بخشی از مقاله
چکیده
شیرهاي الکتروهیدرولیک در کاربردهاي مهندسی بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. از آنجایی که این شیرها، فرمانهاي الکتریکی را به فرمانهاي هیدرولیکی تبدیل میکنند به عنوان عضوي واسط، امکان استفاده از کنترل الکتریکی را براي سیستمهاي هیدرولیکی فراهم میآورند. هر عاملی که بر اجزاي مکانیکی شیر کنترلی اثرگذارد، عملکرد شیر سروو الکترو-هیدرولیک را مختل میکند؛ چرا که محركهاي مکانیکی فرمانهاي مکانیکی منتقل شده را تغییر میدهند در حالی که بر فرمانهاي الکتریکی بیتأثیر هستند. ارتعاشات محیطی در بسیاري از سیستمهاي مکانیکی، مجموعههاي کنترل هیدرولیکی را تحت تأثیر قرار میدهند.
در یک شیر الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر- نازل ارتعاش خارجی باعث مرتعش شدن اجزاي داخلی شیر مانند فلاپر و لغزنده خواهد شد. به دلیل ساخت دقیق شیرهاي کنترل هیدرولیکی، هر گونه جابهجایی لغزنده باعث عبور جریان سیال هیدرولیکی از گذرگاههاي شیر خواهد شد که در نهایت اختلال در موقعیتدهی عملگر هیدرولیکی و عمل کنترل را به همراه خواهد داشت.
در این مقاله به منظور بررسی رفتار ارتعاشی شیر الکتروهیدرولیک فلاپر- نازل، معادله حرکت غیر خطی و دو درجه آزادي سیستم با روش گسترش ساده بررسی شده و فرکانس طبیعی این شیر کنترلی، محاسبه شده است. همچنین با شبیهسازي عملکرد سیستم الکتروهیدرولیکی تأثیر ارتعاشات محیطی بر موقعیت عملگر هیدرولیکی مورد ارزیابی قرار گرفته است. به کمک این شبیهسازي تأثیر هر یک از پارامترهاي ارتعاشی بر سیستم الکتروهیدرولیک سنجیده شده است.
1. مقدمه
سیستمهاي هیدرولیک به دلیل توان بالا با وجود حجم کم، در مقایسه با سیستمهاي الکتریکی، در کاربردهاي مهندسی بسیار مورد استفاده قرار میگیرند. در سامانههاي هیدرولیکی، توان مکانیکی به وسیله سیال پرفشار منتقل میشود و در عملگرهاي خطی یا دروانی به حرکت مکانیکی تبدیل میشود. مجموعههاي الکتریکی در مقایسه با سامانههاي هیدرولیکی سریعتر و سادهتر هستند و به کمک تجهیزات الکترونیکی مانند ریزپردازندهها و کامپیوتر قابل کنترل میباشند.
سیستمهاي الکتروهیدرولیک براي بهرهگیري از مزایاي هر دو سیستم هیدرولیکی و الکتریکی ایجاد شده اند، که شیرهاي الکتروهیدرولیک به عنوان عضو واسط دو سیستم نقش ایفا میکنند. این شیرها فرمانهاي الکتریکی را به فرمانهاي هیدرولیکی تبدیل میکنند. هر عاملی که بر اجزاي مکانیکی شیر کنترلی اثر-گذارد، عملکرد شیر سروو الکتروهیدرولیک را مختل میکند؛ چرا که محركهاي مکانیکی فرمانهاي مکانیکی منتقل شده را تغییر میدهند در حالی که بر فرمانهاي الکتریکی بیتأثیر هستند. در این مقاله اثر لرزش خارجی بر عملکرد شیر الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر- نازل مورد بررسی قرار گرفته است.
ارتعاشات محیطی دربسیاري از کاربردهاي مهندسی مجموعههاي کنترل هیدرولیکی را تحت تأثیر قرارمیدهند. براي مثال موتور هواپیماها میتواند لرزشی با فرکانس بالا، تا حدود 300 هرتز را بر اجزاي محیط خود تحمیل کنند. این ارتعاش میتواند باعث انحراف عملگر هیدرولیکی از موقعیت مطلوب شده و در نتیجه کنترل هواپیما را مختل کند.
به منظور محاسبه فرکانس طبیعی مجموعه کنترل الکتروهیدرولیک، مدل دینامیکی شیرهاي سروو و تحلیل ارتعاشی سیستم-هاي غیرخطی، بایستی در کنار هم بررسی شوند. پژوهشهاي بسیاري براي تعیین مدل دینامیکی شیرهاي سروو الکتروهیدرولیک صورت گرفته است . [1] El-Araby مدلی غیر خطی براي یک شیر سروو الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي دو اسپولی1 ارائه داده است. [2] He یک شیر الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر- نازل را در میدان شتاب مدل کرده است. همچنین [3] Merrite دینامیک سیستمهاي سروو هیدرولیک و [4] Rabie عملکرد شیر الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر- نازل را با جزئیات شرح دادهاند.
براي تحلیل ارتعاشی سیستمهاي غیرخطی روشهاي مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد. [5] El-Ghareeb به کمک روش مقادیر چندگانه2، [6] Zhu و [7] Li به کمک روش متوسطگیري3 سیستم ارتعاشی غیر خطی را تحلیل کردهاند.
براي بررسی رفتار سیستم الکتروهیدرولیک یک مجموعه کنترلی شامل یک شیر سروو الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر-نازل و یک عملگر خطی هیدرولیکی مدل شده است. پس از آن مدل دینامیکی بدست آمده ابتدا حول نقطه تعادل سیستم به کمک بسط تیلور4 سادهسازي شده است و سپس دستگاه معادله دیفرانسیل مرتبه دوم دو درجه آزادي براي محاسبه فرکانس طبیعی مجموعه مورد استفاده قرار گرفته است. در بخش سوم پس از تحلیل اثر فرکانس طبیعی بر عملکرد شیر سروو الکتروهیدرولیک، پاسخ سیستم کنترلی در مقابل نوسان محیطی شبیهسازي شده است.
2. فرکانس طبیعی شیر سروو الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر- نازل
براي محاسبه فرکانس طبیعی شیر سروو الکتروهیدرولیک ابتدا مدل شیر، استخراج خواهد شد و سپس حل ارتعاشی سیستم بررسی خواهد شد.
2,1 مدل دینامیکی شیر سروو الکتروهیدرولیک
شیر کنترلی به کار رفته در این پژوهش یک شیر الکتروهیدرولیکی دو مرحلهاي از نوع فلاپر- نازل، مانند آنچه در شکل - 1 - آمده است، می باشد. عملکرد هماهنگ اجزاي مختلف این شیر، جریان الکتریکی اعمال شده به شیر را، به جریان سیال هیدرولیک تبدیل میکند. موتور گشتاوري جریان الکتریکی را به حرکت مکانیکی دورانی تبدیل میکند. به موجب حرکت مکانیکی ایجاد شده در موتور گشتاوري، فلاپر و فنر پسخوراند، و ساختار شیر مرحله اول - فلاپر- نازل - فشارهاي تحریک لغزنده تغییر خواهند کرد و با حرکت لغزنده جریان سیال هیدرولیک ایجاد میشود. جریان هیدرولیک ایجاد شده در عملگر خطی به جابجایی طولی تبدیل خواهد شد.
مدل دینامیکی شیر کنترلی، از کنار هم قرار دادن مدل هر یک از بخشهاي شیر حاصل میشود که در نهایت با ورودي جریان الکتریکی خروجی موقعیت عملگر بدست خواهد آمد.
شکل .1 شیر سروو الکتروهیدرولیک دو مرحلهاي فلاپر- نازل
از کنار هم قرار دادن مدل دینامیکی هر یک از بخشهاي شیر کنترلی فلاپر- نازل [4] رفتار کلی شیر در قالب دستگاه معادله دیفرانسیل دو درجه آزادي به صورت رابطه - 1 - بیان میشود.
2,2 بررسی رفتار ارتعاشی شیر کنترلی
ارتعاش خارجی اجزایی از شیر را تحت تأثیر قرار میدهد که در راستاي ارتعاش مقید نشده باشند. در صورتی که بردار نوسان وارد بر شیر کنترلی با بردار جابهجایی لغزنده هم راستا باشد، موتور گشتاوري، فنر پسخوراند و لغزنده تحت اثر آن قرار میگیرند. این اجزا تنها در مرکز موتور گشتاوري به بدنه شیر لولا شدهاند. در صورتی که نیروهاي داخلی که به این مجموعه اعمال میشوند، حذف شوند، رفتار مجموعه مانند یک آونگ دو درجه آزادي خواهد بود که حرکت فلاپر و لغزنده در آن مستقل از هم میباشد. شکل . - 2 - نیروهاي داخلی، میتوانند به صورت فنرهایی غیر خطی به دینامیک آونگ دو درجه آزادي اضافه شوند.
شکل .2 شبیه سازي رفتار مجموعه با آونگ دو درجه آزادي
