Servoposicionador electro-oleohidráulico para una máquina de electroerosión

Abstract

La tesis analiza el comportamiento anómalo de una servoválvula instalada en una máquina de electroerosión operando bajo ciertas condiciones de trabajo. <br/>En el primer capítulo de la tesis se describen una serie de experimentos llevados a cabo para: en primer lugar, llegar a obtener bajo que condiciones de funcionamiento se producen las inestabilices (vibraciones audibles) y en que parte de la máquina se originan. Como resultado de estas primeras investigaciones se obtiene que el sistema de transmisión de energía oleohidráulica es el generador de las perturbaciones. Una segunda fase de experimentos descritos asimismo en el primer capítulo, llevan a poder afirmar que las perturbaciones se originan en la servoválvula.<br/>El siguiente paso consistió en profundizar sobre las prestaciones de la servoválvula, analizando inicialmente los elementos de que consta y sus características teóricas y experimentales. Paralelamente se llevo a cabo un estudio crítico de la bibliografía sobre el tema, en particular sobre posibles anomalías de funcionamiento en servoválvulas. Algunos investigadores insinuaron que las fuerzas de flujo sobre las toberas eran una fuente de inestabilidades. Nuestras investigaciones confirman esta hipótesis y ponen a la luz la importancia del modelo de flujo tobera/paleta en este sentido. Se comprueba que los coeficientes de descarga y la distancia tobera paleta son definitorios en el modelo de flujo.<br/><br/>En el tercer capítulo se estudian en profundidad los diversos modelos de flujo, se hace hincapié que en la servoválvula bajo estudio hay dos tipos de flujo: el denominado tobera paleta y el denominado paleta tobera. Se observa experimentalmente diferencias importantes entre los coeficientes de descarga para cada uno de estos dos tipos de flujo. En este mismo capítulo se realiza una modelización bidimensional por volúmenes finitos de la evolución del fluido dentro de una servoválvula, en donde se pueden diferenciar los diversos modelos de flujo en función de la distancia tobera paleta y la diferencia de presión entre la entrada y salida. Al final de este capítulo se comparan los resultados experimentales con los hallados vía modelización, observando un buen comportamiento del modelo. <br/><br/>El capitulo cuarto se centra en la obtención de un modelo que simule el comportamiento de la servoválvula. La modelización se realiza utilizando el método de diagramas de enlaces "Bond Graph".Como innovación en este apartado cabe destacar la modelización de las fuerzas de flujo y la variabilidad de los coeficientes de descarga en función del número de Reynolds. Como complemento a la modelización y en lo que a las fuerzas de flujo hace referencia, se realiza un estudio comparativo de los dos modelos de servoválvula de cuatro toberas existentes: el Williams y el Moog 92, comprobando que el modelo actual, el Moog 92 es mas tolerante a las inestabilidades.<br/>De los resultados de la modelización se puede estimar con gran precisión el comportamiento en régimen permanente y en régimen transitorio de la servoválvula. Se demostró asimismo que la frecuencia propia fundamental de la servoválvula estaba alrededor de los 580 Hz. Esta frecuencia se corresponde con la obtenida en forma de espectro audible en los experimentos iniciales.<br/><br/>En el capítulo cinco se analiza con detalle el origen de la perturbación audible de alrededor de 2200 Hz. Después de una serie de experimentos y de analizar los resultados que otros investigadores obtuvieron en sistemas análogos, se llega a la conclusión de que la perturbación de alrededor de 2200 Hz es de origen fluidodinámico, y capaz de excitar uno de los modos de vibración de la armadura. Esta inestabilidad se ve reforzada por un fenómeno de resonancia que es consecuencia de la morfología de la tobera / paleta.<br/><br/>Como innovaciones de esta tesis cabe citar:<br/><br/>1.- El estudio del flujo entrante paleta/tobera. En este sentido se han definido los modelos de flujo que tienen lugar y los parámetros que los definen: coeficientes de descarga en función de la distancia tobera paleta. Se ha observado que el origen de todas la inestabilidades se localizan cuando el flujo va de paleta a tobera, (flujo entrante). Estos modelos de flujo fueron modelizados mediante volúmenes finitos siendo los resultados obtenidos satisfactorios.<br/>2.- La modelización del comportamiento en régimen permanente y régimen transitorio de la servoválvula mediante técnicas de diagramas de enlaces (Bond Graph).<br/>3.- La metodología experimental seguida para poner en evidencia que fenómenos son el origen de las perturbaciones audibles, y que factores deben considerarse para minimizar sus efectos.

The PhD focuses on the analysis of the erratic behaviour of the oil hydraulic system installed in a sparkling machine and when operating under some particular conditions.<br/><br/>The first chapter describes a set of experiments to find out under which conditions and were the instabilities (audible vibrations) are created. As a result, it is demonstrated that the servovalve is the origin of the instabilities. <br/>Some researchers pointed out that flow forces acting onto the servovalve flappers could originate vibrations. It is then decided to measure the discharge coefficients for flow going from nozzle to flapper and from flapper to nozzle, being the aim to better understand the flow models inside the four nozzle two flapper servovalve under study.<br/>The discharge coefficients demonstrate that two completely different models of flow appear inside the servovalve. <br/>To better understand such flow models a CFD computer modelisation of the nozzle-flapper and flapper-nozzle flows was undertaken, finding out that flow in direction flapper nozzle is prone to be instable. Good agreement was found when comparing discharge coefficients found experimentally and via CFD modelisation. <br/>The fourth chapter is dedicated to simulate the complete servovalve behaviour, the simulation is performed using the Bond Graph technique. It is interesting to point out that when the armature of the servovalve was excited with a frequency near the servovalve natural frequency the model gave an over excitation of the servovalve, as it occurs in reality. Such frequency was one of the perturbation peaks measured at the beginning of the study. <br/>On the last chapter is analysed experimentally the origin of a second perturbation peak with a frequency of 2200 Hz. Finding out that such instability has a fluid dynamic origin and is created by the flow going from flapper to nozzle. Such perturbation is amplified by the nozzle chamber and it is able to excite some vibration modes of the servovalve armature. The way to overcome such problem would be via preventing the amplification from being created. This main mean whether avoid flow from flapper to nozzle or modifying the nozzle chamber in the nozzles having flapper nozzle flow.