POLITECHNIKA RADOMSKA im. KAZIMIERZA
PUŁASKIEGO
Wydział Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów l Maszyn
LABORATORIUM
NAPĘDÓW l STEROWANIA HYDRAULICZNEGO l PNEUMATYCZNEGO
Temat: Sterowanie sekwencyjne układów hydraulicznych
CEL
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadą działania podstawowych
hydraulicznych elementów sterujących oraz moŜliwościami ich praktycznego wykorzystania w
sterowaniu sekwencyjnym układów hydraulicznych.
WPROWADZENIE
Sterowanie napędów hydrostatycznych sprowadza się do zmiany jego parametrów
wyjściowych. Parametrami tymi są: prędkość, siła, moment i kierunek ruchu. W zaleŜności od
rodzaju elementu roboczego napędu (silnik obrotowy lub liniowy) parametrami tymi są: prędkość
obrotowa n
2
lub liniowa v, siła F lub moment M, moc N=Mn lub N=Fv.
Parametry te są funkcjami następujących czynników:
vs
s
q
Q
n
η
⋅
=
[obr/min] (5.1)
vsk
S
Q
V
η
⋅
=
[m/s] (5.2)
ms
hs
s
p
q
M
η
η
π
⋅
⋅
⋅
=
2
[Nm] (5.3)
msk
hsk
p
S
F
η
η
⋅
⋅
⋅
=
[N] (5.4)
gdzie:
Q - natęŜenie przepływu cieczy doprowadzonej do odbiornika
q
s
- chłonność jednostkowa silnika
S - powierzchnia czynna tłoka siłownika
p- ciśnienie cieczy na wejściu do silnika ( pominięto ciśnienie na wyjściu z silnika)
η
hs
, η
ms
, η
hsk
, η
msk
, - odpowiednie sprawności hydrauliczne i mechaniczne silnika.
Z tych zaleŜności wynikają ogólne zasady sterowania parametrów wyjściowych napędów
hydrostatycznych, które moŜemy wyrazić następującymi funkcjami:
1 . Prędkość wyjściowa n = f (Q, V
gs
) lub v =f(Q, S)
2. Moment M = f(p, V
gs
) lub siła F = f(p, S)
Z zaleŜności tych wynika, iŜ sterowanie prędkości wyjściowej silnika moŜe być realizowane
przez zmianę wydajności pompy, zmianę oporów przepływu cieczy w instalacji lub zmianę
parametrów silnika (zmiana q
s
lub S).
Sterowanie momentu lub siły moŜe być realizowane przez zmianę ciśnienia na wyjściu z pompy,
zmianę ciśnienia w instalacji lub zmianę parametrów silnika lub siłownika (zmiana q
s
lub S).
W napędach hydrostatycznych pojazdów i maszyn roboczych najczęściej stosuje się
sterowanie prędkości a siły i momenty wynikają z obciąŜenia maszyny. W zaleŜności od tego
obciąŜenia ustala się wartość ciśnienia cieczy na wejściu do silnika. W napędach
hydrostatycznych pojazdów i maszyn roboczych nie stosuje się na ogół regulacji tego ciśnienia
ograniczając jedynie jego max wartość za pomocą odpowiednich zaworów bezpieczeństwa.
Ogranicza to wartość max momentów lub sił zabezpieczając cały układ przed przeciąŜeniem.
W celu realizacji sterowania ww. parametrów hydrauliczny układ napędowy musi być
wyposaŜony w odpowiedni układ sterujący usytuowany miedzy pompą a elementem
wykonawczym (silnikiem lub siłownikiem). Zadaniem układu sterującego jest doprowadzenie
strumienia cieczy roboczej do odbiornika zgodnie z wymaganym do realizacji danego ruchu
kierunkiem oraz natęŜeniem przepływu i ciśnieniem.
Układ sterujący składa się z elementów wytwarzających sygnały, do których naleŜą
dźwignie, przyciski, wyłączniki, czujniki członów sterujących (od prostych przekaźników do
mikroprocesorów) oraz człony wykonawcze, czyli zawory słuŜące do sterowania wartością i
kierunkiem przepływu cieczy roboczej.
Zawory stanowią najbardziej rozbudowaną grupę elementów hydrostatycznych układów
napędowych. Wynika to z bardzo zróŜnicowanych funkcji, jakie mają do spełnienia w układzie.
Najogólniej mówiąc, zawory powinny umoŜliwiać uruchomienie, zatrzymanie i zmianę kierunku
ruchu silnika. Od wyboru tych elementów zaleŜy funkcjonalność układu. Wybór typu i wielkości
zaworu jest zdeterminowany wymaganiami napędzanej maszyny lub urządzenia, a takŜe
wartościami natęŜeń przepływu i ciśnienia czynnika roboczego. Podział zaworów, oparty na
normie PN-79/M-73022 przedstawiono na rys. 1.
Rys.5.1. Ogólna systematyka zaworów
Zawory dzielimy na zawory natęŜeniowe, ciśnieniowe, kierunkowe i specjalne.
Zawory kierunkowe słuŜą do zmiany kierunku przepływu czynnika roboczego, co
wywołuje zmianę kierunku ruchu siłownika lub obrotu silnika.
Zawory natęŜeniowe słuŜą do regulacji natęŜenia przepływu czynnika roboczego
dostarczanego do odbiornika w celu sterowania prędkością silnika lub ustalenia jej na zadanym
poziomie. Pierwszy cel moŜna osiągnąć za pomocą zaworów dławiących, umoŜliwiających
zmianę prędkości roboczej silnika zasilanego przez pompę o stałej wydajności. W drugim
przypadku stosowane będą regulatory przepływu, pozwalające stabilizować prędkość silnika,
niezaleŜnie od zakłóceń w postaci zmian obciąŜenia silnika lub wydajności pompy, wywołanych
np. zmianą prędkości obrotowej silnika napędowego.
Zawory dławiące są najprostszymi zaworami natęŜeniowymi. SłuŜą do regulacji prędkości
ruchu hydraulicznych urządzeń roboczych przez zmianę natęŜenia dopływu cieczy poprzez
zmianę przekroju poprzecznego przepływu.
Istnieją dwa sposoby zabudowy zaworów dławiących:
- w odgałęzieniu ciśnieniowym (zasilającym) - regulacja na dopływie
- w odgałęzieniu odpływowym (przelewowym) - regulacja na odpływie
Najczęściej zawory nastawcze wbudowywane są w odgałęzieniach odpływowych co
zapewnia odpowiednią sztywność układu i tłumienie drgań.
Synchronizatory naleŜą do grupy zaworów sterujących natęŜeniem przepływu a ich
zadaniem jest podział strumienia zasilającego w określonym stosunku. JeŜeli stosunek podziału
natęŜeń strumieni będzie równy 1, silniki będą mogły pracować z jednakową prędkością
niezaleŜnie od ich obciąŜeń zewnętrznych.
Regulatory przepływu słuŜą do utrzymania stałego, nastawionego natęŜenia przepływu
czynnika roboczego, niezaleŜnie od zmian ciśnienia w układzie wynikającego ze zmian
obciąŜenia mechanizmu wykonawczego.
RozróŜniamy regulatory dwu i trzydrogowe. Są to konstrukcje powstałe z połączenia
zaworu dławiącego i zaworu róŜnicowego. Na natęŜenie strumienia regulowanego w
decydującym stopniu wpływa zawór dławiący, na którym utrzymana jest stała wartość spadku
ciśnienia za pomocą zaworu róŜnicowego.
Zawory ciśnieniowe moŜemy podzielić na zawory ograniczające ciśnienie i regulatory
ciśnienia.
Zawory ograniczające ciśnienie reagują na zmiany ciśnienia przed zaworem. JeŜeli
ciśnienie, przed zaworem podwyŜszy się tak, Ŝe iloczyn ciśnienia oraz czynnej powierzchni
przekroju zaworu stanie się większy niŜ nacisk spręŜyny wynikający z jej wstępnego napięcia,
element zamykający zaworu zostaje odepchnięty od gniazda, otwierając wolny przelot, którym
ciecz robocza przepływa do zbiornika.
Zawór bezpieczeństwa, zabezpiecza układ przed wzrostem ciśnienia ponad dopuszczalną
wartość, głównie w przypadku przeciąŜenia lub awarii. W czasie normalnej pracy układu zawór
ten jest zamknięty. Przy wzroście ciśnienia powyŜej wartości ustalonej na zaworze łączy linię
ciśnieniową ze zbiornikiem. Zawór bezpieczeństwa powinien otworzyć się natychmiast w
przypadku nagłego wzrostu ciśnienia, poniewaŜ tylko wówczas skutecznie zapobiega
chwilowemu choćby podwyŜszeniu się ciśnienia w układzie powyŜej wartości dopuszczalnej.
Zawór przelewowy słuŜy do utrzymania stałej wartość ciśnienia przed zaworem poprzez
odprowadzenie nadmiaru cieczy z odgałęzienia roboczego. PrzewaŜnie zawór przelewowy
spełnia jednocześnie zadania zaworu bezpieczeństwa.
Do zaworów regulujących ciśnienie zaliczamy zawory redukcyjne, róŜnicowe i
proporcjonalne
Zawór redukcyjny słuŜy do utrzymywania określonego obniŜonego ciśnienia roboczego w
jednym z odgałęzień lub w części układu hydraulicznego.
Zawór róŜnicowy utrzymuje stałą róŜnicę ciśnień przed i za zaworem.
Zawór ciśnieniowy proporcjonalny utrzymuje stały stosunek ciśnień przed i za zaworem.
Zawory odcinające słuŜą do zamykania i otwierania przepływu cieczy do poszczególnych
odgałęzień lub zespołów układu hydraulicznego. W zaleŜności od przeznaczenia oraz sposobu, w
jaki się tego dokonuje, zawory te moŜna podzielić na zawory odcinające proste i zawory zwrotne.
Zawór zwrotny zapewnia swobodny przepływ czynnika roboczego w jednym kierunku i
uniemoŜliwia jej przepływ w kierunku przeciwnym (zapobiega wstecznemu przepływowi,
cofaniu się cieczy). Zawory zwrotne powinny szybko zamykać się i otwierać. SpręŜyna
obciąŜająca zawór zwrotny jest na ogół słaba, zapewnia jednak natychmiastowe zamknięcie się
zaworu z chwilą ustania przepływu cieczy. W sytuacjach, kiedy chcemy maksymalnie
zminimalizować opory przepływu stosowane są zawory zwrotne bez spręŜyn dociskowych,
zamykające się dzięki opadaniu kulki lub płytki pod własnym cięŜarem. Zawory te muszą być
montowane w pozycji zapewniającej docisk elementu zamykającego do gniazda siłą cięŜkości.
JeŜeli wymaga się szczególnie szybkiego zamykania zaworu zwrotnego, to jego ruchomy
element roboczy powinien mieć moŜliwie małą bezwładność i wykonywać jak najkrótszy skok.
Wymagania te najlepiej spełnia zawór zwrotny płytkowy.
Kierunek przepływu cieczy przez zawór zwrotny jest zwykle oznaczony strzałką na
korpusie.
Zawory kierunkowe zwane rozdzielaczami słuŜą do sterowania kierunkiem przepływu
czynnika roboczego w układzie. Usytuowane są pomiędzy elementami układu napędowego
(zbiornik, pompa) a silnikiem. Przesterowanie elementu sterującego rozdzielacza umoŜliwia
realizację róŜnych kombinacji połączeń między tymi elementami.
Rys.5. 2. Budowa i zasada działania rozdzielaczy: a) suwakowego, b) zaworowego, c)
obrotowego.
Ze względu na rodzaj elementu sterującego rozdzielacze moŜna podzielić na suwakowe,
zaworowe i obrotowe rys. 5.2.
Głównym elementem rozdzielacza suwakowego (rys. 5.2a) jest cylindryczna para
suwakowa utworzona przez cylindryczną tuleję i współpracujący z nią szczelnie dopasowany
suwak tłoczkowy. W tulei są wykonane otwory, którymi jest doprowadzany lub odprowadzany
czynnik roboczy. Łączenia poszczególnych otworów dokonuje się przemieszczając suwak
osiowo względem nieruchomej tulei. W połoŜeniu / dźwigni sterującej otwory P i A są
połączone. Przestawiając dźwignię w połoŜenie //, uzyskuje się zamknięcie otworu P i połączenie
otworów A i Z.
W rozdzielaczu zaworowym (rys.5.2.b) rozrządu cieczy dokonuje się za pomocą zespołu
zaworów wzniosowych otwierających lub zamykających odpowiednie otwory przelotowe.
W rozdzielaczach obrotowych (rys. 5.2.c), łączenie poszczególnych dróg odbywa się przez
obrót trzpienia, szczelnie dopasowanego w obudowie.
Ze względu na ilość dróg dzielimy rozdzielacze na dwu i więcej drogowe. Ilość dróg to ilość
wyjść z wnętrza rozdzielacza na zewnątrz. Ilość dróg mówi nam o ilości przyłączy roboczych do
rozdzielacza. Dwa z nich to doprowadzenie i odprowadzenie czynnika roboczego, pozostałe to
przyłącza organów roboczych.
Ze względu na liczbę połoŜeń rozdzielacze dzielą się na dwu i wielo połoŜeniowe. Ilość
połoŜeń mówi o ilości moŜliwych do realizacji ruchów organu roboczego (wysuw, powrót lub
zatrzymanie tłoczyska siłownika, lewe lub prawe obroty silnika hydrostatycznego)
Wyboru elementów sterujących najczęściej dokonujemy na podstawie analizy cyklogramu
pracy maszyny.
Przy wyborze rozdzielacza musimy uwzględnić średnicę nominalną przelotu, ilość dróg,
ilość niezbędnych połoŜeń sterujących, rodzaj połączeń dróg w poszczególnych połoŜeniach oraz
rodzaj sterowania. NaleŜy uwzględnić równieŜ ilość elementów wykonawczych w celu wyboru
optymalnej ilości zaworów rozdzielających. W przypadku większej ilości elementów
wykonawczych
(siłowników
i
silników
obrotowych)
naleŜy
stosować
rozdzielacze
wielosekcyjne.
W celu zrealizowania ruchu roboczego siłownika jednostronnego działania naleŜy
doprowadzić do niego czynnik roboczy pod ciśnieniem, ruch powrotny natomiast wymuszany
jest działaniem spręŜyn znajdujących się wewnątrz lub na zewnątrz siłownika czy teŜ cięŜarem
własnym tłoka, tłoczyska i związanych z nimi mas. Sterowanie takimi siłownikami umoŜliwiają
zaleŜnie od rodzaju cyklu roboczego, rozdzielacze 3/2 (trójdrogowe, dwu połoŜeń i owe), 3/3
(trójdrogowe, trójpołoŜeniowe) lub przy bardziej rozbudowanym sterowaniu rozdzielacze 4/3
(czterodrogowe, trójpołoŜeniowe). Przykładowe układy sterowania siłownikami jednostronnego
działania przedstawiono na rys. 5.3.
W celu zrealizowania ruchu postępowo-zwrotnego siłownika dwustronnego działania
(rys.5.4) naleŜy doprowadzić czynnik roboczy pod ciśnieniem przemiennie do obu przestrzeni
roboczych cylindra. Sterowanie takimi siłownikami umoŜliwiają, zaleŜnie od rodzaju cyklu
roboczego, rozdzielacze 4/2 (czterodrogowe, dwupołoŜeniowe) lub 4/3 (czterodrogowe,
trójpołoŜeniowe).
Sterowanie tymi rozdzielaczami moŜe być realizowane elektrycznie, hydraulicznie lub
mechanicznie.
W wielu przypadkach ze względów bezpieczeństwa naleŜy stosować sterowanie dwuręczne
rys 5.5.
W wielomechanizmowych układach napędowych maszyn, pracujących w cyklu
automatycznym, poszczególne czynności cyklu roboczego następują zawsze w ustalonej
kolejności. Sterowanie umoŜliwiające pracę maszyny w taki sposób nosi nazwę sterowania
sekwencyjnego. Sekwencyjne układy sterujące mają bardzo zróŜnicowany stopień złoŜoności.
Obejmują zarówno proste dwuczynnościowe mechanizmy, jak teŜ bardzo złoŜone układy
sterowania programowego.
W zaleŜności od sposobu działania moŜna wyróŜnić:
- sterowanie bezpośrednie
- sterowanie pośrednie.
W sterowaniu bezpośrednim organ roboczy oddziałuje mechanicznie na elementy sterujące
za pomocą popychaczy lub zespołu dźwigni. PoniewaŜ włączanie i wyłączanie elementu
sterującego następuje w określonym połoŜeniu roboczym mechanizmu lub siłownika, sterowanie
to nazywa się równieŜ sterowaniem połoŜeniowym. Podczas sterowania bezpośredniego moŜna
korzystać takŜe z ciśnienia w układzie jako sygnału do uruchomienia elementu sterującego w
postaci zaworów ciśnieniowych róŜnych typów np. maksymalnych rys.5.6. Mówimy wtedy o
sterowaniu ciśnieniowym.
W sterowaniu pośrednim istnieje dodatkowy obwód sterujący (elektryczny, pneumatyczny lub
hydrauliczny) o małej mocy, oddziałujący na elementy sterujące układem roboczym.
Rys.5. 3. Układy sterowania siłownikiem jednostronnego działania: a) siłownikiem napędzającym pompę i
rozdzielaczem 2/2, b) rozdzielaczem 4/2, c) rozdzielaczem 3/3
Rys.5. 4. Układy sterowania siłownikiem dwustronnego działania: a) rozdzielaczem 4/2 współpracującym z
wyłącznikiem silnika napędzającego pompę, b) rozdzielaczem 4/3 i odciąŜoną pompą, c) rozdzielaczem 4/3
i zaworem umoŜliwiającym unieruchomienie tłoka w dowolnym połoŜeniu
Rys.5. 4. Sterowania dwuręczne: a) rozdzielaczami sterowanymi ręcznie, b) elektrycznie
Najczęściej w obwodach sterujących stosuje się układy elektryczne lub elektroniczne, które
zestawia się z typowych elementów stosowanych w automatyce przemysłowej. Sterowanie
pośrednie moŜna podzielić na:
-
połoŜeniowe
-
ciśnieniowe
-
czasowe
Rys.5. 6. Sterowanie sekwencyjne ciśnieniowe uchwytu obróbkowego zaworem
maksymalnym z wewnętrznym odprowadzeniem przecieków
W sterowaniu połoŜeniowym organ wykonawczy oddziałuje na przyciski elektryczne lub
wyłączniki krańcowe, którymi sterowane są silniki pomp oraz elektromagnesy rozdzielaczy i
zaworów róŜnych rodzajów. Przy sterowaniu ciśnieniowym korzysta się z manometrów
stykowych i przełączników ciśnieniowych, natomiast w sterowaniu czasowym z przekaźników
czasowych.
Schemat hydrauliczny uchwytu rys.5.6 jest przykładem zastosowania sekwencyjnego sterowania
ciśnieniowego bezpośredniego. Włączenie mechanizmu rozdzielaczem elektromagnetycznym 2/2
powoduje uruchomienie siłownika M1, dociskającego element do opory pionowej. Po zaciśnięciu
przedmiotu następuje wzrost ciśnienia w obwodzie powoduje otwarcie zaworu maksymalnego i
uruchomienie siłowników M2
STANOWISKO LABORATORYJNE
Stanowisko składa się z typowych elementów hydrauliki siłowej zamocowanych na płycie
montaŜowej w sposób umoŜliwiający łączenie ich przewodami elastycznymi w dowolne układy
sterujące. Na rys. 5.7 przedstawiono układ sterowania sekwencyjnego, zaleŜnego od drogi, dwóch
siłowników dwustronnego działania realizujący cykl roboczy zgodnie z cyklogramem
przedstawionym na rys. 5.8 zapewniający pracę siłowników w cyklu automatycznym i
pojedynczym.
W połoŜeniu wyjściowym siłowników M1 i M2 tłoki znajdują się w wewnętrznym skrajnym
połoŜeniu. Przyciskiem elektrycznym d wzbudzenia doznaje elektromagnes s, przesterowujący
lewy rozdzielacz w połoŜenie, przy którym siłownik M1 wykonuje wysuwowy ruch roboczy.
W końcowej fazie ruchu zderzak związany z tłoczyskiem wchodzi w kontakt z wyłącznikiem w,
inicjującym wzbudzenie elektromagnesu s3.
Elektromagnes przesterowuje rozdzielacz uruchamiający siłownik M2, który wykona ruch
wysuwowy. Tłoczysko siłownika, w skrajnym zewnętrznym połoŜeniu, oddziałuje na wyłącznik
w2 i powoduje przesterowanie rozdzielacza lewego w połoŜenie, przy którym tłoczysko siłownika
M1 wykonuje ruch powrotny. W skrajnym wewnętrznym połoŜeniu wyłącznik w4 wzbudzi
elektromagnes s4, a więc przesteruje rozdzielacz prawy i uruchamia siłownik M2, który wykona
ruch wsuwowy. Wyłącznik krańcowy w4 wyłącza układ, który osiągnął w ten sposób stan
wyjściowy.
Rys.5. 7. Schemat hydrauliczny układu sterowania sekwencyjnego połoŜeniowego: 1- stacja zasilająca, 2 -
zawór rozdzielający 4-drogowy 3-potoŜeniowy sterowany elektrycznie, 3 - zawory dławiąco-zwrotne, M1,
M2 - siłownik hydrauliczny dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem,
w1, w2, w3, w4 - wyłączniki krańcowe.
Rys.5. 8. Cyklogram pracy układu
Przedstawioną na rys. 5.9 tabelę łączeń naleŜy przed projektowaniem układu uzupełnić
dodatkowymi informacjami dotyczącymi np.:
- warunków, jakie muszą być spełnione w chwili uruchomienia programu,
-
zachowania się układu w przypadku zaniku prądu w sieci zasilającej,
-
sposobu sterowania w przypadku napraw
-
konieczności zatrzymania siłowników w dowolnym połoŜeniu przez odrębny wyłącznik
d2
-
niedopuszczalności równoczesnego wzbudzenia elektromagnesów s1 i s2 oraz s3 i s4
-
wyposaŜenia układu w wyłącznik awaryjny, który podobnie jak w przypadku zaniku
prądu, wyłącza układ, a więc przerywa wzbudzenie wszystkich elektromagnesów.
Rys.5. 9. Tabela łączeń układu sterowania sekwencyjnego.
ZADANIE DO WYKONANIA
1. Zapoznać się z budową i zasadą działania elementów składowych układu stanowiska
2. Zmontować układ realizujący cykl roboczy zgodnie z cyklogramem przedstawionym na
rys.5.8, zapewniający pracę siłowników w cyklu automatycznym i pojedynczym.
3. Uruchomić układ i wyregulować prędkość wysuwu i powrotu tłoczysk siłowników zgodnie z
cyklogramem pracy układu.
4.
Przeanalizować
moŜliwość
zastosowania
dodatkowych
elementów
sterujących
zapewniających opóźnienie powrotu siłowników do pozycji wyjściowej.
PYTANIA KONTROLNE
1. Sterowanie układów hydraulicznych
2. Elementy sterujące
3. Układy z siłownikami jednostronnego działania
4. Układy z siłownikami dwustronnego działania
5. Sterowanie dwuręczne
6. Zacisk hydrauliczny Sterowanie sekwencyjne
7. Sterowanie bezpośrednie
8. Sterowanie pośrednie
9. Rodzaje sterowania pośredniego
10. Układ sterowania sekwencyjnego połoŜeniowego
11. Cyklogram pracy układu
12. Tabela łączeń
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:
1. Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny, t. 2. Warszawa WNT 1990.
2. Szydelski Z.: Elementy napędu i sterowania hydraulicznego i pneumatycznego. PWN,
Warszawa 1986.