Operation of Servo-valve in a hydraulic actuator (၂)

servo systems ေတြကိုခြဲၿခားႀကည္႔တဲ႔အခါ၊ load positioning servo system, velocity servo system နဲ႔ force servo system ဆိုၿပီးေတြ႔ရပါတယ္။ applications ေတြေပါါ မူတည္ၿပီး၊ servo systems ေတြ ကြဲၿပားေပမယ္႔၊ flapper nozzle type နဲ႔ jet pipe type servo-valve (၂) မၽိဳးထဲမွ၊ တမၽိဳးကိုအဓိက main component အၿဖစ္တတ္ဆင္ အသံုးၿပဳရပါတယ္။ jet pipe type servo-valve မွာ spool ေရြွ႕လၽွားမွဳ ၿဖစ္ေပါါေစဖို႔၊ jet pipe ကိုအသံုးၿပဳထားၿပီး၊ torque motor အလုပ္လုပ္ပံုကေတာ႔ ၊ flapper nozzle type servo-valve အလုပ္လုပ္ပံုနဲ႔ တူပါတယ္။

Jet pipe servo-valve - jet pipe ဟာ hydraulic fluid moving ေႀကာင္႔ေပါါေပါက္လာတဲ႔ kinetic energy ကို၊ static pressure အၿဖစ္ေၿပာင္းလဲေပး ပါတယ္။ servo-valve ရဲ႕ receiver block မွာ အေပါက္ hole (၂) ခုပါဝင္ၿပီး၊ jet pipe ဟာ၊ hole (၂) ခုရဲ႕ center အလယ္ဗဟိုမွာရိွေနတဲ႔အခါ၊ servo ဆိုတဲ႔ spool ရဲ႕ ဟိုဖက္ဒီဖက္ both end မွာ သက္ေရာက္ေနမယ္႔ hydraulic pressure ေတြ၊ ညီမၽွေနပါတယ္။ receiver hole တခုဖက္ဆီသို႔၊ jet pipe လည္ပတ္ကာေရြွ႕လၽွားသြားတဲ႔အခါ၊ receiver hole ရဲ႕ hydraulic pressure ဟာ၊ jet pipe နဲ႔ ေဝးသြားတဲ႔ receiver hole ရဲ႕ hydraulic pressure ထက္ ပိုမၽားလာမွာၿဖစ္ပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ servo ဆိုတဲ႔ spool မွာ pressure unbalanced condition တခုေပါါေပါက္လာၿခင္း ၿဖစ္ပါတယ္။ 

Fig. Jet pipe centered position and Jet pipe rotate to right side position

Fig. Bernoulli's equation

'Bernoulli’s equation' ကို၊ သံုးၿပီး၊ jet pipe ရဲ႕ rotational movement ေႀကာင္႔ၿဖစ္ေပါါလာမယ္႔ stagnation pressure (Ps) ကို တြက္ယူနိဳင္ပါတယ္။ stagnation pressure ဟာ၊ hydraulic fluid ရဲ႕ အလယ္ midstream မွာၿဖစ္ေပါါမယ္႔ maximum fluid pressure ၿဖစ္ပါတယ္။ jet stream ဟာ၊ receiver block ရဲ႕ အလယ္ဗဟိုကို၊ သက္ေရာက္ေနစဥ္၊ spool ရဲ႕ ဟိုဖက္ဒီဖက္ both end မွာ သက္ေရာက္ေနမယ္႔ hydraulic pressure ေတြ၊ ညီမၽွေနတဲ႔အတြက္၊ (Δp = 0) အေနနဲ႔၊ differential pressure ၿဖစ္ေပါါၿခင္း မရိွနိဳင္တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ jet pipe ဟာ၊ receiver block ရဲ႕ ညာဖက္ 'right side' ကိုေရြ႔ွ႕လၽွားသြားတဲ႔ အခါ၊ jet stream ေႀကာင္႔ ညာဖက္ receiver hole မွာ hydraulic fluid pressure ၿမင္႔တက္လာၿပီး၊ ဘယ္ဖက္ left side မွာရိွေနတဲ႔ receiver hole မွာေတာ႔ pressure ကၽဆင္းသြားပါတယ္။ differential pressure 'Δp' ေပါါေပါက္လာၿခင္းၿဖစ္သလို၊ jet pipe ရဲ႕ ေရြွ႕လၽွားမွဳ အကြာအေဝးဟာ၊ ေသးငယ္လြန္းေပမယ္႔ differential pressure ဟာ jet pipe travel range နဲ႔ linear relation အေနနဲ႔ တိုက္ရိုက္ အခၽိဳးကၽပါတယ္။

Fig. Jet pipe servo-actuator

jet pipe ရဲ႕ nozzle diameter နဲ႔ receiver hole diameters ေတြဟာ၊ relationship အေနနဲ႔ ဆက္သြယ္မွဳ ရိွသလို၊ jet pipe nozzle ရဲ႕ performance လို႔ေခါါတဲ႔ optimization ဟာလည္း၊ servo-valve အတြက္ အေရးႀကီးပါတယ္။ 'maximum L = 2 Dn' ဆိုတဲ႔ nozzle နဲ႔ receiver hole အကြာအေဝးဆက္သြယ္ခၽက္ အရ၊ အကြာအေဝး အမၽားဆံုးအကြာအေဝး maximum 'L' ဟာ၊ receiver hole diameter ထက္၊ (၂) ဆ ခန္႔သာ ရိွသင္႔ပါတယ္။ nozzle နဲ႔ receiver hole တို႔ဟာ၊ တတ္နိဳင္သမၽွ အနီးကပ္ဆံုး၊ အကြာအေဝးမွာ ရိွတဲ႔အခါ၊ optimization ပိုမိုေကာင္းမြန္တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။ optimization ေကာင္းမြန္မွသာ၊ actuator chamber 'A' နဲ႔ 'B' တို႔အေပါါ တလွည္႔စီသက္ေရာက္မယ္႔ hydraulic pressure 'P1' နဲ႔ 'P2' တို႔ကိုလည္း၊ maximum pressure အေနနဲ႔ ရရိွနိဳင္ပါတယ္။ Jet pipe servo-valve ရဲ႕ spool မွာ differential pressure 'Δp' သက္ေရာက္ေနစဥ္၊ stabilizing force ရရိွဖို႔၊ Flapper nozzle servo-valve ေတြကဲ႔သို႔၊ feed back spring wire သို႔မဟုတ္ linear variable differential transducer ေတြကိုတတ္ဆင္ အသံုးၿပဳပါတယ္။

jet pipe servo-valve ရဲ႕ receiver block hole diameter ဟာ၊ ႀကီးမားပါတယ္။ hole diameter ႀကီးမားတဲ႔ အတြက္၊ hydraulic fluid မွာ ေရာေနွာပါဝင္ေနတဲ႔ အမွဳန္၊ အနည္နဲ႔ အညစ္အေႀကးေတြေႀကာင္႔ contamination ရိွေနေပမယ္႔၊ jet pipe servo-valve ရဲ႕ servo operation ကို၊ ထိခိုက္နိဳင္ၿခင္း မရိွတာေတြ႔ရပါတယ္။ jet pipe orifices ဆိုတဲ႔ jet pipe nozzles ေတြရဲ႕ diameter ဟာ၊ flapper nozzle diameter ထက္၊ ပိုႀကီးပါတယ္။ jet pipe nozzle diameter ႀကီးမားတဲ႔အတြက္ jet pipe servo-valve မွာ leakage flow ဆိုတဲ႔၊ internal leakage ၿဖစ္ေပါါတတ္သလို၊ flapper nozzle servo-valve မွာေတာ႔ flapper nozzle diameter ေသးငယ္တဲ႔အတြက္၊ hydraulic fluid contamination ေႀကာင္႔၊ ပိတ္ဆို႔တတ္ ပါတယ္။ flapper nozzle ပိတ္ဆို႔တဲ႔အခါ၊ spool ဟာ direction တဖက္တည္းကိုသာေရြွ႕လၽွားၿပီး၊ အၿခားတဖက္ကို မေရြွ႕နိဳင္ပဲ၊ ရပ္ေနတတ္ပါတယ္။

Servo - spool ကို၊ hydraulic fluid pressure ေပးသြင္းၿပီး၊ ဟိုဖက္ဒီဖက္ လိုအပ္သလိုေရြွ႕လၽွားေစၿခင္းကို 'servo movement' အၿဖစ္ သတ္မွတ္ပါတယ္။ servo movement ရရိွေစဖို႔ အသံုးၿပဳတဲ႔ spool ဟာ rod တခုနဲ႔ ဆက္ထားတဲ႔ lands (၂) ခုပါဝင္တဲ႔ spool ၿဖစ္ၿပီး၊ bushing လို႔ေခါါတဲ႔ outer sleeve အတြင္းမွာေရြွ႕လၽွားပါတယ္။ sleeve မွာ hydraulic fluid စီးဝင္နိဳင္ဖို႔ flow port ေတြေဖာက္ထားၿပီး၊ spool နဲ႔ outer sleeve တို႔ကို၊ ေပါင္းစပ္ကာ 'servo' လို႔ေခါါပါတယ္။ 'servo' ဟာ၊ hydraulic paths ရဲ႕ actuation component တခုၿဖစ္ပါတယ္။ spool ရဲ႕ position ေရြွ႕လၽွားမွဳဟာ၊ valve အတြင္း ၿဖတ္သန္းစီးဆင္းသြားမယ္႔ hydraulic fluid ရဲ႕ flow area ေပါါမူတည္ပါတယ္။ flow area ကို control လုပ္ၿခင္းၿဖင္႔၊ spool ရဲ႕ position ေရြွ႕လၽွားေၿပာင္းလဲမွဳ ၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ open/ closed ဆိုတဲ႔ 'two position solenoid controlled', applied current ကိုလိုအပ္သလိုေၿပာင္းလဲေပးတဲ႔ 'proportional solenoid controlled' နဲ႔ 'mechanical lever controlled' အစရိွတဲ႔ နည္းလမ္းေတြကိုသံုးၿပီး၊ flow area ကို control လုပ္ႀကပါတယ္။  

Fig. Basic servo

Fig. Servo flow characteristic equation

'Servo flow characteristic equation' လို႔ေခါါတဲ႔ 'Turbulent orifice flow equation' အရ၊ valve spool position 'Xv' ဟာ၊ flow cross-sectional area 'Av' နဲ႔ဆက္သြယ္ေနပါတယ္။ flow cross sectional area ေႀကာင္႔ valve spool position ၿဖစ္ေပါါပါတယ္။ servo ရဲ႕ flow rate ကိုေတာ႔၊ outlet flow area မွ controlled လုပ္ၿပီး၊ outlet flow area ဟာ၊ inlet flow area ထက္ေသးငယ္ပါတယ္။ 

Fig. Servo lapping  

bushing လို႔ေခါါတဲ႔ outer sleeve အတြင္းမွာ spool တည္ရိွေနပံု အေနအထားကို 'lapped' လို႔ေခါါပါတယ္။ spool တည္ရိွေနပံု အေနအထားအေပါါမူတည္ၿပီး၊ servo ေတြကို zero lapped servo, over lapped servo နဲ႔ under lapped servo အၿဖစ္ခြဲၿခား၊ သတ္မွတ္ပါတယ္။ 'zero lapped servo' ရဲ႕ land width အကၽယ္နဲ႔ flow port ေတြရဲ႕ width ဟာတူညီပါတယ္။ land width နဲ႔ port width တူညီေနတဲ႔အတြက္၊ outlet မွာ zero flow position ၿဖစ္ေပါါေနၿပီး၊ tightest control အေနနဲ႔ တိကၽမွဳရိွတဲ႔ high precision servo-valves ေတြအၿဖစ္၊ အသံုးၿပဳပါတယ္။ 'over lapped servo' မွာေတာ႔ land width ဟာ flow port width ထက္ပိုႀကီးပါတယ္။ spool ေရြွ႕လၽွားတဲ႔အခါ ေပါါေပါက္လာမယ္႔ flow area vs pressure curve ဆိုတဲ႔ flow area နဲ႔ pressure ဆက္သြယ္ခၽက္မွာ၊ dead-band အေနနဲ႔ေတြ႔နိဳင္ပါတယ္။ minimum spool movement ဟာ overlap dimension နဲ႔ညီမၽွၿပီး၊ spool ေရြွ႕လၽွားၿပီးမွသာ outlet flow စီးဆင္းပါတယ္။ overlapped servo ေတြရဲ႕'noise' factors tolerant ဟာႀကီးမားပါတယ္။ 'noise' factors tolerant ႀကီးမားတဲ႔အတြက္၊ တိကၽတဲ႔ control accuracy ရရိွနိဳင္မွဳ ကၽဆင္းသြားပါတယ္။ under lapped servo ရဲ႕ land width ဟာ၊ port width ထက္ငယ္တဲ႔အတြက္၊ spool position အကုန္လံုးမွာ၊ outlet flow စီးဆင္းေနပါတယ္။ outlet flow ႀကိဳတင္ရိွေနတဲ႔အတြက္၊ control response ပိုၿမန္တာ၊ ေတြ႔ရပါတယ္။

Fig. Flow rate behavior 

'Turbulent orifice flow equation' အရ၊ servo port ရဲ႕ flow area ကို၊ 'A (Xv)' အၿဖစ္ သတ္မွတ္ပါတယ္။ flow area ဟာ valve တည္ေဆာက္ပံု type ပံုသ႑န္နဲ႔ spool position တို႔ အေပါါမူတည္ပါတယ္။ differential pressure Δp ဟာ၊ constant အေနနဲ႔တည္ၿငိမ္ေနတဲ႔အခါ၊ flow rate နဲ႔ flow area တို႔ဟာ၊ proportionally varies အေနနဲ႔ တိုက္ရိုက္ အခၽိဳးကၽေၿပာင္းလဲေနမွာ ၿဖစ္ပါတယ္။ flow area ဟာ constant အေနနဲ႔ အေၿပာင္းအလဲမရိွတဲ႔အခါမွာေတာ႔၊ flow rate နဲ႔ differential pressure Δp တို႔ဟာ၊ square root varies ဆိုတဲ႔ နွစ္ထပ္ကိန္းရင္းဆက္သြယ္ခၽက္နဲ႔ လိုက္ပါေၿပာင္းလဲေနပါတယ္။

Fig. Effects of valve lapping on flow

အေပါါမွာေဖာ္ၿပထားတဲ႔ 'flow curve' ဟာ၊ differential pressure Δp ဟာ၊ constant အေနနဲ႔ တည္ၿငိမ္ေနတဲ႔အေၿခအေနမွာ၊ servo မွ sleeve port အတြင္းသို႔ဝင္ေရာက္လာမယ္႔ hydraulic fluid ရဲ႕ controlled flow နဲ႔ valve position တို႔ရဲ႕ဆက္သြယ္ခၽက္ၿဖစ္ပါတယ္။ zero lapped spool မွာ curve ဟာ controlled flow နဲ႔ valve position တို႔ရဲ႕ origin point ကိုတေၿဖာင္႔တည္း ၿဖတ္သန္းသြားတာ၊ ေတြ႔ရ ပါတယ္။ overlapped servo မွာ၊ flow ဟာ zero အေနနဲ႔ ရိွေနၿပီး၊ sufficiently moved အေနနဲ႔ spool ေရြွ႕လၽွားသြားမွ flow စတင္ စီးဆင္းပါတယ္။ under lapped valve မွာေတာ႔ flow ဟာ servo ရဲ႕ directions (၂) ဖက္စလံုးသို႔စီးေနၿပီး၊ spool စတင္ေရြွ႕လၽွားတဲ႔အခါ၊ zero flow အေနနဲ႔ ရပ္တန္႔ သြားပါတယ္။ spool စတင္ေရြွ႕လၽွားၿခင္းကို load စတင္ ထမ္းေဆာင္ၿခင္းအၿဖစ္၊ သတ္မွတ္နိဳင္ၿပီး၊ zero flow အေနနဲ႔ servo မွ hydraulic fluid စီးဆင္းၿခင္းမရိွတဲ႔အေၿခအေနကို၊ 'null' position လို႔ေခါါပါတယ္။ spool ဟာ null position ကိုေကၽာ္လြန္သြားတာနဲ႔ လၽွင္ၿမန္စြာေရြွ႕လၽွားသြားၿပီး၊ sleeve ရဲ႕ outlet port ကို အလၽွင္အၿမန္ပိတ္လိုက္ပါတယ္။

Fig. Flow rate behavior for a two position servo

Fig. Mechanically positioned servo

open/ closed ဆိုတဲ႔ 'two position solenoid controlled' servo ေတြမွာ၊ spool မေရြွ႕လၽွားခင္ minimum flow area 'Amin' မွာ၊ zero flow အေနနဲ႔ servo မွ hydraulic fluid စီးဆင္းၿခင္း မရိွပဲ၊ spool ေရြွ႕လၽွားမွဳေႀကာင္႔ maximum flow area 'Ama' ကို၊ 100 mili-seconds ေအာက္အခၽိန္တိုေလး အတြင္းမွာ၊ ခၽက္ၿခင္းရရိွနိဳင္ပါတယ္။ 'mechanical lever controlled' ဆိုတဲ႔ mechanically positioned servo ေတြမွာေတာ႔၊ flow area ဟာ၊ mechanically input force 'F' နဲ႔ ညီမၽွပါတယ္။ တနည္းအားၿဖင္႔ mechanically input force အေပါါမွာတိုက္ရိုက္မွီခိုၿပီး၊ flow area ေၿပာင္းလဲတယ္လို႔၊ ဆိုနိဳင္ပါတယ္။

Fig. Spool grooves servo

spool outer diameter နဲ႔ bushing လို႔ေခါါတဲ႔ sleeve ရဲ႕ inner diameter အႀကားေသးငယ္တဲ႔၊ small clearance ေနရာေလးမွာ မညီညာတဲ႔ unequal pressure ၿဖစ္ေပါါတတ္ၿပီး၊ 'lateral force' လို႔ေခါါပါတယ္။ lateral force ဟာ spool ေရြွ႕လၽွားမွဳအေပါါအေနွာက္အယွက္ေပးတတ္ၿပီး၊ 'hydraulic lock' ၿဖစ္ေပါါေစတတ္ပါတယ္။ lateral force ပမာဏႀကီးမားတဲ႔အခါ၊ applied hydraulic pressure ကို ပိုမိုေပးသြင္းေပမယ္႔၊ servo ဟာ၊ ေရြွ႕လၽွားၿခင္းမရိွပဲ ရပ္တန္႔ေနတတ္ပါတယ္။ spool ရဲ႕ outer diameter မွ minor machining tolerances ေတြေႀကာင္႔၊ spool periphery လို႔ေခါါတဲ႔ external surface မွာ varying leakage flow အနည္းငယ္ ရိွေနရာမွတဆင္႔၊ unequal pressure ေပါါေပါက္ၿပီး၊ lateral force ၿဖစ္ေပါါလာတာကိုလည္း၊ ေတြ႔ရတတ္ပါတယ္။ spool outer diameter မွာ၊ machined grooves ေတြ ၿပဳလုပ္ၿပီး၊ lateral force ကိုေလၽွာ႔ခၽနိဳင္ပါတယ္။ lands ေတြေပါါမွာ grooves ေတြ ၿပဳလုပ္ထားတဲ႔အခါ၊ spool periphery မွာ equalized pressure ရရိွနိဳင္ပါတယ္။

Reference and Image credit to : http://www.daerospace.com/

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.