İKİ KADEMELİ ELEKTROHİDROLİK BİR HIZLI ANAHTARLAMA VALFİNİN KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 Uludağ Üniversiesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi Dergisi, Cil 8, Sayı, 3 İKİ KADEMELİ ELEKTROHİDROLİK BİR HIZLI ANAHTARLAMA VALFİNİN KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ Mesu ŞENGİRGİN * İbrahim YÜKSEL Öze: Bu alışmada, pilo kademesi hızlı anaharlama valfi olan iki kademeli elekrohidrolik valfin asarımı ve karakerisikleri eorik ve deneysel olarak incelenmekedir. Harekeli elemanı disk biiminde asarlanan valfin pilo kademesi, cevap hızı yüksek if bobinli bir soleniodir. Ama-kapama şeklinde alışan bu solenoidler ile giriş işarei ile ıkış işarei arasında oransal deneim sağlamak iin Darbe Genişlik Modülasyon (DGM) ekniğinden yararlanılmışır. Valflerin alışırılmasında kullanılan DGM sinyalinin al ve üs sınırlarının belirlenmesinde kullanılan ölüler ayrınılı bir şekilde arışılmışır. Bu ölülerin en önemlilerinden birisinin anaharlama elemanının alışma frekansı olduğu oraya konulmakadır. Anahar Kelimeler: Hızlı anaharlama valfi, elekrohidrolik valf, darbe genişlik modülasyon, benzeim. Invesigaion Of The Characerisics Of A Two Sage Elecrohydraulic Fas Swiching Valve Absrac: In his sudy, he design and he characerisics of a wo sage elecrohydraulic valve which is pilo sage is a fas swiching valve are heoreically and experimenally invesigaed. The designed valve is a solenoid wih double coils and has go a disc ype of armaure. The fas swiching valve works as an on-off elemen and a Pulse Widh Modulaion (PWM) echnique is used for obaining a proporional relaion beween he inpu signal he oupu signal. The crieria used in he deerminaion of he lower and upper limis of PWM signals are discussed in deail. I is found ha frequency of he swiching elemen is one of he mos imporan crieria. Key Words: Fas swiching valve, elecrohydraulic valve, Pulse Widh Modulaion, simulaion.. GİRİŞ Disk valfler, düşük maliyeli deneim sisemlerinde kullanılmak üzere gelişirilmiş elekriksel olarak alışan anaharlama veya oransal aygılardır. Bu konuda gerekleşirilen ilk alışmalarda (Goldsein ve Richardson, 968), (Ikebe ve Nakada, 973), (Yüksel, 98) ek ve if diskli valflerin asarımı, saik ve dinamik karakerisikleri ayrınılı bir şekilde incelenmişir. Daha sonraki yıllarda disk valfler üzerinde eşili alışmalar yürüülmüş (Usman, 98), (Lau, 987), (Sun vd..., 99), (Parker ve Sun, 995), (Şengirgin vd..., ) halen de yürüülmekedir. Bu alışmalar sonucu elde edilen ilerlemeler disk valflerin yapıca ok basi, sıkı oleranslı yüzeyler iermeyen birka kriik boyua sahip düşük maliyeli aygılar olduğunu oraya koymuşur. Ayrıca yüksek cevap hızı ve alışma güvenirliliği gibi üsünlüklere de sahipirler. Uygun bir modifikasyon işlemi ile hem sıvı ve hem de gaz akışkanlarda, yağlayıcı ve yağlayıcı olmayan ve aşındırıcı oramlarda da kullanılabilme olanaklarına sahipirler. En önemli dezavanajları ise klasik deneim eknikleri ile oransal biimde alışırılmaları zordur. Geleneksel piyasa malı solenoid valflerin cevap hızları 5- ms arasında değişmekedir ki bu sisem performansını düşürür. Son yıllarda normal solenoid valflerin yanında ok hızlı alışan anaharlama valfleri de gelişirilmiş olup disk valflerde bunlardan birisidir. Disk valflerin anaharlama hızları alışma oramı, alışma basıncı ve geirdiği akışkan mikarına göre ms ile 5 ms arasında değişmekedir. Yeni gelişirilen elekronik sürme eknikleri ile bu hızların daha da arması beklenmekedir. Bu alışmada, hidrolik konum deneim siseminde kullanılabilecek pilo kademesi if bobinli disk valfin genel yapısı, karakerisikleri ve bu valflerin DGM ekniği ile sürülmesi ele alınmışır. * Uludag Üniverisesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi 659 Görükle/Bursa 57

2 . HIZLI ANAHTARLAMA ELEMANLI İKİ KADEMELİ VALFİN TEMEL ÖZELLİKLERİ Hızlı anaharlama valfi, iki kademeli bir valfin birinci (pilo) kademesini oluşurmakadır. Temel elemanlar olarak, mıknaıs devresi, disk ve lüle elemanını sayabiliriz. Bu valfe disk yüzer durumdadır ve boşa konumda pilo akışkan anka bağlanmakadır. Birinci kademede bulunan bobinlerden biri uyarıldığında (enerjilendiğinde), oluşan mıknaıs kuvvei diski kendine doğru eker. Diskin yaklaşma mikarına ve akışkan karakerisiklerine bağlı olarak, lüle arkasında bir deneim basıncı oluşur. Bu deneim basıncı, ikinci kademede olan sürgülü valfin sürgü elemanını hareke eirerek, kullanıcıya gidecek olan basınlı akışkanın yönünü denelemekedir. Şekil de birinci kademesi hızlı anahrarlama elemanlı valf olan iki kademeli valf şemaik olarak görülmekedir. Şekil de hızlı anaharlama elemanlı valfin pilo kademesinin paraları ve Şekil 3 e valfin monaj hali görülmekedir. Çekirdek Disk Sargı Lüle P s P c T P c Birinci kademe Yay İkinci kademe T A P B T Sürgü Şekil. Pilo kademesi hızlı anaharlama elemanı olan iki kademeli valf modeli (Şengirgin, ) Şekil. Şekil 3. Hızlı anaharlama elemanlı Hızlı anaharlama elemanlı valf, valfin paraları silindir ve konum algılayıcısı ile monajı 58

3 3. HIZLI ANAHTARLAMA ELEMANLI İKİ KADEMELİ VALFİN DİNAMİK KARAKTERİSTİKLERİ VE ANAHTARLAMA ÖZELLİKLERİ Hızlı anaharlama elemanlı valfe, iki bobin iin ayrı ayrı elekromıknaıs denklemleri oluşurmak gerekmekedir. Bu bobinleri ekici (enerjilenen) ve uucu (enerjiden kesilen) bobin olarak isimlendirmek mümkündür. Buna göre ekici bobinin elekrik devresi iin di ( ) dl dx( ) Ri() + L + i = V() () d dx d uucu bobinin elekrik devresi iin di ( ) dl dx( ) Ri() + L i = () d dx d yazmak mümkündür. Bobinlerde oluşacak manyeik kuvveler ise ekici bobin iin, µ Ac N i () f m () = (3) ( x g - x( ) ) uucu bobin iin, µ Ac N i () f m ()= () ( x h + x()) şeklinde yazılır. Çekici diskin indükansı iin µ Ac N L= ( g -x) uucu bobinin indükansı iin x µ Ac N L= ( h x) x + yazılır. Diskin hareke denklemi iin ise, d x() dx() m m m d a f () = f () f () = m b f () d + d + (7) yazılabilir (Yüksel, 98). Burada, f a akışkan kuvveleri olup, saik halde disk yüzer konumda olduğu iin dengededir diyebiliriz. Diskin harekeinde; anaharlama başlangıcı ve anaharlamanın sona erme anı olmak üzere iki kriik durum söz konusudur. Sargıya uygulanan akım ile başlaılan anaharlama işleminde akımın ansal olarak yükselmesi beklenemez. Hareke başlangıcında; ekim kuvvei akışkan basın kuvvelerini yeninceye kadar dx/d= olacağından, () nolu denkleme göre sargıdaki akım L/R oranının oraya koyduğu zaman gecikmesine bağlı olarak arış göserecekir. Hareke anında ise; dx / d olacağından indükans da disk harekeine bağlı olarak değişecekir. Harekein son aşamasında disk ile sargı arasındaki mesafe ok kısa kaldığından radyal yönde eki eden akışkan sürünme kuvvelerinin arması beklenir. Faka diğer arafan da bu aşamada mıknaıs kuvveleri de en yüksek seviyeye ıkmış olacağından anaharlama işleme hızla amamlanmış olacakır. Özellikle sisem basıncının yüksek olduğu durumlarda anaharlama zamanın büyük bir kısmını bekleme zamanı eşkil emekedir. Buna karşılık diskin hareke zamanı ok kısa sürmekedir. Bekleme zamanını veya ölü zaman süresini kısa umak sureiyle diskin anaharlama hızının arırılabileceği aşikârdır. Sargıya uygulanan akımın kesilmesi ile diskin, akışkan kuvvelerinin ekisi alında geri harekeinde ise akım yine ansal olarak sıfır olamayacağından bu kez de basın kuvvei kalıcı mıknaıs kuvveini yenene kadar bir bekleme süresi oluşacakır. Başlangıaki akım değeri ne kadar düşük olursa akımın sıfırlanması iin geen zaman o oranda kısa olacağından bekleme süresi de o oranda kısa sürmüş olacakır. (5) (6) 59

4 Gereke, diski harekesiz durumda basın kuvvelerine karşı umak iin gerekli akım değeri harekee başlamak iin gerekli akım değerinden daha küükür. Bunun nedeni ise diskin ekim harekei başlangıcında disk ile sargı yüzeyi arasındaki mesafe en yüksek değerde olacağından bu aşamada yüksek bir ekim kuvvei oluşurabilmek iin daha yüksek bir akıma ihiya gösermesidir. Diskin sargı arafında uulma anında mesafe minimum seviyede olması dolayısı ile daha düşük akım değerlerinde yeerli uma kuvveleri elde edilmiş olacakır. Ayrıca bu durumda sadece diski basın kuvvelerine karşı koyacak bir kuvve yeerli olmakadır. T c e d Qn Q T ö T ö T v T v d Şekil. Bir darbe süresi iinde valfen geen akışkan. DGM TEKNİĞİ DGM sinyali ile sürülen disk valfen, bir anaharlama elemanının girişine uygulanan darbe renleri şeklindeki işarein zaman oralamasına oranılı bir ıkış elde edilir. Bu şekilde iyi bir doğrusal bağını elde edilebilmesi iin DGM sinyali frekansının seiminde bazı ölülerin göz önünde bulundurulması gerekir. DGM frekansının üs sınırını anaharlama elemanının cevap hızı ve al sınırı ise denelenen sisemin cevap hızı belirler. A-kapa biiminde alışan solenoid valflerde DGM sinyali girişine karşılık zaman oralaması doğrusal olan bir akışkan (debi) ıkışı elde edilebileceği göserilmişir. Burada DGM sinyali frekansının üs sınırını valfin anaharlama hızı belirler. Şekil e göserildiği gibi, bir darbe d süresi iinde akım değerinin maksimum değere ulaşabilmesi gerekir. Bu da valfin doğrusal olarak alışabileceği modülasyon veya aşıyıcı frekans f c değerini belirler. Bunu aşağıdaki şekilde ifade emek mümkündür. Elekromanyeik Kuvve mooru (elekromıknaıs) Tuma aralığı Bobin kuvvei Geri kuvve Elekrik ve Elekronik Deneim DİSK Akışkan kuvvei Tuma aralığı Disk apı Akışkan pilo kademesi Disk harekei Mekanik bağlanı Aale m Konum/Basın geribesleme Akışkan gü kademesi valf/kullanıcı Basın debi modulasyonu Şekil 5. Disk valf sisemine mekaronik yaklaşım (Parker ve Sun, 995) 6

5 Tv d / fc Tv veya Tc = / fc Tv (8) Buna göre, T c modülasyon sinyali periyodunun, T v valf anaharlama zamanının en az iki kaı veya diğer bir deyişle de modülasyon frekansının valf anaharlama frekansının en az yarısı olması gerekiği oraya ıkar. DGM de herhangi bir d darbe süresinin, T c modülasyon periyoduna oranı; modülasyon oranı (M o = d /T c ) olarak anımlanır. Modülasyon frekansının al sınırının belirlenmesinde anaharlama elemanı arafından üreilen salınımlı ıkış işareinin denelenen sisem arafından filre edip edilmediğine bakılır. Ikebe (973) arafından yapılan bir alışmada modülasyon frekansının giriş veya sisem frekansına oranı 7 den büyük olması kaydı ile modülasyon sinyalinin düşük genlikli yüksek frekans bileşenlerinin denelenen doğrusal sisem arafından amamen süzülebileceği göserilmişir. Hafif salınımlı harekelere müsaade edilmek kaydı ile bu oranın -5 değerlerine kadar indirilebileceği göserilmişir. Böylece daha düşük modülasyon frekansı ile daha yavaş anaharlama valflerin oransal alışması sağlanmaya alışılmışır. 5. MEKATRONİK YAKLAŞIM Bir elekrohidrolik disk valfe, disk ile beraber valfi oluşuran birok bileşen mevcuur. Bu bileşenleri dör ana grupa oplamak mümkündür. Bunlar, elekronik konrol elemanları, elekromanyeik kuvve mooru (elekromıknaıs), akışkan pilo kademesi ve akışkan gü kademesidir. Bu bileşenlerden oluşan disk valfe mekaronik yaklaşım, düşük maliye, kompak boyu ve dinamik karakerisik aısından opimum bir asarım oluşurmakır. Bunun ile ilgili evrim Şekil 5 e verilmişir. Elekromanyeik devrenin en önemli elemanlarından biri olan disk, akışkan-plaka kuvvelendiricisindeki mekanik harekei sağlar. Manyeik, akışkan ve mekanik karakerisikler gibi eşili paramerelerin bazı ekileşimleri, komple valf asarımının karmaşık ekileşimlerini belirmek iin göserilmekedir. İlk olarak, disk üzerindeki ıkını ve sargı yüzeyi arasındaki mesafe uma aralığını konrol eder. Bu aralık maksimum elekromanyeik ekme kuvveini anımlar ve dolayısıyla arık mıknaıslanmayı konrol eder. Tuma aralığı ve değişken disk yerdeğişirmesi elekromanyeik ekme kuvveini değişirir ve üm disk alanı boyunca radyal yağ akışı iin akışkan film kalınlığı sağlar. İkinci olarak, disk apı elekromanyeik kuvve ve üreilen akışkan kuvveini ekiler. İdeal olarak, büyük bir disk manyeik kuvvei maksimum yapmak iin gereklidir. Ancak küük disk apı doğrusal olmayan akışkan reaksiyon kuvvelerini minimum yapar. 6. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA 6.. Bilgisayar Çözüm Sonuları Hızlı anaharlama elemanlı valf iin hazırlanacak Simulink modeli iin, ()-(7) nolu ifadelerden yararlanılacakır. Hazırlanan model ile uygulanacak uyarı gerilimine göre, ekici bobinde oluşan akım değişimleri ve diskin konum değişimleri elde edilecekir. Modeli oluşurmak iin Simulink küüphanesinden, ek bobinli disk valfe olduğu gibi herbir denklem iin elemanlar seilir ve verilen ifadeye uygun şekilde bağlanılar gerekleşirilir. Hızlı anaharlama elemanlı valfin modeli, ekici bobin ve uucu bobin olmak üzere iki kısımdan oluşmakadır. Çekici bobinin volaj eşiliğini veren () nolu ifade iin, bir ade oplama nokası, iki ade arpma elemanı, bir ade inegral alıcı eleman, diren elemanını emsil edecek bir kazan, bir ade fonksiyon elemanı Simulink küüphanesinden seilir ve verilen ifadeye uygun şekilde bağlanılar gerekleşirilir. Manyeik kuvvein hesaplanmasında kullanılan bobin indükansı ve indükansın disk hareke mikarına göre değişimi (dl/dx) ifadeleri Mask adı verilen bir yönem ile hazırlanmışır. Bu yönemde, denklemler paramerik olarak hazırlanır. Mask Ediör yardımı ile denklem iinde yer alan paramereler anımlanır. Oluşurulan mask eleman üzerine imle geirilir ve kliklenir. Denklem iinde yer alan paramerelerin değerleri aılan pencere iindeki yerlerine yazılır ve pencere kapaılır. Böylece paramereler iin değer aama işlemi gerekleşirilmiş olur. Paramerelerin değerlerindeki değişiklikler iin program üzerinde değişiklik yapmadan gerekleşirilir. Bu da programa bir esneklik geirmekedir. Şekil 6 da hızlı anaharlama elemanlı valf iin hazırlanan Simulink modeli verilmişir. 6

6 Besleme gerilimi [v] Fma Sum 3 Besleme gerilimi [v] Sum.8 Ra (ohm) /(e-3) Sum3 Disk külesi [kg] Sum.8 R (ohm) Produc Produc di/d /s Produc Inegraor /s Inegraor Fma /s Inegraor Produc3 e- B Hareke mikarı [m] >= iliski i Produc5 Produc8 (u[])^.5 sabi /s dx/d Inegraor3 (u[])^ Akım- ia ^ i ^ Akım- Ou In /L Ou >= Relaional Operaor L Ou In /L In Produc7 x m/mm hız konum Fm Produc.5 Ou In Produc6 sabi L Fm Şekil 6. Hızlı anaharlama elemanlı valfin Simulink şeması Şekil 7 ve Şekil 8 de ekici bobin iin eşili uyarı gerilimlerine karşılık akım değişimi ve disk yerdeğişirmesi Simulink özüm sonuları görülmekedir. DGM frekansının üs sınır, disk harekeinin amamlandığı zamana karşılık gelen frekans değeridir. Disk, harekeini yaklaşık olarak ms de amamlamakadır. Buna göre DGM frekansı maksimum 5 Hz olacakır. 6.. Saik Sonular Akım [A].5 Disk yerdeğişirmesi[mm].5.5 Uyarı V (5 A) Uyarı 7.5 V (3.75 A) 3 Uyarı 5 V (.5 A) Bobin direnci Ω uyarı V (5 A) uyarı 7.5V (3.75 A) 3 uyarı 5V (.5 A) Zaman [ms] Zaman [ms] Şekil 7. Şekil 8. Hızlı anaharlama elemanlı valfe ekici Hızlı anaharlama elemanlı bobin akım değişimi valfe disk yerdeğişirmesi Hızlı anaharlama elemanlı üzerine alışmalar, kuvve-yerdeğişirme, yük basıncı-debi karakerisiği ve eşili DGM sinyalinde doluluk-boşluk oranına göre debi karakerisiği olmak üzere ü kısımdan oluşmakadır. 6

7 İmalaı gerekleşirilen bobinlerin kuvve-yerdeğişirme karakerisiklerini deneysel olarak elde emek iin 3 model İnsron Mukaveme Tes Cihazı kullanılmışır. 3 model İnsron Mukaveme Tes Cihazı; sabi uzama prensibine göre alışmaka olup, elekromıknaısın gövdesi sabi eneye, harekeli kısmı yani disk harekeli eneye bağlanarak aradaki mesafe (hava aralığı) yaklaşık mm'den 5 mm'ye kadar arırılarak, hava aralığı mesafesine karşılık mıknaıs kuvvei eğrileri alınmışır. Kuvve [N] Kuvve [N] 8 3 -A 3-3A -A -A -A 3-3A -A -A Yerdeğişirme [mm] Yerdeğişirme [mm] Şekil 9. Şekil. Hızlı anaharlama elemanlı valfin Hızlı anaharlama elemanlı valfin kuvve-yerdeğişirme grafiği (bobin_) kuvve-yerdeğişirme grafiği (bobin_) Debi [l/dak] 8 Debi [l/dak] DGM= Hz DGM=6 Hz 6 Bobin_ enerjili İkinci kademe valfe Çıkış B 6 Bobin_ enerjili İkinci kademe valfe Çıkış B Yük basıncı [bar] Doluluk-boşluk oranı [%] Şekil. Şekil. Hızlı anaharlama elemanlı valfin yük Çeşili frekanslarda doluluk-boşluk basıncı-debi karakerisiği oranı-debi karakerisiği Şekil 9 ve Şekil da if bobinli disk valfin her bir bobini iin elde edilen kuvve yerdeğişirme grafikleri verilmişir. Valfin yük basıncı-debi karakerisiği. A akım değerinde ve 5 bar sisem basıncında gerekleşirilmişir. Elde edilen sonular Şekil de verilmişir. Saik karakerisiklerin üüncü aşaması olan DGM sinyalinin doluluk-boşluk oranlarına göre debi karakerisiğini belirlemek iin, DGM sinyalinin frekanslarının belirlenmesi gerekmekedir. Yapılan hesaplamalar sonucu, Hz ve 6 Hz olarak belirlenmişir. Belirlenen bu frekans değerlerine göre elde edilen sonular Şekil de verilmişir. 63

8 7. SONUÇ Diskli solenoid valf a-kapa alışan bir solenoid valfir. A-kapa alışan solenoid valfin bobinin ularına uygulanan dc akım belli bir değeri almadığı sürece, valf akışa müsaade emez. Bu akım değeri aşıldıkan sonra valf amamen aılır ve akışkan geişine müsaade edilir. A-kapa alışan bir solenoid valf iin akışkan mikarının ara değerleri yokur, giriş işarei ile oranılı bir akışkan debisi elde edilemez. Böyle bir solenoid valfen, DGM ekniği uygulanarak, ıkış işareinin zaman oralamasının giriş işarei ile oranılı olması sağlamakadır. Şekil 7 de göserildiği gibi ıkış işarei debi ile darbelerin doluluk boşluk oranı arasında bir doğrusallık olduğu görülmekedir. Bu doğrusallık, darbelerin frekansları ile bir mikar değişkenlik göserse de genel iibari ile doğrusallık elde edilmişir. Disk valfin dinamik karakerisiklerinin bilgisayar özümlerine bakığımızda, akım eğrisinde meydana gelen ilk ukurluka, diskin harekeini amamladığı ve bu nokada sabi kaldığı ve hızının sıfır olduğu görülmekedir. Disk harekeinin amamlandığı nokadaki bu zaman DGM frekansı iin önemli bir krier olmakadır. 8. KAYNAKLAR. GOLDSTEIN, S.R. ve H.H. RICHARDSON. (968) A Differenial Pulse-Lengh-Modulaed Pneumaic Servo Uilizing Floaing Flapper Disk Swiching Valves, Transacion of he ASME Journal of Basic Engineering, IKEBE, Y. ve T. NAKADA. (973) On a Piezoelecric Flapper Type Servovalve Operaed by a Pulse- Widh-Modulaed Signal, Foureenh Join Auomaic Conrol Conference of The American Auomaic Conrol Council, LAU, K.S. (987) Posiion conrolled disc valve. Dokora ezi, Universiy of Surrey.. PARKER, G.A. ve SUN, Y.B. (995) A Mechanronic approach o compac fluid disc valve design, Proc. Insn. Mechn. Engrs., Vol. 9, sayfa SUN, Y. ve G. A. PARKER. (99) Seady-Sae Theoreical Model of An Elecrohydraulic Single- Disk Pilo Valve, Transacion of he ASME Journal of Dynamic Sysems, Measuremen and Conrol, Vol., ŞENGİRGİN, M. () Elekrohidrolik Disk Valflerin Gelişirilmesi ve Bunların Çeşili Sinyal İşleme Teknikleri Yolu İle Denelenmesinin Araşırılması, Dokora Tezi, U.Ü. Fen Bilimleri Ensiüsü, Bursa. 7. ŞENGİRGİN, M., İ. YÜKSEL ve G. ŞEFKAT. () Mekaronik Yaklaşım İle Elekrohidrolik Disk Valflerin Tasarımı ve DGM Tekniği İle Sürülmesinin İncelenmesi. 9. Uluslararası Makine Tasarım ve İmala Kongresi, UMTİK, , Ankara. 8. USMAN, A. (98) Developmen of an elecro-hydraulic floaing double-disc valve, Dokora ezi, Universiy of Surrey. 9. YÜKSEL, İ. (98) An Invesigaion of Elecro-hydraulic Floaing Disc Swiching Valves, Dokora ezi, Universiy of Surrey. 6