeterminowany wyma­ganiami napędzanej maszyny lub urządzenia, a także wartościami natężeń przepły­wu i ciśnienia czynnika roboczego. Podział zaworów, oparty na normie PN-79/M-73022

Zawory dzielimy na zawory natężeniowe, ciśnieniowe, kierunkowe i specjalne.

Zawory kierunkowe służą do zmiany kierunku przepływu czynnika roboczego, co wywołuje zmianę kierunku ruchu siłownika lub obrotu silnika.

Zawory natężeniowe służą do regulacji natężenia przepływu czynnika robo­czego dostarczanego do odbiornika w celu sterowania prędkością silnika lub ustale­nia jej na zadanym poziomie. Pierwszy cel można osiągnąć za pomocą zaworów dławiących, umożliwiających zmianę prędkości roboczej silnika zasilanego przez pompę o stałej wydajności. W drugim przypadku stosowane będą regulatory przepływu, pozwalające stabilizować prędkość silnika, niezależnie od zakłóceń w postaci zmian obciążenia silnika lub wydajności pompy, wywołanych np. zmianą prędkości obrotowej silnika napędowego.

Zawory dławiące są najprostszymi zaworami natężeniowymi. Służą do regula­cji prędkości ruchu hydraulicznych urządzeń roboczych przez zmianę natężenia do­pływu cieczy poprzez zmianę przekroju poprzecznego przepływu.

Istnieją dwa sposoby zabudowy zaworów dławiących:

w odgałęzieniu ciśnieniowym (zasilającym) - regulacja na dopływie

w odgałęzieniu odpływowym (przelewowym) - regulacja na odpływie

Najczęściej zawory nastawcze wbudowywane są w odgałęzieniach odpływo­wych co zapewnia odpowiednią sztywność układu i tłumienie drgań.

Synchronizatory należą do grupy zaworów sterujących natężeniem przepływu a ich zadaniem jest podział strumienia zasilającego w określonym stosunku. Jeżeli stosunek podziału natężeń strumieni będzie równy 1, silniki będą mogły pracować z jednakową prędkością niezależnie od ich obciążeń zewnętrznych.

Regulatory przepływu służą do utrzymania stałego, nastawionego natężenia przepływu czynnika roboczego, niezależnie od zmian ciśnienia w układzie wynikają­cego ze zmian obciążenia mechanizmu wykonawczego.

Rozróżniamy regulatory dwu i trzydrogowe. Są to konstrukcje powstałe z połączenia zaworu dławiącego i zaworu różnicowego. Na natężenie strumienia re­gulowanego w decydującym stopniu wpływa zawór dławiący, na którym utrzymana jest stała wartość spadku ciśnienia za pomocą zaworu różnicowego.

Zawory ciśnieniowe możemy podzielić na zawory ograniczające ciśnienie i regulatory ciśnienia.

Zawory ograniczające ciśnienie reagują na zmiany ciśnienia przed zaworem. Jeżeli ciśnienie, przed zaworem podwyższy się tak, że iloczyn ciśnienia oraz czynnej powierzchni przekroju zaworu stanie się większy niż nacisk sprężyny wynikający z jej wstępnego napięcia, element zamykający zaworu zostaje odepchnięty od gniazda, otwierając wolny przelot, którym ciecz robocza przepływa do zbiornika.

Zawór bezpieczeństwa, zabezpiecza układ przed wzrostem ciśnienia ponad dopuszczalną wartość, głównie w przypadku przeciążenia lub awarii. W czasie nor­malnej pracy układu zawór ten jest zamknięty. Przy wzroście ciśnienia powyżej war­tości ustalonej na zaworze łączy linię ciśnieniową ze zbiornikiem. Zawór bezpie­czeństwa powinien otworzyć się natychmiast w przypadku nagłego wzrostu ciśnie­nia, ponieważ tylko wówczas skutecznie zapobiega chwilowemu choćby podwyższe­niu się ciśnienia w układzie powyżej wartości dopuszczalnej.

Zawór przelewowy służy do utrzymania stałej wartość ciśnienia przed zawo­rem poprzez odprowadzenie nadmiaru cieczy z odgałęzienia roboczego. Przeważnie zawór przelewowy spełnia jednocześnie zadania zaworu bezpieczeństwa.

Do zaworów regulujących ciśnienie zaliczamy zawory redukcyjne, różnicowe i proporcjonalne

Zawór redukcyjny służy do utrzymywania określonego obniżonego ciśnienia roboczego w jednym z odgałęzień lub w części układu hydraulicznego.

Zawór różnicowy utrzymuje stałą różnicę ciśnień przed i za zaworem.

Zawór ciśnieniowy proporcjonalny utrzymuje stały stosunek ciśnień przed i za zaworem.

Zawory odcinające służą do zamykania i otwierania przepływu cieczy do po­szczególnych odgałęzień lub zespołów układu hydraulicznego. W zależności od przeznaczenia oraz sposobu, w jaki się tego dokonuje, zawory te można podzielić na zawory odcinające proste i zawory zwrotne.

Zawór zwrotny zapewnia swobodny przepływ czynnika roboczego w jednym kierunku i uniemożliwia jej przepływ w kierunku przeciwnym (zapobiega wstecznemu przepływowi, cofaniu się cieczy). Zawory zwrotne powinny szybko zamykać się i otwierać. Sprężyna obciążająca zawór zwrotny jest na ogół słaba, zapewnia jednak natychmiastowe zamknięcie się zaworu z chwilą ustania przepływu cieczy. W sytuacjach, kiedy chcemy maksymalnie zminimalizować opory przepływu stoso­wane są zawory zwrotne bez sprężyn dociskowych, zamykające się dzięki opadaniu kulki lub płytki pod własnym ciężarem. Zawory te muszą być montowane w pozycji zapewniającej docisk elementu zamykającego do gniazda siłą ciężkości.

Jeżeli wymaga się szczególnie szybkiego zamykania zaworu zwrotnego, to je­go ruchomy element roboczy powinien mieć możliwie małą bezwładność i wykony­wać jak najkrótszy skok. Wymagania te najlepiej spełnia zawór zwrotny płytkowy.

Kierunek przepływu cieczy przez zawór zwrotny jest zwykle oznaczony strzałką na korpusie.

Zawory kierunkowe zwane rozdzielaczami służą do sterowania kierunkiem przepływu czynnika roboczego w układzie. Usytuowane są pomiędzy elementami układu napędowego (zbiornik, pompa) a silnikiem. Przesterowanie elementu sterują­cego rozdzielacza umożliwia realizację różnych kombinacji połączeń między tymi elementami.

Rys.5. 2. Budowa i zasada działania rozdzielaczy: a) suwakowego, b) zaworowego, c) obrotowego.

Ze względu na rodzaj elementu sterującego rozdzielacze można podzielić na suwakowe, zaworowe i obrotowe rys. 5.2.

Głównym elementem rozdzielacza suwakowego (rys. 5.2a) jest cylindryczna para suwakowa utworzona przez cylindryczną tuleję i współpracujący z nią szczelnie dopasowany suwak tłoczkowy. W tulei są wykonane otwory, którymi jest doprowa­dzany lub odprowadzany czynnik roboczy. Łączenia poszczególnych otworów doko­nuje się przemieszczając suwak osiowo względem nieruchomej tulei. W położeniu / dźwigni sterującej otwory P i A są połączone. Przestawiając dźwignię w położenie //, uzyskuje się zamknięcie otworu P i połączenie otworów A i Z.

W rozdzielaczu zaworowym (rys.5.2.b) rozrządu cieczy dokonuje się za pomo­cą zespołu zaworów wzniosowych otwierających lub zamykających odpowiednie otwory przelotowe.

W rozdzielaczach obrotowych (rys. 5.2.c), łączenie poszczególnych dróg od­bywa się przez obrót trzpienia, szczelnie dopasowanego w obudowie.

Ze względu na ilość dróg dzielimy rozdzielacze na dwu i więcej drogowe. Ilość dróg to ilość wyjść z wnętrza rozdzielacza na zewnątrz. Ilość dróg mówi nam o ilości

przyłączy roboczych do rozdzielacza. Dwa z nich to doprowadzenie i odprowadze­nie czynnika roboczego, pozostałe to przyłącza organów roboczych.

Ze względu na liczbę położeń rozdzielacze dzielą się na dwu i wielo położe­niowe. Ilość położeń mówi o ilości możliwych do realizacji ruchów organu roboczego (wysuw, powrót lub zatrzymanie tłoczyska siłownika, lewe lub prawe obroty silnika hydrostatycznego)

Wyboru elementów sterujących najczęściej dokonujemy na podstawie analizy cyklogramu pracy maszyny.

Przy wyborze rozdzielacza musimy uwzględnić średnicę nominalną przelotu, ilość dróg, ilość niezbędnych położeń sterujących, rodzaj połączeń dróg w poszczególnych położeniach oraz rodzaj sterowania. Należy uwzględnić również ilość elementów wykonawczych w celu wyboru optymalnej ilości zaworów rozdziela­jących. W przypadku większej ilości elementów wykonawczych (siłowników i silników obrotowych) należy stosować rozdzielacze wielosekcyjne.

W celu zrealizowania ruchu roboczego siłownika jednostronnego działania na­leży doprowadzić do niego czynnik roboczy pod ciśnieniem, ruch powrotny natomiast wymuszany jest działaniem sprężyn znajdujących się wewnątrz lub na zewnątrz si­łownika czy też ciężarem własnym tłoka, tłoczyska i związanych z nimi mas. Stero­wanie takimi siłownikami umożliwiają zależnie od rodzaju cyklu roboczego, rozdzie­lacze 3/2 (trójdrogowe, dwupołożeniowe), 3/3 (trójdrogowe, trójpołożeniowe) lub przy bardziej rozbudowanym sterowaniu rozdzielacze 4/3 (czterodrogowe, trójpołożenio­we). Przykładowe układy sterowania siłownikami jednostronnego działania przed­stawiono na rys. 5.3.

W celu zrealizowania ruchu postępowo-zwrotnego siłownika dwustronnego działania (rys.5.4) należy doprowadzić czynnik roboczy pod ciśnieniem przemiennie do obu przestrzeni roboczych cylindra. Sterowanie takimi siłownikami umożliwiają zależnie od rodzaju cyklu roboczego, rozdzielacze 4/2 (czterodrogowe, dwupołoże­niowe) lub 4/3 (czterodrogowe, trójpołożeniowe).

Sterowanie tymi rozdzielaczami może być realizowane elektrycznie, hydrau­licznie lub mechanicznie.

W wielu przypadkach ze względów bezpieczeństwa należy stosować sterowa­nie dwuręczne rys 5.5.

W wielo mechanizmowych układach napędowych maszyn, pracujących w cyklu automatycznym, poszczególne czynności cyklu roboczego następują zawsze w usta­lonej kolejności. Sterowanie umożliwiające pracę maszyny w taki sposób nosi nazwę sterowania sekwencyjnego. Sekwencyjne układy sterujące mają bardzo zróżnicowa­ny stopień złożoności. Obejmują zarówno proste dwuczynnościowe mechanizmy, jak też bardzo złożone układy sterowania programowego.

W zależności od sposobu działania można wyróżnić:

-sterowanie bezpośrednie

-sterowanie pośrednie.

W sterowaniu bezpośrednim organ roboczy oddziałuje mechanicznie na ele­menty sterujące za pomocą popychaczy lub zespołu dźwigni. Ponieważ włączanie i wyłączanie elementu sterującego następuje w określonym położeniu roboczym me­chanizmu lub siłownika, sterowanie to nazywa się również sterowaniem położenio­wym. Podczas sterowania bezpośredniego można korzystać także z ciśnienia w układzie jako sygnału do uruchomienia elementu sterującego w postaci zaworów ci­śnieniowych różnych typów np. maksymalnych rys.5.6. Mówimy wtedy o sterowaniu ciśnieniowym.

W sterowaniu pośrednim istnieje dodatkowy obwód sterujący (elektryczny, pneumatyczny lub hydrauliczny) o małej mocy, oddziałujący na elementy sterujące

Rys.5. 3. Układy sterowania siłownikiem jednostronnego działania: a) silnikiem napędzającym pompę i rozdzielaczem 2/2, b) rozdzielaczem 4/2, c) rozdzielaczem 3/3

Rys.5. 4. Układy sterowania siłownikiem dwustronnego działania: a) rozdzielaczem 4/2 współpracują­cym z wyłącznikiem silnika napędzającego pompę, b) rozdzielaczem 4/3 i odciążoną pompą, c) roz­dzielaczem 4/3 i zaworem umożliwiającym unieruchomienie tłoka w dowolnym położeniu

Rys.5. 5. Sterowanie dwuręczne: a) rozdzielaczami sterowanymi ręcznie, b) rozdzielaczami sterowanymi elektrycznie

układem roboczym. Najczęściej w obwodach sterujących stosuje się układy elek­tryczne lub elektroniczne, które zestawia się z typowych elementów stosowanych w automatyce przemysłowej. Sterowanie pośrednie można podzielić na: - położeniowe

• ciśnieniowe

• czasowe.

Rys.5. 6. Sterowanie sekwencyjne ciśnieniowe uchwytu obróbkowego zaworem maksymalnym z wewnętrznym odprowadzeniem przecieków.

W sterowaniu położeniowym organ wykonawczy oddziałuje na przyciski elek­tryczne lub wyłączniki krańcowe, którymi sterowane są silniki pomp oraz elektroma­gnesy rozdzielaczy i zaworów różnych rodzajów. Przy sterowaniu ciśnieniowym ko­rzysta się z manometrów stykowych i przełączników ciśnieniowych, natomiast w ste­rowaniu czasowym z przekaźników czasowych.

Schemat hydrauliczny uchwytu rys.5.6 jest przykładem zastosowania sekwen­cyjnego sterowania ciśnieniowego bezpośredniego. Włączenie mechanizmu rozdzie­laczem elektromagnetycznym 2/2 powoduje uruchomienie siłownika M1, dociskają­cego element do opory pionowej. Po zaciśnięciu przedmiotu następuje wzrost ci­śnienia w obwodzie powoduje otwarcie zaworu maksymalnego i uruchomienie siłow­ników M2

3. Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko składa się z typowych elementów hydrauliki siłowej zamocowanych na płycie montażowej w sposób umożliwiający łączenie ich przewodami elastycznymi w dowolne układy sterujące. Na rys. 5.7 przedstawiono układ sterowania sekwencyj­nego, zależnego od drogi, dwóch siłowników dwustronnego działania realizujący cykl roboczy zgodnie z cyklogramem przedstawionym na rys. 5.8 zapewniający pracę siłowników w cyklu automatycznym i pojedynczym.

W położeniu wyjściowym siłowników M1 i M2 tłoki znajdują się w wewnętrznym skrajnym położeniu. Przyciskiem elektrycznym d wzbudzenia doznaje elektromagnes s, przesterowujący lewy rozdzielacz w położenie, przy którym siłownik M1 wykonuje wysuwowy ruch roboczy. W końcowej fazie ruchu zderzak związany z tłoczyskiem

Elektromagnes przesterowuje rozdzielacz uruchamiający siłownik M2, który wy­kona ruch wysuwowy. Tłoczysko siłownika, w skrajnym zewnętrznym położeniu, od­działuje na wyłącznik w2 i powoduje przesterowanie rozdzielacza lewego w położe­nie, przy którym tłoczysko siłownika M1 wykonuje ruch powrotny. W skrajnym we­wnętrznym położeniu wyłącznik w4 wzbudzi elektromagnes s4, a więc przesteruje rozdzielacz prawy i uruchamia siłownik M2, który wykona ruch wsuwowy. Wyłącznik krańcowy w4 wyłącza układ, który osiągnął w ten sposób stan wyjściowy.

Rys.5. 7. Schemat hydrauliczny układu sterowania sekwencyjnego położeniowego: 1- stacja zasilają­ca, 2 - zawór rozdzielający 4-drogowy 3-położeniowy sterowany elektrycznie, 3 - zawory dławiąco-zwrotne, M1, M2 - siłownik hydrauliczny dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem,

Rys.5. 8. Cyklogram pracy układu

Przedstawioną na rys. 5.9 tabelę łączeń należy przed projektowaniem układu uzupełnić dodatkowymi informacjami dotyczącymi np.: - warunków, jakie muszą być spełnione w chwili uruchomienia programu, zachowania się układu w przypadku zaniku prądu w sieci zasilającej,

w1, w2, w3, w4 - wyłączniki krańcowe.

Siłownik M1

czas [s] Siłownik M2

1

---