KUVVET GERİBESLEMELİ BİR TEST DÜZENEĞİNİN TASARIMI, ANALİZİ VE SİSTEM ELEMANLARININ SEÇİMİ

Transkript

1 KUVVET GERİBESLEMELİ BİR TEST DÜZENEĞİNİN TASARIMI, ANALİZİ VE SİSTEM ELEMANLARININ SEÇİMİ Mesut ŞENGİRGİN İbrahim YÜKSEL ÖZET Bu bildiride, elekrohidrolik alf denetimli bir kuet geribeslemeli test düzeneğinin tasarımı, analizi e sistem elemanlarının seçimi üzerine yaılan bir çalışma sunulmaktadır. Yaılacak test ile ilgili karakteristikler (uygulanacak kuet eya moment, frekans e tekrar sayısı) otomobil üreticisi firmalara göre farklılıklar göstermekle beraber genel çalışma rensibi açısından sistem aynıdır. İlk adımda test ile ilgili karakteristikler tanımlanmış e hidrolik dere elemanlarının seçimi yaılmıştır. İkinci adımda, elektronik donanım ile ilgili özellikler belirlenmiş e kuet algılayıcısı seçimi yaılmıştır. Üçüncü adımda, elektrohidrolik denetim sisteminin matematik modeli oluşturulmuş e MATLAB- Simulink rogramı yardımı ile çözümler elde edilmiştir..giriş Kuet e hareketlerin bir akışkan tarafından iletimi e denetimi şeklinde genel olarak ifade edilebilen hidrolik güç iletimi, endüstride değişken seiyelerdeki büyük güçlerin kullanıldığı e hassas denetimin gerektiği alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Basma e kesme resleri, lastik enjeksiyon makineleri, robotlar, uzay araçları, uçaklar e takım tezgahları hidrolik güç iletiminin endüstrideki çeşitli kullanım alanlarında bazılarıdır. Bu alanlardaki hidrolik sistemlerin çoğunluğunu, elektrik denetim elemanlarının kullanıldığı elektrohidrolik denetim sistemleri oluşturmaktadır. Elektrohidrolik denetim sistemlerinde konum, hız, ime, kuet e basınç gibi büyüklüklerin denetimi, akışın yönünü eya hem yönünü hem de debisini değiştirebilen elektrohidrolik alflerin kullanılması ile sağlanmaktadır. Hidrolik güç iletim sistemleri, özellikle büyük güçlerin değişken hızlarda iletilmesi gereken durumlarda mekanik eya elektrik sistemlere göre daha çok tercih edilmektedir. Bunda, hidrolik sistemlerin büyük güçleri iletme özellikleri yanında çok yüksek güç yoğunluğuna sahi olmaları rol oynamaktadır. Hidrolik sistemler üzerindeki çalışmalar çeşitli araştırmacılar tarafından sürdürülmektedir. Bu çalışmalar, hidrolik sistemlerin modellenmesi e denetimi [,2,3,4,5], hidrolik sistem elemanlarının geliştirilmesi e karakteristiklerinin çıkarılması [6] şeklinde olmaktadır. Hidrolik sistemlerin modellenmesi üzerine yaılan çalışmalar çoğunlukla konum denetim çalışmalarıdır [7]. Kuet geribeslemeli sistemler [8] üzerine çalışmalar sınırlı sayıdadır.

2 2.TEST DÜZENEĞİNİN TANIMI Egzost ömür testi, egzost borularının susturucu gödesine giriş e çıkış noktalarındaki kaynaklarının yorulma testidir. Test için karakteristik değerler, kaynak noktasına uygulanacak olan moment (kuet), frekans e tekrar sayısıdır. Kaynak noktasına uygulanacak moment, otomobil üreticisi firmalara göre değişmekle beraber 2-35 Nm ciarındadır. Bu momentin kaynak noktasında oluşmasını sağlayacak kuetin uygulama noktası ile kaynak noktası arasındaki mesafenin bilinmesi gerekmektedir. Kuetin uygulama noktası, susturucunun şase bağlantılarına eya boru kırımlarına göre değişmektedir. Kuet kolu mesafesi aynı zamanda uygulanacak kuetin belirlenmesi açısından önemlidir. Kuet kolu mesafesi ne kadar uzun olursa uygulanacak kuet o kadar azalacaktır. Kuet kolu, Firma için 5-52 mm arasında, Firma2 için 5 olarak belirtilmektedir. Diğer bir karakteristik ise uygulanacak harmonik kuetin frekansıdır. Taşıt tekniğinde yoldan gelebilecek uyarılar dikkate alındığında bu değer maksimum Hz'dir. Fakat bu değer otomobil üreticilerinin isteğine bağlı olarak değişim göstermektedir. Frekans, Firma için Hz, Firma2 için Hz e Firma3 için 2 Hz'dir. Ömür süresi ise, belirlenen moment eya kuet ile belirlenen frekansta yaacağı tekrar sayısıdır. Bu tekrar sayısı Firma için iken, Firma2 için 5 e Firma3 için ise 3 olmaktadır. Test sisteminin elemanları seçilirken en büyük kuet e en büyük frekans dikkate alınmalıdır. Buna göre bu sistem için kuet 5 N e frekans 2 Hz olarak alınmıştır. 3. DEVRE ELEMANLARININ SEÇİMİ Sistemi, hidrolik sistem elemanları e denetim sistemi elemanları olmak üzere 2 ana gruba ayırabiliriz. Hidrolik dere elemanları, güç ünitesi, yön denetim alfi e silindirdir. Denetim sistemi elemanları ise denetim organı e kuet algılayıcısıdır. 3.. Güç Ünitesi Güç ünitesi, sistem ihtiyaçlarına cea erebilecek elemanlardan seçilmiştir. Hidrolik oma değişken debili olu maksimum 2 l/dak debi sağlamaktadır. Bu oma 5.5 kw lık bir elektrik motoru ile tahrik edilmektedir. Bunların dışında, emiş, dönüş e sero alf kullanıldığı için basma hattı filtreleri kirlilik e basınç göstergeleri, seiye şalteri gibi yardımcı elemanlar da bulunmaktadır. Ayrıca sürekli çalışacak olan bu sistem için bir sulu soğutucu ilae edilmiştir. Tank içindeki yağın sıcaklığını sabit tutacak bir termostatik ana bulunmaktadır Bu ana soğutucu akışkan miktarını ayarlamaktadır. Şekil 'de kullanılan oma kesiti e karakteristik eğrileri erilmiştir. 3.2 Yön Denetim Valfi Yön denetim alfinin seçiminde iki önemli kriter ardır. Bunlar geçireceği debi miktarı e cea hızıdır. Özellikle alf cea frekansı, sistem çalışma frekansından daha büyük olmalıdır. Sistem çalışma frekansı maksimum 2 Hz olduğuna göre alf bu çalışma frekansında daha büyük seçilmelidir.

3 Sistem, kuet geribeslemeli bir sero mekanizma olduğu için kullanılacak alf, sero alf olarak seçilmiştir. Sero alfler, çok hassas bir oransal denetim yaabilen e yüksek cea hızlarına sahi alflerdir. Seçilen sero alf kesiti e karakteristik eğrileri Şekil 2'de erişmiştir. Eğrilerden görüleceği üzere 2 Hz'lik sistem ceabını çok büyük faz gecikmesi olmadan sağlayabilmektedir. Geçici durum daranışından da sistem cea hızının yaklaşık 4 ms (7 bar e %63'lük zaman sabiti) olduğu görülmektedir. Bu alfin sürücüsü alf ile entegredir. 3.3 Kullanıcı (Silindir) Bir doğrusal hareket söz konusu olduğu için kullanıcı olarak silindir seçilmiştir. Silindir seçiminde en önemli kriter silindir yerdeğiştirmesi e uygulanacak kuettir. Silindir yerdeğiştirmesi kullanılacak olan silindirin yaısal özelliklerini, kuet ise silindir boyutunu belirlemektedir. Silindirdeki yerdeğiştirme miktarı 5 mm'den daha az ise çok tekrarlı bir sistemde silindir içinde hareket eden akışkan miktarı az olacağından yağ çok ısınacaktır. Bu ısınma silindir keçelerinde bir deformasyon meydana getirecektir. Bu deformasyon silindirin yağ kaçırmasına sebe olacak e kontrol sağlanamayacaktır. Bunun için özel bir keçe sistemi gerekecektir. Yerdeğiştirme miktarı mm'nin kesri eya mikrometre seiyesinde ise bu özel keçeli silindir de yetmeyecektir. Bunun yerine özel imalat düşük sürtünmeli e yüksek hızlı bir sero silindir kullanılmalıdır. 3.4 Denetim Organı Donanımı Denetim organı donanımını, denetim elemanı e algılama elemanı olarak ikiye ayırmak mümkündür. Denetim elemanı, bir bilgisayar içine yerleştirilmiş eri tolama kartı, sinyal üreteci e elde edilen sonuçların değerlendirildiği bir rogramdan oluşmaktadır. Yazılım, sinyal üretecinden test sinyali seçilebilecek, test sinyali frekansı e genliği değiştirilebilecek, kırılma anında, kırılma öncesi birkaç çerim ile kırılma anındaki görüntü çıktı alınabilecek şekilde hazırlanacaktır. Algılayıcı olarak, kuet algılayıcısı e kuetlendiricisi kullanılmıştır. Her iki yöne (bası e çekiye) çalışabilen bir yaıda olu maksimum 5 N kuet ölçebilecek kaasiteye sahitir. Kuetlendiriciden elde edilecek gerilim ise maksimum kuette V olacaktır. İş arçası Bilgisayar (Kontrol kartı) Kuet algılayıcısı Akım sürücü Yön denetim alfi Seroalf Değişken debili M oma Şekil 3. Test düzeneği tesisat şeması

4 Kumanda Sistemi + - Elektronik Kuetlendirici Elektrohidrolik Valf Hidrolik güç çıkış elemanı Yük Geribesleme Dönüştürücüsü Şekil 4. Elektrohidrolik denetim sistemi şeması Ölçme frekansı ile çalışma frekansı aynı ise yeterli doğrulukta ölçme yamak mümkün değildir. Bu nedenle kuetlendirici frekansı (örnekleme frekansı) sistem frekansından 5- kat fazla olacak şekilde seçilmelidir. Yukarıda belirtilen özelliklere göre oluşturulan elektrohidrolik sistemin çalışma şeması Şekil 3'te erilmiştir. 4. SİSTEMİN MATEMATİK MODELİ 4. Elektrohidrolik Denetim Sistemleri Bir denetim sisteminin oluşturulması için ek çok yol bulunmaktadır. Denetim sistemlerinin tasarımı e elemanlarının seçiminde, sistemin amacı, hassasiyeti e cea hızı temel etkenleri oluşturmaktadır. Elektrohidrolik denetim sistemleri konum, hız, ime, kuet, moment e basınç denetimi gerektiren yerlerde kullanılan duyarlı e sağlıklı bir denetim sağlayan sistemlerdir. Elektrohidrolik denetim sistemleri çalışma biçimlerine göre, sürekli (analog) denetim sistemleri e sayısal (digital) denetim sistemleri olarak sınıflandırmak mümkündür. Genel bir elektrohidrolik denetim sistemi şeması Şekil 4 te gösterilmektedir. Burada her bir denetim biçimi kendi elektrohidrolik alfine e geribesleme dönüştürücüsüne sahitir. 4.2 Valf Denetimli Sistemin Matematik Modeli Dört yollu üç konumlu bir sürgülü alfte yük debisi denklemi Q L = Cd w x (Ps PL ) () ρ şeklinde yazılır. Burada w çıkış akış gradyanıdır. Bu yük debisi silindirde bir hareket meydana getirecektir e yüke (kütle e yay yükleri) karşı bir iş yaacaktır. Buna göre silindire giren akışkan debisi için, Q dx Vt dpl = A (3) dt 4β dt L + yazılır. Burada yağın sıkışabilirliliği dikkate alını, sızıntılar ihmal edilmiştir. Silindirin yüke karşı oluşturduğu kuet dengesi için,

5 2 d x A ç = A PL = m + K 2 yx (4) dt elde edilir. Burada iskoz sürtünme ihmal edilmiş olu, hareket eden kütle m olarak alınmıştır. Valf transfer fonksiyonu, X (s) M(s) K = (5) T s + şeklinde erilebilir. Burada K alf kazancı, T alf zaman sabitidir. Denetim organı transfer fonksiyonu, PID denetim olarak alındığında, biçimine yazılabilir. G M(s) (s) = = K + Tds (6) E(s) T s d + i 5. BİLGİSAYAR ÇÖZÜMLERİ Sistemin bilgisayar çözümü MATLAB-Simulink rogramı ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 5'te ()-(6) nolu denklemlere uygun olarak hazırlanan Simulink modeli erilmiştir. Çözümler basamak giriş e sinüzoidal girişler olarak elde edilmiştir. Şekil 5'te erilen Simulink modelinin çözümünden elde edilen sonuçlar Şekil 6, Şekil 7, Şekil 8 e Şekil 9'da erilmiştir. Şekil 6'da erilen basamak giriş cea eğrisinden sistemin cea hızının yaklaşık.5 s (2 Hz) ciarında olduğu gözlemlenmektedir. Şekil 7'de erilen sinüs giriş cea eğrisinden, çıkışın sistemin girişini çok büyük bir faz farkı olmadan taki ettiği görülmektedir. Ste Gain K(s) T.s+ Transfer Fcn Product /A Gain s Integrator Ky/A Gain2 A Gain3 Kf Gain4 Gain5 Deriatie Vt/(4*betaetkin) du/dt Gain6 Cd*w*sqrt(Ps/rho) Fcn sqrt(-u/ps) Şekil 5. Kuet geribeslemeli denetim sisteminin Simulink modeli

6 Giriş Çıkış 4 2 Kuet [N] 3 2 Kuet [N] Şekil 6. Basamak giriş ceabı Şekil 7. Sinüs giriş ceabı 2.5 x -3 x -4 Valf sürgüsü yerdeğiştirmesi [m] Valf sürgüsü yerdeğiştirmesi [m] Şekil 8. Valf sürgüsü yerdeğiştirmesi (basamak giriş) Şekil 9. Valf sürgüsü yerdeğiştirmesi (sinüs giriş) 6. SONUÇ Otomobil üreticisi firmaların taleleri doğrultusunda, otomobil susturucusu ömür testi için bir düzenek tasarımı yaılmıştır. Verilen özellikleri sağlayacak hidrolik dere elemanlarının seçimi yaılırken çalışma şartları da dikkate alınmıştır. Güç ünitesi e yön denetim alfi bütün test koşullarında kullanılırken, silindir farklı tilerde seçilmiştir. Bilgisayar çözümlerinden elde edilen sonuçlar, kurulan modelin doğruluğunu ortaya koymaktadır. KAYNAKLAR [] EDGE, K.A. and FIGUEREDO, K.R.A., An Adatiely Controlled Electrohydraulic Seromechanism Part : Adatie Controller Design. Proc. Instn. Mech.Engirs., Vol 2. No.B3, 74-8, 987.

7 [2] EDGE, K.A. and FIGUEREDO, K.R.A., An Adatiely Controlled Electrohydraulic Seromechanism Part 2: Imlementation. Proc. Instn. Mech.Engirs., Vol 2. No.B3, 8-89, 987. [3] SHICHANG, Z., XINGMIN, C. and YUWAN, C., Otimal Control of Seed Conersion of A Vale Controlled Cylinder System. Transaction of the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol.3, , 99. [4] HUANG, S. and CHEN, S., Otimal Control and Analysis of Hydraulic Machine Tool Sero System. Int. J.Mech. Tools Manufact., Vol.32, No.3, , 992. [5] WANG, Y. and HUANG, C., The Simlest Identification Model of An Asymmetric Hydraulic System. JSME International Journal, Series C, Vol.39, No.4, , 996. [6] TSAI, S.T., AKERS, A. and LIN, S. J., Modeling and Dynamic Ealuation of A Two- Stage Two- Sool Seroale Used for Pressure Control. Transaction of the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol.3,79-73, 99. [7] MARTIN D.J. and BURROWS, C.R., The Dynamic Characteristics of An Electrohydraulic Seroale. Transaction of the ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, , 976. [8] NIKSEFAT, N., and SEPEHRI, N., Design and exerimental ealuation of robust force controller for an electro-hydraulic actuator ia quantitatie feedback theory, Control Engineering Practice, 8, , 2. [9] MERRITT, H. E., Hydraulic Control Systems. John Wiley & Sons. Inc., 8-25, 967. ÖZGEÇMİŞ Mesut ŞENGİRGİN 967 yılında Mustafakemalaşa-BURSA'da doğdu. Uludağ Üniersitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü'nden 989 yılında "Lisans", Uludağ Üniersitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nden 992 yılında "Yüksek Lisans" e 2 yılında "Doktora" derecelerini aldı. Uludağ Üniersitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde yılları arasında Araştırma Görelisi olarak çalıştı. 997 yılından buyana halen aynı üniersitede Öğretim Görelisi olarak göre yamaktadır. Çalışmaları sistem dinamiği, hidrolik e nömatik sistemlerin modellenmesi e kontrolu, sistem modelleme e simulasyonu alanlarında yoğunlaşmaktadır. İbrahim YÜKSEL 95 İzmit doğumlu olu 975 yılında Sakarya Delet Mühendislik-Mimarlık Akademisi Makine Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. 978 yılında Uniersity of Surrey, Guildford, İNGİLTERE de M.Sc. (Yüksek Lisans) e. 98 yılında yine aynı Üniersitede Ph.D (Doktora) çalışmalarını tamamladı. 982 tarihinde Uludağ Üniersitesi Mühendislik Fakültesi'nde Yardımcı Doçent olarak göree başlamıştır. 986 yılında Doçent e 993 yılında Profesör unanını almıştır. Öğretim üyesi göreine ilaeten yaklaşık 9 yıl Dekan Yardımcısı e 6 Ekim Ekim 2 tarihleri arasında Dekan olarak da göre yamıştır. Çalışma konuları elektrohidrolik sistemler, elektrohidrolik alfların geliştirilmesi, otomatik kontrol, otomasyon sistemleri, sistem dinamiği, modelleme e simulasyondur. Otomatik Kontrol e MATLAB ile Mühendislik Sistemlerinin Analizi e Çözümü isimli iki adet basılı ders kitabı mecuttur. Eli e bir kız babasıdır.