Servohidraulika

Što je servohidraulika

U uklopnoj i većini proporcionalne hidraulike upravljanje radi u otvorenom krugu: zada signal i vjeruje da je cilindar postigao ono što je traženo. Ako se promijeni opterećenje, temperatura ulja ili propuštanje, rezultat odstupa, a upravljanje to ne zna. Servohidraulika radi u zatvorenom regulacijskom krugu: mjerni sustav neprestano mjeri izlaznu veličinu — položaj, brzinu, silu ili tlak — regulator je uspoređuje sa zadanom vrijednošću i razliku, pogrešku, pretvara u signal servorazvodniku. Cilindar se giba dok pogreška ne padne gotovo na nulu, a svaki poremećaj odmah se ispravlja.

Servohidraulički pogon ima četiri osnovna dijela: servorazvodnik koji brzo i precizno mijenja protok, izvršni element (najčešće cilindar, katkad hidraulički motor), mjerni sustav (npr. magnetostriktivni mjerni sustav položaja ugrađen u cilindar, tlačni pretvornici ili mjerna doza za silu) i regulator sa servopojačalom. Uz to dolazi agregat stalnog tlaka, najčešće s regulacijskom crpkom i akumulatorom, te fina filtracija ulja.

Prednosti su velika točnost, velika dinamika i velika sila na malom prostoru. Hidraulički cilindar ima veliku gustoću snage i visoku krutost, pa servohidraulika može pomicati mase od nekoliko tona s točnošću od stotinki milimetra i frekvencijama od nekoliko desetaka herca. Cijena su složenost, osjetljivost na nečistoću i potreba za stručnim puštanjem u pogon i ugađanjem regulatora.

Elektrohidraulički servorazvodnik

Klasični elektrohidraulički servorazvodnik je dvostupanjski. Prvi stupanj je hidraulički pojačivač sa sapnicama i odbojnom pločom, a pokreće ga moment-motor; drugi stupanj je klip glavnog razvodnika. Moment-motor ima trajne magnete, dva svitka i kotvu obješenu na tankoj elastičnoj cijevi. Struja kroz svitke, reda veličine desetak do nekoliko desetaka miliampera, stvara moment koji kotvu zakrene za vrlo mali kut. Za kotvu je učvršćena odbojna ploča koja se spušta između dviju sapnica.

Kroz sapnice neprestano struji malo upravljačkog ulja iz priključka P preko dviju stalnih prigušnica. Dok je odbojna ploča u sredini, oba su raspora jednaka i tlakovi u čeonim komorama glavnog klipa su jednaki. Kad moment-motor zakrene ploču prema jednoj sapnici, ta se sapnica priguši, tlak iza nje raste, a iza druge pada. Razlika tlakova pomiče klip glavnog stupnja. Klip preko povratne opruge (tanke savitljive šipke s kuglicom) vuče donji kraj odbojne ploče natrag prema sredini. Klip se zaustavi kad moment opruge uravnoteži moment motora; položaj klipa tada je razmjeran struji. To je mehanička povratna veza unutar ventila, pa takvi servorazvodnici ne trebaju električni osjetnik položaja klipa.

Uz izvedbu sa sapnicama i odbojnom pločom postoje i druge. Servorazvodnik s mlaznom cijevi ima zakretnu cijev kroz koju ulje struji u dva prihvatna otvora; veći su presjeci, pa je manje osjetljiv na nečistoću. Direktno pogonjeni servorazvodnici pomiču glavni klip linearnim motorom, a položaj klipa mjeri elektronički osjetnik; nemaju stalnog upravljačkog protoka kroz sapnice. Posebnu skupinu čine regulacijski ventili, proporcionalni ventili s nultim preklapanjem, povratnom vezom položaja i dinamikom bliskom servorazvodnicima, izrađeni za industrijske uvjete.

Nazivni protok servorazvodnika u katalozima se najčešće navodi pri padu tlaka 70 bar na ventilu, odnosno 35 bar po upravljačkom bridu, a ne pri 10 bar kao kod proporcionalnih razvodnika. Pri usporedbi ventila različitih vrsta treba zato preračunati protok na isti pad tlaka, formulom iz jedinice 7.3.

Nulto preklapanje

Klip servorazvodnika izrađuje se s nultim preklapanjem: upravljački bridovi klipa i košuljice u srednjem položaju upravo se poklapaju, s dopuštenim odstupanjem od nekoliko mikrometara. Čim se klip i najmanje pomakne, otvori se protok prema A ili B. Za razliku od proporcionalnog razvodnika s pozitivnim preklapanjem, nema mrtve zone: protočna karakteristika prolazi kroz nulu kao pravac, a pojačanje tlaka u okolini nule je vrlo veliko. To je preduvjet za točnu regulaciju položaja, jer regulator djeluje i na najmanju pogrešku.

Posljedice nultog preklapanja su dvije. Prva je unutarnje propuštanje u srednjem položaju: bridovi se ne preklapaju, pa kroz zračnost stalno prolazi mali protok iz P u T, kojemu se pribraja i upravljački protok kroz sapnice. Taj protok gubitak je snage i izvor topline, a njegovo povećanje tijekom vremena znak je trošenja bridova. Druga je osjetljivost: istrošen brid, zaobljen zbog abrazivnih čestica, pretvara nulto u negativno preklapanje, propuštanje raste, a točnost i krutost regulacije padaju.

Klip u mirovanju servorazvodnika nije posve u sredini hidrauličke nule: mala razlika u sapnicama i mehanička odstupanja daju pomak nule, koji se ispravlja vijkom za namještanje nule na ventilu ili pomakom u elektronici. U zatvorenom krugu regulator sam kompenzira mali pomak nule, ali ga treba provjeravati pri održavanju.

Zatvoreni regulacijski krug položaja i sile

Najčešća servohidraulička zadaća je regulacija položaja cilindra. Zadana vrijednost položaja w dolazi iz upravljanja, mjerni sustav mjeri stvarni položaj x, a regulator računa pogrešku e = w − x. Najjednostavniji regulator je proporcionalni (P-regulator): signal servorazvodniku razmjeran je pogrešci. Budući da je protok razmjeran signalu, a brzina cilindra protoku, brzina je razmjerna pogrešci: v = Kv · e. Konstanta Kv, u jedinicama 1/s, zove se pojačanje kruga po brzini.

Iz v = Kv · e slijedi važan zaključak. Kad cilindar slijedi zadanu vrijednost koja se mijenja stalnom brzinom v, stvarni položaj zaostaje za zadanim za pogrešku slijeđenja

e = v / Kv

Kad se zadana vrijednost zaustavi, pogreška se smanjuje prema nuli, a cilindar dolazi u zadani položaj. Veći Kv znači manju pogrešku slijeđenja i čvršće držanje položaja pod opterećenjem, ali Kv se ne može povećavati po volji. Ulje je stlačivo, pa se stupac ulja u cilindru ponaša kao opruga krutosti C, a pomična masa m na toj opruzi ima vlastitu kružnu frekvenciju

ω₀ = √(C / m)     C = E · (A₁² / V₁ + A₂² / V₂)

gdje je E modul stlačivosti ulja (uzima se oko 14 000 bar, s obzirom na nešto otopljenog zraka i elastičnost cijevi), A₁ i A₂ površine klipa i prstena, a V₁ i V₂ volumeni ulja s obje strane klipa, uključujući vodove do ventila. Krutost je najmanja otprilike u sredini hoda, pa se tamo i računa. Ako je Kv prevelik u odnosu na ω₀, krug počinje oscilirati. Za slabo prigušene hidrauličke pogone u praksi se kao gruba procjena upotrebljava Kv ≈ ω₀ / 3; stvarna vrijednost određuje se ugađanjem na stroju.

Regulacija sile radi na isti način, ali mjerni sustav mjeri silu: mjernom dozom između klipnjače i alata ili iz dvaju tlačnih pretvornika, F = p_A · A₁ − p_B · A₂. Kad bi se preša HP-1 izvela sa servorazvodnikom, pri p_A = 150 bar i p_B = 10 bar sila bi bila 15 · 5026,5 − 1 · 3063,1 ≈ 72 334 N, odnosno 72,3 kN. Takav pogon može slijediti zadani profil sile u vremenu, npr. porast, zadržavanje i postupno rasterećenje, neovisno o debljini obratka. Česta je i kombinacija: regulacija položaja pri primicanju, a pri dodiru s obratkom prebacivanje na regulaciju sile.

Zahtjevi na čistoću ulja

Zračnosti između klipa i košuljice servorazvodnika su nekoliko mikrometara, a raspori između sapnica i odbojne ploče desetak do nekoliko desetaka mikrometara. Čestice te veličine, koje proporcionalni razvodnik i ne primjećuje, u servorazvodniku uzrokuju zapinjanje klipa, začepljenje sapnica i trošenje upravljačkih bridova. Zato je čistoća ulja u servohidraulici prvi uvjet pouzdanosti, a ne samo preporuka održavanja.

Čistoća se izražava razredima prema normi ISO 4406, trima brojevima za broj čestica većih od 4, 6 i 14 µm u 1 ml ulja; niži brojevi znače čišće ulje. Proizvođači servorazvodnika obično traže razred reda veličine 16/14/11 ili bolji, dok za proporcionalne ventile često dopuštaju razred ili dva lošije, npr. 18/16/13. Točan zahtjev daje katalog ventila i prema njemu se određuje filtracija.

• Tlačni filtar neposredno ispred servorazvodnika, fine finoće (npr. 3–5 µm), s pokazivačem zaprljanja i bez obilaznog ventila ili s obilaznim ventilom koji javlja otvaranje.
• Povratni filtar i filtar za odzračivanje spremnika, kako bi nečistoća iz okoline i čestice nastale trošenjem ne ulazile u krug.
• Ispiranje novog ili popravljenog sustava prije ugradnje servorazvodnika: umjesto ventila postavlja se ploča za ispiranje, a ulje cirkulira kroz filtre dok se ne postigne traženi razred čistoće.
• Nadzor stanja ulja: redovito uzimanje uzoraka, brojanje čestica, nadzor temperature i vode u ulju.

Proporcionalna ili servo tehnika

Izbor između proporcionalne i servotehnike ovisi o zahtjevima na točnost, dinamiku, cijenu i uvjete rada. Granica nije oštra: regulacijski ventili i proporcionalni ventili s povratnom vezom položaja u zatvorenom krugu pokrivaju velik dio zadaća koje su nekad tražile servorazvodnik.

Primjena servohidraulike. Tipične su primjene ispitni strojevi (kidalice, ispitivanje zamora materijala i sklopova s dinamičkim opterećenjem), simulatori gibanja (platforme sa šest cilindara za letačke i vozne simulatore, potresne stolove), preše s regulacijom sile i položaja (duboko vučenje, prešanje kompozita, utiskivanje ležajeva s nadzorom sile), valjaonice (regulacija razmaka valjaka), strojevi za injekcijsko prešanje i turbinski regulatori. Na preši HP-1 servohidraulika bi imala smisla tek kad bi se tražio točno zadan profil sile ili položaj alata na stotinku milimetra; za obično savijanje ili prešanje proporcionalna tehnika, pa i uklopna s tlačnom sklopkom, jeftinije ispunjava zadaću.

Računski prikaz: pogreška slijeđenja i vlastita frekvencija cilindra

Prikaz računa pogrešku slijeđenja e = v / Kv za zadanu brzinu i pojačanje kruga, krutost stupca ulja u cilindru Ø80/50 mm u sredini hoda (E = 14 000 bar, uz volumen vodova sa svake strane), vlastitu kružnu i običnu frekvenciju ω₀ i f₀ = ω₀ / 2π te gornju procjenu pojačanja Kv ≈ ω₀ / 3. Proračun je pojednostavljen: zanemaruje trenje, prigušenje i dinamiku samog servorazvodnika.

Za pomičnu masu 1000 kg, hod 300 mm i 500 cm³ ulja u vodovima sa svake strane krutost je oko 41 900 N/mm, vlastita frekvencija ω₀ ≈ 205 1/s, odnosno f₀ ≈ 32,6 Hz, a gruba gornja granica pojačanja Kv ≈ 68 1/s. Uz oprezno odabrano Kv = 30 1/s i brzinu 73 mm/s pogreška slijeđenja je 73 / 30 ≈ 2,43 mm; pri 20 mm/s pala bi na 0,67 mm. Bez volumena u vodovima vlastita bi frekvencija bila oko 275 1/s — zato se servorazvodnik ugrađuje što bliže cilindru, najbolje izravno na njega, a vodovi između ventila i cilindra rade se kratki i kruti.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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