TEHNICA SERVOELEMENTELOR HIDRAULICE

Atât în industria aviatica cât si aceea a zborurilor cosmice au determinat cercetarea fundamentala si dezvoltarea tehnicii electrohidraulicii si în special a servoelementelor. Desi aceste elemente sunt relativ scumpe datorita tehnicii de vârf aplicate la executia lor, ele îsi gasesc oportunitatea aplicarii în precizia comenzilor si exactitatea executiei acestora.

Datorita capacitatii de reglare a unor forte (cupluri) mari, cu viteze mari, în timpi scurti, (de ordinul milisecundelor) a putut fi crescuta capacitatea de transport a navelor, dar si viteza de zbor a acestora.

3.1 Notiuni introductive. Definitii.

Treptat, odata cu dezvoltarea industriala, s-a apelat si la tehnica de reglare cu servoelemente pentru controlul si reglarea automata a diferitelor operatii de proces. Datorita înaltelor precizii obtinute este justificata folosirea lor, deoarece chiar daca costurile sunt mai ridicate acestea se recupereaza prin eficienta reglarii.

Indiferent de locul unde sunt folosite în tehnica, servoelementele îndeplinesc cereri deosebit de pretentioase privind rapiditatea, precizia si eficienta reglarii.

Notiunea de "servohidraulica" nu este înca pe deplin definita, mai apropiata de realitate fiind notiunea de "tehnica de reglare electrohidraulica", care cuprinde acele aplicatii tehnice în care elementele electrohidraulicii (servoelementele) opereaza în circuite de reglare. Acest lucru înseamna ca programul de functionare este controlat continuu prin tehnica de masurare si abaterile care apar de la acest program sunt corectate automat. In esenta sunt controlate niste marimi programate (necesare), care pot fi:

- mecanice: cursa, viteza, forta, daca miscarea este de translatie si unghi de rotatie, turatie si moment, daca miscarea este de rotatie.

- hidraulice: debitul volumic si presiunea.

Definitie Prin servohidraulica se întelege un tot format dintr-un bloc de reglare electronic si servoelementul hidraulic, în care tehnica electronica de comanda si 949c27j prelucrare a informatiilor se coreleaza cu tehnica hidraulica de reglare si transmisie, astfel încât la iesire se obtine un semnal cu încarcatura energetica mare pe seama unui semnal de intrare mic.

Pentru întelegerea acestei tehnici, a domeniului de aplicare cât si a limitelor puterilor vehiculate este absolut necesara cunoasterea notiunilor din tehnica de reglare: electronica, hidraulica si tehnica de masurare. Acest lucru conduce la idea clara ca sevohidraulica este o tehnica de sistem si deci toate componentele prin care se realizeaza reglarea trebuie luate în considerare.

Asadar un proiect bun, o reglare optima prin servohidraulica, depinde de cooperarea integrala a tuturor participantelor la realizarea proiectului si instalatiei.

Solutiile de compromis nu sunt indicate în asemenea tehnici mai ales daca se lucreaza în domenii în care pot fi periclitate viata oamenilor sau a mediului înconjurator.

3.1.1 Lant de comanda si 949c27j circuit de reglare

In tehnica de reglare sunt folosite adesea notiunile de lant de comanda si circuit de reglare. Pentru a nu crea confuzii sa exemplificam si sa studiem diferentele.

a) Lant de comanda. n figura 3.1 este prezentata o schema de comanda a unui cilindru hidraulic CH, cu un distribuitor cu reglare proportionala DP, iar alaturat schema bloc de comanda. La închiderea comutatorului C amplificatorul proportional A emite un semnal de comanda I_c catre electromagnetul distribuitorului proportional. Sertarul acestuia va efectua o cursa cu o valoare proportionala cu valoarea nominala reglate de la un potentiometru PN, exterior amplificatorului. Ca urmare a pozitiei sertarului, se realizeaza niste conexiuni între caile P, T, A si B, tija cilindrului CH se pune în miscare si la deschiderea comutatorului tija pistonului se opreste

într-un loc determinat.

Reproductibilitatea acestei miscari pentru aceeasi comanda data la comutator si pentru aceeasi valoare nominala de intrare este conditionata de:

- viscozitatea uleiului, care modifica comportamentul de raspuns al distribuitorului si caderea de presiune pe muchiile acestuia;

- caderea de presiune, care determina viteze de reglare diferite ale tijei cilindrului;

- forta rezistenta W si viteza de reglare care determina modificarea spatiului de frânare.

Toate aceste marimi perturbatoare influenteaza marimea de iesire a lantului de comanda si reproductibilitatea. Aceasta este specific lantului de comanda deschis , iar ansamblul de reglare este de tip programator si nu controleaza cu feed back sistemul de comanda.

b) Circuit de reglare. n figura 3.2. este prezentata schema unui circuit de reglare cu servoelement (servosupapa), de data ceasta cu feed back si alaturat schema bloc a acestuia.

De la potentiometrul PN se preselecteaza o valoare a tensiunii de comanda, corespunzatoare unei anumite pozitii a tijei cilindrului hidraulic CH.

Pozitia reala, efectiv realizata de tija este sesizata de traductorul de translatie TT, care emite un semnal corespunzator X_real si il introduce în comparatorul C. Ambele semnale sunt comparate în comparator care, dupa caz, va emite eroarea (abaterea de la reglare) ce va fi reintrodusa în amplificatorul proportional A si de aici la electromotorul de comanda al sevodistribuitorului SD. In consecinta, prin deplasarea sertarului se realizeaza o noua pozitie de lucru a cilindrului hidraulic CH. Aceasta noua pozitie determina o noua valoare reala a tensiunii care se apropie din ce în ce mai mult de valoarea nominala prescrisa, ceea ce tinde sa anuleze eroarea.

Aceasta scadere continua a abaterii de reglare are drept consecinta închiderea treptata a conexiunilor realizate la servodistribuitor si deci frânarea cilindrului. La atingerea pozitiei impuse eroarea devine nula si conexiunile sunt închise.

Se constata ca marimile perturbatoare evidentiate la circuitul deschis (lant de comanda) nu mai influenteaza reproductibilitatea miscarii deloc sau irelevant. Aceasta constituie caracteristica esentiala a tehnicii de reglare cu servoelemente hidraulice. Circuitul de comanda este cunoscut si sub denumirea de bucla de reglare.

3.1.2 Marimi caracteristice

n tehnica folosirii servoelementelor se folosesc o serie de marimi din care unele se caracterizeaza static, altele dinamic. Studiul acestor marimi devine important atunci când se folosesc asemenea elemente.

3.1.2.1 Marimi caracteristice statice

a) Debitul nominal Q_n n marea majoritate a cazurilor acest debit se indica la o cadere de presiune totala Dp_n = 7 MPa. Aceasta valoare este cea mai uzuala, dar se poate calcula orice valoare a debitului, pentru orice cadere de presiune Dp cu relatia:

în care: Q si Q_n , sunt debite, în l/min, iar Dp si Dp_n , sunt presiuni, în Pa.

Debitul nominal este corelat cu marimea nominala totala de comanda a servoelementului. Pentru o valoare nominala partiala debitul se modifica proportional cu aceasta valoare nominala de comanda.

b) Caracteristica de debit Q = f(I_c) Intre debitul ce tranziteaza la un moment dat servoelementul si valoarea nominala electrica de la intrare exista o corelatie analogica si aceasta se reprezinta prin caracteristica de debit asa cum se vede în figura 3.3.

Se disting doua puncte de lucru caracteristice:

- A, punctul de lucru în jurul valorii zero, unde teoretic nu exista nici o conexiune intre orificiile de lucru ale servoelementului ;

- B, punctul de lucru dincolo de zona zero, situatie în care exista o conexiune realizata în urma unei comenzi si în consecinta prin servoelement circula un debit de ulei proportional cu semnalul primit.

Studierea modului de reglare a debitului în aceste doua zone este deosebit de importanta pentru alegerea servoelementului. Astfel, se vor compara conditiile de functionare impuse prin tema de proiectare, cu cele pe care servoelementul este capabil sa le realizeze .

Capacitatea de reglare în zona A, situata în jurul punctului zero, este dependenta de suprapunerea muchiilor de comanda ale sertarului cu cele ale corpului servoelementului.

n continuare se vor analiza cele trei posibilitati de suprapunere ale muchiilor (fig. 3.4) unde în dreapta este prezentata situatia suprapunerii, iar în stânga caracteristica de debit specifica:

- Suprapunere zero (fig.3.4, a)

Este situatia ideala. Muchiile de comanda se suprapun perfect adica diferenta dintre muchiile de comanda este nula, U = 0. Debitul de tranzit este nul, dar la orice U > 0 exista un debit de tranzit la cel putin o conexiune ce se realizeaza pe muchiile de comanda.

Din diagrama se observa trecerea perfecta prin punctul zero si ca pentru cursa întreaga (100%), se realizeaza debitul maxim posibil, adica tot 100%, indiferent în ce sens se face deplasarea sertarului spre stânga sau spre dreapta.

Abaterile ce apar în diagrama se datoreaza imposibilitatii practice de a realiza suprapunerea perfecta a doua muchii consecutive ale sertarului cu ale corpului.

- Suprapunere pozitiva (fig. 3.4, b)

Se constata ca de data aceasta muchiile sertarului depasesc pe cele ale corpului cu

o valoare U ≠ 0. Prin servoelement nu tranziteaza nici un debit cât timp deplasarea sertarului, spre dreapta sau stânga este mai mica decât valoarea suprapunerii U U

Pentru orice U > U servoelementul este tranzitat continuu de un debit pe conexiunea care se realizeaza.

urmarind diagrama se constata, ca debitul maxim reglat este mai mic decât cel corespunzator suprapunerii zero, la deplasarea maxima a sertarului. De asemenea se observa ca în jurul punctului zero, pentru cursa U , servoelementul este insensibil.

Suprapunere negativa (fig. 3.4, c)

La suprapunerea negativa se constata ca desi sertarul nu se deplaseaza între muchiile sertarului si ale corpului exista o distanta U 0. Prin servoelement trece un debit egal prin ambele perechi de muchii, situatie ce se pastreaza cât timp U U

Pentru orice deplasare ce are loc spre stânga sau dreapta a sertarului, în conditia U U , una din conexiuni se închide si ramâne în continuare deschisa conexiunea pereche. Din diagrama se constata ca debitul maxim este atins înainte de efectuarea cursei maxime a sertarului. In punctul zero are loc un salt al debitului, DQ

In practica suprapunerea pozitiva si negativa este cel mai des întâlnita, deoarece este mai usor de executat si deci mai accesibila comercial. Functie de situatia reala a actionarii se va alege una din variante. n continuare se vor studia câteva exemple de utilizare si influenta suprapunerii asupra reglarii:

. Reglarea pozitiei si presiunii

Când este necesara reglarea, atât a pozitiei si presiunii unui element de executie, servoelementul opereaza în zona de lucru A (fig. 3.3), deci în jurul punctului zero. Se va alege un servoelement cu suprapunere zero sau o suprapunere negativa. Nu se accepta solutia cu suprapunere pozitiva deoarece în zona zero, muchiile sunt suprapuse si nu se transmit semnale de comanda, iar în afara domeniului în care are loc suprapunerea, deci pentru U > U , semnalele se transmit trunchiat, încât nu se poate regla stabil pozitia sertarului.

. Reglarea vitezei

Reglarea vitezei elementului se realizeaza prin reglarea debitului. Pentru reglarea debitului servoelementului se va lucra în zona B (fig. 3.3). Deci fara nici un dubiu se va prefera un servoelement cu suprapunere pozitiva.

. Functia de blocare la suprapunere pozitiva

Nu întotdeauna suprapunerea pozitiva asigura o blocare sigura a elementului de executie. De obicei se cauta ca suprapunerea sa fie cât mai mica, pentru ca în apropiere de zero sa se poata totusi realiza un debit de tranzit suficient.

n timpul functionarii, din cauza cresterii temperaturii asociata uneori si cu îmbâcsirea asimetrica a duzelor de comanda, se realizeaza o deplasare a punctului zero si exista posibilitatea realizarii unei scurgeri de ulei pe una din conexiuni, situatie în care, elementul de executie se va pune în miscare. La observarea acestui fenomen este necesara înlocuirea imediata a servoelementului, iar cel defect trebuie reconditionat prin înlocuirea microfiltrelor.

c) Amplificarea debitului. Urmarind diagrama din figura 3.3, se constata evolutia liniei caracteristice de debit sau modul de crestere al debitului la cresterea semnalului de comanda. Aceasta crestere (amplificare) este dependenta de presiunea sistemului hidraulic de reglare automata.

Amplificarea este definita ca fiind raportul dintre marimea de iesire a servoelementului notata Q_e , în l/min si marimea de intrare U_i , în V adica:

Aceasta relatie reprezinta cresterea medie a liniei caracteristicii de debit.

Asa cum se vede în diagrama din figura 3.3, se obtin amplificari diferite mai ales în jurul punctului zero (zona A). Acest lucru se datoreaza tolerantelor de executie a muchiilor de comanda cât si a suprapunerii lor.

Se face precizarea ca la schimbarea (înlocuirea) servoelementului este posibil sa fie necesara o noua reglare. Daca se constata acest lucru, atunci reglarea servoelementului trebuie efectuata înainte montajul acestuia în instalatia de reglare.

d) Sensibilitatea de raspuns si intervalul de inversare. Sensibilitatea de raspuns se defineste prin intervalul în care poate fi variata valoarea marimii de intrare, pornind de la un punct de oprire antestabilit, în acelasi sens de variatie, pentru a putea sesiza o modificare masurabila a debitului la iesire din servoelement (fig.3.5)

Indicatia se face în procente din curentul nominal.

Intervalul de inversare este acel interval în care poate fi variata valoarea marimii de intrare, adica curentul electric în sens invers cu aceasta pentru a se produce o variatie masurabila a debitului volumic la iesire.

Valoarea sensibilitatii de inversare se indica procentual fata de curentul nominal.

Acesti doi parametri au o influenta deosebita în precizia circuitului de reglare, deoarece domeniile în care se manifesta sunt intervale de insensibilitate ale servoelementului. Daca servoelementul trebuie sa efectueze o corectie, atunci este obligatoriu ca la intrare sa se atace cu o valoare, care în functie de directia corectiei, sa fie mai mare decât sensibilitatea de raspuns sau dupa caz intervalul de inversare. La orice comanda efectuata valoarea marimii de intrare este generata cu o abatere de reglare, ceea ce va determina o diferenta între valoarea nominala si aceea reala. Prin urmare, neglijând raportul presiunilor, domeniul de reglare al debitului cât si precizia de pozitionare sunt direct influentate de catre servoelement.

e) Functia presiune-curent de comanda (fig.3.7). n orice actionare, în vederea efectuarii unei corectii, este necesara o forta corespunzatoare la elementul de executie. Din aceste motive valoarea presiunii la iesire p_e din servoelement se regleaza prin valoarea semnalului de intrare. Furnizorii unor asemenea echipamente indica aceasta curba caracteristica în cataloagele lor.

Se mentioneaza ca aceasta curba caracteristica se ridica atunci când orificiile consumatorului sunt închise.

Prin utilizarea liniei caracteristice, presiune de iesire-semnal de comanda, se constata cât de mult trebuie deschis servoelementul pentru a se atinge presiunea necesara efectuarii corectiei.

f) Amplificarea presiunii. Raportul dintre presiunea de iesire din servoelement, p_e , exprimata în Pa si valoarea de intrare notata cu U_i , în V este denumit amplificarea presiunii si se determina cu relatia:

Cum comanda servoelementului se realizeaza pe baza unui circuit de reglare, înseamna ca exista o influenta directa a amplificarii presiunii asupra preciziei de reglare. Prin urmare, amplificarea presiunii trebuie sa fie pe cât posibil mare.

Din diagrama din figura 3.7 se constata ca deja la 1% din valoarea nominala a curentului, 80% din presiunea sistemului hidraulic de reglare automata, este folosita pentru corectia erorii de reglare.

g) Functia de sarcina-debit. Un sistem hidraulic de reglare automata contine, de regula, un servoelement si un element de executie (cilindru hidraulic sau motor rotativ) figura 3.8.

Miscarile elementului de executie sunt influentate prin reglarea debitului de alimentare ce tranziteaza muchiile servoelementului. Presupunând ca si rapoartele sunt ideale, atunci se poate considera ca debitul de ulei ce trece printre muchiile de reglare de tip diafragma ale servoelementului este conform ecuatiei:

n care:

Q este debitul de tranzit;

U - valoarea comenzii (poate fi deplasarea sertarului), analoaga semnalului exprimat procentuala asa cum se vede si în diagrama din figura 3.9;

k - constanta dependenta de geometria muchiilor de comanda, densitatea uleiului, etc.;

Dp - caderea de presiune pe muchia de comanda.

Motorul actionat prezentat în schema din figura 3.8 trebuie supus, functie de sarcina, unei presiuni p_l. Daca consideram presiunea sistemului p_s atunci apare o cadere de presiune:

si deci:

Daca motorul nu trebuie sa actioneze asupra nici unei sarcini, adica p_l = 0, atunci toata presiunea sistemului este disponibila ca o cadere de presiune Dp. Prin urmare, prin servoelement va tranzita debitul maxim.

Daca motorul este blocat, înseamna ca toata presiunea sistemului actioneaza asupra acestuia. dar fara ca acesta sa se miste, deci Dp = 0 si în consecinta debitul de ulei este nul.

3.1.2.2. Marimi caracteristice dinamice

Precizia de reglare a unui sistem hidraulic de reglare automata depinde cu precadere de doi parametri: frecventa proprie si amplificarea totala posibila rezultata. Frecventa proprie f este în mare masura determinata de dinamica servoelementului.

Pentru descrierea comportamentului dinamic nu este suficienta indicarea timpului de reglare. n mod curent analiza comportamentului dinamic se face prin studierea caracteristicii frecventa proprie (fig. 3.10).

Studiul consta în punerea în functiune a servoelementului, prin aplicarea unei marimi sinusoidale la intrare si stabilirea marimii de iesire functie de marimea de intrare. Marimea de iesire a servoelementului este de regula debitul Q, si este de asemeni o marime ce se manifesta sinusoidal, dar fata de marimea de intrare difera prin amplitudine si prezinta o defazare j (fig. 3.10, a)

Se începe cu o frecventa mica si se creste treptat. Trebuie observat ca odata cu cresterea frecventei (fig. 3.10, b) amplitudinea X_e a marimii de iesire scade, iar raspunsul - deplasarea sertarului - ramâne în urma marimii de intrare adica creste defazajul.

a) Diagrama Bode consta în trasarea atenuarii A si a defazajului j functie de frecventa f, în diagrame separate sau suprapuse asa cum se vede în figura 3.11. Diagrama este cunoscuta si sub denumirea de capacitatea de urmarire sau raspunsul la frecventa a servoelementului.

Diagrama se determina pe cale experimentala si anume, pe verticala se reprezinta fiecare valoare a raportului dintre amplitudinea de iesire X_e si amplitudinea de intrare X_i la fiecare frecventa de excitatie si astfel se obtine caracteristica amplitudinii (atenuare-frecventa). n acelasi timp se traseaza si defazarea marimii de iesire fata de marimea de intrare la diverse frecvente si se obtine caracteristica de faza (faza-frecventa). Ambele curbe se înscriu într-o diagrama la care în abscisa se trece frecventa, iar pe cele doua ordonate atenuarea (amplificarea) respectiv faza (defazarea).

Pe una din ordonate atenuarea se poate exprima fie în decibeli, valorile numerice fiind date de relatia:

fie prin raport numeric:

Pe cealalta ordonata se reprezinta defazarea j în grade.

Echivalenta dintre rapoartele numerice si exprimarea lor în decibeli este data în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1

Determinarea corespunde valorii negative a raportului, iar amplificarea valorii pozitive, valoarea maxima a acesteia numindu-se rezonanta.

Pentru descrierea pur calitativa a caracteristicii frecventei au fost definite valorile caracteristice ale frecventei la -3 dB si la - 90

Cu notatia f-3 dB se defineste frecventa la care marimea de iesire X_e a supapei a scazut cu -3 dB si careia îi corespunde raportul X_e / X_i = 0,707, fata de marimea de intrare. Aceasta marime reprezinta un punct pe caracteristica amplitudinii.

Frecventa notata f-90 descrie un punct pe caracteristica de faza în care semnalul de iesire are o întârziere de faza (o ramânere în urma) de 90 fata de semnalul de intrare.

In figura 3.12 este prezentata o diagrama Bode pentru un servoelement (servodistribuitor D_N 10) cu revenire mecanica. Sunt trasate curbele pentru debite nominale de 45 75 l/min si 30 l/min în doua variante si anume pentru o valoare nominala I/I_n = 100% si una de I/I_n = 25%.

Comportamentul dinamic al servodistribuitorului este influentat considerabil de presiunea din sistem p_s si de marimea semnalului de intrare I/I_n.

Diagrama din figura 3.12 este ridicata pentru o presiune de 14 MPa si în acest caz datele necesare pot fi extrase direct din aceasta caracteristica a frecventei.

Pentru alte presiuni de lucru frecventa extrasa trebuie multiplicata cu factorul extras din figura 3.13.

Se observa, spre exemplu, ca pentru presiunea p = 4 MPa factorul de multiplicare este 1.

3.2. Servoelemente

Conform definitiei, servohidraulica este un sistem hidraulic de reglare automata, care realizeaza o amplificare a semnalului de comanda. Prin urmare un sistem hidraulic de reglare automata realizeaza, sub aspect energetic, o functie prin care o marime de intrare mica, genereaza o marime de iesire mare. Spre exemplu, un semnal de intrare de numai 0,08 W, poate comanda analogic puteri de mai multe sute de kW.

Totusi, spre deosebire de elementele hidraulice proportionale servoelementele nu îndeplinesc numai sarcina de comanda analoaga, ele realizeaza reglajele necesare în vederea corectiei abaterilor elementului de executie. Aceste elemente îsi gasesc utilitatea mai ales la reglarea pozitiei, oprirea si pastrarea pozitiei elementului de executie chiar daca acesta se afla în sarcina sau la reglarea vitezei de miscare, prin mentinerea continua la valoarea comandata indiferent de marimile perturbatoare.

n tehnica servohidraulicii notiunile de servosupape, servodistribuitoare etc. se confunda, deoarece pe de o parte notiunile au fost traduse ad litteram, pe de alta, deoarece acestea regleaza combinat distributia cu presiunea sau debitul, dar pot le regleze pe toate trei, simultan.

3.2.1. Solutii functional - constructive

Fiecare servoelement trebuie sa cuprinda cel putin o treapta de reglare, care serveste pilotarii servoelementelor cu mai multe trepte.

3.2.1.1. Servoelemente cu o treapta

Servoelementele de acest tip se pot considera ca fiind supape de presiune, care de regula servesc la pilotarea servoelementelor cu mai multe trepte .

Aceste servosupape (fig. 3.14) cuprind doua parti distincte si anume:

- electromotorul de comanda;

- amplificatorul hidraulic.

a) Electromotorul de comanda este un motor de torsiune activat prin magnet permanent si montat ermetic fata de partea hidraulica. Un indus 8 din material magnetic moale este asamblat cu un tub elastic 3 cu pereti subtiri.

Tubul elastic ghideaza placa de recul 10, efectuând separarea etansa a motorului de partea hidraulica. suruburile 5 aflate în placa superioara 6 permit optimizarea distantelor între indusul 8 si placa superioara 6. Aceste distante având valori egale determina în spatiul lor fluxuri magnetice identice, daca bobinele 9 nu sunt excitate.

Daca se aplica bobinelor un semnal de comanda electric, indusul 8 este rotit si deviaza placa de recul 10, solidara cu el într-un sens sau altul dupa semnul semnalului de comanda. Valoarea momentului de rotatie al indusului este proportionala cu valoarea semnalului electric de la intrare. La anularea comenzii de intrare, indusul 8, împreuna cu placa de recul 10, revine în pozitia initiala mediana ca urmare a actiunii tubului elastic 3.

b) Amplificatorul hidraulic. Pentru amplificatorul hidraulic sunt mai multe solutii constructive, din care în continuare vor fi prezentate cele mai uzuale.

. Amplificatorul cu placa de recul si duze este cel prezentat în ansamblul de mai sus, iar schema de principiu se gaseste în figura 3.15. Prin intermediul acestuia este convertita devierea placii de recul în marime hidraulica de comanda.

Acesta se compune dintr-o placa de recul 3, asezata la distanta egala de doua duze 2, montate coaxial si riguros perpendicular fata de placa de recul. Ambele pot fi reglate fin, axial fata de placa. Alte doua duze fixe 1, cu orificiile calibrate identic din punct de vedere dimensional, determina debitul de comanda.

Presiunea de comanda p_c , se aplica simultan prin duzele 2, pe ambele fete ale placii de recul 3, dupa ce uleiul a traversat duzele 1. Duzele 2 se afla la aceeasi distanta de placa de recul d_A = d_B .

Sectiunile duzelor 1 fiind egale, rezulta ca se produc aceleasi caderi de presiune prin ele si spre duzele 2 va circula ulei cu aceeasi presiune, adica:

presiuni ce vor fi "citite" si la orificiile de comanda A, respectiv B .

La devierea placii de recul se modifica distantele fata de duzele 2, d_A ≠ d_B si apare o modificare a presiunilor si . Astfel la deplasarea spre stânga a placii se determina si marimea de comanda furnizata de treapta de pilotare va fi :

Sistemul cu placa de recul si duze este folosit la servoelementele firmei Rexroth si cu mici modificari constructive de firma Herion - Germania.

. Amplificatorul ajutaj-clapeta prezentat în figura 3.16 consta dintr-o clapeta 3 oscilanta cu un unghi de oscilatie mic în fata a doua duze 2, cu pozitii axiale reglabile alimentate cu presiune de comanda p_c de la conducta P. În pozitia initiala de lucru a clapetei presiunile de comanda în cele doua cai A si B sunt identice:

Presiunea de comanda este determinata de duzele 2. Comanda în miscare de rotatie a clapetei este determinata analogic, la un semnal electric, de catre un electromotor torsional.

. Amplificatorul cu jet mobil prezentat în figura 3.17 este prevazut cu un jet 1, pus în miscare de rotatie în jurul axului sau de un electromotor torsional. Prin orificiul axial si prin jet se transmite presiunea de comanda p_c care, în pozitia zero a jetului, se distribuie egal pe cele doua orificii A si B. Prin urmare se poate spune ca în caile de comanda A si B exista aceeasi presiune, . La rotirea jetului apare o modificare a presiunilor si marimea de iesire va fi o presiune de comanda rezultata din diferenta celor doua presiuni, asa cum rezulta din relatia (3.11) aplicabila si la acest tip de amplificatoare.

Acest tip de amplificatoare este executat de firma Ascania.

În consecinta, analizând supapele cu o treapta se constata ca:

- în primul etaj are loc conversia curentului de comanda I_c , într-o deplasare liniara sau unghiulara;

- în al doilea etaj are loc conversia deplasarii într-o diferenta de presiune Dp_c

3.2.1.2. Servoelemente cu doua trepte

Servoelementele se compun dintr-o servosupapa cu o treapta, care determina valoarea presiunii de comanda Δp_c, functie de curentul I_c de la întrare si o a doua treapta, interschimbabila, care este un sertar de distribuitor. Din aceste motive li se mai spune si servodistribuitoare. Exista o mare diversitate constructiva de servoelemente cu doua trepte. Functie de modul de revenire al sertarului se disting:

- cu revenire mecanica;

- cu revenire barometrica;

- cu revenire electrica.

a) Servodistribuitor cu doua trepte si revenire mecanica.

Treapta a doua a servodistribuitorului (fig. 3.18) consta din mansonul 1 interschimbabil, montat în corpul 8. Revenirea sertarului de comanda 2 se face printr-un arc lamelar 6, solidarizat cu placa de recul si ajustat aproape fara joc cu sertarul 2. Constanta arcului este astfel aleasa, încât acesta dezvolta un moment contrar momentului electromotorului de comanda.

Datorita acestei interdependente dintre cele doua momente, înseamna ca la aparitia unui dezechilibru, cauzat de o modificare a marimii de intrare (curentul electric) se va misca mai întâi placa de recul 3, din pozitia zero, de echidistanta, dintre cele doua duze 5. Ca urmare a deplasarii placii se produce o diferenta de presiune Dp_c , ce actioneaza simultan asupra ambelor fete ale sertarului 2 astfel încât acesta îsi modifica pozitia initiala deplasându-se.

Aceasta deplasare a sertarului determina o flexiune a arcului 6, ceea ce creeaza un contramoment ce tinde sa deplaseze sertarul în sensul închiderii. La atingerea echilibrului celor doua momente, sertarul 2 ocupa o pozitie stabila. Distanta pe care a parcurs-o sertarul este direct proportionala cu valoarea curentului de comandata si în aceasta noua pozitie debitul de tranzit este reglat proportional cu sectiunea de trecere realizata pe conexiunea determinata.

Pozitia muchiilor de comanda ale mansonului si sertarului se poate ajusta din interior prin niste suruburi aflate în capacele laterale 7. Aceasta ajustare se face în scopul determinarii corecte a pozitiei zero.

b) Servodistribuitor cu doua trepte si revenire barometrica

Servodistribuitorul de acest tip (fig. 3.19) este prevazut ca si cel anterior cu un manson de comanda hidraulica 2, interschimbabil, în care este ajustat un sertar 9, aflat în echilibru sub actiunea a doua arcuri elicoidale de pozitionare 1. Treapta întâi este identica cu cea descrisa anterior.

Diferenta de presiune ce apare între cele doua camere de comanda 1 si 3 este proportionala cu semnalul electric de comanda la treapta întâi.

n situatia în care motorul de comanda nu este excitat, sertarul 9 este supus acelorasi forte datorate presiunii exercitate pe ambele fete de comanda si 949c27j sub actiunea arcurilor 10 este mentinut în pozitia zero. Tensiunea arcurilor este ajustabila din exterior. Pentru o anume valoare a curentului de comanda, placa de recul se deplaseaza si creeaza diferenta de presiune între cele doua camere de comanda. Sertarul 9 se deplaseaza si realizeaza o conexiune ce determina un debit de tranzit. Valoarea deplasarii sertarului este dependenta, pe de o parte, de diferenta de presiune , iar pe de alta parte de forta dezvoltata de arcurile 10, la care trebuie adaugate si fortele care apar în timpul curgerii care au tendinta readucerii sertarului în pozitia initiala.

La echilibrul acestor forte sertarul ocupa o pozitie stabila, ceea ce determina o sectiune de curgere bine determinata care permite un anume debit de tranzit, analogic curentului de comanda. Acest lucru este posibil deoarece arcurile de reglare au caracteristica liniara, ceea ce face posibila proportionalitatea semnalului de comanda cu aceea a semnalului de iesire.

c) Servodistribuitor cu doua trepte si revenire electrica.

Prima treapta a acestor distribuitoare (fig.3.20.) este identica cu aceea prezentata anterior. Treapta a doua, ca si la celelalte servodistribuitoare, consta dintr-un manson de comanda 2, interschimbabil, ajustat cu sertarul 11. Suplimentar treapta a doua este prevazuta cu un traductor de proximitate, inductiv, 5 al carui miez feromagnetic 4 este montat în prelungirea axiala a sertarului de comanda 11.

Treapta a doua cuprinde si partea de electronica aferenta traductorului de proximitate inductiv.

Bobina traductorului 5 este alimentata în curent alternativ. Orice modificare a pozitiei sertarului de comanda ca urmare a variatiei marimii nominale (de intrare) determina, datorita deplasarii miezului 4, în bobina traductorului 5 o tensiune diferentiala.

Blocul hidraulic compara deplasarea reala a sertarului cu semnalul electric nominal si emite eroarea, care este transmisa treptei întâi, la electromotorul 8. Aceasta eroare determina o corectie a pozitiei placii de recul 9, între cele doua ajutaje 7, dupa care se stabileste o diferenta de presiune Dp_c între camerele de comanda 1 si 3 ale sertarului 11.

În consecinta sertarul 11 se deplaseaza si antreneaza miezul 4 si valoarea deplasarii va fi atât de mare încât marimea reala (debitul de tranzit) va corespunde marimii nominale (curentul de intrare) si în aceasta situatie placa de recul 9 revine în pozitia de mijloc între ajutaje.

În aceasta situatie, de regim reglat, când marimea de intrare si marimea de iesire sunt analoage, în camerele de comanda 1 si 3 presiunea este compensata si prin urmare sertarul 11 va fi mentinut stabil în pozitia comandata.

Tocmai aceasta pozitie a sertarului 11 fata de mansonul 2 determina debitul de tranzit reglat. Deci la o anume valoare a curentului de intrare are loc o deplasare proportionala a sertarului 11 careia îi corespunde pe conexiunea realizata o anume sectiune de trecere, socotita ca marime de iesire, analogica marimii de intrare.

3.2.1.3. Servoelemente cu trei trepte

Pentru vehicularea unor debite mari se folosesc servodistribuitoare în 3 trepte. Debitele reglate de acest tip de servodistribuitoare ating valori de 300-1000 l/min, ceea ce corespunde unor diametre nominale de 16, 25 si 32 mm. Presiunile de lucru maxime ale acestor servodistribuitoare sunt de 31,5 MPa.

În principal un asemenea servodistribuitor (fig. 3.21) se compune din:

- treapta I, care este identica cu cea descrisa anterior la celelalte servoelemente;

- treapta II, montata în corpul 13, are rol de amplificator pentru treapta a III-a ;

- treapta III, montata în corpul 14, regleaza debitul necesar elementului de executie ;

- un traductor de proximitate inductiv 1, a carui miez feromagnetic este solidar cu sertarul 5, al treptei III.

n continuare va fi descrisa doar treapta III de comanda a elementului de executie.

Între sertarul 5 si traductorul inductiv 1 se face schimbul de informatii printr-o corespondenta electronica compatibila.

La variatia semnalului de intrare se modifica pozitional asezarea sertarului 5 în mansonul 15 si apare o variatie a debitului de tranzit ca marime de iesire. Deplasarea sertarului determina modificarea pozitiei miezului feromagnetic 2 fata de bobina 1 a traductorului de proximitate inductiv, care genereaza o tensiune diferentiala, lucru posibil având în vedere alimentarea acestei bobine în curent alternativ .

În urma compararii marimii reale cu marimea nominala (de intrare) apare o eroare ce se transmite treptei I, care determina devierea placii de recul 11 în fata celor doua duze 9. Aceasta determina, la rândul ei, o diferenta de presiune între camerele de comanda 6 si 14 si în consecinta, sertarul 8 se deplaseaza realizând o conexiune prin care trece un anume debit de ulei ce va fi dirijat în una din camerele de comanda 3 sau 16.Ca urmare, sertarul 5 ocupa o pozitie corespunzatoare si realizeaza o conexiune prin care tranziteaza un debit proportional cu semnalul primit la intrare.

Deplasarea sertarului 5 împreuna cu miezul 2 al traductorului inductiv se face pâna când marimea reala (la iesire) este analogica marimii de intrare si eroarea devine nula .

Asadar debitul de ulei reglat la orificiile A si B este continuu controlat si, la atingerea valorii dorite, sertarul 5 ocupa o pozitie stabila mentinuta prin compensare de catre presiunea uleiului din cele doua camere de comanda 3 si 16.

Sertarul 5 împreuna cu mansonul 15, ale treptei III, pot fi înlocuite, iar pozitionarea sertarului se poate efectua prin intermediul capacelor laterale.

Functionarea în conditii optime a distribuitorului este asigurata de un microfiltru amplasat între duzele fixe 12 aflate înaintea patrunderii uleiului la ajutajele 9. La îmbâcsire microfiltrul este înlocuit.

3.2.1.4. Servosupape de presiune

Prin constructie servosupapele de presiune au functia de reducere a presiunii, pe care o furnizeaza statia de pompe, la o presiune necesara unui consumator, reducere proportionala cu o marime nominala de intrare (curent electric), prestabilita.

Asemenea supape se executa pentru diametrul nominal de 10 mm, corespunzator unui debit de tranzit de 80 l/min si o presiune de lucru maxima de 31,5 MPa .

În figura 3.22 este prezentata o servosupapa de presiune cu trei cai (P, T, A) si doua trepte. Prima treapta, adica pilotarea, este identica cu aceea de la servodistribuitor si prin urmare functionarea este identica cunoscuta .

Treapta a II-a costa dintr-un sertar 3 ajustat în mansonul 10. Acest ansamblu manson-sertar, este introdus în corpul 1, unde ramâne fix, având etansarea asigurata prin inelele "O" din cauciuc.

În corpul 1 sunt practicate caile P, T si A si canalele de comunicatie corespunzatoare. Daca motorul 5 nu este excitat, deci marimea nominala este nula, placa de recul 6 se afla la mijloc fata de duzele 4. În aceasta pozitie, a placii de recul, pe fetele 2 si 9 ale sertarului 3 se exercita aceeasi presiune determinata în aval, de duzele fixe 7 .

Trebuie remarcat faptul ca suprafetele pe care se exercita aceste presiuni sunt inegale si anume: .

Cealalta jumatate de sectiune A₁₁ (din dreapta desenului) este supusa continuu presiunii de la orificiul A al consumatorului, care este orificiul în care se regleaza presiunea .   

Ca urmare a fortelor ce apar, sertarul se deplaseaza spre dreapta pâna când presiunea în calea A atinge jumatate din presiunea sistemului de reglare si ramâne în echilibru în aceasta pozitie.

Daca asupra motorului se actioneaza cu un semnal de comanda (curent electric) aceasta deviaza placa de recul si conform sensului devierii se deplaseaza si sertarul 3, realizând o crestere sau o scadere a presiunii în calea A .

Deplasarea sertarului se face proportional semnalului de intrare pâna se ajunge la o noua pozitie în care fortele ce actioneaza asupra pistonului se echilibreaza.

Presiunea ce se regleaza se situeaza în domeniul :

Acest tip de servosupape pot fi comandate si din exterior, de la distanta, prin orificiul de comanda extern X situat în placa de separatie 8. Drenajul Y se poate executa, fie prin orificiul din corpul 1, fie prin cel din placa de separatie 8 .

3.2.2 Parametri si curbe caracteristice

Cunoasterea parametrilor caracteristici, ce urmeaza a fii studiati si a modului de interpretare a caracteristicilor servoelementelor, este esentiala în vederea conceperii si realizarii unei instalatii de automatizare ce foloseste servoelemente.

Caracteristicile servoelementelor sunt ridicate experimental de furnizor în laboratoarele proprii si sunt prezentate în documentatiile tehnice ale acestora. Dintre acestia se disting câtiva care trebuie în deosebi studiati.

Definitorii:

. p este presiunea nominala, exprimata în Pa, MPa sau bar;

. D_N - diametrul nominal, în mm;

. Q - debitul maxim reglat, în l/min.

Alti parametri:

. Q_n - debit de tranzit specific ansamblului sertar-manson, la o cadere de presiune data (Δp = 7 MPa), în l/min;

. Q₀ - debit de tranzit pentru pozitia de zero a sertarului, la o cadere de presiune de 7 MPa, în l/min. Acest debit se calculeaza cu relatia:

în care p_s este presiunea reglata în sistem;

. Δi_h - abaterea de histerezis;

. φ_c - finete de filtrare pentru uleiul de comanda, în μm. Uzual φ_c ≤ 10 μm.

n tabelul 3.2 sunt prezentati câtiva parametri specifici pentru cele trei tipuri de revenire a sertarului. Se pot constata diferentele între cele trei tipuri de revenire atunci când se va efectua alegerea. servoelementului.

Tabelul 3.2

Curbele caracteristice fiecarui servoelement furnizeaza o serie de informatii asupra performantelor acestora si stabilesc relatiile de dependenta dintre diversi parametri caracteristici.

a) Caracteristica presiune reglata-deviatie placa de recul. n figura 3.23 este prezentata o diagrama specifica electromotorului de comanda din figura 3.14, unde se prezinta dependenta dintre presiune si deplasare. n ordonata este trecuta procentual presiunea iar în abscisa deviatia placii de recul. Reglarea se face astfel încât sa rezulte o caracteristica liniara pentru caderea de presiune între caile A si B.

Asa cum se vede în figura 3.14 alimentarea cu ulei de comanda se face pe calea P, printr-un filtru de protectie 13 spre duzele fixe 12 si apoi la duzele jet 11. ntre duzele calibrate 12 si cele jet 11 se determina presiunile si Diferenta de presiune este proportionala cu valoarea curentului de comanda, aplicata electromotorului de torsiune. Aceasta diferenta se transmite, în vederea comenzii, la sertarul celei de a doua trepte.

Urmarind caracteristica prezentata se constata ca în timp ce scade, creste, dar variatia caderii de presiune variaza liniar.

Pentru servoelementele pilotate, descrise anterior, se indica mai multe curbe caracteristice care dau informatii atât în regim static cât si dinamic.

b) Caracteristica de debit. Dupa modul de utilizare al servoelementului se studiaza valorile a doi parametri hidraulici caracteristici si anume:

- amplificarea debitului;

- suprapunerea sertarului.

Amplificarea debitului. Mansonul de comanda este prevazut cu ferestre dreptunghiulare, care sunt conjugate cu muchiile sertarului functie de valoarea semnalului de intrare. Dimensiunile acestor fante sunt acelea care determina amplificarea debitului, care este functie de cursa sertarului. Astfel, din diagrama din figura 3.25, a,. se deduce debitul în l/min la o cadere de 7 MPa pe servoelement, considerând o cadere de presiune de 3,5 MPa pe conexiunea P → A si 3,5 MPa pe conexiunea B → T, la o valoare a curentului de intrare de 100%.

Se constata ca la amplificari mai mari ale debitului linia caracteristica se frânge ca urmare a saturatiei consumatorului.

Suprapunerea sertarului. Se considera ca cele patru muchii de comanda ale sertarului principal sunt prelucrate simetric. Alegerea sertarului se poate efectua între patru dimensiuni cu suprapunere pozitiva sau negativa, considerate în procente fata de cursa sertarului.

În cazul unei suprapuneri pozitive (fig. 3.25, b), caracteristica este aplatizata (orizontal) în zona de mijloc, debitul corespunzator punctului zero este redus, iar amplificarea presiunii mare. Daca suprapunerea este negativa, caracteristica devine mai abrupta (verticala) în zona de mijloc, debitul corespunzator punctului zero este maxim (amplificare 200%), dar amplificarea presiunii este redusa.

Functie de suprapunerea muchiilor active ale sertarului cu cele ale mansonului exista urmatoarele posibilitati, la care se indica si utilizarile:

1⁰ - Suprapunere pozitiva: +0,5%.+1,5%, este indicata pentru circuite în care se regleaza viteza elementului de executie si prezinta avantajul unei amortizari mai bune, dar debitele corespunzatoare punctului zero, sunt mai mari decât cele de la cazul 4⁰.

2⁰ - Suprapunere negativa: -0,5%.+1,5%, este indicata pentru circuitele de reglare a fortei si pozitiei elementului de executie si prezinta avantajul unei amortizari mari, dar debitul corespunzator punctului zero, mai mare decât cel de la cazul 4⁰.

3⁰ - Suprapunere pozitiva: +3%.+5%, este indicata pentru comenzi si reglari de viteza ale elementului de executie fara a trece prin punctul zero.

4⁰ - Suprapunere zero: 0%.0,5%, este indicata pentru toate circuitele de reglare ale fortei, pozitiei si vitezei elementului de executie, are avantajul unui debit redus în pozitia zero, dar o amortizare mai scazuta decât la cazul 2⁰. Se face precizarea ca servoelementele cu suprapunere zero sunt scumpe. Este necesar a se face o atenta analiza înaintea alegerii servoelementului cu acest tip de suprapunere si numai daca performantele obtinute justifica pretul de cost se va opta.

c) Caracteristica de frecventa Prin aceasta caracteristica se studiaza dinamica servoelementului. În tehnica reglarii servoelementului este stabilit un etalon de referinta si anume: frecventa la care valoarea caracteristicii amplitudinii este de -3 dB. Aceasta valoare de -3 dB, înseamna o cadere a amplitudinii marimii de iesire cu 30% fata de marimea de intrare.

În figura 3.25 este reprezentata caderea de amplitudine ΔA si defazarea φ a celor doua marimi, aceea de întrare (de comanda) A_c si aceea de iesire A_i. Se constata ca amplitudinea semnalului de iesire scade în raport cu aceea a semnalului de intrare, iar faza semnalului de iesire întârzie fata de aceea a semnalului de iesire. Atenuarea amplitudinii se determina cu relatia:

În figura 3.26 este trasata functia treapta de presiune-debit pentru servodistribuitoare, cu diametrul nominal D_N = 10 mm, la care revenirea sertarului este barometrica sau electrica. Pentru aceasta caracteristica firma G.L. REXROTH - Germania specifica o toleranta de 10%.

Relatia 3.16 permite calculul debitului de tranzit Q, pe o anume conexiune functie de debitul nominal Q_n si treapta de presiune.

n aceasta relatie e se considera caderea de presiune Δp, în MPa raportata la o cadere de presiune standard de 7 Mpa pe servoelement. Valoarea de 7 MPa este trasata în diagrama cu linie îngrosata având pe ea trecute debitele nominale de tranzit specifice.

Pentru alte valori ale presiunii se utilizeaza diagrama si se determina valorile debitului în consecinta.

În figura 3.27 este trasata caracteristica de frecventa pentru servodistribuitoarele cu diametrul nominal D_N = 10 cu revenire mecanica. Aceasta este de fapt o diagrama Bode în care frecventa f - 90^o descrie punctul în care marimea de iesire are o întârziere de faza de 90^o fata de semnalul de intrare. Caracteristica este trasata pentru debite Q_n precizate în subsolul diagramei.

În figura 3.28, a se studiaza diagrama Bode atât pentru caracteristica amplitudinii (sus), cât si caracteristica de faza (jos) pentru un curent de intrare I_n = 100%, iar în figura 3.28, b. sunt prezentate aceleasi caracteristici frecventiale, dar pentru o valoare a curentului de intrare redusa I_n = 25%.

Caracteristicile prezentate permit studiul comportarii dinamice a servoelementelor în dependenta de presiunea de alimentare. La cresterea presiunii de alimentare, creste atât amplificarea debitului cât si frecventa proprie a sistemului.