.ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ ve SERGİSİ

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası.ulusal HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ ve SERGİSİ BİLDİRİLER İİ KİTABI İZMİR mmo yayın no : E/2003/342-1 ARALIK 2003

2 tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sok. No: 36/1-A Demirtepe, ANKARA Tel: (0 312) Faks: (0 312) ODA YAYIN NO: E/2003/342-1 ISBN BU YAPITIN YAYIN HAKKI MMO' NA AİTTİR. KAPAK TASARIMI: Ürün Tanıtım - İZMİR Tel / Faks : (0232) DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI İZMİR ŞUBESİ Atatürk Cad. No:422 / Alsancak / İZMİR Tel: (0232) Pbx Faks : (0232) BASKI: ALTINDAĞ MATBAACILIK - İZMİR Tel: (0232)

3 III. HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ /HİD - 1 MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir. Hidrolik Güç Ünitesi Ses Yalıtımı İçin Teorik ve Deneysel Bir Çalışma Kadir ÇAVDAR ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ Mesut ŞENGİRGİN ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

4 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ HİDROLİK GÜÇ ÜNİTESİ SEŞ YALITIMI İÇİN TEORİK VE DENEYSEL BİR ÇALIŞMA Kadir ÇAVDAR Mesut ŞENGİRGİN ÖZET Bu bildiride, bir deney düzeneğinde tahrik elemanı olarak kullanılan 5 kvv'lık bir elektrik motoruna sahip hidrolik güç ünitesinin ortama yaydığı ses emisyonu değerlerinin düşürülmesi amacı ile kurulan teorik model ve yapılan deneysel çalışmalar sunulmaktadır. Teorik çalışmada ilk olarak ses iletimini temel alan akustik model kurulmuştur. Ele alınan fiziksel sistem (hidrolik güç ünitesi) çalıştığı laboratuar ortamını yaklaşık 25 db(a) daha gürültülü hale getirmektedir. Konstrüktif olarak en etkili sonuçlara ulaştıran "kaynağında gürültünün yok edilmesi yaklaşımı" bu uygulamada mümkün gözükmemektedir. Bu uygulamada, sesin iletim yolu üzerinde konstrüktif önlemler alınması daha uygun olacaktır. Alınabilecek önlemlerin neler olabileceğini başlangıçta öngörmek için, oluşan gürültünün frekans analizi yapılabilir. Frekans analizi sonunda elde edilen baskın frekanslar ses yalıtımı için yol gösterici değerlerdir. Yalıtım için malzeme seçimi bu frekanslara göre yapılır. Bildiride sonuçları sunulan deneyler henüz başlangıç aşamasında olup çalışma devam etmektedir. Çalışmada kullanılan "gürültüyü azaltmada işlem adımlan" yaklaşımı benzer çalışmalarda da kullanılabilir. 1. GİRİŞ Bu çalışmada; otomobil egzoz askısı bağı kontrol cihazına hidrolik güç sağlayan ve 5 kvv'lık bir elektrik motoru ile tahrik edilen bir hidrolik güç ünitesinin, boşta çalışma esnasındaki ses emisyon değerlerinin düşürülmesi amaçlanmıştır. Deney cihazı bir laboratuarda çalışmakta olup diğer cihazlarla çalışanlarda konsantrasyon bozukluğu problemleri doğurmaktadır. Gürültüyü engellemek için şu adımların takip edilmesi önerilir [1]: Gürültüye karşı önlemde ilk önce en gürültülü kaynaklar dikkate alınmalıdır. İlk aşamada amaç gürültüyü kaynağında hapsetmek, yayılmasını engellemektir. Bunun için de en etkili yöntem daha henüz tasarım aşamasında gürültüye karşı önlemler almaktır. Bu aşamada alınan önlemler en etkili ve en ekonomik sonuçlar veren önlemlerdir [1]. Eğer gürültü yayılması engellenemiyorsa bu sefer yayılma yolu üzerinde önlemler alınılmaya çalışılır. Sesin yayılma yolunda ses kesilmeye, sönümlenmeye veya yansıtılmaya çalışılır. Eğer hala gürültünün çevredeki insanlara ulaşması engellenemiyorsa son ihtimal olarak insanlar üzerinde önlemler alınır, insana zarar örneğin kulaklık takma yolu ile en aza indirilmeye çalışılır. "Hangi gürültü seviyesi insana zararlıdır?" sorusuna cevap vermek gürültü olayının sübjektif yönü nedeniyle kolay değildir. 120 db(a) gibi çok yüksek gürültü seviyeleri duyma organına zarar

5 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ vereceğinden bunların zararlı olarak tanımlanmaları kolaydır. Ancak kişiden kişiye değişen oranlarda, db(a) seviyesindeki sesler kulağa zarar vermese de kişiyi psikolojik rahatsızlıklara götürebilir veya işe konsantrasyonu zorlaştırabilir. Takip eden kısımda yapılan çalışma adım adım sunulacaktır. Her adımda kullanılan teorik ve pratik bilgiler de verilecektir. 1.1 Hidrolik Sistem Elemanları j Deney düzeneğini, hidrolik sistem elemanları ve denetim elemanları olmak üzere iki kısma ayırmak mümkündür. Hidrolik devre elemanları olarak, güç ünitesi, yön denetim valfleri ve kullanıcıları sayabiliriz. Denetim elemanlarını ise, akım sürücü ve konum algılayıcısı oluşturmaktadır. Deney düzeneğini oluşturan hidrolik sistemin güç ünitesi ve kullanıcı eleman olarak silindirin özellikleri şunlardır: Güç ünitesi; 20 l/dak debi ve 125 bar basınç sağlayabilen dişli pompa ve bu pompayı tahrik etmek için 1450 dev/dak hıza sahip 5.5 kvv'lık elektrik motorundan oluşmaktadır. Ayrıca emme ve dönüş filtreleri, sıcaklık ve seviye göstergeleri, hava filtesi ve basınç emniyet valfi standart elemanlar olarak bulunmaktadır. Tankın yağ kapasitesi yaklaşık olarak 80 litredir. Kullanıcı olarak silindir; 200 mm strok, 25 mm piston çapı ve 16 mm piston çubuğu çapına sahip çift piston çubukludur. 1.2 Akustik Modelin Kurulması Hidrolik basıncın pompa tarafından oluşturulması sırasında güçlü bir gövde sesi meydana gelmektedir. Bu gövde sesi daha sonra gövdenin üst yüzeylerinden ve hidrolik iletim borularından çevre elemanlara nakledilmektedir. Ayrıca sistemdeki elektrik motoru da periyodik bir ses oluşumuna neden olmaktadır. Buna göre sistemdeki ses kaynakları şu şekilde sınıflandırılabilir: Aktif Ses Kaynakları: - Hidrolik pompa f - Elektrik motoru ' Pasif Ses Kaynaklan: - Gövde kaplamaları - Nakil boruları - Elektrik kablosu Bu elemanların oluşturduğu sistemin akustik modeli ise Şekil 1 'deki gibi kurulmuştur.

6 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -» Gövde, kaplamalar (P) Elektrik Motoru (A) ALICI (insan- Kulak Elektrik kablosu (P) / Pompa (A) Nakil boruları (P) / t Döşeme (Taban) i Şekil 1. Akustik Model Sistemde hava sesi üzerinde alınabilecek önlemlerin en uygun sonuçları vereceği düşünülmektedir. Sistem elemanları ve egzoz askısı bağı deney düzeneği Şekil 2. ve 3.'te verilmiş olan fotoğraflarda görülmektedir. 1.3 Gürültü Kaynağının Örtülmesi Yoluyla Ses Seviyesinin Azaltılması Ses kaynağını örten bir kapsül ses enerjisinin dağıtılmasına neden olur. Kabinin iç duvarlarına çarpan ses dört bölüme ayrılacaktır (Şekil 4.): Geri yansıyan ses Yutulan (absorbe edilen) ses Gövde sesi olarak nakledilen Ses Kabin duvarından geçip dış ortama yayılan ses Pratikte kütle kanununa göre, kabin duvarında kullanılan tek katmanlı bir ses kesme malzemesinin kütlesi iki katına çıkarıldığında ses kesme etkisinde yaklaşık 6 db(a) kadar bir artış olur. Bu yaklaşık hesabı veren bağıntı şu şekildedir: R = 20 log 2-n-m 2-p-c Şekil 2. Egzoz Askısı Bağı Kontrol Aparatı [1]

7 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ Şekil 3. Kısmi Örtü (Kapsül) Boyutları ve Ölçüm Noktaları [1] Şekil 4. Kabin Duvarına Çarpan Sesin Elemanları [5] Bu bağıntıda, m: Ses kesme malzemesinin metrekare başına kütlesi (kg/m 2 ), p: Malzemenin yoğunluğu (kg/m 3 ), c: Ses hızı (m/s)'dir. Kabinde konstrüktif zorunluluklar nedeniyle bırakılması gereken yalıtım malzemesiz boşluklar da ses kesme derecesini olumsuz etkiler. Bu boşlukların (pencerelerin) etkisi için de yine yaklaşık değerler verilebilir (Tablo 1.). Tablo 1. Kabindeki Boşlukların Ses Kesme Olayına Etkisi Boşluk alanı / Kabin alanı 1/10 1/100 1/1000 1/10000 Kabinin maksimum ses kesme etkisi +10 db +20 db +30 db +40 db Kabinlerde uygulanabilecek bazı konstrüktif düzenlemeler ve etkileri [1] nolu yayında tanıtılan bilgi tabanlı sistemden temin edilmiş olup bilgiler Şekil 5. ve 6. ile Tablo 2.'de özetlenmiştir.

8 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ "3 nedenle çalışma esnasında makinenin w Z] elemanlarının ses otustumıası kaçınılmazdır. Bu konudaki detaylı bilgi * f Çok gürüllülü işyerlerinde bu önlem ile fazla bir ses seviyesinde azalma sağlanamaz. Çünkü makinenin üst yüzeyinden yayılan ses, bu elemanl&nn azalttığı gövde sesine ^ Ses seviyesinin azaltılması frekansta gan _jji l Ç ok ilişkilidir Bu nedenle önlemi 2 Aufl EnchSchnudt ^H almadan önce makine üzennde Şekil 5.Çözüm Bankasında Bulunan Kısmi Örtü ile İlgili Çözüm ili a> 0) w LU m T3 O O s* s* mı r A 1 ' IIL. ' ==J\ IIc >* ı ^ ^ TT1-» - - ^ ^ ^ ^ I [Hz] Frekans Şekil 6. Tablo 2.'nin kullanımı için verilmiştir.

9 III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ Tablo 2. Ses Kesici Kabin Tasarımında Bazı Uygulamalar ve Sonuçları [2] G. No 1 İla llb İlle İlla IIIB Kabin tasarımı Ses kesici malzeme (Ref.VDI2711) Ses yutucu malzeme ile kaplanmamış, tek katmanlı kabin Ses yutucu malzeme ile kaplanmış, tek katmanlı kabin Ses yutucu malzeme ile kaplanmış, tek katmanlı kabin Ses yutucu malzeme ile kaplanmış, iki katmanlı kabin veya ağır tek katlı duvar Ses yutucu malzeme ile kaplanmış, iki katmanlı kabin veya ağır tek katlı duvar Kabin duvarının kütlesi kg/m' kg/m' kg/m' kg/m' Katman başına kg/m 2 Yaklaşık 100 kg/m 2 Katman başına kg/m 2 Yaklaşık 400 kg/m 2 Pencereler, açıklıklar 0 Özel bir boşluk kapama önlemi yok, boş yüzey oranı <%10 d Boş yüzey oranı < %5 d Boş yüzey oranı < %0,5 Boş yüzey oranı < %0,1 d Boş yüzey oranı < %0,01 d Boşluklar mümkün olan en iyi şekilde engellenmiş Gövde sesi kesme olayı 0 Yok Ses kaynağının en basit şekilde örtülmesi Ses kaynağının basit şekilde örtülmesi, toprak taban Ses kaynağının basit şekilde uğultuyu kesecek şekilde örtülmesi, toprak taban Ses kaynağının iki kat örtülmesi veya tek kat ama tabandan ayırmalı Ses kaynağının iki kat örtülmesi veya tek kat ama tabandan ayırmalı indirgenen Ses Seviyesi AL ]db(a)] * Herhangi bir ayırma konstrüksiyonu, ses yutucu malzeme ve örtü etkisi olmaksızın. Toplam duvar ağırlığı bu rakamdan çok daha büyük olabilir. b Önemsiz boşluklar dikkate alınmaksızın. c Eğer akış gürültüsü yoksa, gövde sesi için alınmış olan önlemler dikkate alınmayabilir. Yüksek oranlı gövde sesi olan makinelerde, gerekli gövde sesi kesme miktarı dikkate alınmalıdır. d Kabin üst yüzeyinin miktarı. 1.4 Ses Yutma Katsayısı Ses yutma katsayısı, malzemede yutulan akustik enerjinin malzemenin yüzeyine gelen toplam akustik enerjiye oranıdır: Yutulan Ses Enerjisi a = Yüzeye Gelen Ses Enerjisi I 4> ,9 0,8 0,7 İ. 0>6 ra $ 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 E n -E u ~~ 45 mm 30 mm 15 mm 7,5 mm /3 Oktav Bandı Frekansları [Hz] Şekil 7. Farklı Kalmlıklardaki Poliüretan Malzeme Örneklerinin Ses Yutma Katsayısı-Frekans Grafikleri

10 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ Bu bağıntıda; E g : Duvara gelen sesin enerjisi, E y ise duvardan yansıyan sesin enerjisidir. Malzemenin ses yutma katsayısını etkileyen faktörler arasında en çok inceleneni malzeme kalınlığıdır. Malzeme kalınlığının artışı ses yutma katsayısının değerini farklı oranlarda pozitif yönde etkir. Bu çalışmada da kullanılan steorofor köpük (kapalı gözenekli poliüretan köpük) malzemesinin kalınlığının değişiminin ses yutma katsayısına etkisi [3] nolu çalışmada incelenmiştir. Frekansa bağlı olarak malzemenin ses yutma katsayısının değişimi Şekil 7.'de görülmektedir [3]. Şekil 7.'de görülen grafiğe göre malzeme kalınlığı arttıkça özellikle düşük frekanslarda ( Hz) ses yutma katsayısı değerlerinde önemli oranda artışlar olmaktadır [3]. Sesin dalga boyu düşünüldüğünde bu sonuçlar mantıklıdır. Bunun dışında cam yünü, kaya yünü ve poliüretan levhalar için hava sesi yutma değerleri bilgileri [4] kaynağından alınabilir. 2. REKONSTRÜKSİYON ÇALIŞMASI Ortaya konacak çözümün ekonomikliği ve şu anda mevcut olan deney düzeneği üzerinde herhangi bir değişikliğe neden olmaması gibi kısıtlar rekonstrüksiyon çalışmasının kısıtları olarak belirlenmiştir. Bu kısıtların ışığında [1] nolu yayında detayı verilen bilgi bankasına başvurduğumuzda; Oluşan hava sesinin nakli kısmi örtü uygulaması ile en aza indirilebilir önleminin en uygun olduğu sonucuna ulaşılmaktadır. Bu konuda bilgi bankasında bulunan çok sayıdaki örneğe göre, hidrolik gücün üretildiği ve motorun bağlı olduğu kısım bir kutu (kapsül) içerisine alınmalıdır. Bu kutunun ağaç malzemeden yapılması ve duvar içlerinin ses yutucu malzeme ile kaplanması da ses kesme etki derecesini arttıracaktır. Ancak sistemin soğutulması gerektiği de unutulmamalıdır. Bu nedenle kullanılacak kabinin bir tarafının açık bırakılması düşünülmüştür. Ses engelleme amacıyla hazırlanmış olan kısmi örtü Şekil 3.'te görülmektedir. Örtünün ses kesme özelliğini arttırmak için duvar içleri 10 mm kalınlığındaki, porozif bir malzeme olan steorofor köpük ile kaplanmıştır. Ardından ses kesme özelliğini daha da arttırmak amacıyla 3 mm kalınlığındaki suni kauçuk plakalar ile iç duvarlar tamamen kaplanmıştır. Steorofor ile suni kauçuk plakalar arasında ses yalıtım katsayısını arttırmak amacıyla yaklaşık 10 mm kalınlığında bir hava boşluğu bırakılmıştır, Şekil 8. Kontrplak örtü Steorofor köpük Hava boşluğu Suni kauçuk plaka Şekil 8. Kabin ve iç Kısmın Kaplanması Kabin içerisindeki ses yansımasının etkisini görmek için de kabinin boru çıkış tarafı açık ve kapalı şekilde deneyler Tablo 3.'te özetlenmiştir. Deneyler sonucu elde edilen verilerle çizilen diyagram da Şekil 9.'da görülmektedir. Ölçüm noktaları olarak da kutunun ön bölümü (1), çalışma esnasında insanın bulunacağı konum (2) ve kutunun üst bölümü (3) seçilmiştir (Şekil 3.). Deneylerde ses seviyesinin belirlenmesi için Brüel&Kjaer firmasının el tipi ölçü aleti kullanılmıştır.

11 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 10 Tablo 3. Hidrolik Güç Ünitesinin Üzerinde Yapılan Ses Kesme Çalışmaları D.No Açıklama Güç ünitesi çalışmıyor, ortamdaki ses seviyesinin belirlenmesi Güç ünitesi devrede, kutu konumlandırılmamış Güç ünitesi devrede, yalıtım malzemesiz kutu, sağ kısım açık Güç ünitesi devrede, iç kısım steorofor kaplı, sağ kısım açık Güç ünitesi devrede, iç kısım steorofor kaplı, sağ kısım kapalı Güç ünitesi devrede, iç kısım steorofor ve suni kauçuk ile kaplı, sağ kısım açık Güç ünitesi devrede, iç kısım steorofor ve suni kauçuk ile kaplı, sağ kısım kapalı 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Hidrolik güç ünitesinin çalıştırılmadığı anda ortamdaki ses seviyesi her üç ölçüm noktasında da 50 db(a) olarak okunmuştur. Güç ünitesinin çalışması ortamdaki imisyon değerini yaklaşık 30 db(a) arttırmaktadır, iki nolu ölçüm noktası ses kaynağından uzakta olduğundan buradaki ses basıncı değeri diğerlerine göre düşüktür (Şekil 9). Ölçülen yaklaşık 80 db(a)'lık bu değer boşta çalışma için oldukça yüksek bir değerdir ve alınacak önlemlerle bu deney cihazıyla çalışan kişinin duyu organının zarar görmesi engellenmelidir. 85 O HNoktal BNokta2 ^Nokta3 Deney No Şekil 9. Hidrolik Güç Ünitesi Üzerinde Yapılan Ses Kesme Deneylerinin Sonuçları İlk denemede yaklaşık 5 db(a) değerinde bir ses seviyesinde indirgeme sağlanabilmiştir. Herhangi bir iç kaplama malzemesi kullanılmadan, sadece kontrplak tabakanın etkisiyle sağlanan bu indirgeme oldukça tatminkardır. Ardından kontrplak tabakanın iç kısmının steorofor köpük ile kaplanmasıyla ses seviyesi yaklaşık 2 db(a) daha azaltılmıştır. Güç kaynağıyla askı ömür deneyinin yapıldığı kısmın bağlantısının bir suni kauçuk plaka ile tamamen kesilmesiyle de yaklaşık 1 db(a)'lık bir iyileşme daha sağlanmıştır. İç kısımda ses sönümlemesini arttırmak için düşünülen suni kauçuk plakalar deney sonuçlarına göre işe yaramamışlardır. Bunun nedenleri arasında; kısmi örtünün boyutlarının çok küçük olması, bu nedenle iç kısımda oluşan yansımaların artması ve suni kauçuk plakaların ses yutma katsayılarının düşüklüğü sayılabilir. Suni kauçuk plakalar ile yapılan uygulamada ses seviyesi yaklaşık olarak 3-5 db(a) kadar yükselmiştir. Sonuç olarak, kısmi örtünün iç kısmı sadece porozif steorofor plakalar ile kaplanmış ve sağ kısmı tamamen kapatılmış olarak kullanılırsa db(a)"ık bir ses seviyesinde indirgeme sağlanabilir.

12 III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 11 Ancak bu uygulamanın ısının ortamdan uzaklaştırılması açısından zararlı olabileceği de unutulmamalıdır. Bu nedenle, kısmi örtünün sağ yanının kapatılmaması ve bu şekilde sağlanmış olan ortamın imisyon değerindeki yaklaşık 8 db(a) değerindeki azalma yeterli kabul edilebilir. 4. SONUÇ Gürültünün insan psikolojisi ve fizyolojisini etkilediği açıktır. Bu nedenle cihazlar gürültüsü az olarak tasarlanmalıdır. Mevcut cihazlar da gürültüsü en az olacak şekilde çalıştırılman veya gürültünün insana ulaşım yolları üzerinde önlemler alınmalıdır. Bu çalışmada, çok basit önlemler ve ekonomik yöntemlerle gürültü kaynağının insana etkisinin azaltılabileceği gösterilmiştir. Bu nedenle çalışmanın bu alanda uyarıcı bir örnek olabileceği düşünülmektedir. Çalışmanın devamında pratik deneylerin teorik çalışma ile de desteklenmesi ve farklı malzemelerle deney sayısının arttırılması düşünülmektedir. 5. KAYNAKLAR [1] ÇAVDAR, K., Gürültüsü Az Konstrüksiyonlar, Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, [2] Luftschalldaemmung, Katalog, Handbuch Laermschutz. [3] ALTINSOY, E., GÜL, M., Malzemelerin Ses Yutumunu Etkileyen Faktörler, İzolasyon Dünyası 16, s , [4] Izocam ile Yapılarda Ses izolasyonu, Broşür, İzocam, [5] Christ/Fischer, Laermminderung an Arbeitsplaetzen, Erich Schmidth Verlag, ÖZGEÇMİŞLER Kadir ÇAVDAR 1969 yılında Bursa'da doğdu yılında Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nden Doktor unvanı aldı. Gürültüsü az konstrüksiyonlar, makine elemanları, metodik konstrüksiyon ve mekatronik alanlarında halen UÜ Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği bölümünde Öğretim Görevlisi olarak çalışmaktadır. Evli ve bir çocuk babasıdır. Mesut ŞENGİRGİN 1967 yılında Mustafakemalpaşa-BURSA'da doğdu. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü'nden 1989 yılında "Lisans", Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nden 1992 yılında "Yüksek Lisans" ve 2000 yılında "Doktora" derecelerini aldı. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde yılları arasında Araştırma Görevlisi olarak çalıştı yılından buyana halen aynı üniversitede Öğretim Görevlisi olarak görev yapmaktadır. Çalışmaları sistem dinamiği, hidrolik ve pnömatik sistemlerin modellenmesi ve kontrolü, sistem modelleme ve simülasyonu alanlarında yoğunlaşmaktadır. Evli ve bir çocuk babasıdır.

13 III. HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ /HİD - 2 MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir. Hidrolik Servo Valflerin Dinamik Modelleri ve Performans Testleri Umut BATU ASELSAN M. Burak GÜRCAN ASELSAN Tuna BALKAN ORTA DOĞU TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

14 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 15 HİDROLİK SERVO VALFLERİN DİNAMİK MODELLERİ ve PERFORMANS TESTLERİ Umut BATU M. Burak GÜRCAN Tuna BALKAN ÖZET Bu çalışmada ASELSAN A.Ş. bünyesinde yürütülmekte olan bir projede kullanılan hidrolik servo valfin MATLAB Simulink ortamında matematiksel modeli oluşturulmuş ve analizi yapılmıştır. Valfin dinamik ve akış parametreleri yapılan deneysel çalışmaların MATLAB System Identification Toolbox modülü ile değerlendirilmesi sonucunda belirlenmiştir. Tepki hızlarının önemli olduğu bir sistemin hız ve konum denetiminde kullanılan valf için benzetim sonuçları ile uygulama sonuçları karşılaştırılmıştır. 1. GİRİŞ Sistemlerin bilgisayar ortamında benzetiminin hazırlanması, tasarım sırasında gerekli çalışmaların gerçek sistem üzerinde yapılması yerine bilgisayar ortamında yapılmasına olanak sağlar. Böylece daha az zaman ve daha az kaynak harcanarak sistemin istenilen performans düzeyine getirilmesi sağlanmış olur. Günümüzün hidrolik uygulamaları göz önüne alındığında, genellikle, dinamik etkilerin göz önüne alınmasına gerek duyulmadan tasarlanan sistemlerle karşılaşılmaktadır. Yüksek hızlarda ve/veya ivmelerle hareket eden sistemler çoğunlukla küçük ataletlere sahip olduğundan, tasarım sürecinde çeşitli dinamik etkilerin göz ardı edilmesi büyük hatalara neden olmamaktadır. Servo valflerin bant genişliğinin de denetlenen mekanik sistemlere göre büyük olması nedeniyle hızlı olan valf dinamiği tasarımda genellikle ihmal edilmektedir. Ancak, havacılık ve askeri uygulamalarda sistem tepki hızı ön plana çıkmakta, dolayısıyla valf tepki hızı da önem kazanmaktadır. Servo denetimli kapalı döngü sistemlerde, sistemin isteğe karşı verdiği yanıttaki gecikme, hız, hata, kararlılık gibi kavramlar oldukça önem kazanmaktadır. Servo valfler ile kolayca denetlenebilen hidrolik sistemlerde performansı arttırmak için denetlenen mekanik sistemin dinamik davranışı, hidrolik yağın sıkıştırılabilirliği, servo valfin zaman sabiti ve kazancı gibi etkenleri göz önüne alarak tasarım aşamasında bir matematiksel model oluşturulması ve artık yaygın olarak kullanılan dinamik modelleme yazılımlarının yardımı ile bilgisayar ortamında benzetim yapılması gereği ortaya çıkmıştır. Bir sistemin tasarım sürecindeki aşamalar, matematik modelleme, dinamik model elde edilmesi ve benzetimdir. Bu şekilde, bilgisayar ortamında sistemin basamak ve frekans tepkisi, vb. davranışlarının benzetimi yapılabilmekte, benzetim üzerinde yapılan çalışmalarla tasarımın iyileştirilmesi, denetleç türünün seçimi ve parametrelerinin iyileştirilmesinin bilgisayar ortamında kolaylıkla gerçekleştirilmesi mümkün olmakta ve daha az zaman ve daha az kaynak harcanarak sistem istenilen performans düzeyine getirilebilmektedir. Gerektiğinde, bu testlerin sonuçlarının gerçek sistem üzerinde yapılan testlerin sonuçlarıyla karşılaştırılması ve benzetimin doğrulanması da mümkündür. Hidrolik güç sistemlerinin benzetim uygulamaları için çeşitli kişisel bilgisayar programları geliştirilmiştir [1]. MATLAB [2] yazılımının SİMULİNK [3] modülü günümüzde bu tür dinamik modelleme ve benzetimin gerçekleştirilmesinde yaygın olarak kullanılan programlardan birisidir. Özellikle servo uygulamalarında, seçilen valfin dinamik davranışının uygunluğu, sistemin kararlılığı, tepki hızı, oluşan

15 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 16 nihai hata vb. tasarım kriterlerinin önceden test edilmesi ve sistemin istenilen dinamik davranış için ayarlanması ancak uygulama öncesi başlanan ve uygulama sürecinde de devam eden bir dinamik modelleme ve benzetim ile mümkün olabilmektedir. Bu süreç içerisinde karşılaşılacak en önemli zorluklardan birisi sistemin dinamik davranışındaki baskın elemanların dinamik modellerinin oluşturulması ve parametrelerinin belirlenmesidir. Bu amaçla, matematiksel model oluşturulduktan sonra, eğer önceden yapılmamış ise, söz konusu elemanların dinamik parametrelerinin belirlenmesi için bir dizi test ve laboratuar çalışmasının yapılması gerekmektedir. MATLAB yazılımının System Identification Toolbox modülü sistem parametrelerinin bulunması için kullanılabilecek önemli bir araçtır. Bu modül kullanılarak test sonuçlarından sistemin matematiksel modeli ve parametreleri kolaylıkla elde edilebilmektedir. Benzetim sonuçlarının uygulama sonuçları ile karşılaştırılması, ancak sistem parametrelerinin belirlenmesinden sonra mümkün olmaktadır, ilgili testler, MATLAB yazılımının gerçek zamanda çalışan modülleri ve bilgisayara takılacak analog/sayısal ve sayısal/analog dönüştürücü birimleri içeren bir veri toplama kartı yardımı ile yapılabilmekte, test sonrası ise yine aynı donanımın hem benzetimi hem de uygulamayı gerçek ve eş zamanlı olarak çalıştırabilme yeteneği kullanılarak karşılaştırma yapılması mümkündür. Bu çalışmada, ASELSAN A.Ş.'de yürütülen bir proje kapsamında kullanılan servo valflerin bilgisayar ortamında benzetimi gerçekleştirilmiş ve benzetim sonuçlarıyla test sonuçları karşılaştırılmıştır. Servo valflerden biri bir hidrolik silindirin denetimi, aynı karaktere sahip bir diğeri ise bir hidromotorun denetimi için kullanılmaktadır. 2. FİZİKSEL MODEL Şekil 1'de bu çalışmada kullanılan servo valflerden birinin bloğunun şematik gösterimi verilmektedir. Elektriksel Giriş İkinci Kademe Üçüncü Kademe Birinci Kademe H, C, p H 2 C 2 R Şekil 1. Servo Valf Bloğunun Şematik Gösterimi Birinci kademe ön yönetim valfinden oluşmaktadır. Ön yönetim valfi kapalıyken servo valfe basınçlı hidroliğin girmesi engellenmektedir.servo valfin çalışır duruma gelmesi için ön yönetim valfinin açılması gerekir. Üçüncü kademeye gelen basınçlı hidrolik akışkan bu kademede bulunan sürgü ile hidrolik silindire yönlendirilir, ikinci kademeden gelen hidrolik akışkan ile kontrol edilen üçüncü kademe sürgüsünün konumu LVDT tarafından algılanır ve denetleç birimine aktarılır. İkinci kademeden üçüncü kademeye doğru olan akış, ikinci kademe sürgüsünü hareket ettiren elektriksel servo komutu tarafından kontrol edilir. Bu komut servo valfe denetleç birimi tarafından gönderilmektedir. Servo valfin çıkış uçlarına bağlı bulunan basınç algılayıcı, sistemde oluşan yük basıncını denetleç birimine aktarır.

16 III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ MATEMATİK MODEL İlk aşamada valfin hidrolik modeli hazırlanmıştır. Çift etkili silindirin servo blok tarafından kontrol edilişi Şekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir. Bu çalışmaya servo bloğun sadece üçüncü kademesi konu edilmiştir. Bu kademenin sıfır taşmalı olduğu, açıklığı x (sürgü konumu) olan iki adet orifisten oluştuğu, sürgü orta konumdayken x değerinin sıfır olduğu, sürgü bir yöne hareket ederken x'in pozitif, diğer yöne hareket ederken de negatif değerler aldığı varsayılmıştır. Diğer bir varsayım ise besleme basıncının çalışma süresince sabit olduğudur. Silindirin A bölmesi tarafındaki orifisin arkasındaki hidrolik akışkanın basıncı P İ7 B bölmesi tarafındaki orifisin arkasındaki hidrolik akışkanın basıncı da P 2 olarak tanımlanmıştır. x değerinin sıfırdan büyük olduğu durumda piston, sabit besleme basıncına (P s ) eşit olan P, basıncı tarafından sürülmekte, P 2 basıncı da çıkış basıncına (P e ) eşit olmaktadır. Bu durumda silindirin A bölmesi tarafındaki orifisten geçen akışkanın debisi, Q a, aşağıdaki orifis denklemiyle ifade edilmiştir [4]. Q a =k. x.sign(p 1 -P a ).^ (4.1) Şekil 2. Hidrolik Valf ve Silindir Modeli Hidrolik akışkanın sıkıştırılabilir olduğu kabul edilirse, bu durumdaki akış sürekliliği denklemi de aşağıdaki şekilde ifade edilir. (2) (1) ve (2) numaralı denklemlerde A a V a y P a y Çift-etkili silindir üzerindeki akış kesit alanı Bulk modülü Silindirin A bölmesinin hacmi Pistonun silindire göre konumu Silindirin A bölmesi tarafındaki orifisle yük arasındaki akışkanın basıncı Pistonun silindire göre bağıl hızı olarak tanımlanmıştır. Ayrıca (1) numaralı denklemde kullanılan k.x çarpımı orifisin hidrolik iletkenliği olup aşağıdaki denklemle ifade edilir. k.x = C d wx - (3) Bu denklemdeki parametrelerin tanımları da şöyledir; C d w p Boşaltma katsayısı (keskin kenarlı orifislerde ortalama alınır) Orifisin sürgü çevresi boyunca genişliği Hidrolik akışkanın yoğunluğu

17 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 18 x değerinin sıfırdan küçük olduğu durumda ise piston, sabit besleme basıncına (P s ) eşit olan P 2 basıncı tarafından sürülmekte, P^ basıncı da çıkış basıncına (P e ) eşit olmaktadır. Bu durumdaki orifis ve akış sürekliliği denklemleri diğer duruma benzer olarak aşağıdaki şekilde yazılmıştır. Q b =k. x.sign(p b -P 2 ). A / P b -P 2 (4) Bu denklemlerde de (5) Q b P b V b Silindirin B bölmesi tarafındaki orifisten geçen akışkanın debisi Silindirin B bölmesi tarafındaki orifisle yük arasındaki akışkanın basıncı Silindirin B bölmesinin hacmi olarak tanımlanmıştır. Pistonun sürdüğü mekanik sisteme uyguladığı kuvvetin oluşmasını sağlayan net basınç farkı P L ise aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır. P L =P a -P b (6) 1-6 denklem setiyle tanımlanan valf sisteminin girdisi sürgü konumu x olup çıktısı ise silindirin A ve B bölmelerindeki basıçlardır. Hidrolik silindirin sürdüğü mekanik sisteminin hareketini de bu bölmeler arasındaki basınç farkı sağlamaktadır. Servo valf modelinin blok şema gösterimi Şekil 3 de verilmiştir. Valf Akış Karakteristiği Yüksek Geçirsen Filtre \4 Diferansiyel Basınç ölçer Şekil 3. Servo Valf Modeli Blok Şeması Şekil 3 ile verilen ikinci ve üçüncü kademe valf dinamiği ve üçüncü kademe valf akış karakteristiği modelinin girdisi valf sürgüsü konum isteği x r olarak gösterilmiştir. 1-6 numaralı denklemlerin girdisi olan valf sürgü konumu ile istek arasındaki ilişki ise valf denetleç döngüsü tarafından belirlenmektedir. Matematik modeli doğru olarak oluşturabilmek için sebep-sonuç ilişkilerine dikkat etmek gerekmektedir. Şekil 3'de de görüleceği üzere valfin akış karakteristiği çıkış olarak Q a ve Q b debilerini vermektedir. Ancak, valfin sürdüğü hidrolik silindir ve mekanik sistem düşünüldüğünde bu sistemlerin girdisinin kuvvet ya da dönme momenti olması gerekir. Bu durumda, anlamlı sebep-sonuç ilişkisi için debilerin hidrolik yağın esnekliğine karşı gelen Bulk modülü üzerinden basınca, daha sonra da kuvvete çevrilmesi doğru olacaktır. Diğer taraftan, Şekil 3 de hidrolik silindir ile sürdüğü mekanik sistem tek bir blokla gösterilmiş olup aralarında olabilecek esnek bağlantılar göz ardı edilmiştir. Ancak, istenildiği takdirde esnekliği katacak değişiklikleri kolayca yapmak mümkündür. Valfin elektriksel dinamiği, nüvedeki Eddy akımlar göz ardı edildiğinde, seri bir direnç ve bobin ile modellenebilir. Bu durumda, valfe uygulanan denetim sinyali ile, bobinden geçen akım arasında birinci mertebeden bir dinamik oluşmaktadır. Valfin elektriksel tepki hızını arttırmak için çeşitli yaklaşımlar bulunmaktadır [4]. Bunların başında valfi voltajla sürme yerine akımla sürme gelmektedir. Oransal akım denetiminin kullanıldığı durumda valfin elektrik matematiksel modeli aşağıda verilen denklem seti ile tanımlanabilir.

18 III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 19 L di f Ri = V dt dv = K dt " p (i d -i) (6) (7) Bu denklemlerde, L R V i İd K p Valf bobin endüktansı, Valf bobin direnci, Valf bobin voltajı, Valf akımı, Valf akım isteği, Oransal denetleç kazancı olarak tanımlanmıştır. 6 ve 7 numaralı denklemler birleştirildiğinde ise akım isteği ve oluşan akım arasındaki aşağıda verilen 2 mertebeden elektriksel dinamik elde edilir. Servo valflerde genelde iki adet birbiriyle aynı sürücü bobin bulunmaktadır. Bu bobinleri seri ve paralel olarak iki şekilde bağlamak mümkündür. Eğer bobinlerin toplam endüktansı ve direnci sırasıyla L o ve R o ise, n bobinli paralel bağlantı için eşdeğer endüktans ve direnç şu şekilde elde edilir. I _ '"O D L paralel ~ ~ "paralel Hem paralel hem de seri bağlantı için L/R= Lo/ Ro oranı ve akım isteğini, i d, izlemek için gerekli güç gereksinimi, i d 2 R 0, sabit kalmakla beraber, akım isteğine ulaşmak için gerekli süre t 0 farklı olup, valf denetleci için yüksek oransal kazanç kullanıldığında ve basamak akım isteğinde valf denetlecinin doyuma ulaşması durumunda aşağıdaki ifade ile gösterilebilir. nv max (10) Burada, t 0 i d V m ax Akım isteğine ulaşmak için gerekli süre, Basamak akım isteği büyüklüğü, Maksimum amplifikatör çıkış voltajı olarak tanımlanmıştır. Şekil 4 de voltaj ve akım ile sürülen bobinin tepkileri, Şekil 5'te paralel ve seri bağlantılar için iki yöndeki tipik basamak tepkileri gösterilmiştir.

19 ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 20 Şekil 4. Valf Bobinini Akım ve Voltaj ile Sürme Basamak Tepkileri Paralel Bağlantı Paralel Bağlantı Seri Bağlantı Şekil 5. Valf Bobinlerinin Paralel ve Seri Bağlantı Basamak Tepkisi Şekil 5'te görüldüğü üzere bobinlerin paralel bağlantısında tepki hızı daha yüksek olmaktadır. Her iki yönde basamak tepkilerinin farklı olmasının sebebi ise akımın kesilmesinden sonra bobindeki artık manyetik alandır. Bu sorun sürgünün geri çekilmesi sırasında akımı sıfırlamak yerine önce ters yönde akım verilip daha sonra sıfırlama uygulanarak giderilebilir. Şekil 6'da bu uygulama sonucunda basamak tepkisindeki iyileşme görülmektedir. fe - \ VYönde Ters Akım Var / / Ters Yönde Akım Yok -^. ~_~*~ ~~ı t Şekil 6. Ters Yönde Akım Uygulayarak Basamak Tepkisinin İyileştirilmesi Yukarıda verilen açıklamalar doğrultusunda, daha hızlı valf tepkisi paralel bobin bağlantısı ve akım sürücü için maksimum amplifikatör voltajının yükseltilmesi ile elde edilebilir. Şekil 3 ile gösterilen matematik model bilimsel çalışmalarda kullanılmakla beraber mühendislik çalışmaları için pratik değildir. Bu modeli oluşturup valf ve sistem parametrelerini belirleyip benzetim yapmak yerine sistem tanılama yöntemi kullanılarak valf dinamiğinin tamamının bir transfer fonksiyonu olarak belirlenmesi daha uygundur. Bu şekilde yapılacak uygulamada valfin elektriksel ve mekanik dinamiği (sürgü dinamiği) bütünüyle kapsanmış olacaktır. Diğer bir deyişle servo bloğun ikinci ve

20 III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 21 üçüncü kademe dinamiğinin tamamı elde edilen model içerisinde yer almış olacaktır. Bu amaçla MATLAB yazılımının System Identification Toolbox modülü kullanılabilir. Birinci kademe ise aç-kapa kademesi olduğu için bu çalışmanın dışında tutulmuştur. 4. MATLAB /SYSTEM IDENTIFICATION TOOLBOX MODÜLÜ İLE VALF MODELİNİN OLUŞTURULMASI Valf modeli oluşturma sürecinin ilk aşamasında valf kazancı (geçirgenlik katsayısı, K v ) değerinin bulunması gerekmektedir. Bu bilgi için katalog değeri alınabilmekle beraber bu çalışmada deneysel yol tercih edilmiştir. Bu amaçla servo valf üzerinde P-Q ölçümleri yapılmıştır. Sürgü %100 açık iken, valf üzerine basıncı 10 ile 200 bar arasında değişen bir akış uygulanmış ve debi ölçülmüştür. Test sonunda elde edilen verilerden valf karakteristik eğrisi bulunmuştur. Elde edilen gerçek sistem eğrisi ve bu eğriye çakıştırılan teorik (K v = 4.7e 5 ) eğrisi normal ve logaritmik eksenler için sırasıyla Şekil 7 (a) ve Şekil 7 (b) de verilmiştir. Deneysel Karakteristik Teorik Karakteristik sn ıd im iz; ıu -m ısa 200 VaK Basinç Kaybl, bar SL 20 X VaHdeki Baslrıç Kaybi. bar (a) P-Q (b) logp-logq Şekil 7. Valf Karakteristiği Öte yandan, valfin elektriksel ve mekanik dinamiğinin modellenmesi için valf bobin endüktans ve direnç değerlerinin, 3. kademe sürgü kütlesi ve içinde bulunduğu ortamın viskoz sürtünme katsayısının sayısal olarak belirlenmesi gereklidir. Bu değerlerin isabetli olarak ölçülmesi veya testler ile saptanması oldukça güçtür. Bu gibi durumlarda deneysel veriye dayalı sistem tanılama yöntemleri değerlendirilmelidir. Sistem üzerinde kontrollü test yapmak için uygun altyapı mevcut ise, sistemin referans isteklere tepkisi kaydedilip girdi ve çıktı uygun bir ortamda işlenerek sisteme temsili bir transfer fonksiyonu uydurulması ve yapılacak analiz ve çalışmalarda bu transfer fonksiyonunun kullanılması, analitik denklemlerden model oluşturma sürecine basit, hızlı, pratik ve masrafsız bir alternatif oluşturmaktadır. Bu çalışmada, valfin ikinci ve üçüncü kademe dinamiğini analitik denklemlerle ifade etmek yerine sistem tanılama yöntemi kullanmak yoluna gidilmiştir. Tanılama çalışması için MATLAB yazılımının System Identification Toolbox modülü içinde bulunan Ident arayüzü kullanılmıştır, Şekil 8'de görülen Ident arayüzünde soldaki haneler tanılamada kullanılacak olan girdi verileri için, sağdaki haneler ise oluşturulacak modeller için ayrılmıştır. Model oluşturma, "VVorking Data" hanesinde bulunan veri kullanılarak yapılır. "Validation Data" hanesi ise, oluşturulan modelin tepkisinin gerçek sistemin tepkisini ne derecede yansıttığı değerlendirilirken kullanılacak olan gerçek sistem verisini gösterir.

21 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 22 t* Opeufeni t 1 T» 11 T» 1 i r -.. «âttan PW Mo4* (a) Açılış Ekranı J JaJüJ HH ULU ] Model Vww r 1. Data data DataVfevn " Tmspiot Şekil 8. Ident Arayüz Ekranı d.im. - t ** 1 MU 1»MdngiMa EilmBl«-> j To t» Trash zl HH.. model r MuMıMııut r»omn-jis I a«. \ VaMalonDaM r fianaantıatp T fnnoencj rw> P Nointpecttum (b) Veri Yüklenmiş ve Model Üretilmiş Tanılama çalışmasına başlangıç olarak valf üzerinde kontrollü testler yapılmıştır. Valfe gönderilen istek sinyali, valf bobini üzerinden ikinci kademe makarasına kuvvet olarak uygulanmaktadır. İkinci kademe makarasının merkez dışında bir konumda bulunması da üçüncü kademe sürgüsünü hareket ettirmektedir. Bu yüzden valfe uygulanan istek sinyali kontrol edilmediği takdirde üçüncü kademe sürgüsünün sınırlarına dayanması söz konusu olmaktadır. Bu da elde edilen verinin doğrusal bir benzetim için uygun olmamasına yol açmaktadır. Bu nedenle, sistem üzerinde yapılan testlerde oransal kontrol uygulanmıştır. Testlerde istek sinyali olarak genliği 2 V, frekansı 1 Hz olan bir sinüs sinyali kullanılmıştır. İstek sinyali ve karşılığında ölçülen sürgü konumu Şekil 9a, 9b ve 9c de verilmiştir. Şekil 9b ve 9c'deki grafikler, Şekil 9a'daki grafiğin büyütülmüş ayrıntı gösterimleridir (b) 2 r ; 'j^"~~~-~^_ \ istek sinyali sjs 1^ ^»v 1 sl)r 9 ü tonumu j? ;. ;V : i (c) Şekil 9. Sistem Tanılama için Kullanılan Test Verisi

22 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 23 İstek sinyali ve sürgü konumu bilgileri tanılama için Ident programına yüklenmiştir. Bu aşamada tanılamanın mevcut yöntemlerden hangisiyle yapılacağının seçilmesi gereklidir. Bu da tanılama sonucunda ne tür bir sistem gösterimi beklendiğine bağlıdır. Bu çalışmada sistemin bir transfer fonksiyonuyla ifade edilmesi amaçlandığı için programın Şekil 10 da gösterilen seçenekleri arasından "Process Model" seçilmiştir. Bu yöntem, verilen istek ve tepkiye paydası birinci ya da ikinci derece, payı da sıfırına ya da birinci derece olan, isteğe göre tip sıfır ya da tip bir transfer fonksiyonu uydurmaktadır. Equation: K 1 [1 + Tp1 $)(1 + Tp2s) r Detay F Integrator F Zero Pöles Name: P2U Focus: Initial State: Cpvarianoe: llsfflflfflllill İAuto (Estimate B il Iterationconttol... Estımate Cipse i Ontef rfto-.. Help i I Şekil 10. Ident "Process Model" Yaratma Seçenekleri Şekil 9b'de verilmiş test verisi grafiğinden ikinci ve üçüncü kademe valf dinamiğinin birinci dereceden daha yüksek dereceli bir sistem karakteristiğine sahip olduğu anlaşılmaktadır. Analizin basitliği ve elde edilen transfer fonksiyonunun anlaşılırlığı ve kullanışlılığı açısından sistemin baskın kutuplarını içeren ikinci derece bir transfer fonksiyonu kullanmak uygun olacaktır. Analizden elde edilmek istenen transfer fonksiyonu 11 numaralı denklemdeki gibi tanımlanmış, analiz sonucunda 12, 13 ve 14 numaralı denklemlerdeki değerler ve 15 numaralı denklemdeki transfer fonksiyonu elde edilmiştir. L : OD K=1 T w =0.005 Ç=0.4 1 T(s) = 25x10~ 6 s 2 +4x10~ 3 s (12) (13) (14) (15) Elde edilen kapalı döngü transfer fonksiyonunun sağlamasını yapmak için MATLAB /Simulink ortamında testte kullanılan istek sinyali bulunan T(s) transfer fonksiyonuna beslenmiş, alınan çıktı gerçek sistem üzerinde kaydedilmiş olan tepkiyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalı grafikler Şekil 11a, 11b ve 11c de verilmiştir. Daha önce de belirtilmiş olduğu gibi, tanılama sonucunda elde edilen bu transfer fonksiyonu, konum kontrolü yapılan sürgünün kapalı döngü transfer fonksiyonudur. Bu fonksiyon kullanılarak açık döngü transfer fonksiyonu teorik hesaplamalarla bulunmuştur. Bu işlem için öncelikle kapalı döngü sistemin blok şemasından yola çıkılarak açık döngü transfer fonksiyonu ile kapalı döngü transfer fonksiyonunun arasındaki bağıntı çıkarılmıştır.

23 / / / /. : ' / / ' II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ istek sinyali model tepkisi sürgü konumu (a) il. : :.'... ; : (b) f istek sinyali model tepkisi sürgü konumu (c) Şekil 11. Sistem Tanılama Sonucu Elde Edilen Modelin Test Verisiyle Karşılaştırması Çıkarımı basitleştirmek için oransal bir denetleç kullanılmış ve geri besleme hattında bulunan LVDT almacının birim transfer fonksiyonuna sahip, ideal bir almaç olduğu varsayılmıştır. Bu varsayımlar altında sistem Şekil 12'deki blok şeması ile tarif edilebilir. Burada, Şekil 12. Test Düzeneğinin Blok Şeması U(s) Y(s) C(s) G(s) istek sinyali, 3. kademe sürgüsü konumu, Denetleç transfer fonksiyonu, Valf açık döngü transfer fonksiyonu, olarak tanımlanmıştır. Şekil 12 de blok şeması verilen test düzeneğinin kapalı döngü transfer fonksiyonu, T(s) yazıldığında, valfin açık döngü transfer fonksiyonu olan G(s) de kolaylıkla aşağıdaki şekilde bulunabilir. Y(s) T(s) = U(s) G(s) = C(s)G(s) 1 + C(s)G(s) T(s) C(s)-C(s)T(s) (16) (17)

24 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 25 Testlerde kazancı 3 olan oransal bir denetleç kullanılmıştır. Bu durumda denetlecin transfer fonksiyonu, C(s)=3 olarak alındığında aşağıdaki sonuca ulaşılır. 1 G(s)= 25x10-6 s 2 + 4x1Q-3 s 1 + = 1 3? s(75x10" 6 s + 12x10" 3 ) 25x10~ 6 s 2 +4x10~ 3 s + 1 Elde edilen G(s) transfer fonksiyonu, valf 3. kademe sürgüsünün mekanik ve elektriksel dinamiğini ifade etmektedir. Valfe verilen istek hıza, valften alınan geri besleme ise konuma karşılık geldiği için sistemde integral bir davranış olması beklenmektedir. Elde edilen transfer fonksiyonunun paydasındaki "s" terimi bu davranışı ifade etmektedir. Grafiklerden de görülebileceği gibi valf dinamiğinde doğrusal bir transfer fonksiyonu ile modellenemeyecek unsurlar da mevcuttur. Ancak matematik model oluşturmadaki amaç denetleç tasarlamak veya valfin entegre olduğu daha kapsamlı bir sistemin benzetimini yapmak olduğu sürece elde edilen yaklaşık doğrusal model valfin davranışını yeterli isabette temsil etmektedir. SONUÇ Bu çalışmada, ele alınan servo valfin elektriksel ve mekanik dinamiği ile akış karakteristiğini temsil eden matematik modeli oluşturmak için gerekli analitik denklemler bir araya getirilmiş, gerekli parametrelerin belirlenmesi için mühendislik çalışmalarına uygun, pratik, deneysel yöntemler oluşturulmuş, ikinci ve üçüncü kademe valf karakteristiğinin belirlenmesine yönelik deneysel bir sistem tanılama çalışması yapılmış ve bu çalışmadan elde edilen kapalı döngü transfer fonksiyonu kullanılarak, analitik ve deneysel yollarla doğrudan elde edilmesi güç olan açık döngü transfer fonksiyonu hesaplanmıştır. Bir servo valfin matematik modeli oluşturulurken izlenecek yol ele alınan örnek sistem üzerinde ortaya konmuş, dikkat edilmesi gereken noktaların altı çizilmiştir. Çift bobinli valflerin sürülmesinde paralel ve seri bağlantı seçenekleri değerlendirilmiş, avantajları ve dezavantajları belirtilmiştir. Servo valften daha hızlı tepki alabilmek ve açılma-kapanma yönlerinde tepkinin simetrik olmasını sağlamak için uygulanabilecek teknikler önerilmiştir. Sistem tanılama sürecinde MATLAB /System Identification Toolbox kullanımı konusunda bilgi verilmiş, örnek servovalf üzerinde tanılama çalışması baştan sona açıklanmıştır. KAYNAKLAR [1] Balkan T., ve Arıkan, M. A. S., "Hidrolik Sistemlerin Tasarımında Paket Program ve Hidrolik Modüller Kullanarak Kolay Benzetim Yapılması", II. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi ve Sergisi, s.47-56, izmir, 8-11 Kasım [2] "MATLAB User's Guide", Version 6, The Mathvvorks Inc., [3] "MATLAB /Simulink Model-Based and System-Based Design, User's Guide", Version 5, The Mathvvorks Inc., [4] Ercan Y., "Akışkan Gücü Kontrolü Teorisi", Gazi Üniversitesi, Ankara, [5] Yang, G., Ramallo, J. C, Spencer, B. F. Jr., Carlson, J. D. ve Sain, M. K., "Dynamic Performance of Large-Scale MR Fluid Dampers", CD-ROM Proceedings 14th ASCE Engineering Mechanics Division Conference. Austin, Texas, J. L. Tassoulas, Editör, 6 Sayfa, Mayıs [6] Ljung, L, "MATLAB /System Identification Toolbox, User's Guide", Version 5, The Mathvvorks Inc., 2002.

25 III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 26 ' ÖZGEÇMİŞLER Tuna BALKAN 1957 yılında Manisa'da doğdu. Halen çalışmakta olduğu Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü'nden 1979 yılında "Lisans", 1983 yılında "Yüksek Lisans", 1988 yılında da "Doktora" derecelerini aldı yılında "Öğretim Görevlisi", 1988 yılında "Yardımcı Doçent", 1990 yılında "Doçent" ve 2000 yılında da "Profesör" unvanını aldı yılından beri ODTÜ Bilgisayar Destekli Tasarım imalat ve Robotik Merkezi Başkan Yardımcılığı görevini yürütmekte ve ASELSAN A.Ş. ile ortak çalışmaktadır. Çalışmaları sistem dinamiği, kontrol, sistem modellemesi, simülasyonu ve j tanılaması, akışkan gücü kontrolü, robotik ve uygulamaları alanlarında yoğunlaşmış olup, bu!\ konularda çeşitli uygulamalı endüstriyel çalışmalarda yer almıştır. Umut BATU 1980 yılında Ankara'da doğdu. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü'nden 2002 yılında "Lisans" derecesini aldı. Ekim 2002 tarihinde ASELSAN MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü'nde Mühendis olarak göreve başladı ve servo kontrol ve stabilizasyon konusunda çalışmalar yaptı. VOLKAN Atış Kontrol Sistemi Projesi'nde kontrol sistemi tasarımında görev aldı. Halen MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü, Silah Sistemleri Tasarım Ekibi'nde Mühendis olarak görev yapmakta ve ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü'nde yüksek lisans çalışmalarını sürdürmektedir.. t M. Burak GÜRCAN 1971 yılında İsparta'da doğdu. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü'nden 1993 yılında "Lisans", 1997 yılında da "Yüksek Lisans" derecelerini aldı. Nisan 1999 tarihinde ASELSAN. MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü'nde çalışmaya başladı ve Kaideye Monteli Stinger ve VOLKAN Atış Kontrol Sistemi Projeleri'nde görev aldı. VOLKAN Atış Kontrol Sistemi Projesi'nde Araç İş Paketi PKD Yöneticisi'dir. Halen MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü, Silah Sistemleri Tasarım Ekibi'nde Baş Mühendis olarak görev yapmaktadır.

26 III. HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ /HİD - 3 MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir. Yüksek Basınç Altında Metallerin Şekillendirilmesi (Hidroforming) Güner ÇELİKAYAR BOSCH REXROTH A.Ş. MAKINA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

27 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 29 YÜKSEK BASINÇ ALTINDA METALLERİN ŞEKİLLENDİRİLMESİ (HİDROFORMİNG) Güner ÇELİKAYAR ÖZET Sanayide gelecekteki mücadele, kullanılan kaynakların ve çevrenin korunması üzerine olacaktır. Bunun sonucunda teknolojik olarak kalitesi yüksek ürünlerin düşük maliyetle ve daha az enerji ile üretilmesi ve çevre için yeniden kullanılmaya müsaade edilebilir bir yapıda olması önem kazanmaktadır. Bu bağlamda özellikle otomotiv endüstrisinde metallerin şekillendirilmesi konusunda yeni bir teknik kullanılmaya başlanmış ve karmaşık geometriye sahip metaller yüksek basınç altında şekillendirilerek (hydroforming) üretilmeye başlanmıştır. Karmaşık geometriye sahip malzemeler daha kolay üretildiğinden dolayı çevre dostu olmayan plastik malzemelerden üretilmekte fakat bu yeni yöntem sayesinde plastik yerine çevre ile daha uyumlu geri dönüşümü mümkün metal malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek basınç altında şekillendirme işleminde bir kalıp tarafından sıkıştırılmış içi boş yapıya sahip bir borunun içine veya bir saç üzerine yüksek basınçlı akışkan gönderilerek borunun cidarlarının kalıbın geometrisine göre genişlemesi ve istenen şekle gelmesi işlemidir. Bu işlemde kullanılan basınç şekillendirilen malzemeye göre bar civarındadır. Bu yüksek basınçları herhangi bir pompa ile sağlamak mümkün olmadığından dolayı bu işlem özel olarak tasarımlanmış basınç yükselticiler tarafından sağlanmaktadır. Ayrıca basınçlarda çok yüksek olduğundan dolayı bu işlemde kullanılacak akışkanın sıkıştırılabilirlik özelliği önem kazanmakta ve bu yüzden su esaslı akışkanların kullanılması uygun olmaktadır. GİRİŞ Otomotiv endüstrisinde kullanılan malzeme ve bu malzemenin şekillendirilmesinde kullanılacak teknoloji önemli bir role sahiptir. Değişik bir geometriye sahip içi boş sert bir metalin şekillendirilmesi işlemi için özel imalat yöntemlerinin kullanılması gerekecektir. İşte birkaç özel üretim yöntemi ile elde edilebilecek bir otomotiv parçası yüksek basınç altında şekillendirme işlemi kullanılarak, bir defada şekillendirilebildiği için, bu tip malzemelerin üretilmesi konusunda diğer üretim yöntemlerine göre büyük avantaj sağlamaktadır. Otomotiv endüstrisinde hafif araçlar üretmek şu an olduğu gibi ve gelecekte de önemini koruyacaktır, yüksek basınç altında şekillendirme işlemiyle çok özel şekiller diğer imalat yöntemlerine göre çok daha hafif olarak üretilmektedir. Özellikle alüminyum alaşımlı malzemeler bu yöntemle diğer imalat yöntemlerine göre %50 daha hafif olarak üretilebilmektedir. Diğer imalat yöntemleri kullanılarak üretilen karmaşık şekle sahip bir elemanda örneğin kaynak işlemi kullanılmakta, ürün birkaç parçadan oluşmakta, daha ağır olmakta ve boyutsal hassasiyeti çok iyi olmamakta ve dolayısıyla bunların hepsi maliyet artışı olarak karşımıza çıkmaktadır.

28 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 30 Diğer imalat yöntemleriyle karşılaştırdığımızda örneğin sıvama, panç ve ekstrüzyon preslerinde kalıp malzemenin- şekillendirilmesinde birinci derecede rol oynar ve şekillendirmenin kalitesini belirler yüksek basınç şekillendirmesinde ise makina ve kontrol sistemi birinci derecede rol oynar ve işin kalitesine etki eder. Bir kalıp tarafından sıkıştırılmış içi boş bir malzemenin içine yüksek basınçlı akışkan gönderilerek şekillendirme işleminde kullanılan malzeme plastik veya kauçuk gibi bir malzeme olsaydı bize ilk anda basit bir işlem gibi gelebilirdi fakat şekillendirilecek malzeme demir, çelik veya alüminyum ise gerçektende basit bir işlem değildir. Bu yüksek basınç altında şekillendirme işlemi şematik olarak Şekil 1' de gösterilmiştir Şekilde görülen içi boş bir boru kalıbın alt kısmına yerleştirilir.sonra üst kalıp kapanır ve her iki taraftaki eksenel silindirlerde kalıba doğru kapanır ve basınçlı akışkan doldurma pozisyonunu alırlar su esaslı akışkanın iş parçası içine doldurma işlemi yapıldıktan sonra,eksenel silindirler borunun iki tarafını daha yüksek bir kuvvetle sıkarak kapatırlar sonra, basınç yükseltici vasıtasıyla yüksek basınç sağlanır, (yaklaşık 2000 bar ve bazı durumlarda daha da yukarısı) Yüksek basınç etkisiyle borunun cidarları kalıbın geometrisine göre genişlemeye başlar, sonra basınç 4000 bar'a çıkar ve kalibrasyon işlemi yapılır ve malzeme kalıbın şeklini almış olur. Borunun şişmesi esnasında yandaki silindirlerde yandan baskı yaparak boruyu iterler ve böylece borunun et kalınlığı da kontrol edilmiş olur. Şekil 3'de şekillendirme işleminin aşamaları gösterilmektedir. Yüksek basınç altında yapılan şekillendirmeyi sağlayan elemanların oluşturduğu pres sistemi Şekil 2' de gösterilmektedir.. Şekil 2. Şekil 3.