POLITECHNIKA RADOMSKA im. KAZIMIERZA
PUA
ASKIEGO
Wydział Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów l Maszyn
LABORATORIUM
NAP
DÓW l STEROWANIA HYDRAULICZNEGO l PNEUMATYCZNEGO
Temat: Sterowanie sekwencyjne układów hydraulicznych
CEL
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania podstawowych
hydraulicznych elementów sterujących oraz mo\
liwościami ich praktycznego wykorzystania w
sterowaniu sekwencyjnym układów hydraulicznych.
WPROWADZENIE
Sterowanie napędów hydrostatycznych sprowadza się do zmiany jego parametrów
wyjściowych. Parametrami tymi są: prędkość, siła, moment i kierunek ruchu. W zale\
ności 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=Mn lub N=Fv.
Parametry te są funkcjami następujących czynników:
Q
n = Å"·vs [obr/min] (5.1)
qs
Q
V = Å"·vsk [m/s] (5.2)
S
qs
M = Å" p Å"·hs Å"·ms [Nm] (5.3)
2Ä„
F = S Å" p Å"·hsk Å"·msk [N] (5.4)
gdzie:
Q - natÄ™\
enie 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)
·hs, ·ms, ·hsk, ·msk, - odpowiednie sprawnoÅ›ci hydrauliczne i mechaniczne silnika.
Z tych zale\
ności wynikają ogólne zasady sterowania parametrów wyjściowych napędów
hydrostatycznych, które mo\
emy wyrazić następującymi funkcjami:
1 . Prędkość wyjściowa n = f (Q, Vgs) lub v =f(Q, S)
2. Moment M = f(p, Vgs) lub siła F = f(p, S)
Z zale\
ności tych wynika, i\
sterowanie prędkości wyjściowej silnika mo\
e być realizowane
przez zmianę wydajności pompy, zmianę oporów przepływu cieczy w instalacji lub zmianę
parametrów silnika (zmiana qs lub S).
Sterowanie momentu lub siły mo\
e 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 obcią\
enia maszyny. W zale\
ności od tego
obciÄ…\
enia 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 przecią\
eniem.
W celu realizacji sterowania ww. parametrów hydrauliczny układ napędowy musi być
wyposa\
ony 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 natÄ™\
eniem przepływu i ciśnieniem.
Układ sterujący składa się z elementów wytwarzających sygnały, do których nale\
Ä…
dz
wignie, przyciski, wyłączniki, czujniki członów sterujących (od prostych przekaz
ników do
mikroprocesorów) oraz człony wykonawcze, czyli zawory słu\
ące do sterowania wartością i
kierunkiem przepływu cieczy roboczej.
Zawory stanowią najbardziej rozbudowaną grupę elementów hydrostatycznych układów
napędowych. Wynika to z bardzo zró\
nicowanych funkcji, jakie mają do spełnienia w układzie.
Najogólniej mówiąc, zawory powinny umo\
liwiać uruchomienie, zatrzymanie i zmianę kierunku
ruchu silnika. Od wyboru tych elementów zale\
y funkcjonalność układu. Wybór typu i wielkości
zaworu jest zdeterminowany wymaganiami napędzanej maszyny lub urządzenia, a tak\
e
wartościami natę\
eń przepływu i ciśnienia czynnika roboczego. Podział zaworów, oparty na
normie PN-79/M-73022 przedstawiono na rys. 1.
Rys.5.1. Ogólna systematyka zaworów
Zawory dzielimy na zawory natÄ™\
eniowe, ciśnieniowe, kierunkowe i specjalne.
Zawory kierunkowe słu\
ą do zmiany kierunku przepływu czynnika roboczego, co
wywołuje zmianę kierunku ruchu siłownika lub obrotu silnika.
Zawory natÄ™\
eniowe słu\
Ä… do regulacji natÄ™\
enia przepływu czynnika roboczego
dostarczanego do odbiornika w celu sterowania prędkością silnika lub ustalenia jej na zadanym
poziomie. Pierwszy cel mo\
na osiągnąć za pomocą zaworów dławiących, umo\
liwiajÄ…cych
zmianę prędkości roboczej silnika zasilanego przez pompę o stałej wydajności. W drugim
przypadku stosowane będą regulatory przepływu, pozwalające stabilizować prędkość silnika,
niezale\
nie od zakłóceń w postaci zmian obcią\
enia silnika lub wydajności pompy, wywołanych
np. zmianą prędkości obrotowej silnika napędowego.
Zawory dławiące są najprostszymi zaworami natę\
eniowymi. SÅ‚u\
ą do regulacji prędkości
ruchu hydraulicznych urządzeń roboczych przez zmianę natę\
enia 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 nale\
ą do grupy zaworów sterujących natę\
eniem przepływu a ich
zadaniem jest podział strumienia zasilającego w określonym stosunku. Je\
eli stosunek podziału
natÄ™\
eń strumieni będzie równy 1, silniki będą mogły pracować z jednakową prędkością
niezale\
nie od ich obciÄ…\
eń zewnętrznych.
Regulatory przepływu słu\
ą do utrzymania stałego, nastawionego natę\
enia przepływu
czynnika roboczego, niezale\
nie od zmian ciśnienia w układzie wynikającego ze zmian
obciÄ…\
enia mechanizmu wykonawczego.
Rozró\
niamy regulatory dwu i trzydrogowe. Są to konstrukcje powstałe z połączenia
zaworu dławiącego i zaworu ró\
nicowego. Na natÄ™\
enie strumienia regulowanego w
decydującym stopniu wpływa zawór dławiący, na którym utrzymana jest stała wartość spadku
ciśnienia za pomocą zaworu ró\
nicowego.
Zawory ciśnieniowe mo\
emy podzielić na zawory ograniczające ciśnienie i regulatory
ciśnienia.
Zawory ograniczające ciśnienie reagują na zmiany ciśnienia przed zaworem. Je\
eli
ciśnienie, przed zaworem podwy\
szy siÄ™ tak, \
e iloczyn ciśnienia oraz czynnej powierzchni
przekroju zaworu stanie się większy ni\
nacisk sprÄ™\
yny 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 przecią\
enia lub awarii. W czasie normalnej pracy układu zawór
ten jest zamknięty. Przy wzroście ciśnienia powy\
ej wartości ustalonej na zaworze łączy linię
ciśnieniową ze zbiornikiem. Zawór bezpieczeństwa powinien otworzyć się natychmiast w
przypadku nagłego wzrostu ciśnienia, poniewa\
tylko wówczas skutecznie zapobiega
chwilowemu choćby podwy\
szeniu się ciśnienia w układzie powy\
ej wartości dopuszczalnej.
Zawór przelewowy słu\
y do utrzymania stałej wartość ciśnienia przed zaworem poprzez
odprowadzenie nadmiaru cieczy z odgałęzienia roboczego. Przewa\
nie zawór przelewowy
spełnia jednocześnie zadania zaworu bezpieczeństwa.
Do zaworów regulujących ciśnienie zaliczamy zawory redukcyjne, ró\
nicowe i
proporcjonalne
Zawór redukcyjny słu\
y do utrzymywania określonego obni\
onego ciśnienia roboczego w
jednym z odgałęzień lub w części układu hydraulicznego.
Zawór ró\
nicowy utrzymuje stałą ró\
nicę ciśnień przed i za zaworem.
Zawór ciśnieniowy proporcjonalny utrzymuje stały stosunek ciśnień przed i za zaworem.
Zawory odcinające słu\
ą do zamykania i otwierania przepływu cieczy do poszczególnych
odgałęzień lub zespołów układu hydraulicznego. W zale\
ności od przeznaczenia oraz sposobu, w
jaki siÄ™ tego dokonuje, zawory te mo\
na podzielić na zawory odcinające proste i zawory zwrotne.
Zawór zwrotny zapewnia swobodny przepływ czynnika roboczego w jednym kierunku i
uniemo\
liwia jej przepływ w kierunku przeciwnym (zapobiega wstecznemu przepływowi,
cofaniu się cieczy). Zawory zwrotne powinny szybko zamykać się i otwierać. Sprę\
yna
obciÄ…\
ająca 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 sprę\
yn dociskowych,
zamykające się dzięki opadaniu kulki lub płytki pod własnym cię\
arem. Zawory te muszą być
montowane w pozycji zapewniającej docisk elementu zamykającego do gniazda siłą cię\
kości.
Je\
eli wymaga się szczególnie szybkiego zamykania zaworu zwrotnego, to jego ruchomy
element roboczy powinien mieć mo\
liwie 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 słu\
ą do sterowania kierunkiem przepływu
czynnika roboczego w układzie. Usytuowane są pomiędzy elementami układu napędowego
(zbiornik, pompa) a silnikiem. Przesterowanie elementu sterujÄ…cego rozdzielacza umo\
liwia
realizację ró\
nych 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 mo\
na 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. A
ączenia poszczególnych otworów dokonuje się przemieszczając suwak
osiowo względem nieruchomej tulei. W poło\
eniu / dz
wigni sterujÄ…cej otwory P i A sÄ…
połączone. Przestawiając dz
wignię w poło\
enie //, 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 poło\
eń rozdzielacze dzielą się na dwu i wielo poło\
eniowe. Ilość
poło\
eń mówi o ilości mo\
liwych 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 poło\
eń sterujących, rodzaj połączeń dróg w poszczególnych poło\
eniach oraz
rodzaj sterowania. Nale\
y uwzględnić równie\
ilość elementów wykonawczych w celu wyboru
optymalnej ilości zaworów rozdzielających. W przypadku większej ilości elementów
wykonawczych (siłowników i silników obrotowych) nale\
y stosować rozdzielacze
wielosekcyjne.
W celu zrealizowania ruchu roboczego siłownika jednostronnego działania nale\
y
doprowadzić do niego czynnik roboczy pod ciśnieniem, ruch powrotny natomiast wymuszany
jest działaniem sprę\
yn znajdujących się wewnątrz lub na zewnątrz siłownika czy te\
ciÄ™\
arem
własnym tłoka, tłoczyska i związanych z nimi mas. Sterowanie takimi siłownikami umo\
liwiajÄ…
zale\
nie od rodzaju cyklu roboczego, rozdzielacze 3/2 (trójdrogowe, dwu poło\
eń i owe), 3/3
(trójdrogowe, trójpoło\
eniowe) lub przy bardziej rozbudowanym sterowaniu rozdzielacze 4/3
(czterodrogowe, trójpoło\
eniowe). Przykładowe układy sterowania siłownikami jednostronnego
działania przedstawiono na rys. 5.3.
W celu zrealizowania ruchu postępowo-zwrotnego siłownika dwustronnego działania
(rys.5.4) nale\
y doprowadzić czynnik roboczy pod ciśnieniem przemiennie do obu przestrzeni
roboczych cylindra. Sterowanie takimi siłownikami umo\
liwiajÄ…, zale\
nie od rodzaju cyklu
roboczego, rozdzielacze 4/2 (czterodrogowe, dwupoło\
eniowe) lub 4/3 (czterodrogowe,
trójpoło\
eniowe).
Sterowanie tymi rozdzielaczami mo\
e być realizowane elektrycznie, hydraulicznie lub
mechanicznie.
W wielu przypadkach ze względów bezpieczeństwa nale\
y stosować sterowanie dwuręczne
rys 5.5.
W wielomechanizmowych układach napędowych maszyn, pracujących w cyklu
automatycznym, poszczególne czynności cyklu roboczego następują zawsze w ustalonej
kolejności. Sterowanie umo\
liwiające pracę maszyny w taki sposób nosi nazwę sterowania
sekwencyjnego. Sekwencyjne układy sterujące mają bardzo zró\
nicowany stopień zło\
oności.
Obejmują zarówno proste dwuczynnościowe mechanizmy, jak te\
bardzo zło\
one układy
sterowania programowego.
W zale\
ności od sposobu działania mo\
na wyró\
nić:
- sterowanie bezpośrednie
- sterowanie pośrednie.
W sterowaniu bezpośrednim organ roboczy oddziałuje mechanicznie na elementy sterujące
za pomocą popychaczy lub zespołu dz
wigni. Poniewa\
włączanie i wyłączanie elementu
sterującego następuje w określonym poło\
eniu roboczym mechanizmu lub siłownika, sterowanie
to nazywa się równie\
sterowaniem poło\
eniowym. Podczas sterowania bezpośredniego mo\
na
korzystać tak\
e z ciśnienia w układzie jako sygnału do uruchomienia elementu sterującego w
postaci zaworów ciśnieniowych ró\
nych 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 układem roboczym.
Rys.5. 3. Układy sterowania siłownikiem jednostronnego działania: a) siłownikiem 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 odcią\
onÄ… pompÄ…, c) rozdzielaczem 4/3
i zaworem umo\
liwiającym unieruchomienie tłoka w dowolnym poło\
eniu
Rys.5. 4. Sterowania dwuręczne: a) rozdzielaczami sterowanymi ręcznie, b) elektrycznie
Najczęściej w obwodach sterujących stosuje się układy elektryczne lub elektroniczne, które
zestawia się z typowych elementów stosowanych w automatyce przemysłowej. Sterowanie
pośrednie mo\
na podzielić na:
- poło\
eniowe
- ciśnieniowe
- czasowe
Rys.5. 6. Sterowanie sekwencyjne ciśnieniowe uchwytu obróbkowego zaworem
maksymalnym z wewnętrznym odprowadzeniem przecieków
W sterowaniu poło\
eniowym organ wykonawczy oddziałuje na przyciski elektryczne lub
wyłączniki krańcowe, którymi sterowane są silniki pomp oraz elektromagnesy rozdzielaczy i
zaworów ró\
nych rodzajów. Przy sterowaniu ciśnieniowym korzysta się z manometrów
stykowych i przełączników ciśnieniowych, natomiast w sterowaniu czasowym z przekaz
ników
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
STANOWISKO LABORATORYJNE
Stanowisko składa się z typowych elementów hydrauliki siłowej zamocowanych na płycie
monta\
owej w sposób umo\
liwiający łączenie ich przewodami elastycznymi w dowolne układy
sterujące. Na rys. 5.7 przedstawiono układ sterowania sekwencyjnego, zale\
nego 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 poło\
eniu wyjściowym siłowników M1 i M2 tłoki znajdują się w wewnętrznym skrajnym
poło\
eniu. Przyciskiem elektrycznym d wzbudzenia doznaje elektromagnes s, przesterowujÄ…cy
lewy rozdzielacz w poło\
enie, przy którym siłownik M1 wykonuje wysuwowy ruch roboczy.
W końcowej fazie ruchu zderzak związany z tłoczyskiem wchodzi w kontakt z wyłącznikiem w,
inicjujÄ…cym wzbudzenie elektromagnesu s3.
Elektromagnes przesterowuje rozdzielacz uruchamiający siłownik M2, który wykona ruch
wysuwowy. Tłoczysko siłownika, w skrajnym zewnętrznym poło\
eniu, oddziałuje na wyłącznik
w2 i powoduje przesterowanie rozdzielacza lewego w poło\
enie, przy którym tłoczysko siłownika
M1 wykonuje ruch powrotny. W skrajnym wewnętrznym poło\
eniu 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 poło\
eniowego: 1- stacja zasilajÄ…ca, 2 -
zawór rozdzielający 4-drogowy 3-poto\
eniowy sterowany elektrycznie, 3 - zawory dławiąco-zwrotne, M1,
M2 - siłownik hydrauliczny dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem,
w1, w2, w3, w4 - wyłączniki krańcowe.
Rys.5. 8. Cyklogram pracy układu
Przedstawioną na rys. 5.9 tabelę łączeń nale\
y przed projektowaniem układu uzupełnić
dodatkowymi informacjami dotyczÄ…cymi np.:
- warunków, jakie muszą być spełnione w chwili uruchomienia programu,
- zachowania się układu w przypadku zaniku prądu w sieci zasilającej,
- sposobu sterowania w przypadku napraw
- konieczności zatrzymania siłowników w dowolnym poło\
eniu przez odrębny wyłącznik
d2
- niedopuszczalności równoczesnego wzbudzenia elektromagnesów s1 i s2 oraz s3 i s4
- wyposa\
enia układu w wyłącznik awaryjny, który podobnie jak w przypadku zaniku
prądu, wyłącza układ, a więc przerywa wzbudzenie wszystkich elektromagnesów.
Rys.5. 9. Tabela łączeń układu sterowania sekwencyjnego.
ZADANIE DO WYKONANIA
1. Zapoznać się z budową i zasadą działania elementów składowych układu stanowiska
2. Zmontować układ realizujący cykl roboczy zgodnie z cyklogramem przedstawionym na
rys.5.8, zapewniający pracę siłowników w cyklu automatycznym i pojedynczym.
3. Uruchomić układ i wyregulować prędkość wysuwu i powrotu tłoczysk siłowników zgodnie z
cyklogramem pracy układu.
4. Przeanalizować mo\
liwość zastosowania dodatkowych elementów sterujących
zapewniających opóz
nienie powrotu siłowników do pozycji wyjściowej.
PYTANIA KONTROLNE
1. Sterowanie układów hydraulicznych
2. Elementy sterujÄ…ce
3. Układy z siłownikami jednostronnego działania
4. Układy z siłownikami dwustronnego działania
5. Sterowanie dwuręczne
6. Zacisk hydrauliczny Sterowanie sekwencyjne
7. Sterowanie bezpośrednie
8. Sterowanie pośrednie
9. Rodzaje sterowania pośredniego
10. Układ sterowania sekwencyjnego poło\
eniowego
11. Cyklogram pracy układu
12. Tabela łączeń
LITERATURA UZUPEA
NIAJ
CA:
1. Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny, t. 2. Warszawa WNT 1990.
2. Szydelski Z.: Elementy napędu i sterowania hydraulicznego i pneumatycznego. PWN,
Warszawa 1986.