makale
ALTERNATÝF BÝR ELEKTROPNÖMATÝK VALF TASARIMI
VE KARAKTERÝSTÝKLERÝNÝN ÝNCELENMESÝ
Elif ERZAN TOPÇU, Ýbrahim YÜKSEL *
Bu çalýþmada piyasada bulunan elektropnömatik valflere alternatif bir elektropnömatik hýzlý anahtarlama valfý tasarýmý üzerinde çalýþýlmýþ, sistemin statik ve dinamik karakteristikleri incelenmiþtir. Tasarlanan valf doðrudan kumandalý, iki yollu iki konumlu (2/2) bir valf olup mýknatýs devresi düz yüzlü disk tipi mýknatýs yapýsýndadýr. Valfin imalatý ve montajý oldukça basittir ve düþük toleranslý bir iþleme de gerek yoktur. Ayrýca valfin cevap hýzý da yaklaþýk 4 ms' dir.
Anahtar sözcükler : Elektropnömatik valf, elektromekanik sistem, hýzlý anahtarlama valfi
In this study, an alternative electropneumatic valve is designed. The static and dynamic characteristics of the system are investigated. This valve is a directly operated, two-port two-position (2/2) valve and a disc type of magnetic circuit is used in the design of the valve. Production and assembling of the valve is rather simple and it does not require any operation with low tolerance. In addition, the response time of the valve is approximately 4 ms.
Keywords : Electropneumatic valve, electromagnetic system, fast response valve
* Uludað Üniversitesi, Mühendislik - Mimarlýk Fakültesi, Makina Mühendisliði Bölümü
E
GÝRÝÞ
lektropnömatik sistemler endüstriyel otomasyon alanýnda önemli bir yer tutmaktadýr. Bu sistemler düþük ve orta büyüklükteki güç taleplerini karþýlamada elektrohidrolik ve elektromekanik sistemlere karþý bir alternatif oluþturur. Maliyetlerinin düþük ve bakýmlarýnýn kolay olmasý bu sistemleri küçük robot ve manipülatör alanlarýnda da uygulanabilir kýlmaktadýr. Elektropnömatik sistemlerin geribeslemeli denetimindeki en temel elemanlardan birisi elektropnömatik valf olup bu eleman denetim biriminden gelen elektriksel iþareti akýþkan debisine dönüþtürür.
Elektropnömatik valfler genelde basit aç-kapa, hýzlý anahtarlama ve servo valfler biçiminde sýnýflandýrýlabilir. Solenoid kumandalý basit aç-kapa valflerin yapýsý basit ve maliyetleri düþüktür. Dinamik performanslarý düþük olan bu tür valfler hassas denetim gerektiren yerlerde kullanýlamaz. Buna karþýlýk elektriksel giriþ iþareti ile akýþkan çýkýþ iþareti arasýnda oransal bir baðýntý saðlayan servo valfler çok hassas bir denetim saðlamakla beraber yapýlarýnýn karmaþýklýðý ve maliyetlerinin yüksekliði nedeniyle endüstride her alanda yaygýn olarak kullanýlamamaktadýrlar. Hýzlý anahtarlama valfleri ise basit aç-kapa valfler ile servo valfler arasýnda yer alan alternatif bir valf türüdür ve sürekli bir geliþim göstermektedir. Temelde aç-kapa biçiminde çalýþan bu valflerin yapýlarý basit ve ayný zamanda maliyetleri düþüktür. Bu tür valfler Darbe Geniþlik Modülasyon (DGM) teknikleri ile belli oranda oransal baðýntýlar saðlayabilmektedir. Yalnýz bu valflerin DGM ile iyi bir oransal baðýntý saðlayabilmeleri için cevap hýzlarýnýn yüksek olmasý gerekir.
Valf tasarýmý ve uygulamalarý üzerine yapýlan çalýþmalar gün geçtikçe artarak devam etmektedir. Elektropnömatik valflerin tasarýmýyla ilgili Taft ve ark. [1] tarafýndan yapýlan bir çalýþmada dört yollu aç- kapa elektro- akýþkan valf tasarýmý ele alýnmýþtýr. Valfýn elektriksel kumandasý kalýcý ve elektro mýknatýstan oluþan bir mýknatýs devresi ile gerçeklenmiþtir. Cabral ve ark. [2] dört yollu dönel disk valf tasarýmý
makale
yöntemdir. Sabit bir frekansta darbe doluluk/ boþluk oranýna baðlý olarak anahtarlama elemaný çýkýþýndan zaman ortalamasý oransal bir çýkýþ sinyali elde edilir. Hýzlý anahtarlama valfleri üzerinde darbe geniþlik modülasyon tekniði ile ilgili yapýlan çalýþmalardan bazýlarý pnömatik sistemlerin konum denetiminde hýzlý anahtarlama valflerinin kullanýlmasý üzerinedir [9, 10]. Royston ve ark. [11] dönel elemanlý valf üzerinde DGM tekniðinin uygulamasýný incelemiþlerdir. Çeþitli elektromekanik sistemlerin DGM tekniði ile sürülmesi elektrohidrolik ve gergi denetim sistemleri gibi deðiþik uygulama alanlarýnda denenmiþ ve olumlu sonuçlar alýnmýþtýr [19, 24, 25]. Shih ve ark. [12, 13] DGM ve deðiþtirilmiþ farksal DGM tekniklerini çeþitli denetim yordamlarý ile birlikte kullanarak pnömatik sistemlerdeki avantajlarýný incelemiþlerdir. Ye ve ark. [14] DGM solenoid valfin modellemesini ele alarak benzetim ve denetleyici tasarýmý için iki adet kütle akýþ modeli geliþtirmiþlerdir. Topçu ve ark. [15] bilgisayar denetimli elektropnömatik bir sistemin konum denetiminde aç- kapa tipi denetimi ve deðiþik frekanslarda DGM tekniðinin uygulanabilirliliðini incelemiþlerdir. Imaizumi ve ark. [16] yaptýklarý çalýþmada aç- kapa valflerin oransal sürülmesinde kullanýlmak üzere yeni bir yöntem geliþtirmiþlerdir.
Bu çalýþmada hýzlý anahtarlama valfý sýnýfýndan olan alternatif bir elektropnömatik valf tasarýmý ele alýnmýþ, sistemin statik ve dinamik karakteristikleri incelenmiþtir. Ele alýnan valf iki yollu iki konumlu (2/2) doðrudan kumandalý bir valf olarak tasarlanmýþ ve valfýn kumandasýnda disk tipi elektromýknatýs devresi kullanýlmýþtýr.
ELEKTROPNÖMATÝK HIZLI ANAHTARLAMA VALFÝNÝN YAPISI
Ele alýnan valf oturma elemanlý, aç- kapa tipi doðrudan kumandalý 2/2 yay geri dönüþlü olarak ve imalatý üzerine çalýþmýþlardýr. Ele alýnan valfte farklý
boyutlarda giriþ ve çýkýþ orifisleri yoluyla bir taraftan akýþýn oransallýðý arttýrýlýrken diðer taraftan da sistemin cevap hýzý ve enerji verimi iyileþtirilmeye çalýþýlmýþtýr. Elektropnömatik servo valfler üzerine diðer bir çalýþma da Choi ve ark. [3] tarafýndan yapýlmýþtýr. Bu çalýþmada sayýsal bir denetleyici ile denetlenen hareketli-bobin eyleyici tarafýndan doðrudan kumandalý, oturma elemanlý bir elektropnömatik servo valf geliþtirilmiþtir. Ayrýca sistemin hareketli elemanlarýnda kullanýlan O- ringlerden dolayý oluþan sürtünmeyi telafi etmek amacýyla özel bir algoritma da uygulanmýþtýr. Bublitz ve ark. [4, 5] sistemin güç gereksinimini minimuma indiren dolaylý kumandalý oransal valf üzerine çalýþmýþlardýr. Bu çalýþmada ele alýnan valfin güç gereksinimini 1 W'ýn altýna kadar düþürülebilmiþlerdir. Sato ve ark. [6] soðutucu sývý yerine -10/~-30 °Clerde soðuk hava kullanan bir kuru kesme/ öðütme sistemi için ýsýl yalýtým fonksiyonuna sahip bir elektropnömatik valf üzerinde çalýþma yapmýþlardýr. Kajima bir çalýþmasýnda [7] yüksek hýzlý solenoid valf geliþtirilmesini ele almýþ ve bu çalýþmada solenoid valflerin elektriksel uyarýlmasý ile iliþkili olarak iki farklý yöntem geliþtirmiþtir. Kajima ve ark. [8] dizel motorunun elektronik olarak denetiminde kullanýlabilecek anahtarlama süresi 1 ms civarýnda olan yüksek hýzlý solenoid valf geliþtirmiþtir. Sistemin matematik modeli kurularak valfin cevap süresine etki eden parametreler tespit edilmiþ ve hýzlý anahtarlamada kullanýlabilecek efektif bir yöntem üzerine çalýþmýþtýr. Vaughan ve ark. [17] bir oransal solenoid valfin modellemesini ve benzetimini ele alýp incelemiþlerdir. Yüksel [23] elektrohidrolik valflerin genel karakteristiklerini gözden geçirerek valfleri birbiriyle karþýlaþtýrýlmasýný yapmýþtýr.
Doðrusal olmayan bir anahtarlama elemaný çýkýþýndan doðrusal baðýntýlar elde etmek için darbe geniþlik modülasyon tekniði oldukça yaygýn olarak kullanýlan bir
makale
tasarlanmýþtýr. Þekil 1'den de görüldüðü gibi tasarlanan valf bir adet mýknatýs devresi ve bobini, bir adet yay ve disk biçiminde oturma elemanýndan oluþmaktadýr. Valfýn elektriksel kumandasýný saðlamak için disk tipi elektromýknatýs devresi kullanýlmýþtýr. Burada disk hem elektromýknatýs devresini tamamlayan bir eleman hem de valfýn oturtma elemanýný teþkil etmektedir. Þekil 1'deki
þematik gösteriminden de görüleceði gibi elektropnömatik valfin yapýsý oldukça basit, montajý ve imalatý kolaydýr. Dolayýsýyla imalatý sýrasýnda düþük toleranslý bir iþlem gerektirmemektedir.
Normalde kapalý konumda olan valfýn çalýþmasý Þekil 2'de gösterilmiþtir. Disk üzerine etki eden yay ön gergi kuvveti akýþýn geçiþ yolu üzerinde yer alan lüleyi kapatarak valfý kapalý konumda tutar. Elektromýknatýsýn bobinine uygulanan elektrik gerilimi sonucu oluþan akým
deðiþimi mýknatýs çekim kuvveti oluþmasýný saðlar. Bu çekim kuvveti yay kuvvetini yendiðinde valf açýk konuma geçer. Bu durumda akýþkan, Þekil 2b'de görüldüðü gibi akýþ yollarýný izleyerek çýkýþ aðzýndan boþalýr. Gerçekte açma anýnda basýnç kuvveti mýknatýs çekim kuvvetine yardýmcý olmaktadýr.
Bu þekilde tasarlanan valfýn 4 adeti ile, Þekil 3' de
Çýkýþ hattý (A) Yay Bobin Disk Lüle Alt gövde Mýknatýs Üst gövde Giriþ hattý (P)
Þekil 1. Tasarlanan Elektropnömatik Valf Modeli
P A KAPALI (a) Mýknatýs Disk Lüle (b) A AÇIK P Yay
makale
görülen bir pnömatik silindir sisteminin konum denetimi gerçekleþtirilebilir. Burada tüm valfler kapalý olduðunda silindir pistonu istenen konumda tutulmuþ olacaktýr. 1ve 4 nolu valfler açýk olduðunda piston ileri hareketi ve 2 ve 3 nolu valfler açýk olduðunda da piston geri hareketi yapar. Burada valflerin darbe geniþlik tekniði ile sürülmesi ile oldukça hassas bir denetim saðlanabilir.
ELEKTROPNÖMATÝK VALFÝN TASARIMI VE KARAKTERÝSTÝKLERÝ
A). Valfin Tasarýmý
Valf belli bir basýnç altýnda belli miktarda hava debisi saðlayacak þekilde tasarlanmýþtýr. Bunun için 7 bar sistem basýncýnda 1 bar basýnç düþümü altýnda 300 lt/dak. nominal debi saðlayan etkin akýþkan kesit alaný hesaplanmýþtýr. Bu kesit alanýna karþýlýk gelen basýnç kuvvetine karþý valfý kapalý konumda tutmak için yay kullanýlmýþtýr. Yay kuvvetine karþýlýk valfýn açýlmasýný saðlamak amacýyla da mýknatýs kuvvetinden yararlanýlmýþtýr.
Elektropnömatik valfin çalýþmasýnda ise Þekil 1' de gösterildiði gibi yay tarafýndan saðlanan ön gergi kuvveti ile valfin kapalý konumda kalmasý saðlanmaktadýr. Bu nedenle yayýn akýþkan basýncýndan doðan kuvveti yenecek þekilde boyutlandýrýlmasý gerekir. Mýknatýs devresinin de
yayýn oluþturduðu ön gerilme kuvvetini ve akýþkan kuvvetlerini yenecek bir çekim kuvveti saðlayacak þekilde tasarlanmasý gerekir.
Valfin disk lüle sisteminin boyutlandýrýlmasý için istenilen debiyi geçirecek olan alan
giriº d m v P M C C A T = & (1)
denklemi yardýmýyla bulunabilir [18, 21]. Burada Av: akýþa
konu olan etkin kesit alaný (m2), C
d: boþaltým katsayýsý, Cm:
kütle akýþ parametresi, Pgiriþ: giriþ basýncý (N/m2), Pçýkýþ:
çýkýþ basýncý (N/m2), r: havanýn yoðunluðu (kg/m3)
olarak ifade edilir.
Valf orifisinin deðiþken denetim alaný disk yerdeðiþtirmesine (xh) ve lülenin çevresine baðlý olarak
(π = πd 2 r) v h A = πdx (2) Kontrol Algoritmasý (Bilgisayar) Referans deðeri A/ D D/ A DSP tipi veri toplama ve
denetim kartý (Arayüz Devresi ve Sürücü kartlar) Konum Algýlayýcýsý
Akým Sürücü Devreler
1 2 3 4
Þekil 3. 4 adet 2/2 Valfý ile Elektropnömatik Konum Denetiminin Gerçeklenmesi
x
w
Giriº (P) r Çýkýþ (A)
makale
ile ifade edilebilir. Kütle akýþ parametresi Cm akýþýn
durumuna göre aþaðýdaki gibi tanýmlanabilir.
( ) ( ) 1 1 çýkýþ giriº 1/ 2 2 ã+1 m ã ã çýkýþ çýkýþ çýkýþ
giriº giriº giriº P
2 2
0.0405 boðulmuþ akýþ için 0.528
1 R 1 P
C
P P P
2ã
- boðulmamýþ akýþ için 0.528
Rã-1 P P P γ − γ = ≤ γ + γ + = > (3)
Burada g: özgül ýsýlar oraný (1.4), R: gaz sabiti (287 J/ kgK) dir. (1) ifadesine göre 7 bar mutlak giriþ basýncýnda ve 1 bar'lýk basýnç düþümüyle 300 lt/ dak nominal debi saðlamak için boþaltým katsayýsý 0.65 olarak alýndýðýnda gerekli valf kesit alaný 8 mm2 olarak bulunur. Bu disk ile
lüle arasýndaki çevresel alan olup 8.6 mm lüle çapý ve 0.3 mmlik disk hareket mesafesine denktir. Burada elektromýknatýsýn karakteristiðine baðlý olarak disk hareket mesafesi mümkün olduðu kadar kýsa tutulmuþtur. Þekil 4'de tasarýmýmýzda kullanmýþ disk-lüle sisteminin þematik gösterimi verilmiþtir.Valfin kapalý konumda kalmasýný saðlayacak olan yay kuvveti disk tipi oturma elemaný üzerine etki eden akýþkan kuvvetlerine göre belirlenebilir. Akýþkan kuvvetinin en yüksek olduðu deðer statik basýnç kuvvetine eþit olup bu da valfýn kapalý konumundaki basýnç deðeri ve basýncýn etki ettiði alandan bulunur. Etkin basýnç alaný lüle alaný
p
r2 ve lüle yüzeyialaný 2
(r w)
π + arasýnda bir deðer alacaktýr. Buna göre kapalý konumda disk üzerinde oluþan kuvvet;
(
)
22
r P F r w P
π ∆ ≤ ≤ π + ∆ (4)
olarak ifade edilir. Burada w lülenin kenarýnýn kalýnlýðý, r lüle yarýçapýdýr. Yapýlan baþka çalýþmalarda kuvvet denklemi aþaðýdaki gibi amprik bir ifade ile de tanýmlanabilir.
2 f
F= π ∆c r P (5)
Buna göre disk-lüle sisteminde izentropik durumda cf
faktörleri ses altý ve ses üstü akýþ için tespit edilerek kuvvet hesaplanýr [21]. Buna göre ses üstü akýþ için (Pgiriþ: 7 bar,
Pçýkýþ :1 bar alýnmýþtýr.) cf faktörü 1.14, ses altý akýþ için
(Pgiriþ: 7 bar, Pçýkýþ: 6 bar alýnmýþtýr.) cf faktörü 1.46 olarak
interpolasyon ile bulunur. Bu deðerlere göre disk üzerindeki akýþkan kuvveti (5) numaralý denklemden ses üstü durum için ~40 N, ses altý durum için ise ~9 N olarak hesaplanýr. Disk üzerinde oluþan akýþkan kuvveti (4) numaralý denkleme göre çözülürse
35 N < F < 53 N
olarak bulunur. Ortalama kuvvet ise ~43N civarýnda olmaktadýr. Gerekli mýknatýs kuvvetinin hesabýnda disk üzerinde oluþan maksimum kuvvet temel olarak alýnmýþ ve mýknatýs devresinin boyutlandýrýlmasý bu kuvvete göre yapýlmýþtýr.
Diski çekmek için gerekli olan mýknatýs kuvveti maksimumum akýþkan kuvvetinden 1.5 kat emniyetli olarak alýnmýþ ve 80 N olarak belirlenmiþtir.
Yay kuvvetini karþýlayacak gerekli mýknatýs çekim kuvvetini saðlayan mýknatýs devresinin kesit alaný, Ae;
2
h e
m = z B A
F 2 ì (6)
ifadesinden hesaplanabilir. Burada z: hava aralýðý sayýsý olup ikiye eþittir. Bh: hava aralýðýndaki mýknatýs akýsý yoðunluðu
(Wb/m2), A
e:etkin kesit alaný (m2) ve m: havanýn mýknatýs
aký geçirgenliðidir ve 4p10-7' ye eþittir. Elektromýknatýs için
etkin kesit alaný belirlendikten sonra mýknatýs devresinin özelliklerine göre uygun mýknatýs akýsý daðýlýmýný saðlayan mýknatýs devresinin boyutlarý belirlenmiþtir [20].
B). Valfin Karakteristikleri ve Deneysel Sonuçlar Valfýn statik karakteristikleri mýknatýs devresinin kuvvet-disk yerdeðiþtirme ve basýnç-debi karakteristikleri olarak ele alýnmýþtýr. Yapýlan boyutlandýrma çalýþmalarý sonucunda dýþ çapý 34 mm olan bir mýknatýs devresinin valfýn elektriksel kumandasý için yeterli olduðu görülmüþtür.
Bir akýþkan denetim elemaný olarak valfýn karakteristiklerini elektromekanik alt sistemi ile akýþkan
makale
alt sistemi belirler. Buna göre elektromekanik alt sisteminin statik karakteristiklerini kuvvet-yerdeðiþtirme eðrileri akýþkan alt sisteminin statik karakteristiklerini de basýnç-debi eðrileri oluþturur.
Elektromekanik alt sisteminin temelini teþkil eden mýknatýs devresinin kuvvet-yerdeðiþtirme karakteristikleri (6) nolu denklem ile birlikte bir dizi mýknatýs akýsý ve geçirgenlik baðýntýlarýnýn çözümünden elde edilebilir. Oldukça karmaþýk olan bu ifadelerin çözümü en uygun þekilde bir bilgisayar programý ile yerine getirilebilir. Bunun için MATLAB programlama dilinde bir program hazýrlanmýþtýr. Þekil 5'de bu programla elde edilen çözüm sonuçlarý verilmiþtir. Bu eðrilerden çeþitli akým deðerlerine karþýlýk gelen kuvvet-yerdeðiþtirme karakteristikleri görülmektedir. Þekilden de görüldüðü gibi küçük yerdeðiþtirmelerde mýknatýs çekim kuvveti çok yüksek buna karþýlýk çekim mesafesi artýþý ile beraber bu kuvvet aþýrý biçimde düþüþ göstermektedir. Gerçekte (6) nolu ifade ile tanýmlanan mýknatýs çekim kuvveti, mýknatýssal doymanýn yok sayýldýðý durumlar için
2 e m 2 t ìA (Ni) F = 2z(x -x) (7)
biçiminde de ifade edilebilir. Burada N: sarým sayýsý, i: akým (A), xt: toplam hava aralýðý (m), x: hareket mesafesi
(m) olarak tanýmlanýr. Bu ifadeden çekim kuvvetinin, akýmýn karesi ile doðru orantýlý ve hareket mesafesi ile ters orantýlý deðiþtiði açýk olarak görülmektedir.
Þekil 5' de ayrýca yay kuvveti deðiþimi de gösterilmiþtir. Þekilden de görüldüðü gibi diskin mýknatýs elemanýna hareketi ile birlikte çekim kuvveti hiberpolik olarak artarken yay kuvveti doðrusal biçimde artýþ göstermektedir. Bu karakteristik eðrilerden valfýn çalýþmasý için gerekli akým ve en uygun çalýþma aralýðý mesafesi belirlenebilir. Þekilde görüldüðü gibi 0.3 mm' lik bir hareket mesafesinde 0.1 mm tutma aralýðý ile beraber toplam 0.4 mm' de baþlangýçta 2 A üzerinde bir akýmla yay kuvveti karþýlanabilmektedir. Eðer bu noktada mýknatýs daha yüksek bir akýmla uyarýlacak olursa oluþacak ani akým deðiþimi ve çekim kuvveti hareket zamanýný kýsaltacaktýr. Buna karþýlýk hareket tamamlandýktan sonra 0.1 mm' lik bir tutma aralýðýnda 0.6 A üzerinde bir akýmla yeterli çekim kuvveti saðlanmýþ olacaktýr. Böylece hareket tamamlandýktan sonra akým seviyesi düþürülerek daha az enerji ile sistem çalýþtýrýlýr.
Elektropnömatik sistemin basýnç karakteristikleri basýnç oraný ve kütlesel debi deðiþimine göre çeþitli besleme basýncý deðerleri için (1), (2), (3) denklemlerinin
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 yerdeðiþtirme [mm] Ku vve t [ N ] 1 2 3 4 5 1. i=0.2 A 2. i=0.6 A 3. i=1.5 A 4. i=2.0 A 5. i=3.0 A k: 20 N/mm Hareket mesafesi Tutma aralýðý
Þekil 5. Elektropnömatik Valfin Mýknatýs Devresinin Statik Karakteristik Eðrileri 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x 10-3 Pçýkýþ/Pgiriþ K üt le sel deb i ( kg /s ) Pbes:7*105 Pa Pbes:6*105 Pa Pbes:5*105 Pa Pbes:4*105 Pa Pbes:3*105 Pa Pbes:2*105 Pa Pbes:1*105 Pa
makale
sayýsal çözümü yoluyla elde edilerek Þekil 6' da gösterilmiþtir.
Valfýn dinamik karakteristikleri elektromekanik ve akýþkan alt sistemlerine ait baðýntýlarýn çözümünden elde edilebilir. Buradan da valfýn cevap hýzý ve buna etki eden parametreler belirlenmiþ olur.
a) Elektromekanik Alt sistemi: Sistemin elektromekanik kýsmý elektriksel ve mekaniksel alt sistemlerden meydana gelmiþ olup bu iki kýsým mýknatýs alt sistemi ile bütünleþmiþtir.
Elektriksel kýsmýn esasýný teþkil eden bobin ideal olarak bir direnç ile buna seri baðlý indüktans elemaný þeklinde modellenir. Bobine uygulanan elektrik gerilimine karþýlýk oluþan akým deðiþimi sonucu devrede bir mýknatýs akýsý deðiþimi oluþur. Kirchoff yasasýna göre bu ifadenin matematiksel baðýntýsý d(N (t)) e(t) Ri(t) dt φ = + (8)
þeklindedir. Mýknatýs akýsý deðiþimine karþýlýk oluþan mýknatýs kuvveti baðýntýsý ise (6) ve (7) nolu ifadelerde olduðu gibidir. Mýknatýs çekim kuvvetinin etkisi ile hareket eden disk elemanýna Newton' un II. Hareket yasasý uygulanýrsa ; 2 m 2 d d x(t) dx(t) F (t) m b kx(t) F (t) dt dt = + + + (9)
elde edilir. Burada f(t):mýknatýs akýsý (Wb), Fm(t): mýknatýs
çekim kuvveti (N) olup her ikisi de konum deðiþiminin ve elektrik akýmýnýn bir fonksiyonudur. Fd(t): Basýnç ve
yay ön gergi kuvveti (N), m: hareket eden toplam kütle miktarý (kg), b: viskoz sönümleme katsayýsý (N/(m/s)), k: yaylýlýk katsayýsý (N/m) olarak ifade edilir.
Þekil 7'de valfin yüksüz durumuna karþýlýk gelen dinamik karakteristikleri karþýlaþtýrmalý olarak verilmiþtir. Bu sonuçlar elektromekanik sistemin doðrusal olmayan dinamik davranýþ denklemlerinin (6,8,9) sayýsal çözümünden, MATLAB/ Simulink'te hazýrlanan bir
program ile elde edilmiþtir [22]. Þekil 7a' da verilen eðrilerden görüldüðü gibi konum deðiþimi belli bir ölü zaman gecikmesinden sonra çok kýsa bir zaman içinde hareketini tamamlamaktadýr. Þekil 7b' de görülen akým deðiþiminin dinamik davranýþ özellikleri ise baþlangýçta sürekli bir artýþ biçiminde olup belli bir noktadan sonra azalmaya baþlamaktadýr. Baþlangýçta bobine basamak þeklinde bir elektriksel giriþ iþareti uygulanýr uygulanmaz akým artmaya baþlar fakat buna karþýlýk, konum deðiþim eðrilerinden görüldüðü gibi herhangi bir mekaniksel hareket baþlamamaktadýr. Akým artýþýna baðlý olarak oluþan mýknatýs kuvvetindeki artýþ yay kuvvetinin oluþturduðu ön gergi kuvvetini yendiðinde disk elemaný harekete geçer. Hareket esnasýnda elektrik devresinin indüktansýndaki artýþ akýmda düþüþe neden olur. Akým deðiþimi belli bir deðerde minimum yaptýktan sonra tekrar yükselmeye baþlayarak nihai deðerine ulaþýr. Hareket tamamlandýktan sonra akým deðeri elektriksel zaman gecikmesine göre deðiþim gösterecektir. Akým eðrisinin minimum yaptýðý nokta hareketli elemanýnýn hareketini tamamladýðý noktaya karþýlýk gelmektedir. Valfýn 12 voltluk bir besleme geriliminde uyarýlmasý durumunda gecikme zamaný 9 ms civarýnda olup biraz yüksek görülmektedir. Buna karþýlýk 24 voltluk bir besleme geriliminde gecikme zamanýnýn yaklaþýk 4 ms' ye kadar düþtüðü görülmektedir. Buna göre valfýn cevap hýzýnýn piyasada bulunan doðrudan kumandalý valflerle karþýlaþtýrýldýðýnda oldukça yüksek olduðu söylenebilir. b) Akýþkan Alt sistemi: Sýkýþtýrýlabilir akýþkanlar için belli
bir alana sahip orifisten geçen akýþkanýn debisi (1,2,3) denklemleri ile belirlenebilir. Elektropnömatik valf sistemin basýnç karakteristiklerini elde etmek için akýþkanýn sabit bir hacmi doldurmasý esnasýndaki basýnç deðiþimi incelenmiþtir. Akýþkanýn sabit bir tanký doldurmasý esnasýndaki basýnç deðiþimi aþaðýdaki gibi ifade edilebilir.
dP RT dM(t)
dt V dt
γ
= (10)
makale
oraný, R: gaz sabiti (J/kgK), T:sýcaklýk (K), V: tank hacim (m3) olarak ifade edilebilir. Basýnç deðiþimi akýþkanýn
1.8*10-3 m3' hacme sahip bir tanký 20 oC'de sýcaklýkta
doldurduðu düþünülerek modellenmiþtir. Þekil 8'de elektropnömatik valf sisteminin basýnç karakteristikleri çeþitli besleme basýnç deðerleri için deneysel çalýþmalardan elde edilen eðrilerle karþýlaþtýrmalý olarak gösterilmiþtir. Þekil 8'den de görüldüðü gibi deneysel ve benzetim sonuçlarý birbiriyle uyum göstermektedir. Valfýn dinamik davranýþýný tanýmlayan denklemlerin (1, 2, 3, 6, 7, 8, 9) sayýsal çözümünü elde etmek amacýyla Þekil 9'da verilen Simulink modeli hazýrlanmýþtýr.
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.0 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5x 10 -4 Zaman (s) K onu m (m )
1. Teorik konum eðrisi (eg:12 V)
2. Teorik konum eðrisi (eg: 24 V)
1 2 (a) (b) Zaman (s) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ak ým (A) ) 0 3
1. Deneysel akým eðrisi ( eg :12 V) 2. Teorik akým eðrisi (eg :12 V) 3. Teorik akým eðrisi (eg :24 V)
2 1
eg: 24 V
eg: 12 V
0.04
Þekil 7. Valfin Dinamik Karakteristik Eðrileri ve Deneysel Sonuçlarla Karþýlaþtýrýlmasý
105 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 0 1 2 3 4 5 6 7 Zaman (s) Ba sý nç (P a) Deneysel Pbes: 4*105 Pa Teorik Pbes: 6*105 Pa
Þekil 8. Valfin Dinamik Basýnç Karakteristikleri ve Deneysel Sonuçlarla Karþýlaþtýrýlmasý
Þekil 9. Elektropnömatik Valf Sisteminin MATLAB/Simulink Modeli
eg eg Bh x Elektro - mýknatýs alt sistem Mýknatýs çekim kuvveti f(u) Fm x x M Akýþkan alt sistem Mekanik alt sistem Mý
makale
VALFÝN ELEKTRONÝK DENETÝMÝ
Hýzlý anahtarlama valfý olarak tasarlanan valfin elektromekanik kýsmýnýn yüksek cevap hýzlarýna sahip olabilmesi için bu tür valflerinin yüksek akým ile sürülmesi gerekir. Bunun için Þekil 10' da verilen sürücü devre tasarlanmýþtýr. Akým sürücü olarak da bilinen bu devrenin temel elemaný tranzistördür. BJT, MOSFET ya da IGBT tipinde olan tranzistörlerden yüksek akým ve darbe geniþlik modülasyonu için en uygunu MOSFET ve IGBT'lerdir. Bu çalýþmada ters gerilim ve akým deðiþimlerine karþý iyi bir þekilde yalýtýlmýþ olan IGBT tipi tranzistörler tercih edilmiþtir.
SONUÇ
Bu çalýþmada elektropnömatik doðrudan kumandalý, iki yollu iki konumlu (2/2) yay geri dönüþlü, düz yüzlü disk tipi mýknatýs devresine sahip bir valfin hýzlý anahtarlama tasarýmý ele alýnmýþ olup, statik ve dinamik karakteristikleri incelenmiþtir. Bunun için hazýrlanan MATLAB ve Simulink programlarý yardýmýyla teorik sonuçlar elde edilmiþtir. Yapýlan deneysel çalýþmalarla karþýlaþtýrýldýðýnda da tutarlýlýk gözlenmiþtir.
Sonuçlarý elde edilen elektropnömatik valf sistemi 7 bar mutlak besleme basýncýnda 1 barlýk basýnç düþümünde
300 lt/ dak nominal debi saðlayacak þekilde tasarlanmýþ olup 8.6 mm' lik lüle çapý için diskin hareket mesafesi 0.3 mm olarak belirlenmiþtir. Mýknatýs devresinin cevap hýzý yaklaþýk 4 ms olarak hesaplanmýþtýr.
Sistemin statik ve dinamik karakteristikleri üzerinde yapýlan çalýþmalar oturtma elemanýn hareket mesafesi, lüle çapý ve yay sabiti en kritik parametreleri oluþturmaktadýr. Bu parametreler valfin cevap hýzýný etkileyebilecek parametrelerdir. Tasarlanan valfi oransal hale getirebilmek için cevap hýzýnýn yüksek olmasý gerekmektedir. Sisteme DGM tekniði uygulamasýnda sistemden yüksek bir dinamik performans saðlanmasý için öncelikle valflerin cevap hýzýnýn yüksek olmasý gerekir. Bundan dolayý diskin hareket mesafesinin küçük olmasý gerekmektedir. Bu mesafe küçüldüðünde lüle çapý artacaðýndan bu artýþ da akýþkan kuvvetlerini dolayýsýyla yay ön gergi kuvvetini arttýrmaktadýr. Bu deðerlerin birbiri arasýnda optimum þekilde ayarlanmasý gerekmektedir.
Tasarýmý yapýlan valfýn imalatý gerçeklenmiþ olup bazý ön çalýþmalar valfýn iþlevselliðini göstermiþtir. Ayrýca valfin cevap hýzý da 4 ms olup yüksek bir anahtarlama zamanýna sahiptir. Tasarlanan valf aç- kapa tipi bir valf olup anahtarlama hýzý yüksek olduðu için Darbe Geniþlik Modülasyon Tekniði ile oransal hale getirilmesi hedeflenmektedir.
Sistem üzerinde çalýþmalar devam etmekte olup +24 V R1 R3 R4 R6 R7 BJT Tranzistör C1 R5 VALF R 8 C2 R2 Op to co up le Buffer +24 V IGBT Tranzistör DSP BJT Tranzistör
makale
bundan sonraki aþamada elektropnömatik sistemin denetimi araþtýrýlacaktýr.
TEÞEKKÜR
Elektropnömatik deney düzeneðinin kurulmasýnda ekipman desteði saðlayan ENTEK PNÖMATÝK Ltd. Þti.' ye teþekkür ederiz.
KAYNAKÇA
1. Taft, C.K., T.J. Harned. 1979. "Electro- Fluid Four Way On- Off Pneumatic Valve". ASME. 1-8 pp.
2. Cabral, E.L., M.C. Hunold, C.C. TU. 2002. "Air Flow in a Plate Valve with Unequal Upstream and Downstream Orifice Sizes". Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers Part C. Journal of Mechanical Engineering Science. Vol. 216. pp. 459-471. 3. Choi, S.H., C.O. Lee, H.S. CHO. 2000. "Friction Compensation Control of an Electropneumatic Servovalve by Using an Evolutionary Algorithm". Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers Part 1. Journal of Systems and Control Engineering. Vol. 214 (13). pp. 173- 184. 4. Bublitz; R., H. Murrenhoff. 2002."Intelligent Proportional
Pneumatic Valves and Drives for Field and Bus Applications". Fifth JFPS International Symposium on Fluid Power. Nara. Japan. 5. Bublitz, R., 2001. "Development of a Continous- Action Pneumatic Valve with Minimized Energy Input". O+ P>> Ölhydraulik und Pneumatik<<. 45. Nr. 10.
6. Sato, Y. S. Cai, N. Hashimoto. 2002. "Development of Electro- Pneumatic Valve for Cold Air Flow Control. Fifth JFPS International Symposium on Fluid Power. Nara. Japan. 7. Kajima, T. 1993. "Development of A High- Speed Solenoid Valve: Investigations of the Energizing Circuits". IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 40. No. 4. pp. 428-435.
8. Kajima, T., Y. Kawamura. 1995. "Development of A High-Speed Solenoid Valve: Investigations of Solenoids". IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 42. No. 1. pp. 1-8. 9. Goldstein, S.R., H.H. Richardson. 1968. "A Differential Pulse- Length Modulated Pneumatic Servo Utilizing Floating Flapper Disk Switching Disc Valves". Trans. ASME, Journal of Basic Engineering. Series C-D, pp. 427- 437.
10. Noritsugu, T. 1987. "Development of PWM Mode Electropneumatic Servomechanism, Part: II: Position Control of a Pneumatic Cylinder", Journal of Fluid Control, Vol. 17, No. 2, 7- 31 pp.
11. Royston, T., R. Singh, 1993, "Development of a Pulse Width Modulated Pneumatic Rotary Valve for Actuator Position Control", Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. Vol. 115, 495- 505 p.
12. Shih, M., M Ma. 1998. "Position Control of a Pneumatic Cylinder Using Fuzzy PWM Control Method", Mechatronics, Vol. 8, Issue 3, 241-253 p.
13. Shih, M., M. Ma. 1998. "Position Control of a Pneumatic Rodless Cylinder Using Sliding Mode M- D- PWM Control the High Speed Solenoid Valves", JSME International Journal, Vol. 41, No. 2, p.236- 241.
14. Ye, N., S. Scavarda, M. Betemps, A. Jutard. 1992. "Models of a Pneumatic PWM Solenoid Valve for Engineering Applications". Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. Vol. 114. 680- 688 p.
15. Topçu, E.E., Ý. Yüksel. 2003. "Elektropnömatik Bir Sistemde Konum Denetiminin Araþtýrýlmasý". III. Ulusal Hidrolik ve Pnömatik Kongresi ve Sergisi. syf. 439- 449. Ýzmir.
16. Imaizumi, T., O. Oyama, T. Yoshimitsu. 2001. "Study of Pneumatic Servo System Employing Solenoid Valve Instead of Proportional Valve by Keeping the Solenoid Valve Plunger to be Floating". Proceedings of Sixth Triennial International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization Canada. 17. Vaughan, N. D., J. B. Gamble. 1996." The Modeling and
Simulation of a Proportional Solenoid Valve". Journal of Dynamic System, Measurement, and Control. Vol. 118, p. 120-125. 18. Andersen, B.W., 1968. "The Analysis and Design of
Pneumatic Systems". John Wiley. New York.
19. Yüksel, Ý. 1981. "An Investigation of Electro- Hydraulic Floating Disc Switching Valves". PhD Thesis, University of Surrey. England.
20. Roters, H.C. 1941. "ELECTROMAGNETÝC DEVÝCES, John Wiley & Sons. Inc., 7th Edition, New York, USA. 21. McCLOY, D., H.R. Martin. 1980. "Control of Fluid Power:
Analysis and Design". Ellis Harwood Limited.
22. Þefkat, G. 2002. "Bir Elektromekanik Aygýtýn Statik ve Dinamik Karakteristiklerinin Araþtýrýlmasý". Pamukklale Üniversitesi. Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 8, Sayý 3, s. 273-282.
23. Yüksel, Ý. 1993. "Elektrohidrolik Valflerin Genel Karakteristiklerinin Ýncelenmesi ve Karþýlaþtýrýlmasý", Uludað Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlýk Fakültesi Dergisi, Cilt. 4, Sayý 1, s. 67-81.
24. Þengirgin, M. 2000. "Elektrohidrolik Disk Valflerin Geliþtirilmesi ve Bunlarýn Çeþitli Sinyal Ýþleme Teknikleri Yolu ile Denetlenmesinin Araþtýrýlmasý". Doktora Tezi, Bursa. 25. Þefkat, G. 2000. "Elektromekanik Sistemlerin Optimum
