Snovanje visoko-dinamične hidravlične testne naprave

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Snovanje visoko-dinamične hidravlične testne naprave

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Klemen Matoša

Ljubljana, Avgust 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Snovanje visoko-dinamične hidravlične testne naprave

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Klemen Matoša

Mentor: doc. dr. Marko Šimic, univ. dipl. inž.

Somentor: prof. dr. Niko Herakovič, univ. dipl. inž.

Ljubljana, avgust 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Marku Šimicu za nesebično pomoč in usmerjanje pri nastajanju magistrskega dela, somentorju prof. dr. Niku Herakoviču za možnost opravljanja magistrskega dela in strokovno pomoč. Prav tako se zahvaljujem vsem sodelavcem Laboratorija za strego in montažo, Fakultete za strojništvo v Ljubljani.

Posebne zahvale gredo mojima staršema in bratu za vso moralno in finančno podporo v času študija in ker so ves čas verjeli vame ter me spodbujali tako pri uspehih, kot neuspehih. Zahvalil bi se rad tudi moji življenjski sopotnici, da me je ves čas pisanja spodbujala in mi stala ob strani.

(10)

(11)

Izjava

(12)

(13)

Izvleček

UDK 621.226:621.646.24(043.2) Tek. štev.: MAG II/500

Snovanje visoko-dinamične hidravlične testne naprave

Klemen Matoša

Ključne besede: hidravlična stiskalnica hidravlični servo ventili krmiljenje

modeliranje simulacija testni zagon

Servo hidravlične stiskalnice predstavljajo visoko-dinamične pozicionirne sisteme krmiljene s servo ventili, ki se uporabljajo za najzahtevnejše proizvodne procese in testne naprave. Od njih se zahteva visoka fleksibilnost, ob hkratni visoki dinamiki obratovanja ter visoki pozicijski ločljivosti. Za doseganje zgoraj naštetih karakteristik, ki so odvisne od uporabljenih mehanskih, hidravličnih in krmilnih komponent stiskalnic, smo v magistrskem delu podrobneje popisali in analizirali glavne vplivne parametre teh sistemov.

V prvem delu naloge smo obravnavali teoretične osnove servo hidravličnih stiskalnic in njihovih komponent, krmiljenje in krmilne metode. V nadaljevanju smo zasnovali koncept hidravličnega krmilja za zaprto-zančno krmiljenje poti, tlaka in sile. Zasnovali smo ustrezno ogrodje stiskalnice in izvedli trdnostno analizo kritičnih komponent. Na podlagi koncepta smo izdelali simulacijski model in podrobneje analizirali vse glavne parametre, ki bistveno vplivajo na obnašanje hidravličnega sistema. Na podlagi koncepta hidravličnega krmilja in simulacijskega modela, smo izdelali prototip stiskalnice in izvedli zagon sistema. V okviru zagona sistema smo izvedli eksperimentalno analizo, pri kateri smo obravnavali cikel za proces globokega vleka in preverili delovanje merilne opreme

(14)

(15)

Abstract

UDC 621.226:621.646.24(043.2) No.: MAG II/500

Design of high-response hydraulic test machine Klemen Matoša

Key words: hyadraulic press hydraulic servovalves control

modeling simulation test run

Servohydraulic presses represent highly dynamic positioning systems controlled by servovalves, which are widely used in demanding manufacturing processes and testing equipment. The mentioned systems can operate in highly dynamic manufacturing processes, and should be very flexible and precise. In order to achieve these characteristics, which depend on the mechanical and hydraulic components used and their control, the main system parameters were analyzed in detail. In the first part of the master thesis we gave an overview of the theoretical principles of servo-hydraulic presses, their components, type of control and control methods. Further, we created a concept of a hydraulic closed-loop position, pressure and force control system. A suitable press frame was designed and strength analysis was carried out for the critical components. A simulation model was created based on the input data and the main model parameters that have a significant effect on the behavior of the hydraulic system were analyzed in detail.

Based on the hydraulic control concept and the simulation model, a press prototype was designed and a test run was performed. Finally, the experimental analysis was carried out, in which the typical cycle of the deep drawing process was investigated and the proper operation of the measuring equipment was tested.

(16)

(17)

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ...xix

Seznam uporabljenih simbolov ...xxi

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxiii

1. Uvod ... 1

1.1. Ozadje problema...1

1.2. Cilji ...2

2. Teoretične osnove in pregled literature ... 5

2.1. Mehanske in hidravlične stiskalnice ...5

2.2. Visoko-dinamične hidravlične naprave ...7

2.3. Hidravlična krmilja ...8

2.3.1. Hidravlični valji ... 10

2.3.2. Ventili ... 15

2.3.3. Hidravlični akumulatorji ... 19

2.4. Krmilne metode ... 20

2.5. Merilniki ... 22

2.5.1. Induktivna zaznavala... 22

2.5.2. Magnetostriktivni senzorji ... 23

2.5.3. Tlačni senzorji ... 24

2.5.4. Merilniki sile ... 25

3. Metodologija raziskave ... 29

3.1 Definiranje robnih pogojev ... 29

3.2 Snovanje hidravličnega krmilja ... 31

3.2.1 Konfiguracija hidravlične linearne osi ... 32

3.2.2 Preračun cevovodov ... 36

3.2.3 Preračun hidravličnega agregata ... 37

3.3 Zasnova grafičnega vmesnika ... 39

3.4 Določitev ogrodja stiskalnice ... 42

3.5 Trdnostna analiza kritičnih delov stiskalnice ... 43

(18)

3.6 Modeliranje in simulacija hidravličnega krmilja ... 46

3.7 Zagon sistema in testiranje ... 50

4. Rezultati ...51

4.1. Rezultati MKE analize ogrodja stiskalnice ... 51

4.2. Rezultati simulacije hidravličnega krmilja ... 56

4.2.1 Analiza glavnih vplivnih parametrov ... 56

4.2.2 Pozicijska ločljivost pehala ... 64

4.2.3 Analiza cikla za globoki vlek ... 68

4.3. Postavitev in zagon sistema ... 69

5. Zaključki ...73

Literatura...77

(19)

Kazalo slik

Slika 2.1: Primerjava med mehansko in hidravlično stiskalnico - cikel [4]. ...6

Slika 2.2: Delovni cikel hidravlične stiskalnice, pri globokem vleku [3]. ...6

Slika 2.3: Zagotavljanje poljubnih ciklov s hidravlično stiskalnico [5]. ...7

Slika 2.4: Primer natezno/tlačnega preizkusa: a) grafični vmesnik b) testna naprava [6]. ...7

Slika 2.5: Uporaba hidravlične testne naprave za različne teste [6]...8

Slika 2.6: Hidravlični servo pogoni krmiljeni z: a) DDSV ventili, b) servo ventili [10, 11]. ...8

Slika 2.7: Uporaba direktno delujočega 4/3 servo ventila pri pozicijski krmilni zanki [12]. ...9

Slika 2.8: Servo ventil pri zaprti krmilni zanki: a) 4/4 regel ventil, b) servo ventil [13]. ...9

Slika 2.9: Področja uporabe in omejitve različnih servo hidravličnih pogonov [10]. ... 10

Slika 2.10: Sestav hidravličnega valja [16]. ... 10

Slika 2.11: Tesnjenje in vodenje pri industrijskih hidravličnih valjih [15]. ... 11

Slika 2.12: Tesnjenje in vodenje pri visoko-dinamičnih hidravličnih valjih [15]... 11

Slika 2.13: Tesnjenje in vodenje pri servo hidravličnih valjih [15]. ... 12

Slika 2.14: Shema prereza glave hidravličnega valja [11]. ... 13

Slika 2.15: Sila trenja v odvisnosti od tlaka za različne kombinacije tesnjenja in vodenja [9]. ... 14

Slika 2.16: Sila trenja odvisna od vrste hidravličnega valja oz. vrste vodenja in tesnjenja [15]. ... 15

Slika 2.17: Zgradba direktno delujočega 4/3 servo ventila [7]. ... 16

Slika 2.18: Zgradba direktno delujočega 4/4 servo ventila [18]. ... 17

Slika 2.19: Pretočne karakteristike ventila z uporabo zarez na krmilnih robovih batov [18]. ... 17

Slika 2.20: Zgradba 4/3 servo ventila z momentnim motorjem in z odbojno ploščo [8]. ... 18

Slika 2.21: Hidravlični akumulatorji: a) z mehom b) z batom in c) z membrano [22]. ... 19

Slika 2.22: Blokovni diagram PID krmiljenja s povratno zanko [23, 24]. ... 20

Slika 2.23: Vpliv proporcionalenga člena [24]. ... 21

Slika 2.24: Vpliv integralnega člena [24]. ... 21

Slika 2.25: Vpliv diferencialnega člena [24]. ... 22

Slika 2.26: Prerez hidravličnega valja z induktivnim senzorjem položaja [25]. ... 23

Slika 2.27: Magnetostriktivni senzor [25]. ... 24

Slika 2.28: Metode merjenja tlaka: a) potenciometrična, b) kapacitivna in c) diferencialna [27]. ... 25

Slika 2.29: Mehanska obremenitev kovinske palice [26]. ... 26

Slika 2.30: Tipični elastični elementi in njihove zmogljivosti [28]. ... 27

Slika 2.31: Uporovni senzor iz štirih merilnih lističev v kovinski membrani [26]. ... 27

Slika 2.32: Piezo senzor v prerezu [28]. ... 28

Slika 2.33: Piezoelektrični senzor kot senzor pospeška [26]. ... 28

Slika 3.1: Teoretični tlaki za predviden cikel stiskalnice. ... 30

Slika 3.2: Teoretični pretoki za dani cikel stiskalnice. ... 31

Slika 3.3: Koncept hidravličnega krmilja s servo ventilom. ... 32

Slika 3.4: Spletni konfigurator HAKO za določitev ustrezne servo hidravlične linearne osi. ... 33

Slika 3.5: Preračun hidravličnih veličin v spletnem konfiguratorju HAKO... 33

(20)

Slika 3.6: Določitev vodenja in tesnjenja hidravličnega valja. ... 34

Slika 3.7: Montaža hidravličnega valja s pomočjo prirobnice... 34

Slika 3.8: Način montaže z batnico hidravličnega valja. ... 35

Slika 3.9: Hidravlična priključna plošča, akumulatorji in ventili. ... 35

Slika 3.10: Merilnik pomika za vgradnjo v linearno os. ... 36

Slika 3.11: Primer servo hidravlične linearne osi določene s konfiguratorjem HAKO. ... 36

Slika 3.12: Hidravlična shema cevovodov. ... 37

Slika 3.13: Shema hidravličnega agregata z eno črpalko s konstantno iztisnino. ... 38

Slika 3.14: Strojna in programska oprema na hidravličnem krmilju in merjene veličine. ... 39

Slika 3.15: Grafični vmesnik za krmiljenje in prikaz merjenih veličin... 40

Slika 3.16: Blokovni diagram za krmiljenje hidravličnega ventila. ... 40

Slika 3.17: Blokovni diagram za zajem, obdelavo in shranjevanje merjenih veličin. ... 41

Slika 3.18: Jarem s tremi ploščami in štirimi vodilnimi stebri. ... 42

Slika 3.19: Struktura ogrodja stiskalnice. ... 43

Slika 3.20: Obremenitvena primera za MKE analizo. ... 44

Slika 3.21: Pričakovana kritična mesta. ... 44

Slika 3.22: MKE analiza ogrodja stiskalnice... 45

Slika 3.23: Simulacijski model hidravličnega krmilja za pozicijsko regulacijo. ... 46

Slika 3.24: Odziv sistema na skočni signal. ... 48

Slika 3.25: Cikel za pozicijsko ločljivost pehala - primer za pozicijske skoke 1 mm. ... 49

Slika 3.26: Grafični prikaz cikla stiskalnice. ... 50

Slika 4.1: MKE analiza za natezno obremenitev 18 kN a) notranje napetosti in b) deformacije. .... 51

Slika 4.2: MKE analiza za tlačno obremenitev 18 kN a) notranje napetosti in b) deformacije. ... 52

Slika 4.3: MKE analiza 20 kN, premične plošče na poziciji 50 mm. ... 52

Slika 4.7: Notranje napetosti v odvisnosti od obremenitve in položaja premične plošče. ... 54

Slika 4.8: Primerjava notranjih napetosti. ... 55

Slika 4.9: Deformacije ogrodja stiskalnice. ... 55

Slika 4.10: Primerjava deformacij ogrodja stiskalnice... 56

Slika 4.11: Vpliv odzivnosti ventila na odziv sistema. ... 57

Slika 4.12: Vpliv krmilnih parametrov P in I na odziv sistema. ... 58

Slika 4.13: Dober odziv sistema pri P=8 in t=10 ms. ... 58

Slika 4.14: Odziv sistema pri P=17, t=5 ms in P=8, t=10 ms. ... 59

Slika 4.15: Vpliv stopnje prekritja ventila na odziv sistema. ... 60

Slika 4.16: Vpliv stopnje prekritja ventila na odziv sistema. ... 60

Slika 4.17: Vpliv mrtvih volumnov pA in pB na odziv sistema. ... 61

Slika 4.18: Vpliv obratovalnega tlaka na odziv sistema. ... 62

Slika 4.19: Vpliv mase pehala/bremena m=100 kg na odziv sistema. ... 63

(21)

Slika 4.21: Vpliv sile trenja pehala na odziv hidravličnega valja. ... 64

Slika 4.22: Odziv sistema pri koraku 1 mm. ... 65

Slika 4.23: Odziv sistema pri koraku 0,1 mm. ... 66

Slika 4.24: Detajl pozicije hidravličnega valja in reference pri koraku 0,1 mm. ... 66

Slika 4.25: Odziv sistema pri koraku 0,01 mm... 67

Slika 4.26: Pozicijska točnost pri koraku 0,01 mm. ... 67

Slika 4.27: Korekcija referenčnega signala poti za doseganje točne pozicije pehala. ... 68

Slika 4.28: Simulacija cikla HG-DG-mirovanje-PG. ... 69

Slika 4.29: Prototipna hidravlična servo stiskalnica. ... 70

Slika 4.30: Referenčni in izmerjeni pomik pehala. ... 71

Slika 4.31: Izmerjeni tlaki v komori A in B hidravličnega valja. ... 71

Slika 4.32: Izračunana potisna in vlečna sila hidravličnega valja. ... 72

(22)

(23)

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Načini tesnjenja na strani bat/ohišje [11]. ... 12 Preglednica 2.2: Primerjava med različnimi kombinacijami vodenja in tesnjenja [9]. ... 13 Preglednica 2.3: Primerjava med lastnostmi posameznih tipov senzorjev sile [28]. ... 25 Preglednica 3.1: Podatki o maksimalnih silah, hitrostih in gibih za predviden cikel. ... 29 Preglednica 3.2: Priporočljive hitrosti toka fluida za hidravlične vode. ... 37 Preglednica 3.3: Merilniki in osnovne karakteristike... 41 Preglednica 3.4: Parametri komponent simulacijskega modela, prikazanega na sliki 3.23. ... 47 Preglednica 3.5: Popis cikla stiskalnice. ... 49 Preglednica 4.1: Rezultati MKE analize ogrodja stiskalnice. ... 54 Preglednica 4.2: Komponente in podatki prototipa hidravlične stiskalnice. ... 70 Preglednica 4.3: Popis meritev globokega vleka hidravlične stiskalnice. ... 71

(24)

(25)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A Amper električni tok

m m dolžina

n Hz, s^-1 vrtilna frekvenca

p MPa tlak

v m s^-1 hitrost

t s čas

V volt električna napetost

W σ Δy F K s

vat MPa m N m

električna moč napetost deformacija sila

člen krmiljenja pomik

Indeksi

i imenska

p preoblikovalna

d diferencialni

i integralni

p proporcionalni

dej dejanski

ref referenčni

(26)

(27)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

AC dvosmerni električni tok

DC enosmerni električni tok

DG delovni gib

DDSV direktno delujoči servo ventili

HG hitri gib

LVDT linearni variabilni diferencialni transformator

MKE metoda končnih elementov

MLDT magnetostriktivni linearni pretvornik položaja

PG povratni gib

PI proporcionalni-integracijski krmilnik

PTFE politetrafluoroetilen

(28)

(29)

1. Uvod

1.1. Ozadje problema

Zmogljivost in trajnostne lastnosti materialov z visoko trdnostjo, komponent in podsestavov, se določa s pomočjo mehanskega testiranja pri velikih silah. Uporablja se v številnih panogah industrije, kot je stavbno inženirstvo, letalstvo, vesoljska in železniška tehnika. Mehansko testiranje poteka s pomočjo t.i. hidravličnih testnih sistemov, ki morajo zagotavljati široko območje zmogljivosti. Le-te so značilni tako za preproste statične preizkuse, kot tudi za dinamične preizkuse. Med statične preizkuse najpogosteje štejemo enoosni natezni in tlačni preizkusi ter preizkus upogibne trdnosti materiala. Med dinamične preizkuse štejemo predvsem preizkus utrujanja materiala in določanje trajne dinamične trdnosti.

Razvoj servo hidravlike in uporabe servo hidravličnih ventilov se je začel po letu 1960.

Hidravlični sistemi so se v industriji prvotno uporabljali za odprto-zančno krmiljenje, predvsem za visoko zmogljive sisteme. Servo hidravlika in zaprto-zančno krmiljenje pozicije batnice hidravličnega valja se je začelo uporabljati kmalu po II. svetovni vojni.

Kasneje so vpeljali še zaprto-zančno krmiljenje tlaka in posledično sile. Številne aplikacije takratnega časa najdemo v industriji še danes. Kljub napredku se dandanes hidravlični servo sistemi še vedno uporabljajo izključno za visoko zmogljive sisteme, najpogosteje za zahtevne proizvodnje tehnologije, kjer se zahteva visoka natančnost pozicioniranja in visoka odzivnost in sposobnost sistemov na zunanje motnje. Danes zaprto-zančna krmilna tehnika predstavlja temelj v avtomatizaciji in natančnih pozicionirnih sistemih, kjer se pričakuje visoka gostota energije oziroma visoke obremenitve. Prav tako je prilagodljivost velika prednost hidravličnih sistemov in je posledično enostavno slediti spremembam obratovalnih pogojev in delovnih ciklov za potrebe specifičnih aplikacij.

V splošnem hidravlične servo sisteme uporabljamo kadar je potrebno zagotoviti:

a) velike sile ali navor (industrijske stiskalnice, dvig in prenos bremena, izkopavanje),

b) hiter in tog odziv proti bremenu (letalski simulatorji in mehanska orodja), c) točen nadzor nad odzivom (nadzor zračnega prostora, industrijska robotizacija), d) ročni nadzor gibanja velikih sil (prenos težke mehanizacije, letalstvo).

V zadnjih letih je šel razvoj v smeri implementacije električnih pogonov, še posebej za nadzor visoko dinamičnih gibanj. Kljub temu pa se v industriji še vedno pogosto uporabljajo hidravlični servo sistemi. Servo ali servomehanizem je nadzorni sistem, ki meri svoj izhodni odziv in hitro ter točno sledi nadzornemu signalu. Servomehanizmi so

(30)

Uvod

oblikovani tako, da lahko nadzirajo vse fizikalne veličine, kot so gibanje, sila, tlak, temperatura in elektrika [1].

Ker so zgoraj omenjeni sistemi zelo dragi, tudi nekaj sto tisoč evrov, smo se v laboratoriju LASIM odločili, da zasnujemo lasten testni sistem. Osnovne komponente hidravličnega servo sistema nameravamo kupiti in sestaviti. Največji doprinos, ki je hkrati tudi komercialno ocenjen kot najdražji del, predstavlja krmiljenje in razvoj grafičnega vmesnika ter integracija merilne opreme. Ta del zasnujemo in izdelamo v okviru magistrske naloge in naj nebi presegal vložka 30 000 EUR.

1.2. Cilji

Glavni namen naloge je zasnovati koncept visoko-dinamične in precizne testne naprave, ki bi jo lahko uporabljali za namen raziskovalnega dela na področju fleksibilnega in visoko- produktivnega preoblikovanja ter izvajanja statičnih in dinamičnih testov za določitev materialnih lastnosti preizkušancev. V sklopu preoblikovalnih procesov imamo v mislih procese, kot so globoki vlek, iztiskavanje, inkrementalno preoblikovanje, itd. Za namen testiranja želimo izvajati preizkuse, kot so natezno-tlačni preizkus, upogibni preizkus in preizkus utrujanja materiala. Visoko dinamiko sistemov in natančnost pozicioniranja lahko dosežemo z različnimi pogoni: električni servo ali hidravlični servo pogoni. Slednji se največkrat uporabljajo za zahtevnejše procese preoblikovanja, hkrati pa jih lahko uporabimo tudi za namen testiranja. V tej nalogi se bomo osredotočili na visoko-dinamične hidravlične servo stiskalnice.

Cilj koncipiranja hidravlične servo stiskalnice je zasnovati hidravlično krmilje, to so vse hidravlične, krmilne komponente, vključno z ustrezno krmilno metodo in določiti potrebne merilnike za zaznavanje pozicije pehala, tlaka v hidravličnem sistemu, potisne in vlečne sile pehala in temperaturo hidravličnega olja. Predvidene so maksimalne hitrosti hidravličnega valja do 1 m/s in maksimalni obratovalni tlaki do 250 bar. Pri določitvi hidravlične servo linearne osi si bomo pomagali s spletnimi konfiguratorji za sestavo hidravlične linearne osi. Komponente, kot so hidravlična črpalka, varnostni ventili, filtri in cevovodi, določimo analitično. Eden od pomembnejših ciljev predstavlja izdelava ustreznega simulacijskega modela, predlaganega koncepta hidravličnega krmilja s programskim orodjem DSHplus, za katerega izvedemo simulacije za analizo in potrjevanje vplivnih parametrov.

Naslednji cilj je izdelati koncept mehanskega ogrodja stiskalnice, ki bo zagotavljal zadostno togost, ustrezen gib pehala in ustrezno vodenje premikajočih mehanskih delov za zagotavljanje paralelnosti giba pehala in nizko trenje. Za ključne elemente ogrodja stiskalnice bomo analizirali notranje napetosti in maksimalne deformacije s pomočjo metode končnih elementov (MKE). Za ogrodje stiskalnice bomo izdelali strukturo izdelka in načrt montaže. Zasnovali bomo tudi ostale mehanske dele za pritrditev elementov.

Eden od ciljev magistrske naloge predstavlja razvoj grafičnega vmesnika s programskim orodjem NI Labview, ki bo omogočal zajem, vizualizacijo, analizo in shranjevanje merjenih veličin ter tudi krmiljenje hidravlične servo stiskalnice (pozicijska regulacija in kreiranje ciklov).

(31)

Uvod

Na podlagi koncepta stiskalnice bomo izdelali prototip, izvedli testni zagon sistema in analizirali cikel globokega vleka v zaprto-zančnem krmilnem načinu. Namen testiranja je potrjevanje delovanja prototipa in kalibracija merilne opreme.

(32)

Uvod

(33)

2. Teoretične osnove in pregled literature

2.1. Mehanske in hidravlične stiskalnice

Glavna naloga stiskalnice je preoblikovanje obdelovanca, ki ga povzroči prenos sil iz stiskalnice, preko matrice, na obdelovanec. V grobem jih delimo glede na:

a) mehanizem delovanja (hidravlična, mehanska in pnevmatska), b) funkcijo (kovaška in udarna),

c) strukturo (kolenska in vretenska),

d) sistem nadzora (konvencionalna in servo stiskalnica).

Med seboj se razlikujejo v konstrukciji, načinu delovanja in vrsti pogona.

Mehanske stiskalnice spadajo med stroje z omejenim gibom - zgornja in spodnja mrtva točka oz. zgornja in spodnja omejitev gibanja pehala. Mednje uvrščamo ekscentrične, ročične in kolenske stiskalnice. Osnovna značilnost mehanskih stiskalnic je omejena pot pehala, ki je odvisna od kinematike in dimenzije pogonskega mehanizma. Pri nekaterih stiskalnicah je pot možno spreminjati z nastavitvijo ročičnega ali ekscentričnega mehanizma. Glede na obliko ogrodja jih delimo na odprte in zaprte stiskalnice. Odprte stiskalnice imajo dostopnejšo pot do delovnega prostora in se uporabljajo predvsem za lažje delovne procese, vendar se pri večjih obremenitvah pogosteje pojavijo prevelike deformacije okvirja. Uporabljajo se predvsem za rezanje in štancanje.

Imenska sila (Fi) je teoretična sila do katere se stiskalnico še lahko obremeni, dane pride do nastanka poškodb ali nedovoljene deformacije stroja. Sila, ki jo ustvari stiskalnica se imenuje preoblikovalna sila (Fp). Velikost sile je odvisna od kota ročičnega mehanizma (slika 2.1). Ob stalni obremenitvi se sila povečuje do t.i. spodnje mrtve točke (SMT), kjer je neskončno velika. Učinkovitost stiskalnice določata tudi hod in hitrost pehala. Mehanske stiskalnice so zaradi svojih mehanskih omejitev in nezmožnosti korekcije gibanja pehala med samim procesom zelo nefleksibilne in zato manj primerne za hitro spreminjajoče procese, oziroma unikatne ali maloserijske proizvodnje. V primerjavi s hidravličnimi stiskalnicami, so mehanske stiskalnice hitrejše in cenejše, vendar se hitreje preobremenijo;

prav tako hitrosti in dolžine hoda pehala ni moč nastavljati [1].

Bistvena razlika med mehanskimi in hidravličnimi stiskalnicami je prikazana na spodnji sliki 2.1, kjer je tipičen cikel gibanja pehala, pri mehanski stiskalnici, prikazan kot modra krivulja, cikel gibanja pehala pri globokem vleku, izveden s hidravlično stiskalnico, pa kot rdeča krivulja. Občutna razlika se kaže v dolžini giba pehala, kjer pri hidravlični stiskalnici poljubno nastavimo zgornjo in spodnje lego pehala, medtem ko je pri mehanski ta fiksna.

(34)

Teoretične osnove

Poleg tega lahko pri hidravlični stiskalnici zaradi prilagoditve gibanja pehala (optimalni pomiki in hitrosti) skrajšamo celoten cikel [4].

Slika 2.1: Primerjava med mehansko in hidravlično stiskalnico - cikel [4].

Za doseganje visoke fleksibilnosti in možnosti nastavitve poljubnega cikla gibanja pehala, se namesto mehanskih stiskalnic uporabljajo mnogo bolj fleksibilne hidravlične stiskalnice.

V primerjavi z mehanskimi, so hidravlične stiskalnice bolj fleksibilne, kjer lahko zelo natančno definiramo različne cikle gibanja pehala in jih zato uporabljamo za najzahtevnejše procese, kjer se zahteva regulacija poti, hitrosti in sile. Primer cikla s podrobnejšim opisom posameznih segmentov je predstavljeno na sliki 2.2.

(35)

Zgornjo lego pehala (ZLP) in spodnjo lego pehala (SLP) lahko poljubno nastavljamo, v skladu s potrebami procesa. Ravno tako se lahko vsa pospeševanja in zaviranja pehala nastavlja s krmilno funkcijo odpiranja in zapiranja zvezno delujočih ventilov. Za namen skrajšanja cikla procesa je pomembno krmiliti hitrost, zaviranje in pospeševanje v delu hitrega spusta in povratnega giba, delovni gib prilagodimo želeni hitrosti deformacije preoblikovanca. V sam proces lahko s pomočjo naknadnega tlaka (komprimiranje) odpravljamo efekt elastičnega izravnavanja preoblikovanca. Z dekompresijo in postopnim pospeševanjem v hitri povratni gib, se izognemo prevelikim tlačnim udarom, ki bi povzročili poškodbe hidravličnih komponent in celo orodja [3].

Hidravlične stiskalnice so fleksibilne naprave, saj dosegajo poljubne cikle, ki jih z mehanskimi stiskalnicami nikakor ne bi mogli doseči (Slika 2.3) [5].

Slika 2.3: Zagotavljanje poljubnih ciklov s hidravlično stiskalnico [5].

2.2. Visoko-dinamične hidravlične naprave

a) b)

Slika 2.4: Primer natezno/tlačnega preizkusa: a) grafični vmesnik b) testna naprava [6].

(36)

V primeru, da želimo stiskalnico uporabiti tako za običajne preoblikovalne procese, kot so globoki vlek, vtiskovanje, krivljenje, itd., kot tudi za testiranje materialnih lastnosti preizkušancev, testne naprave za natezni, tlačni in upogibni preizkus, je potrebno razviti visoko-dinamični sistem, ki omogoča hitro in enostavno prilagajanje in nastavitev parametrov različnim procesom. V primeru zahtevnejših preoblikovalnih procesov, se največkrat uporabljajo hidravlične stiskalnice. Če govorimo o testnih napravah, so te lahko krmiljene z električnimi servo pogoni ali pa z servo hidravličnimi linearnimi osmi, najvišje kakovosti. Ena od takih hidravličnih testnih naprav, namenjena za izvedbo preizkusov materialnih lastnosti preizkušancev, je prikazana na sliki 2.4b [6]. Slika 2.4a prikazuje grafični vmesnik naprave.

Nekaj primerov uporabe hidravličnih testnih naprav za izvedbo različnih testov prikazuje slika 2.5.

Slika 2.5: Uporaba hidravlične testne naprave za različne teste [6].

2.3. Hidravlična krmilja

Glavno komponento hidravličnega krmilja, za najzahtevnejše aplikacije v proizvodnih sistemih (zahtevnejši procesi preoblikovanja in testiranje mehanskih lastnosti na eni napravi) predstavlja visoko-dinamična hidravlična linearna os. Le ta je lahko krmiljena z direktno delujočimi servo ventili (DDSV), kot je to na primer DDV633, proizvajalca MOOG, ali pa servo ventili, krmiljen s torzijskim motorjem, kot je to D765, proizvajalca MOOG [7, 8].

a) b)

(37)

Osnovna zgradba običajnega hidravličnega servo pogona, je prikazana na sliki 2.6a.

Linearni pogon je sestavljen iz hidravličnega valja, priključne plošče, regulacijskega ventila (direktno delujoči 4/3 servo ventil) in merilnika pomika. Opcijsko sistemu lahko dodamo končna stikala in merilnik sile. Za najzahtevnejše aplikacije, kot so testne naprave, uporabljamo zgradbo hidravlične linearne osi, prikazane na sliki 2.6b. Ta je sestavljena iz hidravličnega valja z dvema batnicama in krmiljena s 4/3 servo ventilom. Običajno je hidravlični valj izdelan bolj kakovostno, uporabljajo se drugi materiali, tipi tesnjenja in vodenja. Za odpravo tlačnih udarov uporabljamo hidravlične akumulatorje, priključene direktno na priključno ploščo [9, 10].

Hidravlična krmilna shema za pozicijsko regulacijsko zanko, prikazuje slika 2.7. V tem primeru glavno krmilno komponento predstavlja DDSV (direktno delujoč servo ventil). Za zaprto-zančno krmiljenje in najzahtevnejše aplikacije se uporablja direktno delujoče 4/4 servo ventile, poimenovane tudi regel ventile (shema na sliki 2.8a ali pa servo ventile, krmiljene s torzijskim motorjem (shema na sliki 2.8b) [12].

Slika 2.7: Uporaba direktno delujočega 4/3 servo ventila pri pozicijski krmilni zanki [12].

a) b)

Slika 2.8: Servo ventil pri zaprti krmilni zanki: a) 4/4 regel ventil, b) servo ventil [13].

Poleg prave izbire hidravličnih ventilov za krmiljenje visoko-dinamičnih linearnih osi, je pomembno tudi izbrati pravi hidravlični valj, ki mora ustrezati kakovosti ventila. Vgradnja servo ventila na hidravlični valj, s slabimi statičnimi in dinamičnimi lastnostmi, ne zagotovi stabilnega delovanja sistema in hitrega odziva [14].

Servo hidravlične linearne osi se delijo glede na stopnjo frekvenčnega delovnega področja naprave, kot je to prikazano na sliki 2.9. V prvo kategorijo, do frekvence obratovanja 7 Hz, spadajo običajni hidravlični pogoni, kjer uporabimo hidravlični valj z eno batnico. Za krmilno komponento uporabimo visoko-dinamične direktno delujoče servo ventile, oziroma kot jih poimenujemo regulacijske ventile (direktno delujoči servo ventili). V drugo kategorijo, do frekvence obratovanja 25 Hz, spadajo hidravlični pogoni kjer

(38)

uporabimo hidravlični valj z dvema batnicama (simetrija krmilnih volumnov). Za krmilno komponento uporabimo servo ventile, priključene na priključno ploščo, ki je vgrajena na sredino linearne osi. V tretjo kategorijo, frekvence obratovanja nad 25 Hz, spadajo hidravlični pogoni kjer uporabimo hidravlični valj z dvema batnicama in posebnim brezdotičnim hidrostatičnim vodenjem in tesnjenjem (samodejno centriranje, izboljšanje tornih lastnosti). Za krmilno komponento uporabimo servo ventile [14].

Slika 2.9: Področja uporabe in omejitve različnih servo hidravličnih pogonov [10].

2.3.1. Hidravlični valji

Za vse vrste servo hidravličnih valjev je značilno nizko trenje med drsnimi površinami, posledično nizka obraba drsnih površin in daljša življenjska doba komponent. Da dosežemo omenjene lastnosti, so vse drsne površine (predvsem bat in batnica) obdelane s tehnologijo honanja površine s križno strukturo. Na ta način dobimo izboljšane mazalne lastnosti, zmanjšano obrabo valjev in tesnil ter posledično za približno 3 krat manjšo notranje puščanje, do 2x manjšo obrabo tesnil in batnice. Za zmanjšanje notranje napetosti vodil in tesnil, pri servo hidravličnih valjih, uporabljamo ustrezen ujem H7/f7, ki ugodno vpliva na samo obrabo tesnil in hkrati zadostno učinkovito tesnjenje [15].

Hidravlični valji so običajno izdelani iz malo, a kakovostnih komponent, ki jih lahko izdelamo v eni stopnji. To so navadno batnica in bat iz samostojnega dela ter hidravlični valj z dnom in pokrovom (slika 2.10) [15, 16].

(39)

Vodenje in tesnjenje v servo hidravličnih valjih je zagotovljeno na različne načine. Valj mora pri obratovanju imeti majhen vpliv trenja in zdrsa, na kar vpliva ustrezna izbira tesnila in vodila. Tesnila so nameščena na stične dele komponent hidravličnega valja in sicer med batom in ohišjem ter batnico in prirobnico pokrova hidravličnega valja. V grobem lahko razdelimo tesnjenje in vodenje na tri osnovne principe, ki so prikazani na sliki 2.11, sliki 2.12 in sliki 2.13 [15].

a) Tesnjenje in vodenje s kontaktom (konvencionalno)

Uporablja se za industrijske hidravlične valje in manj zahtevne aplikacije (slika 2.11) [15].

Slika 2.11: Tesnjenje in vodenje pri industrijskih hidravličnih valjih [15].

b) Tesnjenje s kontaktom in vodenje s hidrostatičnim tlakom v reži

Glavna razlika v primerjavi s konvencionalnim vodenjem in tesnjenjem je v labirintnem tesnjenju, na strani bat ohišje, na strani batnice pa eno od tesnil zamenjamo z režo, ki zagotavlja hidrostatični žep in s tem padec tlaka ter manjšo obremenitev tesnil (slika 2.12) [15].

Slika 2.12: Tesnjenje in vodenje pri visoko-dinamičnih hidravličnih valjih [15].

c) Tesnjenje s kontaktom in vodenje s hidrostatičnim tlakom v notranji komori

Razlika v primerjavi s kontaktom in vodenjem s hidrostatičnim tlakom v reži je, da ima dodatni žep ali komoro. Tlak je v tem primeru najvišji v komori batnica/ohišje (slika 2.13) [15].

(40)

Slika 2.13: Tesnjenje in vodenje pri servo hidravličnih valjih [15].

prikazuje različne načine vodenja in tesnjenja bata hidravličnega valja. Predstavljene so različne kombinacije tesnil - kvadratno tesnilo, servo tesnjenje in labirintno tesnjenje z ničelno režo, s tremi vrstami valjev. Opazovani parametri so:

a) torne razmere, b) hitrost pomika, c) frekvenca,

d) amplituda pomika.

Razvidno je, da je najučinkovitejši sistem tesnjenja labirintno bat/ohišje tesnjenje z ničelno režo prekrivanja [11]. Načini tesnjenja in vodenja so prikazani v preglednici 2.1.

Preglednica 2.1: Načini tesnjenja na strani bat/ohišje [11].

Enojna batnica Dvostranska batnica Dvostranska batnica Serija 120, 180,

300 Serija 120, 300 Serija 320

Kvadratno

tesnilo A

''Servoseal''

tesnjenje B

Tesnjenje z ničelno

režo C

Legenda: A:= amplituda je večja od 6mm, brez lekaže, obstoječa obraba, trenje se spreminja s tlakom,

B:= neskončno velika amplituda, brez lekaže; majhna obraba; majhno trenje, C:= neskončno velika amplituda; obstoječa lekaža; brez obrabe; brez trenja.

Tesnilo med batnico in prirobnico pokrova je lahko v kombinaciji z vodilom nameščeno znotraj glave hidravličnega valja, kar zmanjša verjetnost vnosa nečistoč v notranjost hidravličnega valja. Glava hidravličnega valja je sestavljena iz vodila, tesnila in posnemalnega obroča (slika 2.14) [9].

(41)

Slika 2.14: Shema prereza glave hidravličnega valja [11].

Tesnilo z vodilom, je del prirobnice (preglednica 2.2). Izbiramo lahko med različnimi kombinacijami vodil in tesnil, ki se razlikujejo glede na:

a) natančnost pomika batnice v hidravličnem valju, b) koeficient trenja,

c) obrabo materiala, d) lekažo,

e) temperaturno območje uporabe, f) območje delovne hitrosti [9].

Preglednica 2.2: Primerjava med različnimi kombinacijami vodenja in tesnjenja [9].

Vrsta tesnjenja Osnovna

oblika Servocop® Servofloat® Oljno

tesnjenje

Vrsta vodenja

Servoslide® A B C /

Kovinsko

vodilo D E F /

PTFE drsni

obroč / G H /

Servobear® / / / I

(42)

Legenda:

A:= enostavni pomiki, vibracije pri velikih pomikih (< 25 Hz), prečne sile zaradi bočnih pomikov, dobre karakteristike trenja, blaženje tresljajev, večinoma brez »stick-slip« efekta, v < 5 m/s,

B:= enostavno in nadzorovano gibanje, vibracije pri velikih pomikih (< 25 Hz), prečne sile zaradi bočnih pomikov, izboljšane karakteristike trenja, blaženje tresljajev, večinoma brez »stick-slip« efekta, v < 2 m/s, C:= občutljivi pomiki, vibracije pri majhnih in velikih pomikih (< 25 Hz), zunanje bočne obremenitve, zelo majhno trenje, majhna obraba, lekažna črpalka ni potrebna, v < 2m/s,

D:= enostavni pomiki, visoke temperature, univerzalna uporaba, v < 5 m/s,

E:= enostavni pomiki, visoke temperature, izboljšane karakteristike trenja, večinoma brez »stick-slip« efekta, v < 1 m/s,

F:= enostavni pomiki, visoke temperature, zelo majhno trenje, majhna obraba, lekažna črpalka ni potrebna, v

< 1 m/s,

G:= enostavni in nadzorovani pomiki, vibracije pri velikih pomikih (< 25 Hz), prečne sile zaradi bočnih pomikov, dolg hod hidravličnega valja, večinoma brez »stick-slip« efekta, v < 3 m/s,

H:= Občutljivi pomiki, vibracije pri majhnih in velikih pomikih, velike bočne obremenitve, zelo majhno trenje, majhna obraba, lekažna črpalka ni potrebna, v < 4 m/s,

I:= Občutljivi pomiki, visoka odzivnost > 25 Hz, najvišje bočne obremenitve, zelo majhno trenje, lekažna črpalka ni potrebna, v< 4 m/s.

Med tesnilom in vodilom nemalokrat pride do trenja, ki se lahko z naraščanjem tlaka povečuje. Na sliki 2.15 je prikazan vpliv naraščajočega tlaka, v odvisnosti od statične oz dinamične sile trenja, za različne kombinacije vodil in tesnil. Kombinaciji sta označeni z različnima barvama, pri čemer zgornja krivulja predstavlja statično silo trenja, spodnja pa dinamično silo trenja. Med izbranimi kombinacijami je najmanj učinkovita kombinacija tesnjenja/vodenja ali t.i. basic design/Servoslide®, saj se ob povišanem tlaku linearno poveča dinamična sila trenja, med tem ko je statična sila trenja že pri začetnem tlaku večja od dinamične sile trenja, pri 80 barih pa že doseže največjo vrednost. Učinkovitejša kombinacija tesnjenja/vodenja je t.i. Servocop®/Servoslide®', vendar tudi v tem primeru opazimo vpliv linearnega naraščanja obeh sil trenja, v odvisnosti od povišanega tlaka. Pri meritvah dinamične sile trenja dosega enake rezultate, kot kombinacija tesnjenja/vodenja t.i. Osnovna oblika/Servoslide®. Najučinkovitejši sistem vodenja/tesnjenja stat.i. sistema Servofloat®/Servoslide® in Oljno tesnjenje/ Servobear®, saj se z naraščanjem tlaka statična in dinamična sila trenja ne spreminjata [9].

(43)

Velikost sile trenja, oziroma kakovost tornih razmer v hidravličnem valju, je močno odvisno od izbire vrste vodenja in tesnjenja. Na sliki 2.16 graf prikazuje izmerjeno silo trenja med gibanje hidravličnega valja od -90 mm do +90 mm (oranžna krivulja), pri različnih kakovostih hidravličnih valjev, oziroma različni vrsti vodenja in tesnjenja.

Slika 2.16: Sila trenja odvisna od vrste hidravličnega valja oz. vrste vodenja in tesnjenja [15].

Pri običajnih hidravličnih valjih (svetlo modra krivulja) je opaziti do 10x večjo silo trenja v gibanju, v primerjavi z visoko-dinamičnimi in servo hidravlični valji (zelena krivulja) in izredno visoko začetno statično silo trenja ali silo lepenja, pri visokih obratovalnih tlakih, ob spremembi smeri gibanja hidravličnega valja. Sila trenja je pri običajnih hidravličnih valjih in uporabi vodenja in tesnjenja s kontaktom močno odvisna od obratovalnega tlaka in se z večanjem tlaka povečuje. Glavna lastnost servo hidravličnih valjev in hidrostatičnega vodenja in tesnjenja z oljnimi žepi izkazuje mnogo manjše sile trenja v vseh obratovalnih pogojih [11].

2.3.2. Ventili

Ventile v splošnem delimo na servo in proporcionalne ventile ter so v pnevmatiki in hidravliki zvezno delujoči ventili. Ventil, pri katerem se uravnava položaj ventila, imenujemo potni ventil, tlak - tlačni ventil in tok - tokovni ventil, ki je nastavljiv in premo sorazmeren električnemu analognemu signalu ali digitalnemu vhodnemu signalu. Med seboj se ventili razlikujejo predvsem v količini ustvarjenega tlaka, za premik bata.

Proporcionalni ventili dobro delujejo le pri nizkih tlačnih padcih (do 8 bar), saj upor v ohišju ventila vpliva na linearnost pretoka hidravlične tekočine v in iz ventila pri večjem volumskem toku. Slabost je njihova zmogljivost, saj je pri višjih pretokih Bernoullijeva sila večja od ustvarjene sile. V tem primeru ventil izgubi kontrolo, ki pa se ponovno vzpostavi ob zmanjšanju sile pretoka. Nasprotno servo-ventili dobro prenašajo velike tlačne padce (tudi do 70 bar), saj upor v ohišju, pri večjem volumskem toku, zelo malo vpliva na linearne karakteristike med vhodnim in izhodnim signalom. Servo ventile se pogosteje uporablja, saj bolje delujejo v sistemih z visokimi pretoki, kjer tlak v sistemu

(44)

lahko premika vretena in nasprotuje silam visokih pretokov. Prav tako imajo hitrejši in bolj linearen odziv, zato jih posledično lažje krmilimo.

Proporcionalni ventili so sestavljeni iz električne tuljave in magneta z relativno veliko močjo (okoli 50 W), s pomočjo katerega lahko direktno krmilimo ventilski bat in premagujemo sile vzmeti. Prav tako imajo veliko različnih vrst tuljav, pravilna izbira navitja pa je ključnega pomena za doseganje največje zmogljivosti v sistemu. Servo ventili uporabljajo majhen torzijski motor z relativno manjšo močjo (okoli 0,1 do 0,3 W), za krmiljenje hidravličnega tlaka, vhodna moč pa znaša okoli 100 W. Servo ventil je pilotno krmiljen preko zaprte zanke in sicer je tuljava preko povratne igle povezana z batom, na katerega je pritrjen navorni motor [14].

Proporcionalni ventil potrebuje ojačevalnik, ki pretvori signal proporcionalni integracijski krmilnik (PI) ali proporcionalni-integracijski-diferencialni krmilnika (PID) v signal za premik navitja. Linearni variabilni diferencialni transformator (LVDT, ang.: linear variable differential transformer) pošlje povratno informacijo o poziciji navitja nazaj k ojačevalniku, ki določi napako signala. Odzivni čas proporcionalnih ventilov je zato navadno počasnejši od servo ventilov, saj mora ustvariti zadostno silo za pomik navitja LVDT krmilnika in elektromagnetnega jedra, del energije pa se porabi za premagovanje notranje sile vzmeti. Servo ventili so v primerjavi s proporcionalnimi ventili bolj dovršeni in dražji [14, 17].

a) Direktno delujoči servo ventili – DDSV

DDSV ventili so običajno 4/3 potni ventili in jih uporabljamo tako za odprto-zančno, kot tudi za zaprto-zančno krmiljenje pozicije batnice hidravličnega valja (slika 2.17). Njihova glavna značilnost je, da so konstrukcijsko blizu servo ventilom, to pomeni skoraj ničelno prekritje med krmilnim robom puše in krmilnim robom bata ventila (do 3-5 % maksimalnega pomika bata). Krmiljeni so z linearnim motorjem, ki omogoča tako potisne, kot tudi vlečne sile. Imajo tri položaje; sredinski ničelni položaj in a ter b položaja za vzpostavitev stanja P-A, B-T (analogni krmilni signal od 0 do +10 V) in P-B, A-T (analogni krmilni signal od 0 do -10 V). Centriranje krmilnega bata v središčni položaj, ob krmilni električni napetosti 0 V, je zagotovljeno s centrirno vzmetjo. Obvezno je integriran merilnik poti krmilnega bata (običajno LVDT merilnik), za zmanjšanje histereze pomika krmilnega bata ventila in s tem zmanjšanje histereze pretoka čez ventil. Eno od možnih izboljšav predstavlja tudi integracija krmilne elektronike direktno na ventil, za odpravo motenj krmilnih signalov in hitrejši odziv povratne zanke [7].

(45)

d) Regel oziroma regulacijski ventili

Regel ventili so 4/4 potni ventili, kar pomeni, da imajo 4 možne položaje krmilnega bata:

začetni položaj, položaj a, b in ničelni položaj 0. Zgrajeni so iz ohišja ventila, puše in krmilnega bata ventila z ničelnim prekritjem. Uporabljamo izboljšane proporcionalne magnete, z vgrajenim merilnikom pomika bata ventila ali t.i. regel magneti. Običajno je krmilna elektronika integrirana na ventil, kot prikazuje slika 2.18 [18].

Slika 2.18: Zgradba direktno delujočega 4/4 servo ventila [18].

Za izboljšanje karakteristike toka fluida, lahko uporabljamo krmilne bate, s posebnimi krmilnimi zarezami na krmilnih robovih, ki vplivajo na karakteristiko pretoka v območju malih signalov, oziroma malih pomikov (odprtij ventila) bata ventila (slika 2.19) [18].

Slika 2.19: Pretočne karakteristike ventila z uporabo zarez na krmilnih robovih batov [18].

(46)

c) Servo ventili

Servo ventili so mehanski ventili s povratno zanko, kjer je vzmetni element ali povratna igla povezana s tuljavo. Premik tuljave povzroči, da se preko igle začne povečevati navor na pilotno fazo motorja. Tuljava bo držala položaj, dokler se uklon navora preko povratne igle ne izenači z navorom iz magnetnega polja, ki je induciran s tokom skozi tuljavo motorja. Takšni dvofazni ventili imajo pilotno fazo in glavno ali drugo fazo. Te ventile lahko razdelimo v dva tipa in sicer ventile s šobo-odbojno ploščo in ventile s premično šobo [19].

Servo ventil po principu šoba-odbojna plošča je v prerezu prikazan na sliki 2.20. Sestavljen je iz momentnega motorja, šobe-odbojne plošče, krmilnega bata in povratne informacijske igle [20].

Princip delovanja ventila je, da se vhodni električni signal prenese do tuljave momentnega motorja, pri tem se na obeh koncih jedra formira magnetna sila. Posledično pride do odklona modula jedra, kar se odraža v zmanjšanju odprtine na eni strani šobe-odbojne plošče. Povečata se sila hidravličnega upora in povratni tlak iz odprtine. Na drugi strani se odprtina poveča, zmanjša se hidravlični upor ter povratni tlak iz šobe upade. Povratni tlak se tako spreminja v soodvisnosti z spremembo položaja odbojne plošče. Pomik krmilnega bata omogoča povezava komore šobe z obema koncema krmilnega bata, preko povratnega tlaka. Krmilni bat premakne kroglico povratno informacijske igle, sočasno se formira povratni moment v modulu jedro-odbojna plošča. Povratni moment se postopoma zmanjšuje do izenačenja z magnetnim momentom, čemur sledi postopen pomik modula armature plošče v ničelni položaj. Posledično se krmilni bat ustavi v katerem koli položaju, kjer je povratni moment izenačen z magnetnim momentom vhodnega krmilnega signala. Iz tega lahko zaključimo, da je položaj krmilnega bata proporcionalen magnitudi vhodnega krmilnega toka. Torej kadar sta delovni in obremenilni tlak enaka, je pretok na izhodu proporcionalen položaju krmilnega bata [21].

Slika 2.20: Zgradba 4/3 servo ventila z momentnim motorjem in z odbojno ploščo [8].

(47)

2.3.3. Hidravlični akumulatorji

Hidravlični akumulator je naprava, ki pod visokim tlakom shranjuje energijo v obliki hidravličnega olja. Namen akumulatorja je shranjevanje energije, uravnavanje lekaže, temperaturna nihanja, omogoča zasilno delovanje, zmanjšuje vibracije in blaži tlačne šoke, ki se lahko pojavijo pri sunkovitem odpiranju ventila. Nemalokrat najdemo v hidravličnih sistemih večje število akumulatorjev, saj so relativno enostavni za vzdrževanje in montažo, povečajo učinkovitost naprave, imajo neomejeno dobo shranjevanja, delujejo brez inercije in opaznega t.i. učinka utrujenosti, zmanjšajo pregrevanje sistema, poveča se učinkovitost procesa in podaljša življenjsko dobo črpalke. Prav tako se lahko pri večjem številu akumulatorjev uporabi manj zmogljive črpalke.

Električno omrežje je vir energije v primeru, kadar črpalka dovaja tekočino direktno v tlačni akumulator. Med ciklom kompresije se mora iz tlačnega akumulatorja v relativno kratkem času prečrpati večja količina hidravličnega olja. Akumulator oskrbuje črpalko z energijo ob daljšem izpadu hidravlične tekočine. Večji akumulatorji so zato primerni za procese, kjer je potrebno v relativno kratkem času prenesti večje količine tekočine. Primer je operacija vlečenja, ki obsega kratke cikle in transportne čase. Pogonski sistem z akumulatorjem v tem primeru nebi mogel zagotoviti dovolj hiter dovod hidravlične tekočine [22].

Poznani so akumulatorji z mehom, batni in membranski akumulatorji kot prikazuje slika 2.21.

Slika 2.21: Hidravlični akumulatorji: a) z mehom b) z batom in c) z membrano [22].

a) Akumulator z mehom

Najpogostejši tip hidro-pnevmatskega akumulatorja in se uporablja kadar proces zahteva večje začetne moči. Nekateri akumulatorji z mehom so sposobni delovati pri maksimalnih tlakih do 1000 barov. Volumen plina in efektiven hidravlični volumen je srednje velik in znaša od 0,5 do 450 litrov (slika 2.21a) [22].

(48)

b) Batni akumulator

Samostojni del aparature, sestavljeni iz bata. Sposobni so doseči razmerje stisljivosti tudi do 10:1, pretok fluida do 215 l/s, shranjevalni volumni hidravličnega olja lahko znaša do 2500 litrov in deluje pri tlakih do 1000 barov. Slabost batnih akumulatorjev je bat, saj povzroča notranje trenje, ki negativno vpliva na reakcijski čas (t >25ms), hidravlična tekočina pa mora vsebovati manj nečistoč (slika 2.21b) [22].

c) Membranski akumulator

Sestavljeni so iz dveh delov, ki sta med seboj ločena z gumijasto ploščo ali membrano.

Membrana je zavarjena oz. privijačena na dve sferični plošči ali predela. Predel pod membrano je neposredno povezan s hidravličnim tokokrogom, nad membrano pa je napolnjen z dušikom. Predel z dušikom pomaga pri iztisku hidravlične tekočine iz spodnjega predela v sistem. Membranski akumulatorji se uporabljajo za shranjevanje manjših količin hidravlične tekočine. Odlikujejo jih podobne karakteristike, kot akumulatorji z mehom, oz. lahko dosegajo razmerje stisljivosti tudi do razmerja 8:1.

Slabost je relativno majhen shranjevalni volumen, prav tako so zaradi svoje sestave izpostavljeni večjemu vplivu vdora plina preko por membrane (slika 2.21c) [22].

2.4. Krmilne metode

PID krmilnik je največkrat uporabljen v servo hidravličnih krmilnih sistemih. Predstavlja krmiljenje s povratno zanko, kjer merimo dejanski odziv naprave y(t) in ga primerjamo z referenčnim, želenim odzivom r(t). Za referenčni signal običajno uporabimo želeni pomik hidravličnega valja, tlak v sistemu ali silo. Odvisno od tega kateri referenčni signal uporabimo v povratni zanki, vključimo ustrezen merilnik poti, tlaka ali sile (slika 2.22) [23, 24].

Slika 2.22: Blokovni diagram PID krmiljenja s povratno zanko [23, 24].

Tridelni krmilnik nadzira tri člene, to so proporcionalni člen (Kp), integralni člen (Ki) in diferencialni člen (Kd) in so popisani v prenosni funkciji (enačba (2.1)) [23, 24].

P I D

Naprava/

proces

r(t) + e(t) u(t) y(t)

y(t) -

+ +

+

S S

s(t) p(t) F(t)

U F p

U s

U Merilnik

sile

Merilnik tlaka

Merilnik poti

(49)

(2.1) Legenda: KS:= statično ojačenje sistema, s:= spremenljivka.

Prenosna funkcija je definirana kot razmerje med Laplacovim transformom odziva izhoda, signal y, proti Laplacovemu transformu vzbujanja vhoda, signal r. Pri tem predpostavimo, da so vsi začetni pogoji enaki nič. Razliko med signalom y in r imenujemo krmilni odstopek e, rezultat pa je izhodni signal u (enačba (2.2) [23, 24].

^(2.2)

Odziv sistema na koračni vhodni signal in vpliv členov P, I in D pojasnjujejo slika 2.23, slika 2.24 in slika 2.25. Odziv sistema popravljamo s pomočjo korekcijskih faktorjev P, I in D.

Proporcionalni člen Kp uravnava sistem tako, da vpeljuje kontrolni signal, ki je sorazmeren krmilnemu odstopku. Z večanjem vrednosti proporcionalnega člena, se zmanjšuje vrednost krmilnega odstopka, zato se povratni signal približuje vrednosti vhodnega signala (slika 2.23). Z zviševanjem proporcionalnega člena, se poveča odziv oz. dvižni čas sistema, vendar moramo paziti, da pri tem sistem ne postane nestabilen (slika 2.23 previsok odziv) [24].

Slika 2.23: Vpliv proporcionalenga člena [24].

Integralni člen Ki vpliva na signal napake v srednjem delu, tako da povečuje odziv sistema v stacionarnem stanju, ali pri nizkih frekvencah delovanja in ohranja odziv sistema pri visoko-dinamičnem delovanju. Integralni člen določa koliko časa je potrebno, da se izboljša točnost srednjega dela odziva sistema. Pri tem mora paziti, da ne pride do počasne oscilacije sistema (slika 2.24) [24].

Slika 2.24: Vpliv integralnega člena [24].

Diferencialni člen Kd predvideva spremembo povratnega signala in upočasnjuje odziv sistema pri visokih stopnjah sprememb. Njegov namen je povečanje stabilnosti sistema in zmanjšanju šuma pri višjih nastavitvah proporcionalnega člena. Zmanjšuje odziv sistema,

(50)

kadar je ta nastavljen previsoko in ojača šum iz senzorjev. Prevelika vrednost diferencialnega člena vodi v nestabilnost pri visokih frekvencah (slika 2.25) [24].

Slika 2.25: Vpliv diferencialnega člena [24].

2.5. Merilniki

Senzor položaja je sestavni del hidravlične stiskalnice, ki natančno meri pozicijo in premik gibajočega se dela. Sestavljen je iz aktivnega statičnega dela, ki je oskrbovan z elektriko in pasivnega dinamičnega dela, pritrjenega na merljivo komponento. Pretvorniki so namenjeni tako za notranjo, kot zunanjo vgradnjo. Pretvorniki za zunanjo vgradnjo so pritrjeni na gibajoči se del naprave in so navadno mehansko zaščiteni s pokrovom, med tem ko so pretvorniki za notranjo vgradnjo vgrajeni v samo komponento. Prednost senzorjev z zunanjo vgradnjo je cena in čas obdelave, a je pri tem izpostavljen zunanjim vplivom. Na njegovo izbiro vpliva tudi namen uporabe naprave in sicer za premične stroje so primernejši senzorji, ki za delovanje porabijo do 12 V enosmernega toka (DC, ang.:

direct current), med tem ko je za senzorje s porabo do 120 V dvosmernega toka (AC, ang.:

active current), primernejše oskrbovanje neposredno iz električnega omrežja.

Zmogljivejši senzorji položaja, lahko poleg položaja in premika, merijo tudi hitrost in pospešek opazovane komponente. Merjena količina senzorja premika je lahko v obliki signala, katerega amplituda je sorazmerna poziciji oz. času, oziroma v obliki digitalnega signala. To je serija pulzov, kjer vsak pulz predstavlja inkrement statičnega segmenta, oziroma je edinstvena koda za merljivi položaj [25].

Znanih je več različnih vrst senzorjev, uporablja se za številne aplikacije z dolgim hodom hidravličnega valja, oblika senzorja pa vpliva na izbiro v posameznem sistemu. Poznani senzorji so kodirnik, induktivni senzor, LVDT in uporovni senzor [26].

V nadaljevanju bosta bolj podrobno opisana induktivna in magnetostriktivna zaznavala.

2.5.1. Induktivna zaznavala

Induktivni senzor je brez kontaktna naprava, ki meri spremembo impedance v tuljavi.

Izmeničen tok teče skozi tuljavo, pri tem se okoli tuljave ustvarja magnetno polje. Železni predmet vstopi v tuljavo in prekine magnetno polje, kar povzroči spremembo induktivnosti tuljave.

Induktivno zaznavalo se približa površini stikala in reagira s kovinsko tarčo. Senzor položaja zamenja kovinsko tarčo z jedrom, enake dolžine, kot je tuljava. Stopnja prekrivanja med tuljavo in jedrom določa induktivnost tuljave in sicer kadar pride do popolnega prekrivanja, je induktivnost minimalna oz. maksimalna, odvisno od fizike operacije. Rezultat je linearni analogni signal, ki je premo-sorazmeren stopnji prekritja.

Znanih je več oblik senzorja in sicer se lahko jedro pomika znotraj tuljave ali pa drsi ob

(51)

vzbujevalnega toka v tuljavi in za zaznavanje oziroma ojačevanje spremembe v induktivnosti. Naprava je navadno nameščena na zadnji strani senzorja, ali na koncu kabla med obema dvema. Senzorji so lahko napajani z nizko napetostnim DC do 115/230 V AC, odvisno od proizvajalca. Izhodni signal se giblje od 0 do 10 V DC ali od 4 do 20 mA, ki je kompatibilen z večino programabilnih, gibalnih ali namenskih krmilnikov (slika 2.26) [25].

Slika 2.26: Prerez hidravličnega valja z induktivnim senzorjem položaja [25].

2.5.2. Magnetostriktivni senzorji

Magnetostriktivni linearni pretvornik položaja (MLDT, ang.: magnetostrictive linear displacement transducer) je brez kontaktna naprava, za zaznavanje položaja magneta v sistemu. Magnet je pritrjen na merljivi element in se premika vzdolž senzorja. MLDT deluje po osnovnem principu magnetostriktivnosti in sicer feromagnetni material ob izpostavitvi magnetnega polja spremeni svojo obliko. MLDT je sestavljen iz elektronske zaznavalne glave in prevodne žice, ki je združena v koaksialni valovni vodnik. Valovni vodnik je narejen iz magnetostriktivnega materiala. Vgrajen je v zaščitno ohišje iz ne- magnetnega materiala, znotraj katerega je pritrjen z vzmetjo, ki duši tresljaje.

Zunanji magnet se premika vzdolž zunanjega dela ohišja. Tokovni signal se sproži vzdolž prevodne žice v valovnem vodniku, s tem nastane t.i. obodno magnetno polje, okoli valovnih vodnikov. Magnetno polje tokovnega signala trči ob magnetno polje zunanjega magneta, kar povzroči nastanek tretjega magnetnega polja. Posledično je valovni vodnik izpostavljen minutni torzijski obremenitvi. Signal obremenitve potuje z ultrasonično hitrostjo vzdolž valovnega vodnika v napravo, nameščeno v glavi inštrumenta. Znanih je več metod za zaznavanje torzijskega obremenitvenega pulza.

Vsaka od različic zaznavanja obremenitvenega pulza zazna dinamično obremenitev, inducirano v valovnem vodniku in proizvede signal, ki je poslan v kondicijsko elektroniko, z namenom ojačanja in oblikovanja signala. Natančen položaj magneta je določen s časovnim intervalom med začetkom trenutnega pulza in prihodom torzijskega obremenitvenega pulza v glavo. Ta časovni interval, pomnožen s hitrostjo potovanja obremenitvenega signala vzdolž valovnega vodnika, označuje pozicijo.

Najbolj pogosti so start-stop senzorji (PWM), ki modulirajo širino pulza. Električni krogi nastopajo samostojno ali pa ločeno. Analogna pretvorba je na voljo, ko je v splošnem

(52)

zagotavljano 0 do 10 V, pri enosmernem toku ali 4 do 20 mA, kot izhodni vmesnik. Večina enot uporablja vzbujanje z enosmernim tokom.

MLDT senzorji so navadno na voljo v konfiguraciji za notranjo ali zunanjo vgradnjo. Tisti za zunanjo vgradnjo so pogosto sestavljeni iz aluminijastega ohišja, za zaščito sestava valovnega vodnika. Obstaja več verzij ohišja in sestava magneta, vendar se največ uporablja oblika batnica – hidravlični valj. Batnica in hidravlični valj imata vgrajen sestav magneta, ki se premika skupaj z batnico. Takšna oblika spominja na pnevmatičen hidravličen valj, za katerega je velikokrat zamenjan. MLDT vgrajen znotraj hidravličnega valja je posredno podoben induktivnemu senzorju (slika 2.27) [25].

Slika 2.27: Magnetostriktivni senzor [25].

2.5.3. Tlačni senzorji

Tlačni senzor, povezan z ustreznim električnim napajanjem in izpostavljen tlačni obremenitvi, proizvede električni izhodni signal, kot je napetost, tok ali frekvenca in je proporcionalen merjenemu tlaku. Večina merilnikov tlaka je zasnovanih tako, da je izhodni signal linearen z merjenim tlakom in neodvisen od sistemskih spremenljivk, npr.

temperatura. Merilno zaznavalo tlačnega senzorja ima konstantno površino in se odziva glede na tlak fluida. Sila se preusmeri na membrano, meh ali Bourdonovo cev. Pri tem nastane uklon, obremenitev ali napetost, ki se pretvori v električni signal, preko različnih metod za merjenje tlaka. Na sliki 2.28 so prikazane tri najbolj pogoste metode za merjenje tlaka [27].

(53)

Slika 2.28: Metode merjenja tlaka: a) potenciometrična, b) kapacitivna in c) diferencialna [27].

2.5.4. Merilniki sile

Številni senzorji sile so sestavljeni iz elastičnih nosilnih elementov ali kombinacije elementov. Zunanja sila – stisk stiskalnice povzroči deformacijo elastičnega elementa, ki jo zazna sekundarni pretvornik in jo preoblikuje v izhodni signal. Izhodni signal je lahko v obliki električnega (merilne celice z uporovnimi lističi in LVDT) ali mehanskega signala (preizkusni obroči in vzmetna nihala). Lastnosti posameznih tipov senzorjev sile so prikazane v preglednici 2.3 [28].

Preglednica 2.3: Primerjava med lastnostmi posameznih tipov senzorjev sile [28].

Tip naprave Operativno

območje

Negotovost [%]

Temperaturna občutljivost in delovno območje [%/°C]

Celice z uporovnimi lističi

Polprevodniške 0,01 N – 10 kN 0,2 do 1 0,02 (-40 °C – 80 °C) Tankoplastne 0,1 N – 1 MN 0,2 do 1 0,02 (-40 °C – 80 °C) Folijske 5 N – 50 MN 0,2 do 1 0,01 (-40 °C – 80 °C)

Piezoelektrični 1,5mN - 120

MN

0,3 do 1 0,02 (-190 °C – 200 °C)

Hidravlični 500 N – 5 MN 0,25 do 0,5 0,05 (5 °C – 40 °C)

Pnevmatski 10 N – 500 kN 0,1 do 2 0,05 (5 °C – 40 °C)

LVDT 10 mN – 1 MN 0,02 – 2 0,02 (-40 °C – 80 °C)

Magnetostriktivni 2 kN – 50 MN 0,5 – 2 0,04 (-40 °C – 80 °C)

Žiroskopični 50 N – 250 N 0,001 0,0001(-10 °C – 40 °C)

Balansiranje sile / / 0,0001(-10 °C – 40 °C)

a) Merilna celica z uporovnimi merilnimi lističi

Najbolj pogost tip senzorja sile je merilna celica z merilnimi lističi, priključenimi na elastični element in jih delimo na kovinske (folijske in tankoplastne), polprevodniške in keramične (slika 2.29). Elastični elementi so prevodna telesa, navadno v obliki palice. Ob mehanski obremenitvi se jim v longitudinalni in lateralni smeri spremeni oblika, kar lahko glede na osnovno stanje popišemo z Δl (longitudinalna) in ΔS (lateralna). Sprememba oblike vpliva na razliko upornosti elastičnega elementa [26].