H Y D R A U L I K A I P N E U M AT Y K A 1 / 2 0 1 1 17

m/s. rednica toka tumika wynosia d = 16 mm, a wstpne ci-nienie w komorze tumika p = 0,6MPa. Szczeglnie wane dla konstruktora s dwie zmienne stanu: prdko toka v1 obrazuj-ca proces hamowania i cinienie p1, zwaszcza maksymalna war-to cinienia podczas hamowania (rys. 4).

Proces hamowania przebiega w czasie 0,2 s na odcinku 8 mm (rys. 4c). Na rysunku 4b linia 1 opisuje proces hamowania ze sta-ym ujemnym przyspieszeniem. Najkorzystniej wwczas prze-noszone s przecienia na hamowany ukad mechaniczny. W badanym tumiku proces hamowania jest zbliony do hamo-wania ze staym ujemnym przyspieszeniem. Uzyskano to dziki zastosowaniu w budowie tumika zaworu dawicego z przepy-wem laminarnym.

Podsumowanie

Budowa, nawet zoonych modeli dynamicznych elementw i ukadw hydraulicznych, moe zosta w znacznym stopniu zal-gorytmizowana. W tym celu ukad hydrauliczny dzieli si na mi-ni-ukady, dla ktrych generuje si rwnania w przestrzeni sta-nw. Wykorzystujc model dynamiczny, na etapie projektowa-nia, mona dokona doboru optymalnych parametrw konstruk-cyjnych zaworw hydraulicznych i caych ukadw. Taki sposb postpowania znacznie zawa pole moliwych rozwiza kon-strukcyjnych. Proces wery kacji dowiadczalnej jest wwczas bardziej skuteczny.

LITERATURA[1] Osiecki A.: Hydrostatyczny napd maszyn. WNT, Warszawa 1998.[2] Stryczek S.: Napd hydrostatyczny. WNT, Warszawa 1990.[3] Ogata K.: Metody przestrzeni stanw w teorii sterowania. WNT, Warszawa 1974.[4] Szydelski Z.: Napd i sterowanie hydrauliczne. WKi, Warszawa 1999.[5] Zastempowski B., Musia J., Styp-Rekowski M.: Ukady oraz ele-menty hydrauliczne i pneumatyczne w budowie maszyn. Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2008.

a)

b)

c)

Rys. 4. Charakterystyki czasowe procesu hamowania: a cinienie,

b prdko, c przemieszczenie

UKASZ STAWISKI

Ukady hydrauliczne do napdu siownikw przy zmiennym kierunku obcienia toczyska

Wprowadzenie

Siowniki hydrauliczne s rodzajem silnikw liniowych wyporo-wych, gdzie nastpuje przekazanie i zamiana mocy ciekego czynnika roboczego pod cinieniem na moc mechaniczn siy w toczysku ruchomym. W odrnieniu od silnikw obroto-wych, siowniki wykonuj najczciej ruchy posuwisto-zwrotne o ograniczonym skoku, rzadziej ruchy obrotowe. Ze wzgldu na ograniczony skok (kt obrotu) wane jest, rzadziej w silnikach obrotowych, zapewnienie ruchu powrotnego, pod dziaaniem si-y cikoci lub siy w sprynie (w siownikach jednostronnego dziaania), albo za porednictwem rozdzielacza sterujcego do-pywem cieczy do odpowiednich komr siownika i z komr si-

ownika (w siowniku dwustronnego dziaania i wahliwego). Si-owniki hydrauliczne o posuwisto-zwrotnym ruchu toczyska s stosowane jako elementy wykonawcze w: maszynach robo-czych, wtryskarkach, obrabiarkach, robotach, ukadach hydrau-licznych samolotw i wielu innych zoonych systemach tech-nicznych z napdem i sterowaniem hydraulicznym. Ze wzgldu na charakter i specy k pracy tych elementw wykonawczych naley je zasila i sterowa w odpowiedni sposb, aby ruch to-czyska by rwnomierny i niepodatny na zakcenia, w peni kontrolowany. Jest to zwizane z precyzj sterowania przy zmie-niajcych si warunkach obcienia i kierunku dziaania siy. Idzie tu o zapewnienie bezpieczestwa pracy caego urzdzenia, cznie z bezpiecznym sterowaniem i obsug.

Ze wzgldu na potrzeb precyzji dziaania elementw wyko-nawczych ukadw hydraulicznych, konieczne s badania nad

Mgr in. ukasz Stawiski Wydzia Mechaniczny, Katedra Maszyn Roboczych, Napdw i Sterowania, Politechnika dzka.

H Y D R A U L I K A I P N E U M AT Y K A 1 / 2 0 1 118

ukadami sterowania ruchem toczyska, jego hamowaniem i roz-ruchem, gdy zmieniaj si warunki pracy.

Ukady hydrauliczne hamowania siownika

Kady siownik hydrauliczny jest projektowany na odpowiednie obcienie znamionowe, ktremu bdzie podlegao jego toczy-sko. Sia dziaajca na toczysko decyduje o przekroju toka i ci-nieniu zasilajcym siownik. Sia ta jest iloczynem cinienia za-silania i powierzchni roboczej toka:

(1)

gdzie: p1 cinienie zasilania siownika, A1 pole przekroju ro-boczego toka.

Maksymalna warto cinienia zasilania zaley od parame-trw pompy hydraulicznej lub ukadu sucych do napdu si-ownika. Dla siownikw dwustronnego dziaania, gdzie cinie-nie zasilania moe by podawane z dwch kierunkw, zaleno ma posta:

(2)

w ktrej: p2 cinienie zasilania siownika podczas ruchu po-wrotnego toka, A2 pole przekroju roboczego toka od strony toczyska.

Znak przed S (obcienie), zaley od kierunku dziaania obcienia podczas zadanego kierunku posuwu toczyska. W rzeczywistych ukadach hydraulicznych stosuje si trzy gw-ne sposoby hamowania siownika obcionego adunkiem lub si czynn, czyli hamowanie: dawieniowe za pomoc zaworu dawico-zwrotnego o regu-

lowanej wielkoci szczeliny. za pomoc sterowanego zaworu zwrotnego. za pomoc zaworu hamujcego (counterbalance valve).

Hamowanie dawieniowe. Zawr dawico-zwrotny (rys. 1) jest czsto stosowany podczas hamowania lub sterowania prd-koci opuszczanego adunku. Odpowiednio nastawiajc dawik mona ustabilizowa przepyw cieczy przez zawr, a co za tym idzie, nada ruchowi toczyska odpowiedni prdko. Zawory mona regulowa w czasie rzeczywistym, czyli przez cay ruch toka, a szeroko szczeliny stopniowo zmniejsza, a do zatrzy-mania przepywu.

Ukad hamowania adunku z wykorzystaniem zaworu da-wico-zwrotnego (rys. 2) ma zasadnicz wad: funkcjonuje prawidowo tylko wwczas, gdy sia obciajca toczysko dziaa w tylko w jednym kie-

runku. Dobr cinie w komorze lewej i prawej cylindra pozwa-la na ruch toczyska w obie strony przy jednym, okrelonym kie-runku siy, zatem:

(3)

Uwzgldniajc ukad odwrotny, gdy kierunek dziaania siy jest przeciwny do kierunku ruchu toczyska, to:

(4)

Rys. 1. Zawr dawico-zwrotny

Jeeli S1 jest rwna S2 (3) i (4), to wida nieciso w warto-ci cinienia p2 podczas obcienia czynnego i biernego. Ukad (rys. 2) po przesterowaniu rozdzielacza w pooenie skrajne le-we powoduje przepyw cieczy roboczej z pompy do lewej komo-ry siownika. Cinienie to ronie a do pokonania siy biernej S, aby toczysko wprawi w ruch. Ponadto, cinienie musi osign wysoki poziom, ci jest konieczne do przetoczenia cieczy robo-czej, wypywajcej z prawej komory siownika przez szczelin dawic w zaworze dawico-zwrotnym. Po przesterowaniu rozdzielacza w jego skrajne, prawe pooenie sia S dziaa w tym samym kierunku, jak prdko toczyska, czyli napdza tok, a jednoczenie ciecz robocza jest toczona z pompy do prawej komory siownika. Jeli prdko toczyska jest zbyt dua i wy-dajno pompy niedostateczna, moe pojawi si podcinienie w prawej komorze siownika. Podcinienie w siowniku powodu-je kawitacje i jest zjawiskiem niepodanym. Naley wytworzy bardzo due cinienie do pokonania oporw ruchu toczyska i dawienia cieczy na zaworze, ale mona te wywoa podci-nienie. To dyskwali kuje ukad, gdy dziaajca sia odciajca ma charakter zmienny.

Rys. 2. Ukad hamowania z zaworem dawico-zwrotnym

Ukad hamowania z zaworem zwrot-

nym sterowanym cinieniowo (rys. 3) to najprostsze rozwizanie. Zaworu tego typu uywa si czciej w prostych uka-dach od bardziej skomplikowanego za-woru hamujcego, ze wzgldu na znacz-nie atwiejsze sterowanie i moliwo zapobiegania niekontrolowanym ru-chom toczyska. Zawr zwrotny jest kon-trolowany cinieniem otwarcia, ktre uatwia pynne jego otwieranie si w zmiennych warunkach za-silania.

Do poprawnego dziaania ukadu (rys. 4) i pozostawienia za-woru w pozycji otwartej, konieczne jest odpowiednio wysokie cinienie otwarcia. W zalenoci od budowy zaworu zwrotnego, stosunek cinienia otwarcia do cinienia na wejciu do zaworu nie moe by niszy od:

(5)

Rys. 3. Zawr zwrotny sterowany cinieniowo

H Y D R A U L I K A I P N E U M AT Y K A 1 / 2 0 1 1 19

Takie zaoenia oznaczaj ograniczenia w wykorzystaniu tego zaworu w warunkach zmiennego obcienia. Przesterowanie rozdzielacza w skrajne lewe pooenie sprawia, e z pompy do lewej komory siownika dociera strumie cieczy. Cinienie w li-nii pompalewa komora siownika zaczyna wzrasta a do war-toci, ktra pokona warto siy biernej S. Wzrost cinienia po-woduje jednoczenie otwarcie zaworu zwrotnego, dziki czemu ciecz robocza moe wypywa z prawej komory siownika i przepywa przez otwarty zawr zwrotny. Jeeli nastawa ci-nienia otwarcia zaworu zwrotnego jest dobra, to mona uzyska sta prdko ruchu toczyska przy zmiennym obcieniu. Gdy rozdzielacz zostaje przesterowany w jego skrajne prawe pooe-nie, to pompa generuje cinienie, ktre otwiera zawr zwrotny i toczysko zaczyna przesuwa si w lewo, wspomagane si czynn S. Niedostateczna wydajno pompy i zbyt dua prdko-ci toczyska wpywaj na obnienie cinienia w linii pompasi-ownik, przez co zawr zwrotny zamyka si i spowalnia prze-pyw cieczy roboczej, a w konsekwencji ruch toczyska. Pompa ponownie podnosi cinienie cieczy w tej linii do otwarcia zawo-ru zwrotnego. Cykl powtarza si, a toczysko dojedzie do kra-cowego pooenia. Taki sposb napdu wywouje e niekontrolo-wane ruchy toka i brak pynnoci w jego przemieszczaniu. Za-wr sprawdza si w zaoonych, niezmiennych warunkach zasi-lania i obcienia.

Rys. 4. Ukad hamujcy z zaworem zwrotnym sterowanym cinieniowo

Zawory hamujce

Z zaworw wymienionych wczeniej zawory hamujce (counter-balance valves) zalicza si do najbardziej skomplikowanych, Wykorzystuje si je do kontrolowanego ruchu toczyska przy do-wolnym rodzaju obcienia czynnego lub biernego. Jest to naj-skuteczniejszy sposb kontrolowania ruchu toczyska, jeli nie liczy ukadw sterowanych elektronicznie. Podstawowy zawr hamujcy (rys. 5a) funkcjonuje przy cinieniach sterowania, kt-rych suma daje odpowiedni sygna otwarcia zaworu. Zaworami hamujcymi (rys. 5b i rys. 5c) nazywa si rwnie zawory zdol-ne do pracy z jednym cinieniem sterowania (wewntrznym lub zewntrznym), ale ich stosowanie moe dawa mniejsze korzy-ci energetyczne, np. podczas pracy siownika bez obcienia.

a)

b)

c)

Rys. 5. Zawory hamujce: a z dwoma cinieniami sterujcymi, b ste-rowany wewntrznie, c sterowany zewntrznie

Zawr hamujcy sterowany wewntrznie (rys. 5b) wykorzy-stuje si do utrzymywania adunku w spoczynku lub ruchu ze sta prdkoci. Wad tego rozwizania jest wspomniana ko-nieczno pracy z duymi cinieniami przy niepenym obcie-niu siownika. Zawr hamujcy o sterowaniu zewntrznym (rys. 5c) pracuje podobnie jak zawr zwrotny sterowany, czyli moe utrzymywa adunek w spoczynku, lecz nie zapewnia kontrolo-wanego ruchu toczyska. Wad kolejn jest potrzeba stosowania dodatkowego sygnau sterujcego.

Zawr hamujcy dostosowany do pracy z dwoma cinieniami sterujcymi (rys. 5a) ma zalety obu opisanych wczeniej zawo-rw hamujcych. Pozwala na pewn i pynn kontrol posuwu toczyska z minimalnym zuyciem energii. Kolejn zalet jest moliwo wykorzystania tej konstrukcji w zmieniajcych si warunkach obcienia, zmiennych prdkociach posuwu, cinie-niach zasilania bez koniecznoci uywania skomplikowanych ukadw elektronicznych. Po przesterowaniu rozdzielacza w po-oenie skrajne lewe (rys. 6), pompa zaczyna generowa cinie-nie potrzebne tylko do pokonania siy biernej S, jednoczenie doprowadzajc cinienie otwarcia odpowiednio nastawione na zaworze hamujcym. Powoduje to otwarcie zaworu i swobodny przepyw cieczy z prawej komory siownika przez zawr hamu-jcy do zbiornika. Gdy rozdzielacz przyjmie skrajne prawe poo-enie, to sia czynna S zaczyna dziaa na toczysko. Przed zawo-rem hamujcym, w linii siownik-zawr hamujcy, cinienie za-czyna narasta. Zawr hamujcy pozostaje zamknity, co powo-duje jednoczesny wzrost cinienia. Suma dwch cinie sterowania daje odpowiednie cinienie otwarcia zaworu hamuj-cego, czyli ruch toczyska. Jeli pompa nie jest zdolna do gene-rowania odpowiedniego cinienia, to jedno z cinie sterowania maleje. Powoduje to przymykanie zaworu hamujcego i ponow-

Rys. 6. Ukad hamowania z zaworem funkcjonujcym z dwoma cinie-niami sterowania

H Y D R A U L I K A I P N E U M AT Y K A 1 / 2 0 1 120

ny wzrost cinienia w linii pompa-siownik, a do otwarcia za-woru. Dziki temu unika si podcinienia w lewej komorze si-ownika.

Opisany ukad jest nowym rozwizaniem i wymaga jeszcze szczegowych bada. W rzeczywistoci stosuje si odpowied-nie parametry ustalone dla konkretnych warunkw pracy ukadu. Warto doda, e kada zmiana warunkw oznacza ustawienia przedziaw pracy danego ukadu przez producenta zaworw.

Podsumowanie

Analiza najbardziej znanych i wykorzystywanych metod hamo-wania siownikw powinna umoliwi opracowanie metody w peni kontrolowanego systemu, zdolnego do pynnego posuw toczyska, bez wzgldu na zmieniajce si warunki pracy uka-du. Obecnie w literaturze polskiej i wiatowej nie spotyka si rozwiza dotyczcych pynnej kontroli pracy siownika w zmie-niajcym si kierunku obcienia. Producenci i uytkownicy ukadw stosowanych w siownikach nie znajduj odpowiednie-go ukadu, w peni sprawnego i uniwersalnego. Wszystkie znane rozwizania s cile nastawione na jeden zakres pracy, co po-woduje nieprzewidywalne zachowania ukadw podczas wyjcia

poza dany zakres. Nieoczekiwane zatrzymania ukadw napdo-wych i ponowne uruchomienie powoduje wibracje, niekontrolo-wane ruchy toczyska, zerwanie przewodw, a nawet uszkodze-nia siownikw i mechanizmw, ktre z nimi wsppracuj.

W Katedrze Maszyn Roboczych i Napdw Sterowania Wy-dziau Mechanicznego Politechniki dzkiej podjto badania symulacyjne i eksperymentalne opisanych rozwiza konstruk-cyjnych. Badania dotycz zwaszcza doboru i optymalizacji me-tody sterowania, ktra pozwoli na bezpieczne i sprawdzone wa-runki dziaania ukadu w rnych zastosowaniach przemyso-wych i uytkowych.

LITERATURA[1] Stryczek, S.: Napd hydrostatyczny elementy, WNT, Warszawa 1998.[2] Johnson, J. L.: Counterbalance Valve Circiuts, Hydraulics&Pneu-matics, The Penton Media Building, Cleveland 2009.[3] Hitchcox, A.: The truth about problem valves, Hydraulics&Pneu-matics, The Penton Media Buildings, Cleveland 2009.[4] Zhe, B.: Fr einen besseren Wirkungsgrad. Auswahl und Verschal-tung von Senkbremsventilen, SUN Hydraulik GmbH in Erkelenz, 2010.

KRZYSZTOF MAZUREK

STANISAW SZWEDA

MAREK SZYGUA

KRZYSZTOF TURCZYSKI

Wpyw zmiany parametrw akumulatora gazowego na prac stojaka hydraulicznego

Wprowadzenie

Metod elementw skoczonych mona wykorzysta do wspo-magania projektowania oraz badania akumulatora gazowego, okrelajc wpyw jego parametrw cinienia pocztkowego gazu i pocztkowej objtoci komory akumulatora, na odpo-wied stojaka przy zadanym wymuszeniu. W niniejszym opra-cowaniu odpowied stojaka hydraulicznego przy zadanym wy-muszeniu okrelono jako wielkoci zyczne opisujce przebieg czasowy cinienia medium roboczego maksymalnej wartoci cinienia medium roboczego w przestrzeni podtokowej stojaka oraz tempa przyrostu tego cinienia.

Analiza wpywu pocztkowego cinienia gazu i pocztkowej objtoci akumulatora gazowego na wielkoci zyczne okrela-jce przebieg czasowy cinienia medium roboczego wymaga badania wielu modeli stojakw z akumulatorami gazowymi, r-nicych si wartociami parametrw akumulatora. Ograniczenie liczby symulacji komputerowych wymagao szczegowej anali-zy wraliwoci wielkoci zycznych, charakteryzujcych odpo-wied stojaka przy zadanym wymuszeniu, za pomoc funkcji aproksymujcych, stosowanych na etapie planowania ekspery-mentu. W obliczeniach numerycznych posuono si modelami stojaka hydraulicznego z akumulatorem gazowym, ktre zbudo-wano na podstawie modelu zwery kowanego dowiadczalnie

[5]. Poszczeglne modele stojaka rniy si midzy sob warto-ciami parametrw akumulatora gazowego (pocztkowym ci-nieniem gazu i pocztkow objtoci komory akumulatora). W obliczeniach przyjto, w przestrzeni podtokowej stojaka, ci-nienie robocze rwne 35 MPa. Okrelenie wpywu parametrw akumulatora gazowego na maksymaln warto cinienia me-dium roboczego, w caym przedziale zmiennoci wysokoci sto-sowania sekcji, wymagao analizy dwch wariantw kadego z modeli, gdy: wysoko supa medium roboczego l = 650 mm,

Dr in. Krzysztof Mazurek, dr in. Marek Szygua, dr in. Krzysztof Tur-czyski Instytut Techniki Grniczej KOMAG, prof. Stanisaw Szweda Politechnika lska, Wydzia Grnictwa i Geologii. Rys. 1. Modele stojaka z akumulatorem gazowym