Témata
Reklama

Návrh a optimalizace spínaných a proporcionálních rozváděčů pomocí přesných modelů

19. 11. 2008

Cílem článku je na příkladu ukázat možnosti propojení CFD (Computational Fluid Dynamics) výpočtů proudění s modely se soustředěnými parametry. Rovněž na příkladech je demonstrována možnost využití genetických algoritmů při optimalizaci parametrů šoupátkového rozváděče. Naznačený postup je příspěvkem k přechodu od „izolovaných“ návrhů a řešení k systematickém vývoji mechatronických systémů v duchu normy VDI 2206.

S rozvojem řešení fyzikálních úloh pomocí numerických výpočtů je uživatelům k dispozici množství softwarových nástrojů. Je však na uživatelích, v tomto případě na projektantech a konstruktérech hydraulických řídicích prvků a systémů, jak efektivně je dokáží používat.

Popis úlohy

Cílem je sestavit model šoupátkového spínaného ventilu RPE3-063/Y11, se soustředěnými parametry, v programovém prostředí Amesim.

Reklama
Reklama
Reklama
Šoupátkový spínaný ventil RPE3-063/Y11

Aby bylo možné sestavit realitě blízký model, je nutné „svázat" CFD výpočty proudění na jednotlivých hranách s modelem Amesim. Na verifikovaném modelu je pak možné provést optimalizaci jeho nastavení, např. volbu vhodné tuhosti pružiny a jejího předepnutí.

Sestavení modelu ventilu pomocí knihoven programu Amesim
Model rozváděče RPE3-063/Y11

 Za zmínku stojí, že knihovny programu umožňují sestavit model, jenž je graficky shodný s konstrukčním výkresem. Jsou z něj patrny jednotlivé škrticí hrany, magnety, propojení apod. Tato vlastnost poskytuje výhodu ve snadné orientaci při analýzách a ladění modelu. Model má mít pokud možno co největší přesnost, v potaz byly vzaty veškeré možné fyzikální skutečnosti ventilu:

  • kapacity a indukčnosti vnitřních prostor ventilu,
  • viskózní a smykové tření vzájemně se pohybujících ploch,
  • stlačitelnost kapaliny a obsah vzduchu vní,
  • tření v potrubí a pružnost (modul pružnosti) jeho materiálu a další vlastnosti.

Zapojení je provedeno dle standardně používaného schématu pro zkoušení tzv. výkonových křivek, tj. oblasti průtoku a tlaku, ve které rozváděč spolehlivě a opakovaně spíná. Toto zapojení vede k největším tlakovým spádům na hranách a tudíž i k velkým silám.

Hydrodynamické síly a průtok kapaliny jsou modelovány pro každou škrticí hranu zvlášť a jsou vyjádřeny jako funkce:

Fh = f(Δp,x) a Q = f(Δp,x),

kde Fh je hydrodynamická síla,

Q je průtok,

Δp je tlakový spád na hraně

x je otevření škrticí hrany.

Síly a průtoky jsou převzaty z CFD výpočtů ve formě tabulky. Nevýhodou tohoto způsobu modelování je, že není uvažována dynamická složka hydrodynamické síly, tedy složka vzniklá urychlováním kapaliny. Vzhledem k poměrně malým objemům mezi jednotlivými nákroužky ventilu lze tuto složku zanedbat.

Podobným způsobem, jakým jsou modelovány hydrodynamické síly, je modelována i síla a dynamické vlastnosti magnetu. Indukčnost a síla jsou vyjádřeny pomocí funkcí:

Fm = f(I,x0) a L = f(I,x0),

kde Fm je síla magnetu,

L je indukčnost,

I je buzení

x0 je velikost otvoru uzavírané mezery.

Průběhy jsou rovněž vyjádřeny formou tabulky. Hodnoty jsou buď změřeny nebo převzaty ze simulačního programu.                                                                                   

Propojení CFD modelů a modelů v programu Amesim

CFD výpočty byly prováděny pro jednotlivé škrticí hrany. Pro každou z nich bylo pro výpočet zvoleno několik kombinací otevření hrany a tlakového spádu. Výsledky výpočtů jsou patrné z grafů.

Výsledky CFD výpočtu sil a průtoků

Verifikace výsledků proběhla měřením sil a průtoků na reálném rozváděči. Protože však podmínky při měření jsou odlišné od podmínek při CFD výpočtech, bylo nutné vytvořit model ventilu odpovídající schématu měření a oba výsledky porovnat.

Model pro simulaci měření hydrodynamických sil na přechodu PB
Výsledky měření CFD výpočtu. Porovnání vypočtených a naměřených průběhů síly, tlaků a průtoku. Je zde patrná vysoká shoda vypočítaných a naměřených výsledků.

Hodnoty tlaků a průtoků jsou potom pomocí tabulkového editoru svázány s modelem v programu Amesim.

Průběh síly na přechodu PB
Optimalizace

Při vývoji hydraulických řídicích prvků se často setkáváme s úlohou, kdy se požaduje „co největší spínaný výkon" a zároveň „co nejmenší tlaková ztráta". Podobně formulovaných zadání lze najít celou řadu. Vedou k optimalizačním, často vícekriteriálním úlohám. Podmínkou pro úspěšné použití některého z optimalizačních algoritmů je dostatečně přesný model. Proto je nezbytné modely řádně verifikovat.

Optimalizační algoritmus hledá nejmenší odchylku (globální nebo lokální minimum) žádaných vlastností od definovaného optimalizačního kritéria (cílové funkce).

Schéma optimalizačního algoritmu

Aby bylo možné optimalizační výpočet provést, je nutné splnit několik nezbytných předpokladů:

  • - stanovit optimalizační kritérium,
  • - určit tzv. vstupní proměnné, které budou během optimalizace měněny, algoritmus bude hledat jejich optimální kombinace pro dosažení kritéria,
  • - stanovit optimalizační algoritmus.

V dále uváděném příkladě byl za kritérium zvolen čas sepnutí a odepnutí odvozený z dosažení koncové polohy šoupátka. Vstupními proměnnými jsou tuhost a předepnutí pružiny. Optimalizačním kritériem jsou minimalizovány spínací a odepínací časy. Zdrojový tlak a průtok byly zvoleny jako konstanty.

Pro optimalizaci byl zvolen genetický algoritmus, jež vede poměrně rychle k nalezení optima.

Výsledky optimalizace: je patrné, že došlo k výraznému zkrácení času sepnutí a odepnutí.

Přestože prezentovaný příklad je poměrně jednoduchý, je zřejmé, že pomocí optimalizačních algoritmů lze řešit i velmi komplexní úlohy.

Závěr

Příspěvek popisuje postup při sestavení modelu šoupátkového rozváděče v prostředí Amesim a jeho „off-line" propojení s výsledky simulací proudění a simulacemi elektromagnetů. Poukazuje na nutnost vysoké míry přesnosti modelu a zdůvodňuje potřebu verifikace. Jen tak je možné úspěšně provést optimalizační výpočty a získat věrohodné a použitelné výsledky. Popsané postupy vedou k aplikaci systémového přístupu při vývoji hydraulických řídicích prvků. Cílem je cestou virtuálního prototypování zkrácení času nutného pro vývoj prvku a zvýšení kvality vývoje.

   

Ing. František Veselý

Argo-Hytos

f.vesely@argo-hytos.com

//www.argo-hytos.com/

Reklama
Vydání #11
Kód článku: 81148
Datum: 19. 11. 2008
Rubrika: Výroba / Hydraulika
Autor:
Firmy
Související články
Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Průtokoměr s oválnými koly

Potřeba měřit viskózní látky v průmyslu je velká. Společnost Kobold Messring pro tyto aplikace vyvinula průtokoměr s oválnými koly, model DON.

Technologie pro firmu s dobrou tradicí

Společnost Jihlavan je tradičním výrobcem letecké i pozemní hydrauliky. Má vlastní vývoj leteckých hydraulických přístrojů. Navíc vyrábí pro významné evropské společnosti přístroje dle jejich dokumentace. S jeho výrobním ředitelem Liborem Babákem jsme si povídali zejména o technologiích a trendech a „vychytávkách“ v této oblasti výroby.

Související články
Proporcionální technika

Česká asociace pro hydrauliku a pneumatiku, sekce České strojnické společnosti, pořádá odborný seminář na téma Proporcionální technika. Půjde o proporcionální techniku v oboru hydrauliky. Představeny budou proporcionální ventily a servoventily pro řízení tlaku a průtoku pracovní kapaliny v hydraulických obvodech, včetně ukázek jejich aplikace v hydraulických mechanismech.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Praha přivítala jubilejní 25. ročník Mezinárodní konference Hydraulika a Pneumatika

Dne 8. a 9. června 2022 se na dosah od Karlova mostu v sídle České strojírenské společnosti konal jubilejní již 25. ročník Mezinárodní konference Hydraulika a Pneumatika (ICHP 2022). Účastníci konference měli možnost se v průběhu konference seznámit s novinkami a vědeckými poznatky kolegů z celého světa v rámci 12. zajímavých přednášek z oblasti hydrauliky a pneumatiky.

25. mezinárodní konference Hydraulika a pneumatika

Novotného lávka v centru Prahy bude ve dnech 8.–9. června 2022 hostit již 25. mezinárodní konferenci Hydraulika a pneumatika, jejímž cílem je výměna odborných zkušeností a nových poznatků ve výzkumu a vývoji hydraulických a pneumatických prvků a systémů.

Jednokomorové dvoupotrubní dávkovače do CMS

Na rozdíl od stávajících dvoukomorových dávkovačů se šoupátkovými rozváděči, např. zn. Lincoln, jsou nové jednokomorové dávkovače řady 2D a 2DD nesrovnatelně jednodušší. Nový princip plnění dávkovacích komor prostřednictvím dvojice jednosměrných ventilů V1-V2 v sobě skrývá potenciál uspokojit poptávku po levném mazání tukem i pro běžné stroje a strojní zařízení. S tím byla odborná veřejnost seznámena v článku MM Průmyslové spektrum 11/2018, nazvaném Nová koncepce dvoupotrubních CMS.

Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Modulární lisovací systémy

Od univerzálních standardních lisů až po jednoúčelové speciální lisy - firma TOX Pressotechnik je díky svému modulárnímu systému lisů a pohonů schopna realizovat speciální a úsporná řešení v krátkém čase. Lisy ecoLine je možné sestavit v online konfigurátoru.

Přesné měření nejmenších hmotnostních průtoků

Je dobře známou skutečností, že jestliže je vyžadována vysoká přesnost, Coriolisovy průtokoměry jsou bezkonkurenční. Ale je také fakt, že dosud nebyly na trhu žádné přístroje schopné nepřetržitě a spolehlivě měřit > 0 kg.

Valné shromáždění evropské komise fluidní techniky

Ve dnech 13. a 14. června 2019 se v Českém Krumlově konalo Valné shromáždění Evropské komise pro fluidní techniku CETOP, jehož hostitelem byla Česká asociace pro hydrauliku a pneumatiku (CAHP), člen organizace CETOP. Účastníky setkání uvítal prezident CAHP Bohdan Gajdušek.

Vysokotlaká hydraulika a její aplikace

Česká asociace pro hydrauliku a pneumatiku je odborná sekce České strojírenské společnosti, která sdružuje nejvýznamnější výrobce hydraulických a pneumatických komponent působících na českém trhu. Každé čtvrtletí ve spolupráci se svými členy pořádá odborné semináře, které se zabývají aktuální problematikou napříč obory hydrauliky i pneumatiky. Seminář nazvaný Vysokotlaká hydraulika se konal začátkem června a své produkty pracující s vysokým tlakem a jejich aplikace představili čtyři členské firmy - Maximator Hochdrucktechnik, Ulbrich Hydroautomatik, Hydac a Hydroma.

Dráty, kabely a trubky opět v Düsseldorfu

V globální informační a komunikační platformu pro klíčové hráče z oboru drátů, kabelů a trubek se od 30. března do 3. dubna 2020 opět promění výstaviště v Düsseldorfu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit