ulusal hİdrolİk pnÖmatİk kongresİ ve sergİsİ · iii. hİdrolİk pnÖmatİk kongresİ program...

tmmobmakina mühendisleri odası

.ULUSALHİDROLİK PNÖMATİK

KONGRESİ ve SERGİSİ

İİBİLDİRİLER KİTABI

İZMİRmmo yayın no : E/2003/342-1 ARALIK 2003

tmmobmakina mühendisleri odasıSümer Sok. No: 36/1-A Demirtepe, 06440 - ANKARATel: (0 312) 231 31 59 - 231 31 64 - 231 80 23 - 231 80 98Faks: (0 312) 231 31 65

ODA YAYIN NO: E/2003/342-1

ISBN 975 - 395 - 658 - 4

BU YAPITIN YAYIN HAKKI MMO' NA AİTTİR.

KAPAK TASARIMI: Ürün Tanıtım - İZMİR Tel / Faks : (0232) 441 02 53

DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI İZMİR ŞUBESİ

Atatürk Cad. No:422 / 5 35220 Alsancak / İZMİR

Tel: (0232) 463 41 98 Pbx Faks : (0232) 422 60 39

BASKI: ALTINDAĞ MATBAACILIK - İZMİR Tel: (0232) 457 58 33

III. HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ PROGRAM BİLDİRİLERİ /HİD - 1

MMO, bu makaledeki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkansonuçlardan ve basım hatalarından sorumlu değildir.

Hidrolik Güç Ünitesi Ses Yalıtımı İçin Teorikve Deneysel Bir Çalışma

Kadir ÇAVDARULUDAĞ ÜNİVERSİTESİMÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİMAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Mesut ŞENGİRGİNULUDAĞ ÜNİVERSİTESİMÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİMAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI

BİLDİRİ

. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ

HİDROLİK GÜÇ ÜNİTESİ SEŞ YALITIMI İÇİNTEORİK VE DENEYSEL BİR ÇALIŞMA

Kadir ÇAVDARMesut ŞENGİRGİN

ÖZET

Bu bildiride, bir deney düzeneğinde tahrik elemanı olarak kullanılan 5 kVV'lık bir elektrik motorunasahip hidrolik güç ünitesinin ortama yaydığı ses emisyonu değerlerinin düşürülmesi amacı ile kurulanteorik model ve yapılan deneysel çalışmalar sunulmaktadır.

Teorik çalışmada ilk olarak ses iletimini temel alan akustik model kurulmuştur. Ele alınan fizikselsistem (hidrolik güç ünitesi) çalıştığı laboratuar ortamını yaklaşık 25 dB(A) daha gürültülü halegetirmektedir. Konstrüktif olarak en etkili sonuçlara ulaştıran "kaynağında gürültünün yok edilmesiyaklaşımı" bu uygulamada mümkün gözükmemektedir. Bu uygulamada, sesin iletim yolu üzerindekonstrüktif önlemler alınması daha uygun olacaktır. Alınabilecek önlemlerin neler olabileceğinibaşlangıçta öngörmek için, oluşan gürültünün frekans analizi yapılabilir. Frekans analizi sonunda eldeedilen baskın frekanslar ses yalıtımı için yol gösterici değerlerdir. Yalıtım için malzeme seçimi bufrekanslara göre yapılır.

Bildiride sonuçları sunulan deneyler henüz başlangıç aşamasında olup çalışma devam etmektedir.Çalışmada kullanılan "gürültüyü azaltmada işlem adımlan" yaklaşımı benzer çalışmalarda dakullanılabilir.

1. GİRİŞ

Bu çalışmada; otomobil egzoz askısı bağı kontrol cihazına hidrolik güç sağlayan ve 5 kVV'lık bir elektrikmotoru ile tahrik edilen bir hidrolik güç ünitesinin, boşta çalışma esnasındaki ses emisyon değerlerinindüşürülmesi amaçlanmıştır. Deney cihazı bir laboratuarda çalışmakta olup diğer cihazlarlaçalışanlarda konsantrasyon bozukluğu problemleri doğurmaktadır.

Gürültüyü engellemek için şu adımların takip edilmesi önerilir [1]:

• Gürültüye karşı önlemde ilk önce en gürültülü kaynaklar dikkate alınmalıdır.• İlk aşamada amaç gürültüyü kaynağında hapsetmek, yayılmasını engellemektir. Bunun için de

en etkili yöntem daha henüz tasarım aşamasında gürültüye karşı önlemler almaktır. Buaşamada alınan önlemler en etkili ve en ekonomik sonuçlar veren önlemlerdir [1].

• Eğer gürültü yayılması engellenemiyorsa bu sefer yayılma yolu üzerinde önlemler alınılmayaçalışılır. Sesin yayılma yolunda ses kesilmeye, sönümlenmeye veya yansıtılmaya çalışılır.

• Eğer hala gürültünün çevredeki insanlara ulaşması engellenemiyorsa son ihtimal olarakinsanlar üzerinde önlemler alınır, insana zarar örneğin kulaklık takma yolu ile en azaindirilmeye çalışılır.

"Hangi gürültü seviyesi insana zararlıdır?" sorusuna cevap vermek gürültü olayının sübjektif yönünedeniyle kolay değildir. 120 dB(A) gibi çok yüksek gürültü seviyeleri duyma organına zarar

II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ

vereceğinden bunların zararlı olarak tanımlanmaları kolaydır. Ancak kişiden kişiye değişen oranlarda,50-70 dB(A) seviyesindeki sesler kulağa zarar vermese de kişiyi psikolojik rahatsızlıklara götürebilirveya işe konsantrasyonu zorlaştırabilir.

Takip eden kısımda yapılan çalışma adım adım sunulacaktır. Her adımda kullanılan teorik ve pratikbilgiler de verilecektir.

1.1 Hidrolik Sistem Elemanları j

Deney düzeneğini, hidrolik sistem elemanları ve denetim elemanları olmak üzere iki kısma ayırmakmümkündür. Hidrolik devre elemanları olarak, güç ünitesi, yön denetim valfleri ve kullanıcılarısayabiliriz. Denetim elemanlarını ise, akım sürücü ve konum algılayıcısı oluşturmaktadır.

Deney düzeneğini oluşturan hidrolik sistemin güç ünitesi ve kullanıcı eleman olarak silindirin özelliklerişunlardır:

Güç ünitesi; 20 l/dak debi ve 125 bar basınç sağlayabilen dişli pompa ve bu pompayı tahrik etmek için1450 dev/dak hıza sahip 5.5 kVV'lık elektrik motorundan oluşmaktadır. Ayrıca emme ve dönüş filtreleri,sıcaklık ve seviye göstergeleri, hava filtesi ve basınç emniyet valfi standart elemanlar olarakbulunmaktadır. Tankın yağ kapasitesi yaklaşık olarak 80 litredir. •

Kullanıcı olarak silindir; 200 mm strok, 25 mm piston çapı ve 16 mm piston çubuğu çapına sahip çiftpiston çubukludur.

1.2 Akustik Modelin Kurulması

Hidrolik basıncın pompa tarafından oluşturulması sırasında güçlü bir gövde sesi meydanagelmektedir. Bu gövde sesi daha sonra gövdenin üst yüzeylerinden ve hidrolik iletim borularındançevre elemanlara nakledilmektedir. Ayrıca sistemdeki elektrik motoru da periyodik bir ses oluşumunaneden olmaktadır. Buna göre sistemdeki ses kaynakları şu şekilde sınıflandırılabilir:

Aktif Ses Kaynakları: - Hidrolik pompa f

- Elektrik motoru '

Pasif Ses Kaynaklan: - Gövde kaplamaları

- Nakil boruları

- Elektrik kablosu

Bu elemanların oluşturduğu sistemin akustik modeli ise Şekil 1 'deki gibi kurulmuştur.


Gövde,kaplamalar

(P)

Elektrikkablosu

(P)

Nakil boruları

(P)

/

/

•—•

Elektrik

Motoru

(A)

Pompa

(A)

t

—-»•

ALICI

(insan- Kulak

i

Döşeme (Taban)

Şekil 1. Akustik Model

Sistemde hava sesi üzerinde alınabilecek önlemlerin en uygun sonuçları vereceği düşünülmektedir.Sistem elemanları ve egzoz askısı bağı deney düzeneği Şekil 2. ve 3.'te verilmiş olan fotoğraflardagörülmektedir.

1.3 Gürültü Kaynağının Örtülmesi Yoluyla Ses Seviyesinin Azaltılması

Ses kaynağını örten bir kapsül ses enerjisinin dağıtılmasına neden olur. Kabinin iç duvarlarına çarpanses dört bölüme ayrılacaktır (Şekil 4.):

• Geri yansıyan ses• Yutulan (absorbe edilen) ses• Gövde sesi olarak nakledilen Ses• Kabin duvarından geçip dış ortama yayılan ses

Pratikte kütle kanununa göre, kabin duvarında kullanılan tek katmanlı bir ses kesme malzemesininkütlesi iki katına çıkarıldığında ses kesme etkisinde yaklaşık 6 dB(A) kadar bir artış olur. Bu yaklaşıkhesabı veren bağıntı şu şekildedir:

R = 20 • log2-n-m2-p-c

Şekil 2. Egzoz Askısı Bağı Kontrol Aparatı [1]


Şekil 3. Kısmi Örtü (Kapsül) Boyutları ve Ölçüm Noktaları [1]

Şekil 4. Kabin Duvarına Çarpan Sesin Elemanları [5]

Bu bağıntıda, m: Ses kesme malzemesinin metrekare başına kütlesi (kg/m2), p: Malzemeninyoğunluğu (kg/m3), c: Ses hızı (m/s)'dir.

Kabinde konstrüktif zorunluluklar nedeniyle bırakılması gereken yalıtım malzemesiz boşluklar da seskesme derecesini olumsuz etkiler. Bu boşlukların (pencerelerin) etkisi için de yine yaklaşık değerlerverilebilir (Tablo 1.).

Tablo 1. Kabindeki Boşlukların Ses Kesme Olayına Etkisi

Boşluk alanı / Kabin alanı

1/10

1/100

1/1000

1/10000

Kabinin maksimum ses kesme etkisi

+10 dB

+20 dB

+30 dB

+40 dB

Kabinlerde uygulanabilecek bazı konstrüktif düzenlemeler ve etkileri [1] nolu yayında tanıtılan bilgitabanlı sistemden temin edilmiş olup bilgiler Şekil 5. ve 6. ile Tablo 2.'de özetlenmiştir.


"3

nedenle çalışma esnasında makinenin w

Z] elemanlarının ses otustumıasıkaçınılmazdır. Bu konudaki detaylı bilgi *

f

Çok gürüllülü işyerlerinde bu önlemile fazla bir ses seviyesinde azalma

sağlanamaz. Çünkü makinenin üstyüzeyinden yayılan ses, buelemanl&nn azalttığı gövde sesine ^

Ses seviyesinin azaltılması frekanstagan _jji||l|Ç ok ilişkilidir Bu nedenle önlemi

2 Aufl EnchSchnudt ^ H almadan önce makine üzennde

Şekil 5.Çözüm Bankasında Bulunan Kısmi Örtü ile İlgili Çözüm

mT3

O

ili

a>

0)

wLU

O s* s*

—mı

—AIIL

—==JIIc

^ ^TT1-»

1 'r\ — •

ı—•

.——'

— >*•

-

— —

— —

— -

^ ^ ^ ^

I

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000[Hz] Frekans

Şekil 6. Tablo 2.'nin kullanımı için verilmiştir.

III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ

Tablo 2. Ses Kesici Kabin Tasarımında Bazı Uygulamalar ve Sonuçları [2]

G.No

1

İla

llb

İlle

İlla

IIIB

Kabin tasarımı

Ses kesici malzeme(Ref.VDI2711)

Ses yutucu malzeme ilekaplanmamış, tek katmanlıkabinSes yutucu malzeme ilekaplanmış, tek katmanlıkabinSes yutucu malzeme ilekaplanmış, tek katmanlıkabinSes yutucu malzeme ilekaplanmış, iki katmanlıkabin veya ağır tek katlıduvarSes yutucu malzeme ilekaplanmış, iki katmanlıkabin veya ağır tek katlıduvar

Kabin duvarınınkütlesi3

5...6 kg/m'

5...15 kg/m'

5...15 kg/m'

20...25 kg/m'

Katman başına5...10 kg/m2

Yaklaşık 100kg/m2

Katman başına10...15 kg/m2

Yaklaşık 400kg/m2

Pencereler, açıklıklar0

Özel bir boşlukkapama önlemi yok,boş yüzey oranı<%10d

Boş yüzey oranı < %5d

Boş yüzey oranı <%0,5°

Boş yüzey oranı <%0,1 d

Boş yüzey oranı <%0,01d

Boşluklar mümkünolan en iyi şekildeengellenmiş

Gövde sesi kesme olayı0

Yok

Ses kaynağının en basitşekilde örtülmesi

Ses kaynağının basit şekildeörtülmesi, toprak taban

Ses kaynağının basit şekildeuğultuyu kesecek şekildeörtülmesi, toprak tabanSes kaynağının iki katörtülmesi veya tek kat amatabandan ayırmalı

Ses kaynağının iki katörtülmesi veya tek kat amatabandan ayırmalı

indirgenen SesSeviyesiAL ]dB(A)]3...10

5... 15

7...25

10...30

20...40

30...50

* Herhangi bir ayırma konstrüksiyonu, ses yutucu malzeme ve örtü etkisi olmaksızın. Toplam duvar ağırlığı bu rakamdan çok dahabüyük olabilir.b Önemsiz boşluklar dikkate alınmaksızın.c Eğer akış gürültüsü yoksa, gövde sesi için alınmış olan önlemler dikkatealınmayabilir. Yüksek oranlı gövde sesi olan makinelerde, gerekli gövde sesi kesme miktarı dikkate alınmalıdır.d Kabin üstyüzeyinin miktarı.

1.4 Ses Yutma Katsayısı

Ses yutma katsayısı, malzemede yutulan akustik enerjinin malzemenin yüzeyine gelen toplam akustikenerjiye oranıdır:

a =Yutulan Ses Enerjisi

Yüzeye Gelen Ses Enerjisi

1

En-Eu

I4>

01

0,9

0,8

0,7

İ . 0>6

ra$ 0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0100

~~ 45 mm

30 mm

— 15 mm

— 7,5 mm

1000

1/3 Oktav Bandı Frekansları [Hz] 10000

Şekil 7. Farklı Kalmlıklardaki Poliüretan Malzeme Örneklerinin Ses Yutma Katsayısı-Frekans Grafikleri


Bu bağıntıda; Eg: Duvara gelen sesin enerjisi, Ey ise duvardan yansıyan sesin enerjisidir. Malzemeninses yutma katsayısını etkileyen faktörler arasında en çok inceleneni malzeme kalınlığıdır. Malzemekalınlığının artışı ses yutma katsayısının değerini farklı oranlarda pozitif yönde etkir.

Bu çalışmada da kullanılan steorofor köpük (kapalı gözenekli poliüretan köpük) malzemesininkalınlığının değişiminin ses yutma katsayısına etkisi [3] nolu çalışmada incelenmiştir. Frekansa bağlıolarak malzemenin ses yutma katsayısının değişimi Şekil 7.'de görülmektedir [3].

Şekil 7.'de görülen grafiğe göre malzeme kalınlığı arttıkça özellikle düşük frekanslarda (250-500 Hz)ses yutma katsayısı değerlerinde önemli oranda artışlar olmaktadır [3]. Sesin dalga boyudüşünüldüğünde bu sonuçlar mantıklıdır. Bunun dışında cam yünü, kaya yünü ve poliüretan levhalariçin hava sesi yutma değerleri bilgileri [4] kaynağından alınabilir.

2. REKONSTRÜKSİYON ÇALIŞMASI

Ortaya konacak çözümün ekonomikliği ve şu anda mevcut olan deney düzeneği üzerinde herhangi birdeğişikliğe neden olmaması gibi kısıtlar rekonstrüksiyon çalışmasının kısıtları olarak belirlenmiştir. Bukısıtların ışığında [1] nolu yayında detayı verilen bilgi bankasına başvurduğumuzda;

Oluşan hava sesinin nakli kısmi örtü uygulaması ile en aza indirilebilir

önleminin en uygun olduğu sonucuna ulaşılmaktadır. Bu konuda bilgi bankasında bulunan çoksayıdaki örneğe göre, hidrolik gücün üretildiği ve motorun bağlı olduğu kısım bir kutu (kapsül) içerisinealınmalıdır. Bu kutunun ağaç malzemeden yapılması ve duvar içlerinin ses yutucu malzeme ilekaplanması da ses kesme etki derecesini arttıracaktır. Ancak sistemin soğutulması gerektiği deunutulmamalıdır. Bu nedenle kullanılacak kabinin bir tarafının açık bırakılması düşünülmüştür.

Ses engelleme amacıyla hazırlanmış olan kısmi örtü Şekil 3.'te görülmektedir. Örtünün ses kesmeözelliğini arttırmak için duvar içleri 10 mm kalınlığındaki, porozif bir malzeme olan steorofor köpük ilekaplanmıştır. Ardından ses kesme özelliğini daha da arttırmak amacıyla 3 mm kalınlığındaki suni kau-çuk plakalar ile iç duvarlar tamamen kaplanmıştır. Steorofor ile suni kauçuk plakalar arasında ses ya-lıtım katsayısını arttırmak amacıyla yaklaşık 10 mm kalınlığında bir hava boşluğu bırakılmıştır, Şekil 8.

Kontrplakörtü

Suni kauçukplaka

Steoroforköpük

Havaboşluğu

Şekil 8. Kabin ve iç Kısmın Kaplanması

Kabin içerisindeki ses yansımasının etkisini görmek için de kabinin boru çıkış tarafı açık ve kapalışekilde deneyler Tablo 3.'te özetlenmiştir. Deneyler sonucu elde edilen verilerle çizilen diyagram daŞekil 9.'da görülmektedir.

Ölçüm noktaları olarak da kutunun ön bölümü (1), çalışma esnasında insanın bulunacağı konum (2)ve kutunun üst bölümü (3) seçilmiştir (Şekil 3.). Deneylerde ses seviyesinin belirlenmesi içinBrüel&Kjaer firmasının el tipi ölçü aleti kullanılmıştır.

II. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 10

Tablo 3. Hidrolik Güç Ünitesinin Üzerinde Yapılan Ses Kesme Çalışmaları

D.No AçıklamaGüç ünitesi çalışmıyor, ortamdaki ses seviyesinin belirlenmesiGüç ünitesi devrede, kutu konumlandırılmamışGüç ünitesi devrede, yalıtım malzemesiz kutu, sağ kısım açıkGüç ünitesi devrede, iç kısım steorofor kaplı, sağ kısım açıkGüç ünitesi devrede, iç kısım steorofor kaplı, sağ kısım kapalıGüç ünitesi devrede, iç kısım steorofor ve suni kauçuk ile kaplı, sağ kısım açıkGüç ünitesi devrede, iç kısım steorofor ve suni kauçuk ile kaplı, sağ kısım kapalı

3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

Hidrolik güç ünitesinin çalıştırılmadığı anda ortamdaki ses seviyesi her üç ölçüm noktasında da 50dB(A) olarak okunmuştur. Güç ünitesinin çalışması ortamdaki imisyon değerini yaklaşık 30 dB(A)arttırmaktadır, iki nolu ölçüm noktası ses kaynağından uzakta olduğundan buradaki ses basıncı değeridiğerlerine göre düşüktür (Şekil 9).

Ölçülen yaklaşık 80 dB(A)'lık bu değer boşta çalışma için oldukça yüksek bir değerdir ve alınacakönlemlerle bu deney cihazıyla çalışan kişinin duyu organının zarar görmesi engellenmelidir.

85

O 45

2 3 4 5 6 7

HNoktal BNokta2 ^Nokta3 Deney No

Şekil 9. Hidrolik Güç Ünitesi Üzerinde Yapılan Ses Kesme Deneylerinin Sonuçları

İlk denemede yaklaşık 5 dB(A) değerinde bir ses seviyesinde indirgeme sağlanabilmiştir. Herhangi biriç kaplama malzemesi kullanılmadan, sadece kontrplak tabakanın etkisiyle sağlanan bu indirgemeoldukça tatminkardır. Ardından kontrplak tabakanın iç kısmının steorofor köpük ile kaplanmasıyla sesseviyesi yaklaşık 2 dB(A) daha azaltılmıştır. Güç kaynağıyla askı ömür deneyinin yapıldığı kısmınbağlantısının bir suni kauçuk plaka ile tamamen kesilmesiyle de yaklaşık 1 dB(A)'lık bir iyileşme dahasağlanmıştır.

İç kısımda ses sönümlemesini arttırmak için düşünülen suni kauçuk plakalar deney sonuçlarına göreişe yaramamışlardır. Bunun nedenleri arasında; kısmi örtünün boyutlarının çok küçük olması, bunedenle iç kısımda oluşan yansımaların artması ve suni kauçuk plakaların ses yutma katsayılarınındüşüklüğü sayılabilir. Suni kauçuk plakalar ile yapılan uygulamada ses seviyesi yaklaşık olarak 3-5dB(A) kadar yükselmiştir.

Sonuç olarak, kısmi örtünün iç kısmı sadece porozif steorofor plakalar ile kaplanmış ve sağ kısmıtamamen kapatılmış olarak kullanılırsa 15-18 dB(A)"ık bir ses seviyesinde indirgeme sağlanabilir.

III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 11

Ancak bu uygulamanın ısının ortamdan uzaklaştırılması açısından zararlı olabileceği deunutulmamalıdır. Bu nedenle, kısmi örtünün sağ yanının kapatılmaması ve bu şekilde sağlanmış olanortamın imisyon değerindeki yaklaşık 8 dB(A) değerindeki azalma yeterli kabul edilebilir.

4. SONUÇ

Gürültünün insan psikolojisi ve fizyolojisini etkilediği açıktır. Bu nedenle cihazlar gürültüsü az olaraktasarlanmalıdır. Mevcut cihazlar da gürültüsü en az olacak şekilde çalıştırılman veya gürültününinsana ulaşım yolları üzerinde önlemler alınmalıdır.

Bu çalışmada, çok basit önlemler ve ekonomik yöntemlerle gürültü kaynağının insana etkisininazaltılabileceği gösterilmiştir. Bu nedenle çalışmanın bu alanda uyarıcı bir örnek olabileceğidüşünülmektedir.

Çalışmanın devamında pratik deneylerin teorik çalışma ile de desteklenmesi ve farklı malzemelerledeney sayısının arttırılması düşünülmektedir.

5. KAYNAKLAR

[1] ÇAVDAR, K., Gürültüsü Az Konstrüksiyonlar, Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen BilimleriEnstitüsü, Bursa, 2000.

[2] Luftschalldaemmung, Katalog, Handbuch Laermschutz.[3] ALTINSOY, E., GÜL, M., Malzemelerin Ses Yutumunu Etkileyen Faktörler, İzolasyon Dünyası 16,

s. 68-72, 1999.[4] Izocam ile Yapılarda Ses izolasyonu, Broşür, İzocam, 1992.[5] Christ/Fischer, Laermminderung an Arbeitsplaetzen, Erich Schmidth Verlag, 1988.

ÖZGEÇMİŞLER

Kadir ÇAVDAR

1969 yılında Bursa'da doğdu. 2000 yılında Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nden Doktorunvanı aldı. Gürültüsü az konstrüksiyonlar, makine elemanları, metodik konstrüksiyon ve mekatronikalanlarında halen UÜ Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği bölümünde ÖğretimGörevlisi olarak çalışmaktadır. Evli ve bir çocuk babasıdır.

Mesut ŞENGİRGİN

1967 yılında Mustafakemalpaşa-BURSA'da doğdu. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi MakineMühendisliği Bölümü'nden 1989 yılında "Lisans", Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nden1992 yılında "Yüksek Lisans" ve 2000 yılında "Doktora" derecelerini aldı. Uludağ ÜniversitesiMühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü'nde 1989-1997 yılları arasında AraştırmaGörevlisi olarak çalıştı. 1997 yılından buyana halen aynı üniversitede Öğretim Görevlisi olarak görevyapmaktadır. Çalışmaları sistem dinamiği, hidrolik ve pnömatik sistemlerin modellenmesi ve kontrolü,sistem modelleme ve simülasyonu alanlarında yoğunlaşmaktadır. Evli ve bir çocuk babasıdır.



Hidrolik Servo Valflerin Dinamik Modelleri vePerformans Testleri

Umut BATUASELSAN

M. Burak GÜRCANASELSAN

Tuna BALKANORTA DOĞU TEKNİK ÜNİVERSİTESİMÜHENDİSLİK FAKÜLTESİMAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ


BİLDİRİ


HİDROLİK SERVO VALFLERİN DİNAMİK MODELLERİ vePERFORMANS TESTLERİ

Umut BATUM. Burak GÜRCANTuna BALKAN

ÖZET

Bu çalışmada ASELSAN A.Ş. bünyesinde yürütülmekte olan bir projede kullanılan hidrolik servo valfinMATLAB® Simulink ortamında matematiksel modeli oluşturulmuş ve analizi yapılmıştır. Valfin dinamikve akış parametreleri yapılan deneysel çalışmaların MATLAB® System Identification Toolbox® modülüile değerlendirilmesi sonucunda belirlenmiştir. Tepki hızlarının önemli olduğu bir sistemin hız vekonum denetiminde kullanılan valf için benzetim sonuçları ile uygulama sonuçları karşılaştırılmıştır.

1. GİRİŞ

Sistemlerin bilgisayar ortamında benzetiminin hazırlanması, tasarım sırasında gerekli çalışmalarıngerçek sistem üzerinde yapılması yerine bilgisayar ortamında yapılmasına olanak sağlar. Böylecedaha az zaman ve daha az kaynak harcanarak sistemin istenilen performans düzeyine getirilmesisağlanmış olur. Günümüzün hidrolik uygulamaları göz önüne alındığında, genellikle, dinamik etkileringöz önüne alınmasına gerek duyulmadan tasarlanan sistemlerle karşılaşılmaktadır. Yüksek hızlardave/veya ivmelerle hareket eden sistemler çoğunlukla küçük ataletlere sahip olduğundan, tasarımsürecinde çeşitli dinamik etkilerin göz ardı edilmesi büyük hatalara neden olmamaktadır. Servovalflerin bant genişliğinin de denetlenen mekanik sistemlere göre büyük olması nedeniyle hızlı olanvalf dinamiği tasarımda genellikle ihmal edilmektedir. Ancak, havacılık ve askeri uygulamalarda sistemtepki hızı ön plana çıkmakta, dolayısıyla valf tepki hızı da önem kazanmaktadır.

Servo denetimli kapalı döngü sistemlerde, sistemin isteğe karşı verdiği yanıttaki gecikme, hız, hata,kararlılık gibi kavramlar oldukça önem kazanmaktadır. Servo valfler ile kolayca denetlenebilen hidroliksistemlerde performansı arttırmak için denetlenen mekanik sistemin dinamik davranışı, hidrolik yağınsıkıştırılabilirliği, servo valfin zaman sabiti ve kazancı gibi etkenleri göz önüne alarak tasarımaşamasında bir matematiksel model oluşturulması ve artık yaygın olarak kullanılan dinamikmodelleme yazılımlarının yardımı ile bilgisayar ortamında benzetim yapılması gereği ortaya çıkmıştır.Bir sistemin tasarım sürecindeki aşamalar, matematik modelleme, dinamik model elde edilmesi vebenzetimdir. Bu şekilde, bilgisayar ortamında sistemin basamak ve frekans tepkisi, vb. davranışlarınınbenzetimi yapılabilmekte, benzetim üzerinde yapılan çalışmalarla tasarımın iyileştirilmesi, denetleçtürünün seçimi ve parametrelerinin iyileştirilmesinin bilgisayar ortamında kolaylıkla gerçekleştirilmesimümkün olmakta ve daha az zaman ve daha az kaynak harcanarak sistem istenilen performansdüzeyine getirilebilmektedir. Gerektiğinde, bu testlerin sonuçlarının gerçek sistem üzerinde yapılantestlerin sonuçlarıyla karşılaştırılması ve benzetimin doğrulanması da mümkündür.

Hidrolik güç sistemlerinin benzetim uygulamaları için çeşitli kişisel bilgisayar programları geliştirilmiştir[1]. MATLAB® [2] yazılımının SİMULİNK® [3] modülü günümüzde bu tür dinamik modelleme vebenzetimin gerçekleştirilmesinde yaygın olarak kullanılan programlardan birisidir. Özellikle servouygulamalarında, seçilen valfin dinamik davranışının uygunluğu, sistemin kararlılığı, tepki hızı, oluşan


nihai hata vb. tasarım kriterlerinin önceden test edilmesi ve sistemin istenilen dinamik davranış içinayarlanması ancak uygulama öncesi başlanan ve uygulama sürecinde de devam eden bir dinamikmodelleme ve benzetim ile mümkün olabilmektedir. Bu süreç içerisinde karşılaşılacak en önemlizorluklardan birisi sistemin dinamik davranışındaki baskın elemanların dinamik modellerininoluşturulması ve parametrelerinin belirlenmesidir. Bu amaçla, matematiksel model oluşturulduktansonra, eğer önceden yapılmamış ise, söz konusu elemanların dinamik parametrelerinin belirlenmesiiçin bir dizi test ve laboratuar çalışmasının yapılması gerekmektedir. MATLAB® yazılımının SystemIdentification Toolbox® modülü sistem parametrelerinin bulunması için kullanılabilecek önemli biraraçtır. Bu modül kullanılarak test sonuçlarından sistemin matematiksel modeli ve parametrelerikolaylıkla elde edilebilmektedir. Benzetim sonuçlarının uygulama sonuçları ile karşılaştırılması, ancaksistem parametrelerinin belirlenmesinden sonra mümkün olmaktadır, ilgili testler, MATLAB®yazılımının gerçek zamanda çalışan modülleri ve bilgisayara takılacak analog/sayısal vesayısal/analog dönüştürücü birimleri içeren bir veri toplama kartı yardımı ile yapılabilmekte, testsonrası ise yine aynı donanımın hem benzetimi hem de uygulamayı gerçek ve eş zamanlı olarakçalıştırabilme yeteneği kullanılarak karşılaştırma yapılması mümkündür.

Bu çalışmada, ASELSAN A.Ş.'de yürütülen bir proje kapsamında kullanılan servo valflerin bilgisayarortamında benzetimi gerçekleştirilmiş ve benzetim sonuçlarıyla test sonuçları karşılaştırılmıştır. Servovalflerden biri bir hidrolik silindirin denetimi, aynı karaktere sahip bir diğeri ise bir hidromotorundenetimi için kullanılmaktadır.

2. FİZİKSEL MODEL

Şekil 1'de bu çalışmada kullanılan servo valflerden birinin bloğunun şematik gösterimi verilmektedir.

Elektriksel Giriş

İkinci Kademe

Üçüncü Kademe

Birinci Kademe

H, C, p H2 C2 R

Şekil 1. Servo Valf Bloğunun Şematik Gösterimi

Birinci kademe ön yönetim valfinden oluşmaktadır. Ön yönetim valfi kapalıyken servo valfe basınçlıhidroliğin girmesi engellenmektedir.Servo valfin çalışır duruma gelmesi için ön yönetim valfininaçılması gerekir. Üçüncü kademeye gelen basınçlı hidrolik akışkan bu kademede bulunan sürgü ilehidrolik silindire yönlendirilir, ikinci kademeden gelen hidrolik akışkan ile kontrol edilen üçüncü kademesürgüsünün konumu LVDT tarafından algılanır ve denetleç birimine aktarılır. İkinci kademeden üçüncükademeye doğru olan akış, ikinci kademe sürgüsünü hareket ettiren elektriksel servo komututarafından kontrol edilir. Bu komut servo valfe denetleç birimi tarafından gönderilmektedir. Servo valfinçıkış uçlarına bağlı bulunan basınç algılayıcı, sistemde oluşan yük basıncını denetleç birimine aktarır.


3. MATEMATİK MODEL

17

İlk aşamada valfin hidrolik modeli hazırlanmıştır. Çift etkili silindirin servo blok tarafından kontrol edilişiŞekil 2'de şematik olarak gösterilmiştir. Bu çalışmaya servo bloğun sadece üçüncü kademesi konuedilmiştir. Bu kademenin sıfır taşmalı olduğu, açıklığı x (sürgü konumu) olan iki adet orifisten oluştuğu,sürgü orta konumdayken x değerinin sıfır olduğu, sürgü bir yöne hareket ederken x'in pozitif, diğeryöne hareket ederken de negatif değerler aldığı varsayılmıştır. Diğer bir varsayım ise beslemebasıncının çalışma süresince sabit olduğudur. Silindirin A bölmesi tarafındaki orifisin arkasındakihidrolik akışkanın basıncı Pİ7 B bölmesi tarafındaki orifisin arkasındaki hidrolik akışkanın basıncı da P2

olarak tanımlanmıştır. x değerinin sıfırdan büyük olduğu durumda piston, sabit besleme basıncına (Ps)eşit olan P, basıncı tarafından sürülmekte, P2 basıncı da çıkış basıncına (Pe) eşit olmaktadır. Budurumda silindirin A bölmesi tarafındaki orifisten geçen akışkanın debisi, Qa, aşağıdaki orifisdenklemiyle ifade edilmiştir [4].

Qa=k.|x|.sign(P1-Pa).^ (4.1)

Şekil 2. Hidrolik Valf ve Silindir Modeli

Hidrolik akışkanın sıkıştırılabilir olduğu kabul edilirse, bu durumdaki akış sürekliliği denklemi deaşağıdaki şekilde ifade edilir.

(2)

(1) ve (2) numaralı denklemlerde

A Çift-etkili silindir üzerindeki akış kesit alanıa Bulk modülüVa Silindirin A bölmesinin hacmiy Pistonun silindire göre konumuPa Silindirin A bölmesi tarafındaki orifisle yük arasındaki akışkanın basıncıy Pistonun silindire göre bağıl hızı

olarak tanımlanmıştır. Ayrıca (1) numaralı denklemde kullanılan k.x çarpımı orifisin hidrolik iletkenliğiolup aşağıdaki denklemle ifade edilir.

k.x = Cdwx - (3)

Bu denklemdeki parametrelerin tanımları da şöyledir;

Cd Boşaltma katsayısı (keskin kenarlı orifislerde ortalama 0.625 alınır)w Orifisin sürgü çevresi boyunca genişliğip Hidrolik akışkanın yoğunluğu

. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 18

x değerinin sıfırdan küçük olduğu durumda ise piston, sabit besleme basıncına (Ps) eşit olan P2

basıncı tarafından sürülmekte, P^ basıncı da çıkış basıncına (Pe) eşit olmaktadır. Bu durumdaki orifisve akış sürekliliği denklemleri diğer duruma benzer olarak aşağıdaki şekilde yazılmıştır.

Qb=k.|x|.sign(Pb-P2).A/|Pb-P2 (4)

(5)

Bu denklemlerde de

Qb Silindirin B bölmesi tarafındaki orifisten geçen akışkanın debisiPb Silindirin B bölmesi tarafındaki orifisle yük arasındaki akışkanın basıncıVb Silindirin B bölmesinin hacmi

olarak tanımlanmıştır. Pistonun sürdüğü mekanik sisteme uyguladığı kuvvetin oluşmasını sağlayan netbasınç farkı PL ise aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır.

P L = P a - P b (6)

1-6 denklem setiyle tanımlanan valf sisteminin girdisi sürgü konumu x olup çıktısı ise silindirin A ve Bbölmelerindeki basıçlardır. Hidrolik silindirin sürdüğü mekanik sisteminin hareketini de bu bölmelerarasındaki basınç farkı sağlamaktadır. Servo valf modelinin blok şema gösterimi Şekil 3 de verilmiştir.

Valf AkışKarakteristiği

Yüksek Geçirsen Filtre \4—| Diferansiyel Basınç ölçer

Şekil 3. Servo Valf Modeli Blok Şeması

Şekil 3 ile verilen ikinci ve üçüncü kademe valf dinamiği ve üçüncü kademe valf akış karakteristiğimodelinin girdisi valf sürgüsü konum isteği xr olarak gösterilmiştir. 1-6 numaralı denklemlerin girdisiolan valf sürgü konumu ile istek arasındaki ilişki ise valf denetleç döngüsü tarafından belirlenmektedir.Matematik modeli doğru olarak oluşturabilmek için sebep-sonuç ilişkilerine dikkat etmekgerekmektedir. Şekil 3'de de görüleceği üzere valfin akış karakteristiği çıkış olarak Qa ve Qb debilerinivermektedir. Ancak, valfin sürdüğü hidrolik silindir ve mekanik sistem düşünüldüğünde bu sistemleringirdisinin kuvvet ya da dönme momenti olması gerekir. Bu durumda, anlamlı sebep-sonuç ilişkisi içindebilerin hidrolik yağın esnekliğine karşı gelen Bulk modülü üzerinden basınca, daha sonra da kuvveteçevrilmesi doğru olacaktır. Diğer taraftan, Şekil 3 de hidrolik silindir ile sürdüğü mekanik sistem tek birblokla gösterilmiş olup aralarında olabilecek esnek bağlantılar göz ardı edilmiştir. Ancak, istenildiğitakdirde esnekliği katacak değişiklikleri kolayca yapmak mümkündür.

Valfin elektriksel dinamiği, nüvedeki Eddy akımlar göz ardı edildiğinde, seri bir direnç ve bobin ilemodellenebilir. Bu durumda, valfe uygulanan denetim sinyali ile, bobinden geçen akım arasında birincimertebeden bir dinamik oluşmaktadır. Valfin elektriksel tepki hızını arttırmak için çeşitli yaklaşımlarbulunmaktadır [4]. Bunların başında valfi voltajla sürme yerine akımla sürme gelmektedir. Oransalakım denetiminin kullanıldığı durumda valfin elektrik matematiksel modeli aşağıda verilen denklem setiile tanımlanabilir.


L d İ

dtdVdt "

f Ri = V

= K p ( i d -i)

Bu denklemlerde,

L

R

V

i

İd

Kp

Valf bobin endüktansı,

Valf bobin direnci,

Valf bobin voltajı,

Valf akımı,

Valf akım isteği,

Oransal denetleç kazancı

(6)

(7)

olarak tanımlanmıştır. 6 ve 7 numaralı denklemler birleştirildiğinde ise akım isteği ve oluşan akımarasındaki aşağıda verilen 2 mertebeden elektriksel dinamik elde edilir.

Servo valflerde genelde iki adet birbiriyle aynı sürücü bobin bulunmaktadır. Bu bobinleri seri ve paralelolarak iki şekilde bağlamak mümkündür. Eğer bobinlerin toplam endüktansı ve direnci sırasıyla Lo veRo ise, n bobinli paralel bağlantı için eşdeğer endüktans ve direnç şu şekilde elde edilir.

'"O~ paralel

I _ '"O DLparalel ~ ~ "paralel

Hem paralel hem de seri bağlantı için L/R= Lo/ Ro oranı ve akım isteğini, id, izlemek için gerekli güçgereksinimi, id

2R0, sabit kalmakla beraber, akım isteğine ulaşmak için gerekli süre t0 farklı olup, valfdenetleci için yüksek oransal kazanç kullanıldığında ve basamak akım isteğinde valf denetlecinindoyuma ulaşması durumunda aşağıdaki ifade ile gösterilebilir.

(10)n V max

Burada,

t0 Akım isteğine ulaşmak için gerekli süre,

id Basamak akım isteği büyüklüğü,

Vmax Maksimum amplifikatör çıkış voltajı

olarak tanımlanmıştır. Şekil 4 de voltaj ve akım ile sürülen bobinin tepkileri, Şekil 5'te paralel ve seribağlantılar için iki yöndeki tipik basamak tepkileri gösterilmiştir.

ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 20

Şekil 4. Valf Bobinini Akım ve Voltaj ile Sürme Basamak Tepkileri

Paralel Bağlantı Paralel Bağlantı

Seri Bağlantı

Şekil 5. Valf Bobinlerinin Paralel ve Seri Bağlantı Basamak Tepkisi

Şekil 5'te görüldüğü üzere bobinlerin paralel bağlantısında tepki hızı daha yüksek olmaktadır. Her ikiyönde basamak tepkilerinin farklı olmasının sebebi ise akımın kesilmesinden sonra bobindeki artıkmanyetik alandır. Bu sorun sürgünün geri çekilmesi sırasında akımı sıfırlamak yerine önce ters yöndeakım verilip daha sonra sıfırlama uygulanarak giderilebilir. Şekil 6'da bu uygulama sonucundabasamak tepkisindeki iyileşme görülmektedir.

• — — • f e

\ Ters

VYönde Akım Var

// Ters Yönde Akım

- ^ . — ~ _ ~ * ~ — ~ ~ ı — t

-

Yok •

Şekil 6. Ters Yönde Akım Uygulayarak Basamak Tepkisinin İyileştirilmesi

Yukarıda verilen açıklamalar doğrultusunda, daha hızlı valf tepkisi paralel bobin bağlantısı ve akımsürücü için maksimum amplifikatör voltajının yükseltilmesi ile elde edilebilir.

Şekil 3 ile gösterilen matematik model bilimsel çalışmalarda kullanılmakla beraber mühendislikçalışmaları için pratik değildir. Bu modeli oluşturup valf ve sistem parametrelerini belirleyip benzetimyapmak yerine sistem tanılama yöntemi kullanılarak valf dinamiğinin tamamının bir transfer fonksiyonuolarak belirlenmesi daha uygundur. Bu şekilde yapılacak uygulamada valfin elektriksel ve mekanikdinamiği (sürgü dinamiği) bütünüyle kapsanmış olacaktır. Diğer bir deyişle servo bloğun ikinci ve


üçüncü kademe dinamiğinin tamamı elde edilen model içerisinde yer almış olacaktır. Bu amaçlaMATLAB® yazılımının System Identification Toolbox® modülü kullanılabilir. Birinci kademe ise aç-kapakademesi olduğu için bu çalışmanın dışında tutulmuştur.

4. MATLAB®/SYSTEM IDENTIFICATION TOOLBOX® MODÜLÜ İLE VALF MODELİNİNOLUŞTURULMASI

Valf modeli oluşturma sürecinin ilk aşamasında valf kazancı (geçirgenlik katsayısı, Kv) değerininbulunması gerekmektedir. Bu bilgi için katalog değeri alınabilmekle beraber bu çalışmada deneysel yoltercih edilmiştir. Bu amaçla servo valf üzerinde P-Q ölçümleri yapılmıştır. Sürgü %100 açık iken, valfüzerine basıncı 10 ile 200 bar arasında değişen bir akış uygulanmış ve debi ölçülmüştür. Testsonunda elde edilen verilerden valf karakteristik eğrisi bulunmuştur. Elde edilen gerçek sistem eğrisive bu eğriye çakıştırılan teorik (Kv = 4.7e5) eğrisi normal ve logaritmik eksenler için sırasıyla Şekil 7 (a)ve Şekil 7 (b) de verilmiştir.

Deneysel Karakteristik

Teorik Karakteristik

sn ıD im iz; ı u -m ısa 200VaK Basinç Kaybl, bar

SL

(a) P-Q

20 X 43 60 70 100VaHdeki Baslrıç Kaybi. bar

(b) logP-logQ

Şekil 7. Valf Karakteristiği

Öte yandan, valfin elektriksel ve mekanik dinamiğinin modellenmesi için valf bobin endüktans vedirenç değerlerinin, 3. kademe sürgü kütlesi ve içinde bulunduğu ortamın viskoz sürtünme katsayısınınsayısal olarak belirlenmesi gereklidir. Bu değerlerin isabetli olarak ölçülmesi veya testler ilesaptanması oldukça güçtür. Bu gibi durumlarda deneysel veriye dayalı sistem tanılama yöntemlerideğerlendirilmelidir. Sistem üzerinde kontrollü test yapmak için uygun altyapı mevcut ise, sisteminreferans isteklere tepkisi kaydedilip girdi ve çıktı uygun bir ortamda işlenerek sisteme temsili birtransfer fonksiyonu uydurulması ve yapılacak analiz ve çalışmalarda bu transfer fonksiyonununkullanılması, analitik denklemlerden model oluşturma sürecine basit, hızlı, pratik ve masrafsız biralternatif oluşturmaktadır.

Bu çalışmada, valfin ikinci ve üçüncü kademe dinamiğini analitik denklemlerle ifade etmek yerinesistem tanılama yöntemi kullanmak yoluna gidilmiştir. Tanılama çalışması için MATLAB® yazılımınınSystem Identification Toolbox® modülü içinde bulunan Ident® arayüzü kullanılmıştır, Şekil 8'de görülenIdent® arayüzünde soldaki haneler tanılamada kullanılacak olan girdi verileri için, sağdaki haneler iseoluşturulacak modeller için ayrılmıştır. Model oluşturma, "VVorking Data" hanesinde bulunan verikullanılarak yapılır. "Validation Data" hanesi ise, oluşturulan modelin tepkisinin gerçek sistemintepkisini ne derecede yansıttığı değerlendirilirken kullanılacak olan gerçek sistem verisini gösterir.


t *

Opeufeni

t

1 T» 11 T» 1

• i

Mo4* J

r •-..•••«âttan PW

H

JaJüJ

HULU

|| ]Model Vww

r •••••

• 1 .

(a) Açılış Ekranı

Data

data

d

DataVfevn

" Tmspiot

.İM.

- t

* * 1 MU 1»MdngiMa

|EilmBl«-> zl

j To || t»

Trash

model• HH.—.—

r MuMıMııut r fianaantıatp

r »oMn-Jis T fnnoencj rw>

I a«. \VaMalonDaM

P Nointpecttum

(b) Veri Yüklenmiş ve Model Üretilmiş

Şekil 8. Ident® Arayüz Ekranı

Tanılama çalışmasına başlangıç olarak valf üzerinde kontrollü testler yapılmıştır. Valfe gönderilenistek sinyali, valf bobini üzerinden ikinci kademe makarasına kuvvet olarak uygulanmaktadır. İkincikademe makarasının merkez dışında bir konumda bulunması da üçüncü kademe sürgüsünü hareketettirmektedir. Bu yüzden valfe uygulanan istek sinyali kontrol edilmediği takdirde üçüncü kademesürgüsünün sınırlarına dayanması söz konusu olmaktadır. Bu da elde edilen verinin doğrusal birbenzetim için uygun olmamasına yol açmaktadır. Bu nedenle, sistem üzerinde yapılan testlerdeoransal kontrol uygulanmıştır. Testlerde istek sinyali olarak genliği 2 V, frekansı 1 Hz olan bir sinüssinyali kullanılmıştır. İstek sinyali ve karşılığında ölçülen sürgü konumu Şekil 9a, 9b ve 9c deverilmiştir. Şekil 9b ve 9c'deki grafikler, Şekil 9a'daki grafiğin büyütülmüş ayrıntı gösterimleridir.

2.5

1.5

0.5

1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4

(b)

2

1.8

1.6

1.4

1.2

1

0.8

0.6

04

0.2

r • ; 'j^"~~~-~^_ \ istek sinyalisjs1^ ^ » v 1 — s l ) r 9 ü tonumu

j? ;. ;V : i.

8.1 8.15 8.2 8.25 8.3 8.35 8.4 8.45 8.5 (c)

Şekil 9. Sistem Tanılama için Kullanılan Test Verisi


İstek sinyali ve sürgü konumu bilgileri tanılama için Ident® programına yüklenmiştir. Bu aşamadatanılamanın mevcut yöntemlerden hangisiyle yapılacağının seçilmesi gereklidir. Bu da tanılamasonucunda ne tür bir sistem gösterimi beklendiğine bağlıdır. Bu çalışmada sistemin bir transferfonksiyonuyla ifade edilmesi amaçlandığı için programın Şekil 10 da gösterilen seçenekleri arasından"Process Model" seçilmiştir. Bu yöntem, verilen istek ve tepkiye paydası birinci ya da ikinci derece,payı da sıfırına ya da birinci derece olan, isteğe göre tip sıfır ya da tip bir transfer fonksiyonuuydurmaktadır.

Equation:

r Detay F

Name:

Focus:

Initial State:

Cpvarianoe:

1K

[1 + Tp1 $)(1

Integrator F Zero

|P2U

llsfflflfflllillİAuto

(Estimate

Iterationconttol... |

Estımate | Cipse

+ Tp2s)

Ontef

i

Pöles

rfto-..

Help

Bil

i

I

Şekil 10. Ident® "Process Model" Yaratma Seçenekleri

Şekil 9b'de verilmiş test verisi grafiğinden ikinci ve üçüncü kademe valf dinamiğinin birinci derecedendaha yüksek dereceli bir sistem karakteristiğine sahip olduğu anlaşılmaktadır. Analizin basitliği ve eldeedilen transfer fonksiyonunun anlaşılırlığı ve kullanışlılığı açısından sistemin baskın kutuplarını içerenikinci derece bir transfer fonksiyonu kullanmak uygun olacaktır. Analizden elde edilmek istenentransfer fonksiyonu 11 numaralı denklemdeki gibi tanımlanmış, analiz sonucunda 12, 13 ve 14numaralı denklemlerdeki değerler ve 15 numaralı denklemdeki transfer fonksiyonu elde edilmiştir.

L : OD

K=1

Tw=0.005

Ç=0.4

T(s) =1

25x10~6s2+4x10~3s

(12)

(13)

(14)

(15)

Elde edilen kapalı döngü transfer fonksiyonunun sağlamasını yapmak için MATLAB®/Simulink®ortamında testte kullanılan istek sinyali bulunan T(s) transfer fonksiyonuna beslenmiş, alınan çıktıgerçek sistem üzerinde kaydedilmiş olan tepkiyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalı grafikler Şekil 11a,11b ve 11c de verilmiştir.

Daha önce de belirtilmiş olduğu gibi, tanılama sonucunda elde edilen bu transfer fonksiyonu, konumkontrolü yapılan sürgünün kapalı döngü transfer fonksiyonudur. Bu fonksiyon kullanılarak açık döngütransfer fonksiyonu teorik hesaplamalarla bulunmuştur. Bu işlem için öncelikle kapalı döngü sisteminblok şemasından yola çıkılarak açık döngü transfer fonksiyonu ile kapalı döngü transfer fonksiyonununarasındaki bağıntı çıkarılmıştır.


2.5

2

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

-1.5

-2

-2.510

(a)12 14 16 18 20

— . -

/ / • . :

' /

/ /

/ • • '

il. : : .'.... ; :

istek sinyali— model tepkisi

sürgü konumu

1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4

(b)

2

1.8

1.6

1.4

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

f

istek sinyali— model tepkisi

sürgü konumu

8.1 8.15 8.2 8.25 8.3 8.35 8.4 8.45 8.5 (c)

Şekil 11. Sistem Tanılama Sonucu Elde Edilen Modelin Test Verisiyle Karşılaştırması

Çıkarımı basitleştirmek için oransal bir denetleç kullanılmış ve geri besleme hattında bulunan LVDTalmacının birim transfer fonksiyonuna sahip, ideal bir almaç olduğu varsayılmıştır. Bu varsayımlaraltında sistem Şekil 12'deki blok şeması ile tarif edilebilir.

Şekil 12. Test Düzeneğinin Blok Şeması

Burada,

U(s)Y(s)C(s)G(s)

istek sinyali,3. kademe sürgüsü konumu,Denetleç transfer fonksiyonu,Valf açık döngü transfer fonksiyonu,

olarak tanımlanmıştır. Şekil 12 de blok şeması verilen test düzeneğinin kapalı döngü transferfonksiyonu, T(s) yazıldığında, valfin açık döngü transfer fonksiyonu olan G(s) de kolaylıkla aşağıdakişekilde bulunabilir.

T(s) =

G(s) =

Y(s) C(s)G(s)U(s) 1 + C(s)G(s)

T(s)C(s)-C(s)T(s)

(16)

(17)


Testlerde kazancı 3 olan oransal bir denetleç kullanılmıştır. Bu durumda denetlecin transferfonksiyonu, C(s)=3 olarak alındığında aşağıdaki sonuca ulaşılır.

1

G(s)= 25x10- 6 s 2

+ 4x1Q- 3 s + 1 = 13 ? s(75x10"6s + 12x10"3)

25x10~6s2+4x10~3s + 1

Elde edilen G(s) transfer fonksiyonu, valf 3. kademe sürgüsünün mekanik ve elektriksel dinamiğiniifade etmektedir. Valfe verilen istek hıza, valften alınan geri besleme ise konuma karşılık geldiği içinsistemde integral bir davranış olması beklenmektedir. Elde edilen transfer fonksiyonununpaydasındaki "s" terimi bu davranışı ifade etmektedir.

Grafiklerden de görülebileceği gibi valf dinamiğinde doğrusal bir transfer fonksiyonu ilemodellenemeyecek unsurlar da mevcuttur. Ancak matematik model oluşturmadaki amaç denetleçtasarlamak veya valfin entegre olduğu daha kapsamlı bir sistemin benzetimini yapmak olduğu süreceelde edilen yaklaşık doğrusal model valfin davranışını yeterli isabette temsil etmektedir.

SONUÇ

Bu çalışmada, ele alınan servo valfin elektriksel ve mekanik dinamiği ile akış karakteristiğini temsileden matematik modeli oluşturmak için gerekli analitik denklemler bir araya getirilmiş, gerekliparametrelerin belirlenmesi için mühendislik çalışmalarına uygun, pratik, deneysel yöntemleroluşturulmuş, ikinci ve üçüncü kademe valf karakteristiğinin belirlenmesine yönelik deneysel bir sistemtanılama çalışması yapılmış ve bu çalışmadan elde edilen kapalı döngü transfer fonksiyonukullanılarak, analitik ve deneysel yollarla doğrudan elde edilmesi güç olan açık döngü transferfonksiyonu hesaplanmıştır. Bir servo valfin matematik modeli oluşturulurken izlenecek yol ele alınanörnek sistem üzerinde ortaya konmuş, dikkat edilmesi gereken noktaların altı çizilmiştir. Çift bobinlivalflerin sürülmesinde paralel ve seri bağlantı seçenekleri değerlendirilmiş, avantajları vedezavantajları belirtilmiştir. Servo valften daha hızlı tepki alabilmek ve açılma-kapanma yönlerindetepkinin simetrik olmasını sağlamak için uygulanabilecek teknikler önerilmiştir. Sistem tanılamasürecinde MATLAB®/System Identification Toolbox® kullanımı konusunda bilgi verilmiş, örnekservovalf üzerinde tanılama çalışması baştan sona açıklanmıştır.

KAYNAKLAR

[1] Balkan T., ve Arıkan, M. A. S., "Hidrolik Sistemlerin Tasarımında Paket Program ve HidrolikModüller Kullanarak Kolay Benzetim Yapılması", II. Ulusal Hidrolik Pnömatik Kongresi ve Sergisi,s.47-56, izmir, 8-11 Kasım 2001.

[2] "MATLAB® User's Guide", Version 6, The Mathvvorks Inc., 2002.[3] "MATLAB®/Simulink® Model-Based and System-Based Design, User's Guide", Version 5, The

Mathvvorks Inc., 2003.[4] Ercan Y., "Akışkan Gücü Kontrolü Teorisi", Gazi Üniversitesi, Ankara, 1995.[5] Yang, G., Ramallo, J. C, Spencer, B. F. Jr., Carlson, J. D. ve Sain, M. K., "Dynamic Performance

of Large-Scale MR Fluid Dampers", CD-ROM Proceedings 14th ASCE Engineering MechanicsDivision Conference. Austin, Texas, J. L. Tassoulas, Editör, 6 Sayfa, 21-24 Mayıs 2000.

[6] Ljung, L, "MATLAB®/System Identification Toolbox®, User's Guide", Version 5, The MathvvorksInc., 2002.

III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 26 '•

ÖZGEÇMİŞLER

Tuna BALKAN

1957 yılında Manisa'da doğdu. Halen çalışmakta olduğu Orta Doğu Teknik Üniversitesi MakinaMühendisliği Bölümü'nden 1979 yılında "Lisans", 1983 yılında "Yüksek Lisans", 1988 yılında da"Doktora" derecelerini aldı. 1985 yılında "Öğretim Görevlisi", 1988 yılında "Yardımcı Doçent", 1990yılında "Doçent" ve 2000 yılında da "Profesör" unvanını aldı. 1998 yılından beri ODTÜ BilgisayarDestekli Tasarım imalat ve Robotik Merkezi Başkan Yardımcılığı görevini yürütmekte ve ASELSANA.Ş. ile ortak çalışmaktadır. Çalışmaları sistem dinamiği, kontrol, sistem modellemesi, simülasyonu ve jtanılaması, akışkan gücü kontrolü, robotik ve uygulamaları alanlarında yoğunlaşmış olup, bu !\konularda çeşitli uygulamalı endüstriyel çalışmalarda yer almıştır.

Umut BATU

1980 yılında Ankara'da doğdu. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü'nden 2002yılında "Lisans" derecesini aldı. Ekim 2002 tarihinde ASELSAN MST Grubu Mekanik TasarımMüdürlüğü'nde Mühendis olarak göreve başladı ve servo kontrol ve stabilizasyon konusundaçalışmalar yaptı. VOLKAN Atış Kontrol Sistemi Projesi'nde kontrol sistemi tasarımında görev aldı.Halen MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü, Silah Sistemleri Tasarım Ekibi'nde Mühendis olarakgörev yapmakta ve ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü'nde yüksek lisans çalışmalarınısürdürmektedir. .

tM. Burak GÜRCAN

1971 yılında İsparta'da doğdu. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü'nden 1993yılında "Lisans", 1997 yılında da "Yüksek Lisans" derecelerini aldı. Nisan 1999 tarihinde ASELSAN.MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü'nde çalışmaya başladı ve Kaideye Monteli Stinger veVOLKAN Atış Kontrol Sistemi Projeleri'nde görev aldı. VOLKAN Atış Kontrol Sistemi Projesi'nde Araçİş Paketi PKD Yöneticisi'dir. Halen MST Grubu Mekanik Tasarım Müdürlüğü, Silah Sistemleri TasarımEkibi'nde Baş Mühendis olarak görev yapmaktadır.



Yüksek Basınç Altında MetallerinŞekillendirilmesi (Hidroforming)

Güner ÇELİKAYARBOSCH REXROTH A.Ş.

MAKINA MÜHENDİSLERİ ODASI

BİLDİRİ


YÜKSEK BASINÇ ALTINDA METALLERİNŞEKİLLENDİRİLMESİ (HİDROFORMİNG)

Güner ÇELİKAYAR

ÖZET

Sanayide gelecekteki mücadele, kullanılan kaynakların ve çevrenin korunması üzerine olacaktır.Bunun sonucunda teknolojik olarak kalitesi yüksek ürünlerin düşük maliyetle ve daha az enerji ileüretilmesi ve çevre için yeniden kullanılmaya müsaade edilebilir bir yapıda olması önemkazanmaktadır. Bu bağlamda özellikle otomotiv endüstrisinde metallerin şekillendirilmesi konusundayeni bir teknik kullanılmaya başlanmış ve karmaşık geometriye sahip metaller yüksek basınç altındaşekillendirilerek (hydroforming) üretilmeye başlanmıştır.

Karmaşık geometriye sahip malzemeler daha kolay üretildiğinden dolayı çevre dostu olmayan plastikmalzemelerden üretilmekte fakat bu yeni yöntem sayesinde plastik yerine çevre ile daha uyumlu geridönüşümü mümkün metal malzemeler kullanılmaya başlanmıştır.

Yüksek basınç altında şekillendirme işleminde bir kalıp tarafından sıkıştırılmış içi boş yapıya sahip birborunun içine veya bir saç üzerine yüksek basınçlı akışkan gönderilerek borunun cidarlarının kalıbıngeometrisine göre genişlemesi ve istenen şekle gelmesi işlemidir. Bu işlemde kullanılan basınçşekillendirilen malzemeye göre 1000-6000 bar civarındadır. Bu yüksek basınçları herhangi bir pompaile sağlamak mümkün olmadığından dolayı bu işlem özel olarak tasarımlanmış basınç yükselticilertarafından sağlanmaktadır. Ayrıca basınçlarda çok yüksek olduğundan dolayı bu işlemde kullanılacakakışkanın sıkıştırılabilirlik özelliği önem kazanmakta ve bu yüzden su esaslı akışkanların kullanılmasıuygun olmaktadır.

GİRİŞ

Otomotiv endüstrisinde kullanılan malzeme ve bu malzemenin şekillendirilmesinde kullanılacakteknoloji önemli bir role sahiptir. Değişik bir geometriye sahip içi boş sert bir metalin şekillendirilmesiişlemi için özel imalat yöntemlerinin kullanılması gerekecektir.

İşte birkaç özel üretim yöntemi ile elde edilebilecek bir otomotiv parçası yüksek basınç altındaşekillendirme işlemi kullanılarak, bir defada şekillendirilebildiği için, bu tip malzemelerin üretilmesikonusunda diğer üretim yöntemlerine göre büyük avantaj sağlamaktadır.

Otomotiv endüstrisinde hafif araçlar üretmek şu an olduğu gibi ve gelecekte de önemini koruyacaktır,yüksek basınç altında şekillendirme işlemiyle çok özel şekiller diğer imalat yöntemlerine göre çok dahahafif olarak üretilmektedir. Özellikle alüminyum alaşımlı malzemeler bu yöntemle diğer imalatyöntemlerine göre %50 daha hafif olarak üretilebilmektedir. Diğer imalat yöntemleri kullanılaraküretilen karmaşık şekle sahip bir elemanda örneğin kaynak işlemi kullanılmakta, ürün birkaç parçadanoluşmakta, daha ağır olmakta ve boyutsal hassasiyeti çok iyi olmamakta ve dolayısıyla bunların hepsimaliyet artışı olarak karşımıza çıkmaktadır.


Diğer imalat yöntemleriyle karşılaştırdığımızda örneğin sıvama, panç ve ekstrüzyon preslerinde kalıpmalzemenin- şekillendirilmesinde birinci derecede rol oynar ve şekillendirmenin kalitesini belirleryüksek basınç şekillendirmesinde ise makina ve kontrol sistemi birinci derecede rol oynar ve işinkalitesine etki eder.

Bir kalıp tarafından sıkıştırılmış içi boş bir malzemenin içine yüksek basınçlı akışkan gönderilerekşekillendirme işleminde kullanılan malzeme plastik veya kauçuk gibi bir malzeme olsaydı bize ilk andabasit bir işlem gibi gelebilirdi fakat şekillendirilecek malzeme demir, çelik veya alüminyum isegerçektende basit bir işlem değildir.

Bu yüksek basınç altında şekillendirme işlemi şematik olarak Şekil 1' de gösterilmiştir

Şekilde görülen içi boş bir boru kalıbın alt kısmına yerleştirilir.sonra üst kalıp kapanır ve her iki taraftakieksenel silindirlerde kalıba doğru kapanır ve basınçlı akışkan doldurma pozisyonunu alırlar su esaslıakışkanın iş parçası içine doldurma işlemi yapıldıktan sonra,eksenel silindirler borunun iki tarafınıdaha yüksek bir kuvvetle sıkarak kapatırlar sonra, basınç yükseltici vasıtasıyla yüksek basınç sağlanır,(yaklaşık 2000 bar ve bazı durumlarda daha da yukarısı) Yüksek basınç etkisiyle borunun cidarlarıkalıbın geometrisine göre genişlemeye başlar, sonra basınç 4000 bar'a çıkar ve kalibrasyon işlemiyapılır ve malzeme kalıbın şeklini almış olur. Borunun şişmesi esnasında yandaki silindirlerde yandanbaskı yaparak boruyu iterler ve böylece borunun et kalınlığı da kontrol edilmiş olur. Şekil 3'deşekillendirme işleminin aşamaları gösterilmektedir.

Yüksek basınç altında yapılan şekillendirmeyi sağlayan elemanların oluşturduğu pres sistemi Şekil 2'de gösterilmektedir.

. Şekil 2. Şekil 3.

ULUSAL HİDROLİK PNOMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 31

Şekil 4.


Bu şekillendirme işlemine soğuk ekstrüzyon işlemi diyebiliriz, bu işlemin avantajları

• Zor geometriye sahip malzemeler rahatlıkla üretilebilmekte,• Birçok operasyon yerine tek operasyonda üretim yapılabilmekte,• Yüksek mukavemetli malzemeler rahatlıkla şekillendirilebilmekte,• Hassas ölçüleri yakalayabilmekte,• Diğer imalat yöntemlerine göre parçaların % 50 ye yakın daha hafif olarak üretim imkanı

sağlanabilmekte,• Çevreyle uyumlu olmayan plastik parçalar yerine çevre ile daha uyumlu yeniden kullanılmaya

daha uygun metal parçalar kullanabilmektedir.

Yukarıdaki özelliklerden dolayı bu şekillendirme teknolojisinin gelecekte daha da geliştirilmesi vebirçok yeni alanda uygulama imkanı bulabileceği beklenmektedir.

Otomobil üzerinde kullanılan birçok parça (Şekil 5-6) yukarıda sayılan avantajlarından dolayı buyöntem vasıtasıyla üretilmeye başlanmıştır

Şekil 5. Şekil 6.

Hidrolik Sistem

Bu özel şekillendirme yönteminde iki farklı akışkan kullanıldığı için 2 farklı hidrolik sistem (şekil4)kullanılmaktadır1-Birinci hidrolik tahrik sistemi2-ikinci hidrolik tahrik sistemi

1-Birinci Hidrolik Sistem:

Birinci sistem diğer preslerdeki tahrik ve kontrol sistemiyle benzer bir sistemdir. Alt ve üst kalıphareketleri, eksenel silindirlerin hareketleri ve basınç yükselticinin hareketleri gibi ana hareketlerinmeydana getirilmesi için oluşturulan mineral yağın kullanıldığı hidrolik güç ünitesi.

Burada kullanılan pompalar değişken debili eksenel pistonlu pompalardır. Pres kontrol bloğu da güçünitesi üzerine monte edilmiştir ve kullanılan yağı kirliliğe karşı korumak için ünite üzerinde filtrasyonve soğutma sistemi monte edilmiştir.

Eksenel silindirler kapalı devre kontrol sistemine sahip olduğu için oransal kontrol blokları silindirinüzerine monte edilmiştir, aynı şekilde basınç yükselticinin kontrol bloğu ve basınç sensörleri de basınçyükseltici silindirin üzerine monte edilmiştir.


2-İkinci Hidrolik Tahrik Sistemi

33

İkinci hidrolik tahrik sisteminde HFA tipi su esaslı akışkan kullanılmakta ve bu akışkan sabit debili birpompa vasıtasıyla yüksek basınç hattına gönderilmektedir. Şekillendirme işlemi bittikten sonrakullanılan su esaslı akışkan depoya geri dönmekte ve burada bekledikten sonra filtreden geçirilerekpompanın emiş hattına basılmaktadır. Yüksek basınç hattına tekrar basılırken de 5 mikronlukfiltrelerden geçerek iş parçasının içine gönderilmektedir. İkinci sistemde kullanılan akışkan su esaslıolduğu için burada kullanılan borular.flanşlar ve diğer bağlantı elemanları paslanmaz çeliktir

İki hidrolik sistemin sızıntı hatları birbirine karışmadan hidrolik ünitelerine dönmelidir. Ayrıca yüksekbasınç hattı ile düşük basınç hattı arasında herhangi bir kaçak olmaması için yükselticideki piston vemillerin sızdırmazlığının iyi yapılması gerekmektedir.

Birinci ve ikinci hidrolik sisteminin pres üzerindeki konumları şekil 7 de gösterilmektedir.

14»'

< • * .

Şekil 7.

r yI

f 1

n r

j

r ı

CB=i_

2

i

hŞekil 8.

Şekillendirme İşleminde Kullanılan Akışkan

Mineral yağın yanma özelliğinden dolayı yüksek basınç altında sıkıştırma işleminde su esaslıakışkanların kullanılması daha uygun olmaktadır.


Sıkıştırılabilme özelliği açısından mineral yağ ile su esaslı akışkanları mukayese edecek olursak şekil9 da görüldüğü gibi belirli bir basınç altında mineral yağlar daha fazla sıkıştırılmakta dolayısı ile suesaslı akışkanlar daha az sıkıştırılabildiğinden dolayı bu işlem için daha uygun olmaktadırlar.

100

95

90

E

75

J

84,82

82,27

8 5 , 8 2 ^• 84,32 ̂ S ,

«3,12

79,84

I 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000 SOM 9000

Basınç (bar)

Şekil 9.

Bu yöntemde kullanılan su esaslı akışkanları inceleyecek olursakHFÂ hidrolik akışkan sınıflamasıA= su esaslıHFA-S sentetik katkılıHFA-E mineral yağ katkılı

Su esaslı akışkanın sahip olması gereken özellikler

Yağlama karakteristiği iyi olmalı,aşınmaya ve korozyona karşı sistemi korumalı,Viton ve Nitril keçelerle çalışmaya uygun olmalı,Hidrolik sistemde kullanılan elemanların malzeme yapısı ile uyumlu olmalı,Yüksek filtrasyon kabiliyetine sahip olmalı 1-3 mikron,Mikrop üremesine engel olacak yapıda olmalı,Yanmaz olmalı,Karıştırma oranı 95:5 olmalı katkı oranı % 5 in altına düşmemeli kullanılan su kalitesi iyi olmalı,Çevre ile dost olmalı,Üretim esnasında kullanılan diğer akışkanlara karışma durumunda yapısı uyumlu olmalıdır.

Basınç Yükseltici

Yüksek basınç altında şekillendirme işlemini yapabilmek için ihtiyaç duyduğumuz yaklaşık 4000 bar'lıkbasıncı sağlayabilmek için uygun bir basınç pompası seçmemiz gerekmektedir.

Bu işlem için kullanabileceğimiz uygun pompayı seçebilmemiz için şekil 10'daki tabloyu incelediğimizzaman eksenel pistonlu pompa ile en fazla 400 bar'ı elde edebiliyoruz radyal pistonlu pompa ile deancak 650 -700 bar'a ulaşabiliyoruz ihtiyacımız olan 2000-4000 bar basınç ancak basınç yükselticivasıtasıyla elde edilebilmektedir.


1000 2000 4000

Şekil 10.

Yüksek basınç altınta şekillendirme sisteminin kalbi basınç yükselticidir. Makina üzerindekikonstrüksiyona göre eksenel olarak veya ayrı olarak monte edilebilmektedir. Eğer ayrı olarak monteedilmişse esnek, yüksek basınç bağlantı elemanına ihtiyaç vardır. Basınç yükseltici vasıtasıyla 2000bardan 4000 bar'a kadar hatta bazı özel uygulamalarda 6000 bar'a kadar basınç meydana getirilir.Basınç yükselticinin deplasmanı 0,08-15,3 dm3 aralığında olabilir

P1Şekil 11.

Birinci sistemdeki çalışma basıncı P1 in artmasıyla ikinci sistemdeki P2 yüksek basıncı artmaktadır(Şekilli).

Birinci ve ikinci kısımdaki alan oranı basınç yükseltme faktörünü verir

4 w * III. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 36

P2=(A1/A2)*P1@=A1/A2 basınç yükseltme faktörü

Basınç yükselticide kullanılan basınca göre 2 farklı tasarım mevcuttur (Şekil 12).

Yaklaşık olarak 2000 bar'a kadar kullanılan sistemlerde tek tabakalı tasarım denilen piston milininiçinde hareket ettiği yüksek mukavemetli esnek malzemeden yapılmış kalın etli bir boru kullanılır.

Basınç yaklaşık olarak 2000 bar'dan yüksek ise iki tabakalı tasarım denilen aynı malzemeden yapılmışgerilim altında birbirinin içine geçirilmiş iki borudan oluşmaktadır

Şekil 12.

Basınç yükselticinin kontrol bloğu üzerindeki elemanlar• Oransal valf ve emniyet valfleri• Silindirin içine takılmış pozüsyon transdüseri• Akışkan besleme çek valfi

Kullanılan sızdırmazlık sistemi aşınmaya karşı dayanıklı olmalıdır.basınç altında kalan elemanlarınömürlerinin uzun olması için yüksek basıncın kontrol edilebiliyor olması gerekir.

Basınç yükseltici dizayn edilrken uygulama tipine göre aşağıdaki kriterler göz önüne alınmalıdır.• Maksimum kalibrasyon basıncı• Strok hacmi• Yüksek basınçlı yağın debisi• Silindirin hızı ve cevap verme süresi

Dekompresyon

Yüksek basınç altında şekillendirme yönteminde önce iş parçasının içine akışkan yaklaşık 40 bar dadoldurulmakta sonra 2000 barda genişleme olmakta 4000 bar a gelindiğinde de kalibrasyon işlemiyapılmakta ve işlem bitmekte, işlem bittiği zaman meydana getirilen yüksek basıncın emniyetlibirşekilde düşürülmesi gerekmektedir bu işleme dekompresyon işlemi diyoruz. Bu işlem iki şekildeyapılabilir (Şekil 13).

Şekil 13.


1- Su esaslı akışkanın bulunduğu hattan tanka sızdırılması: bu işlem esnasında kullanılan kısmavalfinde aşırı ısınma meydana gelebilir ve kısma valfinin ömrü basınca ve debiye bağlı olarakazalabilmektedir.2- Basınç yükselticinin mineral yağın bulunduğu kısımdaki silindirden yağın atılması yolu ile:burada silindir kapalı devre ile kontrol edildiği için dekompresyon işleminin buradan yapılması dahadoğru olmaktadır.

Dekompresyon işleminde 4000 barda sıkışmış olan belirli bir hacimdeki yağ miktarı dışarı atılmaktadır.

Basınç yükselticileri tek etkili ve çift etkili olabilirler (Şekil 14).

Şekil 14.

Basınç yükselticinin boyutlarının belirlenmesi için uygulama tipi kalibrasyon basıncı,basma hacmi.vecevap verme süresi dikkate alınmalıdır.

Aşağıdaki tablo vasıtasıyla ihtiyaç duyduğumuz basınca göre uygun yüksek basıncı sağlayan milçapını D1 ve stroğu belirleyebiliriz

D2

[mm]

63100150200220280320

80140200250

320380

100160250320

A2

(cm2

31,1778,54

176,71314,16380,13615,75804,25

50,27154,00314,16490,87804,25

1134,12

78,54201,06490,87804,25

32 (mm)A2 (cm2) - ^ j

© e

A3

[cm*]

27,3768,37

152,09275,69323,41537,25681,60

46,50143,80289,50452,40747,50

1055.60

74,74190,90466,25765,78

\

[L/mir

18,747,1

106,0188,5228,0370,0482,5

30,292,4

188,5295,0483,0680,0

47,0121,0295,0483,0

*

A3 İ = A

B

Oma*

ı] [L/min]

82,0205,0455,0828,0970,0

1611,02050,0

140,0430,0869,0

1357,02243,03174,0

225,0573,0

1400,02300,0

i-2 :

j

-•

|

A1

dr

[bar]

245260280245300255305

305265315315285280

290305300290

D1 (mm)A1 {cm2}

/>•:•/////'

;:;, -J.

I

8,207,727,178,166,707,846,55

13,2215,1212,7612,7614,1714,44

20,6719,7719,9420,91

L

X>

"Ö

31

[cm2]

2236567085

100125

2236567085

100

22

365670

»mu - 500

AS

[mm]

3,8010,1724,6238,4756,7278,50

122,66

3,8010,1724,6238,4756,7278,50

3,8010,1724,6238,47

Hız

Stroke

max.

[mm]

220360560700850

10001250

220360560700850

1000

220360560700

mm/sn

Stroke volume

W

0,080,371,382,694,827,85

15,33

0,080,371,382.694,827,85

0,080,371,382,69

100

HD-Q

max.

[L/min]

2,286,11

14,7823,0934,0547,1273,63

2,286,11

14,7823,0934,0547,12

2,286,11

14,7823,09

Pressure staç

[bar]

2000200020002000200020002000

400040004000400040004000

6000600060006000

Şekil 15.


Basınç Yükselticinin Makina İçinde Konumlandırılması

Asılı montaj:Yukarıda asılı bir şekilde durması (şekil 16) üzerinde pislik toplanmasını engellerYatay montaj :Kapama silindiri üzerine yatay olarak montaj, şekil 17

Şekil 16. Şekil 17.

SONUÇ

Yüksek basınçlı akışkan vasıtasıyla şekillendirme işlemi endüstride çok geniş bir uygulama alanıbulmakta ve dolayısıyla gelişmeye açık bir proses olmayı sürdürmektedir. Özellikle otomotivendüstrisinde bu yöntem vasıtasıyla hem üretim maliyetleri düşmekte hemde daha hafif araçüretebilme imkanı sağlanmaktadır. Bu yöntem içi boş yapıdaki malzemelerin şekillendirilmesi yanındadüz sacların şekillendirilmesinde de yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Gelecekte birçok ürün bu yöntem vasıtasıyla üretilmeye başlanacak ve hidrolik sistemlerde yeni biruygulama alanında daha da yaygın olarak kullanılmaya devam edecektir.

KAYNAKLAR

[1] Conference Hydraulic and electronics in presses. Rexroth Hydraulics RE 00336/11 96[2] Hydroforming technology, Bart Carleer,27november 2002[3] Stamping and Hydroforming technology research and development consortium, The Ohio State

University,Columbus,Ohio,USA August 2003

ÖZGEÇMİŞ

Güner ÇELİKAYAR

1966 yılı Hayrabolu doğumludur. 1988 yılında izmir Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik, ve MimarlıkFakültesi Makina Mühendisliği bölümünü bitirmiştir. 1988-1992 yılları arasında Hema Hidrolik A. Ş deve1993-1996 yılları arasında Hidroser A. Ş de çalışmış 1996' dan beri de Bosch-Rexroth A.Ş.' deproje mühendisi olarak çalışmaktadır



Yükten Bağımsız - Debi Paylaşımlı KontrolValfleri

Pars KAPLANGIBOSCH REXROTH A.Ş.


BİLDİRİ


YÜKTEN BAĞIMSIZ - DEBİ PAYLAŞIMLI KONTROLVALFLERİ

Pars KAPLANGI

ÖZET

Bilindiği gibi insanlar güç isteyen ve / veya tehlikeli işlerde önceleri hayvanları kullanmaya başladılar,sonralarıda makinaları. Geçen yıllar içinde insanlar, doğaları gereği makinaların işlevlerinde, kontrolkabiliyetlerinde hayli mesafeler kaydettiler. Bu gelişimi çevremizdeki çeşitli araçlardan, makinalardangözlemleyebileceğimiz gibi, mobil makinalar diye adlandırdığımız, mesela kazıcılar, yükleyiciler, kazıcıyükleyiciler, sondaj makinaları gibi çeşitli iş makinalarında da rahatça gözlemleyebiliriz. Tüm bu işmakinaların ortak yanı hidrolik tahrik ve kontrol sistemleriyle donatılmış olmaları. Hidrolik tahrik vekontrol sistemlerindeki gelişmeler olmasaydı, günümüzde gerçekleştirilen kapasitelere, kontrolkolaylığı ve hassasiyetlere ve verimlilik artışlarına ulaşamazdık.

Burada konumuz olan hidrolik kontrol sistemlerindeki gelişmeleri gözlemek üzere geçmiştengünümüze doğru bir gezinti yapalım.

Hidrolik kontrol teknolojisinin başlangıcında, önce aç-kapa şeklinde çalışan sistemler kullanıldı. Sonkullanıcının hızı, açılan pasajın çapı ile belirleniyordu. Hassas kontrol olanağı ya hiç yoktu yada çokzorlukla kısmen gerçekleştirilebiliyordu.

Daha sonra, 6/3 yön valfi diye adlandırılan ilk mobil valfler geliştirildi. Bu sistem operatörlerin birkaçhareketi aynı anda kontrol edebilmelerini mümkün kıldı. Ancak, bu sistemin bazı dezavantajları vardı.Kısma prensibi ile çalıştıklarından güç kaybına sebebiyet veriyorlardı. Dahası, kontrol karakteristikleribasınca bağımlıydı ve aynı anda birden fazla kullanıcının çalışması halinde birbirlerini etkiliyorlardı.

Bunun üzerine LS prensibi ile çalışan mobil valfler geliştirildi. Bu sistemlerde yük basıncı pompaya geribesleme bilgisi olarak verilip, pompanın talep kadar üretmesi sağlandı. Valflerdeki sürgülerin girişlerineyerleştirilen kompansatörler ile kontrol karakteristiklerinin basınca ve viskositeye bağımlılığı önlendi,operatörlere rahat kontrol olanağı sağlandı, güç kaybı olabildiğince azaltıldı. Ancak bu sisteminde birdezavantajı olduğu ortaya çıktı. Fazla kullanıcının aynı anda çalıştırılması vede talep edilen debinin,üretilenden fazla olması halinde bu tür valfler 6 / 3 valfler gibi davranmaya başlıyordu ve bu durumdakullanıcılardan basıncı yüksek olanın hareketi duruyordu.

Karşılaşılan bu dezavantajı ortadan kaldırmak için mobil yön denetim valflerinde bazı değişiklikleryapılarak LS tipi kontrol valflerinin özel bir sınıfı diyebileceğimiz "yükten bağımsız - debi paylaşımlıkontrol valfleri" geliştirildi.

Bu valflerin getirdiği avantajları şöyle sıralayabiliriz:

- Hareketlerin her debide ve basınçta korunması,- Her motor hızında, beklenen hareketler,- Tüm motor hızlarında etkin çalışabilme, hassas kontrol,- Değişken debili pompalarla birlikte kullanılması halinde %30 lara ulaşabilen yakıt tasarrufu,- Aracı kontrol altında tutabilmek için operatörlerin daha az çaba göstermesi ve dolayısıyla rahat kullanım,- Daha iyi kontrol ve tekrar hassasiyeti nedeniyle daha kısa çevrim sürelerine ulaşılması,- Operatör kabiliyetine, motor hızına ve yüke bağımlı olmadan tüm hareketlerin gerçekleştirilebilmesi,- Gürültü sınırlaması olan yerlerde kullanılabilirlik.


GİRİŞ

Bilindiği gibi insanlar güç isteyen ve / veya tehlikeli işlerde önceleri hayvanları kullanmaya başladılarsonralarıda makinaları. Geçen yıllar içinde insanlar, doğaları gereği makinaların işlevlerinde, kontrolkabiliyetlerinde hayli mesafeler kaydettiler. Sadece son 100 senede araç performanslarındakullanımlarında ve verimliliklerinde kaydedilen ilerlemeler bile inanılmaz gelmektedir. Bu gelişimi mobi'lmakinalar diye adlandırdığımız; mesela kazıcılar, yükleyiciler, kazıcı yükleyiciler, sondaj makinaları,zirai traktörler, biçerdöverler, süpürge araçları, vb. gibi çeşitli makinalarında rahatça gözlemleyebiliriz. '

Tüm bu makinaların tek bir ortak yanı var: Hidrolik ve tahrik ve kontrol teknolojisi olmasaydıverimlilikteki, üretim kabiliyetindeki ve kullanım rahatlığındaki artış gerçekleştirilemezdi.

Mobil hidrolik 20. yüzyılın ikinci yarısından başlayarak gereken önemi kazanmıştır. Önceleri, gerekduyulan kuvvetler, tahrik eden makinadan, tahrik edilen makinaya mekanik yöntemlerle iletilmekteydi.Şüphesiz o zamanın makinalarıda tasarlandıkları görevleri yerine getirmişlerdi ama sürat, kapasite,konfor, kullanım kolaylığı, esneklik gibi konularda zamanımızın makinaları ile kıyaslanamazlar.

Zamanımızın kazıcısı

Resim 1.

Farkettiğiniz gibi resimlerdeki araçlar birbirlerine çok benzemektedirler. Ancak dikkatlice bakılıncagünümüz mühendisliğinin onları nasıl geliştirdiğini, yüksek teknoloji makinalarına dönüştürdüğünüfarkedebilirsiniz.

ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 43

1900 yıllarındanbir traktör

û'iiZamanımız traktörlerinden bir örnek

Resim 2.

Peki tüm bu gelişmelerin arkasında neler var? Nasıl gerçekleştirilebilenler?Tüm bunları aşağıya sıraladığımız birkaç faktöre adayabiliriz:

• Malzeme özellikleri ve üretim işlemlerindeki gelişmeler,• Çeşitli kompüter programları ve simulasyon teknikleri sayesinde komponent ölçülerinin en

uygun ölçülere ulaştırılması,• Hidrolik ve elektrik güçlerinin, sinyallerinin iletimi ve kontrolunda sağlanan gelişmeler.

Elektronikte olduğu gibi, hidrolik sistemlerde çeşitli merhalelerden geçip şu anda ulaştığı noktayageldi. Günümüzün teknolojisi olan "Yükten Bağımsız - Debi Paylaşımlı Kontrol Valfleri" ni tanıtmayabaşlamadan önce, hangi adımlardan geçerek bu teknolojiye gelindiğini ve konuyu daha iyianlamamıza yardımcı olacağı düşüncesiyle hidrolik kontrol teknolojisinin tarihine uzanalaım.

HİDROLİK KONTROL TEKNOLOJİSİ

Hidrolik kontrol teknolojisinin başlangıcında, hareketler çoğunlukla siyah-beyaz (yada aç-kapa) idi.Buda son kullanıcının (mesela bir silindir veya bir motor) hızının, kontrol valfinin kesit alanı ve hidrolikakışkanın viskositesi tarafınca belirlendiğini belirtir.

Hızın hassas bir şekilde kontrolü ancak büyük gayretler sarfederek gerçekleştirilebiliyordu.

Daha sonra, 6 / 3 yön prensibiyle çalışan ilk mobil valfler ile önemli bir gelişme sağlandı. Bu sayedeoperatörlerin birkaç hareketi aynı anda ve oransal bir şekilde gerçekleştirilmesi mümkün oldu.


Nötral dolaşımtanka açık

Hassas kontrol durumu Son kullanıcıya yağınaktarılması durumu

Şekil 1. 6/3 yön kontrol valfi (açık merkez)

Şekil 2. 6/3 yön kontrol valf kesidi (M1 modeli)

Sürgünün nötral konumunda; yağ, hemen hemen sıfır basınçta, P portundan blok içindeki pasajlardangeçerek T portuna akar ( nötral sirkülasyon ). Pompa ve kullanıcı portları A ve B arasında herhangi birbağlantı yoktur. Sürgü, bir kol ile veya a1 veya b1 portlarından verilecek pilot basıncı yardımıylahidrolik olarak veya bir kol yardımıyla mekanik bir şekilde hareket ettirilebilir.

Sürgünün kontroluna ve yönüne göre, sürgü üzerindeki kontrol eşikleri P den T ye olan bağlantıyıyavaşça kapatır. Yağın geçebileceği kesit alanı, sürgü ilerletildikçe azalır. Geçiş kesidindeki bu azalmaakış direncinde artışa ve de dolayısıyla basıncın artmasına sebeb olur. P den T ye olan geçiş tekikesid alanı azaltılırken, aynı anda P den A ya veya P den B ye bağlantı açılmaya başlar. Dolayısıylayağ seçilen kullanıcı portlarından birine akmaya başlar. Son kullanıcının deplasmanı ile basıncınçarpımından oluşan kuvvetin, son kullanıcıya gelen kuvveti geçtiği an, son kullanıcı hareket etmeyebaşlar. P den A ya olan geçidin kesit alanı, doğrudan debiyi vede dolayısıyla son kullanıcının hızınıbelirler. Basınç emniyet valfleri sistemdeki basıncı sınırlar. P pasajındaki çek valf ise yeterli basınçoluşuncaya kadarki süre zarfında yükün aşağıya kaçmasını önler.

_ İ


Yukarda anlatılan çalışma prensibi aynı anda birkaç sürgüyede uygulanabilir. Hidrolik pompa tarafıncasağlanan debiye bağımlı olarak, istenen tüm fonksiyonlar oransal bir şekilde, paralel olarakgerçekleştirilebilir.

6 / 3 yön kontrol prensibi veya diğer bir deyimle "kısma kontrolü" yapısal olarak basit, çalışmaaçısından güvenilir ve hesaplıdırlar. Bu tür sistemler sabit debili veya değişken debili pompalarlakullanılabilir. Bu sistemin dezavantajlarından biri debinin kısılarak denetlenmesi yani herhangi biranda, gerekmiyen debinin o andaki sistem basıncı üzerinden tanka gönderilmesidir. Bu güç kaybınasebep olur. Diğer bir dezavantajı ise bu tür valflerin kontrol karakteristiğinin basınca bağlı olmasıdır.Dahası, aynı anda birkaç hareketin gerçekleştirilmesi halinde, bu hareketler birbirini etkiliyebilmektedir.

Tüm bu dezavantajlar yük basıncından etkilenmeyen yük algılamalı sistemlerin geliştirilmesine önayak olmuştur.

YÜK ALGILAMALI KONTROL VALFLERİ ( veya LS tipi valfler, sistemler)

Yük algılamalı sistemine uygun yön kontrol valflerinde de son kullanıcının hızı kontrol bloğundakisürgünün konumu tarafınca belirlenir ( yani yağ geçiş kesit alanı). Açıklığın büyük olması yani kesidinbüyümesi yüksek hız anlamına gelir. LS sistemin temel farklılığı debinin kontrol edilmesidir. Pompasadece talep edilen kadar üretir. Bu, hidrolik kontrol sistemindeki basıncın pompaya hissettirilmesi ilegerçekleştirilir.

Kontrol aygıtı (regülatör)

Şekil 3.

Bu sistemlerde kullanılan pompalar belirli bir basınç düşümünü koruyacak şekilde tasarlanmışlardır.Sisteme sağlanan debi daima yeterli olmaktadır.

LS prensibine uygun tasarlanmış kontrol blokları bazı ek özellikler ile donatılmışlardır. Bunlardan enönemlisi şüphesiz her sürgünün girişinde kullanılan, değişen yük koşullarında yada diğer bir deyimledeğişen yük basınçlarında dahi sabit bir debiyi garanti eden basınç kompansatörleridir.

I. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 46

Ana sürgü

Basınç kompansatörü

Şekil 4. LS tipi mobil yön control valfi örneği, M4-M5

Basınç kompansatörleri, değişen ölçüt olarak belirlenmiş basınç düşümünü kullanır. Kompansatörsürgüsünün önündeki ve arkasındaki basınç algılanır ve sürgü hareketi buna göre belirlenir.

Bu tür LS kontrol valfleri gayet hassas ve güvenli bir çalışma sunar. Operatör kontrolkarakteristiklerinin her zaman aynı olduğundan emindir. Kontrol valfi aracılığıyla makinaya verilenkomutların her zaman aynı şekilde ve oransal olarak aktarıldığından emin olabilir. Farklı basınçlardanve viskositelerden etkilenme bir hayli önlenmiştir.

Bununla beraber, bu sistemlerin kabiliyeti aynı anda birkaç kullanıcının çalıştırılıp son kullanıcılarınpompanın ürettiğinden fazlasını talep etmesi halinde kısıtlanmaktadır. Böylesi durumlarda basınçkontrolü için gerekli olan basınç farkı oluşturulamamaktadır. Son kullanıcılardan yüksek basınçlı olanayeterli veyhutda hiç yağ gönderilemez. Bu durumdada söz konusu kullanıcı hareketini durdurur.

YÜKTEN BAĞIMSIZ - DEBİ PAYLAŞIMLI KONTROL VALFLERİ ( LUDV )

Kontrol valflerindeki bu son sistem çeşitli kısaltma ve isimler ile anılmaktadır. Mesela Almanliteratüründe " Lastdruck - Unabhaengige Durchfluss - Verteilung " un baş harflerinden oluşan LUDVkullanılmaktadır. Bunun dışında bazı ingilizce yayınlarda " Flow Sharing " de kullanılmaktadır. Bundanböyle bizde yazımızda bu kısaltmayı kullanacağız.

Bu sistem yukarda değinilen LS sistemlerinin çok özgün bir halidir. Yukarda bahsettiğimiz, yetersizbeslenme durumundaki dezavantajı bertaraf etmek için; LUDV prensibi ile çalışan kontrol valfleri farklıbir şekilde tasarlanmışlardır. Basınç kompansatörleri, LS tipi kontrol valflerindeki gibi pompa ile valfsürgüsü arasına değil, sürgü ile son kullanıcı arasına yerleştirilmiştir.

Kontrol valfi üzerindeki tüm basınç kompansatörleri bir pasaj ile birbirlerine irtibatlandırılmıştır vedolayısıylada hepsi eşit basınç farkı ile çalışır. Son kullanıcılardan en yüksek basınçlı olanın basıncıtüm kompansatörlere uygulanır. Bu tip bir kontrol valfinde yetersiz besleme söz konusu olduğunda;yani, pompa debisi tüm son kullanıcıları istenen hızlarda çalıştırmaya yetmiyorsa, tüm sonkullanıcıların hızları talepleri ile orantılı olacak şekilde azaltılır. Bu kontrol bloğundaki tümkompansatörler üzerindeki basınç farkının azalmasından kaynaklanır.


Kompansatör

Şekil 5. LUDV tipi yön control valfi örneği, M7-22

Hiçbir son kullanıcı durmaz. Bu durumu aşağıdaki şematik gösterimde daha iyi görebiliriz. Aşağıdakigibi, 2 son kullanıcılı bir valf düşünelim. Bunlardan birinin 80 L/dak, diğerinin ise 50 L/dak debi talepettiğini varsayalım. Bu esnada pompanın da 100 L/dak debi ürettiğini varsayalım. Bu durumdakullanıcılar talepleri oranında az yağ alabileceklerdir, yani 80 isteyen 61,5 L/dak, 50 isteyen 38,5 L/dakdebi alacaktır. Ancak hiçbir son kullanıcı hareketini durdurmayacaktır.

806040

20

Son kullanıcı 1,Qistenen -80 L/dak

Qazaltılmış =61,5 L/dak

t ORAN = 0,77

Son kullanıcı 2,Qistenen =50 L/dakQazaltılmış =38,5 L/dak

1 ORAN = 0,77

Pompa,

Qmaks = 100 L/dak

Şekil 6.

Şimdi bu tip bir valfin işleyişini görelim.


NÖTRAL KONUM

48

i 14; <4'ı '13)

(5)

(10)

(1) strok sınırlayıcı (2) sekonder basınç emniyet valfi, anti kavitasyonlu (3) yük tutma valfi (4) LUDVbasınç kompansatörü (5) pilot basıncı sönümleyicisi (6) kontrol sürgüsü (7) giriş orifisi, P -> A (8) girişorifisi P -> B (9) çıkış orifisi B -> T (10) çıkış orifisi A -»T (11) pasaj Pc-> A (12) pasaj P c ^ B(13) kontrol sürgüsü basınç kompansatörü (14) baskı yayı

Kontrol sürgüsü nötral konumda iken (yani a ve b portlarında basınç yok iken), pompa ile P' pasajıbağlantısı sürgü tarafınca bloke edilmiştir. Yük tutma çek valfleri ve kompansatör kapalı durumdadır.Bu konumda, P' pasajındaki ve yük tutma çek valflerinin çıkışındaki basınç sürgü toleransındankaynaklanan aralıktan tanka bağlıdır dolayısıyla tank başmandadır.

Son kullanıcı portları, sürgünün positif bindirmesi nedeniyle bloke edilmiştir. Bu nedenle son kullanıcıiki yağ kolonu vasıtasıyla yerinde sabit tutulmaktadır. LUDV dilim kompansatörü, kontrol sürgüsününeşiklerindeki ölçücü çentiklerin (ya da orifislerin) çıkışına yerleştirilmiştir. Bu kompansatör kontrolsürgüsü (13) ve çok zayıf baskı yayından (14) oluşmaktadır. Bu konumda kompansatör, kararlı birşekilde durmaktadır.

YÜKSEK YÜK BASINÇLI KULLANICI DİLİM VEYA TEKLİ ÇALIŞMA KONUMU

Pilot kontrol aygıtı (mesela bir hidrolik joy-stick) tarafınca sağlanan pilot basıncı, kontrol sürgüsününoransal bir şekilde merkezieme yayına karşı hareket etmesini sağlar. Yukardaki şekilde a portundakipilot basıncı, kontrol sürgüsünü sağa yani B portu tarafının sürgü kapağındaki merkezieme yayınakarşı hareket ettirir. Kontrol sürgüsündeki giriş orifisi (7) pompa portunu " P' " pasajına bağlar. Buodacıktaki basınç, basınç kompansatörünün (13) açılmasını sağlar ve böylelikle yük tutma çekvalflerine (3) ulaşır.


B

Psta

LS sinyaline bağlantı açık Basınç kompansatörü tamamen açık

Şekil 8.

A portundaki kullanıcı basıncı " Pc ", soldaki yük tutma çek valfini (3) sürgü üzerindeki (11) çentiküzerinden geçerek kapalı tutar." P " basıncı," Pc "basıncını geçinceye kadar çek valf kapalı konumunukorur, daha sonra açılır. Pompa ile kullanıcı arasındaki bağlantı oluşmuş ve hareket başlamıştır. Sonkullanıcıdan çıkan yağ B portundan, daha sonra sürgü üzerindeki çıkış orifisinden (9) geçerek tankagönderilir. Sekonder basınç emniyet valfleri (2), kullanıcı portundaki basınç bu valflerin ayar değerininaltında kaldığı sürece kapalı kalır. Kavitasyon olması durumunda, mesela dıştan gelen negatifkuvvetlerin etkimesi halinde, A kullanıcı portu pasajındaki anti kavitasyon çek valfli komple sekonderbasınç emniyet valfinin ana popeti açılır ve valf gövdesindeki şarjlı durumdaki tank pasajından sonkullanıcı beslenir.

Tekil hareketler durumunda veya son kullanıcının yük basıncı " Pc" nin sistemdeki en yüksek basınçolması durumunda, algılanan yük basıncı (LS basıncı) " P' " pasajından daha sonra basınçkompansatörü içindeki pasajdan pompanın kontrol organına ve aynı zamanda düşük yük basınçlıdiğer dilimlerin basınç kompansatörlerine ulaştırılır.

LS sinyalinin yük tutma valflerinden önce " P' " pasajından alınması, istenen çalışma basıncınaulaşılıncaya kadar son kullanıcı portunun kapalı kalmasını teminat altına alır. Bu uygulama sonkullanıcı pasajından LS pasajına sızan yağdan dolayı son kullanıcının anlık kaçışını önler.

Basınç kompansatörü tamamen açıktır ve " P' " pasajı son kullanıcı pasajıolmaksızın bağlıdır.

Pc " ye basınç düşümü

AYNI ANDA BİRDEN FAZLA HAREKET

DOYMUŞ SİSTEM DURUMU

Sistemin doymuş durumda çalışması demek, talep edilen debilerin toplamının pompa tarafıncasağlanan debiden az veya eşit olması demektir.

IQ kuiiamcı £ Maksimum Q pomPa (güç kontrol bölgesi içinde)


Ölçücü orifislerdeki (sürgü üzerindeki eşiklerdeki çentikler veya daha doğrusu yağın geçtiği kesitalanındaki) basınç düşümü " Ap ÖIÇÜCÜ ontis" kabaca pompanın kontrol organında ayarlanmış olan basınçdüşümüne "Ap kontrol organı " eşittir. Bu iki değer arasındaki fark pompa ile ölçücü orifisler arasındakihat kaybıdır.

DAHA YÜKSEK YÜK BASINÇLI BİR SON KULLANICI İLE AYNI ANDA ÇALIŞMA

LS sinyali kapalı

Pstb

Basınç kompansatörü aktif

Şekil 9.

Bu duruma tipik bir örnek olarak bomun kaldırılması ve aynı anda kepçenin çalıştırılmasını verebiliriz.Bom devresindeki daha yüksek olan yük basıncı, kepçe dilimindeki basınç kompansatörünün orifiskesit alanını azaltır. Bu kontrol konumunda basınç kompansatörünün kontrol eşiği " P' " pasajından,son kullanıcı portu " Pc " arasında basınç düşümü oluşturur. Kontrol sürgüsünün üzerindeki ölçücüorifisteki (7) basınç düşümü (Ap) aynı kalır, ve böylelikle son kullanıcının hızı yük basıncındanetkilenmez.

DOYMAMIŞ SİSTEM DE DURUM

Açık olan ölçücü orifislerin kesit alanları tarafınca talep edilen toplam debinin, pompanın maksimumdebisini aştığı durumu doymamış sistem olarak adlandırıyoruz. Değişken debili pompadaki kontrolorganı artık, pompanın açısını arttırarak önceki sistem basıncını koruyamaz. Pompa, karakteristik güçeğrisine göre maksimum debisini gönderir ama pompa basıncı azalır.

> Maksimum Q pompa

Sistem doymamış durumda olduğu zaman, en yüksek basınçlı son kullanıcının basınç kompansatörütamamen açıktır ve LS basıncı = p'. Doymamışlık arttıkça, sistem basıncı / pompa basıncı vedolayısıyla Ap ÖIÇÜCÜ orifis ve tabiki debi doymamışlık oranında azalır.

LUDV sistemlerde, Ap Ö|ÇÛCÜ orifis tüm son kullanıcılar için daima eşittir ama sabit bir değer değildir.Doymamışlık oranına göre, Ap LS kontrol organı ile takriben 2 bar arasında değişir. Bu bölgede, LUDVsistem debiyi oransal bir şekilde taksim eder. Bu nedenle de LUDV sistemlerde en yüksek basınçlı sonkullanıcı hiçbir zaman durmaz tabiki doymamışlık durumunda bile. Çalışmakta olan tüm sonkullanıcıların hızları açık olan yağ geçişi kesit alanları oranında azalır.

!İ. ULUSAL HİDROLİK PNÖMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ 51

l.S-IVYüksek

|v - LS - Sistem - n'Yüksek

Düşük basınç konumu

-ı 11

Yüksek basınç konumu

p,- LS • Sistem - ıV'Yüksek

pompa kontroluna

Yüksek

I-1:- P

(1 ) Yay od a çığı (2 ) kontrol orifısi (veya kornpansatör eşiği)

Şekil 10. Farklı yük basınçlarında, basınç kompansatörlerinin çalışması

Şayet doymamış durum bölgesin birkaç hareket aynı anda yapılırken, son kullanıcılardan birinin hızıazaltılırsa veya durdurulursa; yani, ait ölçücü orifis kapatılırsa, doymamışlık derecesi azalır. Budurumda halen kullanılmakta olan diğer kullanıcıların " Ap ö ı ç ü c ü o r i f i s " leri artar, böylelikle harekethızlarıda oransal bir şekilde artar.

LUDV KONTROLLÜ VALFLERİN UYGULAMA ÖRNEKLERİ

Kazıcılar

Resim 3. LUDV kontrol valfi örneği, M7-20

LUDV sistemleri, yıllaran beri kazıcılarda kullanılmaktadır. Özellikle kazıcılarda, birçok hareket aynıanda yapılmaktadır ve bir hareketin istem dışı olarak durması istenmeyen bir durumdur. LUDVsistemlerinde, debi yetmezliği nedeniyle bir hareketin durması veya çok yavaşlaması söz konusuolmamaktadır, bunun yerine tüm hareketlerde belli bir oran mertebesinde oransal bir düşüşolmaktadır. Buda operatörlere büyük kullanım kolaylığı getirmektedir.

. ULUSAL HİDROLİK PNOMATİK KONGRESİ VE SERGİSİ

A

52

A11VOYürüyüş ve Sistem pompası

Yükleyiciler

Direteniî İllidir le M

1M7+5M7+1M7Kumanda valf i

TMSPilot kontrol valfleri

Şekil 11.

A6VM + MHBYürüyüş

THSPilotKoılrol n » lualfl

Şekil 12.


Kazıcı - Yükleyiciler

53

, i ü

Şekil 13. LUDV kontrol valfi örneği, SX14

SONUÇ

Sonuç olarak, şimdide LUDV kontrol valflerinin ( veya sisteminin ) bize sunduklarına bir göz atalım. Buavantajları aşağıdaki şekilde gruplayabiliriz.

Araca getirdiği avantajlar:

• Her debi ve yükde hareketi korumak,• Motorun her devrinde önceden kestirilebilen hareketler,• Motorun her devir sayısında çalışabilme olanağı,• Motorun her devrinde hassas kontrol olanağı,• Operatör kompanzasyon görevi yapmayacağı için daha rahat bir çalışma veya kullanım,

• Daha iyi kontrol sayesinde aynı büyüklükteki pompa ile daha hızlı çalışma çevrimlerineulaşabilme.


Operatöre getirdiği avantajlar: j

• Mükemmel kontrol kabiliyeti. Boru döşeme, kanal kazma gibi hassas işler için çok uygun olma• Tüm hareketlerin her zaman; yükten, motor devrinden ve operatör kabiliyetinden bağımsız olarak

yapılabilmesi,• Daha tabii çalışma; herhangi bir kolun çekilmesiyle hareket başlar, koldaki aynı mesafe daima son

kullanıcıdaki aynı harekete karşılık gelir,• Operatör sistemi kontrol altında tutmak için ilave çaba sarfetmeyeceğinden daha konforlu

çalışabilecektir.

Araç sahibine getirdiği avantajlar:

• Alışma / öğrenme zamanını kısaltarak, az tecrübeli bir operatörle bile hassas iş çıkararak, daha t.hassas bir işi daha az yorularak kolayca yaparak üretim kabiliyetini arttırmak,

• Değişken debili pompa ile kullanıldığında %30 lara varabilen yakıt tasarrufu,• Düşük motor devirlerinde dahi hala hassas kontrol edilebildiğinden ve aynı anda birkaç hareketin

yapılmasına olanak verdiğinden, gürültü sınırlaması olan hastane çevresi, şehir merkezi gibibölgelerde veya sınırlamaları olan zaman dilimlerinde çalışabilme olanağı.

Kiralık araç pazarı durumunda sunduğu avantajlar:

• Çok iyi olmayan operatörlerin bile, bahsettiğimiz özelliklerinden dolayı kısa zamanda aracaalışması, yani yeni bir operatör için daha az zaman kaybı veya profesyonel kullanım için ,kiralandığında, daha kısa eğitim zamanı, i

• Hassas ve kontrol edilebilir bu tür makinalar çok çeşitli işlerde, o işe özel tasarlanmış araçlarlarekabet edebilir,

• Az yakıt sarfiyatı bu tür araçları çok cazip kılar.

KAYNAKLAR

[1] Bosch Rexroth yayınları

IÖZGEÇMİŞ

Pars KAPLANGI

1953 yılında İstanbul'da doğdu. Ege Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Fakültesinden 1976 yılındaMakina Mühendisi olarak mezun oldu. 1992 yılından bu yana Bosch Rexroth firmasında Mobil HidrolikBölümünde uygulama mühendisi olarak çalışmaktadır.

I

ulusal hİdrolİk pnÖmatİk kongresİ ve sergİsİ · iii. hİdrolİk pnÖmatİk kongresİ program...

Documents