NIERÓWNOMIERNOŚĆ PRĘDKOŚCI RUCHÓW NAPĘDÓW PNEUMATYCZNYCH I PNEUMOHYDRAULICZNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA INSTYTUT TECHNOLOGII MASZYN Laboratorium Napędów i Sterowań Płynowych Ćwiczenie 2 NIERÓWNOMIERNOŚĆ PRĘDKOŚCI RUCHÓW NAPĘDÓW PNEUMATYCZNYCH I PNEUMOHYDRAULICZNYCH redakcja mgr inż. Grzegorz Lis Warszawa, styczeń 2008

2 1. NIEROWNOMIERNOŚĆ PRĘDKOŚCI RUCHU NAPĘDÓW PNEUMATYCZNYCH l PNEUMOHYDRAULICZNYCH 1.1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE Elementy pneumatyczne, w których sprężone powietrze podawane jest na przemian z obu stron elementu ruchomego (np. tłoka), są szeroko wykorzystywane w pneumatycznych układach napędowych Jako elementy wykonawcze (siłowniki) i elementy sterujące. Spośród, siłowników pneumatycznych najpowszechniejsze zastosowanie znajdują siłowniki dwustronnego działania. Siłowniki w pneumatycznych układach napędowych nie mogą w większości przypadków zapewnić zrealizowania zadanego przebiegu ruchu tłoka z dużą dokładnością, ponieważ powietrze jest ściśliwe. Mimo tego zakres zastosowań napędów pneumatycznych stale się rozszerza. Często bowiem zadany przebieg ruchu nie musi być ścisłe zachowany, a w wielu przypadkach może być dowolny, istotne może być tylko zapewnienie określonego czasu ruchu. Prędkość tłoka nastawiana jest przeważnie za pomocą zaworu dławiącego (dławika). W zależności od miejsca zainstalowania dławika (zwykle równo legie połączonego z zaworem zwrotnym) rozróżnia się nastawianie prędkości poprzez dławienie na wejściu (wlocie) oraz na wyjściu (wylocie) siłownika. Dławienie na wejściu siłownika. Aby uprościć rozważania, załóżmy, że w pewnym przedziale czasu tłok porusza się ze stałą prędkością, a różnica ciśnień w komorach siłownika napełnianej i opróżnianej wynosi Δp = p - p w = const. Niech w pewnej chwili siła oporu nagle się zmniejszy. Tłok siłownika zareaguje na tę zmianę zwiększeniem prędkości. Ciśnienie p w komorze napełnianej spadnie wskutek szybszego wzrostu jej objętości, a w komorze opróżnianej ciśnienie p z tej samej przyczyny nieco wzrośnie. Ustali się nowa wartość między ciśnieniami Δp odpowiadająca zmniejszonemu obciążeniu. Gdy podczas dalszego ruchu obciążenie wzrośnie, nowa różnica ciśnień przyjmie wartość Δp1. Przy znacznym rozroście obciążenia tłok może nie tylko zwolnić, ale także zatrzymać się na pewien czas, niezbędny do osiągnięcia potrzebnej wartości różnicy ciśnień. Ponieważ przeciwciśnienie jest niewielkie, więc różnica ciśnień powodowana jest głównie zmianami ciśnienia w komorze napełnianej, które zachodzą dość powoli wobec założonego dławienia na wejściu. Dławienie na wyjściu siłownika. W tym przypadku, ciśnienie w komorze napełnianej zmienia się szybciej i. wskutek tego procesy przejściowe trwają krócej. Różnica ciśnień zmienia się w przybliżeniu w równym stopniu wskutek zmian ciśnienia p i zmian przeciwciśnienia p w,. Wyższe niż przy dławieniu na wejściu ciśnienie w komorze opróżnianej przyczynia się do zwiększenia płynności ruchu tłoka. Natomiast pewną wadą dławienia na wyjściu jest znaczne wydłużenie czasu trwania okresu przygotowawczego, bowiem decyduje o nim czas zmniejszania się ciśnienia w komorze opróżnianej, który jest długi z powodu dławienia wypływu powietrza. Za pomocą dwóch, zaworów dławiąco-zwrotnych, zainstalowanych na obu drogach przepływu sprężonego powietrza od zaworu rozdzielającego do siłownika, można uzyskać nastawianie prędkości ruchu tłoka w szerokim zakresie. Jednak praktycznie, ze względu na występowanie efektu drgań oraz ze względu na trudności z utrzymaniem bardzo małej szczeliny w zaworze dławiącym (przekrój szczeliny ze względu na zanieczyszczenie i oblodzenie zmienia się znacznie), minimalne prędkości stosowane w typowych układach pneumatycznych nie przekraczają zazwyczaj 0,02-0,05 m/s. Jeżeli wymagane są prędkości ruchu mniejsze, zaleca się stosować siłowniki pneumohydrauliczne lub hydrauliczne. Układy pneumatyczne a dławieniem na wejściu i wyjściu podano na rys Rys Pneumatyczne układy napędowe z zaworem dławiącym jednokierunkowym: a) na wejściu (wlocie), b) i c) na wyjściu (wylocie)

3 W układach pokazanych na rys.1.27 dławienie przepływu sprężonego powietrza występuje tylko przy ruchu tłoka do przodu (ruch roboczy PR), natomiast wycofanie tłoka odbywa się rucham szybkim bez dławienia (szybkie wycofanie SW). Można do tego celu wykorzystać zawory dławiączwrotne (zawory dławiące jednokierunkowa) umieszczone na drodze przepływu sprężonego powietrza między zaworem rozdzielającym i siłownikiem (rys.1.27a - dławienie na wlocie, rys.1.27b - dławienie na wylocie) lub zawór dławiący dwukierunkowy umieszczony na wyjściu do atmosfery z zaworu rozdzielającego (rys.1.27c dławienie na wylocie). Rys Pneumatyczny układ napędowy dwoma zaworami dławiącymi jednokierunkowymi zamontowanymi na wlocie do siłownika Na rysunku 1.28 pokazano układ, z dławieniem na wylocie dla obu kierunków ruchu tłoka siłownika. Prędkości ruchu tłoka są nastawiane za pomocą dwóch zaworów dławiąco-zwrotnych. Układ ze zmianą prędkości ruchu tłoka na wybranym odcinku jego skoku przedstawiono na rys.1.29a. W układzie tym wykorzystano zawór dławiący normalnie otwarty sterowany mechanicznie, który współpracuje z krzywką osadzoną na tłoczysku siłownika. Długość krzywki H można dobierać zależnie od wymaganego odcinka skoku siłownika ze zmienioną prędkością ruchu. Podobne zadanie spełnia układ przedstawiony na rys.1.29b. W układzie tym zamiast zaworu dławiącego sterowanego mechanicznie występuje ręczny zawór dławiąco-zwrotny i dwudrogowy zawór rozdzielający sterowany mechanicznie. Rys Pneumatyczne układy napędowe z nastawianiem różnych prędkości ruchu tłoka na wybranym odcinku skoku: a) a zaworem dławiącym sterowanym mechanicznie, b) z zaworem dławiącym ręcznym i zaworem rozdzielającym dwudrogowym sterowanym mechanicznie W celu uzyskania dużych prędkości ruchu tłoka, szczególnie wtedy gdy odległości między siłownikami i zaworami rozdzielającymi są duże, stosuje się zawory szybkiego spustu jak pokazano na rys W układzie tym zwiększenie prędkości ruchu tłoka uzyskuje się przez skrócenie drogi wypływu sprężonego powietrza z komór siłownika do atmosfery (wypływ do atmosfery z pominięciem zaworu rozdzielającego). Rys.1.30, Pneumatyczny układ napędowy z dwoma zaworami szybkiego spustu do realizacji dużych prędkości ruchu tłoka Pneumohydrauliczne siłowniki napędowe są stosowane do napędu ruchów posuwowych w obrabiarkach lub innych urządzeniach technologicznych. Czynnikiem napędowym (roboczym) w tych siłownikach jest sprężone powietrze, natomiast olej wykorzystywany jest do hamowania ruchu tłoka. Obieg oleju jest obiegiem zamkniętym. Dzięki temu, do sterowania i napędu tych siłowników stosuje się te same elementy pneumatyczne co do zwykłych siłowników pneumatycznych. Prędkość ruchu roboczego wynosi zazwyczaj nim/min, większa stabilność ruchu jest uzyskiwana przez zastosowanie regulatora przepływu, który ma za zadanie utrzymanie stałego spadku ciśnień na zaworze dławiącym przy zmianach obciążenia na tłoczysku siłownika. Stosowanie tylko zaworów dławiących nie pozwala na

4 utrzymanie stałej prędkości, gdyż: prędkość ruchu tłoka zależy od wartości obciążenia; przy małych przepływach szczeliny dławiące ulegają "zarastaniu" - powoduje to wzrost oporów przepływu. Rys Pneumohydrauliczne układy napędu posuwu: a) z zaworem dławiącym, b) z regulatorem przepływu. Siłownik pneumohydrauliczny przedstawiony na rys.1.31a składa się z siłownika pneumatycznego napędowego 1, siłownika hydraulicznego hamującego 2 oraz zbiornika kompensacyjnego 3. Na tłoczysku siłownika hydraulicznego 2 znajduje się nastawny zderzak 4 ustalający długość szybkiego dobiegu. Szybki ruch tłoka w lewo trwa do chwili, aż połączone a tłoczyskiem siłownika pneumatycznego jarzmo 5 oprze się o nastawny zderzak 4. Od tej chwili rozpoczyna się również przesuw tłoka w siłowniku hamującym 2. Prędkość ruchu obu tłoków (ruch roboczy) nastawia się zaworem dławiącym 6. W trakcie ruchu roboczego tłoczysko wchodzi do wnętrza siłownika hydraulicznego 2 i niezbędne jest przetłoczenie nadmiaru oleju do zbiornika kompensacyjnego 3. Podczas ruchu tłoka siłownika 1 w prawo (szybkie wycofanie) jarzmo 5 opierając się o stały zderzak 7 wycofuje również tłok w siłowniku hydraulicznym 2. Wycofanie tłoka siłownika hydraulicznego 2 jest szybkie, gdyż przy tym kierunku ruchu, olej przepływa przez zawór zwrotny 8. Na rys.1.31b przedstawiono siłownik pneumohydrauliczny ze współśrodkowym, wewnętrznym siłownikiem hydraulicznym. Jego zaletą jest bardzo zwarta budowa oraz wyeliminowanie momentu gnącego na tłoczysku (pochodzącego od siły hamującej). W odróżnieniu od poprzedniego rozwiązania w miejsce zaworu dławiącego wstawiony jest regulator przepływu 8, co zapewnia wystarczającą równomierność prędkości ruchu tłoka siłownika napędowego. Inne elementy siłownika pneumohydraulicznego z rys.1.31b oznaczono identycznie jak na rys.1.31a 1.2. ANAUZA CYKLOGRAMU NAPĘDU PNEUMATYCZNEGO Na rysunku 1.32 pokazano pneumatyczny układ napędowy z siłownikiem tłokowym dwustronnego działania, w którym zachodzi jednocześnie napełnianie i opróżnianie komór, przy czym uwzględniono zarówno wymianę ciepła między zawartością komory a otoczeniem, jak i przepływy powietrza między komorami. Tłok siłownika obciążony jest siłami oporu P użytecznego i szkodliwego. Po przesterowaniu

5 zaworu rozdzielającego, powietrze z sieci kierowane jest przez odpowiedni kanał zaworu do lewej komory siłownika, w której początkowo panowało ciśnienie atmosferyczne. Niezależnie od strat sprężonego powietrza w komorze, którego pewna część może przez nieszczelności uchodzić do atmosfery, ciśnienie w komorze zaczyna wzrastać. W tym czasie druga komora siłownika połączona jest przez kanał zaworu rozdzielającego z atmosferą i ciśnienie powietrza w komorze, na początku równe ciśnieniu panującemu w sieci, zaczyna się zmniejszać. Do komory tej wpływa także stosunkowo niewielka ilość powietrza wskutek nieszczelności zaworu rozdzielającego i uszczelnień tłoka siłownika, co jednak nie zmienia przebiegu procesu. Pod działaniem siły wywołanej różnicą ciśnień w obu komorach siłownika tłok przemieszcza się w prawo, pokonując siły oporów P. Urządzenie związane z tłoczyskiem siłownika wykonuje wtedy zabieg przewidziany procesem technologicznym. Przy końcu skoku zawór rozdzielający zostaje przesterowany w drugie położenie, Rys Typowy układ napędowy z pneumatycznym siłownikiem dwustronnego działania w którym prawa komora siłownika uzyskuje połączenie z siecią i tłok wykonuje ruch powrotny. Wykres cyklu roboczego (cyklogram) tego typu napędu pneumatycznego podano na rys Przy jego analizie dogodne jest uwzględniać nie tylko czas ruchu i postoju tłoka lecz także przedziały czasu, w których zmienia się ciśnienie w komorach siłownika. Ruch. sprężonego powietrza w przewodzie rozpoczyna się tuz po rozpoczęciu otwierania zaworu rozdzielającego. Dla uproszczenia można przyjąć, że fala ciśnienia rozpoczyna ruch dopiero wtedy, gdy zawór jest otwarty całkowicie. Założenie takie nie wprowadza większego błędu bowiem czas przesterowania zaworu Rys Wykres cyklu roboczego (cyklogram) pneumatycznego siłownika rozdzielającego jest bardzo niewielki w porównaniu z czasem cyklu roboczego. Z cyklogramu widać, że do chwili rozpoczęcia przez tłok ruchu, ciśnienie w komorze roboczej wzrasta, a w opróżnionej maleje. W czasie ruchu tłoka krzywe ciśnień w komorach siłownika mogą mieć różny przebieg, zależnie od czynników konstrukcyjnych i pneumatycznych układu. Ciśnienia mogą zatem monotonicznie rosnąć lub maleć, albo nawet mieć charakter oscylacyjny. Po zakończeniu ruchu tłoka ciśnienie w komorze połączonej z siecią wzrasta do wartości niezbędnej z przyczyn technologicznych. Jednocześnie w drugiej komorze siłownika ciśnienie maleje do wartości ciśnienia atmosferycznego. Chwile zakończenia procesów zmian ciśnienia v obu komorach na ogół nie pokrywają się. Po wykonanej zadanej czynności technologicznej zawór rozdzielający zostaje przesterowany i w opisanej kolejności, rozpoczyna się powrotny ruch tłoka. Czas taktu, do przodu Tt (rys.1.33) i czas taktu powrotnego T't można rozpatrywać jako sumę czasów trwania trzech okresów: I okres - przygotowawczy, od początku przesterowania elementu sterującego do chwili ruszenia tłoka; II okres - ruchu tłoka, w czasie którego tłok przemieści się na odległość równą skokowi, III okres - końcowy, w którym ciśnienie powietrza w komorze roboczej wzrasta do potrzebnej wartości. Składniki czasu każdego taktu, odpowiadające powyższym okresom, oznaczone są na rys.1.33 przez t I, t II, t III (ruch do przodu) oraz t' I, t' II, t' III (ruch powrotny).

6 Okres przygotowawczy dziali się z kolei na: t1 - czas zadziałania zaworu rozdzielającego, t2 - Czas rozprzestrzeniania się fali ciśnienia od zaworu rozdzielającego do siłownika, t3 - czas wzrostu ciśnienia w komorze roboczej siłownika do chwili ruszenia tłoka. W siłownikach przemieszczających (transportujących) najistotniejszy jest czas ruchu tłoka t II, natomiast w siłownikach mocujących największe znaczenie ma czas t III. Jak widać, w zależności od przeznaczenia siłownika, różne okresy czasu w cyklogramie napędu pneumatycznego mogą być najważniejsze. Analityczne określenie prędkości ruchu tłoka wymaga przeprowadzenia analizy modelu fizycznego siłownika pneumatycznego, który określa zjawiska związane z napełnianiem i opróżnianiem komór o zmiennej objętości z uwzględnieniem wymiany ciepła ze środowiskiem otaczającym oraz upływami powietrza przez nieszczelności. Matematyczny opis zmian ciśnienia i temperatury w komorach siłownika otrzymuje się z bilansu energii powietrza zgromadzonego w komorach i równań stanu gazu. Rys Wpływ obciążenia na dynamikę siłownika pneumatycznego: a) η = O,1; b) η = 0,5; c) η = 0,7 Na charakter ruchu tłoka siłownika ma wpływ szereg czynników, które można zaszeregować jako czynniki konstrukcyjne i pneumatyczne. Do czynników konstrukcyjnych należą: średnica tłoka i długość skoku siłownika, minimalne średnice przelotów linii napełniającej i opróżniającej, stosunek pól tłoka od strony komory roboczej i opróżnianej, wartość objętości początkowej. Do czynników pneumatycznych wpływających na dynamikę układu zaliczamy ciśnienie zasilania a także temperaturę w komorach siłownika, której przebieg zależy od rodzaju przemiany termodynamicznej. Jednym z istotnych czynników wpływających na czas (prędkość) przemieszczania się tłoka jest obciążenie zewnętrzne tłoczyska. Na rysunku 1.34 przedstawiono, otrzymane na podstawie zależności teoretycznych, przebiegi przemieszczenia x, prędkości dx/dy i przyspieszenia d 2 x/dt 2 tłoka,a także ciśnień p1 i p2 w komorach siłownika dla trzech wartości obciążenia względnego a) η = O,1; b) η = 0,5; c) η = 0,7 gdzie η = P/p1 * F1 - p2 * F2) rys.1.32). Ze wzrostem obciążenia obserwuje się dla danego siłownika zmniejszenie maksymalnej prędkości tłoka, jednak wpływ ten jest istotny wtedy, gdy η >= 0,5. zwiększenie obciążenia prowadzi do zmniejszenia się wahań prędkości, a silnie obciążony siłownik charakteryzuje się praktycznie stałą prędkością na całej długości skoku. Mimo rozwoju teorii napędów pneumatycznych doświadczalne metody ich badań nie tracą swego znaczenia, bowiem w równaniach obliczeniowych występują współczynniki, których wartości nożna określić jedynie doświadczalnie. Ponadto badania doświadczalne umożliwiają ocenę celowości niektórych podstawowych, założeń poczynionych przy wyprowadzaniu równań, np. że procesy zachodzące w układach pneumatycznych są quasi - ustalone, że współczynnik natężenia przepływu oraz ciśnienie w sieci są Rys Oscylogram pracy pneumatycznego siłownika o średnicy D = 200 mm i stoku s = 570 mm stałe, że w wielu przypadkach, zastosowań można pominąć wpływ wymiany ciepła z otoczeniem itd. Weryfikacja doświadczalna jest więc jednym z głównych. kryteriów prawidłowości opracowanych metod, obliczeniowych. Na rysunku 1.35 pokazano przykładowe oscylogramy otrzymane doświadczalnie dla siłownika

7 dwustronnego działania o skoku s = 570 mm i średnicy tłoka D = 200 mm OPIS STANOWISKA Stanowisko badawcze składa się z dwóch podstawowych zespołów; 1) badanego zespołu napędowego, 2) obciążnika pneumatycznego. Rys Schemat układu napędowego stanowiska badawczego Rys Widok układu napędowego stanowiska badawczego Schematy pneumatyczne stanowiska badawczego podano na rys Układ napędowy może

8 4 1 pracować jako układ czysto pneumatyczny lub jako układ z hamowaniem hydraulicznym. Jest to uzależnione od położenia zderzaków Z względem jarzma J związanego na stałe z tłoczyskiem siłownika napędowego. Rys Widok stanowiska rejestracji przebiegów elektrycznych Na każdej drodze przepływu sprężonego powietrza do siłownika 3 znajdują się po dwa zawory dławiąco-zwrotne ZD1-ZD4, które umożliwiają ustawienie dowolnego wariantu dławienia. Zawory ZR2 i ZR3 spełniają zadanie zaworów szybkiego spustu. Układ napędowy może pracować z obciążeniem, którego wartość można zmieniać za pomocą zaworu redukcyjnego R2. Jednocześnie zawór ten utrzymuje stałą wartość ciśnienia (obciążenia) w trakcie przesuwania tłoka obciążnika pod wpływem przemieszczającego 2 się tłoka siłownika napędowego. Zawór redukcyjny R1 umożliwia nastawianie zadanej wartości ciśnienia sprężonego powietrza dopływającego do siłownika napędowego. Za pomocą zaworów SR i WR można sterować zaworem ZR1, który steruje ruchami siłownika napędowego. Włączanie zaworów ZS1 i ZS2 powoduje włączanie zaworów ZR2 i ZR3, które spełniają zadania zaworów szybkiego spustu. Tor pomiarowy składa się z : Czujnika indukcyjnego przemieszczenia (poz.1 Rys.1.37). Przetwornika pomiarowego (poz.1 Rys.1.38) znajdującego się na stanowisku komputerowym (zdj.1.38). Przetwarza on sygnały z czujnika pomiarowego dostosowując poziomy napięć do standardowych wartości ±10V. Do rejestracji został użyty komputer PC (poz.2 Rys.1.38) wyposażony w kartę przetworników analogowo-cyfrowych PLC812. Zainstalowany na PC program PC-Scope umożliwia wizualizację na monitorze (3) i zapis przebiegów napięciowych, które doprowadzane są do karty PCL812. Zarejestrowane przebiegi można wydrukować na drukarce (4). Zmiana położenia tłoka siłownika powoduje powstanie zmian napięcia pochodzących z czujnika drogi i po wzmocnieniu i dopasowaniu w czujniku przemieszczeń jest rejestrowana w programie PC- Scope. okres hamowania siłownika Skok siłownika H=200 mm okres rozpędzania siłownika Podstawa czasu okres ruchu stabilnego Rys Przykładowy przebieg ruchu tłoka siłownika zarejestrowany w programie PC-Scope.

9 1.4. WYKONANIE ĆWICZENIA l SPRAWOZDANIA Przed, przystąpieniem do ćwiczenia prowadzący zajęcia podaje warianty badanych układów napędowych. Dla kolejno badanych układów napędowych należy rejestrować przebiegi przemieszczenia i prędkości tłoka siłownika napędowego. Przed uruchomieniem układu należy skonfigurować w menu programu PC-Scope zakresy pomiarowe karty PCL812. Na podstawie otrzymanych przebiegów przemieszczenia należy określić, dla każdego badanego wariantu, wartości prędkości i nierównomierność prędkości ruchu tłoka siłownika napędowego. Sprawozdanie powinno również zawierać uwagi o przebiegu ćwiczenia i wnioski dotyczące np, wpływu obciążenia i sposobu dławienia na nierównomierność prędkości ruchu tłoka.