Servo Karakteristikli Oransal Valflerin Uygulamaları

Bosch Rexroth

Servo Karakteristikli Oransal Valflerin Uygulamaları
Günümüzde oransal valflerin, kontrol teknolojisinin de gelişmesiyle birlikte hidrolik sistemlerdeki kullanım oranları artmıştır. Oransal valfler geçtiğimiz yıllara kadar fiyatlarının pahalı olması, karmaşık elektronik devrelerle beslenmiş olmaları, kısıtlı tamir olanakları ve kirliliğe karşı duyarlı yapıları nedeniyle tercih edilmiyordu. Gelişen teknolojiyle birlikte daha kaliteli, daha hızlı ve daha güvenilir malzemelerin kullanımları ihtiyaç haline gelmiştir. Bu nedenle de tasarımı yapılan hidrolik devrelerde yüksek hassasiyete ve yüksek dinamik özelliklere sahip oransal valflerin kullanımları zorunlu bir hal almıştır. Bunun sonucu olarak üretici firmalar oransal valf teknolojisindeki Ar-Ge çalışmalarını hızlandırmış ve son derece hassas, servo valf karakteristiklerine yakın yeni nesil oransal valfleri üretmeyi başarmışlardır.

Oransal ve servo valfler ile yeni nesil servo karakteristikli oransal valflerin karşılaştırmaları, kirliliğe karşı hassasiyetinin nasıl düşürüldüğü, geri besleme ve rejeneratif dizayn sayesinde silindirlerde düşük debilerde hatasız ve hassas hareket imkanlarının nasıl sağlandığı, 5 kontrol köşesi ile de aynı akım değerinde sürekli aynı akışın sağlanması, diğer oransal valflerden farklı olarak sinizodial sürgü sayesinde akım sinyallerine daha kısa tepki alanında ve lineere yakın bir eğri ile cevap verebilmeleri, geri besleme sistemindeki yeniliklerle daha hassas ve hızlı kontrolü, 5 odalı 4 yollu ve 6 odalı 6 yollu versiyonları gibi ortaya koyduğu farklı özellikler incelenerek kullanıcılara getirmiş olduğu kolaylıklar, örnek devre uygulamalarıyla aktarılacaktır.

Günümüzde kullanılan standart oransal valflerin servo valflere göre statik ve dinamik karakteristikleri oldukça kötüdür. Bunun nedenleri arasında; standart oransal valflerin yay kuvvetlerine karşı çalışmaları ve bobin yapılarından dolayı yataklamalardan kaynaklanan sürtünme kayıpları gösterilebilir. Kullanılan standart servo valflerin de oransal valflere göre dezavantajları bulunmaktadır. Fiyatlarının oldukça pahalı olması, kirliliğe karşı aşırı duyarlı olmaları ve yüksek filtreleme sistem maliyetleri bunlardan bazılardır.

Sektörün gereksinimi ise daha robust, daha güçlü, daha hassas, daha dinamik ve statik karakteristiklere sahip ucuz valflerin üretilebilip piyasaya sürülebilmesidir. Bu ihtiyaç doğrultusunda oransal valf teknolojisi gelişimini sürdürmekte ve kullanıcıya servo valf özelliklerini sağlamaya çalışmaktadır.

Servo ve Oransal Valf Karakteristikleri
Servo karakteristikli oransal valfler incelenmeden önce servo ve oransal teknolojisinde valflerin statik ve dinamik karakteristiklerinin incelenmesi ve tanımlanması gerekir.

Statik Karakteristikler
Histeresis: Oransal veya servo bir valfin kontrolü için uygulanan giriş sinyal değerinin minimumdan maksimuma veya maksimumdan minimuma değiştirildiğinde her iki pozisyonda da aynı çıkış sinyalini sağlamak için kullanılan giriş sinyalleri arasındaki maksimum fark olarak ifade edilir. Valfin kendi içindeki kapalı çevrimin kontrol edilmesi (feed back) histeresis hassasiyetini iyileştirir (Şekil-1).

Taşma (Overlap): Valf sürgüsündeki adacık boyunun valf gövdesi üzerindeki geçiş kanalından küçük olması negatif taşma, aynı olması sıfır taşma, büyük olması pozitif taşma olarak adlandırılır.

Kapalı çevrim oransal ve servo valflerde sıfır taşma konum kontrol sistemi (feed back) için gerekli ön şarttır. Sıfır taşma, valf sürgüsünün son derece hassas bir şekilde imal edilmesini gerektirir (Şekil-2).

Pozitif taşma, kontrol valfinde ölü bir giriş sinyaline ve hareket bölümüne neden olur. Hassasiyeti kötüdür (Şekil-3).
Negatif taşma sızıntı yağının artışına sebep olur. Negatif veya sıfır taşma hassas bir imalat gerektirir ve valf dayanımı açısından yüksek yağ temizliği son derece önemlidir.

Dinamik Karakteristikler
Cevap Süresi: Valfin giriş sinyali değişmelerine karşılık hızlı cevap verme kabiliyeti hakkında bilgi verir. Kısaca harekete geçme veya intibak zamanı olarak tanımlanır. Bir başka deyişle de girişteki bir sinyal değişmesine cevap vermesi için geçen süre olarak ifade edilir.

Frekans Cevabı: Servo veya oransal valflere sinüsodial bir giriş sinyali uygulanması ve buna karşılık valften alınan sinüsodial çıkış sinyal eğrisi frekans arttıkça faz kayması ve genlik sönümlenmesi olduğunu gösterir.

Bode diyagramında faz değişmesi 360 derecelik bir periyot için derece olarak verilir. Genlik sönümlemesi ise logaritmik olarak ifade edilir.

Frekans sınırı, -90 derece faz gecikmesinin oluştuğu frekanstaki değer olarak tanımlanır. Bir diğer tanımda -3 dB’deki genlik sönümleme değeridir. Her iki tanımda aynı frekans sınırında sonuçlanır. -90 derece faz gecikmesi ve –3 dB genlik sönümlemesi yaklaşık aynı frekansta oluşur. Valf kontrol çevriminin lineer olmayışı nedeniyle frekans cevabı sinyal genliğinin bir fonksiyonudur. Sistemin dinamik davranış açısından en uygun bölge –3 dB karşılık gelen frekansa kadar olan bölgedir. Bu frekans genellikle kırılma frekansı veya sistem frekans aralığını gösterir. Geri beslemeli denetim sistemlerinin kararlılığı açısından genlik oranındaki düşüş kadar bu faz gecikmesinin önemi de büyüktür. Faz gecikmesi ne kadar artarsa sistemin kararlılık açısından denetimi o kadar zorlaşır.

Servo Karakteristikli Oransal Valfler
Teknolojik gelişmelerin sonucunda oransal valflerden beklenen özelliklerde değişmiştir.Valf üreticisi firmaların Ar-Ge bölümleri de bu servo valf özelliklerine sahip oransal valfleri geliştirerek sektördeki yerlerini bir kat daha güçlendirme çabasındadır. Bu çabaların sonucu olarak servo valf karakteristikli oransal valfler piyasadaki yerlerini etkili ve hızlı bir şekilde almaya başlamışlardır. Bu valflerin geçirgenlikleri servo valflerde olduğu gibi 70 bar basınç düşümündeki debi olarak tanımlanır. Karakteristik diyagramları doğrusal olup bu durum sürgü kılıfına özel geometrik geçiş deliği açılarak sağlanmaktadır.Ayrıca, bu valflerde servo valflerde olduğu gibi çok küçük orifisler ve hareket mesafesine sahip plaka-lüle mekanizması yoktur. Bu nedenle de bu valflerin kirliliğe karşı duyarlılıkları düşüktür. Yağ temizliği için 10 mikronluk bir filtreleme yeterli olmaktadır. Dinamik başarımları da servo valflerin seviyelerine oldukça yaklaşmıştır. Kullanım alanları da servo valflerin kullanıldığı hemen hemen her alanda kullanılabilir hale gelmiştir. CNC takım tezgahlarında, özel test tezgahlarında, demir-çelik endüstrisinde, rüzgar türbinlerinde, kağıt ve seramik endüstrisinde, gemilerde, kaldırma platformlarında, hidrolik direksiyonlarda, şişirme ve ambalajlama makinalarında, parizyon kontrol ünitelerinde servo karakteristikli valflerin kullanılması daha ekonomik hale gelmeye başlamıştır.
Oransal valflerdeki bu gelişim birden bire bu seviyelere ulaşmamıştır. Sürgü ve bobin yapıları yanında elektroniksel denetleme ile hata düzeltme mekanizmalarına yönelik gelişmeler de yavaş yavaş gerçekleştirilmiştir. Halen statik ve dinamik karakteristikleri için yeni teknolojiler üretilmeye çalışılmaktadır. Oransal valflerde meydana gelen bu teknolojik gelişmeler ve bu gelişmelerin sağladığı avantajlar şu şekilde sıralanabilir:

Bobin Yapılarındaki Gelişmeler
Pilot valf bölümündeki sürgü artık çok düşük hidrolik enerji kaybı ile direk olarak oransal bobinlerle sürülebilmektedir. Bu gelişmeyle birlikte valfin kirliliğe karşı hassasiyeti de oldukça düşürülmüştür.

Doğrusal solenoid’te sargıya uygulanan elektrik akımına karşılık oluşan kuvvet, merkezleme yayının kuvveti ile dengelenerek valf sürgüsü akım girişine orantılı biçimde konumlandırılmaya çalışılır.

Yeni VCD (Voice Coil Drive) teknolojisi ile oransal kontrol valfleri, servo valfler gibi tahrik teknolojisinde çok hassas denetim özelliklerine ulaşmıştır. Standart oransal valflerdeki sabit solenoid tahrik yerine, VCD teknolojisi valf sürgüsüne (1) hareketi, hareket edebilen bir bobin (2) kullanılarak verilir.Valf bobini sürgüye gövdesinden direk bağlıdır ve bobin sürgü tarafına sabit manyetik silindir (3) üzerinden gönderilir (Şekil-8). Bobinin enerjilendirilmesi ile sürgü akış yönüne bağlı olarak son derece hassas bir şekilde istenilen pozisyona getirilir. Asıl gerçek pozisyon transdüser (LVDT) ile kapalı devre elektronik kontrol sistemine geri gönderilir ve hata varsa sistem tarafından düzeltilerek sürgü istenen pozisyona getirilir.Verilen sinyalin ulaşmaması ve güç kesintisi durumunda valf yay kuvveti vasıtasıyla belirlenen pozisyona getirilir.

Bobinin çalışması fizikte kullanılan sağ el kuralı ile kolayca açıklanabilir. Burada manyetik alan H, dikey kuvvetler F, elektrik yük akışı da V ile gösterilmiştir.Bobin hareketi, bobinin enerjilendirilmesi ile üst sargı veya alt sargıda oluşan düzleme dik yukarı ve düzleme dik aşağı manyetik alan ile birlikte oluşan akımın yönüne göre magnet silindirini uyarmasıyla sağlanır. Bunun sonucu valf yüksek güç yoğunluğu olan çok kısa stroklu magnet silindirinin son derece hassas hareketi ile yüksek bir güç ve iyi bir dinamik karakteristik kazanmaktadır (Şekil-9). Böylece standart oransal valflerdeki bobin yapısından kaynaklanan problemler yine oransal bobin teknolojisi ile giderilmektedir.

Elektronik Kontrol Yapısındaki Gelişmeler
Valf üzerinde kullanılan elektronik kart (Integrated on board) sayesinde, valf ile elektronik kabin arasındaki kablolama hataları önlenmiştir. Aynı zamanda gövdedeki sürgünün yaylarla merkezlenmesi ile enerji kesilmesi durumunda ortaya çıkabilecek hatalar ortadan kaldırılmıştır. Direkt uyarılı oransal valflerde sürgü pozisyonunun tespiti direk sürgüye bağlı itici üzerinde ölçüm yapabilen transdüser (LVDT) sayesinde daha hassas olarak kontrol edilebilmektedir.

Pilot uyarılı oransal valflerde sürgü pozisyonunun tespiti (geri besleme) sürgüye temassız transdüser sayesinde hassas olarak gerçekleştirilebilmektedir. Bu da valfin daha hassas çalışmasını sağlamaktadır. Bu durumda akım geri beslemeli elektronik kuvvetlendirici ile sürülen solenoid’te oluşan kuvvet veya hareket sargı direncindeki değişime rağmen sabit bir değerde tutulabilir. Sürgü pozisyonunun kontrol sinyali ile geri besleme transdüseri, sinyalini karşılaştıran kapalı devre regülasyonlu kontrol devresine sahiptirler. Bunun sonucunda valfin sürgüsü herhangi istenen bir pozisyonda denetlenmiş olur. Konum kontrollü valfin hassas oransal denetimde kullanılan elekteronik devre transdüser yoluyla algılanan sürgünün gerçek konumunu arzu edilen bir konum giriş sinyali ile karşılaştırır ve bir kapalı devre geri beslemeli denetim yolu ile bu iki değer arasındaki farkı hata işareti olarak belirleyerek hatayı ortadan kaldıracak şekilde hareket eder. Geri besleme ve rejeneratif dizayn sayesinde (1/2 alan oranındaki diferansiyel silindirlerde) düşük debilerde hatasız ve hassas hareket imkanı sunar, 5 kontrol köşesi ile de aynı akım değerinde sürekli aynı akışın sağlanmasını mümkün kılar.

Gövde Yapısındaki Gelişmeler
Şekillerde görüldüğü gibi sürgü ile bobin herhangi bir yatak rulman bağlantısı olmadan birbirlerine bağlanmıştır.
Böylelikle yataklarda ve yaylarda oluşabilecek ve direkt olarak valfin karakteristik özelliklerini bozacak sürtünme ve yaya karşı çalışma etkisi ortadan kaldırılmıştır. Bunun sonucunda daha iyi bir kontrol ve histeresis özelliği kazanılmıştır. Yine aktif dönüş yayı kullanılmayarak daha yüksek işletimli güç elde edilmiştir. Ayrıca, elektrik kesilmesi veya LVDT sinyalinin herhangi bir sebeple kapalı devre elektronik sistemine ulaşmaması durumunda, dengeleme yayı sürgüyü belirlenen konuma götürerek istenmeyen hareketleri emniyetli bir şekilde önleme görevini yerine getirmektedir.

Sürgü Yapısındaki Gelişmeler
Merkez konumda sıfır taşma özelliğine sahip olduklarından konumlar arası kademesiz bir geçiş söz konusudur. Dolayısı ile pozitif taşmadan oluşan hareketsiz ölü bölge ortadan kaldırılmıştır.

Bu durumda akış – voltaj-akım karakteristik eğrisinde ve kesit resimde de görüldüğü gibi konum sıfır taşmadır.
Sıfır taşmanın sağlanabilmesi için valf sürgüsü gövde içinde değil de hassas olarak konstrükte edilmiş bir kovan içersinde hareket eder. Böylece daha hassas bir sıfır taşma konumu elde edilmiş olur.

Diğer oransal valflerden farklı olarak, sinizodial sürgü sayesinde akım sinyallerine daha kısa tepki alanında ve lineere yakın bir eğri ile cevap verebilmektedirler.

Sinizoidal sürgü kullanımı ile servo ve oransal valf teknolojisinin her ikisinin de sunduğu avantajları ve fonksiyonları gerçekleştirebilecek karakteristiklere sahiptirler. Sinizoidal şekilli sürgü sayesinde tipik çelişkili ihtiyaçlar rahatlıkla karşılanabilmektedir.

Sürgünün geometrisinden dolayı, sin 0, sin 180 ve sin 360 noktalarında valf sıfır bindirme ile çalışırken, diğer noktalar sinüs eğrisine göre değişken pozitif bindirmelerle çalışmaktadır. Bu durum servo valfler ile karşılaştırıldığında daha az sızıntı kaybı ve diğer sürgülü oransal valflere göre ise sıfır bindirme noktalarından dolayı yüksek dinamik özellikler sunar.

Kısa stroklu hareketlerde bile sinis eğrisi çekirdeğindeki kesit artışı çok hızlı olur. Dolayısıyla akış kontrol özellikleri daha hassaslaşır. Sinüs eğrisi formları değişken tasarım şartlarına uygun olarak değiştirilebilir.

Örneğin; kısa stroklu bir harekete çok kısa zamanda en az sızıntı ile cevap verme süresi ihtiyacı gerçek ve en ideal şekilde karşılanabilmektedir. Sürgü köşelerinin sahip olduğu sinizoidal eğri sayesinde diğer oransal valflerden daha az sızıntı ve sıfır bindirme alanı içersindeki çok hassas debi kontrolünün yapılması rahatlıkla sağlanabilmektedir. Sinizodial sürgünün çok kısa stroklu hareketinde, kısa sürede cevap verebilme gibi yüksek hassasiyete sahiptirler.

Servo Valfler
İlk olarak havacılık sektöründe kullanılan servo valfler, ilerleyen zamanlarda hareketlerin hassaslaşması ve üretim kalitelerinin artmasına sağladığı katkı nedeniyle endüstriyel hidrolik alanında da uygulanmaya başlanmıştır. Günümüzde servo valfler askeri araçlar (uçak, top, füze, tank vb..), sivil havacılık, uzay ve eğlence sektörlerinde (simülasyon cihazları vb..) rahatlıkla kullanılmaktadır.
Endüstride ise özellikle yüksek hassasiyet gereken tezgahlar, test ve plastik makinaları, parizyon kontrol üniteleri gibi uygulama alanlarında kullanılmaktadır.

Servo valfler temelde açık çevrim ve kapalı çevrim olmak üzere iki konumda çalışırlar. Açık çevrimli servo sistemlerinde, operatör fiili çıkış değerini gerekli olan değerler ile karşılaştırmak suretiyle, hataları düzeltmektedir.

Bu yöntemin bir örneği araçlardaki direksiyon sistemleridir. Sürücü aracın gidiş yönünü gözler ve sapmaları direksiyonu çevirmek sureti ile düzeltir.

Kapalı çevrim servo valflerde ise kullanılan elektriksel kontrollü hidrolik kuvvetlendiricidir. Bu tür servo valflerin en iyi özelliği elektrik giriş sinyali ile akışkan debisi çıkış sinyali arasında tam bir doğrusal bağıntının olması ve küçük bir giriş sinyaline karşı çok büyük ve hassas bir çıkış sinyali elde edilebilmesidir.

Yani bu valfler ile 0.08 W gibi çok düşük güçlü elektrik sinyali ile 100 kW’den daha büyük hidrolik güçleri kontrol etmek mümkündür. Cevap verme hızları da yaklaşık 100 ile 500 Hz arasında değişmektedir.

Avantajlarına karşılık servo valflerin dezavantajları da bulunmaktadır. Bunlardan en önemlisi maliyetlerinin oldukça yüksek olmasıdır. Aynı zamanda imalat işlemleri oldukça zor ve hassastır.

Bu nedenle çok sıkı bir işlem toleransı ile üretilirler. Toleransları düşük olduğundan hidrolik akışkandaki kirliliğe karşı çok hassastırlar. 3 mikron gibi çok hassas filtrelenmeye ihtiyaç duyarlar. Ayrıca yağdaki sıcaklık değişimlerinden kolay etkilenirler.
Kaynak: otomasyon dergisi

Bu konuya oyver
[Toplam: 2 Ortalama: 5]
(Toplam14 , 1 bugün)

ilgili konular

Leave a Comment