Análisis teórico experimental sobre sincronización de actuadores oleohidráulicos

Abstract

El desarrollo de esta tesis se centra en el estudio del sincronizado de actuadores lineales oleohidráulicos mediante válvulas divisoras de caudal.<br/>La mayoría de los estudios dedicados al análisis del comportamiento dinámico de una válvula divisora plantean las ecuaciones de estado (sistema de ecuaciones diferenciales no lineales) y las integran aplicando un método clásico de integración, tal como, Runge-Kutta. Otros utilizan programas comerciales de simulación, tales como el Bathfp, Simulink, etc. En cualquier caso, el objetivo de todos ellos es demostrar la viabilidad de determinados métodos y códigos para la modelización. En ninguno de ellos se profundiza en la evaluación de parámetros o variables de diseño.<br/>Acorde con todo lo anterior, los objetivos básicos de esta tesis se han centrado en la simulación mediante bond graph del comportamiento dinámico de las válvulas divisoras de caudal de doble funcionalidad con sistema antibloqueo al final de carrera de los actuadores, atendiendo al estudio de la influencia de las variables de diseño más importantes.<br/>Con esta metodología, se dispuso de una valiosa herramienta para simular, evaluar, predecir y plantear nuevos diseños de válvulas divisoras de caudal. <br/>Para la explotación sistemática de los modelos propuestos ha sido necesario desarrollar toda una serie de actividades experimentales con la finalidad de validarlos.<br/>Las conclusiones más destacadas son:<br/>La disposición de orificios en serie es la mejor configuración posible para el diseño de las válvulas divisoras/integradoras de caudal. <br/>El modelo de simulación desarrollado para la válvula divisora de caudal permite contemplar en un solo bond graph los dos modos de funcionamiento (unidad divisora/integradora), acoplable como submodelo a cualquier modelo jerárquicamente superior que represente un circuito real. <br/>Para valorar la precisión de las válvulas divisoras/integradoras de caudal se requiere considerar dos aspectos: el comportamiento dinámico del compensador de carga y el papel de las tolerancias de fabricación de las piezas con movimiento relativo, no solo en valor absoluto, sino también en valor relativo, es decir, nivel de simetría real del prototipo una vez fabricado.<br/>El dimensionado de los orificios principales fijos (chicles) definen el caudal nominal de la válvula, o rango útil de caudales. El nivel de precisión es directamente proporcional a la sección efectiva de estos chicles. Sin embargo reducir estas secciones impide mantener una aceptable caída de presión dentro del intervalo de caudales para el cual ha sido diseñada la válvula.<br/>El nivel de precisión es inversamente proporcional al cuadrado del diámetro de la corredera del compensador de carga, y se ve afectado ligeramente por el tamaño de los orificios de amortiguación.<br/>Para cargas simétricas, si el nivel de fugas es idéntico en ambas ramas, se produce un error de división de caudal nulo. Y el error absoluto entre desplazamientos de los cilindros, también, es nulo.<br/>Si los niveles de fugas son significativos y diferentes en ambas ramas, el error de división de caudal es apreciable y en consecuencia, el error absoluto entre desplazamientos de los actuadores aumenta con el tiempo.<br/>Para cargas asimétricas, si el nivel de fugas es idéntico en ambas ramas el error de división de caudal se compensa al cabo de un tiempo, y el error absoluto entre desplazamientos de los cilindros se mantiene constante (error caudal), una vez compensado el error de división de caudal. Sin embargo, la magnitud del error absoluto entre desplazamientos es proporcional al nivel de las fugas.<br/>Si el nivel de fugas es diferente en ambas ramas, el error de división de caudal tiende a compensarse, pero la influencia de la magnitud de las fugas en combinación con el estado de las cargas puede favorecer o desfavorecer el error absoluto de desplazamientos de los cilindros.

The development of this thesis is centered on the study of synchronization of hydraulic linear actuators by means of proportional flow divider-combiner valves.<br/>Most of the studies dedicated to the analysis of the dynamic behaviour of a flow divider valve raise the equations of state (system of nonlinear differential equations) and integrate them by applying a classic method of integration, such as, Runge-Kutta. Others use commercial simulation programs, such as the Bathfp, Simulink, etc. Even though the objective of all of them is to demonstrate the viability of certain methods and codes for their modelling, none of them deepen the evaluation of parameters or design variables.<br/>In agreement with the above, the basic objectives of this thesis have been centered on the simulation by means of the Bond graph method, of the dynamic behaviour of the flow divider-combiner valves of double functionality with system antiblockade at the end of the stroke of the actuators.<br/>With this methodology, it was a valuable tool to simulate, evaluate, predict and raise new designs for flow divider valves.<br/>For the systematic operation of the proposed models it has been necessary to develop a series of experimental activities with the purpose of validating them. The most outstanding conclusions are:<br/>The disposition of orifices in series is the best possible configuration for the design of the flow divider-combiner valves.<br/>The simulation model developed for the flow divider-combiner valve allows the analysis in a single Bond graph of both ways of operation (divider-combiner unit). It can be connected as a submodel to any hierarchically superior model that represents a real circuit.<br/>In order to value the precision of the flow divider-combiner valve it is necessary to consider two aspects: the dynamic behaviour of the load compensator and the influence of the manufacturing tolerances of the pieces with relative movement. However, both the single movements in absolute and relative valves must be considered.<br/>The sizing of the fixed primary holes defines the nominal flow rate of the valve, or the useful range of flows. The level of precision is directly proportional to the effective section of these holes. Nevertheless, reducing these sections prevents an acceptable drop in pressure within the interval of flow rate for which the valve has been designed.<br/>The level of precision is inversely proportional to the square of the diameter of the track of the load compensator, and it is affected slightly by the size of the damping orifices.<br/>For symmetrical loads, if the level of leakage is identical in both directions, a division error of zero flow takes place. The absolute error between displacements of the cylinders is also zero.<br/>If the leakage levels are significant and different in both directions, the flow error of the flow division is considerable and consequently, the absolute error between displacements of the actuators increases with time.<br/>For asymmetric loads, if the level of leakage is identical in both directions, the flow division error is compensated after a time and the absolute error between displacements of the cylinders stays constant (error of great flow), once flow division error is compensated. Nevertheless, the magnitude of the absolute error between displacements is proportional to the level of the leakage.<br/>If the level of leakage is different in both directions, the flow division error tends to be compensated, but the influence of the magnitude of the leakage in combination with the state of the loads can favour or work against the absolute error of displacements of the cylinders.