tmmob makina mühendisleri odası II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ BİLDİRİLER İ İ KİTABI İZMİR mmo yayın no : E/2001/278-1 KASIM 2001

2 tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sok. No: 36/1-A Demirtepe, ANKARA Tel: (0 312) Fax:(0 312) ODA YAYIN NO: E/2001/278-1 ISBN BU YAPITIN YAYIN HAKKI MMO 1 NA AİTTİR. KAPAK TASARIMI: Ferruh ERKEM - İZMİR Tel / Fax: (0232) DİZGİ : TMMOB MAKlNA MÜHENDİSLERİ ODASI İZMİR ŞUBESİ Atatürk Cad. No:422 / Alsancak / İZMİR Tel: (0232) Pbx BASKI: ALTINDAĞ MATBAACILIK - İZMİR Tel: (0232)

3 II. HİDROLİK PNÛMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ / HİD -19 MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir. Elektrohidrolik Valflerin Gelişimi ve Karakteristiklerinin İncelenmesi İBRAHİM YÜKSEL MESUT ŞENGİRGİN Uludağ Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

4 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 265 ELEKTROHİDROLİK VALFLERİN GELİŞİMİ VE KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ İbrahim YÜKSEL Mesut ŞENGİRGİN ÖZET Bu çalışmada, elektrohidrolik denetim sistemlerinde kullanılan valflerin tarihsel gelişimi ve karakteristikleri ele alınmıştır. Öncelikle servovalfler, solenoid valfler ve diğer alternatif valfler üzerinde yapılan çalışmalar hakkında bilgi verilkmiş ve daha sonra bu valfler tanıtılarak karakteristikleri ele alınmıştır. Ayrıca hızlı anahtarlama valfleri ve diğer alternatif valfler hakkında bilgi ve örnekler sunulmuştur. Valflerin çeşitli açılardan birbirleri ile karşılaştırması yapıldıktan sonra çalışma sonuç kısmı ile tamamlanmıştır. 1. GİRİŞ Elektrohidrolik denetim sistemleri, yüksek kuvvet/ağırlık oranları, gürbüz yapıları ve yüksek dinamik başarımları nedeniyle bugün endüstriyel alanda ağır yük manipülatörlerinden hassas takım tezgahlarına kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Dijital denetim olanaklarının yaygınlaşması ile birlikte u< ay taşıtlarından, hassas test cihazları, simulatörler ve eğlence endüstrisine (tivatro ve özel sinema platformları v.b) kadar uygulama alanlarını genişletmişlerdir. Bu sistemlerin içinde en önemli eleman, kullanıcıya giden akışkan debi ve basmam denetleyen elektrohidrolik valflerdir. Elektrohidrolik valfler çok zayıf bir elektrik işareti (maksimum 50 W civarında) ile kw seviyelerinde akışkan gücünü denetler. Elektrohidrolik valfler, endüstriyel alanda daha çok servovalfler ve solenoid valfler olarak bilinmektedir. Diğer taraftan genelde geliştirme çalışmaları alanında bilinen ve belli alanlarda uygulama olanağına sahip değişik türden valflerde mevcuttur. Bunlardan bir türü ise hızlı anahtarlama valfi veya dijital valflerdir. Bunların dışında da bazı özel uygulama alanlarına sahip valfler de mevcuttur. Elektrohidrolik valfler üzerinde geliştirme çalışmaları, gerek akademik ve gerekse endüstriyel alanda devam etmektedir. Bu çalışmaları aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz. 1940'lardan bu yana geliştirilen [1] ve günümüzde en mükemmel gelişme aşamasına gelmiş bulunan tork motorlu servovalfler oldukça karmaşık bir yapıya sahip olup çok hassas denetim gerektiren sistemlerde kullanılmaktadırlar. Servovalfler üzerinde yapılan ilk çalışmalar [2,3] daha çok valfın birinci kademesi olan plaka-lüle düzenlemesinin akışkan karakteristikleri üzerindedir. Murtaugh [30] ise servovalfların ilk yıllarında, daha sonra ortaya çıkan hızlı anahtarlama valfları ile yaygın uygulama olanağı bulan darbe genişlik modülasyon tekniği ile servovalflerin çalıştırılması üzerinde kapsamlı bir çalışma yapmıştır. Daha sonra Ikebe ve ark. [4] yine darbe genişlik modülasyon tekniği ile çalışan, plaka hareketini tork motoru yerine pieozoelektrik esasına göre yerine getiren bir servovalf geliştirmiştir. LeQuoc ve ark. [5] yaptıkları bir çalışmada servovalf için yeni bir kavram geliştirilmiş olup, geliştirilen servovalfin geri dönüş basıncı ve geri dönüş orifısi sistem denetim ihtiyaçlarını yerine getirecek biçimde ayarlanabilmektedir. Arafa ve ark. [6] yaptıkları bir çalışmada servovalfin ikinci kademesi olan sürgü elemanı üzerine etki eden akışkan kuvvetlerini analiz etmişlerdir. Daha sonra

5 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 266 yapılan bazı çalışmalarda [7,8,9,10] servovalfin birinci kademesi olan plaka-lüle düzenlemesinin matematik modellinin kurulması ve dinamik davranışının araştırılması üzerinde olmuştur. Günümüzde yapılan çalışmalar [11,12,13,14,15] ise daha çok servovalf kullanan elektrohidrolik sistemlerinin modellenmesi ve bu sistemler için gerekli denetim algoritmalarının geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmaktadır. Servovalflere bir alternatif olarak sunulan solenoidle çalışan oransal valfler 1970'li yıllarda ortaya çıkmaya başlamıştır. Bu valflar daha çok bugün tek bir şirket halin gelmiş bulunan Bosch ve Rexroth gibi büyük hidrolik firmaların araştırma geliştirme çalışmaları sonucu geliştirilmiştir. İlk çalışmalar [18,19] valfın oransal hareketini sağlayan doğrusal solenoidin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Taft [17] yaptığı bir çalışmada gerek servovalf ve gerekse solenoidli oransal valfte kullanılan sürgülü valf elamanı üzerine etki eden akışkan kuvvetlerinin karakteristiklerini incelemiştir, ûureshi [20] ve Harms [21] ayrı ayrı yaptıkları çalışmalarda oransal valflerin tasarım analizi ve uygulama örneklerini vermiştir. Daha sonra yapılan bazı çalışmalarda [22,23] daha çok oransal valflerde kullanılan solenoid elemanın geliştirilmesi üzerinde devam etmiştir. Lai ve ark. [24] yaptıkları bir çalışmada oransal valf kullanılan bir devrede hassas akış denetimi sağlamak için kendi kendini ayarlayan denetleyici tasarımını incelemiştir. Heyen [25], düşük maliyetli oransal valflerin konum denetiminde kullanılmasının sağladığı avantajları vurgulamıştır. Vaughan ve ark. bir çalışmasında [26] oransal valflerin modellenmesi ve simulasyonunu incelemiş ve bir başka çalışmasında [27] oransal valflerin denetiminde kullanılmak üzere kayan kipli bir denetleyici tasarımını ele almışlardır. Oransal valflerin ileri seviyede gelişimin sonucunda servo solenoid veya yüksek cevap hızlı oransal valfler ortaya çıkmış [28,29] olup 1980'lerden bu yana kullanılmaktadırlar. Bir yandan servovalflere alternatif olarak oransal valfler üzerinde çalışmalar devam ederken aynı zamanlarda hızlı aç-kapa türü valflar üzerinde çalışmalar sürdürülmüştür. Dijital denetim teknolojisinin yaygılaşmaya başladığı 1975'li yıllarda bu valflar bir taraftan hızlı anahtarlama ve diğer taraftan da dijital valf adı altında sunulmuştur. Bu valflerin oransal sürülmesinde ise darbe genişlik modülasyon tekniklerinden yararlanılmıştır. Gerçekte darbe genişlik modülasyon tekniğinin ilk uygulamaları [30,31] servovalfler üzerinde olmuştur. Hızlı anahtarlama valfi üzerinde darbe genişlik modülasyon tekniği uygulaması ile ilgili ilk çalışmalardan birisi [32] pnömatik sistemler üzerindedir. Post [33] anahtarlama elemanı olarak çok hızlı çalışan küçük bilye elemanı kullanmış ve bunun sürülmesinde elektromekanik dönüştürücü olarak küçük boyutlu klasik solenoidten yararlanmıştır. Daha sonraki çalışmalarda [34,35,36] Post'un geliştirdiği bilyeli valfın dijital denetim sistemlerinde uygulanma olanakları ele alınmıştır. Mansfeld [37] ise bilye elemanın hareketinde solenoid yerine tork motorundan yararlanmış ve geliştirilen bu yeni tür bilyeli valfı servo denetim sistemlerinde dijital denetim elemanı olarak kullanmıştır. Daha sonraları ise bu yeni tür bilyeli valf çok hızlı anahtarlama bilyeli valf [38] adı ile ticari olarak piyasaya sürülmüştür. Anahtarlama elemanı olarak ferromıknatıs bir disk kullanan ve bu diskin hareketi için farklı bir solenoid yapısı kullanan bir çalışma başlatılmış [41] ve benzer konuda farklı çalışmalar [42,43,44] devam ettirilmiştir. Bu konuda yapılan son bir çalışmada [45] disk valfın farklı bir modeli geliştirilmiş ve bunun üzerinde darbe genişlik modülasyon tekniği uygulanmıştır. Yakın zamanlarda klasik solenoidle çalışan hızlı aç-kapa tipi valfler üzerinde darbe genişlik modülasyon tekniği uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Muto ve ark. [39] yaptıkları iki farklı çalışmada dijital farksal darbe genişlik modülasyon tekniği ile çalıştırılan bir elektrohidrolik denetim sisteminde aç-kapa tipi klasik solenoid kullanmıştır. Manfred ve ark. [46] ise pnömatik konum denetim sistemlerinde klasik solenoid ile çalışan 2/2 yön denetim valfleri kullanarak normal ve farksal darbe genişlik modülasyon tekniği uygulamalarını karşılaştırmalı olarak incelemişlerdir. Burada ayrıca dijital sinyal işleme tekniklerinden de yararlanılmıştır. Yukarıda verilenlerin dışında, değişik yapıda valflar üzerinde çalışmalar farklı firmalar tarafından bugün de sürdürülmektedir. Bunlardan birisi mini-servovalf [47] diğeri de fırçasız DA motorlu servovalftır [48].

6 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ SERVOVALFLER 2.1. Genel Özellikleri Başlangıçta, askeri uçak ve füzelerin hassas denetiminde kullanılmaya başlayan servovalfler daha sonraları endüstriyel alanda da uygulama olanağına sahip olmuşlardır. Bugün servovalfler, askeri teçhizat ve havacılık yanında sivil havacılık ve uzay taşıtlarında da kullanılmaktadır. Endüstriyel alanda ise özellikle yüksek dinamik başarım gerektiren test makineleri en önemli uygulama alanlarından biridir. Maliyetlerinin çok yüksek olması dolayısıyla son senelerde, endüstriyel alanda servovalflerin yerini daha çok hızlı oransal solenoid valfler ve diğer türden hızlı valfler almaya başlamıştır. Bir servovalf, temelde kapalı döngü elektrohidrolik denetim sistemlerinde kullanılan elektriksel denetimli hidrolik kuvvetlendiricidir. Servovalflerin en önemli özelliği elektriksel giriş işareti ile akışkan debisi çıkış işareti arasında tam bir doğrusal bağıntı sağlaması ve diğeri de çok küçük bir giriş sinyaline karşılık çok büyük çıkış işareti vermesidir. Bu valfler yardımıyla elektrohidrolik denetim sistemlerinde yaklaşık 0,08 W gibi çok düşük güçlü elektrik sinyali yardımıyla 100 kvv'tan daha büyük hidrolik güçleri çok hassas bir biçimde denetlemek mümkündür. Cevap hızları ise Hz mertebelerinde olup diğer türden oransal elektrohidrolik valfler ile bu hızlara erişmek halihazır da mümkün değildir. Bütün bu avantajları yanında dezavantajları da bulunan servovalflerin her şeyden önce maliyetleri çok yüksektir. Servovalflere en yakın dinamik başarım sağlayan servo solenoid valflerden yaklaşık en az kat ve oransal solenoid valflerden en az kat daha pahalıdırlar. Servovalflerin imalat işlemleri çok karmaşık olup çok sıkı işlem toleransı gerektirirler. Bunun sonucunda hidrolik yağdaki kirleticilere karşı çok aşırı duyarlı hale geldiklerinden 3um gibi çok ince filtreleme gerektirirler. Ayrıca yağdaki sıcaklık artışından etkilenmeleri sonucunda sıfır ve konumlandırma hatalarına neden olurlar Yapısı ve Çalışması Çok büyük bir bölümü çift kademeli olan servovalflerin birinci kademeleri ya çoğunlukla çift lüleli plaka valf şeklinde yada jet-boru valfi şeklindedir (Şekil 1). İkinci kademeleri ise çoğunlukla sürgülü valf biçimindedir. Gerek plaka-lüle ve gerekse jet-boru valfinin elektromekaniksel hareketi bir tork motoru yardımı ile sağlanmaktadır. Tork motoru; bir kalıcı mıknatıs ve bir de elektromıknatıs (armatüre) devresinden meydana gelmiş elektromekaniksel bir çeviricidir. Sargı uçlarına uygulanan akım sinyali sonucu meydana gelen mıknatıs akısının mıknatıs kuvvetine dönüşmesi ve bu kuvvetin de mekaniksel harekete dönüşmesi sağlanır. Tork motoru çıkışından elde edilen mekaniksel hareket ya doğrudan bir valfın hareketli elemanını (genellikle sürgü elemanı) hareket ettirmek ya armatür ucunun uzantısı veya ona dikey olarak yerleştirilmiş bir plakayı yada yine armatüre dikey olarak yerleştirilmiş bir jet borusunu hareket ettirmek için kullanılır. Akışkan kuvvetlerinin meydana getirdiği sınırlamalar dolayısıyla böyle bir valfin tek kademede sağlayabileceği akışkan debisi çok sınırlı kalmakta ve ayrıca bu tür tek kademe valflerde kararsızlık sorunları da ortaya çıkmaktadır. Her ne kadar armatür ve ona bağlı plaka jet-borunun hareketi giriş işareti ile oransal olarak değişmekte ise de plaka üzerine etki eden akışkan kuvvetleri ve diğer kuvvetlerden dolayı bu oransallık çok dar sınırlar içinde kalmaktadır. Bu nedenle oransallık sınırını artırarak daha kararlı çalışmasını sağlamak üzere valfın birinci kademesi ile ikinci kademesi arasına bir geribesleme mekanizması yerleştirmek gerekmiştir. Geribesleme mekanizması ya sürgü konumunun izlenmesi şeklinde yada servovalfin denetlediği yük basıncını veya da yük akışındaki değişimleri düzenleyecek şekilde olabilmektedir [49].

7 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -268 Konumun doğrudan geribeslenmesi halinde lüleler valf sürgüsü üzerinde yer alır. Bu durumda tork motoru uzantısı olan plaka sürgü konumunu bire bir izler ve bu nedenle bu tür geribeslemeye bazen hidrolik izleyici de denmektedir. Geribeslemenin bir diğer yolu da plaka ile sürgü arasına mekaniksel bir bağlantı yerleştirmektir. Bu düzenleme kuvvet geribeslemesi veya mekaniksel geribesleme olarak bilinir. Tarihsel gelişme içinde bu türün tek plakalı normal spiral yay geribeslemeli türüne de rastlamak [50] mümkünse de günümüzde plaka ile sürgü arasında yaprak yay şeklinde bir geribesleme mekanizması kullanılmaktadır (Şekil 1). Birinci kademe ile ikinci kademe arasındaki mekaniksel bağlantıyı ortadan kaldıran ve görece daha basit bir yapıya sahip servovalf türü de barometrik geribeslemeli veya yay merkezlemeli servovalftir. Bu düzenlemede valf sürgüsünün iki tarafına birer adet yay yerleştirilmiş olup mekaniksel geribesleme bağlantısı ortadan kaldırılmıştır. Bu valf türünde, birinci kademede oluşan basınç farkının sağladığı kuvvetler ikinci kademedeki yay kuvvetleri ile dengelenerek oransal bir denetim sağlanır. Statik ve dinamik performansları mekaniksel geribeslemelilere göre oldukça düşüktür. jet-borulu tork motoru ŞSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSİSSSSSSSSSS plaka-lüle elemanı jet-boru elemanı l\ lüle-plaka tork motoru elektriksel geribesleme için konum algılayıcısı (LVDT) barometrik geribesleme için yay elemanı Şekil 1. Servovalfin genel özellikleri III. kademe özellikle son senelerde ortaya çıkan geribesleme türü de elektriksel geribeslemedir. Bu düzenlemede sürgünün konumu bir indüktif konum algılayıcısı (LVDT) tarafından adım adım izlenmekte ve dolayısı ile bu şekilde çok hassas bir denetim sağlamak mümkün olmaktadır. Bu düzenleme ile mekaniksel elemanlarda ortaya çıkan laçkalık, sürtünme kuvvetlerinden etkilenme, zamanla ortaya çıkan aşınma etkisi en aza indirilmiş olmaktadır. Şekil 1'de çeşitli geribesleme bağlantıları ile birlikte mekaniksel geribeslemeli bir servovalf örneği gösterilmiştir.

8 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 269 Servo valflerin birinci ve ikinci kademeleri arasında yer alan geribesleme bağlantısına ek olarak, özel bazı uygulamalarda valfin kumanda ettiği yük basıncı veya yük akışı arasında da bir geribesleme bağıntısı kullanılmaktadır [51]. Yük basıncı geribeslemesinde, yükün sabit basınç altında hareketi sağlanmaya çalışılır. Bu tür valfte yük akış yolları ile sürgü ve birinci kademe arasında özel akış yolları yer alır ve sürgü konumu ve dolayısıyla da valf açıklığı yük basıncı ile birinci kademenin sağladığı. basınç kuvvetleri arasında dengelenir. Yük basıncı geri beslemesini basınç algılayıcıları yardımıyla elektriksel olarak da sağlamak mümkündür. Böylece elektriksel sistemlerin sağladığı avantajlardan da yararlanılmış olunur. Yük akışının veya diğer bir değiş ile yük hızının denetlenmesi gereken uygulamalarda ise akış geribeslemeli servovalfler kullanılmaktadır. Mekaniksel akış geribeslemeli valflerde kullanıcıya (silindir veya motor) gönderilen akışkan debisi mekaniksel algılayıcılar yardımı ile kuvvete dönüştürülür ve bu kuvvet tork motorunda giriş akımının meydana getirdiği kuvvet ile dengelenmeye çalışılır. Giriş akımının öngördüğü bir değerde gerçekleşen dengelenme sonucunda kullanıcılara gönderilen akışkan miktarı sabit bir değerde denetlenmiş olur. Tork motorlu iki kademeli servovalflerin diğer bir biçimi de Şekil 1'de görülen jet-boru elemanlı valflerdir. Bu valflere; akışkan basıncının jet momentumuna dönüştürüldüğü jet-boru ilkesinden yararlanılır. Bu düzenlemede akış jeti, momentumun basınç veya akış şeklinde geri kazanıldığı iki delik (alıcı) arasında yönlendirilir ve bu işlem genellikle tork motoru tarafından yerine getirilir. Elektriksel giriş işareti, daha önceki düzenlemede (plaka-lüle) olduğu gibi önce mekaniksel harekete, daha sonrada jet-boruda akışkan momentumuna ve o oranda akışkan basıncına dönüştürülmektedir ki valfin bu aşamadan sonraki çalışması plaka-lüle valfin aynısıdır. Bu düzenlemede de, plaka-lüle düzenlemesinde olduğu gibi genellikle jet-boru elemanı ile sürgü arasında yaprak yay şeklinde geribesleme elemanı kullanılır. Bu elemanın işlevi ise mekaniksel geribeslemeli plaka-lüle valfteki ile aynıdır. Bu tür valflerin en önemli özelliği plaka-lüle valflere göre daha gevşek tolerans gerektirdiğinden kirleticilere karşı daha az hassas olmalarıdır Karakteristikleri Servovalflerin en önemli özelliği olan elektriksel giriş işareti ile akışkan debisi çıkış işareti arasındaki bağıntı tamamen doğrusaldır. Valf sürgüsünün akışkan geçiş deliklerini tam kapama (sıfır biniş), artı kapama (aşırı biniş) ve eksi kapama (eksi biniş) durumuna göre karakteristik eğri sıfır noktasından, yatak eksene teğet veya düşey eksen teğet biçimde başlayarak doğru bir çizgi şeklinde devam eder. Eğri üzerinde giriş ve çıkış işaretleri % cinsinden tanımlanır. Valfin kapasitesi nominal debisine göre belirlenir. Servovalflerde nominal debi ise 70 bar basınç düşümüne karşılık gelen debidir. 70 barlık basınç düşümü; basınç hattından valf girişi ile kullanıcı (silindir veya motor) arasında 35 bar artı kullanıcıdan valfe giriş ile valften tanka çıkış arasında 35 bar olarak hesaplanır. Pilot kademeli servo yön denetim valflerinde nominal debi 2 It/dak ile 100 It/dak arasında değişir. Daha yüksek debiler için çok kademeli servovalfler kullanılır. Valfin dinamik karakteristikleri girişine uygulanan basamak veya sinüzoidal giriş sinyali testleri ile belirlenir. Şekil 2'de verilen eğrilerinden görüldüğü gibi yük basıncı ve akışkan miktarı arttıkça artan akışkan kuvvetlerine bağlı olarak cevap hızı düşmektedir, özellikle Şekil 2b'de görülen frekans cevabı eğrileri valfın dinamik karakteristiklerini tam olarak açıklamaktadır. Burada yatay eksende frekans değerleri, düşey eksende db cinsinden çıkış/giriş genlik oranı ve faz açısı değerleri yer almaktadır.bu eğriler ise teorik olarak açık-döngü transfer fonksiyonu,

9 g70 J 60 I 50 ' > 40 " t / w tt I fi fi ~t / / II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ "I i İt t ( r / y / / J / t r- / 7 10 bar?0bar 140 sar 10 >ar 15 bar zaman [ms] a) _ m-10 o h 1 1 J »1 «e;.* ' X. ^v S **- t N / / >^* ><îr Frekans [Hz] b) Şekil 2. Servovalflerin dinamik karakteristikleri -270 i g, -90 a G(s) = 5 s 2 2C, + ^8 + 1 olan bir sistemin frekans cevabını tanımlar. Bu eğri üzerinde kritik frekans -3 db genlik oranı düşümüne karşılık gelen frekans olup bu duruma karşılık gelen faz gecikmesi -90 dir. Bu durum ise en uygun sönüm oranı, Ç=0.7 değerine karşılık gelmektedir. Sistemin dinamik davranış açısından en uygun olduğu bölge -3 db karşılık gelen frekansa kadar olan bölgedir. Bu frekans genellik kırılma frekansı veya sistem frekans aralığını gösterir. Bu frekanstaki faz açısı değeri ise yaklaşık -90 ye yakındır. Geribeslemeli denetim sistemlerinin kararlılığı açısından genlik oranındaki düşüş kadar bu faz gecikmesinin önemi de büyüktür. Faz gecikmesi ne kadar artarsa sistemin kararlılık açısından denetimi o kadar zorlaşır. 3. SOLENOİD VALFLER VE KARAKTERİSTİKLERİ Endüstriyel alanda servovalflere alternatif olarak solenoid valfler ortaya çıkmıştır. Elektrohidrolik denetim sistemlerinde kullanım olanağına sahip olmayan AC solenoidleri bir tarafa bırakırsak, DC solenoid valfler, genelde Aç/kapa tipi Basit aç-kapa Hızlı anahtarlama valfleri Oransal valfler kuvvet denetimli hareket denetimli Servo solenoid veya hızlı oransal solenoid biçiminde sınıflandırılabilir. Basit aç-kapa solenoid valflerin yapısı kaba ve dinamik başarımları çok düşüktür. Bunlar hassas denetim gerektiren kapalı döngü denetim sistemlerinde kullanılamaz. Endüstriyel alanda kullanılanların çoğunluğu sürgülü valf yapısındadır. Hızlı anahtarlama valfleri ise genelde solenoidle çalışan aç-kapa karakteristiklerine sahip olmakla beraber 1ms gibi çok yüksek cevap hızlarına sahiptirler. Bu valfler ayrıca ileride ele alınacaktır.

10 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ Oransal Valfler 1970'lerin sonlarına doğru geliştirilen oransal valfler aç/kapa solenoid valfler ve elektrohidrolik servovalfler arasında geniş bir alana yayılır. Bu valflerin çıkış debisi ile giriş akım değişimi, servovalflerde olduğu gibi tam doğrusal olmadığından oransal adını alırlar. Doğrusal olmayan cevap yapılarına rağmen, maliyetleri servovalflere göre oldukça düşük olduğundan büyük akışkan debilerinde yüksek hız gerektiren konum, hız ve kuvvet denetim uygulamalarında tercih edilmektedirler. Oransal valfler daha çok dünyaca ünlü hidrolik firmalarının araştırma ve geliştirme çalışmaları sonucunda ortaya çıkmışlardır. Gerçekte oransal valfler 4-yol aç/kapa solenoid valflerin evrimleşmesi sonucu ortaya çıkmış olup geleneksel solenoidin yerini doğrusal solenoid almıştır. Doğrusal solenoidte sargıya uygulanan elektrik akımına karşılık oluşan kuvvet merkezleme yayının kuvveti ile dengelenerek valf sürgüsü akım girişine orantılı biçimde konumlandırılmaya çalışılır. Konumlandırma tamlığmı iyileştirmek için merkezleme yayları çıkarılarak sürgünün ucuna bir konum algılayıcısı (LVDT) ilave edilir. Bu durumda akım geribeslemeli elektronik kuvvetlendirici ile sürülen solenoidte oluşan kuvvet veya hareket, sargı direncindeki değişime rağmen sabit bir değerde tutulabilir. Konum algılayıcılı valfın hassas oransal denetimde kullanılan elektronik devre, konum algılayıcısı yoluyla algılanan sürgünün gerçek konumunu arzu edilen bir konum giriş işareti ile karşılaştırır ve bir kapalı döngü geribeslemeli denetim yolu ile bu iki değer arasındaki farkı hatta işareti olarak belirler ve sonuçta bu hatayı ortadan kaldıracak biçimde işlem yapar. Bu tür oransal valfler çok yüksek dinamik başarım gerektirmeyen enjeksiyon makineleri gibi endüstriyel alanlarda uygulama olanağına sahiptirler. I Sargı Hareketli kutup (çekirdek) Mıknatıssal olmayan bilezik P T Şekil 3. Oransal solenoid yapısı Kuvvet denetimli solenoidlerde hareketli eleman (armatüre) yaklaşık 1.5 mm gibi çok küçük bir hareket mesafesine sahiptir. Bu tür solenoidlerde belli bir harekete karşılık gelen kuvvet sargıya uygulanan akımı değiştirmek suretiyle denetlenir. Kısa hareket mesafeli oluşlarından yoğun bir yapıya sahiptirler ve bu özelliklerinden dolayı daha çok iki kademeli yön denetim ve basınç denetim valflerinde pilot valf olarak kullanılır.

11 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -272 Hareket denetimli solenoidlerde hareketli elemanın konumu bir kapalı döngü denetim devresi ile denetlenir. Bunun sonucunda solenoidin bulunduğu valfın sürgüsü herhangi istenen bir konumda denetlenmiş olur. Bunların hareket mesafesi daha uzun olup valfın büyüklüğüne göre 3-5 mm arasında değişir. Bu tür solenoidler genelde konum algılayıcısı ile birlikte tek kademeli 4-yol yön valflerinde kullanılır. Konum algılayıcılı valfin hassas oransal denetimde kullanılan elektronik devre, konum algılayıcısı yoluyla algılanan sürgünün gerçek konumunu arzu edilen bir konum giriş işareti ile karşılaştırır ve bir kapalı döngü geribeslemeli denetim yolu ile bu iki değer arasındaki farkı hata işareti olarak belirler ve sonuçta bu hatayı ortadan kaldıracak biçimde işlem yapar Karakteristikleri Oransal valflere ait, farklı basınç farkı değerleri için verilen tipik akış karakteristik eğrileri Şekil 4'te olduğu gibidir. Görüldüğü gibi valfın elektriksel giriş işaretine karşılık gelen debi çıkış değerleri arasında tam bir doğrusallık yoktur. Aslında oransal valfler solenoidi doğrusal çalışan akışkan denetim valfleridir. Gerçek anlamda valf elektriksel giriş işareti ile akışkan çıkış işareti arasında, servovalflerde olduğu gibi tam bir doğrusallık sağlanamaz. En karakteristik doğrusalsızlık ise ilk harekete başlamada, valfın belli bir elektriksel giriş işareti değişimine (yaklaşık %30) karşılık hiçbir akışkan çıkış işareti üretememesidir. Bunun temel nedeni solenoidin karakteristik yapısından kaynaklanmaktadır. Solenoid türü elektromekanik aygıtlarda, uygulanan bir elektrik işaretine karşılık sargıdaki akım hemen hareketi oluşturacak yeterlilikte bir çekim kuvveti sağlayamaz. Dolayısıyla da akım belli bir değere ulaşmadan valf açılmaya başlamaz. Bu dinamik davranış açısından bir ölü zaman gecikmesine karşılık gelmekte olup solenoid türü elektromekanik aygıtlarda doğrusalsızlığın en önemli kaynağıdır. Bu durum oransal solenoidlerde en aza indirilmiş olup valfin belli bir çalışına bölgesi içersinde doğrusal bir bağıntı sağlanmıştır: Buna karşılık aç-kapa biçiminde çalışan solenoid valflerde valfin giriş işareti ile akışkan çıkış işareti arasında herhangi bir doğrusal bağıntı yoktur. Bunlarda, valf belli bir akım değerinde tamamen açıktır ve belli bir akım değerinin altında da tamamen kapalı duruma geçer ve dolayısıyla giriş işareti ile çıkış işareti arasında hiçbir doğrusal bağıntı yoktur. 30 -T i/dak nominal debi 10 bar valf basınç düşümünde 1 \p-10 bar sabit 2 Ap-20 bar sabit 3 Jıp=30barsabıt 4 Ap=50 bar sabit. 5âp=100barsabit p _ A/B or p, 8 'A - T >T- M M Komut değeri [%] ÛO & W iv 1h U Sinyal değişimi [%] 0 75 L I İt Ml\l \\\ zaman [ms] Şekil 4. Oransal valfin karakteristik eğrileri Şekil 5. Oransal valflerin dinamik karakteristikleri Buna karşılık oransal valfler servovalflere göre çok daha az basınç düşümüne sahiptirler. Şekil 4'ten görüldüğü gibi aynı nominal debiyi farklı basınç düşümlerinde sağlayabilmektedir. Burada söz konusu olun basınç düşümü ise valfın giriş ağzı ile çıkış ağzı arasındaki basınç farkıdır. Oransal valflerde değişik akış karakteristikleri oluşturmak için valf sürgüsü üzerinde bazı yapısal değişiklikler yapılmıştır. Bu değişiklikler, Şekil 3'te görüldüğü gibi daha çok sürgü pistoncukları üzerinde V-biçimi veya U-biçimi çentikler açmak suretiyle yapılır.

12 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ Dinamik Karakteristikleri Şekil 5'te verilen basamak cevabı eğrilerinden görüldüğü gibi oransal valflerin cevap hızları servovalflere göre oldukça düşüktür. Ayrıca harekete başlama anında solenoid hareketli elemanın belli zaman harekesiz kaldığı gözlenmektedir, ölü zaman gecikmesi olarak bilinen bu değer, hareket miktarı yüzdesine bağlı olarak toplam zaman gecikmesinin %10 ile %30 arasında değir, ölü zaman gecikmesi ne kadar düşük olursa solenoidin doğrusallığı o kadar iyi demektir. Buna karşılık ölü zaman gecikmesi aç/kapa solenoid valflerda % 75'lere kadar çıkabilmektedir. Oransal valflerin toplam zaman gecikmesi (ölü zaman gecikmesi artı cevap eğrisinin değerine ulaşması için geçen zaman), valfin büyüklüğüne bağlı olarak yaklaşık 40 ms ile 250 ms arasında değişmektedir. Adsal debiye bağlı olarak tanımlanan valf kapasitesi arttıkça akışkan kuvvetleri artışına bağlı olarak zaman gecikmesinin de o oranda artacağı aşikârdır Servo Solenoid veya Yüksek Hızlı Solenoid Valfler Bu valfler oransal valflerin ileri seviyede gelişimin sonucunda ortaya çıkmış olup 1980'lerden bu yana kullanılmaktadırlar. Bu valflerde, yüksek hızlı elektriksel geribeslemeli doğrusal solenoid elemanı yanında, servovalf kalitesinde sürgü ve sürgü kılıfı kullanılır. Daha çok yön denetim valfı biçimde olup valf sürgüsü, servovalflerde olduğu gibi genellikle sıfır binişlidir. Cevap hızları, valf büyüklüğüne bağlı olarak % 5'lik giriş sinyali genliğinde 150 Hz'e kadar çıkabilmektedir. % 100'lük giriş işareti genliğinde bu değer yaklaşık Hz civarındadır. Servovalflerden % 50 daha ucuz olan bu valfler, dinamik başarım açısından oransal valflerin yetersiz kaldığı endüstriyel alanlarda kullanılabilmektedir Karakteristikleri Valfin akış kapasitesini belirleyen adsal debi, servovalflerde olduğu gibi 70 bar basınç düşümündeki debi olarak tanımlanır. Akışkan kapasiteleri 3 It/dk ile 200 It/dak arasında değişmektedir. Karakteristik akış eğrileri doğrusal olup bu durum sürgü kılıfına özel geometrik geçiş deliği açılarak sağlanmaktadır. Akışkan geçiş deliği dikdörtgen biçiminde olan valflerde akış eğrisi tamamen doğrusaldır. Bu yapısı ile servovalflere çok benzemektedirler. Gerçekte servovalflerde imalatı zorlaştıran ve dolayısıyla maliyeti artıran elemanlardan birisi sıfır binişli ve belli bir kılıf içinde çalışan valf sürgüsüdür. Buna karşılık bu valflerde, servovalflerde olduğu gibi çok küçük deliklere ve hareket mesafesine sahip plaka-lüle düzenlemesi yoktur. Bu nedenle de bu valflerin kirleticilerden korunması için 10nm altında filtreleme yeterli olmaktadır. Dinamik başarımları servovalfler seviyesine erişmiş olmamakla beraber onlara oldukça yakındır. Dinamik karakteristik eğrileri, Şekil 2'de servovalf için verilen eğriler ile benzerdir. Cevap hızları %5'lik giriş genliğinde 200 Hz civarında olup %100'lük giriş genliğinde ise 50 Hz civarındadır Kullanım Alanları Servo solenoid valfler ile en yüksek gelişim aşamasına erişmiş bulunan oransal valfler endüstriyel alanda servovalflerin kullanıldığı hemen hemen her alanda kullanılabilir hale gelmiştir. Çok yüksek akışkan debilerinde çok yüksek cevap hızı ve denetim hassasiyeti gerektirmeyen uygulamalarda oransal valfler yeterli olmaktadır. Buna karşılık daha yüksek dinamik başarım ve cevap hızı gerektiren; CNC takım tezgahları, çelik endüstrisi, rüzgar türbinleri, kağıt endüstrisi, seramik endüstrisi, kereste ve mobilya endüstrisi, gemiler, kaldırma platformu, kar temizleme araçları, hidrolik direksiyon gibi pek çok elektrohidrolik devrelerin yer aldığı uygulamalarda servo solenoid valfler yaygın olarak kullanılmaktadır.

13 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ HIZLI ANAHTARLAMA VALFLERI VE DİĞER ALTERNATİF VALFLER Anahtarlama valfleri genellikle oturma elemanı tipinde aç/kapa türü valflerdir. Hidrolik sistemlerde anahtarlama valfı üzerinde yapılan ilk çalışmalar [33] bilye elemanlı valf üzerinde gerçekleştirilmiştir. Daha sonraki çalışmalarda [37] bu valf sayısal denetimli uçuş sistemlerinde uygulanmış ve elektriksel kumandasında tork motoru kullanılmıştır. 1.5 ms gibi çok yüksek cevap hızlarına sahip bu valflerin imalatına geçilmiş olup oransal kumandalarında darbe genişlik modülasyon (PWM) tekniklerinden yararlanılmıştır. Şekil 6'da digivalve adı altında ticari amaçla piyasaya sürülen, çift kademeli tork motoru ile çalışan 3/2 bir bilyeli valf örneği görülmektedir. Toplam anahtarlama hızları ms arasında olan bu valflerle 200 bar basınç altında en çok 20 It/dak debi sağlanmıştır. özel bir solenoid devresinden yararlanılarak serbest yüzer diskli hızlı bir anahtarlama valfı üzerinde yapılan çalışmada [41] tek kademede 3-5ms cevap hızlarına ve 4.5l/dak (100bar,disk valf) akışkan debilerine erişilebileceği gösterilmiştir. Aç/kapa türü olan bu valfın oransal çalışmasını gerçeklemek amacı ile darbe genişlik modülasyon (PWM) ve mikroişlemci sinyal işleme tekniklerinden yararlanılmıştır [42]. Daha sonra yapılan bir çalışmada [45] özel bir solenoid devresi, disk, yay ve lüle elemanından oluşan valf, (Şekil 7) 50 bar sistem basıncında 3 ms cevap hızındadır ve 15 l/dak'lık bir debiye sahiptir. Darbe genişlik modülasyon tekniği ile giriş işaretine orantılı bir çıkış işareti veren bir oransal valf gibi çalıştırılabilinmektedir. Bu özelliğinden yararlanılarak denetim sistemlerinde kullanılması uygun hale gelmiştir. Bir başka çalışmada [52] bir hidrolik silindirin sürülmesinde her biri 2/2 lik solenoidli 4 adet valf ile 4 yolu yön denetim valfı oluşturulmuştur. Aç-kapa türü olan bu solenoid valflerin çok özel sinyal işleme teknikleri ve mikroişlemci yardımı ile oransal olarak çalıştırılması gerçeklenmiştir. Burada fark darbe genişlik modülasyon tekniklerinden yararlanılmıştır. Hızlı aç/kapa solenoidli valfler üzerinde özellikle fark darbe genişlik modülasyon tekniğine dayanan çalışmalar sürdürülmektedir.tl n \ iı ir H S il, * II 1 '" Üst gövde Yay Lüle- Giriş Çekiidek -Alt gövde >* \ Şekil 6. Digivalve Şekil 7. Disk valf modeli Alternatif valf örneği olarak özellikle ABD piyasasında yer alan ve servovalf olarak sunulan, Şekil 8'deki valfi ele alabiliriz. Doğrudan sürülen servovalf (DDV) adı ile anılan valf bir fırçasız DA elektrik motoru ile bir sürgülü valftan meydana gelmiştir. Sınırlı dönmeye sahip DA motoru valf sürgüsünü doğrudan hareket ettirerek akışkan akımı sağlar. Motorun açısal hareketini öteleme hareketine dönüştürmek için motor miline bir eksantrik ilave edilmiştir. Bu valf sistemi aynı zamanda motor kılıfı içersine yerleştirilmiş, gelişkin denetim algoritması da içeren bir elektronik denetleyici devresi ile birlikte gelmektedir. Denetleyici elektronik olarak algılanan sürgü konumunu arzu edilen konum ile karşılaştırarak sürgünün konumunu arzu edilen değerde tutmaya çalışır. Valf tek kademeli olup sistem basıncından bağımsız çalışmaktadır. Sonuçta kirleticilere ve aşınmaya maruz kalabilecek ve bakım gerektirecek orifis, lüle ve jet-boru ve filtrelere ihtiyaç göstermez. Valfın akışkan kapasitesi 200 It/dak' olup valf büyüklüğüne bağlı olarak cevap hızı da 200 Hz'e kadar çıkabilmektedir.

14 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -275 Robot uygulamalarında, servovalflere alternatif olarak sunulan diğer bir valf türü de tek kademeli, 4 yollu, en küçüğü 28 gr ağırlığında, 45 mm boyunda, 12.5 mm çapında minyatür bir valftır. Şekil 9'da verildiği gibi valfin mıknatıssal devresi bir kalıcı bir de elektromıknatıstan ibaret olup basınçlı akışkanı kullanıcıya yönlendirmek için esneyebilir hareketli bir jet-boru benzeri eleman kullanılmaktadır. Çok küçük boyutlara sahip ve hiç bir sürtünme yüzeyi içermeyen valfın dinamik başarımı aşikâr olarak çok yüksektir. En küçük boyutlusu üzerinde yapılan deneysel çalışmalarda [47] frekans cevabı 700 Hz mertebelerinde bulunmuştur. Çalışma basıncı 35 bar ile 200 bar arasında değişen bu valfler tek kademede It/dak. debi sağlayabilmektedirler. Elektriksel güç tüketimleri 7-8 W olup uyarı akımları 0.7 A civarındadır. Çok sıkı toleranslar gerektirmediğinden yağdaki kirleticilere karşı daha az hassas olduğu görülmektedir. ŞeiTMtık l)ı>ayam -.,."; R-DDVServomlf Şekil 8. DDV servovalf En önemli uygulama alanı olarak da robotlar ve özellikle de robot elleri gösterilmektedir. Gerçekte ABD firması Sarcos robotları için geliştirilmiştir. Tek kademede herhangi bir geribesleme mekanizması içermeyen bu valflerin normal hidrolik silindirlerde doğrudan kullanımı pek uygun olmadığından bu valflerle geribeslemeli olarak çalışacak özel hidrolik ve pnömatik silindirler geliştirilmiştir. Minyatür valflerin herhangi bir boru bağlantısı gerektirmeden üzerine doğrudan yerleştirilebildiği bu silindirlerde aşikâr olarak çok küçük boyutlardadır. Tipik olarak; boyları mm., çapları 15-25mm, strokları 25-75mm, ve sağladıkları kuvvet N arasında değişmektedir. Valf ile silindir arasına yerleştirilen özel bir kuvvet algılayıcısı yardımıyla tüm sistemin geribeslemeli oransal denetimi sağlanmaktadır. Alıcı plaka Boru tipi valf Mini-servovalf Sargı Fırça Sistem basıncı Şekil 9. Mini-servovalf

15 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ ELEKTROHİDROLİK VALFLERIN ELEKTRONİK DENETİMİ Elektrohidrolik valflerin kapalı döngü denetim sistemi içinde zayıf bir elektrik sinyali ile sürülmesi ve denetlenmesi için elektronik devrelere ihtiyaç vardır. Bu devreler ise; analog ve dijital olmak üzere iki şekilde karşımıza çıkar. Analog devrenin en önemli kısmını ise sürücü devre teşkil eder. Ayrıca analog devre, kullanılacak valfın türü ve kullanım alanına göre bir toplama veya hata seçici, basamak, ramp, PWM, çift kademe gibi çeşitli sinyal üretim ve işleme, PID denetleyicisi gibi devrelerinin bir veya bir kaçını içerebilir. Konum (LVDT) geribeslemeli valflerde ayrıca osilatör ve demodülatör gibi sinyal işleme devreleri de yer alır. Akım sürme devresi girişine uygulanan zayıf akımlı (1-5mA) gerilim sinyaline karşılık valf sargısı üzerinden giriş sinyaline orantılı kuvvetlendirilmiş bir akım sinyali (servovalflerde ma, solenoidlerde ma mertebelerinde) sürer. Akım sürme devresinde yer alan akım geribeslemesi yoluyla giriş gerilimi ile çıkış akımı arasında doğrusal bir bağıntı sağlanır. Akım geribeslemesi ayrıca özellikle sıcaklığa bağlı olarak sargı direncinde meydana gelen değişimlere rağmen akımın sabit bir değerde denetlenmesini de sağlar. Basit bir akım sürme devresi bir işlemsel kuvvetlendirici ile bir veya daha fazla tranzistörden meydana gelir. Bazı uygulamalarda toplama kuvvetlendiricisi ve akım sürücü devre valf üzerinde, valf ile birlikte gelir. Dijital devreler daha çok analog akım sürücü devreye ilaveten valfin kapalı döngü denetim sistemi içinde kullanımında gereklidir. Özellikle CNC takım tezgahları ve benzeri uygulamalarda hassas konum denetimi gerektiren yerlerde özel hazırlanmış ve standartize edilmiş hazır dijital kartlar kullanılır. Bu kartlar ile PID denetleyicisi dahil olmak üzere karmaşık denetim algoritması işlemleri yerine getirilebilir. Dijital devreler enkoder gibi dijital konum geribesleme elemanı, PLC ve PC bilgisayarlar ile iletişim kurabilir. 6. KARŞILAŞTIRMA Piyasada yaygın olarak kullanılan solenoid valfler ile servovalfler maliyet açısından karşılaştırıldığında genellikle basit aç/kapa türü solenoid valfler baz alınmaktadır. Buna göre konum geribeslemesiz oransal vafler basit solenoidlerin en az 2 katı, geribeslemeli oransal valfler 2.5 katı, servo solenoid valfler 3.5 katı ve servovalfler ise en 6 katı maliyetindedir. imalat kolaylığı açısında ise en gevşek toleranstan en sıkı toleransa doğru gidecek olursak maliyet acısından verilen sıralamayı izlemek gerekir. Buna karşılık dinamik başarım açısından en iyisi servovalfler olmak üzere bu sırayı tersten izlemek gerekir. Yağdaki kirleticilere karşı filtreleme kalitesi basit solenoid valfler için 20 um yeterli görülürken servovalflerde bu değerin 3 um ve altında olması istenir. Gerek normal oransal valfler ve hızlı oransal valflerde ise 10 um ve altında filtreleme yeterlidir. Dinamik davranış açısından en hızlısı servovalfler olup % 100 giriş işaretinde erişebildiği en yüksek frekans 250 Hz, bunu izleyen servo solenoid valflerin en yüksek cevap frekansı 200 Hz civarında ve geribeslemeli oransal valflerde 70 Hz ve geribeslemesiz oransal valflerde da 50 Hz dir. Histerisiz servo solenoid valfler ve servovalflerde %0.5'in altında olup servo solenoid valflerde tipik olarak %0.2'nin altında, servovalflerde ise %0.1'in altındadır. Buna karşılık geribeslemesiz oransal valflerde histerizis %5 ve geribeslemeli oransal vaflarda da %1'in altındadır. Genelde kapalı döngü konum denetiminde yaklaşık %1 civarında konumlandırma tanrılığı istenen yerlerde oransal valfler uygun görülmektedir. Buna karşılık %0.5 altında konumlandırma tanrılığı gerektiren yerlerde servo solenoidler veya servovalfler uygun görülmektedir. Hızlı anahtarlama valfleri daha çok gelişim aşamasında olmakla beraber bilyeli bir valf türü Digivalve adı altında ticari anlamda 1985'lerden sonra Hollanda'da piyasaya sürülmüş olmakla beraber şu anki durumu hakkında bir bilgiye erişilememiştir. Maliyeti oldukça düşük olup geribeslemesiz oransal valfler civarındadır. Valfi oluşturan, oturma tipi bilye elemanını anahtarlamak için tork motoru türü basit bir

16 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 277 elektromekanik aygıt kullanılmakta olup kirleticilere karşı hassasiyeti çok düşüktür. Sadece 10 nm'lik bir filtreleme işlemi yeterli görülmektedir. Bu valflerin imalatı basit olup çok sıkı imalat toleransı gerektirmemektedir. Bu da sonuçta maliyetin oldukça düşük kalmasını sağlamaktadır. Darbe genişlik modülâsyon tekniği ile sürülen bu valflerin anahtarlama hızı 1 ms'nin altında kalmakla beraber % 80'lik bir oransallık sınırı içinde çalışma frekansı 100 Hz civarındadır. Servovalflere alternatif olduğunu iddia eden DDV servovalfı maliyet açısından daha ucuz ve dinamik başarım açısından servovalflere yaklaşmış gibi görünmekle beraber, histerisiz ve doğrusallık açısından zayıf görünmektedir. Gerçekte valfin elektriksel giriş işareti ile akışkan çıkış debisi arasındaki karakteristik eğrileri verilmemiştir. Yalnız doğrusallığın %7,5 civarında olduğu belirtilmektedir ki bu da hassas bir konum denetimi için yeterli görülmemektedir. Histerisiz ise %2 civarında olup bu değer konum geribeslemeli oransal valflerin değerinden daha kötüdür. Mini-servovalf olarak tanımlanan valf ise robot ve hatta robot eli gibi çok özel uygulamalarda kullanılmak üzere geliştirilmiş ve halihazır piyasa durumu hakkında pek bir bilgi yoktur. Dolayısıyla gerçek anlamda diğer valflerle bir karşılaştırılması yapılamamıştır. SONUÇ Geribeslemeli denetim döngüsü içinde kullanılan elektrohidrolik valfler bir elektriksel giriş işareti sonucu sağladıkları hidrolik akışkan çıkışı ile bir eyleyicinin (hidrolik motor veya silindir) konum, hız veya ivmesini hassas bir şekilde denetler. Bu anlamda en hassas denetim sağlayan elektrohidrolik valf türü servovalftir. Servovalflerde kullanılan en önemli elemanı tork motorunun gelişmesi 1940'iı yıllarda tamamlanmıştır. Diğer önemli elemanı valf sürgüsü ve sürgünün içinde çalıştığı kılıfın imalatı, imalat endüstrisindeki hassas imalat olanaklarına bağlı olarak gerekli en sıkı toleranslarda yapılabilmektedir. Elektrohidrolik denetim sistemleri içinde, servovalflere yüksek dinamik başarımlı doğrusal denetim sağlamanın limiti olarak bakılabilir. Bazı dezavantajlarına rağmen halihazırda servovalflerin sağladığı yüksek dinamik başarımlı, güvenirlilik ve hassasiyette bir geribeslemeli denetim sağlayacak valf türü yoktur. Bununla beraber bir yandan aşırı yüksek maliyet ve kirleticilere karşı aşırı hassasiyet, diğer yandan dinamik başarımları servovalflere yaklaşan hızlı oransal valfler veya servo solenoidlerinin ortaya çıkması servovalflerin endüstriyel alanda kullanımlarını kısıtlamıştır. Ayrıca elektronik devrelerin yardım ile de hızlı oransal valflerin başarımlarımı servovalflere çok yaklaştırmıştır. Gerek hızlı anahtarlama valfleri ve gerekse alternatif valfler zamanla belli özel uygulama alanlarında yer alacak gibi görünmektedir. Yalnız bunun için bu valfler üzerinde daha fazla çalışma yapmak gerekecektir. Sonuç olarak endüstriyel alanda, daha basit yapıda, kullanımı kolay, kirleticilere karşı fazla hassas olmayan ve dinamik başarımı yüksek, düşük maliyetli valfler her zaman kabul görecektir. KAYNAKLAR [1] DUNN, J. F., A study of permanent-magnet torque motor, D.A.C.L Research Memorandum No. R.M Dynamic Analysis and Control Laboratory, M.I.T, [2] FENG, T.Y., Static and Dynamic Control Characteristics of Flapper-Nozzle Valves, Journal of Basic Engineering, Trans. of ASME, pp , Sept [3] LİCHTROVVİCZ, A., Flow and Force Characteristics of Flapper Valves, 3 rd International Fluid Power Symposium, pp. B1-1-B1-11, 9-11 May, [4] IKEBE, Y. and NAKADA, T., On a piezoelectric flapper type servovalve operated by pulse-widthmodulated signal, IEEE JACC, pp ,1973.

17 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 278 [5] LEQUOC, S., CHENG, R.M.H. and LAYE, A., Investigation of an Electrohydraulic Servovalve With Tunable Return Pressure and Drain Orifice, Trans. Of ASME, Journal of Dynamics, Measurement, and Control, vol. 109, pp , Sept [6] ARAFA, H.A. and RİZK, M., Spool hydraulic stiffness and flow force effects in electrohydraulic servo-valves, Proc. Instn. Mech. Engrs Vol. 201, No C3, pp , [7] LIN, S.J. and AKERS A., A Nonlinear Model of a Flapper-Nozzle Valve, Proc. Of American Control Conference, Vol. 2, pp , [8] LIN, S.J. and AKERS, A., Dynamic analysis of a flapper- nozzle valve, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 113, pp , [9] TSAI, S.T., AKERS, A. and LIN, S.J., Modeling and dynamic evaluation of a two-stage two-spool servovalve used for pressure control, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 113, pp , [10]BURROWS, C.R., MU, C. and DARLİNG, J., A dynamic analysis of a nozzle-flapper valve with integral squeeze film damper, Transaction of ASME, Vol. 113, pp , [11]PLUMMER, A.R. and VAUGHAN, N.D., Robust Adaptive Control for Hydraulic Servosystems, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, pp , June [12]TUNAY, I and KAYNAK, O., Provident Control of an Electrohydraulic Servo with Experimental Results, Mechatronics Vol. 6, No. 3, pp , [13]TSUCHIYA, T., YAMAKADO, M., ISHII, M. and SUGANO, M., Fundamental Study on Vibration Control Using the Derivative of Acceleration "Jerk" Sensor, JSME International Journal, Series C, Vol. 41, No.4, pp , [14]ZIAEI, K. and SEPEHRI, N., Modeling and identification of electrohydraulic servos, Mechatronics Vol. 10, pp , [15] LIU, G. P. and DALEY, S., Optimal-tuning nonlinear PID control of hydraulic systems, Control Engineering Practice 8, pp , [16]NIKSEFAT, N. and SEPEHRI, N., Design and experimental evaluation of a robust force controller for an electro-hydraulic actuator via quantitative feedback theory, Control Engineering Practice 8, pp ,2000. [17JTAFT, C. K.. The stability of pilot-operated proportional Hydraulic Valves, Fluid Povver systems and control conference, Unv. Of VVisconsin, May 21-23, [18JRATİACZAK, H., Proportionalmagnete für Hyrdoventile, Fluid Vol. 6, pp.30-31, [19]HEISER, V.J., Proportionalventile mit lagegeregeltem magnetsteilglied, Bosch Tech. Brichte 6, pp.34-43, [20]QURESHI, AS., Proportional solenoids: Design analysis and application to mobile hydraulic valves, Proceedings of the 33 rd National Conference on Fluid Povver, Chicago, Vol.31 pp , [21JHARMS L.C., Electro-hydraulic proportional flow control valves, Proceedings of the 33 rd National Conference on Fluid Povver, Chicago, Vol. 31, pp , [22] LU, Y.H., Statisches und dynamisches verhalten von proportionalmagneten, o+p ölhydraulik und pneumatik, Nr.5, pp ,1981. [23] LEE, C.O. and SONG, C.S., Untersuchungen an einem proportionalmagneten, o+p ölhydraulik und pneumatik, Nr.6, pp , [24]LAI, J. Y. and CHEN, Y.R., Adaptive Flow Rate Control of an Hydraulic Proportional Valve, JSME International Journal, Series III, Vol. 35, No. 4, pp , [25]HEYEN,G., Position control with low cost proportional valves, EURO+PEAN Journal For Fluid Povver, pp 20-25, Feb [26JVAUGHAN, N. D. and GAMBLE, J.B., The Modeling and Simulation of a proportional solenoid valve, Trans. ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 118, pp , March [27]VAUGHAN, N. D. and GAMBLE, J.B., Comparison of Sliding Mode Control VVith State-feedback and PID control Applied to a Proportional Solenoid Valve, Trans. ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 118, pp , Sept [28]GÖTZ, W., HAACK, S. and MERTLİK, R., Electrohydraulic Proportional and control systems, Bosch Automation, [29]LANG, R. A., Proportional and servo valve Technology, Rexroth Hydraulics, 1989.

18 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 279 [30]MURTAUGH, S. A., An Introduction to the time modulated acceleration svvitching electrohydraulic servomechanism, ASME, Journal of Basic Engineering, pp ,1959. [31]TSAİ, S. C. and UKRAİNETZ, P.R., Response characteristics of a pulse-width-modulated Electrohydraulic servo, Trans. ASME, Journal of Basic Engineering, pp , [32]GOLDSTEİN, S.R. and RİCHARDSON, H.H., A differential pulse-length modulated pneumatic servo utilizing floating flapper disk svvitching disc valves, Trans. ASME, Journal of Basic Engineering, Series C-D, pp , [33] POST K.H., Study of electro-hydraulic control valves with fluidic bali elements, Institut für Flugfürhrung, Braunschvveig, Report DLR-FB 73-75, [34]EL-IBIARY, Y., UKRAİNETZ, P.R. and NIKIFORUK, P.N., Design and Performance of some new digital electrohydraulic valves, Proc. Of 33 rd Conference an fluid power, Vol. 31, pp , 25-27Oct [35]EL-IBIARY, Y., UKRAİNETZ, P.R. and NIKIFORUK, P.N., Design and assessment of a new solenoid-operated bali valve for digital applications, Proc. Of 34 th Conference an fluid povver, Vof. 32, pp , 7-9 Nov [36]EL-IBIARY, Y., DODDS, D.E. and NIKIFORUK, P.N., Load position control with on-off hydraulic valves, Hydraulics & Pneumatics, pp , [37]MANSFELD G., Fast svvitching bali valves as digital control elements for an electro-hydraulic servo actuator, 6* 1 International Fluid Povver Symposium, Cambridge, BHRA papergi, [38] DRİJSEN, R.H.H., Digivalve is a süper fast svvitching bali valve, Het Offshore blad 1/86, Feb [39]MUTO, T., YAMADA, H. and SUEMATSU, Y., Digital Control of Hydraulic Actuator system operated by differential pulse-width- modulation, JSME International Journal, Series III, Vol.33,No.4, pp , [40]SUEMATSU, Y., YAMADA, H., TSUKAMOTO, T. and MUTO, T., Digital Control of Electrohydraulic servo system operated by differential pulse-vvidth- modulation, JSME International Journal, Series III, Vol.33,No.4, pp ,1990. [41]YÜKSEL i., An investigation of electro-hydraulic floating disc svvitching valves, PhD Thesis, University of Surrey, [42]USMAN A., Development of an electro-hydraulic floating double-disc valve, PhD Thesis, University of Surrey, [43] LAU K.S., Position controlled disc valve, PhD Thesis, University of Surrey, [44] SUN Y. and PARKER G.A., Steady-state theoretical model of an electro-hydraulic single disk pilot valve, Trans ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.114, pp , [45JŞENGİRİGN, M., Elektrohidrolik disk valflerin geliştirilmesi ve bunların çeşitli sinyal işleme teknikleri yolu ile denetlenmesinin incelenmesi, Doktora tezi, U. Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, [46]MANFRED, L, and LÜ, Y., Pneumatischer Positionierantrieb mit Schaltventilen, o+p ölhydraulik und pneumatik, 35, Nr.2, pp , [47]FRASER, S., JACOBSEN, S., POTTER, D. and DAVIS, C, Miniature High Performance Servovalves, International Fluid Povver Exposition and Technical Conference, Chicago (Submitted), pp.1-6,1992. [48] www. h rtextron. com [49] MERRITT, H.E., "Hydraulic Control Systems", John VViley & Sons, Inc., [50]MASKREY, R.H. and THAYE, VV.J. r, A brief history of electrohydraulic servomechanism, Trans. ASME, Vol. 100 pp , 1978 [51] GUİLLON, M., "Hydraulic Servo Systems - Analysis and Design", Buttervvorths, London [52]WENNMACHER, G., Elektrohydraulischer positionierantriebmit schnellschaltventilen und digitaler regelung, o*p ölhydraulik und pneumatik, Nr.2, pp , 1992.

19 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 280 ÖZGEÇMİŞLER İbrahim YÜKSEL 1951 İzmit doğumlu olup 1975 yılında Sakarya Devlet Mühendislik-Mimarlık Akademisi Makine Mühendisliği Bölümünden mezun oldu yılında University of Surrey, Guildford, İNGİLTERE'de M.Sc. (Yüksek Lisans) ve yılında yine aynı Üniversitede Ph.D (Doktora) çalışmalarını tamamladı tarihinde Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nde Yardımcı Doçent olarak göreve başlamıştır yılında Doçent ve 1993 yılında Profesör unvanını almıştır. Öğretim üyesi görevine ilaveten yaklaşık 9 yıl Dekan Yardımcısı ve 16 Ekim Ekim 2000 tarihleri arasında Dekan olarak da görev yapmıştır. Çalışma konuları elektrohidrolik sistemler, elektrohidrolik valfların geliştirilmesi, otomatik kontrol, otomasyon sistemleri, sistem dinamiği, modelleme ve simulasyondur. 'Otomatik Kontrol' ve 'MATLAB ile Mühendislik Sistemlerinin Analizi ve Çözümü' isimli iki adet basılı ders kitabı mevcuttur. Evli ve bir kız 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 simulasyonu alanlarında yoğunlaşmaktadır

20 II. HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ / HİD - 20 MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir. Lojik Valf Tekniği ve Uygulamaları İSMAİL OBUT HidroserA.Ş. MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

21 . ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -283 LOJİK VALF TEKNİĞİ VE UYGULAMALARI İsmail OBUT ÖZET Günümüzde Endüstriyel ve Mobil hidrolik sektörlerinde kendine önemli bir yer edinen 2/2 Lojik valfler, özellikle yüksek debili uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Yapısının son derece basit oluşu, çok geniş kumanda edilebilme özellikleri, çok hızlı açma-kapama elde edilebilmesi, kesin sızdırmazlık sağlayabilmesi, tek lojik valfle birden fazla fonksiyonun sağlanabilmesi, yüksek debi geçirebilme yeteneği bu valflerin sürgülü valflere göre önemli ölçüde avantaj sağlamasına neden olmaktadır. Blok işleme teknolojisinin gelişmesi ile birlikte bu valflerin kullanımı da artmıştır. Yapılarının basit olmasına karşın, bir projede kombine olarak kullanılabilmesi bir tecrübe gerektirmektedir. Eğer bu valflerin çalışma prensipleri, özellikleri ve uygulama şekilleri, hidrolik projelendirme mühendisleri tarafından iyi anlaşılabildiği takdirde, bu valflerin kullanımı da artacak ve son derece ekonomik projeler elde etmek mümkün olabilecektir. GİRİŞ Şekil 1.2/2 Lojik valfler 2/2, yani 2 yollu 2 konumlu olup; Lojik veya Kartriç valf olarak adlandırılan bu valfler,din normuna uygun olarak imal edilmektedirler Bu valfler, 2 ana yapıdan oluşmaktadırlar. 1. Blok içinde kalan Lojik valf 2. Blok dışında kalan Lojik valf kapağı

22 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -284 Lojik valf, DİN normuna uygun bir şekilde blok içine yerleştirilmektedir. Lojik valf kapağı ise; gene DİN normuna uygun olarak blok dışında, Lojik valfi kapayan bir eleman olarak kullanılmaktadır. Lojik valf kapağı; yapılmak istenen kumanda şekline bağlı olarak değişik yapılar arzetmektedir. 2/2 LOJİK VALFLER Normalde kapalı Normalde açık Şekil 2. Normalde kapalı ve açık 2/2 Lojik valfler 2/2 Lojik Valfler; temel olarak 2 ana gruba ayrılmaktadırlar. 1. Normalde kapalı 2/2 Lojik valfler 2. Normalde açık 2/2 Lojik valfler Bu bildiride, normalde kapalı 2/2 Lojik valfler incelenecektir. (1 ) Dış Kovan (2) Konik Eleman (3) Yay (4) Dış Kovan Kapağı (Dış Kovan ile birlikte tanımlanır) (5 ) Lojik Valf Kapağı Şekil 3. 2/2 Lojik Valf

23 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 285 2/2 Lojik valfler, 4 temel elemandan oluşmaktadırlar: Şekil-: 3'te görüldüğü gibi bu elemanlar; Dış kovan (1), Konik Eleman (2), Yay(3) ve Lojik valf kapağı (5)'ndan ibarettir. Dış kovan kapağı(4) genellikle dış kovan ile birlikte tanımlanır. Dış Kovan(1);asıl çalışan eleman olan konik eleman(2) ve yay(3)'ı bünyesinde bulunduran hareketsiz bir elemandır. A ve B hatları arasındaki sızdırmazlık, bu dış kovan üzerinde bulunan O-Ring ile sağlanır. Konik Eleman(2); yay odacığı ile A ve B hatları arasındaki basınç farklarına bağlı olarak, valfi açık veya kapalı durumda tutan, yani çalışan bir elemandır. Dış Kovan(1)'ın iç tarafında yer alan konik bir yüzeye yay(3) marifetiyle oturur. A ve B hatları arasındaki sızdırmazlık, bu konik yüzey üzerinde sağlandığı için %100 bir sızdırmazlık oranına ulaşılır. Yay(3); konik eleman(2)'ın içinde, yay odacığı bölümünde bulunan ve konik eleman(2)'ı, dış kovan(1)'ın iç tarafındaki konik yüzeye doğru bastırmaya çalışan elemandır. Lojik valf kapağı(5) ise; dış kovan(1), konik eleman(2) ve yay(3)'ın ana blok gövdesi içinde kalmasını sağlayan; içinde ve üzerinde bulunan kumanda delikleri ve orifisleri ile de çeşitli kumanda fonksiyonlarını sağlayan elemandır. Şekil 4. Lojik valf kapakları Şekil 5. Lojik valf elemanları DIŞ KOVAN Dış kovanlar; DİN normuna göre imal edilmiş ve NG16,25,32,40,50,63,80 ve 100 ölçülerinde olup, hareketsiz bir elemandır. İç bünyesinde konik elemanın çalışmasına müsaade eder. Bu eleman, çalışma sistemlerine göre bir farklılık göstermez. İçine farklı özelliklerde konik eleman ve yay takılabilir. Dış kovan'ın blok ile sızdırmazlığı bir O-ring vasıtasıyla sağlanır. Bu sızdırmazlık hem A tarafında, hem de B tarafında vardır. Konik eleman, dış kovan'ın içinde belirli toleranslarda çalışmaktadır. Dolayısıyla B hattı ile yay odacığı arasında yağ kaçağı söz konusu olabilmektedir. Bu kaçağın önem kazanacağı uygulamalar için, dış kovan'ın iç yüzeyinde O-ring sızdırmazlığı sağlanır. Böylelikle bu yağ kaçağı problemi ortadan kaldırılmış olmaktadır.

24 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -286 KONİK ELEMAN Konik elemanlar, Lojik valfin çalışma sistemine bağlı olarak değişik formlarda olabilmektedirler. Esas itibariyle, 3 değişik konik eleman formu vardır. Bu formlara bağlı olarak Lojik valfin çalışma sistemi şekillenir. Form 1. Form 2. Form 3. i c~ :C i c M IOI AA=A A= A C A A=0,6 A B =0,4xA c. A A =0,6xA c A B =0,4xA c. Şekil 6. Konik eleman formları Bir lojik valfin çalışmasını temin eden 3 ana yüzey mevcuttur. Bu yüzeylere etki eden basınç ve bu basınçlar neticesinde, bu yüzeylerde oluşan kuvvetler söz konusudur. İşte bir lojik valf, bu 3 kuvvetin bileşkesi doğrultusunda açar veya kapatır. Bu 3 ana yüzey : A A : Konik elemanın A hattı tarafında, konik yüzeye oturduğu alan A B : Konik elemanın B hattı tarafında, dış çapı ile konik yüzeye oturduğu çap arasında kalan ring alanı Ac= Yay odacığı tarafında konik elemanın dış çapının oluşturduğu alan

25 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -287 Her tür uygulama için : Ac=A A +A B olduğu unutulmamalıdır. Uygulama türüne göre bu alanlar farklılık göstermektedir. I L?.x. : L.J r; ;- J :- ~ı Akış yönü ; A - B -1 - X Akışyöno A -* B ve B -» A -2- Şekil 7.2/2 Lojik valfte akış şekilleri A Akışyönü A-» B ve B-> A -3- Eğer sadece A'dan B'ye bir akış elde edilmek isteniyorsa Şekil:7-1'de görüldüğü gibi A A =Ac olacak şekilde bir konik eleman kullanmak yeterlidir. Hem A'dan B'ye, hem de B'den A'ya bir akış elde edilecekse:. A A =0,6 Ac A B =0.4 A c olan konik elemanlar kullanılmalıdır ( Şekil:7-2 ) Eğer hem A'dan B'ye, hem B'den A'ya akış, hem de debi ayarı yapılmak isteniyorsa; Şekil:7-2'dekine ilave olarak üçgen çentik kesitli konik elemanlar tercih edilmelidir( Şekil:7-3 ).Konik elemanların yay odacığı bölümündeki kumanda hacmi son derece önem taşımaktadır. Çünkü bu odacıktaki yağın basınçlandırılması ile lojik eleman kapatmakta veya basıncın kaldırılması ile de lojik eleman açmaktadır. YAYLAR Şekil:8'de de görüldüğü üzere yaylar, konik elemanın yay odacığında bulunup, normalde kapalı lojik valflerde; konik elemanı dış kovana doğru iterek, valfin kapanmasını sağlar.yaylar değişik sertliklerde olabilir. Bu sertlikler, lojik valfte istenen kapama hızına bağlı olarak seçilir. Her imalatçı firma, değişik sertliklerde yaylar kullanmaktadır. Bunlar 0,1 bar ile 4 bar arasında değişen çeşitli açma basınçlarına sahip olan yaylardır. Genellikle 1,5-2 bar açma basıncı olan yaylar en çok kullanılanlardır. Eğer lojik valf, pompa basınç devresinde kullanılacaksa 4 barlık, tank hattında kullanılacaksa 0,5 barlık bir yay kullanmak uygun olacaktır. Uygulama şekline uygun yay seçmek gerekmektedir. Hızlı kapama istendiğinde kuvvetli yay, yavaş kapama istendiğinde ise zayıf yay seçilmelidir.

26 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -288 B LOJİK VALF KAPAĞI Lojik valf kapağı; bir lojik valfin blok dışında görünen kısmı olup, içinde bulundurduğu orifislerle ve üzerinde bulundurduğu elemanlarla lojik valfin çalışma şeklini belirleyen elemandır. Lojik valf kapağının blok üzerine oturan kısmı DİN normuna uygun olup, bu kısmında X,Y,Z1 ve Z2 delikleri vardır. Valfin çalışma sistemine göre bu deliklerin bir kısmı veya tamamı kullanılarak ve içlerine gerekli orifisler yerleştirilerek valfin çalışma şekli belirlenir. Lojik valf kapaklarının, pratikte en fazla uygulanan 3 çeşidi vardır. 1) Üstü kapalı lojik valf kapağı Şekil 9. Üstü kapalı lojik valf kapağı Bu kapak, daha çok çek valf uygulamalarında kullanılıp, içinde sadece X deliğini bulundurur. Bu X deliğine konan orifis ile açma veya kapama zamanı belirlenir.

27 E : V II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ ) Strok ayarlı ve üstü kapalı Lojik valf kapağı A'. *>.i -V " ' - '.a Şekil 10. Strok ayarlı ve üstü kapalı lojik valf kapağı Bu kapak, yön valfi ve debi ayar valfi fonksiyonları için kullanılır. Bunda da sadece X deliği mevcuttur. Bu kapağın içinde bulunan mekanizma ile konik elemanın strok hareketi sınırlandırılarak lojik vaifin daha az açılması, dolayısıyla da daha az yağ geçirmesi sağlanır. Burada debi ayar fonksiyonu elde edilebilmesi için çentik kesitli konik elemanın kullanılması gerekir. 3) Üstü açık Lojik valf kapağı Şekil 11. Üstü açık lojik valf kapağı Bu kapağın üstü, NG6 veya NG10 valflerin monte edilmesi için tasarlanmış olup, kapağın alt tarafında bulunan X,Y,Z1 ve Z2 delikleri üst taraftaki NG6 veya NG10 vaifin P,T,A ve B hatları ile irtibatlıdır. Böylelikle bu kapağın üstünde.çeşitli lojik valf fonksiyonları elde edilmiş olur.açma veya kapama süresine bağlı olarak belirlenen kumanda yağı debisine paralel olarak NG 6 veya NG 10 valf gurubu seçilir.

28 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -290 Lojik valf uygulamalarında, orifisler genellikle lojik valf kapağında kullanılırlar. Orifislerde kirlilikten kaynaklanan bir tıkanma veya blokaj söz konusu olduğu taktirde, kapakların sökülmesi ve takılması, bloğun içine ulaşmaktan veya lojik valfin iç gövdesinin sökülmesinden çok daha kolaydır. Hatta çoğu zaman kapak dahi sökülmeden gerekli orifislere ulaşmak mümkün olur. ORİFİSLER F» T [eki 1 B / J > ( Y [ i" Z 2 Z, Şekil 12. Lojik valfte orifis takılma yerleri Orifisler, bir lojik valfin en önemli unsurlarından olup, oldukça dikkatli seçilmesi gerekmektedir. Orifislerin hangi kanalda kullanılacağı ve büyüklüğünün ne olacağı konusunda hesaplamalar yapmak mümkünse de bu daha çok tecrübelere dayanılarak tayin edilir. Orifisler, lojik valfin açılma veya kapanma sürelerini belirlerler. Orifis Seçimi: Orifis seçimi yaparken gözönüne alınacak unsurlar: - Yay odacığında bulunan kumanda yağı hacmi - İstenen açma veya kapama zamanı - Sistem çalışma basıncı değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Yay odacığında bulunan kumanda yağı hacmini her imalatçı firma, lojik valf büyüklüğüne bağlı olarak kataloglarında vermektedir, istenen açma veya kapama zamanları proje çalışma şekline göre belirlenir. (Bu süre standart uygulamalar için ms mertebelerinde alınabilir.) Orifiste oluşacak Ap basınç kaybı olarak da, tecrübe değerlerine bakarak, sistem çalışma basımcının %60-70 civarında alınması yeterlidir. Bu durumda hesaplamalar, aşağıdaki gibi yapılır. Açma olayı esnasında, konik elemanın %30-40 hareketinden itibaren, lojik valften istenen debinin geçmeye başladığı gözönüne alınır.

29 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 291 Hesaplamalarda kullanılan değerler: D : Orifis çapı [mm] Q : Orifisten geçen debi [It/dak] Vı : Lojik valfin kumanda hacmi [cm 3 ) V 2 : Lojik valften istenen debinin geçmeye başladığı kabul edilen kumanda hacmi [cm 3 ] t : Lojik valf açma veya kapama süresi [sn] Ap : Orifisteki basınç kaybı [bar] p önce V 2 belirlenir: : Sistem basıncı [bar] V 2 = 0,30...0,40 *V, [cm 3 ] Ardından Q (Orifisten geçen debi) hesaplanır. 3*V 2 Q = Ap tayin edilir. 50* t Ap=0,60 0,70 * p [bar] En son olarak da D (orifis çapı) bulunur. Q 0D=1,2* ( ) * (Ap) 05 Örnek Orifis seçimi: NG32 büyüklüğünde bir lojik valfte orifis seçimi: Sistem basıncı P=200 bar Bir imalatçı firmanın katalogunda yer alan NG32 lojik valf kumanda hacmi N/^10,17 cm 3 İstenen açma süresi t=30 ms V 2 =0,35 * 10,17 = 3,56 cm 3 Q = 3 * 3,56 50 * 0,030 = 7,12 It/dak Ap = 0,65* 200 =130 bar 7,12 0D=1,2* ( ) 05 = 1,13 mm 0.7*(130) 0i istenen orifis çapı 1,13 mm olarak bulunmuş olur. Yukarıda görüldüğü gibi, orifis seçimini hesap yoluyla yapmak oldukça zahmetli görülüyor. Bunun yerine aşağıda verilen Tablo:1 kullanılırsa son derece pratik bir şekilde orifis çapı belirlenmiş olur.

30 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -292 Tablo 1. Orifis seçimi Orifis çapı 0 (mm) 0,5 0,6 0,70,8 1,0 1,2 ' 1,5-2 2)5 3 /I 7 V / Debi [ It/dak] Bu tabldda orifis çapının belirlenebilmesi için, Ap ve Q kumanda yağı debisine ihtiyaç duyulmaktadır. Yukarıdaki örnek hesaplama, tabloya uygulanırsa Ap=130 bar ve Q = 7,12 It/dak için orifis çapı D=1,13 mm olarak kolayca tespit edilebilir. LOJİK VALF NORMU Lojik valfler, DİN normuna göre imal edilirler. Aşağıdaki şekillerde bu norma uygun NG16-63 Lojik valflerin norm ölçüleri gösterilmiştir. Bu normlarda A,B hatları çalışma;x,y,z1 ve Z2 hatları ise kumanda hatları olarak adlandırılırlar. Şekil 13. NG16-63 Lojik valf delik normu

31 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -293 LOJİK VALF UYGULAMA ŞEKİLLERİ ÇEK VALF KULLANIMI V A B Şekil 14. Çek valf uygulaması Şekil :14'da görüldüğü gibi, bu uygulama şeklinde A A =A C olan konik eleman ve üstü kapalı lojik valf kapağı kullanılır. X kumanda hattı, B hattına bağlandığı takdirde; A'dan B'ye geçişin serbest olduğu (kullanılan yay kadar basınç kaybında), B'den A'ya geçişin ise kesin olarak bloke edildiği bir uygulama teşekkül ettirilir. YÖN VALFI KULLANIMI V\A AA/ a F Şekil 15. 4/3 sürgülü yön valfi Şekil: 15'te gösterilen 4/3 sürgülü yön valfi,4 yol ve 3 konumludur. Buradaki akış özellikleri belirtilirse : "a" çalışma konumunda P->B A->T "b" çalışma konumunda P >A B >T akışları vardır. Dolayısıyle burada 4 akış söz konusudur.lojik valflerin de 2/2 valf olduğu gözönüne alınırsa, burada 4 adet lojik valf kullanılması gerekmektedir. Şekil: 15'te gösterilen ve orta konumunda tüm hatları birbirine kapalı 4/3 sürgülü yön valfi, lojik valf tekniği ile Şekil: 16'da oluşturulmuştur.

32 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -294 Şekil 16. 4/3 sürgülü yön valfinin 2/2 lojik valflerle oluşturulması Bu şekilde "b" bobini enerjilendiğinde, kumanda valfinde P->A'ya B-*T'ye bağlanacaktır. Bu durumda 1 ve 3 nolu lojik valflerin kumanda odacıkları basınç altında kalmaya devam edip kapalı dururken 2 ve 4 nolu lojik valflerin kumanda odacıkları tanka bağlanıp açık konuma geleceklerdir.. Böylelikle; basınçlı yağ 2 nolu lojik valf üzerinden silindirin piston tarafına giderken, silindirin mil tarafındaki yağ da 4 nolu lojik valf üzerinden tanka tahliye olacaktır. Yani silindir mili dışarıya doğru çıkacaktır. Bu sefer "a" bobini enerjilendiği takdirde, kumanda valfinde P->B'ye, A->T'ye bağlanacaktır. 2 ve 4 nolu lojik valflerin kumanda odacıkları basınç altında kalmaya devam ederken, 1 ve 3 nolu lojik valflerin kumanda odacıkları ise tanka bağlanacaktır. Dolayısıyle 1 ve 3 nolu lojik valfler açık konuma gelirken, 2 ve 4 nolu lojik valfler ise kapalı kalmaya devam edecektir. Bu durumda basınçlı yağ, 3 nolu lojik valf üzerinden silindirin mil tarafına giderken, silindirin piston tarafındaki yağ da 1 nolu lojik valf üzerinden tanka tahliye olacaktır. Böylelikle silindir mili içeriye doğru girecektir. BASINÇ EMNİYET VALFİ KULLANIMI Manuel ayarlı Çift kademeli,elektrikli Oransal ayarlı Şekil 17. Çeşitli lojik basınç emniyet valfi uygulamaları

33 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -295 Şekil:17'de görüldüğü gibi lojik basınç emniyet valflerinde A A =A c olan konik elemanlar kullanılmaktadır. Lojik valf kapağının üzerine manuel ayarlanan veya oransal pilot basınç emniyet valfleri yerleştirilir. Basınçlı yağ A yüzeyine etki etmekte olup, B hattı tank ile bağlantılıdır. 2 nolu orifis üzerinden geçen basınçlı yağ hem kumanda odacığını basınçlandırır, hem de pilot basınç emniyet valfinin P hattında etkin olur. Bu basınç, pilot basınç emniyet valfinde ayarlanan yay kuvvetine ulaştığında, pilot valfte P hattı T hattına bağlanır. Bu durumda kumanda odacığındaki basınç da düşer ve A hattı ile kumanda odacığındaki basınç farkı nedeniyle konik eleman yukarı doğru itilir. Böylelikle lojik valfin A hattındaki yağ, pilot valfte ayarlanan basınç altında tanka tahliye edilmiş olmaktadır. DEBİ AYAR VALFİ KULLANIMI J * it-' V 1X İl } : \ \ \ w Manuel ayarlı Oransal ayarlı Şekil 18. Çeşitli lojik debi ayar valfi uygulamaları Bu uygulama için A A =0,6xAc olan konik elemanlar ile lojik valf kapağının strok sınırlayıcılı tipleri kullanılmaktadır. X kumanda hattındaki basınç kaldırıldığında A veya B hattındaki basınç nedeniyle konik eleman, sınırlanan miktar kadar yukarı doğru itilmekte ve konik elemandaki üçgen çentik kesit nedeniyle istenen debi ayarı için gerekli kesit alanına ulaşılmaktadır. Konik eleman A A =0,6xAc şeklinde seçildiği için de bu debi ayarı her iki yönde mümkün olabilmektedir.

34 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -296.: îl*4? el r 1, (Al (0 I 3 1 İ L fin (t ıt'îl. (D O O) -,- v - - J u ı: 0) uy I. i. >., "ot

35 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 297 SONUÇ Görüldüğü üzere.lojik valflerle bir devre oluşturmak kullanıcıya büyük avantajlar ve rahatlık getirmektedir. Özellikle çok amaçlı kullanılabilirliği, hidrolik devreleri oldukça sadeleştirmektedir. Sadeleşen bir hidrolik devre de kullanıcıya kullanım ve bakım kolaylığı sağlamaktadır. Bu bildiride.özellikle hidrolik projelendirme mühendislerine verilmek istenen mesajda,lojik valflerle devre oluşturmanın fazlaca zor bir yanı olmadığı vurgulanmak istenmiştir. Lojik valflerle yapılan devreler.aynı zamanda son derece ekonomik çözümleri de beraberinde getirmiş olacaktır. KAYNAKLAR [1] Parker Hannifin GmbH-Almanya, Katalog 2500 / D, 7T 03/97 LIM [2] Mannesmann Rexroth GmbH-Almanya, Technik der 2-Wege-Einbauventile ÖZGEÇMİŞ İsmail OBUT 1959 yılı İstanbul doğumludur. İlk ve orta tahsilini İstanbul'da tamamladıktan sonra 1981 yılında İstanbul Teknik Üniversitesinden Makina Mühendisi olarak mezun oldu. Askerlik hizmetini Kara Kuvvetleri Komutanlığı Teknik Daire Başkanlığında yıllarında yerine getirdi yılında Dizel Magnet firmasında Hidrolik Proje Satış Mühendisi olarak göreve başladı yılları arasında Rexroth Hidropar firmasında çalıştı 1991 yılında Hidroser firmasının kuruluşunda kurucu ortak olarak görev aldı. Halen Hidroser firmasında firma ortağı olarak görevini sürdürmektedir. Evli ve bir kız çocuğu babasıdır.

36 il. H I D R O L I K PNÖMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ / GEM MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir. Dudaklı Sızdırmaziık Elemanlarında Sızdırmaziık Analizi METİN AKKÖK Orta Doğu Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI BİLDİRİ

37 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 301 DUDAKLI SIZDIRMAZLIK ELEMANLARINDA SIZDIRMAZLIK ANALİZİ Metin AKKÖK ÖZET Dönen miller için kullanılan sentetik kauçuktan yapılmış dudaklı sızdırmazlık elemanlarında yağ kaçağının nedenlerinin anlaşılması ve kaçak miktarının belirlenmesi için sızdırmazlık mekanizmasının incelenmesi ve sızdırmazlık performansını belirleyen parametrelerin belirlenmesi gereklidir. Sızdırmazlık elemanı dudağı ile dönen mil yüzeyi arasındaki hidrodinamik yağ basıncı dudak üzerinde elastik deformasyona ve yağ filmindeki kayma gerilmesi kayma deformasyonuna neden olmaktadır. Bu nedenle hidrodinamik basınç dağılımı ile birlikte dudak üzerindeki deformasyonun birlikte çözümünün yapıldığı elastohidrodinamik analiz yönteminin uygulanması gereklidir. Bu çalışmada dönen mil yüzeyi katı ve pürüzsüz bir yüzey olarak, sızdırmazlık elemanı dudağı ise sabit duran, ondülasyonlar içeren pürüzlü ve elastik bir yüzey olarak alınmıştır. Radyal elastik deformasyonları dikkate alarak belirlenen yağ film kalınlığı dağılımı için Reynolds denklemi sonlu farklar yöntemi kullanılarak çözülerek basınç dağılımı hesaplanmış ve yağ kaçak miktarı belirlenmiştir. Yağ filmindeki kayma gerilmesi nedeniyle kayma deformasyonu sonucu oluşan yağ film şekli dikkate alınarak yapılan hesaplamalar sonucunda ondülasyon üzerindeki kayma deformasyonunun yağ kaçağını azalttığı gösterilmiştir. GİRİŞ Dudaklı sızdımazlık elemanları yağ ile çalışan mekanik sistemlerde yağ içeren taraftan dış çevreye yağ kaçağını önlemek ve dış çevreden yağ tarafına kirlilik oluşturacak parçacıkların girmesini engellemek amacıyla kullanılmaktadır. Sızdırmazlık elemanı bir metal gövde ile bu gövde üzerine kaplanmış sentetik kauçuktan yapılmış manşet ve mil ile tyemas eden dudaktan oluşmaktadır. Sızdırmazlık elemanının gövdesi makina parçasındaki yuva içine ve sızdırmazlık dudağı ise dönen mil üzerine yerleştirilerek kullanılmaktadır. Şekil 1'de gövde ve mil üzerine yerleştirilmiş bir sızdırmazlık elemanı gösterilmektedir. Dudak ile dönen mile baskı uygulamak amacıyla kauçuk dudak arkasına yerleştirilen bir halka yay ile mil yüzeyine çepeçevre bir radyal baskı uygulanmaktadır. Bu tip sıdırmazlık elemanları bir çok uygulamada yaklaşık 50 yıldır kullanılmakta olmasına rağmen sızdırmazlık mekanizması üzerine yapılan deneysel sunuçları açıklayan temel kuramsal çalışmalar halen yetersidir. Bu kapsamda radyal sızdırmazlık elemanlarında hidrodinamik yağlama mekanizması ve bunun sonucu oluşan yağ kaçağı miktarının açıklanmasına yönelik olarak yapılmış çalışmalar da vardır [1-7 ]. Sızdırmazlık elemanları üzerinde yapılan deneysel çalışmalar temas yükü ve sızdırmazlık mekanizmasının mil yüzeyi ile temas durumundaki dudaklar üzerindeki mikro-geometri ile çok yakından etkilenmektedir. Uygulmada sızdırmazlık elemanın dudak yüzeylerinde çok farklı tipte mikro geometriler kullanılmaktadır. Bunlar küçük ölçekte mikro pürüzler olabileceği gibi büyük ölçekte de olabilmekte ve mikro ondülasyonlar olabilmektedir [2].

38 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -302 Şekil 2.a'da dudak üzerindeki mil eksenine paralel ondülasyonların statik durumdaki şekli verilmiş ve koordinat sistemi gösterilmiştir. Şekil 2.b'de dinamik çalışma durumunda çevre yönünde kayma nedeniyle yağ filminde oluşan kayma gerilmeleri sonucunda şekil değiştiren ondülasyonlar gösterilmiştir. Dönen mil ile dudak yüzeyi arasında oluşan yağ akımı filmdeki basınç dağılımını, kayma gerilmesini ve kaçak oranını belirler. Yağ film basıncı dudağın radyal deformasyonuna, kayma gerilmesi de dudak yüzeyinin mil dönme yönünde deforme olmasına neden olur. Dudağın elastik deformasyonu mil yüzeyi ile dudak arasında oluşacak yağ film kalınlığını ve şeklini belirleyeceğinden, elastik deformasyon ve hidrodinamik basınç karşılıklı olarak etkilendiği sızdırmazlık dudağının analizi tümüyle elastohidrodinamik bir problemdir. Bu çalışmada dönen pürüzsüz bir mil yüzeyi ile temas halinde olan pürüzlü bir radyal dudaklı sızdırmazlık elemanın hidrodinamik analizi yapılmıştır. Bunlar; bir boyutlu ve mil eksenine paralel sinusoidal pürüzlü dudak yüzeyi ile mil eksenine paralel sinusoidal pürüzlü dudak yüzeyinin kayma yönünde deforme olması ile oluşan bir boyutlu pürüzlerdir. Bu çalışmanın amacı belirtilen bu iki yüzey pürüzünü içeren radyal sızdırmazlık elemanında yağ kaçak miktarının belirlenmesidir. Metal Ril*7ik Şekil 1. Mil ve yuvaya yerleştirilmiş bir dudaklı radyal sızdırmazlık elemanı b: temas genişliği X: dalga boyu_ U: Kavma hızı Yaö Hava tarafı a- Statik durumda b- Dinamik çalışma durumunda Şekil 2. Sızdırmazlık elemanı yüzeyi üzerindeki ondülasyonlar

39 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -303 YAĞ FİLM KALINLIĞI Dudak yüzeyinde milin dönmesi ile oluşan yağ film basıncının belirlenmesi için yağ film geometrisinin bilinmesi gereklidir. Dudak yüzeyindeki kayma yönündeki pürüzlülük, eksenel yöndeki dudak profili ve kayma gerilmesi nedeniyle deformasyon sonucu oluşan yağ geometrisi aşağıda verilmiştir. Yüzey Pürüzlülğü Geometrisi Ondülasyon genliği h, olan dudak profilinin mil yüzeyinin kayma yönündeki değişimi aşağıdaki gibi ifade edilebilir. f(*-d (y»] (1) Burada d(y) dudaklardaki ondülasyonların yağ filmindeki kayma gerilmesi nedeniyle mil çevresi yönündeki deformasyonudur. Deforme olmamış durumda ondülasyonlar Şekil 2.a'da gösterildiği gibi mil eksenine paraleldir. Ancak dinamik çalışma durumunda mil eksenine paralel olan ondülasyonlar yağ filminin dudak yüzeyi üzerinde mil dönme yönünde oluşturduğu kayma gerilmesi nedeniyle deforme olmaktadır. Radyal sızdırmazlık elemanı yüzeyinde mil dönüşü ile birlikte mil dönme yönünde oluşan teğetsel deformasyon deneysel olarak ölçülmüş ve kuramsal olarak da incelenmiştir [1,3]. Bu çalışmalarda sızdırmazlık elemanının Şekil 2.b'de gösterildiği gibi teğetsel deformasyonunun eksenel pozisyona göre değiştiği ve dudağın hava tarafına göre en fazla deformasyonun ondülasyon genliğine oranı 1 ile 2 arasında değiştiği belirlenmiştir. En fazla radyal deformasyonun oluştuğu nokta, yağ filmi en ince olduğu noktada olmakta ve sızdırmazlık elemanının geometrisi gereği bu nokta yağ tarafına yakın olduğu belirlenmiştir. Ayrıca yağ tarafındaki kayma deformasyonun hava tarafındaki deformasyona göre daha fazla olduğu da bulunmuştur. Bu çalışmada belirtilen özellikleri içeren teğetsel deformasyon olarak alınmıştır. Bu eşitlikle verilen deformasyon göreceli olarak tanımlanmıştır. Sızdırmazlık elemanı üzerindeki sinuzoidal pürüzlerdeki deformasyonlar birbirinin aynısı olacağından tüm pürüzlerde aynı deformasyon şekli oluşmaktadır. Bu nedenle bu deformasyonlar mutlak deformasyonlar olmayıp göreceli olarak tanımlanmıştır. Burada D katsayısı deformasyonun ondülasyon periyoduna göre en fazla değerini belirlemektedir. Bu değer deforme olmamış pürüzler için 0 ve deforme olmuş pürüzler için 1 olarak alınmıştır. D ya ğ katsayısı yağ tarafındaki deformasyonun en fazla deformasyona oranını belirlemektedir ve bu değer yaklaşık 0.25'dir. Bu durumda ondülasyon genliği ile boyutsuzlaştırılmış yüzey pürüzlülüğünün dağılımı olarak ifade edilir. 5(Y) = d(y) Dcos Dcos - (Y - Y v 2(1- min 71 Y mın (2) H r (X, Y) = hr(x ' y) h ı = COS2Tı (X - 5(Y)) (3) Film Kalınlığının Eksenel Yöndeki Değişimi Sızdırmazlık elemanı mile belirli miktarda sıkı geçirilerek yerleştirilir. Elemanın temas noktasındaki dudağı elastik deformasyon ile ve rodaj süresince oluşan aşınma ile düzleşmektedir. Sızdırmazlık dudağının yağ tarafındaki açı hava tarafındaki açıdan büyüktür ve dudak bölgesinde oluşan deformasyon sonucunda dudak ile mil yüzeyi arasında oluşan yağ film kalınlığı simetrik olmamaktadır [4]. Bu bir çok araştırmacı tarafından deneysel olarak ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenen dudak üzerinde gösterilmiştir. Bu çalışmada boyutsuz olarak yağ filminin eksenel yöndeki değişimi aşağıdaki şekilde alınmıştır.

40 M. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -304 H, H a 1-cos 1-cos 2Y 71 2(1- TC min (4) Burada Ha dudağın eksenel yöndeki profil yüksekliğinin ondülasyon genliğine oranını, Y min dudak ile mil yüzeyi arasında oluşan yağ filminin eksenel yönde en ince yerinin yağ tarafına olan uzaklığının temas genişliğine oranını göstermektedir. Bir çok uygulamada bu değer 0.2 ile 0.3 arasında değişmektedir [1, 4] ve bu çalışmada 0.3 olarak alınmıştır. Dudak ile mil yüzeyi arasında ortalama yağ film kalınlığı üzerindeki eksenel yöndeki radyal deformasyon ve kayma yönündeki teğetsel deformasyon ile tanımlanan toplam yağ film kalınlığı aşağıdaki şekilde ifade edilebilir. H(X,Y) = H 0 +H r (X,Y) + H 2 (5) BASINÇ OLUŞUMU Kayan düz bir yüzey ile sabit duran bir yüzey arasında tanımlanan bir yağ film kalınlığı içinde oluşan basınç dağılımı Reynolds denklemi ile belirlenir. Sızdırmazlık elemanı dudağı ile dönen mil yüzeyi arasında oluşan yağ film kalınlığı mil çapına göre çok küçük olduğu için mil yüzeyinin eğri yüzeyi ihmal edilerek düz bir yüzey olarak alınmıştır. (6) Burada \ı yağın çalışma sıcaklığındaki viskozitesi, U yüzeyin x yönündeki kayma hızıdır. Bu denklemin çözümü verilen bir film kalınlığı için sayısal yöntemler kullanılarak yapılabilmektedir. Çözümün boyutsuz parametreler kullanılarak genelleştirlebilmesi amacıyla aşağıdaki boyutsuz parametreler tanımlabilir. X ' b ' h, ' 6u.m/h\ (7) Bu boyutsuz parametreler ile Reynolds deklemi aşağıdaki şekilde ifade edilir. ax H ax + b ay 9Y 9X (8) Sızdırmazlık elemanı yüzeyi birbirini tekrarlayan pürüzlerden oluştuğu için sadece bir pürüzün tanımlandığı bölge için çözüm yapılmıştır. Sızdırmazlık dudağını temas genişliği gösteren iki yan kenarda atmosfer basıncı olarak sıfır alınmıştır. P(X,0) = 0<X<l (9) Sızdırmazlık elemanı çevresince periyodik olan sinuzoidal yüzey pürüzlülüğünün hidrodinamik analizinde sadece bir periyodun incelenmesi yeterlidir. Bu nedenle bir periyot içinde oluşan basınç dağılımı birbirinin tekrarı olacağından periyot başlangıcında ve sonunda periyodiktik sınır şartı kullanılmıştır.

41 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -305 P(0,Y) = P(1,Y) ap ax x=o ap ~ax x=ı O<Y<1 (10) Mil yüzeyi ile temas eden dudağın her iki tarafının atmosfer basınçta yağ ile dolu olduğu düşünülerek, dudak temas bölgesi içinde ondülasyonların genişleyen bölümünde oluşan kavitasyon bölgesine yağın atmosferik basınçta girdiği kabul edilmiş. Reynolds kavitasyon şartı olarak bilinen bu şart yağ basıncı ve basınç değişiminin sıfır olarak alınması ile uygulanmıştır. P(X,Y) = 0 ve ap(x,y) = 0 (11) an Reynolds kavitasyon sınır şartı Reynolds denkleminin ardışık tekrar yöntemi ile çözümü sırasında düğüm noktalarındaki basınç değerlerinin atmosfer basıncının altında olması durumunda bu basınç değerlerinin atmosfer basınç değerine eşitlenmesi ile kavitasyon bölgesi belirlenmiştir. YAĞ KAÇAĞI HESABI Sızdırmazlık elemanının temas genişliği içinde oluşan basınç dağılımı sonucunda dudağın kenarından eksenel yönde hava tarafına yağ kaçağı oluşmaktadır. Bu kaçağın hesaplanmasında birim genişlik için h kalınlığındaki bir yağ filminden y (eksenel) yönünde oluşan akım miktarı a P 12u. ay y=b (12) olarak verilir. Bu akım dudak kenarındaki dx genişliğindeki küçük bir eleman için dq = 12u ay dx y=b (15) olarak yazılır. Dudak kenarında bir dalga boyu genişlik için integrali ile ve yukarıda tanımlanan boyutsuz parametreler kullanılarak sızdırmazlık elemanında oluşan boyutsuz yağ kaçağı (14) şeklinde ifade edilir. TEMAS DUDAĞINDA KAÇAK ANALİZİ Tanımlanan hidrodinamik problem tipik bir sızdırmazlık elemanı için çözülmüştür. Bu analizde dudak temas genişliği b = 100 Dm, ondülasyonların genliği rn = 0.25 Dm, dalgaboyu p= 10üm, ortalama yağ film kalınlığı h o = 0.40 Dm, dudağın eksenel yöndeki profil yüksekliğinin ondülasyon genliğine oranı Ha = 2 olarak alınmıştır. Bu değerler ile yukarıdaki bölümde tanımlanan boyutsuz yağ film geometrisi Şekil 3'de gösterilmiştir. Şekil 3.a'da kayma deformasyonu olmayan dudaktaki film geomertisi ile D =1 durumu için film geometrisi verilmiştir.

42 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -306 Şekil 4'te dudak üzerindeki pürüzlerin mil eksenine parallel olma durumunda dudak ile mil arasında oluşan basınç dağılımı ve kavitasyon bölgesi bir dalgaboyu için gösterilmiştir. Kavitasyon bölgesi yaklaşık olarak mil eksenine parallel olmakta ve yüksek basınç bölgesinden dudağın hava tarafındaki kenarına doğrudan yağ akımı oluşmaktadır. Bu durum için boyutsuz yağ kaçağı yaklaşık 6.0 olarak hesaplanmıştır. H,HS H,HS a. Kayma deformasyonu olmaması durumu (D =0) b. Kayma deformasyonu olması durumu (D =1) Şekil 3. Sızdırmazlık eleman dudağı ile mil arasındaki yağ film şekli \L = 0.01 Pa.s U = 4 m /s b = 1 x 10" 4 m hl = 2.5 x 10 " 7 m 31 = 1 x 10" J m H0=1.6 Ymin = 0.3 Ha = 2 D = 0 Dy = = 0.25 Qair = a. Basınç dağılımı <nt> o CAV b. Kavitasyon bölgesi Şekil 4. Sızdırmazlık elemanı dudağmdaki ondülasyonlarda kayma deformasyonu olmaması durumu (D = 0)

43 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -307 u. = 0.01 U = 4 b = ı x ıcr 4 hl = 2.5 x 10 l=lx 10" 5 H0=1.6 Ymin=0.3 r 7 Pa.s m /s m m m Ha = 2 D = 1 Dy = 0.25 Oair = a. Basınç Dağılımı ıo CAV b. Kavitasyon Bölgesi Şekil 5. Sızdırmazlık Elemanı Dudağındaki Ondülasyonlarda Kayma Deformasyonu Olması Durumu (D =1) Şekil 5'te ise aynı çalışma koşullarındaki sızdırmazlık elemanının dudaklarındaki pürüzlerin kayma gerilmesi sonucunda deforme olması sonucunda oluşan basınç dağılımı ve kavitasyon bölgesi gösterilmiştir. Bu durumda yüksek basınç bölgesi etrafında oluşan kavitasyon bölgesi yağın sızdırmazlık elemanı kenarından doğrudan hava tarafına kaçmasını önlenmektedir. Bu durum için yaklaşık % 20 azalma ile boyutsuz yağ kaçağı 4.8 olarak-hesaplanmıştır Bir dalga boyu için boyutsuz yağ kaçak debisinin dudaktaki kayma deformasyonuna göre değişimi Şekil 6'da verilmiştir. Kayma deformasyonunun ondülasyon dalga boyunun 3 katı olması durumunda yağ kaçağının yarı yarıya azaldığı gösterilmiştir.

44 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ -308 Şekil 6. Boyutsuz yağ kaçağının ondülasyonlardaki kayma deformasyonu ile değişimi SONUÇ Bu çalışmada sızdırmazlık dudağı ile dönen mil yüzeyi arasında oluşan yağ film kalınlığı çeşitli şekillerde alınarak yağ kaçak mekanizması incelenmiştir. Dudak yüzeyi üzerindeki pürüz genliği yaklaşık olarak ortalama film kalınlığı kadar olan pürüzler üzerinde oluşan basınç dağılımı hidrodinamik yağlama denkleminin sonlu farklar yöntemi ile çözülerek bulunmuştur. Yüzeydeki pürüzleri gösteren sinüzoidal pürüzlerin mil eksenine paralel olması durumunda film kalınlığının genişleyen bölümünde oluşan kavitasyon bölgesi nedeniyle yüksek basınç bölümünden eksenel yönde oluşan yağ kaçağı belirlenmiştir. Mil dönme yönünde oluşan kayma gerilmesi nedeniyle dudak üzerindeki mikro-ondülasyonlarda oluşacak deformasyon nedeniyle kanatçık şeklini alan pürüzlerde genişleyen film bölümünün de şekil değiştirmesi nedeniyle yüksek basınç bölümünden doğrudan dudağın yanına yağ kaçağı olmamaktadır. Yağ filminin genişleyen bölümünün temas genişliğinin yanlarına doğru ilerlemesi ile yüksek basınç oluşan bölümü ile dudağın yan tarafı arasında kavitasyon bölgesi oluşmakta ve bunun da yağ kaçağının azalmasına neden olduğu gösterilmiştir. KAYNAKLAR [1] Salant, R.F., Flaherty, A.L., "Elastohydrodynamic Analysis of Reverse Pumping in Rotary Lip Seals with Microundulations", Trans. ASME, Jour. of Tribology, 1994, V.116, p [2] Salant, R.F., Flaherty, A.L., "Elastohydrodynamic Analysis of Reverse Pumping in Rotary Lip Seals with Microasperities", Trans. ASME, Jour. of Tribology, 1995, V.117, p [3] Salant, R.F., "Elastohydrodynamic Model of the Rotary Lip Seal", Trans. ASME, Jour. of Tribology, 1996, V. 118, p [4] Van Bavel, P.G.M., Ruiji, T.A.M., Van Leeuvveen, H.J., Mujiderman, E.A., "Upsetream Pumping of Radial Lip Seals by Tangentially Deforming, Rough Seal Surfaces", Trans. ASME, Jour. of Tribology, 1996, V.118, p [5] Kim, C.K., Shim, W.J., "Analysis of Contact Force and Thermal Behaviour of Lip Seals", Tribology International, 1997, V.30, p [6] Shi, F., Salant, R.F., "A Mixed Soft Elastohydrodynamic Lubrication Model with Interasperity Cavitation and Surface Shear Deformation", Trans. ASME, Jour. of Tribology, 2000, V.122, p [7] Shi, F., Salant, R.F., "Numerical Study of a Rotary Lip Seal with a Quasi-Random Sealing Surface", Trans. ASME, Jour. of Tribology, 2001, V.123, p

45 II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 309 ÖZGEÇMİŞ Metin AKKÖK 1952 yılında Ankara'da doğdu. ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünden 1973 yılında "Lisans", 1976 yılında "Yüksek Lisans" derecelerini aldı yılında Imperial College'dan "Doktora" derecesini alarak ODTÜ Makina Mühendisliği bölümünde öğretim üyeliği görevine başladı yılında "Doçent" ve 1989 yılında "Profesör" oldu. Rensselear Polytechnic Institute'da triboloji konularında ziyaretçi öğretim üyesi olarak araştırmalar yaptı. ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünde Makina Elemanları ve Triboloji konularında dersler vermekte mekanik sistemlerin tasarımı ve analizi, sürtünme konularında araştırmalar yapmaktadır. Hidrodinamik yağlama ve sürtünme konularında çok sayıda yayını vardır.