Cuprins

Analiza dinamicii de proiectare a unui sistem hidraulic.........................................................................2

Studii de caz...........................................................................................................................................5

Exemplul 1 – Sistemul de control al unui cilindru simplu..................................................................6

Exemplul 2 – Sistemul unui robot......................................................................................................8

Exemplul 3 – Circuitul unei maşini unelte hidraulice regenerative..................................................11

Exemplul 4 – Sistemul unei prese acţionate hidraulic cu supapă activă de egalizare........................14

Exemplul 5 – Matriţa cu injecţie de plastic.......................................................................................15

Concluzii..............................................................................................................................................19

1

Selectarea si dimensionarea componentelor

Analiză şi simulare

Confirmarea optimizării proiectării

Sistemul prototip

Analiza dinamică

Analiza la stareade echilibru

Modelarea sistemului

Modelarea componentelor

Elementde acţionare

Elementde control

Elementmotor

Elementde condiţionare

Specificaţiile funcţionale ale sistemului

Dezvoltarea schiţelor

Conceptul de proiectat

Obiectivul proiectării

Producţie

Cerinţele sistemului

Analiza dinamicii de proiectare a unui sistem hidraulicProiectarea şi analiza majorităţii sistemelor inginereşti implică diverse discipline

tehnice. În cazul sistemelor hidraulice, care sunt discutate în această lucrare, mărimea efectivă de intrare este un fel de motor primar, cum ar fi un motor cu ardere internă sau un motor electric. Viteza şi cuplul motorului primar sunt transformate în parametrii hidraulici la pompă, controlul direcţional al puterii hidraulice este furnizat de o supapă, în timp ce parametrii de ieşire pot fi forţa şi viteza unui piston care poate fi conectat la sarcină prin diferite legături şi unelte. Acţionarea supapelor poate fi făcută electronic, hidraulic sau manual. În plus, parametrii de ieşire ai sistemului hidraulic pot fi folosiţi într-un circuit de feedback care cuprinde instrumentaţii, elemente de logică şi controlere. Este absolut necesar ca inginerul proiectant să ştie să facă anumite analize pentru a se asigura de buna funcţionare a diferitelor sisteme cum ar fi cel hidraulic. Asemenea analize pot fi realizate în laboratoare prin utilizarea unor sisteme prototip, sau pot fi realizate prin simulare computerizată. Pentru a evalua analitic performanţa totală, de la intrare până la ieşire, a unui sistem hidraulic, trebuie folosit un program software care poate integra interacţiunile diverselor componente implicate.

În acest proiect vom discuta analiza dinamicii de proiectare a unui sistem hidraulic utilizând un program numit HyPneu, care este capabil să integreze componente hidraulice, pneumatice, electronice şi mecanice, permiţând astfel analiza completă a unui sistem hidraulic.

Sistemele hidraulice pot fi împărţite în două tipuri de sisteme care au la bază aplicaţii primare. De exemplu, în cazul unei maşini cu ajutorul căreia se fac terasamente, obiectivul primar al unui sistem hidraulic este să transmită puterea la diferite circuite în mod eficient şi ordonat. Pe de altă parte, aplicaţiile unei maşini unelte sunt bazate în special pe viteza, precizia şi stabilitatea sistemului hidraulic.

2

Figura 1

Odată ce s-au stabilit obiectivele de proiectare pentru un sistem hidraulic dat, procesul de proiectare poate fi iniţiat. Proiectarea generalizată a sistemului hidraulic şi analiza procesuală sunt ilustrate în figura 1. Plecând de la obiectivele de proiectare, trebuie stabilit conceptul de proiectare care urmează a fi integrat în sistemul hidraulic şi trebuie dezvoltată o schemă a sistemului, precum şi specificaţiile operaţionale ale acestuia.

Lumea inginerească cunoaşte de mult timp faptul că faza de analiză şi simulare în dezvoltarea unui sistem hidraulic este foarte importantă în realizarea unui sistem hidraulic de succes, necesitând resurse minime de timp şi bani. Oricum, în trecut, pentru a efectua o analiză într-un mod eficient, inginerul trebuia să aibă cunoştinţe solide despre componente şi sisteme hidraulice dar şi despre ştiinţele matematice şi în domeniul calculatoarelor. Prin urmare analiza computerizată a sistemelor hidraulice a evoluat destul de greu. În plus, sistemele hidraulice implică interacţiunea cu diverse discipline tehnice, fapt care a făcut din implementarea unei analize sistemice pe un calculator personal, o adevărată provocare.

Marea descoperire în dezvoltarea unui software de analiză a proiectării unui sistem hidraulic a fost realizată odată cu recunoaşterea faptului că comportamentul sistemelor inginereşti reale este controlat de curgerea, depozitarea şi interschimbarea diferitelor forme de energie. Din acest moment, dinamica sistemelor poate fi explorată prin descrierea matematică a tuturor acţiunilor şi interacţiunilor energetice dintr-un sistem dat. În funcţie de modalitatea în care diversele elemente ale sistemului gestionează fluxul de putere şi transferul energetic, acestea pot fi clasificate ca depozite de energie sau elemente de disipare a energiei. Mai mult, prin realizarea faptului că toate elementele de stocare a energiei pot fi descrise prin virtutea propriilor variabile de tipul A sau B, şi că toate elementele de disipare a energiei pot fi descrise prin propriile variabile de tip D, ajungem la dezvoltarea analizei unui concept cu adevărat unificat care poate fi aplicat cu succes oricărui sistem ingineresc. Variabilele de tip A acţionează dincolo de elementele de viteză, presiune şi voltaj. Variabilele de tip T se aplică energiei care trece prin elemente cum ar fi forţa, curent, debit. Cele de tip D reprezintă parametrii de frecare, rezistenţă, orificiu.

Un sistem hidraulic este compus din elemente şi componente ce interacţionează. Prin urmare, odată ce dezvoltăm modelul de element sau de componentă, modelul de sistem devine o descriere matematică a felului în care interacţionează acestea. Atunci când elementele şi componentele sunt conectate trebuie satisfăcute două condiţii critice şi anume compatibilitatea şi continuitatea. Condiţia de compatibilitate este aplicată variabilelor de tip A, în timp ce cea de continuitate este utilizată în cazul variabilelor de tip B. Aceasta înseamnă conservarea masei şi energiei.

Odată cu dezvoltarea computerelor performante cu o capacitate de stocare mare, a devenit posibilă dezvoltarea unui program software care să fie capabil să analizeze sisteme hidraulice mari. Aceste calculatoare ar putea sta pe biroul unor ingineri şi furniza un avantaj extrem de important. În plus, lipsa unui program software adecvat ar încetini procesul de proiectare şi creşte costul dezvoltării sistemelor de maşini unelte hidraulice. Orice pachet software care i-ar putea fi de folos inginerului ce se ocupă de proiectarea sistemului hidraulic trebuie să gestioneze cu succes componente hidraulice, termice, electronice şi mecanice. Filozofia programului software HyPneu se bazează pe faptul că un număr mare de aşa numite componente generice sunt stocate într-o librărie pentru a putea fi utilizate în orice sistem hidraulic. Componente speciale care sunt realizate pentru aplicaţii unice pot fi modelate şi

3

Etapa secundară

Figura 2. Servo- valva electro-hidraulică bifazica

Etapa pilot

Pol magnetic

Magnet permanent

Armatură

Clapet

TurTur Retur

Duză

Arc de feedback

Bobină

Orificiu amonte

salvate într-o librărie pentru a putea fi refolosite de oricine. De exemplu, un inginer proiectant poate avea ca proiect realizarea unui robinet special. Pentru a evalua performanţa robinetului în orice moment, sunt necesare teste în laborator sau obţinerea de rezultate ale unor simulări. Evident analiza computerizată este mult mai puţin costisitoare atât din punct de vedere al banilor cât şi al timpului. Odată terminat modelul robinetului, sunt disponibile suficiente componente generice pentru a realiza un sistem hidraulic.

Fundamentul abordării acestui tip de analiză este modelarea vizuală, care se bazează pe faptul că toate componentele sunt realizate din mai multe elemente de bază. Librăria de componente a programului HyPneu conţine toate elementele de bază ale proiectării sub formă de iconiţe, modele şi fişe tehnice. Utilizatorul uneşte iconiţele corecte pentru a forma o componentă sau un sistem. Modelarea vizuală necesită o cantitate minimă de informaţie şi cunoştinţe detaliate în ceea ce priveşte legile fizicii sau tehnologia de modelare şi simulare. Ca exemplu al acestei metode, consideraţi o servo valvă bifazică care controlează debitul prin duză cu ajutorul unui clapet (figura 2). Fiecare element al acestei valve poate fi modelat utilizând unul sau mai multe elemente de bază ale proiectării. Un asemenea circuit este arătat în figura 3. Observaţi că câştigul de cuplu, dinamica armaturii şi poziţia semnalului de feedback, al bobinei principale sunt incluse în modelarea etapei pilot. Fiecare element poate fi cuantificat utilizând dimensiunile reale de proiectare şi diverse date pentru a exprima funcţia componentei.

4

Curent de intrare

Cuplul câştigat

Duza A

Tanc

Bobina

Orificiu amonte

Clapet

Duza B

Valva principală

Figura 3. Servo-valva cu clapet de control al debitului

K

Metoda utilizată în această lucrare permite un grad maxim de flexibilitate din partea unei echipe de ingineri. De exemplu, unul sau doi membrii se pot ocupa de realizarea modelelor de proiectare pentru componentele speciale. Odată realizate, orice alt membru al echipei poate utiliza modelele pentru simularea sistemului.

Studii de cazVersatilitatea şi simplitatea tehnicii analitice oferite de programul HyPneu sunt

rezultatul conceptelor de modelare vizuale şi abordării unificatoare a diverselor discipline implicate în realizarea componentelor maşinilor-unelte sau sistemelor hidraulice.

Nu este posibilă o descriere completă a detaliilor acestei tehnici, dar următoarele exemple vor ilustra câteva aplicaţii industriale ce au fost aplicate. Desigur, aceste exemple au fost simplificate faţă de aplicaţiile utilizate în realitate.

5

Figura 4. Sistemul de control al unui cilindru simplu

Masă Sarcină

Exemplul 1 – Sistemul de control al unui cilindru simpluAcest studiu implică analiza unui sistem de control al unui cilindru simplu care are ca elemente principale o pompă, o valva de control direcţional şi un cilindru cu piston (figura 4). Asemenea circuite sunt utilizate în aproape toate sistemele hidraulice indiferent dacă sunt parte a unei maşini-unealtă sau a unei maşini pentru terasamente. Scopul utilizării acestui exemplu este de a ilustra o problemă de sistem şi de a arăta în ce fel poate fi utilizată analiza de proiectare pentru a oferi o soluţie. Problema principală a acestui tip de sistem, odată ce procesul de dimensionare şi selectare a fost încheiat, este caracteristica dinamică. Observaţi că circuitul utilizează o valvă cu control direcţional cu circuit închis. În plus, nu există componente între valvă şi cilindru. Prin urmare, atunci când valva acţionează cilindrul în direcţia extinsă, sarcina va fi accelerată cât de repede posibil la viteza maximă permisă de condiţiile de curgere şi de presiune. Apoi dacă valva cu control direcţional cu circuit închis este recentrată, tija cilindrului şi sarcina asociată vor încerca să continue mişcarea. Pentru a opri mişcarea putem aplica o presiune foarte mare la nivelul tijei cilindrului. Fluidul va fi comprimat la presiunea ridicată şi va forţa cilindrul în direcţie opusă. Oricum, în capătul cilindrului nu este loc pentru ca fluidul să curgă cu valva in poziţia centrată. Acesta este fenomenul tipic al ciocanului de apă care are loc des în sistemele hidraulice.

Rezultatele simulării sunt vizibile în figura 5. Se observă că oscilaţiile presiunii sunt continue deoarece nu pot fi amortizate. Pentru a fi siguri că nu va interveni fenomenul de „ciocan de apă” şi că sarcinile externe nu vor izbucni într-un conector sau îndoi tija cilindrului, se poate utiliza un circuit sau o un sistem de supape de siguranţă încrucişate împreună un dispozitiv de măsurare, după cum se poate vedea în figura 6. Rezultatele simulării circuitului din figura 6 se pot vedea în figura 7. În rezultatele acestei simulări se observă că fenomenul de „ciocan de apă” este amortizat şi sistemul devine stabil într-o perioadă scurtă de timp.

6

Pompă

Cilindru

Timp (sec)

Presiune (PSI)

Figura 5. Rezultatele simulării sistemului de control al unui cilindru simplu

Masa Sarcina

Dispozitiv de măsurare

Figura 6. Modificarea sistemului de control al cilindrului simplu

Supape de siguranţe încrucişate

K

7

Pompă

Cilindru

Timp (s)

Presiune(PSI)

Figura 7. Rezultatele simulării sistemului de control modificat al unui cilindru simplu

Exemplul 2 – Sistemul unui robotRobotul este o maşină omniprezentă în majoritatea fabricilor. Exemplul arătat

schematic în figura 8 este unul simplu ce este format dintr-un pivot şi 2 pistoane de acţionare. Ar trebui să se observe că deşi scopul acestui robot nu este de a manipula sarcini grele, a fost echipat cu valve de contragreutate şi valve de verificare pentru a preveni pierderea bruscă de sarcină. Sistemul de principiu este format dintr-o pompă de presiune ce alimentează trei valve cu control direcţional. Fiecare circuit are un semnal de poziţie care utilizează valvele de control direcţional pentru a muta funcţia în locaţia dorită. Într-o aplicaţie reală semnalul de poziţie este dat de un program ce determină locaţia dorită relativă la locaţia curentă a funcţiei. Rezultatele simulării în care am utilizat numai pivotul din sistemul robotizat arătat în figura 8, sunt date în figura 9. Parametrii plotaţi sunt presiunea de mutare a pivotului şi amplasamentul unghiular al acţionării.

După cum se poate vedea în figura 9, pivotul este instabil atunci când ajunge în locaţia dorită, deoarece sistemul este foarte rigid. Supapa are un dispozitiv critic de măsurare la poziţia de nul. Supapele de reţinere solicită 2000 psi pentru a se deschide. Prin urmare, atunci când locaţia dorită este atinsă, are loc o supraoscilaţie şi sistemul de control se inversează pentru a o corecta. Cu foarte puţină sarcină pe dispozitivul de acţionare, acesta se mişcă foarte repede odată ce supapele de verificare se deschid, şi va avea loc o suprasolicitare în cealaltă direcţie. Acest lucru va continua prima dată într-o direcţie şi apoi în cealaltă. Soluţia la această problemă de stabilitate poate fi rezolvată prin eliminarea supapelor de verificare. Cu toate acestea, o problemă de siguranţă la sarcini mari ar exista. Aceasta poate fi rezolvată prin utilizarea unor supape-pilot, în loc de supape de verificare şi utilizând presiunea de ieşire a pompei pentru a le acţiona. Sistemul robotic modificat este prezentat în figura 10 în timp ce rezultatele de simulare pentru sistemul robotic modificat sunt prezentate în figura 11 pentru presiunea pivotului şi mişcarea unghiulară.

8

Figura 8. Schematica sistemului robotic cu valve de contragreutate

Cilindru de acţionare Cilindru de acţionarePivot de acţionare

K K K

K

9

K K K

Cilindru deacţionare

Cilindru deacţionare

Pivot deacţionare

Figura 10. Schematica sistemului robotic modificat

`

10

Presiuneapivotului

Unghiulpivotului

Presiune(PSI)

Timp (s)

Figura 9. Rezultatele simulării sistemului robotic cu valve de contrapresiune

Presiunea pivotului

Unghiulpivotului

Timp (s)

Presiune(PSI)

Figura 11. Rezultatele simulării pentru sistemul robotizat modificat

Exemplul 3 – Circuitul unei maşini unelte hidraulice regenerativeÎn scopul de a spori productivitatea este normal să se utilizeze un sistem hidraulic

numit sistem de regenerare. Acesta este un sistem în care un cilindru cu piston cu o singură tijă este utilizat pentru a muta o piesă de lucru în poziţie. În cea mai mare parte a traiectoriei sale exactitatea poziţională a piesei de lucru nu este o problemă. Prin urmare, cilindrul poate fi extins foarte rapid până când poziţia dorită este aproape atinsă. În acest moment, viteza este redusă astfel că acurateţea este îmbunătăţită. În ultimii ani, acest lucru a fost realizat, cu supape cartuş după cum se vede în figura 12, în timp ce figura 13 prezintă un sistem de regenerare cu ajutorul unui ventil de tip mosor, controlat de o componentă PLC (Controler Logic Programabil). Rezultatele de simulare a sistemului regenerativ sunt prezentate în figura 14.

11

K

Figura 12. Circuit regenerativ cu supape cartuş12

Limită comutator

PLC

Figura 13. Circuit regenerativ cu ventil de tip mosor

Viteza cilindrului

Poziţia cilindrului

Timp (s)

Vitezain/sec

Figura 14. Rezultatele simulării circuitului regenerativ

13

Supapă de evacuare Pp

Pr

PCS

1000psi

Dp = 4”

Dr = 2,5”

W = 2500 lbf

Piesa de lucru

Matriţă

PpAp

PrAa= PCSAa

GreutateRezistenţa la înaintare a piesei de lucru Fr

(b) Diagrama corpului liber

Figura15. Sistem de presă hidraulică

Exemplul 4 – Sistemul unei prese acţionate hidraulic cu supapă activă de egalizareUnul dintre cele mai utilizate sisteme hidraulice în domeniul maşinilor-unealtă este

sistemul de presă. Sistemul de presă hidraulic este de multe ori echipat cu o valvă de egalizare care acţionează direct sau cu o supapă overcenter. În exemplul folosit valva de egalizare este încorporată. Sistemul de presă hidraulic utilizează în general un cilindru cu dublă acţiune cu o tijă mare. Există o placă grea ataşată la tija care acţionează pentru a extinde cilindrul.

Prin urmare, tendinţa naturală este ca placa să se mişte sub propria greutate. Supapa de egalizare este folosită pentru a preveni o astfel de mişcare şi să ofere contrapresiune pentru a spori controlabilitatea. Schematica sistemului de presă hidraulică este prezentată în figura 15 în timp ce schema din programul HyPneu este dată în figura 16. În scopul de simulare, placa este iniţial suspendată. Lichidul este introdus în capacul cilindrului la 0,25 secunde. Cilindrul va începe să se mişte când presiunea în capac va atinge 237 psi. Când placa ajunge la filieră, presiunea în capacul cilindrului creşte rapid pentru a produce forţa de presare. Rezultatele simulării în HyPneu sunt prezentate în figura 1

14

?

Figura 16. Circuit HyPneu pentru un sistem de presă hidraulică cu supapă de echilibrare

Poziţia cilindrului

Presiunea exercitată de tijă

Presiunea exercitată de capac

Timp (sec)

Presiune(PSI)

Figura 17. Rezultatele simulării sistemului de presă hidraulică cu supapă de egalizare

Exemplul 5 – Matriţa cu injecţie de plasticMatriţa cu injecţie de plastic este o piesă de echipament foarte întâlnită în aplicaţiile

din industria uşoară. Pentru a obţine consistenţă în calitatea produselor din plastic, o serie de variabile trebuie să fie controlate - formă, dimensiune, şi proprietăţile materialelor.

15

?

?

Cilindru pilot

Cilindru principal

Cilindru de acţionare

Figura 18. Sistem hidraulic pentru controlul matriţei cu injecţie de plastic16

Cilindrul PilotCilindrul PrincipalCilindrul de acţionare

Sarcină

Figura 19. Unitate de turnare cu fixare

Proiectarea produsului determină dacă amploarea variaţiilor de presiune, temperatură şi timp sunt acceptabile. Un design cu variaţii de grosime a peretelui, cu o varietate de deschideri, şi cu o formă complexă cere o limită concisă a variabilelor. În practică, matriţa cu injectoare de plastic este pusă în mişcare cu un sistem hidraulic. Din cauza funcţiilor versatile disponibile şi mentenanţei facile, supapele cartuş au câştigat o mare popularitate în realizarea funcţiilor de control în procesul injecţiei de plastic. Figura 18 ilustrează un sistem hidraulic, care a fost implementat pe o maşină cu injecţie de plastic.

Procesul de turnare prin injecţie este alcătuit din şase etape prezentate în continuare:

1. turnarea în forma aleasă;2. creşterea presiunii în matriţa şi menţinerea acesteia;3. eliberarea presiunii din matriţă;4. în prima etapă se deschide matriţa;5. în a doua etapă de deschide matriţa cu presiune diferenţială;6. procesul de finalizare.

Acest proces este realizat de către un element de blocare al matriţei, aşa cum se arată în figura 19, împreună cu supapele cartuş şi suportul lor hardware şi software. Procesul este controlat de cinci semnale notate ca S1, S2, S3, S4, şi S5. Semnalele şi durata ciclului lor sunt prezentate în figura 20(c). Semnalele S2, S3, şi S4 sunt conectate pentru a controla valvele ce influenţează presiunea supapelor cartuş în timp ce S1 şi S5 sunt semnale de la cilindrul pilot şi de la cilindru de acţionare. Figura 20(a) arata rezultatele simulării în programul HyPneu comparate cu datele efective ale procesului de testare şi figura 20(b) arată rezultatele simulării vitezei cilindrului de acţionare.

17

Timp (sec)

Presiune(bar)

Figura 20(a). Rezultatele simulării HyPneu vs Datele testării actuale

Rezultatele simulării Rezultatele testării actuale

Timp (sec)

Viteza(cm/sec)

Figura 20(b). Rezultatele simulării în HyPneu a vitezei cilindrului de acţionare

18

SemnalÎnchiderea matriţeiMenţinerea presiuniiEliberarea presiuniiDeschiderea matriţei

Dechiderea matriţeiDP

Aşteptare

Timp (sec)Figura 20(c). Diagrama timpului de lucru

ConcluziiScopul acestei lucrări a fost de a se discuta despre dezvoltarea de sisteme hidraulice

pentru aplicaţii ale maşinilor-unelte. Costurile unui program de dezvoltare s-au ridicat la un nivel la care doar companiile care pot dezvolta produse în mod efectiv şi eficient vor supravieţui. În trecut, dezvoltarea sistemului hidraulic a însemnat crearea acestuia prin experienţă şi cunoştinţe. Din scheme era necesar să-şi procure sau să-şi fabrice componentele şi să asambleze sistemul înainte ca orice test de laborator să poată fi realizat pentru a confirma sau nega excelenţa proiectării. Dacă prima dată când este asamblat, sistemul funcţionează în mod satisfăcător, şi suportă costuri minime, atunci nu este nimic în neregulă cu această abordare de proiectare. Cu toate acestea, de cele mai multe ori sistemul nu funcţionează aşa cum a fost proiectat sau costă prea mult. Apoi, proiectul trebuie să fie modificat şi reasamblat în scopul de a determina dacă în urma modificărilor s-a obţinut sistemul optim. Companiile nu îşi mai pot permite astfel de practici costisitoare şi care necesită mult timp.

19