Senzori i aktuatori

Hidraulični aktuatori

Fakultet inženjerskih nauka Kragujevac

Uvod

• Hidraulični aktuatori se koriste da prevedu hidrauličnu u mehaničku snagu. Mehanička snaga koja se dovodi opteredenju se kontroliše preko pritiska i protoka fluida, korišdenjem raznih hidrauličnih ventila. Hidraulični aktuatori se prema načinu kretanja dele na tri glavne vrste:

• Linearni hidraulički motori, hidraulični cilindri

• Rotacioni hidraulični motori, koji vrše kontinualno rotaciono kretanje

• Hidraulični rotacioni aktuatori, koji vrše ograničeno ugaono pomeranje

Hidraulični cilindri

Hidraulični cilindri prevode hidrauličnu snagu u mehaničku snagu, vršedi linearno kretanje. Pritisak ulaznog ulja se pretvara u silu koja deluje na klip (slika…). Sledede jednačine opisuju kretanje cilindra bez trenja i curenja:

𝐹 = 𝑝1𝐴𝑝 − 𝑝2𝐴𝑟 i 𝑣 =𝑄1

𝐴𝑝=

𝑄2

𝐴𝑟

U slučaju realnog cilindra, moraju se uzeti u obzir unutrašnje curenje, QL, i sile trenja, Ff. Stoga, mehanička snaga dovedena na opteredenje (vF) je manja od hidraulične snage dovedene cilindru (p1Q1-p2Q2). Tada važe sledede jednačine:

𝐹 = 𝑝1𝐴𝑝 − 𝑝2𝐴𝑟 − 𝐹𝑓 i 𝑣 =𝑄1−𝑄𝐿

𝐴𝑝=

𝑄2−𝑄𝐿

𝐴𝑟

• Ap – površina klipa, m2

• Ar – površina klipa na strani klipnjače, m2

• F – sila opteredenja klipa, N

• Ff – sila trenja, N

• p – pritisak, Pa

• Q – protok, m3/s

• QL – protok unutrašnjeg curenja, m/s

Konstrukcija hidrauličnih cilindara

Slika 2. 1. Poklopac cilindra, 2. Kudište, 3. Klip, 4. Zaptivač osovine, 5. Osovina, 6. Glava cilindra, 7. Zaptivač osovine, 8. I 9. Priključci cilindra

Slika 2. predstavlja konstrukciju tipičnog hidrauličnog cilindra. Sastoji se od klipa, osovine, kudišta cilindra, cilindarske glave, i poklopca. Osovina se izvlači kroz glavu cilindra. Klip nosi odgovarajudi zaptivni sklop koji sprečava unutrašnje curenje, dok cilindarska glava sadrži zaptivače koji sprečavaju spoljašnje curenje. Dve osnovne vrste hidrauličnih cilindara u zavisnosti od načina sastavljanja su cilindri sa potporom i cilindri sa glodanim kudištem. Kod cilindara sa potporom glava i poklopac cilindra su povezani potpornim šipkama a zaptivanje spojeva na glavi i poklopcu je obezbeđeno statičnim zaptivkama.

Kod glodanog clindra postoje više metoda sklapanja:

• Poklopac cilndra je zavaren za kudište, a cilindarska glava je zakovana za prirubnicu zavrnutu na kudište

• Poklopac cilindra je zavaren za kudište, a glava je zavrnuna za kudište.

Ublažavanje udara u cilindru

Brzine kretanja klipa u cilindru se kontrolišu protocima ulja na priključcima cilindra. Kada klip dođe u krajnju poziciju naglo se zaustavlja. U slučaju velikih brzina i/ili velikih inercijalnih sila, pri naglom zaustavljanju klipa razvijaju se velike udarne sile. Udari u cilindru negativno utiču na cilindar i na mehanizam koji on pokrede. Stoga se moraju ugraditi elementi za ublažavanje udara koji de smanjiti brzinu klipa pre nego što klip dostigne krajnji položaj. Ovi elementi deluju tako što rasipaju kinetičku energiju pokretnih delova.

Slika prikazuje hidraulični cilindar sa podešavajudim ublažavajudim elementom. Na klip 1 je montiran konični ublažavajudi element (koplje) 2. Tokom uvlačenja cilindra, ulje protiče direktno ka povratnom vodu. Kada se klip približi krajnjem položaju, koplje ulazi u cilindrični otvor u poklopcu cilindra 4. Ulje koje se vrada iz komore klipa 5 je prinuđeno da protiče kroz kanal 6 ka prigušnom ventilu 7 i kroz radijalni prostor između koplja i cilindričnog otvora. Pritisak u komori klipa se uvedava, što izaziva smanjenje brzine klipa. Ventil 3 služi da premosti prigušni ventil na početku izvlačenja klipa. Pri izvlačenju, ulje protiče u komoru klipa kroz ovaj ventil. Na taj način, ulje pod pritiskom deluje na celu površinu klipa. Klip može imati ublažavajude elemente sa jedne ili obe strane. Prigušni ventil je stalne ili promenljive površine. Na primeru na slici... data je konstrukcija sa prigušnim ventilom koji se podešava preko navoja. Kinetička energija pokretnih delova ne sme predi kapacitet ublažavajudeg elementa, koji je definisan radom tokom vremena ublažavanja.

Ublažavanje bi trebalo da ostvari kontrolisano usporavanje cilindra. To je učinjeno preko usporavajude sile pritiska. Pri tome pritisak ne sme predi graničnu vrednost. Kinetička energija pokretnih delova je pretvorena u toplotu prigušivanjem povratnog fluida kroz prigušni ventil. U idealnom radu, klip de se potpuno zaustaviti na kraju puta prigušenja, s. Ako se klip potpuno zaustavlja, potrebno ubrzanje pri ublažavanju je:

𝑎 =𝑣2

2𝑠

Kada je cilindar postavljen horizontalno, sila usporavanja se može odredii preko:

𝑝𝑑𝐴𝑑 = 𝑚𝑎 + 𝑝𝐴𝑝

Normalno, pritisak usporavanja ne sme predi nominalnu vrednost pritiska za cilindar. Prosečna vrednost pritiska usporavanja pd, je:

𝑝𝑑 =1

𝐴𝑑

𝑚𝑣2

2𝑠+ 𝑝𝐴𝑝

• a – usporavanje, m/s2

• Ad – površina klipa izložena pritisku pd, m2

• Ap – površina klipa izložena pritisku p, m2

• m – masa koja se krede, kg

• p – pogonski pritisak, Pa

• pd – srednji pritisak u zapremini ublažavanja, Pa

• s – dužina usporavanja, m

• v – brzina klipa na početku perioda ublažavanja, m/s

Zaustavna cev

U slučaju ugradnje pri kojoj je cilindar kruto vezan, postoji opasnost od prevelikih bočnih sila. Sile opteredenja koje su normalne na osu cilindra, imaju za posledicu visoka opteredenja na ležajeve osovine, naročito u potpuno izvučenom položaju. Ova dodatna opteredenja su štetna po ležajeve osovine i moraju se umanjiti. To se postiže upotrebom zaustavne cevi, ugrađene u telo cilindra. Ona služi da zaustavi klip pre nego što dostigne glavu cilindra, što uvedava minimalnu udaljenost između ležajeva osovine i klipa. Slika ilustruje upotrebu zaustavne cevi. Zaustavna cev 3 je ubačena između klipa 1 i glave cilindra 2. Zaustavna cev produžuje polugu i time smanjuje opteredenja na ležajevima. Povedanje dužine zaustavne cevi umanjuje sile reakcije na klipu i ležajevima, ali istovremeno smanjuje dužinu kretanja cilindra.

Izvijanje cilindra

Maksimalno aksijalno opteredenje koje deluje na cilindar ne sme predi vrednost pri kojoj dolazi do izvijanja. Granična sila se mora proračunati i uzeti u obzir u cilju izbegavanja katastrofalnih oštedenja. Granično opteredenje, za izvijanje, se računa na slededi način:

• 𝐹 =𝜋2𝐸𝐽

𝑛𝐿𝐾2 za λ ≥ λg prema Ojleru

• 𝐹 =𝜋𝑑2 335−0,62𝜆

4𝑛 za λ ≤ λg prema Tetmajeru

• 𝐽 =𝜋𝑑4

64= 0,0491𝑑4 za kružni poprečni presek

𝜆 = 4𝐿𝐾𝑑

𝜆𝑔 = 𝜋 1,25𝐸/𝑅

Slobodna dužina izvijanja, LK, se dobija preko Ojlerove tabele sa slike... Ojačanja cevi cilindra nisu uzeta u obzir prilikom proračuna. To nadoknađuje dodatni napon savijanja usled ugradnje cilindra.

• n – stepen sigurnosti (3,5)

• d – prečnik osovine cilindra, m

• E – modul elastičnosti, N/m2

• J – moment inercije poprečnog preseka, m4

• LK – slobodna dužina izvijanja, m

• R – granica elastičnosti materijala osovine cilindra, N/m2

• λ – koeficijent vitkosti

Proračun koraka cilindra

Kao što je prikazano na slici... minimalna dužina hidrauličnog cilindra, L, se sastoji od slededih mera:

L = L4 + dodatna dužina za podešavanja + nekorisna („mrtva“) dužina

L = 2L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6 + L7 + L8

• L1 – poluprečnici ručki za povezivanje + zazor od 2,5mm, m

• L2 – dužina poklopca cilindra, m

• L3 – dužina klipa, m

• L4 – korak, m

• L5 – dužina glave cilindra, m

• L6 – dužina izvučenog dela osovine klipa + debljina navoja protiv samoodvijanja, m

• L7 – naknada za podešavanje dužine, m

• L8 – debljina krajnjih delova, m

Klasifikacija hidrauličnih cilindara

Hidraulični cilindri se dele na sledede vrste: cilindri jednosmernog dejstva, cilindri dvosmernog dejstva, tandem cilindri, tropozicioni cilindri i teleskopski cilindri. Mogu biti opremljeni dodatnim mehanizmom za zadržavanje pozicije.

Cilindri jednosmernog dejstva.

Klip je pogonjen hidraulično u jednom smeru, u drugom smeru se krede pod uticajem spoljne sile ili ugrađene opruge.

Cilindri dvosmernog dejstva

Klip hidrauličnog cilindra dvosmernog dejstva je pogonjen hidraulično u oba smera kretanja. Ovi cilindri mogu imati jednu osovinu, dve osovine simetrično, ili dve osovine nesimetrično.

Za cilindre sa dve osovine se kaže da su simetrični ako su prečnici obe osovine jednaki. Obično se koriste u hidrauličnim servo sistemima.

Tandem cilindri

Tandem cilindri udvostručavaju silu pritiska za isti prečnik kudišta cilindra

Tropozicioni hidraulični cilindri

Neko od radnih organa mogu imati tri radne pozicije. U tom slučaju korišdenje običnih dvosmernih cilindara ne daje dovoljnu kotrolabilnost. Tada se koriste tropozicioni cilindri.

Pozicija Pritisak priključka

A B C

Uvučen P T T

Srednji

položaj

P T P

Izvučen T P T

Izvučen T P P

Cilindri sa mehaničkim elementima za zaključavanje

Poziciono zaključavanje cilindra se može ostvariti mehaničkim ili hidrauličnim putem. Za hidraulično zaključavanje koriste se pomodno kontrolisani propusni ventili. Mehanički elementi drže klip u mestu. Nekad se koriste i mehanički i hidraulični elementi za zaključavanje.

Teleskopski cilindri

Teleskopski cilindri jednosmernog i dvosmernog dejstva

Hidraulični rotacioni aktuatori

• Rotacioni aktuatori sa zupčanikom i zupčastom letvom

Kod ovog tipa aktuatora centralni deo je u vidu zupčaste letve. Pravolinijsko kretanje klipa se prevodi u kružno kretanje zupčanika. Uglovi pomeranja mogu biti 360o i više, zavisno od prenosnog odnosa i koraka klipa.

Rotacioni aktuator sa paralelnim klipovima

Kod ove vrste aktuatora, dva klipa se kredu paralelno u odnosu jedan na drugi. Naizmenično su pod dejstvom hidrauličnog pritiska. Sila pritiska se prenosi preko osovina, i zatim se pretvara u izlazni moment. Ugao pomeranja je manji od 100o.

Rotacioni aktuatori sa lamelama

Ugao pomeranja kod ovih aktuatora je manji od 320o.

Hidraulični motori

Uvod Namena hidrauličnih motora je suprotna nameni pumpe. Izvode stalno kružno kretanje. Pomeranje (ili geometrijska zapremina) hidrauličnog motora je zapremina ulja potrebna da motor izvrši jednu punu rotaciju. Brzina motora zavisi od protoka, dok napojni pritisak utiče na izlazni moment motora. U slučaju idealnog motora, bez curenja i trenja važe sledede relacije:

𝑛𝑚 = 𝑄𝑡 𝑉𝑚

∆𝑃 =2𝜋

𝑉𝑚𝑇

• nm – brzina motora, o/s

• ΔP – razlika pritisaka, Pa

• Vm – geometrijska zapremina motora, m3/o

• T – izlazni moment, Nm

• Qt – teorijski protok, m3/s

Teorijski protok je manji od stvarnog zbog unutrašnjeg curenja. Zapreminska efikasnost motora je definisana jednačinom:

𝜂𝑣 =𝑄𝑡𝑄 ili

𝑛𝑚 =𝑄𝜂𝑣𝑉𝑚

Izlazna mehanička snaga motora je manja od ulazne hidraulične snage zbog zapreminskih, mehaničkih i hidrauličnih gubitaka. Gubici snage su predstavljeni preko totalne efikasnosti ηT:

𝑄Δ𝑝𝜂𝑇 = 2𝜋𝑛𝑚𝑇

Ili Δ𝑝 =2𝜋

𝑉𝑚𝜂𝑚𝜂ℎ𝑇

• Q – stvarni protok motora, m3/s

• ηT – totalna efikasnost motora

• ηm – mehanička efikasnos t motora

• ηv – zapreminska efikasnost motora

• ηh – hidraulična efikasnost motora

Aksijalni klipni motor prelomljene ose

1. Ulaz visokog pritiska 2. Izlaz niskog pritiska 3. Pogonska sila 4. Sila koja optereduje

ležajeve 5. Sila klipa

Ulje pod pritiskom protiče kroz jedan od otvora u obliku bubrega na priključnoj ploči (A), u cilindre (B). Komore klipova koje su povezane sa ulaznim priključkom su pod pritiskom. Sile pritiska deluju na klipove i preko njih deluju na pogonsku osovinu (C). Ove sile se pretvaraju u obrtni moment.

Aksijalni klipni motori sa nepokretnom nagibnom pločom

A. Klipovi, B. Blok cilindra, C. Nepokretna priključna ploča, D. Kližudi jastučidi E. Nagibna ploča, F. Pogonska osovina

Fluid ulazi u motor preko fiksirane priključne pločice u kojoj se nalaze dva otvora u obliku bubrega (polumeseca) (C). U slučaju motora sa devet klipova, četiri, ili pet su povezani sa dovodnim otvorom. Ostali su povezani sa povratnim vodom. Nagibna ploča (E) ne rotira.

Lamelasti motori

Lamelasti motori su po konstrukciji slični lamelastim pumpama. Izlazni moment je rezultat dejstva visokog pritiska na lamele. Lamele su radijalno potiskivane oprugama, a u toku rada mogu biti pod dejstvom dodatne sile pritiska koja omogudava potrebnu zategnutost.

Zupčasti motori

Zupčasti motori su slični zupčastim pumpama, s tim što su konstruisani da mogu da deluju i u suprotnom smeru.

Hvala na pažnji!