PL232352B1 - Zawór hydrauliczny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest zawór hydrauliczny zawierający umieszczony w obudowie (5) i przemieszczający się w tulei suwak zaworu (3), w którym elementami zadającymi są silnik krokowy (1) oraz silnik prądu stałego (2), przy czym wały silników połączone są za pomocą sprzęgieł mieszkowych, a przeniesienie ruchu obrotowego na ruch posuwisto zwrotny odbywa się poprzez układ śruba-nakrętka (6), a silnik prądu stałego (2) wyposażony jest w enkoder (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zawór hydrauliczny, w którym elementami zadającymi są silnik krokowy oraz silnik prądu stałego. Zawór według wynalazku może znaleźć zastosowanie w hydraulicznych układach napędowych cechujących się dużą dokładnością pozycjonowania.

Napędy elektrohydrauliczne pozwalają na wykorzystanie największej zalety hydrauliki jaką jest uzyskiwanie w prosty sposób bardzo dużych sił i momentów przy małych wymiarach oraz małej masie urządzeń. Na przestrzeni ostatnich lat podejmowano próby zastosowania różnego rodzaju silników elektrycznych do sterowania ruchem suwaka w zaworach elektrohydraulicznych. W literaturze można znaleźć także opisy elektrozaworów, w których zastosowane są elektryczne silniki skokowe, silniki liniowe prądu stałego albo silniki obrotowe. Silniki skokowe są powszechnie wykorzystywane do napędzania różnego rodzaju urządzeń pozycjonujących. Ze względu na stosunkowo mały moment i moc, mają ograniczone zastosowanie do małych i lekkich obrabiarek oraz urządzeń precyzyjnych małej mocy, takich jak: drukarki, kserokopiarki, urządzenia nastawcze w pojazdach itp.

Do pozycjonowania siłowników hydraulicznych stosuje się wielokrawędziowe wzmacniacze hydrauliczne. Najczęściej wykorzystywanymi w nich przetwornikami elektromechanicznymi są: silnik momentowy albo elektromagnes proporcjonalny. Spotykane są także rozwiązania wzmacniacza hydraulicznego z silnikami skokowymi. Ich podstawową zaletą jest możliwość pracy w otwartej pętli sterowania, co oznacza, że nie jest wymagany pomiar położenia kątowego wirnika. Niestety specyfika ich działania uniemożliwia wykonywania bardzo dynamicznych ruchów. Problemu tego pozbawione są silniki prądu stałego. Pozwalają na wykonywania bardzo szybkich, dynamicznych ruchów. Do pozycjonowania wymagane jest stosowanie układów pomiarowych w formie enkoderów inkrementalnych lub absolutnych, których cena jest wysoka.

Twórcy wynalazku proponują połączenie obydwu typów silników w jednym układzie hydraulicznego wzmacniacza wielokrawędziowego, łączących ich zalety: wysoką dynamikę - silnik prądu stałego, dużą dokładność pozycjonowania - silnik krokowy.

W pracy Murrenhoff H., Trends in Valve Development, Olhydraulik und Pneumatik, 46 (2003) Nr. 4, Niemcy 2003 opisano w sposób przekrojowy tendencje w budowie i rozwoju zaworów elektrohydraulicznych. Pierwszy rozdział dotyczył zaworów proporcjonalnych z napędem bezpośrednim. Przedstawiono tam dwa typy przetworników elektromechanicznych wykorzystanych jako elementy zadające w zaworach, tj.: silnik skokowy oraz element typu piezo. W zaworze z silnikiem skokowym wykorzystano śrubę kulową do przeniesienia napędu. Poruszała ona mechanizmem niezależnych suwaków sterujących przepływem. Podano, że zawory wykorzystujące materiały piezo charakteryzowały się bardzo dobrymi parametrami dynamicznymi w porównaniu z zaworami z elektromagnesami. Przeprowadzone badania doświadczalne zaworów wykazały, że spadek częstotliwości przenoszenia o 3 dB następował przy częstotliwości 340 Hz, natomiast przesunięcie fazowe o - 900 występowało przy częstotliwości 270 Hz.

Firma Parker zaproponowała zawór proporcjonalny wykonany w technologii nazwanej „Voice Coil Drive - VCD” [Besch Bruce, Introduction to Electro-hydraulic Proportional and Servo Valves, materiały szkoleniowe firmy Parker; oraz karta katalogowa: Hydraulic Proportional Valve Series DFplus, ParkerH -Hannifin, 2007]. Pomysł na budowę tego zaworu wywodzi się z konstrukcji głośników. W odróżnieniu od konwencjonalnego elektromagnesu proporcjonalnego, w którym elementem ruchomym jest rdzeń, w zaworze firmy Parker ruchoma jest cewka elektromagnesu (tak jak w typowym głośniku). Technologia VCD została zaimplementowana w zaworach z serii DFplus. Zawory te charakteryzują się częstotliwościami granicznymi w zakresie 50 Hz (bez przesunięcia fazowego) oraz niewielką histerezą. Poprawa pasma przenoszenia związana jest z tym, że przesuwana jest lekka cewka zamiast zwory o znacznie większej masie. W porównaniu z charakterystyką typowego elektromagnesu proporcjonalnego, uzyskano znacznie szerszy zakres przemieszczenia, w którym generowana siłą może być liniowa.

W pracy doktorskiej A. Myszkowskiego pt. „Badanie możliwości uzyskiwania małych prędkości ruchu przez liniową serwojednostkę elektrohydrauliczną z silnikiem skokowym i elektrycznym sprzężeniem zwrotnym, rozprawa doktorska”, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Poznań 2003, opisano zastosowanie silnika skokowego w zaworze do uzyskiwania bardzo małych prędkości ruchu. Autor uzyskał minimalną wartość prędkości liniowej tłoczyska na poziomie 1 pm/s. Dzięki zastosowaniu silnika skokowego możliwe było uzyskanie bardzo małych oraz dokładnych przemieszczeń liniowych suwaka zaworu. Przedstawiony w pracy napęd cechował się jednak małą prędkością maksymalną wynoszącą 0,125 mm/s. W celu dokładnego pomiaru prędkości napędu zastosowano inkrementalny, optyczny

PL 232 352 B1 układ pomiaru położenia pracujący z rozdzielczością 0,5 pm. W zastosowanym zaworze wał silnika połączony był z suwakiem zaworu za pośrednictwem sprzęgła mieszkowego. Z drugiej strony suwak był sztywno połączony ze śrubą toczną. Ruch obrotowy wirnika silnika powodował ruch obrotowy suwaka i śruby. Równocześnie z tym ruchem następowało przesunięcie liniowe suwaka wzmacniacza hydraulicznego, co powodowało otwieranie szczelin roboczych zaworu.

W pracy J. Ortmana, „Modelowanie i badania liniowego serwonapędu elektrohydraulicznego z dwoma silnikami skokowymi jako elementami zadającymi zaworu, rozprawa doktorska”, Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania, Poznań 2007 opisano budowę oraz badania serwonapędu elektrohydraulicznego z zaworem wyposażonym w dwa silniki skokowe. Obrót pierwszego z silników powodował obrót nakrętki, a drugiego obrót śruby mechanizmu różnicowego. W pracy opracowano model teoretyczny oraz symulacyjny zaworu i całego napędu, który zestawiono z badaniami doświadczalnymi. W odróżnieniu od rozwiązania proponowane w niniejszy patencie, zawór wyposażony był tylko w jeden rodzaj silnika, powodując, że mimo dużej dokładności, przemieszczenie suwaka cechowało się bardzo niską dynamiką.

W omawianych artykułach pokazano, że wzmacniacze elektrohydrauliczne, suwakowe napędzane silnikami skokowymi cechują się histerezą mechaniczną bliską zeru oraz ograniczoną dynamiką wynikającą z pracy silnika skokowego.

W artykule Wiegandt M., Development of a servomotor driven proportional valve, 7 th International Fluid Conference Aachen, opisano zastosowanie silnika typu serwo z przekładnią krzywkową do sterowania zaworem proporcjonalnym. Wał silnika obracając się przemieszczał ślizgający się bloczek powodując ruch wspornika (ang. bracket). W artykule przeanalizowano cztery warianty opisywanego mechanizmu krzywkowego, z których wybrano mechanizm charakteryzujący się najmniejszymi odkształceniami powodowanymi przez obciążenia. W zaworze zastosowano silnik typu serwo firmy Moog G404 L40, o maksymalnym momencie aż 15 Nm. Do pracy z wyższymi częstotliwościami silnik ten wyposażono w dedykowany układ chłodzenia.

W rozwiązaniu zaproponowanym przez firmę Parker (COMPACT ELECTRO-HYDRAULIC ACTUATOR (EHA) zastosowany silnik prądu stałego DC z magnesami trwałymi w kompaktowym napędzie elektrohydraulicznym. Silnik służył w przeciwieństwie do prezentowanego rozwiązania jako miniaturowa pompa. Siłownik wyposażony był w jednostronne tłoczysko. Zaletą rozwiązania była możliwość uzyskiwania bardzo dużych sił przy zachowaniu niewielkich gabarytów urządzenia.

Istota wynalazku polega na wykorzystaniu w zaworze proporcjonalnym dwóch silników różniących się swoimi właściwościami. Obydwa silniki odpowiadają za ruch suwaka zaworu. Połączenie silników z układem suwaka opiera się na idei pracy systemu śruba-nakrętka. Zawór hydrauliczny według wynalazku zawiera umieszczony w obudowie i przemieszczający się tulei suwak zaworu oraz elementy zadające. Elementami zadającymi są silnik krokowy oraz silnik prądu stałego, przy czym wały silników połączone są za pomocą sprzęgieł mieszkowych. Natomiast przeniesienie ruchu obrotowego na ruch posuwisto-zwrotny odbywa się poprzez układ śruba-nakrętka. Silnik prądu stałego wyposażony jest w enkoder.

Korzystnym rozwiązaniem jest kiedy z jednej strony zaworu suwak zaworu połączony jest za pomocą sprzęgła mieszkowego z silnikiem krokowym. Z drugiej strony suwak zaworu za pomocą układu śruba-nakrętka, w którym nakrętka jest odpowiednio łożyskowana w obudowie łączy się z silnikiem prądu stałego za pomocą sprzęgła mieszkowego.

W innym korzystnym wariancie wał silnika prądu stałego połączony jest sprzęgłem mieszkowym z wałem silnika krokowego. Wał silnika krokowego łączy się za pomocą sprzęgła mieszkowego z suwakiem zaworu, którego drugi koniec połączony jest z układem śruba-nakrętka.

W proponowanej konstrukcji silnik prądu stałego zapewnia bardzo dużą dynamikę. W opisywanym układzie ma posłużyć do pozycjonowania suwaka w jak najszybszym czasie. Z kolei silnik krokowy pozwala na dokładne pozycjonowanie. Konstrukcja silnika krokowego pozwala na jego pracę w stosunkowo wysokiej temperaturze (ok. 70°C), co zapewnia jego długą żywotność oraz pracę w otwartej pętli sterowania. Silnik prądu stałego DC w połączeniu z enkoderem absolutnym pracuje w zamkniętej pętli sterowania, zapewniając informację o aktualnym położeniu.

Przykłady realizacji wynalazku przedstawiono na rysunku na którym fig. 1 oraz fig. 2 przedstawia wariantowe konstrukcje zaworu hydraulicznego z silnikiem prądu stałego i silnikiem krokowym.

Na fig. 1 przedstawiono zawór hydrauliczny, w którym suwak 3 zaworu hydraulicznego przemieszczając się w tulei powoduje zmianę przepływu cieczy roboczej. Elementami zadającymi w zaworze są silnik krokowy 1 oraz silnik prądu stałego 2. Przeniesienie ruchu obrotowego na ruch posuwisto

PL 232 352 B1 zwrotny odbywa się poprzez zastosowanie układu śruba-nakrętka 6. Silnik prądu stałego wyposażony w enkoder 4 powoduje dynamiczne szybkie przemieszczanie nakrętki odpowiednio łożyskowanej 7 w obudowie 5. Wały silników sprzężone są za pomocą sprzęgieł mieszkowych 8. Symbolem x oznaczono przemieszczenie liniowe suwaka.

Alternatywne rozwiązanie przedstawiono na fig. 2. W tym przypadku suwak 3 zaworu hydraulicznego przemieszczając się w tulei powoduje zmianę przepływu cieczy roboczej. Elementami zadającymi w zaworze są silnik krokowy 1 oraz silnik prądu stałego 2. Wały poszczególnych silników połączone są za pomocą sprzęgieł mieszkowych 8. Przeniesienie ruchu obrotowego na ruch posuwisto zwrotny odbywa się poprzez zastosowanie układu śruba-nakrętka 6. Silnik krokowy 1 wyposażony jest w enkoder 4 umieszczony na wale 3. Symbolem x oznaczono przemieszczenie liniowe suwaka. W przypadku gdy silnik prądu stałego wyposażony jest w przekładnie, proponowane rozwiązanie eliminuje pojawiające się luzy. Sterowanie polega na przeprowadzeniu następujących czynności: w pierwszej kolejności należy wykonać dynamiczny, szybki ruch wału silnika prądu stałego i następnie odłączyć jego zasilanie. W kolejnym kroku następuje załączenie silnika krokowego i precyzyjne doprowadzenie do zadanej pozycji. Ze względu na to, że enkoder znajduje się na wale silnika krokowego, możliwe jest skorygowanie potencjalnych luzów. W rozwiązaniu nie pojawia się ruchoma nakrętka, co upraszcza łańcuch kinematyczny.

Opisywany wynalazek może posłużyć do dokładnego pozycjonowania hydraulicznych układów napędowych, w tym serwonapędów elektrohydraulicznych, przy zachowaniu dużych wartości przepływu. Do tej pory w tego typu układach stosowane były układ wielostopniowy z uwagi na ograniczenia standardowych zaworów proporcjonalnych. Dodatkowo, przy przeskalowaniu rozwiązania (zmniejszeniu), możliwe stanie zastosowanie go w kompaktowych napędach.

Wynalazek pozwala na zbudowanie układu napędowego opartego na zaworze proporcjonalnym, o parametrach zbliżonych do sterowania opartego na serwozaworze.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zawór hydrauliczny zawierający umieszczony w obudowie i przemieszczający się w tulei suwak zaworu oraz elementy zadające znamienny tym, że elementami zadającymi są silnik krokowy (1) oraz silnik prądu stałego (2), przy czym wały silników połączone są za pomocą sprzęgieł mieszkowych (4), a przeniesienie ruchu obrotowego na ruch posuwisto zwrotny odbywa się poprzez układ śruba-nakrętka (6), a silnik prądu stałego (2) wyposażony jest w enkoder (4).
2. 2. Zawór hydrauliczny według zastrz. 1, znamienny tym, że z jednej strony zaworu suwak zaworu (3) połączony jest za pomocą sprzęgła mieszkowego (8) z silnikiem krokowym (1), a z drugiej strony suwak zaworu (3) za pomocą układu śruba-nakrętka (6), w którym nakrętka jest odpowiednio łożyskowana (7) w obudowie (5) łączy się z silnikiem prądu stałego (2) za pomocą sprzęgła mieszkowego (8).
3. 3. Zawór hydrauliczny według zastrz. 1, znamienny tym, że wał silnika prądu stałego (2) połączony jest sprzęgłem mieszkowym (8) z wałem silnika krokowego (1), a wał silnika krokowego (1) łączy się za pomocą sprzęgła mieszkowego (8) z suwakiem zaworu (3) którego drugi koniec połączony jest z układem śruba-nakrętka (6).