Proportionaali- ja servoventtiilit toimivat

Transkriptio

1 Proportionaali- ja servoventtiilit toimivat Suuntaventtiileinä Tilavuusvirran suunnan ohjauksella vaikutetaan toimilaitteiden liikesuuntiin. Paineventtiileinä Paineensäädöllä vaikutetaan toimilaitteista saataviin voimiin ja momentteihin. Virtaventtiileinä Tilavuusvirransäädöllä vaikutetaan toimilaitteiden liikenopeuksiin. Proportionaali- ja servoventtiilien ohjaustapa poikkeaa kuitenkin merkittävästi edellä esiteltyjen venttiilien ohjaustavoista, sillä niissä voidaan käyttää jatkuvaa portaatonta ohjausta. Kun venttiileitä voidaan ohjata portaattomasti, myös toimilaitteiden asemaa, nopeutta sekä voimaa tai momenttia voidaan ohjata portaattomasti. Proportionaali- ja servoventtiilit eroavat edellä esitellyistä venttiileistä sekä ohjaustavaltaan että rakenteeltaan.

2 - Toimintaperiaatteeltaan proportionaali- ja servoventtiilit ovat jatkuvatoimisia vahvistimia, joissa tuleva ohjaussignaali eli tulosignaali muunnetaan ja vahvistetaan hydrauliseksi lähtösignaaliksi. - Hydraulitekniikassa proportionaalitekniikalla tarkoitetaan proportionaaliventtiileitä sekä sellaisia järjestelmiä ja laitteistoja, joissa vahvistettu lähtösignaali riippuu tietyssä suhteessa tulosignaalista. - Servotekniikalla tarkoitetaan yleisesti, muun muassa hydraulitekniikassa, kaikkia jatkuvatoimisia laitteita, joissa on tulo- ja lähtösignaalin välisen proportionaalisuuden lisäksi jatkuva lähtösignaalin valvonta ja sen vertailu tulosignaaliin eli takaisinkytkentä. - Hydraulitekniikassa servojärjestelmä voidaan toteuttaa käyttäen nopeita ON/OFF- venttiileitä.

3 Sylinterin liike toteutettuna ON/OFF-venttiileillä Erilaisia ajomoodeja

4 Ohjaustapansa perusteella hydraulijärjestelmät voidaan jakaa ohjausjärjestelmiin ja säätöjärjestelmiin. Ohjausjärjestelmä: Vaikka näyttäisi siltä, että käskyarvon ja oloarvon välinen yhteys on lineaarinen ja arvojen välinen suhde on vakio, ei näin kuitenkaan todellisuudessa ole. Toimilaitteen nopeuteen vaikuttavat annetun käskyarvon lisäksi muun muassa toimilaitteen kuormitus, nesteen viskositeetti, muutokset komponenttien ominaisuuksissa, yksittäisten järjestelmänosien lineaarisuusvirheet sekä sähköisen ohjauksen häiriöt. Näistä merkittävin vaikutus on kuormituksella muutoksineen, sillä se määrää toimilaitteen painetason ja siten myös venttiilin yli vallitsevan paine-eron. Komponenttien ominaisuuksien muutoksilla tarkoitetaan tässä kulumisesta, nesteen mukana kulkeutuvien epäpuhtauksien keräytymisestä sekä paineen aiheuttamasta laajentumisesta aiheutuvia muutoksia. Tällöin komponenteissa muuttuvat muun muassa kitkat, vuodot sekä ohjaustarkkuudet. Ohjausjärjestelmässä esiintyvät sisäiset muutokset ja järjestelmään kohdistuvien ulkoisten tekijöiden muutokset johtavat siis siihen, että saman käskyarvon toistaminen eri olosuhteissa tuottaa erilaisia oloarvoja.

5 Säätöjärjestelmä: Proportionaali- ja servoventtiilit - Lisäämällä ohjausjärjestelmään ohjattavan suureen oloarvon mittaus sekä mitatun arvon vertailu käskyarvoon eli takaisinkytkentä saadaan aikaan säätö- eli suljetun piirin järjestelmä. Vertaamalla mitattua oloarvoa annettuun käskyarvoon eroelimessä saadaan selville säätöpoikkeama eli ero halutun ja todellisen pyörimisnopeuden välillä. Tämän poikkeaman eli virheen perusteella muodostetaan uusi, järjestelmän sisäinen käskyarvo, joka säätäjän sopivasti käsittelemänä ja vahvistamana johdetaan venttiilille. Säätöjärjestelmässä tapahtuva jatkuva virheen korjaus poistaa periaatteessa kaikki järjestelmän sisäisten muutosten sekä järjestelmään kohdistuvien ulkoisten tekijöiden muutosten vaikutukset oloarvoon.

6 Siirryttäessä perinteisistä venttiileistä koostuvista järjestelmistä proportionaalitai servoventtiileillä toteutettuihin järjestelmiin voidaan joissakin tapauksissa vähentää järjestelmän komponenttimäärää. Tästä esimerkkinä ovat kuvan järjestelmät, joissa toimilaitteena olevan sylinterin halutaan liikkuvan neljällä erikseen asetettavissa olevalla nopeudella. Perinteisillä venttiileillä eli ON/OFF- tekniikalla toteutettuna tämä vaatii sylinterin liikesuunnan määräävän suuntaventtiilin lisäksi yhtä monta virtaventtiiliä kuin on haluttuja nopeuksia. Sen sijaan esimerkiksi proportionaalitekniikalla toteutettuna sylinterin liikesuunnan ohjaus ja kaikki halutut nopeudet saadaan toteutettua yhdellä 4- tiesuuntaproportionaaliventtiililla.

7 Muutokset nopeuksien välillä saadaan tapahtumaan juohevasti, kun perinteisillä venttiileillä toteutetussa järjestelmässä muutokset ovat äkillisiä. Komponenttimäärän vähenemisen vastapainona on kuitenkin järjestelmän hallitsemiseksi tarvittavan ohjauksen monimutkaistuminen. Ohjauselektroniikan tuottama sähköinen käskyarvo on hydrauliventtiileiden toimintatavan vuoksi muunnettava mekaaniseen muotoon joko voimaksi tai liikkeeksi. Näiden avulla voidaan sitten hallita venttiilin karaa sekä edelleen venttiilin lähtösignaalia, painetta tai tilavuusvirtaa. Sähköinen käskyarvo muunnetaan mekaaniseksi sähkömekaanisilla muuntimilla, jotka ovat proportionaali- ja servoventtiileissä toisistaan poikkeavia.

8 Proportionaaliventtiili Proportionaalimagneetit voidaan jakaa voimaohjattuihin ja asemaohjattuihin. - Voimaohjatun magneetin tuottama, syöttövirrasta riippuva voima on vakio iskunpituusalueella, jonka laajuus on alle 2 mm. Magneettia käytetään tällä lyhyellä alueella ja magneetin tehtävänä onkin tuottaa syöttövirrasta riippuva voima, ei liike. Tällaisia proportionaalimagneetteja käytetään pääasiassa esiohjatuissa suunta- ja paineproportionaaliventtiileissä, joissa magneetin tuottama voima muunnetaan venttiilin pääkaran ohjaukseen käytettäväksi paineeksi. Voimaohjattu proportionaalimagneetti

9 Proportionaaliventtiili - Asemaohjatuissa magneeteissa käyttökelpoinen iskunpituusalue on pidempi kuin voimaohjatuissa ja on magneetin koon mukaan 2-5 mm. Magneetin tuottama, syöttövirrasta riippuva voima muutetaan iskunpituudeksi kohdistamalla tuotettu voima jouseen. Tällöin magneetin iskunpituus ja siten myös venttiilin karan siirtymä eli asema riippuvat syöttövirrasta ja liikettä vastustavan jousen ominaisuuksista. Asemaohjattuja proportionaalimagneetteja käytetään suunta-, paine- ja vastusproportionaaliventtiileissä. Asemaohjattu proportionaalimagneetti

10 Proportionaaliventtiili Jousivoima ei kuitenkaan ole ainoa tekijä, joka vaikuttaa asemaohjattujen magneettien tiettyä syöttövirtaa vastaavaan siirtymään, vaan siihen vaikuttavat lisäksi erilaiset häiriötekijät, joita ovat muun muassa virtausvoimat venttiilin karassa, kitkat, lämpötila sekä magneettinen hystereesi. Nämä heikentävät magneetin asemointitarkkuutta, jolloin venttiili ei asetukaan tulosignaalia vastaavaan asemaan eikä lähtösignaali saa haluttua arvoaan. Asematakaisinkytkennän merkitys on sitä suurempi, mitä suuremmat ovat häiriövoimat suhteessa magneetin ohjausvoimaan. Tämän vuoksi asematakaisinkytkentä on merkityksellisin suoraanohjatuissa venttiileissä, joissa virtausta ohjaavaan karaan kohdistuvat häiriövoimat kohdistuvat suoraan myös ohjaavaan magneettiin. Esiohjatuissa venttiileissä asematakaisinkytkennän merkitys on pienempi, sillä virtausta ohjaavan pääkaran asemointiin käytettävissä oleva voima on merkittävästi ohjaavan magneetin voimaa suurempi, koska ohjaussignaali vahvistetaan venttiilissä hydraulisesti. Säätöjärjestelmiin tarkoitetuissa proportionaaliventtiileissä eli niin kutsutuissa regelventtiileissä ohjausmagneetti on aina asematakaisinkytketty.

11 Servoventtiili Servoventtiileissä sähköinen käskyarvo muunnetaan mekaaniseksi tavallisesti vääntömoottoreilla, mutta myös muita rakenteita kuten lineaarimoottoreita ja askelmoottoreita käytetään, joskin harvemmin. Vääntömoottorit ovat virtaohjattuja kestomagneettimoottoreita, jotka tuottavat syötettyyn ohjausvirtaan nähden proportionaalisen momentin. Toisin kuin proportionaalimagneetit, vääntömoottorit ovat eristettyjä nestetilasta. Vääntömoottori

12 Servoventtiili Vääntömoottorin tuottama momentti on suhteellisen pieni, joten sen kyky ohjata hydraulista tehoa suoraan on vaatimaton. Tämän vuoksi vääntömoottorilta saatava mekaaninen signaali on suurempia hydraulisia tehoja ohjattaessa muunnettava hydrauliseksi sekä vahvistettava tarvetta vastaavaksi. Vääntömoottorien etuina ovat proportionaalimagneetteja pienempi tehonkulutus sekä paremmat staattiset ja dynaamiset ominaisuudet. Merkittävimmät erot proportionaali- ja servoventtiilien välillä ovat sähköisten ohjauslaitteiden erilaisuus sekä erot venttiilien staattisissa ja dynaamisissa ominaisuuksissa. Niistä riippuu soveltuuko venttiili asetuslaitteeksi ohjausvai säätöpiiriin. Venttiilien staattisiin ja dynaamisiin ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa karan peitot, sähköisen ohjauslaitteen ja venttiilin karan kitkat, välykset sekä hitaus, ohjauslaitteen magneettinen hystereesi sekä ohjauslaitteen mahdollinen takaisinkytkentä.

13 Ohjausjärjestelmiin tarkoitetuissa venttiileissä karan peitto on positiivinen ja peiton suuruus on noin % karan koko iskunpituudesta. Säätöjärjestelmiin tarkoitetuissa venttiileissä peitto on joko nollapeitto tai hieman negatiivinen, jolloin sen suuruus on noin 1-3 % karan koko iskunpituudesta. Näillä saavutetaan paremmat ohjausominaisuudet kuin positiivisilla karapeitoilla, mutta toisaalta haittana on venttiilien vuotovirtauksen kasvu. Karapeitot tilavuus- ja vuotovirtaominaisuuksineen

14 Venttiilin lähtösignaalin riippuvuus tulosignaalista ilmaistaan kuvan kaltaisilla ominaiskäyrästöillä, joissa signaaliarvot on ilmoitettu joko suureiden prosentuaalisina tai todellisina arvoina. Virta- ja paineproportionaaliventtiilien ominaiskäyrät

15 Ominaiskäyrien lisäksi venttiileille ilmoitetaan nimellistilavuusvirta, joka ilmaisee sen tilavuusvirran suuruuden, jonka täysin avoin venttiili jollakin tietyllä venttiilin ohjausreunan yli vaikuttavalla paine-erolla läpäisee. Suunta- ja virtaproportionaaliventtiilien nimellistilavuusvirrat ja ominaiskäyrät esitetään yleensä, valmistajakohtaisesti, ainakin joko 8 tai 10 bar:n suuruisella ohjausreunan yli vaikuttavalla paine-erolla. Säätöjärjestelmiin tarkoitettujen proportionaaliventtiilien eli regelventtiilien sekä servoventtiilien nimellistilavuusvirrat ja ominaiskäyrät taas esitetään tavallisesti paine-erolla 35 bar ohjausreunan yli, joskin myös muita paine-eroarvoja käytetään. Venttiilien tilavuusvirtaominaisuudet muilla kuin valmistajien ilmoittamilla paine-eroilla voidaan ratkaista yhtälöstä: Δp 2 Q 2 2 = Δp1 Q 1 Nimellistilavuusvirtakäyrä

16 Venttiilin dynaamisia ominaisuuksia kuvaava nousuaika ilmaisee venttiilin kyvyn seurata askelmaista tulosignaalin muutosta. Venttiilin tilanmuutokseen tarvitsema aika riippuu sekä signaalinmuutoksen suuruudesta että suunnasta. Kuvassa on esitetty tyypilliset nousuaikakuvaajat neljällä eri tulosignaalin muutoksella, joiden suuruus on ilmaistu prosentuaalisena osuutena tulosignaalin koko alueesta. Venttiilin askelvaste

17 Tarkempi kuva venttiilin dynaamisista ominaisuuksista saadaan sen taajuusvasteesta, joka ilmaisee venttiilin kyvyn seurata taajuudeltaan vaihtelevaa, mutta amplitudiltaan vakiona pysyvää sinimuotoista tulosignaalia. Taajuusvaste esitetään yleensä kuvan kaltaisena Bodediagrammina, jossa taajuuden funktiona on kuvattu lähtö- ja tulosignaalien välinen amplitudisuhde sekä vaihe-ero. Venttiilin taajuusvaste

18 Suuntaventtiilitoimintoihin tarkoitetut jatkuvatoimiset venttiilit ovat yleensä luistirakenteisia 4- tieventtiileita. Ohjattavan tilavuusvirran suuruuden mukaan venttiilit ovat joko suoraanohjattuja tai esiohjattuja, jolloin ne tavallisesti ovat joko kaksi- tai kolmiasteisia. Ohjattaessa toimilaitteita 4-tieventtiilillä venttiili kuristaa sekä toimilaitteelle menevää että toimilaitteelta poistuvaa virtausta, jolloin toimilaitetta voidaan hallita kuormituksen suunnasta riippumatta. Suoraanohjattu suuntaproportionaaliventtiili

19 Proportionaaliventtiiliohjatuissa säätöjärjestelmissä tulisi käyttää kuvan kaltaisia asematakaisinkytkettyjä nollapeittoisia suuntaproportionaaliventtiileitä. Suoraanohjattu, sähköisesti asematakaisinkytketty suuntaproportionaaliventtiili

20 Kuvan esittämässä esiohjatussa, kaksiasteisessa servoventtiilissä vääntömoottorin tuottama mekaaninen signaali muunnetaan vahvistetuksi painesignaaliksi esiohjausventtiilinä toimivassa suutin-läppäventtiilissä. Suutin-läppäventtiilin avulla muodostetaan pääkaran vastakkaisiin otsapintoihin vaikuttava paine-ero, jonka suuruus riippuu läpän liikkeestä ja siten venttiilin ohjaussignaalista. Pääkaraan kohdistuva, paine-erosta aiheutuva voima yhdessä karaan vaikuttavien jousivoimien kanssa määrää karan aseman. Esiohjattu, kaksiasteinen suuntaservoventtiili Esiohjattu, kolmiasteinen suuntaservoventtiili

21 Kuvassa on esitetty esiohjattu paineenrajoitusproportionaaliventtiili, jonka esiohjausosana on suoraanohjattu, asematakaisinkytketty paineenrajoitusproportionaaliventtiili ja päätehoasteena patruunaventtiili. Venttiili vastaa toiminnaltaan perinteistä esiohjattua paineenrajoitusventtiiliä. Esiohjattu paineenrajoitusproportionaaliventtiili

22 Ohjauselektroniikka sisältää vähintään vahvistimen, joka muuttaa yleensä jännitemuodossa olevan käskyarvon proportionaalimagneetin tai vääntömoottorin ohjausvirraksi. Tämän lisäksi elektroniikkaan kuuluu ohjattavan venttiilin mukaan erilaisia säätäjiä sekä apu- ja lisätoimintoja kuten värähtelyheräte, nollapisteen, vahvistuksen ja ohjaussignaalin muutosnopeuden asetus, kuolleen alueen kompensointi sekä karan aseman säätöjärjestelmä. Värähtelyheräte eli dither-signaali on korkeataajuista pieniamplitudista virtasignaalia, joka yhdistetään kortin tuottamaan käskyarvosta riippuvaan venttiilin ohjaussignaaliin. Herätteen tarkoituksena on pitää sähkömekaaninen muunnin ja venttiilin kara jatkuvassa liikkeessä ja estää siten lepokitkaa heikentämästä venttiiliominaisuuksia. Nollapisteen ja vahvistuksen asetuksilla vaikutetaan venttiilin lähtösignaalin riippuvuuteen tulosignaalista. Nollapisteen asetus määrää karan aseman ja siten myös venttiilin tilan, kun tulosignaali on nolla. Vahvistuksen asetuksella taas määritetään lähtö- ja tulosignaalin välinen kerroin eli ominaiskäyrän kulmakerroin.

23 Ohjaussignaalin muutosnopeuden asetuksella määritetään, missä ajassa käskyarvon muutos välittyy kokonaisuudessaan venttiilille. Venttiilin ohjauselektroniikalle annettava käskyarvon muutos on tavallisesti askelmainen, nopea arvosta toiseen siirtyminen. Mikäli ohjauselektroniikka välittää sen samanlaisena venttiilille, on seurauksena venttiilin karan aseman äkillinen muutos, joka taas aiheuttaa suuria ohjattavien toimilaitteiden kiihtyvyyksiä ja paineiskuja. Näiden välttämiseksi on hyvä hidastaa käskyarvon muutoksen välittymistä venttiilille ja antaa muutoksen tapahtua askelmaisen sijasta pengermäisesti eli hitaasti signaalin arvoa muuttaen. Tämä saadaan aikaan niin sanotuilla ramppigeneraattoreilla, joiden avulla voidaan määrittää tilasta toiseen siirtymiseen käytettävä aika. Kuolleen alueen kompensointia käytetään venttiileillä, joiden karan peitto on positiivinen. Tällöin venttiilin ohjauselektroniikalle tuotavaa käskyarvoa kasvatetaan siten, että jo pienikin annettu käskyarvo siirtää karan pois peittoalueelta. Venttiileiden, joissa on karan aseman takaisinkytkentä, ohjauselektroniikka sisältää myös karan aseman säätöjärjestelmän, joka huolehtii siitä, että kara saavuttaa annettua tulosignaalia vastaavan aseman.