Hassas Hidrolik Sistem Kontrolü İçin Hidrolik Silindir Boyutlandırması Nasıl Yapılır?
Hassas Hidrolik Sistem Kontrolü İçin Hidrolik Silindir Boyutlandırması Nasıl Yapılır?
Hassas Hidrolik Sistem Kontrolü İçin Hidrolik Silindir Boyutlandırması Nasıl Yapılır?
Hassas Sistem Kontrolü için Silindir Boyutlandırma Hususları
Gelişmiş kontrol elektroniğinin dikkatli tasarımına ve uygulanmasına rağmen, sistem bileşenlerinin yanlış boyutlandırılması veya fiziksel konumu nedeniyle akışkan gücü sistemi performansı düşebilir. Yaygın bir tasarım gözetimi, küçük boyutlu silindirlerin kullanılmasıdır. Tasarımcılar, aktüatör hızını artırma girişiminde, belirli bir miktarda yağ akışı için daha küçük bir silindirin daha yüksek hızlar üreteceği varsayımına dayanarak küçük çaplı silindirler belirleyebilirler. Ancak bu varsayım sadece çok hafif yükler için geçerlidir.
Orta ila ağır kütleleri hareket ettiren silindirler için hızlanma, hız ve yavaşlama, yağ akışından ziyade mevcut kuvvetle sınırlıdır. Silindir çapı, bir aktüatörün üretebileceği kuvveti belirlediğinden, silindir çapı çok küçükse, aktüatör uygulama için gereken istenen hızları veya gerekli çevrim sürelerini elde edemeyebilir.
Basitleştirilmiş Hidrolik Silindir Hesaplama Formülleri
Tasarım baskısı, pazar ve zaman kısıtlamaları, sistem tasarımını yönetmek için basitleştirilmiş, birinci dereceden yaklaşımları kullanmayı cazip hale getirebilir. Ve bu yaklaşım, basit makineler için kabul edilebilir sonuçlar elde edebilir. Kontrol sistemleri daha karmaşık hale geldikçe ve verimlilik ve ekonomiye artan önem verildikçe, bu tasarım yaklaşımlarına güvenmek aşırı muhafazakar tasarımlarla sonuçlanma eğilimindedir. Bu yaklaşımın maliyeti daha büyük, daha pahalı silindirler, valfler ve pompalarda ölçülebilir. Sonuç olarak, bir tedarikçi veya distribütör, ekstra maliyet nedeniyle bir rakibe teklifini kaybedebilir.
V =Q / A gibi bir formül bir başlangıç noktasıdır. Ancak bu formül yalnızca kütle sıfır olduğunda doğrudur. Çoğu gerçek dünya sisteminin bir tür kütleyi hareket ettirmesi gerektiğinden, bu formül, hız ve alan kullanılarak sistem akışını hesaplarken yalnızca alternatif biçimde, Q = V ´ A kullanılmalıdır.
Güç Gitmesini Sağlar
Aşağıdaki "temel kural" formülü, hızlanma üretmek için kuvvet gerektiğini ve servo valflerin kontrol için basınç düşüşü gerektirdiğini hesaba katar (servovalfler tipik olarak 70 bar, yaklaşık 1.000 psi'ye eşittir).
A = L / (P – 1.000psi)
Nereye:
A = alan(in.2)
L = pik yük (lb)
P = sistem basıncı (psi)
Bu formül, en yüksek yükün en yüksek hızda gerçekleştiğini varsayar. Pik yük, yükü hızlandırmak veya yavaşlatmak için gerekli kuvveti, sürtünmeyi ve sistem dikey ise yükün ağırlığını içermelidir. Minimum sistem basıncı kullanılmalıdır. Bu formül hem uzatma hem de geri çekme yönlerine uygulanmalıdır, ancak yağı silindirin dönüş tarafından dışarı itmek için gereken karşıt kuvveti ihmal eder. Bu nedenle, elde edilen tahmini boyut minimum olarak kabul edilmelidir.
Yüksek performanslı hareket için sistemin doğal frekansı tipik olarak hareket profilinin hızlanma frekansından en az üç ila dört kat daha yüksek olmalıdır. Silindirin doğal frekansı alanın bir fonksiyonu olduğundan, doğal frekansı hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılarak gerekli silindir alanının ikinci bir kontrolü yapılabilir:
ωn, silindirin ve yükün doğal frekansıdır (Hz)
β, yağın kütle modülüdür (lb/inç.2)
A, pistonun ortalama alanıdır (in.2)
V, valf ve piston arasında sıkışan toplam yağ hacmidir (in.3)
M, yükün kütlesidir (lb)
İstenen bir doğal frekans için alanın ne olması gerektiğini belirlemek için bu formülü dikey ağırlığı içerecek değişikliklerle yeniden düzenleyebiliriz. Örneğin, hareket profilinin hızlanma frekansı 5 Hz ise sistemin doğal frekansı 15-20 Hz aralığına yakın olmalıdır. Formül, bu hareket frekansı için istenen bir silindir alanı üretecektir.
A = (ƒ´4)2 ´ π2 ´ l ´ (M/g´ß)
Nereye:
A = ortalama silindir alanı (2 inç)
ƒ = hareketin hızlanma frekansı (Hz)
l = uzunluk (inç)
M = yük kütlesi (lb.)
g = yerçekimi nedeniyle hızlanma (32 ft/sn2)
ß = yağın kütle modülü (sıkıştırılamazlık sabiti) (~200.000 lb/in.2)
Bu formül, bazı iyimser varsayımlar yaparak doğru silindir çapını hafife alma eğilimindedir. En önemlisi, valfin tam silindirin üzerine oturmasıdır. Eğer durum böyle değilse, silindir boyu arttırılmalıdır. Hortumun çapı silindir kadar büyük değildir, ancak hortum silindirden çok daha geniştir. Valf ile silindir arasındaki hortum veya ekstra boru, sisteme ekstra yağ hacmi ekleyerek bu hesaplamaları zorlaştırır. Bu ekstra hacim hesaba katılmalıdır, aksi takdirde sistem beklendiği gibi çalışmayacaktır.
Silindir çapının arttırılması sistemin doğal frekansını (sertliğini) artırarak kontrol sisteminin daha hızlı hızlanma ve yavaşlamaları yönetmesine olanak tanır. Bu, uygun şekilde ayarlandığında daha yüksek sistem performansı sağlar. Bununla birlikte, daha büyük silindirler daha büyük valfler ve daha fazla yağ gerektirir. Aşırı büyük silindirler maliyeti artırır ve büyük valfler daha yavaş olma eğiliminde olduğundan, bir noktada valf boyutunu artırmak artık sistem yanıtını artırmaz. Bu nedenle, dikkatli bir uzlaşma bulunmalıdır.
Farklı sistem değişkenlerini dikkate alan doğru bir performans tahmini, Jack L. Johnson'ın VCCM formülü hesaplanarak elde edilebilir. Bu formül, Johnson'ın aşağıdaki referans kitaplarında bulunabilir: Elektro Hidrolik Servo ve Orantılı Sistemler için Tasarımcı El Kitabı ve Hidrolik Hareket Kontrolü için Temel Elektronikler.
Hidrolik Silindirde Dengeyi Sağlamak
Daha önce belirtildiği gibi, sistemin doğal frekansı, gereken maksimum hızlanma frekansının yaklaşık üç ila dört katı ise en iyi kontrol gerçekleştirilir. Orantılı ve integral (PI) kontrolüne sahip modern kontrol sistemlerinin çoğu ve hem hız hem de hızlanma ileri beslemesi, bir sistemi kabul edilebilir toleranslar dahilinde kontrol edebilir. İleri besleme, istenen ve gerçek kontrol sinyalleri arasında bir hata beklemek yerine gerekli kontrol çıkışını tahmin eder. Ancak, Delta Computer System'ın RMC ailesi gibi hareket kontrolörlerini kullanmak, tasarımcının sistemin doğal frekansına çok daha yakın ivmeler üreten bileşenleri belirlemesine olanak tanır. Bu yetenek, kısmen, RMC'nin PID kazanımlarının, hızın ve ileriye doğru ivmelenmenin ötesine geçen algoritmalarından gelir.
Gelişmiş hareket kontrolü ile, sistem önemli yapışma-kayma özellikleri göstermediği sürece, sistem doğal frekansının hızlanma frekansına oranı yaklaşık 2 ila 2,5 olan küçük takip hataları elde edebiliriz. Sonuç olarak bu, mükemmel makine performansı elde ederken gerçek dünyadaki tasarım kısıtlamalarıyla başa çıkma özgürlüğü sağlar.
Silindir boyutunu optimize etmek ve gelişmiş bir hareket kontrol sistemi kullanmak, toplam sistem maliyetinin düşmesine neden olabilir. Bunun nedeni, eldeki göreve uygun doğru boyutlu silindirlere, valflere ve pompalara sahip olmasıdır. Ek bir avantaj, daha düşük işletme maliyetlerine sahip bir makinedir. Çoğu durumda, doğru boyuttaki ekipmanın maliyet tasarrufu, aynı zamanda kolay kurulum, programlama, ayarlama ve tanılama sağlayan yüksek performanslı bir hareket kontrol cihazının fiyatını dengelemekten daha fazlasını sağlayabilir. Başlangıçta az miktarda tasarım çabası daha sonra büyük kazançlar sağlayabilir.