Konspekt: Serwozawory
1
Wzmacniacz elektrohydrauliczny (serwozawór)
1. Wprowadzenie
Wzmacniacze elektrohydrauliczne (serwozawory) przeznaczone są do regulacji połoŜenia
(przemieszczenia), prędkości lub siły w układach hydraulicznych poprzez sterowanie wielkością i
kierunkiem przepływu czynnika roboczego proporcjonalnie do wielkości i znaku elektrycznego sygnału
sterującego.
Wzmacniacze te stanowią elementy łączące elektroniczne urządzenie sterujące z hydraulicznymi
urządzeniami wykonawczymi. Wzmocnienie serwozaworu jest to stosunek mocy wyjściowej (oleju) do
mocy sygnału sterującego. Serwozawory osiągają wzmocnienia rzędu do kilkaset tysięcy razy.
Wzmacniacze elektrohydrauliczne znalazły bardzo szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach
techniki jak:
- wzbudniki drgań do badań wytrzymałościowych materiałów, zespołów konstrukcyjnych i
kompletnych maszyn, do badań konstrukcji budynków (symulacja drgań sejsmicznych ziemi),
- lotnictwo (samoloty, promy kosmiczne)
- maszyny robocze, statki, obrabiarki
- oraz w wielu innych układach automatyki przemysłowej o wysokich wymaganiach technicznych.
Układy regulacji ze wzmacniaczami elektrohydraulicznymi łączą w sobie zalety układów
elektronicznych (łatwość kształtowania sygnału, zdolność realizowania funkcji logicznych i przeliczeń)
oraz układów hydraulicznych (duŜa moc na wyjściu, niezawodność działania).
2. Typowe obwody regulacyjne ze wzmacniaczami elektrohydraulicznymi
Wzmacniacze elektrohydrauliczne (serwozawory) stosowane są najczęściej w układach regulacji
połoŜenia, siły lub prędkości. Schemat typowego układu regulacji przemieszczenia tłoka siłownika
przedstawia rysunek 1.
Rys.1 Układ regulacji połoŜenia tłoka siłownika: 1-sterownik zdalny, 2-regulator PID, 3-
serwozawór(wzmacnacz elektrohydrauliczny), 4-siłownik wykonawczy, 5-czujnik przemieszczenia, 6-
zasilacz hydrauliczny
Zasilacz
hydrauliczny
Konspekt: Serwozawory
2
Wzmacniacz elektrohydrauliczny w tym układzie zasila siłownik będący elementem wykonawczym.
Przemieszczenie tłoczyska siłownika mierzone jest czujnikiem przemieszczeń (czujnik indukcyjny).
Sygnał z czujnika, jako sygnał sprzęŜenia zwrotnego, podawany jest do regulatora elektronicznego,
gdzie po porównaniu z sygnałem zadanym, jako sygnał uchybu przetwarzany jest dalej w regulatorze PID.
Wzmocniony napięciowy sygnał uchybu jest przekształcany na sygnał prądowy doprowadzony do cewek
silnika momentowego wzmacniacza elektrohydraulicznego.
Współczynniki regulatora PID moŜna regulować w szerokim zakresie celem uzyskania
wymaganych własności dynamicznych obwodu. Sygnał zadany wytwarzany jest w sterowniku zdalnym
(stosowanym np. w maszynach samojezdnych) lub w urządzeniu sterującym (np. komputerze).
Układ regulacji siły jest podobny do przedstawionego z tym, Ŝe sygnał sprzęŜenia zwrotnego
wytwarzany jest przez czujnik siły.
W układzie regulacji prędkości sygnał sprzęŜenia otrzymywany jest z kolei z czujnika prędkości,
którym moŜe być np. prądnica tachometryczna w przypadku, gdy elementem wykonawczym jest silnik
hydrauliczny.
3. Budowa i działanie serwozaworu (wzmacniacza elektrohydraulicznego) f. Moog
Serwozawór (wzmacniacz elektrohydrauliczny) steruje kierunkiem i natęŜeniem przepływu przy
duŜych częstotliwościach. Budowę serwozaworu przedstawiono na rysunku 2.
Wzmacniacz składa się z następujących zespołów:
- silnika momentowego,
- wzmacniacza pierwszego stopnia typu dysze-przysłona,
- wzmacniacza drugiego stopnia (suwak + kanały sterujące)
- oraz mechanicznego sprzęŜenia zwrotnego.
Rys. 2 Budowa serwozaworu: 1-sterownik elektroniczny, 2-cewki silnika momentowego, 3-magnes
stały, 4,5-osłonymagnesu, 6-zwora, 7-rurka spręŜysta, 8-przysłona, 9-dysza, 10-pręt spręŜysty
(ujemne sprzęŜenie zwrotne), 11-suwak, 12,13-czoła suwaka, 14-dławiki (kryzy), 15-filtr 3µm
Konspekt: Serwozawory
3
Sygnał prądowy dostarczany jest ze sterownika elektronicznego 1 do cewek 2 silnika
momentowego. Silnik przetwarza sygnał prądowy proporcjonalnie na moment obrotowy zwory 6. Zwora
wraz z przysłoną 8, połączona jest cienkościenną odkształcalną spręŜyście rurką 7. Rurka ta podpiera
przegubowo przysłonę oraz oddziela szczelnie część hydrauliczną od silnika.
Olej do dysz dopływa przez dławiki 14. W środkowym połoŜeniu przysłony kryzy dławiące 14 są tak
dobrane, aby spadek ciśnienia na nich wynosił połowę ciśnienia zasilania np. 10 MPa przy ciśnieniu
zasilania 20 MPa.
Wychylenie zwory powoduje zbliŜenie np. przysłony 8 do lewej dyszy 9 oraz odsunięcie przysłony
od dyszy prawej. Zmniejszenie szczeliny wypływowej dla dyszy po lewej stronie powoduje zmniejszenie
ilości oleju wypływającego z dyszy a tym samym zmniejszenie spadku ciśnienia na niej np. do wartości
6 MPa. Stąd ciśnienie działające na czoło suwaka po lewej stronie wynosić będzie
20 MPa – 6 MPa =14 MPa. Dla dyszy po prawej stronie natęŜenie przepływu wzrośnie i wzrośnie równieŜ
spadek ciśnienia na tej dyszy np. do wartości 14 MPa. Ciśnienie działające po prawej stronie suwaka
wynosi 20 MPa – 14 MPa = 6 MPa. Całkowita róŜnica ciśnień działająca na suwak to 14 – 6 = 8 MPa.
RóŜnica ta pomnoŜona przez powierzchnię czoła suwaka daje siłę potrzebną na pokonanie oporów ruchu i
przyspieszanie suwaka. W środkowym połoŜeniu przysłony róŜnica ciśnień działająca na czoła suwaka
wynosi zero ( 10 – 10 = 0 MPa).
Dysze są dobrane i cały układ zestrojony tak, aby róŜnica ciśnień ∆p była liniową funkcją prądu
silnika. Przemieszczający się w prawo suwak 11 otwiera odpowiednio kanały przepływowe P-A lub P-B i
pociąga za sobą pręt spręŜysty 10, który wywiera moment przeciwny do momentu silnika. Po osiągnięciu
wymaganego przemieszczenia suwaka ustala się równowaga obu momentów, a przysłona wraca w
połoŜenie środkowe. Ciśnienia działające na powierzchnie suwaka wyrównują się. Pręt spręŜysty 10 pełni
rolę mechanicznego sprzęŜenia zwrotnego.
Kierunek obrotu zwory jest określony biegunowością prądu, przy czym wartość kąta obrotu jest
proporcjonalna do natęŜenia prądu sterującego. Przy zaniku prądu zwora wraca do połoŜenia środkowego.
Zasada działania serwozaworu polega więc na tym, Ŝe sygnał prądowy zamieniony jest w silniku
na przemieszczenie przysłony, które we wzmacniaczu pierwszego stopnia transformowane jest na róŜnicę
ciśnień, a ta z kolei jest przekształcona w drugim stopniu na przemieszczenie suwaka 11 sterującego
natęŜeniem przepływu w kanałach do odbiornika.
Jak widać z rysunku 2 para suwakowa (suwak-krawędzie kanałów sterujących) posiada przekrycia
zerowe, konieczne do pracy przy duŜych prędkościach.
p
p
8
9
p
B
11
14
14
p
A
p
p
Rys. 3 Wzmacniacz typu dysze-przysłona oraz wykres róŜnicy ciśnień ∆p w funcji prądu
sterującego silnika
Konspekt: Serwozawory
4
4. Charakterystyki serwozaworu (wzmacniacza elektrohydraulicznego)
Na rysunku 4 przedstawiono charakterystyki: amplituda i przesunięcie fazowe w funkcji
częstotliwości pracy serwozaworu. Charakterystyka amplitudowa podaje zaleŜność zrealizowanej
amplitudy w postaci natęŜenia przepływu dla serwozaworu w funkcji częstotliwości sygnału sterującego.
Widać, Ŝe od około 40 Hz następuje niewielki wzrost amplitudy. Przy sygnale sterującym powyŜej 100 Hz
amplituda Q zmniejsza się. Jest to spowodowane krótkim czasem przesterowania suwaka i maleje ilość
oleju, która moŜe wówczas przepłynąć przez kanały sterujące A, B (połączone z odbiornikiem)
serwozaworu.
Amplituda podawana jest w dB, gdzie:
Hz
Q
Q
dB
1
log
20
1
ψ
⋅
=
gdzie:
- Q
v
– natęŜenie przepływu przy częstotliwości ν sygnału sterującego,
- Q
1Hz
- natęŜenie przepływu przy częstotliwości 1 Hz sygnału sterującego
Przesunięcie fazowe opisuje opóźnienie sygnału odpowiedzi (natęŜenie przepływu przez serwozawór) w
stosunku do sygnału sterującego (rys.5).
Rys. 5 Opóźnienie sygnału odpowiedźi układu (linia przerywana) w stosunku do sygnału sterującego
Q
Rys.4 Przykładowa charakterystyka amplitudowo, fazowo-częstotliwościowa serwozaworu
Konspekt: Serwozawory
5
Częstotliwość graniczną pracy serwozaworu (z teorii regulacji) wyznacza spadek amplitudy o –3 dB lub
przesunięcie fazowe ϕ=90
0
. Odczytane wartości z wykresu róŜnią się między sobą, jednak w konkretnym
zastosowaniu decyduje najczęściej jedno kryterium.
5. Zawory proporcjonalne (przepływowe)
Rysunek 8 przedstawia charakterystyki rozdzielacza proporcjonalnego, który jest prostszy w
budowie niŜ serowzawór a przez to tańszy. Zakres realizowanych częstotliwości jest znacznie mniejszy w
porównaniu z serwozaworem i wynosi maksymalnie 10-20 Hz. Klasyczny rozdzielacz sterowany
elektrycznie ma częstotliwość przełączania 2 Hz (prąd zmienny) do 4Hz (prąd stały). Zawór
proporcjonalny (rys.6) zbudowany jest najczęściej z elektromagnesu proporcjonalnego (przetwornik
elektromechaniczny) oraz przetwornika mechaniczno-hydraulicznego, którym jest zawór suwakowy
przetwarzający sygnał mechaniczny na proporcjonalne ciśnienie lub natęŜenie przepływu. Zawory
proporcjonalne mogą być 1, 2, 3 – stopniowe. Nazwa zaworu została wzięta od elektromagnesu
sterującego, który ma liniową charakterystykę, tj. siła lub przesunięcie suwaka są proporcjonalne do
wartości prądu elektrycznego.
Rys. 6 Budowa zaworu proporcjonalnego: 1-czujnik połoŜenia, 2-elektromagnes proporcjonalny, 3-zawór
suwakowy, 4-suwak, 5- spręŜyna
Rys. 7 Charakterystyka przepływowa w funcji napięcia sterującego oraz symbol zaworu proporcjonalnego
Konspekt: Serwozawory
6
6. Serwomechanizmy hydrauliczne
Serwomechanizmem (serwonapędem) hydraulicznym nazywamy urządzenie sterujące ze
sprzęŜeniem zwrotnym o duŜej dokładności działania i hydraulicznym wzmocnieniem mocy (siły lub
momentu). W serwomechanizmie wejściowy sygnał sterujący jest najczęściej zmienny i odpowiedzi
układu nadąŜają za zmianami tego sygnału. Stąd serwomechanizmy nazywane są takŜe układami
nadąŜnymi lub śledzącymi.
Przykładowy schemat serwomechanizmu pokazano na rysunku 1 tego opracowania. Jest to typowy
serwomechanizm hydrauliczny z połoŜeniowym sprzęŜeniem zwrotnym.
7. ŁoŜysko hydrostatyczne
W łoŜyskach hydrostatycznych zrównowaŜenie obciąŜenia zewnętrznego następuje przez
wytworzenie odpowiednich wartości ciśnień statycznych w komorach nośnych łoŜyska. Olej do komór
nośnych dostarczany jest z pompy olejowej pod odpowiednim ciśnieniem statycznym przez dławiki.
ŁoŜyska te mogą być poprzeczne i wzdłuŜne, dwu, cztero lub sześcio komorowe.
Do zalet łoŜysk hydrostatycznych zaliczamy:
- nośność i sztywność łoŜyska jest niezaleŜna od prędkości obrotowej czopa (a nawet moŜe być równa
zero),
- w łoŜysku występuje cały czas tarcie płynne dlatego elementy łoŜyska nie ulegają zuŜyciu przez
ścieranie, co pozwala teŜ na wykonanie panewki tego łoŜyska ze stali a nie z drogiego np. brązu,
- nie wymagają tak dokładnego wykonania jak łoŜyska hydrodynamiczne z uwagi na znacznie większy luz
promieniowy (nawet 10 razy),
- znacznie mniejszy jest wpływ błędów kształtu czopa i panewki na dokładność obrotu wału (wrzeciona)
niŜ w łoŜyskach hydrodynamicznych,
Rys.8 Przykładowa charakterystyka amplitudowo, fazowo-częstotliwościowa zaworu
proporcjonalnego: prąd znamionowy, 25% prądu znamionowego
Konspekt: Serwozawory
7
- przy zastosowaniu odpowiednich członów automatycznej regulacji w układzie zasilania łoŜyska moŜna
uzyskać sztywność nieskończenie wielką,
- lepiej tłumią drgania niŜ łoŜyska toczne (dorównują łoŜyskom hydrodynamicznym),
- korzystne warunki wymiany ciepła z otoczeniem (wypływający olej z łoŜyska odprowadza jednocześnie
ciepło wytworzone przez tarcie lepkie).
Wadami łoŜysk hydrostatycznych są duŜe koszty wykonania instalacji hydraulicznej oraz większe
koszty utrzymania obrabiarki w ruchu.
Zasada pracy łoŜyska hydrostatycznego podobna jest do pracy wzmacniacza hydraulicznego typu
dysze – przysłona. Olej z pompy dopływa poprzez dławiki do odpowiednich komór nośnych łoŜyska a z
komór nośnych wypływa w kierunku osiowym przez dławiki, którymi są luzy między czopem a panewką.
Jeśli do czopa przyłoŜymy obciąŜenie poprzeczne to następuje jego przemieszczenie z połoŜenia
środkowego (rys. 9).
W komorze dolnej luzy (szczelina wypływowa oleju) się zmniejszają, a w górnej powiększają. Stąd z
dolnej komory nośnej wypływa mniej oleju i spadek ciśnienia na dławiki dopływowym do komory jest
mniejszy co powoduje, Ŝe ciśnienie w tej komorze wzrasta. W komorze górnej sytuacja jest odwrotna i
ciśnienie w tej komorze spada. RóŜnica ciśnień w obu komorach pomnoŜona przez powierzchnię nośną
komory daje siłę, która równowaŜy obciąŜenie zewnętrzne przyłoŜone do czopa.
Rys. 9 Schemat układu hydraulicznego zasilania łoŜyska hydrostatycznego oraz przekrój poprzeczny przez łoŜysko