Proporcionalna hidraulika

Od uklopne prema proporcionalnoj tehnici

Razvodnici iz jedinice 7.1 su uklopni: magnet je uključen ili isključen, klip je u jednom od krajnjih položaja. Brzina cilindra određena je protokom crpke ili namještenim protočnim ventilom, a sila tlakom sigurnosnog ventila namještenim ručno. Svaka nova brzina ili nova sila traži novi ventil ili ručno premještanje vijka. Nagla uključenja izazivaju udare, a kočenje velikih masa izvodi se prigušenjem u krajnjem položaju cilindra ili dodatnim ventilima.

Proporcionalna hidraulika uvodi ventile kojima se tlak, protok ili otvor mijenjaju kontinuirano, razmjerno električnom ulaznom signalu. Upravljanje tada može zadati bilo koju vrijednost između najmanje i najveće, mijenjati je tijekom ciklusa i to postupno, rampom. Jedan proporcionalni razvodnik može zamijeniti razvodnik, dva protočna ventila i nekoliko pomoćnih razvodnika za preklapanje brzina; jedan proporcionalni tlačni ventil zamjenjuje više tlačnih ventila namještenih na različite tlakove.

Proporcionalna tehnika smještena je između uklopne tehnike i servotehnike (7.4). Od uklopne je preciznija i fleksibilnija, od servotehnike jednostavnija, jeftinija i manje osjetljiva na nečistoću ulja. Većina proporcionalnih primjena radi u otvorenom krugu: upravljanje zada signal, ventil ga izvrši, ali nitko ne mjeri je li cilindar zaista postigao traženu brzinu ili položaj. Unutar samog ventila, međutim, često postoji mali zatvoreni krug koji regulira položaj klipa ventila.

Proporcionalni magnet

Uklopni magnet konstruiran je da privuče kotvu što jače. Njegova sila jako raste kako se zračni raspor smanjuje, pa kotva udari u krajnji položaj i ostane u njemu. Za kontinuirano namještanje takav magnet ne valja: mala promjena položaja kotve mijenja silu više nego promjena struje.

Proporcionalni magnet ima posebno oblikovan magnetski krug — najčešće konusni stup i nemagnetski prsten u cijevi kotve — kojim se u radnom području hoda sila gotovo ne mijenja s položajem kotve. Karakteristika sila–hod je u tom području vodoravna, a njezina visina razmjerna je struji svitka. Magnet se zato ponaša kao izvor sile: F ≈ k · I. Ako se sila magneta uravnoteži s oprugom, položaj kotve razmjeran je struji; ako se uravnoteži sa silom tlaka na malom sjedištu, tlak je razmjeran struji.

Struja proporcionalnog magneta je reda veličine jednog do nekoliko ampera, a točnu vrijednost daje katalog. Budući da otpor svitka raste sa zagrijavanjem, upravljanje naponom ne bi davalo stalnu silu. Zato pojačalo regulira struju: mjeri je i drži jednakom zadanoj bez obzira na temperaturu svitka. Struja se najčešće stvara impulsno-širinskom modulacijom (PWM), a induktivitet svitka izglađuje impulse u gotovo stalnu struju.

Na kotvu i klip djeluje trenje, koje uzrokuje histerezu: pri rastu i padu struje klip stane na malo različitim mjestima. Da bi se trenje smanjilo, struji se dodaje mala izmjenična komponenta, dither — frekvencije reda veličine stotinjak herca i amplitude nekoliko postotaka. Klip time neprestano titra oko srednjeg položaja, ostaje u gibanju i ne „lijepi se“ zbog statičkog trenja. Amplitudu i frekvenciju dithera treba namjestiti prema preporuci proizvođača: premali dither ne pomaže, a preveliki se prenosi u tlak i čuje se kao zujanje.

Proporcionalni tlačni i protočni ventili

Proporcionalni tlačni ventil ima magnet umjesto ručno namještane opruge. Sila magneta pritišće zaporni element na sjedište, pa ventil otvara kad sila tlaka na površini sjedišta nadvlada silu magneta: p ≈ F / A_sjedišta ≈ k · I / A_sjedišta. Za male protoke gradi se kao direktno upravljan, a za veće kao predupravljan, pri čemu proporcionalni magnet djeluje na mali upravljački stupanj, kao kod običnog predupravljanog sigurnosnog ventila. Postoje proporcionalni sigurnosni (ograničavajući) i proporcionalni redukcijski ventili.

Na preši HP-1 proporcionalni tlačni ventil umjesto ručnog sigurnosnog ventila omogućuje da upravljanje za svaki proizvod zada drugu silu prešanja. Primjerice, za lim koji traži 50 kN upravljanje zada tlak 50 000 N / 5026,5 mm² ≈ 9,95 N/mm², odnosno oko 100 bar. Sila se time mijenja iz programa, bez odvijača i bez manometra na stroju. Uz proporcionalni ventil i dalje mora postojati mehanički sigurnosni ventil koji štiti sustav ako elektronika zakaže ili se zada prevelika vrijednost.

Proporcionalni protočni ventil ima prigušni otvor čiji presjek određuje magnet. Protok kroz otvor ovisi o presjeku i o padu tlaka na njemu; ako tlak opterećenja varira, varira i protok. Zato se proporcionalna prigušnica često ugrađuje s tlačnom vagom (kompenzatorom tlaka), koja pad tlaka na prigušnici drži stalnim. Takav dvoputni proporcionalni regulator protoka daje protok razmjeran signalu, neovisan o opterećenju. Troputna izvedba višak protoka crpke vraća u spremnik pri tlaku malo višem od tlaka opterećenja, pa je energetski povoljnija od dvoputne, kod koje višak odlazi preko sigurnosnog ventila.

Proporcionalni razvodnici

Proporcionalni razvodnik istodobno određuje smjer i veličinu protoka, a time smjer i brzinu cilindra ili motora. Najčešća je izvedba 4/3 s dva proporcionalna magneta i oprugama za centriranje: magnet A pomiče klip u jednu stranu, magnet B u drugu, a veličina pomaka razmjerna je struji. Klip ima upravljačke bridove s utorima ili zarezima koji daju fino, postupno otvaranje, pa se protok mijenja približno linearno s pomakom klipa.

Klip proporcionalnog razvodnika obično ima pozitivno preklapanje: u srednjem položaju bridovi preklapaju otvore za nekoliko postotaka hoda, pa ventil dobro brtvi i cilindar miruje bez puzanja. Posljedica je mrtva zona — dio ulaznog signala oko nule u kojem se klip pomiče, ali protoka još nema. Mrtvu zonu elektronika kompenzira skokom signala: čim je ulaz malo različit od nule, pojačalo odmah pomakne klip do ruba preklapanja.

Prema regulaciji položaja klipa razlikujemo dvije izvedbe.

• Bez povratne veze položaja: struja određuje silu, sila sabija oprugu, a položaj klipa ovisi o ravnoteži sile magneta, opruge, trenja i strujnih sila. Izvedba je jednostavnija i jeftinija, ali ima veću histerezu, reda veličine nekoliko postotaka, i slabiju ponovljivost.
• S povratnom vezom položaja: na magnet je dograđen induktivni osjetnik položaja koji mjeri stvarni položaj klipa. Elektronika uspoređuje stvarni i zadani položaj i ispravlja struju dok se ne izjednače. Trenje i strujne sile gotovo više ne utječu na položaj, histereza pada ispod jednog postotka, a odziv je brži.

Veći proporcionalni razvodnici izvode se kao predupravljani: proporcionalni upravljački stupanj daje upravljački tlak glavnom stupnju, a na glavni klip često je ugrađen osjetnik položaja, tako da elektronika regulira položaj glavnog klipa. Isto kao kod uklopnih predupravljanih razvodnika, i ovdje je potreban najmanji upravljački tlak.

Upravljačka elektronika

Proporcionalni ventil ne radi bez elektronike koja ulazni signal pretvara u reguliranu struju magneta. Elektronika se izvodi kao zasebna kartica ili modul u upravljačkom ormaru ili je ugrađena izravno na ventil. Ugrađena elektronika pojednostavnjuje ožičenje i tvornički je usklađena s ventilom, a zasebna kartica je dostupnija za namještanje i zaštićenija od vibracija i topline.

Glavne funkcije elektronike su:

• ulazni stupanj prima postavnu vrijednost iz PLC-a ili potenciometra, najčešće 0–10 V, ±10 V ili 4–20 mA; kod razvodnika predznak signala određuje smjer, a iznos veličinu otvora;
• generator rampi ograničava brzinu promjene signala: skok ulaza s 0 na 100 % pretvara se u postupni porast u namještenom vremenu, npr. 0,5 s; rampe za ubrzanje i kočenje obično se namještaju odvojeno za svaki smjer;
• dvokanalno pojačalo za razvodnik s dva magneta: pozitivan signal vodi na magnet A, negativan na magnet B, a u nuli su oba bez struje;
• kompenzacija mrtve zone, ograničenje najveće struje i namještanje pojačanja, kojima se karakteristika ventila prilagođava stroju;
• PWM-regulacija struje i dither za malu histerezu i stalnu silu neovisnu o temperaturi svitka;
• regulator položaja klipa s osjetnikom kod ventila s povratnom vezom, te nadzor kabela osjetnika i dojava pogreške.

Rampe su jedna od najvećih praktičnih prednosti proporcionalne tehnike. Na HP-1 s uklopnim razvodnikom prelazak s brzog primicanja na prešanje je skokovit, a masa alata i klipa naglo usporava. S proporcionalnim razvodnikom brzina se u zadnjim milimetrima prije B1 smanjuje rampom, alat meko dosjeda na lim, a prigušenje u krajnjem položaju više nije jedini način kočenja.

Karakteristike i primjena

Kvaliteta proporcionalnog ventila opisuje se nekoliko karakteristika koje katalog proizvođača navodi u postocima ulaznog signala ili nazivnog protoka.

Za brzinu cilindra važna je i protočna karakteristika. Nazivni protok Q_n proporcionalnog razvodnika najčešće se navodi pri padu tlaka Δp_n = 10 bar na ventilu, tj. 5 bar po upravljačkom bridu. Protok kroz brid ponaša se kao protok kroz prigušni otvor: razmjeran je otvoru i drugom korijenu pada tlaka. Za drugi pad tlaka i drugi ulazni signal vrijedi:

Q = Q_n · (ulaz / 100 %) · √(Δp / Δp_n)

Formula pretpostavlja linearnu karakteristiku izvan mrtve zone i isti pad tlaka na oba brida, što kod diferencijalnog cilindra vrijedi samo približno. Brzina cilindra je zatim v = Q / A. Dva praktična zaključka: dvostruko veći pad tlaka ne daje dvostruki, nego samo 1,41 puta veći protok; i ventil može upravljati brzinom samo ako crpka daje barem onoliko ulja koliko ventil propušta.

Primjena. Proporcionalna hidraulika uobičajena je kod preša i strojeva za injekcijsko prešanje (profil brzine i sile), kod dizalica, platformi i mobilnih strojeva (meko pokretanje i zaustavljanje velikih masa), kod pila, savijačica i strojeva za obradu drva, te kod ispitnih uređaja manjih zahtjeva. Na HP-1 proporcionalni razvodnik s rampama zamjenjuje razvodnike Y1, Y2 i Y3, a proporcionalni tlačni ventil omogućuje silu prešanja zadanu iz programa.

Računski prikaz: protok proporcionalnog razvodnika i brzina cilindra

Prikaz računa protok kroz proporcionalni razvodnik za zadani nazivni protok, ulazni signal i stvarni pad tlaka na ventilu, uspoređuje ga s protokom crpke i iz manjeg od njih računa brzinu izvlačenja cilindra zadanog promjera. Pretpostavlja se da tlačna vaga drži pad tlaka na ventilu stalnim.

Za razvodnik nazivnog protoka 25 l/min pri 10 bar, ulazni signal 50 % i pad tlaka 10 bar protok je 25 · 0,5 · 1 = 12,5 l/min. Crpka HP-1 daje 22,0 l/min, pa ventil zaista određuje brzinu: v = 12,5 · 10⁶ / 60 / 5026,5 ≈ 41,4 mm/s. Pri signalu 80 % protok je 20,0 l/min i brzina 66,3 mm/s. Pri signalu 100 % i padu tlaka 20 bar ventil bi propustio 25 · √2 ≈ 35,4 l/min, više nego što crpka daje; tada brzinu ograničava crpka na 73 mm/s, a daljnje povećanje signala više ne ubrzava cilindar. Razvodnik treba birati tako da pri najvećoj potrebnoj brzini radi u gornjem dijelu karakteristike, ali ne u zasićenju.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.