2. Badania nad możliwościami zastosowań mikrohydrauliki w przemyśle. Rozpoznanie
2.4. Podstawowe elementy mikrohydrauliczne
2.4.3. Mikrozawory
Niezwykle ważnym elementem mikroukładu hydraulicznego są zawory hydrau-liczne. Obecnie niektóre firmy zaczynają się specjalizować w produkcji tego rodzaju elementów. Przykładem może być mikrozawór przelewowy pokazany na rysunku 2.16. Zawór ten waży zaledwie 20 g. Jego ciśnienie nominalne wynosi 35 MPa, a przecieki są mniejsze niż 2 cm3/min.
Ciekawą konstrukcję zaworu dławiącego sterowanego piezoelektrycznie przedsta-wiono w [2.23] oraz [2.33]. Poglądowy szkic tego zaworu zamieszczony został na rysunku 2.17. Zawór ten zbudowany jest z pary grzybek–gniazdo (średnica gniazda 3 mm). Przemieszczenia elementu domykającego są na tyle małe, że można zastoso-wać piezoelektryczny element sterujący. Szczelina dławiąca może być w tym zaworze
Rys. 2.16. Mikrozawór przelewowy amerykańskiej firmy The Lee Company [2.11]
Rys. 2.17. Schemat mikrozaworu dławiącego sterowanego piezoelektrycznie [2.32, 2.33]
Rys. 2.18. Przykład rozdzielaczy mikrohydraulicznych WLA3 firmy Hoerbiger Microfluid GmbH
zadawana z dużą dokładnością. Badania na tym zaworze były prowadzone dla natężeń przepływu 0–4,5 dm3/min oraz dla ciśnień 0–7 MPa. Elementy piezoelektryczne zain-stalowane w zaworze cechują się małymi wymiarami, dużą szybkością działania oraz małym poborem mocy, w związku z czym idealnie nadają się do automatyzacji stero-wań dławieniowych układów mikrohydraulicznych. Zawór ten jest na razie jedynie prototypem.
Rys. 2.19. Zminiaturyzowany siłownik
zintegrowany z zaworem mikrohydraulicznym: 1 – siłownik mikrohydrauliczny, 2 – zawór mikrohydrauliczny
Zawory czterodrogowe odznaczają się następującymi wartościami parametrów charakterystycznych: średnica nominalna 3 mm, ciśnienie maksymalne 25 MPa, mak-symalne natężnie przepływu 8 dm3/min, budowa kompaktowa i mała masa, korpus zaworu o powierzchni 26 mm2, cewki elektromagnesów działające pod napięciem 12/24 V DC, niewielkie przecieki 3–30 cm3/min w zależności od warunków pracy. Dzięki małym wymiarom zawory te mogą być montowane bezpośrednio na cylindrze hydraulicznym, dzięki czemu zmniejszają się gabaryty całego układu hydraulicznego. Rysunek 2.19 przedstawia taką właśnie integrację zaworu ze zminiaturyzowanym siłownikiem hydraulicznym [2.31].
Oprócz mikrozaworów mających konstrukcje podobne do tych należących do kla-sycznej hydrauliki, istnieją także zawory o konstrukcji nowatorskiej. Najczęściej są to zawory zwrotne i odcinające. Z układu zaworów odcinających można stworzyć ele-ment pełniący funkcję rozdzielacza [2.15]. Przykładowe rodzaje mikrozaworów odci-nających zamieszczone są na rysunkach 2.20, 2.21 i 2.22, a przykładowa konstrukcja zaworu zwrotnego znajduje się na rysunku 2.23.
Zawór z rysunku 2.20 jest otwarty, gdy komora sterująca jest połączona z atmosfe-rą. Gdy do tej komory zostanie podane powietrze pod odpowiednim ciśnieniem, wów-czas membrana odkształci się i zamknie przepływ z kanału wlotowego do wylotowego.
Rys. 2.20. Mikrozawór odcinający membranowy ze sterowaniem pneumatycznym: 1 – górna część obudowy, 2 – dolna część obudowy, 3 – membrana, 4 – płytka
silikonowa, 5 – komora wyporowa, 6 – komora sterująca, 7 – kanał wlotowy, 8 – kanał wylotowy, 9 – kanał sterujący [2.15]
Rys. 2.21. Mikrozawór odcinający piezoelektryczny z wyginaną belką w stanie otwarcia i zamknięcia [2.15]
Rys. 2.22. Mikrozawór odcinający kulowy ze sterowaniem elektromagnetycznym: a) zamknięty, b) otwarty; 1 – kulka, 2 – gniazdo zaworu, 3 – elektromagnes [2.15]
Rys. 2.23. Mikrozawór zwrotny membranowy: 1 – górna komora robocza, 2, 3 – dolne komory robocze, 4 – gniazdo zaworu, 5 – membrana,
6 – otwór w membranie [2.15]
Zawór z rysunku 2.21 odcina przepływ, jeśli na materiał piezoelektryczny dopro-wadzi się napięcie. Wtedy belka wygina się i dysza zostaje zamknięta.
Zawór z rysunku 2.22 jest zamknięty, jeśli na elektromagnes nie jest doprowadzo-ny prąd. Po doprowadzeniu prądu elektromagnes przyciąga metalową kulkę, co powo-duje otwarcie zaworu i umożliwia przepływ cieczy.
W mikrozaworach zwrotnych wykorzystuje się najczęściej konstrukcje membra-nowe. Mikrozawór z rysunku 2.23 umożliwia swobodny przepływ cieczy z części dolnej do górnej, gdyż ciśnienie w części dolnej unosi membranę do góry. Przepływ z części górnej do dolnej nie jest możliwy, gdyż ciśnienie w części górnej dociska membranę do gniazda zaworu, odcinając przepływ. Podane powyżej nowatorskie kon-strukcje mikrozaworów można stosować w mikroukładach hydraulicznych o bardzo małych wymiarach.
LITERATURA
[2.1] Dindorf R., Łaski P., Wołkow J., Technika napędu i sterowania mikroelementów płynowych, X Jubileuszowa Ogólnopolska Konferencja CYLINDER 2000 „Badanie, Konstrukcja, Wytwarza-nie i Eksploatacja Układów Hydraulicznych”, Szczyrk 2000.
[2.2] Dindorf R., Wołkow J., Mikrohydraulika w pojazdach samochodowych, Teka Komisji Naukowo- -Problemowej Motoryzacji, tom 20, 2000.
[2.3] Dindorf R., Wołkow J., Mikrohydraulika, Hydraulika i Pneumatyka, nr 6/1999.
[2.4] Dindorf R., Wołkow J., Mikroprzetworniki w układach płynowych, Hydraulika i Pneumatyka nr 3/2001.
[2.5] Dindorf R., Wołkow J., Mikroukłady płynowe, Mikrohydraulika, IX Konferencja CYLINDER 1999 „Badanie, Konstrukcja, Wytwarzanie, Eksploatacja Układów Hydraulicznych”, Zakopane 1999.
[2.6] Dindorf R., Wołkow J., Układy płynowe w inżynierii biomedycznej, Ossolineum, 1999.
[2.7] Kargov A., Asfour T., Pylatiuk C., Oberle R., Klosek H., Schulz S., Regenstein K., Bretthauer G., Dillmann R., Development of an Anthropomorphic Hand for a Mobile Assistive Robot, IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics: Frontiers of the Human–Machine Interface, 28 June–1 July 2005, Chicago 2005.
[2.8] Kollek W., Palczak E., Zastosowanie mikrohydrauliki w maszynach i urządzeniach, Napędy i Sterowanie, nr 6/1999 oraz 7/1999.
[2.9] Materiały promocyjne firmy Hydro Leduc, http://www.hydroleduc.com/site/en_index.php [2.10] Materiały promocyjne firmy Hoerbiger Microfluid, Katalog – Customized Micro–Hydraulics for
Special Markets, http://www.hoerbiger.com/Micro-Fluid.937.0.html?&L=1 [2.11] Materiały promocyjne firmy The Lee Company, http://www.theleeco.com
[2.12] Materiały promocyjne firmy HNP Microsysteme GmbH, http://www.hnp-mikrosysteme.de/ [2.13] Materiały promocyjne firmy LatchTool, http://www.latchtool.com
[2.14] Skrzyniarz S., Jędrzykiewicz Z., Zastosowanie pomp w technologii MEMS, Hydraulika i Pneuma-tyka, nr 6/2007.
[2.15] Skrzyniarz S., Jędrzykiewicz Z., Zastosowanie zaworów w technologii MEMS, Hydraulika i Pneumatyka, nr 1/2008.
[2.16] Stryczek S., Napęd hydrostatyczny, tom I, Warszawa 2003.
[2.17] Tupper M. McPheterson B., LatchTool PowerCylinder: fluid power in the palm of your hand…, Technical paper – Latchtool Group.
[2.18] Wiebush B., Shrinking hydraulics, OEM Off – Highway January 2009.
[2.19] Dindorf R., Zastosowanie elementów płynowych w protezach kończyn, Mechanika w medycynie 5, Rzeszów 2000.
[2.20] Dindorf R., Wołkow J., Mikroukłady płynowe, Mikrohydraulika, IX Konferencja CYLINDER 1999 „Badanie, Konstrukcja, Wytwarzanie i Eksploatacja Układów Hydraulicznych”, Zakopane 1999.
[2.21] Dindorf R., Wołkow J., Mikrohydraulika, Hydraulika i Pneumatyka, Zeszyt 6/99, 1999.
[2.22] Dindorf R., Wołkow J., Mikrohydraulika w pojazdach samochodowych, Teka Komisji Naukowo- -Problemowej Motoryzacji PAN, 2003, zeszyt 20.
[2.23] Katalog KNAPP, Micro Fluid. [2.24] Katalog HNP, Mikrosystem.
[2.25] Kollek W., Kuźma Z., Rutański J., Stosiak M., Zminiaturyzowane elementy dla układów
mikrohy-draulicznych maszyn i urządzeń, XXII Konferencja „Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych”,
[2.26] Dindorf R., Łaski P., Wołkow J., Technika napędu i sterowania mikroelementów płynowych, X Konferencja CYLINDER 2000 „Badanie, Konstrukcja, Wytwarzanie i Eksploatacja Układów Hydraulicznych”, Szczyrk 2000.
[2.27] Katalog Mannesmann Rexroth – Produkt Catalogue Mobil Hydraulics.
[2.28] Katalog Hoerbiger Microfluid – Maßgeschneiderte Micro – Hydraulik für Spezielle Märkte. [2.29] Katalog Hydro Leduc Francja.
[2.30] Katalog Jihostroj A.S., Aerotechnology & Hydraulics, Velesin, Czechy.
[2.31] Kollek W., Stosiak M., Hydrotronika szansą rozwoju napędów i sterowań hydraulicznych, Sys-tems, 8/2003.
[2.32] Wong A.P., Bullough W.A., Chin S.B., Chua Y.S., Performance of the piezo-poppet valve, Part 1:
Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control
Engineering, Jan. 1, 2006, Vol. 220, Issue 6.
[2.33] Wong A.P., Bullough W.A., Chin S.B., Performance of the piezo-poppet valve, Part 2:
Proceed-ings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control