background image

Serwomechanizm hydrauliczny, zasada działania model matematyczny. 
Na rys. 1 pokazano schemat serwonapędu hydraulicznego. Składa się on z siłownika 
(cylindra) hydraulicznego i rozdzielacza sterującego przepływem cieczy do komór siłownika.  
 

 

Rys. 1. Schemat ideowy serwomechanizmu hydraulicznego.  

 
Przesunięcie  tłoczka  rozdzielacza  -  sygnał 

  jest  sygnałem  sterującym,  siła  obciążająca 

r

 

jest sygnałem zakłócającym, natomiast położenie tłoka siłownika 

 i jego prędkość 

x

v

 są 

sygnałami wyjściowymi.  
Oznaczenia:  

a

- ciśnienie wejściowe - MPa,  

b

- ciśnienie wyjściowe - MPa,  

- sygnał sterujący - m,  

- przemieszczenie tłoka w cylindrze sygnał wyjściowy - m,  

dt

dx

 - prędkość tłoka w cylindrze - 

1

ms  

1

- natężenie przepływu cieczy wpływającej do komory 1 - 

1

3

s

m

,  

2

- natężenie przepływu cieczy wpływającej do komory 2 - 

1

3

s

m

,  

dla cieczy wpływającej do komory 

0

i

q

 

f

- natężenie przepływu przecieków międzykomorowych w cylindrze - 

1

3

s

m

,  

1

2

- ciśnienia w komorach siłownika - MPa,  

B

 - moduł sprężystości objętościowej cieczy - MPa

S

 - pole czynnego przekroju tłoka w cylindrze - 

2

,  

r

 - siła zewnętrzna działająca na tłoczysko - N,  

  - współczynnik wiskotycznych oporów ruchu - 

1

Nsm ,  

M

 - masa napędzanego mechanizmu zredukowana do osi tłoka - kg,  

h

 - połowa wartości skoku (zakresu ruchu) tłoka w cylindrze - m,  

R

 - współczynnik oporów przepływu laminarnego - 

3

m

s

MPa

 

Równania opisujące procesy w siłowniku:  

dt

dp

B

x

h

S

q

v

S

q

f

1

1

,  

- wydatek cieczy dopływającej do komory „1”, 

dt

dp

B

x

h

S

q

v

S

q

f

2

2

 

- wydatek cieczy dopływającej do komory „2”, 

f

q

R

p

p

2

1

  

 

 

- spadek ciśnienia przy przepływie laminarnym,  

background image

r

f

v

p

p

S

dt

dv

M

2

1

 

- równanie ruchu ,  

gdzie:  

2

1

p

p

S

  

- siła parcia cieczy na tłok wskutek różnicy ciśnień,  

v

   

- siła oporów ruchu (tarcia wiskotycznego),  

r

 

 

- siła zewnętrzna działająca na tłoczysko.  

Po uporządkowaniu otrzymuje się następujący układ równań stanu siłownika:  

 

 

 

1

2

1

1

1

q

v

S

R

p

R

p

x

h

S

p

B

p

 

 

 

 

(1) 

 

 

 

2

2

1

2

2

q

v

S

R

p

R

p

x

h

S

p

B

p

  

 

 

 

(2) 

 

 

r

f

v

p

S

p

S

M

v

2

1

1

 

 

 

 

 

(3) 

 

 

v

   

 

 

 

 

 

 

 

(4) 

Któremu odpowiada schemat blokowy pokazany na rys. 2a.  
 

 

 

Rys. 2. Schemat blokowy: a) serwomechanizmu hydraulicznego, b) siłownika w układzie. 

 
Wektor zmiennych stanu ma postać:  

 

 

x

v

p

p

2

1

x

 

Dodatkowo na rys. 2b pokazano schemat blokowy siłownika z zaznaczeniem zmiennych 
wejściowych i wyjściowych.  
Uwaga:  
- zmienne 

1

2

 i 

r

 są traktowane jako sygnały wejściowe chociaż często 

r

 jest zależne 

od 

 i 

x

,  

- moduł sprężystości objętościowej 

B

 jest zależny od rodzaju cieczy i bardzo silnie od jej 

zapowietrzenia.  

 

Rys. 3. Zależność modułu sprężystości objętościowej oleju mineralnego od zapowietrzenia.  

background image

Na  rys.  3  przedstawiono  Zależność  modułu  sprężystości  objętościowej  typowego  oleju 
mineralnego  od  współczynnika  zapowietrzenia  z  wyrażającego  procentową  zawartość 
masową powietrza rozpuszczonego w oleju do  masy  mieszaniny.  Jak widać przy 

%

1

,

0

z

 i 

ciśnieniu 

MPa

p

10

  można  przyjąć 

 

.

const

p

B

  Dla 

MPa

p

2

  i  zapowietrzeniu 

%

01

,

0



z

  można  przyjmować,  że 

 

.

const

p

B

  (dla  olejów  pochodzenia  mineralnego 

  

.

10

5

.

1

4

.

1

1500

1400

9

const

Pa

MPa

p

B

)  Natomiast  jeśli  w  obliczeniach 

hydraulicznego  układu  napędowego  i  jego  symulacjach  nie  uwzględni  się  rzeczywistej 
zależności współczynnika B od wartości bieżącej ciśnienia

 

p

B

, to czasami można otrzymać 

absurdalne  wyniki,  że 

0

i

p

.  W  rzeczywistości  przy  dużym  spadku  ciśnienia  w  cieczy 

zapowietrzonej następuje wydzielanie pęcherzy gazu, natomiast ciecz niezapowietrzona przy 
spadku  ciśnienia  poniżej 

Pa

p

i

1000

  ulega  intensywnemu  wrzeniu  w  całej  objętości  co 

nazywamy  kawitacją.  Fakt  ten  należy  uwzględnić  w  obliczeniach  symulacyjnych  w  postaci 
odpowiednich warunków logicznych.  
 
Rozdzielacz hydrauliczny 
W  celu  odpowiedniej  dystrybucji  cieczy  do  cylindra  stosuje  się  zespoły  rozdzielaczy.  Na 
rys. 4  pokazano  schemat  ideowy  typowego  pojedynczego  rozdzielacza.  Składa  się  on  z 
tłoczka  kształtowego  oraz  tulei  do  której  z  jednej  strony  jest  doprowadzony  czynnik  pod 
ciśnieniem 

a

 a z drugiej czynnik jest odprowadzany na zlew do zbiornika zbiorczego przy 

ciśnieniu 

b

. W tulei znajdują się też tzw. okna przepływowe z kanałami łączącymi do komór 

cylindra  hydraulicznego.  Na  rys.  4  pokazano  jedno  okno  połączone  z  komorą.  Rozdzielacz 
pokazany  na  rys.  4  jest  rozdzielaczem  o  przekryciu  zerowym,  tzn.  szerokość  tłoczka  c  jest 
dokładnie  równa  szerokości  okna  e 

e

  z  dokładnością  do  pojedynczych  mikrometrów. 

Należy wyjaśnić, że typowe średnice tłoczka wynoszą kilka do kilkanaście  milimetrów przy 
czym  między  tłoczkiem  a  tulejką  nie  montuje  się  uszczelek  lecz  poprzez  dobór  luzu  o 
wartości  kilku  mikrometrów  jest  realizowane  tzw.  uszczelnienie  szczelinowe  –  stosunkowo 
wysoka lepkość oleju w mikroskopijnej szczelinie nie pozwala na niekontrolowany przepływ 
czynnika  (przecieki).  Takie  rozwiązanie  konstrukcyjne  rozdzielacza  wymaga  bardzo 
wysokich dokładności wykonania współpracujących elementów co do walcowości (kołowości 
i prostoliniowości) oraz współliniowości elementów składowych zarówno tłoczka (w zespole 
elementy  o  różnych  średnicach)  jak  i  tulejki  (powierzchnia  cylindryczna  główna  oraz 
prowadzące tuleje boczne).  
 

 

Rys. 4. Schemat ideowy rozdzielacza hydraulicznego z przekryciem zerowym (c=e).   

 

background image

Traktując  przepływ  w  rozdzielaczu  jako  turbulentny  oraz  zakładając  przekrycie  zerowe, 
mamy:  

 

 

e

   , 

b

i

a

p

p

p

 

Natężenie przepływu w szczelinie rozdzielacza:  
dla 

e

0

2

,

1

i

 

 

 

0

2

i

a

i

p

p

u

k

q

 

Tutaj 

0

i

q

 oznacza przepływ w kierunku do i-tej komory  

Mimo że w wyrażeniu pod pierwiastkiem występują wielkości  mianowane (ciśnienie

p

) jest 

to uwzględnione w wymiarze współczynnika 

k

.  

dla 

e

 natężenie przepływu osiąga wartość maksymalną i pozostaje stałe o wartości:  

 

 

0

2

i

a

im

i

p

p

e

k

q

q

 

dla 

0

u

 

 

dla 

0

u

e

 

b

i

i

p

p

u

k

q

2

 

 

dla 

e

u

 

 

b

i

im

p

p

e

k

q

2

,

 

W  wypadku  rozdzielacza  tego  typu  w  układzie  serwomechanizmu  z  rys.  1  stosuje  się 
zależności:  

dla 

0

u

 

dla 

0

u

 

0

2

1

1

p

p

u

k

q

a

                

0

2

2

2

b

p

p

u

k

q

             

0

2

1

1

b

p

p

u

k

q

                       (5) 

0

2

2

2

p

p

u

k

q

a

                  (6) 

 
Co można opisać w sposób jednolity za pomocą wzorów:  

 

b

a

p

p

u

u

p

p

u

u

k

q

1

1

1

2

2

   

 

 

 

 

(5a) 

 

2

2

2

2

2

p

p

u

u

p

p

u

u

k

q

a

b

  

 

 

 

 

(6a) 

Uwaga: wzory te obowiązują przy założeniu 

a

i

b

p

p

p



2

,

1

i

 

Jeżeli założenie to nie może być spełnione, to należy stosować wzór ogólny w postaci: 

 

i

j

i

j

j

i

p

p

p

p

Fsign

q

2

,

   

 

 

 

 

 

(7) 

gdzie 

j

i

q

,

  jest  natężeniem  przepływu  cieczy  z 

tej

j

  do 

tej

i

  komory,  F  jest  umownym 

(zastępczym)  przekrojem  przewodu  łączącego  komory 

j

  i 

i

 -  jest  gęstością 

cieczy.  Wzór  (7)  można  stosować  do  wyznaczania  natężenia  przepływu  między  dowolnymi 
komorami  połączonymi  krótkim  przewodem  którego  przekrój  zastępczy  (umowny)  ma 
powierzchnię F . Dla rozdzielacza wartość bieżąca 

u

k

F

 a maksymalna 

e

k

F

max

.  

Wzory (1) do (6) stanowią pełny model wzmacniacza hydraulicznego i są wykorzystywane w 
komputerowych modelach symulacyjnych.  
 
Stan ustalony układu rozdzielacz-cylinder.  
W pracy serwomechanizmu występują różne stany pracy, wśród których do celów oceny ich 
pracy  i  do  celów  porównawczych  wyróżnia  się  stany  o  wybranych  parametrach  zadanych  i 
stałych.  Stan  ustalony  to  taki,  w  którym  prędkość  na  wyjściu  jest  równa  zero,  chwilowe 
położenie  jest  stałe.  Oznaczając  zmienne  w  stanie  ustalonym  poziomą  kreską  ponad 
symbolem zastosujemy następujące podstawienia:  

background image

u

:

,  

i

i

p

:

,  

0

i

p

,  

0

v

,   

.

:

const

x

x

 

co oznacza, że w układzie z rys. 1 tłok w cylindrze stoi zablokowany (ale nie przez hamulec 
zewnętrzny  lecz  wskutek  równowagi  ciśnień  i  siły  zewnętrznej  w  obecności  innych 
czynników).  
Rozważymy własności układu z rys. 1 wyposażonego w rozdzielacz z przekryciem zerowym.  
Mamy tu 
 

f

q

q

q

2

1

,  

co oznacza, że  

 

b

a

p

p

u

k

p

p

u

k

2

1

,  

czyli  
 

b

a

p

p

p

p

2

1

 

skąd 
 

b

a

p

p

p

p

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8) 

Z zależności (3) dla stanu ustalonego mamy:  

 

S

f

p

p

r

2

1

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(3a) 

Wobec tego z (8) i (3a) można napisać:  

 





S

f

p

p

p

r

b

a

2

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

(9) 

 





S

f

p

p

p

r

b

a

2

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(10) 

Nominalne własności rozdzielacza określa się w warunkach nominalnych, dla których 

0

r

f

wtedy:  

 

b

a

nom

p

p

p

p

p

2

1

2

1

 

Maksymalne natężenie przepływu w warunkach nominalnych wynosi:  

 

b

a

b

a

a

m

m

p

p

e

k

p

p

p

e

k

q

q

2

1

2

1

 

Współczynnik wzmocnienia rozdzielacza określa się dla warunków nominalnych jako:  

 

b

a

m

p

p

k

e

q

u

q

A

 

Na  rys.  5  pokazano  charakterystykę  statyczną  rozważanego  rozdzielacza  (z  przekryciem 
zerowym) w warunkach nominalnych.  
 

 

Rys. 5. Charakterystyka statyczna rozdzielacza hydraulicznego z przekryciem zerowym.  

background image

Jak  widać  z  wykresu  na  rys.  5  zmiana  sygnału  sterującego  u  w  przedziale 

e

e

u

,

 

wywołuje  liniową  zmianę  wydatku  cieczy  przepływającej  przez  rozdzielacz  a  przy  dalszym 
wzroście  wartości  bezwzględnej  sygnału  u  wartość  natężenia  przepływu  (wydatku)  ulega 
ustaleniu  –  mówimy,  że  rozdzielacz  przechodzi  w  stan  nasycenia.  Doświadczalnie  wartość 
wzmocnienia można wyznaczyć wykorzystując liniowość przebiegu w zakresie 

e

e

u

,

 z 

zależności:  

 

e

q

u

q

A

m

2

2

 

gdzie wartości 

m

q

2

 i 

e

2

 można łatwo zmierzyć albo oszacować z wykresów sporządzonych 

na podstawie pomiarów.  
 
Własności rozdzielacza z przekryciem dodatnim.  

 

Rys. 6. Schemat ideowy rozdzielacza hydraulicznego z przekryciem dodatnim (c>e).   

 
Na  rys.  6  pokazano  schemat  ideowy  rozdzielacza  z  przekryciem  dodatnim.  Tłoczek  w  tym 
rozwiązaniu ma szerokość większą od szerokości okna, co powoduje, że w trakcie pracy przy 
zmianie  sygnału  sterującego  z  wartości  dodatniej  na  wartość  ujemną  w  zakresie 

r

r

u

,

 

prześwit  rozdzielacza  jest  zamknięty  i  zmiana  sygnału  sterującego  w  tym  zakresie  nie 
wywołuje zmiany stanu przepływu.  
Mamy tutaj:  
 

r

e

u

,  

 

e

A

q

q

m

,  

 

r

u

r

e

 

r

u

A

q

 

 

r

u

r

 

 

0

 q

 

 

r

e

u

r

   

r

u

A

q

 

 

dla 

r

e

u

,   

e

A

q

q

m

,  

 

Rys. 7. Charakterystyka statyczna rozdzielacza hydraulicznego z przekryciem dodatnim.  

background image

Własności rozdzielacza z przekryciem ujemnym.  

 

Rys. 8. Schemat ideowy rozdzielacza hydraulicznego z przekryciem ujemnym (c<e).   

 
Na  rys.  8  pokazano  schemat  ideowy  rozdzielacza  z  przekryciem  ujemnym.  Tłoczek  w  tym 
rozwiązaniu ma szerokość mniejszą od szerokości okna, co powoduje, że w trakcie pracy przy 
zmianie sygnału  sterującego z wartości dodatniej  na wartość ujemną w zakresie 

d

d

u

,

 

prześwit  między  tłoczkiem  i  oknem  rozdzielacza  zarówno  po  prawej  jak  i  po  lewej  stronie 
tłoczka jest otwarty, co w trakcie pracy wywołuje przecieki przepływu z części zasilającej na 
zlew.  
Mamy tutaj:  
 

dla, 

d

e

u

 

0

'

 q

m

q

"

,  

 

e

A

q

q

m

 

 

d

u

d

e

 

0

'

 q

,  

d

u

A

q

"

,  

d

u

A

q

 

 

d

u

d

   

d

u

A

q

 '

d

u

A

q

"

u

A

q

 2

 

 

d

e

u

d

 

d

u

A

q

 '

0

"

q

,  

 

d

u

A

q

 

 

d

e

u

,  

 

m

q

 '

,  

0

"

q

,  

 

e

A

q

q

m

 

 

 

Rys. 9. Charakterystyka statyczna rozdzielacza hydraulicznego z przekryciem ujemnym.  

 
W  zakresie  sygnału  sterującego 

d

d

u

,

  wzmocnienie  rozdzielacza  jest  dwukrotnie 

większe  niż  rozdzielacza  z  przekryciem  zerowym  i  dodatnim  co  zapewnia  wyższą  jakość 
przebiegów przejściowych. Ponadto przecieki  skrośne w tym zakresie  sygnału u zapewniają 
lepsze  własności  tłumiące  dla  przebiegów  przejściowych.  Wadą  tego  rozwiązania  są  straty 
mocy i niższa sprawność oraz silne nagrzewanie się czynnika i elementów rozdzielacza.