Operation of Servo-valve in a hydraulic actuator (၁)

hydraulic systems ေတြကို open loop system နဲ႔ closed loop system ဆိုၿပီးခြဲၿခားသတ္မွတ္ပါတယ္။ open loop system ဆိုတာကေတာ႔၊ အသံုးၿပဳၿပီး cycle ရဲ႕ အဆံုးမွာ၊ unpressurized fluid return အေနနဲ႔ hydraulic tank သို႔၊ hydraulic fluid ၿပန္လာတဲ႔ system ၿဖစ္ပါတယ္။ pump-inlet နဲ႔ motor-return တို႔ႀကားမွာ directional valve တလံုး ခံထားၿပီး၊ hydraulic tank နဲ႔ ဆက္သြယ္ထားပါတယ္။ closed loop system မွာေတာ႔၊ အသံုးၿပဳၿပီး cycle ရဲ႕အဆံုးမွာ၊ closed pressurized loop တခုအတြင္း hydraulic fluid ရိွေနၿပီး၊ hydraulic tank သို႔၊ return အေနနဲ ႔ ၿပန္မလာတဲ႔ system ၿဖစ္ပါတယ္။ closed loop system မွ hydraulic pump-inlet နဲ႔ hydraulic motor-return line တို႔ကိုတိုက္ရိုက္ ဆက္သြယ္ထားပါတယ္။

Fig. Open loop system and closed loop system

electrical signal ကိုသံုးကာ၊ valve spool ရဲ႕ position လိုအပ္သလို ေၿပာင္းလဲေရြွ႕လၽွားေစနိဳင္တဲ႔ hydraulic valves ေတြကို၊ servo-valves လို႔ေခါါၿပီး၊ flapper nozzle type နဲ႔ jet pipe type ဆိုၿပီးေတြ႔ရ ပါတယ္။ closed loop control system ေတြမွာ တိကၽတဲ႔ accurate position control လိုအပ္တဲ႔အခါ၊ servo-valve ကို command sensor, feedback sensor ေတြအပါအဝင္ analog သို႔မဟုတ္ digital controllers ေတြနဲ႔ တြဲဖက္ အသံုးၿပဳပါတယ္။ hydraulic actuators ေတြနဲ႔ hydraulic motors ေတြကို၊ control လုပ္ရန္ servo-valve ေတြကို အသံုးၿပဳၿခင္းၿဖစ္ပါတယ္။ servo-valve ကို hydraulic actuator နဲ႔ combination အၿဖစ္တြဲဖက္အသံုးၿပဳတဲ႔အခါ၊ servo-actuator လို႔ေခါါပါတယ္။ servo-valve ကို low power electrical signal ေပးသြင္းရံုနဲ႔၊ actuator သို႔မဟုတ္ motorကို၊ တိကၽတဲ႔ accurate position ၿဖင္႔ေရြွ႕လၽွားေစပါတယ္။ servo-valves ေတြမွာ၊ torque motor, flapper nozzle သို႔မဟုတ္ jet pipe နဲ႔ spools ေတြပါဝင္ပါတယ္။ 

Fig. Cut way view for flapper nozzle type 2-stage servo-valve

Fig. Cross section view for flapper nozzle type 2-stage servo-valve

actuator သို႔မဟုတ္ motor ကို တိကၽတဲ႔ accurate position ၿဖင္႔ေရြွ႕လၽွားေစဖို႔ servo valves ေတြဟာ၊ ပထမအဆင္႔ 'Stage 1' နဲ႔ ဒုတိယအဆင္႔ 'Stage 2' ဆိုၿပီး၊ အဆင္႔ (၂) ဆင္႔နဲ႔ အလုပ္လုပ္ပါတယ္။ တခါတရံ တတိယအဆင္႔ 'Stage 3' ထည္႔သြင္းထားတဲ႔ servo valves ေတြကိုလည္း ေတြ႔ရတတ္ပါတယ္။ ပထမ အဆင္႔ 'Stage 1' အေနနဲ႔ hydraulic pressure amplification ကို၊ flapper nozzle သို႔မဟုတ္ jet pipe နဲ႔ spools တို႔မွေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ low power electrical signal ေႀကာင္႔၊ flapper nozzle သို႔မဟုတ္ jet pipe ဟာေရြွ႕လၽွားၿပီး၊ differential pressure 'Δp' ၿဖစ္ေပါါလာပါတယ္။ 'Δp' ေႀကာင္႔ spool ေရြွ႕လၽွားၿပီး၊ spool မွ Δp ကို amplification အၿဖစ္၊ pressure တိုးေစကာ၊ actuator သို႔မဟုတ္ motor သို႔ သက္ေရာက္ေစပါတယ္။ spool မွ actuator သို႔မဟုတ္ motor သို႔ hydraulic pressure တိုက္ရိုက္ သက္ေရာက္ေစၿခင္းဟာ၊ ဒုတိယအဆင္႔ 'Stage 2' ၿဖစ္ပါတယ္။ တတိယအဆင္႔ 'Stage 3' ထည္႔သြင္းထားတဲ႔ servo valves ေတြမွာေတာ႔ additional spool ကိုတတ္ဆင္ထားၿပီး၊ spool ေႀကာင္႔ေပါါေပါက္လာတဲ႔ ဒုတိယအဆင္႔ 'Stage 2' မွ hydraulic pressure ကို additional spool သို ႔ သက္ေရာက္ေစပါတယ္။ additional spool valve မွာ သက္ေရာက္တဲ႔ pressure မွတဆင္႔ actuator သို႔မဟုတ္ motor သို႔ေပးသြင္းၿခင္႔ၿဖင္႔၊ servo system ကိုေဆာင္ရြက္ေစပါတယ္။

servo-valve မွာ hydraulic pressure inlet နဲ႔ torque motor အတြက္၊ electrical input တို႔ပါရိွပါတယ္။ electrical input current ဟာ flapper position ကို controlled လုပ္ပါတယ္။ စီးဝင္လာတဲ႔ electrical input current ရဲ႕ (+) positive သို႔မဟုတ္ (-) negative ပမာဏေပါါမူတည္ၿပီး flapper ေရြွ႕လၽွားပါတယ္။ flapper ေရြွ႕လၽွားမွဳမွတဆင္႔ servo-valve အတြင္းမွ၊ spool ေရြွ႕လၽားၿပီး၊ actuator ရဲ႕chambers 'A' နဲ႔ 'B' တို႔အတြင္းမွ hydraulic pressure ကို၊ controlled လုပ္ပါတယ္။ spool ေရြွ႕လၽားတဲ႔အခါ၊ servo-valve ရဲ႕ port ေတြမွာ အဖြင္႔အပိတ္ ၿဖစ္ေပါါကာ၊ hydraulic pressure ကို actuator ရဲ႕ တဖက္အၿခမ္းအတြင္းသို႔ စီးဆင္းေစပါတယ္။ actuator ရဲ႕ အၿခားတဖက္ အၿခမ္းအတြင္းမွ hydraulic fluid ကိုေတာ႔၊ servo-valve အတြင္းသို႔ return အေနနဲ႔ ၿပန္လည္၊ စီးဝင္ေစပါတယ္။ 

Flapper nozzle servo-valve - electromagnetic torque motor ဟာ flapper ကိုေရြွ႕လၽွားေစၿပီး၊ motor မွာ၊ ၿဖစ္ေပါါလာတဲ႔ torque ဟာ၊ ေပးသြင္းတဲ႔ applied current နဲ႔ proportionally တိုက္ရိုက္ အခၽိဳးကၽပါတယ္။ applied current အေနနဲ႔ ေသးငယ္တဲ႔၊ mili-ampere range ပမာဏ အတြင္းမွာသာ၊ ေပးသြင္းပါတယ္။ torque motor မွာ၊ magnetically permeable armature (၁) ခု ပါဝင္ၿပီး၊ coil (၂) ခုကို armature winding အေနနဲ႔ပတ္ထားပါတယ္။ armature ဟာ flapper piece ရဲ႕အစိတ္အပိုင္းၿဖစ္သလို၊ permanent magnets (၂) ခုအႀကားမွာ တတ္ထားပါတယ္။ applied current ကို armature coil သို႔ေပးသြင္းတဲ႔အခါ၊ armature မွာ၊ magnetic flux ေတြေပါါေပါက္လာပါတယ္။ permanent magnets ေတြရဲ႕ magnetic poles ေတြႀကားမွာ၊ ေပးသြင္းတဲ႔ applied current ရဲ႕ direction အရ၊ armature မွ magnetic poles ေတြရိွေနပါတယ္။ permanent magnets ေတြဟာ၊ armature မွာၿဖစ္ေပါါတဲ႔ magnetic poles ရဲ႕ direction ေပါါမူတည္ၿပီး၊ direction မတူတဲ႔အခါ attraction အေနနဲ႔ ဆြဲယူမွာၿဖစ္သလို၊ direction တူတဲ႔အခါ repelling အေနနဲ႔ တြန္းကန္မွာ ၿဖစ္ပါတယ္။

permanent magnets ေတြရဲ႕ attraction နဲ႔ repelling ေႀကာင္႔၊ armature ဟာ၊ torque တန္ဖိုးပမာဏ တခုနဲ႔ လည္ပတ္သြားပါတယ္။ armature လည္ပတ္တဲ႔အခါ၊ flapper လည္းေရြွ႕လၽွားပါတယ္။ လည္ပတ္သြားတဲ႔ armature ကို၊ permanent magnets ေတြဟာ position တခုမွာ lock အေနနဲ႔ ပံုေသ ရိွေနေစၿပီး၊ applied current ပမာဏထပ္မံတိုးၿမွင္႔မွသာ၊ armature ဟာ ေနာက္ထပ္ position တခုသို႔ ဆက္လက္လည္ပတ္မွာၿဖစ္ပါတယ္။ flapper ဟာ၊ armature မွာသက္ေရာက္တဲ႔ magnetic flux ေတြေႀကာင္႔၊ lock အေနနဲ႔ position တခုမွာ ပံုေသ ရိွေနတဲ႔အၿပင္၊ nozzles ေတြမွာရိွေနတဲ႔ hydraulic flow forces, flapper hinge point ရဲ႕ friction force တို႔ အပါအဝင္၊ flapper နဲ႔ spool တို႔ကို ဆက္သြယ္ေပးထားတဲ႔ feed back spring wire ရဲ႕ forces ေတြေႀကာင္႔၊ torque balance အေနနဲ႔ တည္ၿငိမ္ေနမွာၿဖစ္ပါတယ္။ flapper နဲ႔ spool တို႔ကို feed back spring wire နဲ႔ခၽိတ္ဆက္ထားတဲ႔အတြက္၊ servovalve မွာ stability ကို ပိုမိုရရိွနိဳင္သလို၊ valve ရဲ႕ performance လည္းပိုေကာင္းမြန္လာပါတယ္။

အကယ္၍ applied current ရဲ႕ direction ကိုေၿပာင္းလဲၿပီး၊ ေပးသြင္းလိုက္တဲ႔အခါ၊ armature ဟာမူလ permanent magnet မွ၊ အၿခား permanent magnet တခုထံသို႔ reverse direction ၿဖင္႔လည္ပတ္ကာ၊ ေရြွ႕လၽွားသြားမွာၿဖစ္ပါတယ္။ armature ရဲ႕ လည္ပတ္မွဳေႀကာင္႔ flipper ဟာ၊ nozzle တခုနဲ႔ ပိုမိုနီးကပ္သြားၿပီး၊ အၿခား nozzle တခုနဲ႔ ပိုေဝးသြားပါတယ္။ flipper ဟာ၊ nozzle တခုနဲ႔ ပိုမိုနီးကပ္သြားတဲ႔အခါ၊ flipper နဲ႔ nozzle အႀကားမွ hydraulic fluid ရဲ႕ flow area ဟာ ကၽဥ္းသြားၿပီး၊ အၿခားတဖက္မွာေတာ႔ flow area ကၽယ္သြားမွာၿဖစ္ပါတယ္။ armature ဟာ၊ (~ 0.01 radius) ပမာဏခန္႔သာရိွတဲ႔ အလြန္ေသးငယ္တဲ႔ angle နဲ႔သာ direction of rotation အၿဖစ္၊ လည္ပတ္သလို၊ flipper နဲ႔ nozzle တို႔ႀကားမွ gap အကြာအေဝး 'G' ဟာလည္း (0.002 ~ 0.003) inches ခန္႔သာ ရိွပါတယ္။

 

Fig. Flapper nozzle servo-actuator

'G' ဆိုတဲ႔ flipper နဲ႔ nozzle တို႔ႀကားမွ gap အကြာအေဝးႀကီးမားခဲ႔လၽွင္၊ armature ဟာ direction of rotation အေနနဲ႔၊ ဆက္လက္ မလည္ပတ္နိဳင္ေတာ႔တဲ႔အၿပင္၊ flipper မွာရိွေနတဲ႔ torque balance forces ေတြေႀကာင္႔ latch အေနနဲ႔ ကန္႔လန္႔ အတားအဆီးတခုလို၊ ၿဖစ္သြားတတ္ပါတယ္။ အထက္မွာေဖာ္ၿပထားတဲ႔ 'Flapper nozzle servo-actuator' မွာ၊ nozzle ရဲ႕ အဝင္ inlet ဟာ orifices inlet (၂) ခုၿဖစ္ၿပီး၊ 'Q1' နဲ႔ 'Q2' အၿဖစ္သတ္မွတ္ပါတယ္။ nozzle ရဲ႕ အထြက္ outlet (၂) ခုကို 'n1' နဲ႔ 'n2' အၿဖစ္ သတ္မွတ္သလို၊ flapper နဲ႔ spool တို႔ကို ဆက္သြယ္ေပးထားတဲ႔ feed back spring wire ကိုေတာ႔၊ nozzle ရဲ႕ back pressure 'n3' အၿဖစ္သတ္မွတ္ပါတယ္။ nozzle inlet orifice 'Q1' နဲ႔ 'Q2' တို႔ဟာ၊ flapper ရဲ႕ ေရြွ႕လၽွားမွဳေပါါမူတည္ၿပီး hydraulic pressure နဲ႔ volume အေၿပာင္းအလဲကို၊ ေဆာင္ရြက္ေပးပါတယ္။ 

Fig. Flapper nozzle

flapper နဲ႔ nozzle တို႔ဟာ linear relation ၿဖင္႔ဆက္စပ္ေနၿပီး၊ flapper နဲ႔ nozzle တို႔ႀကားမွာေပါါေပါက္ လာမယ္႔ circumferential area ဟာ၊ nozzle diameter ထက္ေသးငယ္ပါတယ္။ nozzle တို႔ႀကားမွ circumferential area ဟာ၊ flow control area ၿဖစ္ပါတယ္။ ဒါ႔အၿပင္ flapper ရဲ႕ ေသးငယ္တဲ႔ ေရြွ႕လၽွားမွဳ movement မွတဆင္႔၊ accurate control ကို ရရိွေစတဲ႔အတြက္၊ torque motor ရဲ႕ materials, windings နဲ႔ overall design features ေတြဟာလည္း၊ အေရးႀကီးပါတယ္။ flapper ရဲ႕ movement ေႀကာင္ ႔ၿဖစ္ေပါါ လာတဲ႔ accurate control ဟာ pilot spool သို႔၊ သက္ေရာက္ၿပီး၊ pilot spool ရဲ႕ မွတဆင္႔၊ actuator ကို၊ actual control အေနနဲ႔ ေရြွ႕လၽွားေစမွာၿဖစ္ပါတယ္။ pilot spool ရဲ႕ ဟိုဖက္၊ ဒီဖက္ both sides (၂) ဖက္ စလံုးမွာ၊ flapper နဲ႔ nozzles တို႔ရဲ႕ control pressure acting သက္ေရာက္ပါတယ္။ flapper ဟာ အလယ္ဗဟို neutral position မွာရိွေနစဥ္၊ ဟိုဖက္၊ ဒီဖက္ nozzle flow areas ေတြဟာ ညီမၽွေနမွာ ၿဖစ္သလို၊ nozzle ရဲ႕ အထြက္ outlet pressures 'Pn1' နဲ႔ 'Pn2' တို႔ဟာလည္း၊ ညီမၽွေနမွာၿဖစ္ပါတယ္။ nozzle ရဲ႕ အဝင္ inlet မွ flow areas ေတြ ညီမၽွေနၿခင္းနဲ႔ inlet nozzle pressures ေတြ ညီမၽွေနၿခင္းကလည္း၊ neutral position မွာရိွေနတဲ႔ flapper ကိုပိုမိုတည္ၿငိမ္ေစပါတယ္။

flipper ဟာ၊ nozzle 'n1' နဲ႔ ပိုမိုနီးကပ္သြားတဲ႔အခါ၊ nozzle ရဲ႕ အထြက္ outlet flow area ကၽဆင္းသြားၿပီး၊ outlet pressures 'Pn1' ၿမင္႔တက္လာပါတယ္။ တခၽိန္တည္းမွာပဲ nozzle 'n2' ရဲ႕ outlet flow area ၿမင္႔တက္သြားၿပီး၊ outlet pressures 'Pn2' ကၽဆင္းသြားပါတယ္။ မတူညီတဲ႔ outlet pressures 'Pn1' နဲ႔ outlet pressures 'Pn2' တို႔ေႀကာင္႔ differential pressure 'Δp' ေပါါေပါက္လာၿပီး၊ "(differential pressure Δp = Pn1 – Pn2)" အရ spool ဟာ၊ outlet pressures နည္းတဲ႔ nozzle 'n2' ဖက္ အၿခမ္းသို႔၊ ေရြွ႕သြားပါတယ္။ high pressure fluid ဟာ၊ actuator chamber 'PA' အတြင္းသို႔စီးဝင္လာၿပီး၊ actuator chamber 'PB' အတြင္းမွ fluid ကေတာ႔ return အေနနဲ႔ servo-valve အတြင္းသို႔ ၿပန္လည္ စီးဆင္းသြားပါတယ္။ flapper ဟာ nozzle 'n1' ဖက္သို႔ေရြွ႕သြားစဥ္၊ feed back spring wire မွ၊ neutral position သို႔ၿပန္လည္ဆြဲယူပါတယ္။

Fig. Fiber-optic force sensor

flapper system မွာ stabilizing force ရရိွဖို႔ တတ္ဆင္ထားတဲ႔၊ spring wire အစား linear variable differential transducer ေတြကိုလည္း feed back အၿဖစ္၊ တတ္ဆင္အသံုးၿပဳပါတယ္။ 'Hall effect' sensor သို႔မဟုတ္ piezoelectric sensor နဲ႔ fiber-optic force sensor အစရိွတဲ႔ linear variable differential transducer ေတြရဲ႕ output signal ဟာ၊ armature သို႔ ေပးသြင္းေနတဲ႔ applied current ကို၊ control လုပ္ၿပီး stabilizing ရရိွဖို႔၊ ေဆာင္ရြက္ေပးနိဳင္ပါတယ္။


Reference and Image credit to : http://www.daerospace.com/, http://www.valvehydraulic.com/, http://robotics.case.edu/

Remark : All images herein this website are for use of educational purpose only. The owner of this web site is not responsible for the consequences in case of violation to copyright, trademark, patent or other intellectual property rights of any third party.