İKİ KADEMELİ ELEKTROHİDROLİK BİR HIZLI ANAHTARLAMA VALFİNİN KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ Mesu Şengirgin ve İbrahim Yüksel Uludag Üniverisesi Mühendislik-Mimarlık Fakülesi 659 Görükle/Bursa ÖZET Bu çalışmada, pilo kademesi hızlı anaharlama valfi olan iki kademeli elekrohidrolik valfin asarımı ve karakerisikleri eorik ve deneysel olarak incelenmekedir. Harekeli elemanı disk biçiminde asarlanan valfin pilo kademesi, cevap hızı yüksek çif bobinli bir soleniodir. Açma-kapama şeklinde çalışan bu solenoidler ile giriş işarei ile çıkış işarei arasında oransal deneim sağlamak için Darbe Genişlik Modülasyon (DGM) ekniğinden yararlanılmışır. Valflerin çalışırılmasında kullanılan DGM sinyalinin al ve üs sınırlarının belirlenmesinde kullanılan ölçüler ayrınılı bir şekilde arışılmışır. Bu ölçülerin en önemlilerinden birisinin anaharlama elemanının çalışma frekansı olduğu oraya konulmakadır. ANAHTAR KELİMELER: Hızlı anaharlama valfi, elekrohidrolik valf, darbe genişlik modülasyon, benzeim. INVESTIGATION OF THE CHARACTERISTICS OF A TWO STAGE ELECTROHYDRAULIC FAST SWITCHING VALVE ABSTRACT 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
. Giriş Disk valfler, düşük maliyeli deneim sisemlerinde kullanılmak üzere gelişirilmiş elekriksel olarak çalışan anaharlama veya oransal aygılardır. Bu konuda gerçekleşirilen ilk çalışmalarda (Goldsein ve Richardson, 968), (Ikebe ve Nakada, 973), (Yüksel, 98) ek ve çif diskli valflerin asarımı, saik ve dinamik karakerisikleri ayrınılı bir şekilde incelenmişir. Daha sonraki yıllarda disk valfler üzerinde çeşili çalışmalar yürüülmüş (Usman, 98), (Lau, 987), (Sun vd..., 99), (Parker ve Sun, 995), (Şengirgin vd..., ) halen de yürüülmekedir. Bu çalışmalar sonucu elde edilen ilerlemeler disk valflerin yapıca çok basi, sıkı oleranslı yüzeyler içermeyen birkaç kriik boyua sahip düşük maliyeli aygılar olduğunu oraya koymuşur. Ayrıca yüksek cevap hızı ve çalışma 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 biçimde çalışırılmaları zordur. Geleneksel piyasa malı solenoid valflerin cevap hızları 5- ms arasında değişmekedir ki bu sisem performansını düşürür. Son yıllarda normal solenoid valflerin yanında çok hızlı çalışan anaharlama valfleri de gelişirilmiş olup disk valflerde bunlardan birisidir. Disk valflerin anaharlama hızları çalışma oramı, çalışma basıncı ve geçirdiği akışkan mikarına göre ms ile 5 ms arasında değişmekedir. Yeni gelişirilen elekronik sürme eknikleri ile bu hızların daha da arması beklenmekedir. Bu çalışmada, hidrolik konum deneim siseminde kullanılabilecek pilo kademesi çif bobinli disk valfin genel yapısı, karakerisikleri ve bu valflerin DGM ekniği ile sürülmesi ele alınmışır.. Hızlı Anaharlama Elemanlı İki Kademeli Valfin Temel Özellikleri Hızlı anaharlama valfi, iki kademeli bir valfin birinci (pilo) kademesini oluşurmakadır. Çekirdek Disk Sargı Lüle P s Birinci kademe P c P c T Yay İkinci kademe T A P B T Sürgü Şekil. Pilo kademesi hızlı anaharlama elemanı olan iki kademeli valf modeli (Şengirgin, )
Şekil. Hızlı anaharlama elemanlı valfin parçaları Şekil 3. Hızlı anaharlama elemanlı valf, silindir ve konum algılayıcısı ile monajı 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 çeker. 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 basınçlı 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 parçaları ve Şekil 3 e valfin monaj hali görülmekedir. 3. Hızlı Anaharlama Elemanlı İki Kademeli Valfin Dinamik Karakerisikleri Ve Anaharlama Özellikleri Hızlı anaharlama elemanlı valfe, iki bobin için ayrı ayrı elekromıknaıs denklemleri oluşurmak gerekmekedir. Bu bobinleri çekici (enerjilenen) ve uucu (enerjiden kesilen) bobin olarak isimlendirmek mümkündür. Buna göre çekici bobinin elekrik devresi için uucu bobinin elekrik devresi için di ç( ) dlç dx( ) Ri ç() + Lç + iç = V ç() () d dx d di ( ) dl dx( ) + = () d dx d Ri ( ) L i yazmak mümkündür. Bobinlerde oluşacak manyeik kuvveler ise çekici bobin için, f µ i() = (3) x Ac N ç m () ç ( g - x( )) uucu bobin için, f µ N x + i() Ac m ()= ( h x()) ()
şeklinde yazılır. Çekici diskin indükansı için µ Ac N L= ç ( g -x) x (5) uucu bobinin indükansı için µ Ac N L= ( h x) x + (6) yazılır. Diskin hareke denklemi için ise, d x() dx() m mç 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 için 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; çekim kuvvei akışkan basınç 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 çok kısa kaldığından radyal yönde eki eden akışkan sürünme kuvvelerinin arması beklenir. Faka diğer arafan da bu aşamada mıknaıs kuvveleri de en yüksek seviyeye çıkmış 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 çok 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 basınç kuvvei kalıcı mıknaıs kuvveini yenene kadar bir bekleme süresi oluşacakır. Başlangıçaki akım değeri ne kadar düşük olursa akımın sıfırlanması için geçen zaman o oranda kısa olacağından bekleme süresi de o oranda kısa sürmüş olacakır. Gerçeke, diski harekesiz durumda basınç kuvvelerine karşı umak için gerekli akım değeri harekee başlamak için gerekli akım değerinden daha küçükür. Bunun nedeni ise diskin çekim harekei başlangıcında disk ile sargı yüzeyi arasındaki mesafe en yüksek değerde olacağından bu aşamada yüksek bir çekim kuvvei oluşurabilmek için daha yüksek bir akıma ihiyaç gösermesidir.
T c e d Qn Q T ö T ö T v T v d Şekil. Bir darbe süresi içinde valfen geçen akışkan 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 basınç kuvvelerine karşı koyacak bir kuvve yeerli olmakadır.. DGM Tekniği DGM sinyali ile sürülen disk valfen, bir anaharlama elemanının girişine uygulanan darbe renleri şeklindeki işarein zaman oralamasına oranılı bir çıkış elde edilir. Bu şekilde iyi bir doğrusal bağını elde edilebilmesi için DGM sinyali frekansının seçiminde bazı ölçülerin göz önünde bulundurulması gerekir. DGM frekansının üs sınırını anaharlama elemanının cevap hızı ve al sınırı ise denelenen sisemin cevap hızı belirler. Aç-kapa biçiminde çalışan solenoid valflerde DGM sinyali girişine karşılık zaman oralaması doğrusal olan bir akışkan (debi) çıkışı elde edilebileceği göserilmişir. Burada DGM sinyali frekansının üs sınırını valfin anaharlama hızı belirler. Şekil e göserildiği gibi, bir darbe d süresi içinde akım değerinin maksimum değere ulaşabilmesi gerekir. Bu da valfin doğrusal olarak çalışabileceği modülasyon veya aşıyıcı frekans f c değerini belirler. Bunu aşağıdaki şekilde ifade emek mümkündür. Tv d / fc T v veya T c = / f c T v (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 çıkar. 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 çıkış işareinin denelenen sisem arafından filre edip edilmediğine bakılır. Ikebe (973) arafından yapılan bir çalışmada 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 çalışması sağlanmaya çalışılmışır.
Elekromanyeik Kuvve mooru (elekromıknaıs) Tuma aralığı Bobin kuvvei Geri kuvve Elekrik ve Elekronik Deneim DİSK Akışkan kuvvei Tuma aralığı Disk çapı Akışkan pilo kademesi Disk harekei Mekanik bağlanı Aale m Konum/Basınç geribesleme Akışkan güç kademesi valf/kullanıcı Basınç debi modulasyonu Şekil 5. Disk valf sisemine mekaronik yaklaşım (Parker ve Sun, 995) 5. Mekaronik Yaklaşım Bir elekrohidrolik disk valfe, disk ile beraber valfi oluşuran birçok bileşen mevcuur. Bu bileşenleri dör ana grupa oplamak mümkündür. Bunlar, elekronik konrol elemanları, elekromanyeik kuvve mooru (elekromıknaıs), akışkan pilo kademesi ve akışkan güç kademesidir. Bu bileşenlerden oluşan disk valfe mekaronik yaklaşım, düşük maliye, kompak boyu ve dinamik karakerisik açısından opimum bir asarım oluşurmakır. Bunun ile ilgili çevrim Şekil 5 e verilmişir. Elekromanyeik devrenin en önemli elemanlarından biri olan disk, akışkan-plaka kuvvelendiricisindeki mekanik harekei sağlar. Manyeik, akışkan ve mekanik karakerisikler gibi çeşili paramerelerin bazı ekileşimleri, komple valf asarımının karmaşık ekileşimlerini belirmek için göserilmekedir. İlk olarak, disk üzerindeki çıkını ve sargı yüzeyi arasındaki mesafe uma aralığını konrol eder. Bu aralık maksimum elekromanyeik çekme kuvveini anımlar ve dolayısıyla arık mıknaıslanmayı konrol eder. Tuma aralığı ve değişken disk yerdeğişirmesi elekromanyeik çekme kuvveini değişirir ve üm disk alanı boyunca radyal yağ akışı için akışkan film kalınlığı sağlar. İkinci olarak, disk çapı elekromanyeik kuvve ve üreilen akışkan kuvveini ekiler. İdeal olarak, büyük bir disk manyeik kuvvei maksimum yapmak için gereklidir. Ancak küçük disk çapı doğrusal olmayan akışkan reaksiyon kuvvelerini minimum yapar. 6. Araşırma Sonuçları Ve Tarışma 6. Bilgisayar Çözüm Sonuçları Hızlı anaharlama elemanlı valf için hazırlanacak Simulink modeli için, ()-(7) nolu ifadelerden yararlanılacakır. Hazırlanan model ile uygulanacak uyarı gerilimine göre, çekici bobinde oluşan akım değişimleri ve diskin konum değişimleri elde edilecekir.
Besleme gerilimi [v] Fma Sum 3 Besleme gerilimi [v] Sum3 Sum Sum.8 R (ohm).8 Ra (ohm) /(e-3) Disk külesi [kg] Produc B Produc Produc Produc3 di/d /s Inegraor /s Inegraor e- Fma Hareke mikarı [m] /s Inegraor >= iliski iç Produc5 Produc8 (u[])^.5 sabi /s dx/d Inegraor3 (u[])^ Akım-ç ia ^ i ^ Akım- Ou Ou >= /Lç Relaional Operaor Ou In Lç /L In Produc7 In x m/mm hız konum Fm Produc.5 Ou In Produc6 sabi L Fm Şekil 6. Hızlı anaharlama elemanlı valfin Simulink şeması Modeli oluşurmak için Simulink küüphanesinden, ek bobinli disk valfe olduğu gibi herbir denklem için elemanlar seçilir ve verilen ifadeye uygun şekilde bağlanılar gerçekleşirilir. Hızlı anaharlama elemanlı valfin modeli, çekici bobin ve uucu bobin olmak üzere iki kısımdan oluşmakadır. Çekici bobinin volaj eşiliğini veren () nolu ifade için, bir ade oplama nokası, iki ade çarpma elemanı, bir ade inegral alıcı eleman, direnç elemanını emsil edecek bir kazanç, bir ade fonksiyon elemanı Simulink küüphanesinden seçilir ve verilen ifadeye uygun şekilde bağlanılar gerçekleşirilir. 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 içinde yer alan paramereler anımlanır. Oluşurulan mask eleman üzerine imleç geirilir ve kliklenir. Denklem içinde yer alan paramerelerin değerleri açılan pencere içindeki yerlerine yazılır ve pencere kapaılır. Böylece paramereler için değer aama işlemi gerçekleşirilmiş olur. Paramerelerin değerlerindeki değişiklikler için program üzerinde değişiklik yapmadan gerçekleşirilir. Bu da programa bir esneklik geirmekedir. Şekil 6 da hızlı anaharlama elemanlı valf için hazırlanan Simulink modeli verilmişir. Şekil 7 ve Şekil 8 de çekici bobin için çeşili uyarı gerilimlerine karşılık akım değişimi ve disk yerdeğişirmesi Simulink çözüm sonuçları 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.
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..5 3.5 3..5 uyarı V (5 A) uyarı 7.5V (3.75 A) 3 uyarı 5V (.5 A).5.5.5 3 3.5.5 5 Zaman [ms] Şekil 7. Hızlı anaharlama elemanlı valfe çekici bobin akım değişimi.5.5.5 3 3.5.5 5 Zaman [ms] Şekil 8 Hızlı anaharlama elemanlı valfe disk yerdeğişirmesi 6. Saik Sonuçlar Hızlı anaharlama elemanlı üzerine çalışmalar, kuvve-yerdeğişirme, yük basıncı-debi karakerisiği ve çeşili DGM sinyalinde doluluk-boşluk oranına göre debi karakerisiği olmak üzere üç kısımdan oluşmakadır. İmalaı gerçekleşirilen bobinlerin kuvve-yerdeğişirme karakerisiklerini deneysel olarak elde emek için 3 model İnsron Mukaveme Tes Cihazı kullanılmışır. 3 model İnsron Mukaveme Tes Cihazı; sabi uzama prensibine göre çalışmaka olup, elekromıknaısın gövdesi sabi çeneye, harekeli kısmı yani disk harekeli çeneye 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 6.5.5.5 3 3.5.5 5 Yerdeğişirme [mm] Şekil 9. Hızlı anaharlama elemanlı valfin kuvve-yerdeğişirme grafiği (bobin_) 8 6.5.5.5 3 3.5.5 5 Yerdeğişirme [mm] Şekil. Hızlı anaharlama elemanlı valfin kuvve-yerdeğişirme grafiği (bobin_)
Debi [l/dak] 8 6 8 6 Bobin_ enerjili İkinci kademe valfe Çıkış B 5 5 5 3 35 5 5 Yük basıncı [bar] Şekil. Hızlı anaharlama elemanlı valfin yük basıncı-debi karakerisiği Debi [l/dak] 8 6 8 6 3 5 6 7 8 9 Doluluk-boşluk oranı [%] DGM= Hz DGM=6 Hz Bobin_ enerjili İkinci kademe valfe Çıkış B Şekil. Çeşili frekanslarda dolulukboşluk oranı-debi karakerisiği Şekil 9 ve Şekil da çif bobinli disk valfin her bir bobini için elde edilen kuvve yerdeğişirme grafikleri verilmişir. Valfin yük basıncı-debi karakerisiği. A akım değerinde ve 5 bar sisem basıncında gerçekleşirilmişir. Elde edilen sonuçlar Şekil de verilmişir. Saik karakerisiklerin üçüncü aşaması olan DGM sinyalinin doluluk-boşluk oranlarına göre debi karakerisiğini belirlemek için, DGM sinyalinin frekanslarının belirlenmesi gerekmekedir. Yapılan hesaplamalar sonucu, Hz ve 6 Hz olarak belirlenmişir. Belirlenen bu frekans değerlerine göre elde edilen sonuçlar Şekil de verilmişir. 7. Sonuç Diskli solenoid valf aç-kapa çalışan bir solenoid valfir. Aç-kapa çalışan solenoid valfin bobinin uçlarına uygulanan dc akım belli bir değeri almadığı sürece, valf akışa müsaade emez. Bu akım değeri aşıldıkan sonra valf amamen açılır ve akışkan geçişine müsaade edilir. Aç-kapa çalışan bir solenoid valf için akışkan mikarının ara değerleri yokur, giriş işarei ile oranılı bir akışkan debisi elde edilemez. Böyle bir solenoid valfen, DGM ekniği uygulanarak, çıkış işareinin zaman oralamasının giriş işarei ile oranılı olması sağlamakadır. Şekil 7 de göserildiği gibi çıkış 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 çözümlerine bakığımızda, akım eğrisinde meydana gelen ilk çukurluka, diskin harekeini amamladığı ve bu nokada sabi kaldığı ve hızının sıfır olduğu görülmekedir. Disk harekeinin amamlandığı nokadaki bu zaman DGM frekansı için önemli bir krier olmakadır.
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, 7-37. 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, 95-953. 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 5-5 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.,93-98. ŞENGİRGİN, M. () Elekrohidrolik Disk Valflerin Gelişirilmesi ve Bunların Çeşili Sinyal İşleme Teknikleri Yolu İle Denelenmesinin Araşırılması, Dokora Tezi, U.Ü. Fen Bilimleri Ensiüsü, Bursa. 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, 367-376, Ankara. USMAN, A. (98) Developmen of an elecro-hydraulic floaing double-disc valve, Dokora ezi, Universiy of Surrey. YÜKSEL, İ. (98) An Invesigaion of Elecro-hydraulic Floaing Disc Swiching Valves, Dokora ezi, Universiy of Surrey.