Elektrohidrolik kontrollü mobil hidrolik yön denetim valfi tasarımı
The design of electrohydraulic control mobile hydraulic control valve
Yazar: BURAK YERLİOĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Elektrohidrolik = Electrohydraulic ; Oransal kontrol = Proportional control ; Sürgülü valfler = Sliding valves

Özet:
Mobil hidrolik yön denetim valfleri, traktör, forklift, iş makineleri gibi araçlarda çeşitli ekipmanları hareketlendirmek için kullanılır. Emniyet valfi, içine monte edilmiş çek valf, antişok ve anti-kavitasyon valfi veya karşı-denge valfi gibi diğer yardımcı valfleri içeren mobil hidrolik yön denetim valfleri genelde altı yollu, sürgülü valflerdir. Valflerin yapıları, tek bir gövdeden monoblok şeklinde olabileceği gibi dilimli olarak cıvatalanarak sandviç şeklinde de olabilir. Valflerin hidrolik devreleri kullanım alanına göre; paralel, tandem, seri veya bunların kombinasyonlarından oluşabilir. Bu valfler genellikle açık merkezlidir. Yani sürgüler nötr konumda iken pompa debisi tanka tahliye edilir. Herhangi bir sürgünün tam strok ilerletilmesi ile pompa debisinin tamamını, silindir, hidrolik motor gibi hareketlendiricileri pompa debisi hızında hareket ettirebileceği gibi, kısmen ilerletilmesi ile debi ayarı yapılarak hidrolik silindir ve motorların daha düşük hızlarda hareket ettirilmesi sağlanabilir. 
Yön kontrol valflerinin çift etkili sürgü, yüzdürme sürgüsü, hızlandırma sürgüsü ve motor sürgüsü olmak üzere ihtiyaç duyulan fonksiyona göre kullanılan değişik sürgü tipleri vardır. Aynı zamanda kontrol tiplerine göre de direkt uyarılı ve pilot uyarılı olarak iki ana grup altında incelenebilirler. Direkt uyarılı tiplerde elle kontrollü, mekanik kontrollü, hidrolik kontrollü, pnömatik kontrollü ve elektrik kontrollü, pilot uyarılı tiplerde ise elektrohidrolik ve elektropnömatik kontrollü tipleri vardır.  
Teknolojik gelişmelere paralel olarak sürgülerin kontrolünün elektrohidrolik bir sistemle yapılması tercih edilmektedir. Elektrohidrolik uyarıya ihtiyaç duyulmasının başlıca sebeplerinden biri özellikle yüksek debili valflerde kullanıldığında sürgüyü merkezleyebilmek için zorunlu olan yüksek yay sabitine sahip yaylara karşı uzun çalışma saatlerinde operatörlerin çabuk yorulmasını engellemektir. Elektrohidrolik uyarı sistemi sayesinde işi operatör değil hidrolik yağ basıncı yaparken, operatör istediği hassasiyetle kontrolü sağlamaktadır.
Tasarıma başlamadan önce, literatür araştırması yapılarak konuyla ilgili yapılan araştırmalar taranmıştır. Elektrohidrolik kontrol sistemlerinin kullanım alanları ve tipleri hakkında ön bilgi oluşturulmuştur. Ardından pazarda bulunan mevcut elektrohidrolik kontrol sistemleri incelenmiş ve kullanılan ürünler ve farklılıkları belirlenmiştir. Literatür araştırması olarak elektrohidrolik kontrol sistemlerinin elemanları olan aç-kapa ve oransal solenoid valfler ve bunların sisteme uygulanabilirliği araştırılmıştır. Sonuçta farklı firmaların ürünleri incelenmiş ve çalışma prensiplerine bakılmıştır. Araştırma sonucunda tasarım için elde edilen bu ön bilgi ile mevcut valflerde ve yeni tasarlanacak yön denetim valflerine elektrohidrolik kontrol seçeneğinin sunulması amaçlanmıştır. 
Elektrohidrolik kontrol sistemi için ilk olarak tasarımın temelini oluşturacak tasarım kriterleri belirlenmiştir. Sağlanacak yağ pilot basıncı 15 bar, bu pilot basıncının etki ettiği sürgü çapı 16 mm olarak belirlenmiştir. Oransal olarak hassas kontrolün yapılması amaçlanmıştır. Daha sonra probleme farklı çözümler bulabilmek amacıyla konstrüksiyon sistematiği adımları uygulanmıştır. Konstrüksiyon sistematiğinin en önemli adımlarından biri istekler listesinin oluşturulmasıdır. İstekler problemin çözümünü oluşturacak olan teknik yapıtın niteliksel ve niceliksel özelliklerinin belirtildiği büyüklüklerdir. Bu amaç doğrultusunda, istekler listesi oluşturulmuş ve bu istekler yardımıyla temel fonksiyon elde edilmiştir. Elektrohidrolik kontrol için gerekli giriş ve çıkış büyüklükleri belirlenmiştir. Ayrıca, giriş ve çıkış büyüklükleri arasında meydana gelen fonksiyonlar ve birbirleriyle olan ilişkileri oluşturulmuştur. Fonksiyon yapılarının gösterildiği bu düzene fonksiyon strüktürü denilmektedir. Yapılan çalışmada fonksiyon strüktürü belirlenmiştir. Böylece çözümlerin geliştirilmesi için gerekli bilgiler hazırlanmıştır.
Çözümlerin geliştirilmesi sürecinde her çözüm için ortak isterler belirlenmiştir. Bu duruma göre sürgünün hareketini sağlayacak pilot basıncını yönlendiren solenoid valfleri içeren kontrol ünitesi, valf tedarikçi firmalarının kataloglarından seçilmiştir. Ayrıca çalışma basıncını düşürerek, istenilen pilot basıncını elde etmek için kartriç valf tedarikçilerinden basınç düşürücü valf belirlenmiştir. Basınç düşürücü valfin oluşturduğu pilot basıncı, solenoid valfler ile yönlendirilecek ve bu basıncın etki ettiği yön denetim valfi sürgüleri, oluşan sürtünme kuvvetlerini, akış kuvvetlerini ve yay kuvvetini yenerek istenilen konuma gelecektir. Böylece iş portlarına gerekli olan yağ gönderilecek ve ekipmanların kontrolü sağlanacaktır. Bu amaçla üç adet çözüm oluşturulmuş ve bu kapsamda kontrol üniteleri yön denetim valfine adapte edilmiştir. Oluşturulan birinci çözümde elektronik kontrol ünitesi ve konum algılayan elemana sahip olan ve oransal solenoid valflerden oluşan elektrohidrolik kontrol ünitesi içeriden elde edilen pilot basıncı ile sürgüyü hareket ettirirken, ikinci çözümde pilot basıncı harici olarak sağlanır ve bu basıncın etkidiği servo-piston aracılığıyla sürgü hareket ettirilecektir. Üçüncü çözümde ise valf sürgüsünün her iki ucuna yerleştirilecek solenoid valflerin yönlendirdiği içeriden sağlanan pilot basıncı ile sürgünün kontrolü yapılacaktır.
Her bir çözüm için gerekli hidrolik elemanlar seçilmiş ve yön denetim valfine nasıl uygulanacağı belirlenmiştir. Oluşturulan çözümler Creo CAD programında katı olarak modellenmiştir. Ardından belirlenen temel ve alt hedeflere göre çözümler için fayda-değer analizi yapılmıştır. Analiz sonucunda Çözüm-2 en yüksek puanı aldığı için detaylandırılmak üzere seçilmiştir. Çözüm-2' de tasarlanan elektrohidrolik kontrollü yön denetim valfinin hidrolik devresi oluşturulmuş ve çalışma prensibi anlatılmıştır. Tasarım uygun boyutlar ile modellenmiş ve son halini almıştır. Tasarımda kullanılan kontrol ünitesi ve basınç düşürücü valf hakkında bilgi verilmiştir. Servo-pistonun halka alanına etkiyen pilot basıncı ile oluşacak kuvvet hesaplanmış ve buradan yola çıkılarak merkezleme yayı hesaplamaları Gutekunst yay programında yapılmıştır. Ardından sızdırmazlık elemanları hakkında ön bilgi verilmiş ve seçilen o-ringler için sıkıştırma oranı hesabı yapılmıştır. Tasarlanan teknik yapıtlar için malzeme seçimi önemli konulardan biridir. Seçilen malzemeler, bir konstrüksiyonun imalat sürecini, ömür ve dayanıklılığını belirlemektedir. Çalışmada, sistem bileşenlerinin malzemeleri belirlenmiş ve bunlar hakkında bilgi verilmiştir.
Prototip üretildikten sonra yapılması planlanan testleri bilgisayar ortamında doğrulamak için Hema Endüstri A.Ş. ARGE Hidrolik Sistemler Tasarım departmanında AMESim simülasyon paket programında sistem modellenmiştir. Bunun için AMESim programındaki sinyal, hidrolik, hidrolik bileşen tasarımı ve mekanik tasarım kütüphanesine ait modellerden yararlanılmıştır. Oluşturulan modelden faydalanılarak Giriş sinyal voltajı/Valf sürgü stroğu ve Strok/Debi grafikleri elde edilmiştir. 
Prototipleme çalışması, tasarlanan sistemin fonksiyonunu ne şekilde ve doğrulukta yerine getireceğinin görülmesi amacıyla yapılmıştır. Prototipleme işlemleri Hema Endüstri A.Ş. ARGE Atölyesinde gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, bazı parçalar çeşitli takım tezgahlarında işlenerek üretilmiştir. Bazı parçalar ise yan sanayilerden tedarik edilmiştir. Bu parçaların montajı gerçekleştirilerek Elektrohidrolik kontrollü yön denetim valfi oluşturulmuştur. Ardından, valfin fonksiyon testleri gerçekleştirilmiş ve Giriş sinyal voltajı/Valf sürgü stroğu ve Strok/Debi grafikleri elde edilmiştir. 
Sonuç olarak, prototipleme ve test çalışmaları ile tasarımın fonksiyonunu ne şekilde ve doğrulukta yerine getirdiği görülmüştür. AMESim programında modellenen sistemden elde edilen veriler ile yapılan test sonuçları karşılaştırılmış ve benzer sonuçlar elde edildiği görülmüştür.

Abstract:
In vehicles such as tractors, forklifts, work machines, mobile hydraulic direction control valves are used to actuate various equipments. The mobile hydraulic directional control valves are generally six way, spool valves with an integral check valve, relief valve, anti-shock and anti-cavitation valve or other auxiliary valves such as counterbalance valve. The structures of the valves may be monoblock from a single body, or may be sectional and bolted to form a sandwich. Hydraulic circuits of valves are used according to their usage; parallel, tandem, serial, or combinations thereof. These valves are usually open centered. That is, the pump is drained to the tank when the spools are in the neutral position. By moving the full stroke of any spool, it is possible to move the entire pump unit, such as cylinders, hydraulic motors, at the speed of the pump, or by moving the hydraulic cylinder and motors at a lower speed by partially adjusting the flow rate. 
Directional control valves have different types of spool that are used according to the function required as double acting spool, float spool, regen spool and motor spool. At the same time, according to the control types, they can be investigated under two main groups as direct acting and pilot operated. There are types with direct control, manual control, mechanical lever control, hydraulic control, pneumatic control and electrical control, and electro-hydraulic and electro-pneumatic control types in pilot operated control type.
In parallel with technological developments, it is preferred to control the spool with an electro-hydraulic system. One of the main reasons for the need for electro-hydraulic control is to prevent operators from getting tired during long working hours against springs with high spring constant, which is essential for centering the spool, especially when used in high-flow valves. Thanks to the electro-hydraulic control system, the operator does not need to be operator but hydraulic oil pressure, the operator gives the desired precision control.
Prior to the beginning of the design, a review of the existing electrohydraulic control systems should be done by conducting a literature search. Preliminary information about the usage areas and types of electrohydraulic control systems has been prepared. Subsequently, existing electrohydraulic control systems in the market were investigated and used products and their differences were determined. Literature research has investigated the on-off and proportional solenoid valves of electrohydraulic control systems and their applicability to the system. As a result, the products of different companies have been investigated and the working systems have been examined. As a result of this research, it is aimed to present the electrohydraulic control option to existing valves and new design direction control valves with this preliminary information obtained for design.
For the electrohydraulic control system, design criteria were first determined to form the basis of the design. To provide pilot oil pressure of 15 bar, the spool diameter as an effect of the pilot pressure is set at 16 mm. It is aimed to make precise control proportional. Then the systematic construction in order to find different solutions to the problem steps were applied. One of the most important steps of the construction system is the creation of a request list. Requests are quantities in which the qualitative and quantitative properties of the technical work that will form the solution of the problem are specified. For this purpose, a list of requests was created and the basic function was obtained with the help of these requests. Inputs and outputs required for electrohydraulic control are determined. In addition, functions between the inputs and outputs and their relation to each other have been established. The function structure of this form is called the function structure. Functional structure was determined in the study. Thus, the necessary information for the development of the solution was prepared. 
In the process of developing the solutions, common requirements are determined for each solution. In this case, the control unit containing solenoid valves, which direct the pilot pressure to provide the movement of the spool, was selected from the catalogs of the valve supplier companies. In addition, by reducing the operating pressure, a pressure reducing valve was selected from the supplier of the cartridge valve to obtain the desired pilot pressure. The pilot pressure that the pressure reducing valve creates will be guided by the solenoid valves and the direction control valve spools affected by this pressure will come to the desired position by defeating the generated frictional forces, flow forces and spring forces. Thus, oil is required to be sent to the work ports and control equipment will be provided. For this purpose, three solutions have been created and control units have been adapted to the direction control valve. In the first solution created, this electrohydraulic control unit, which consists of electronic control unit and proportional solenoid valves with position sensing element, drives the pilot with the pilot pressure obtained from the inside. In the second solution, the pilot pressure is externally supplied and the spool will be moved via the servo piston. In the third solution, the solenoid valves to be installed on both ends of the valve spool are driven and the pilot control provided from the inside will control the spool.
The hydraulic components required for each solution are selected and determined to be applied to the directional control valve. The created solutions are modeled in Creo CAD program. Then, benefit-value analysis was done for the solutions according to the determined basic and sub-targets. As a result of the analysis, Solution-2 has been selected to be detailed because it has the highest score. The hydraulic circuit of the electrohydraulic controlled directional control valve designed in Solution-2 was created and the working principle was explained. The design is modeled with the appropriate dimensions and has been finalized. It has gived information about the control unit and the pressure reducing valve used in the design. The force to be generated by the pilot pressure acting on the circular area of the servo-piston was calculated and the centering spring calculations were made in the Gutekunst spring program. Then, preliminary information on the sealing elements was given and the compression ratio for the selected o-rings was calculated. The choice of materials for the technical works is one of the important issues. The selected materials determine the manufacturing process, lifetime and durability of a construction. In the study, the components of the system components were identified and information was provided. 
In the Hema Industry Inc. R&D Hydraulic Systems department, the system was modeled in the AMESim simulation package program to verify the tests planned to be made after the prototype was produced on the computer. The signal, hydraulic, hydraulic component design and mechanical design library of AMESIM program were used for this. Input signal voltage / Valve spool stroke and Stroke / Flow rate graphs are obtained by using the created model. 
The prototyping work was done to see how the designed system will perform its function and accuracy. The prototyping was carried out at Hema Industry Inc. R&D Atelier. In this work, some parts were produced by machining in various machine tools. Some parts have been supplied from the sub-industry. Electrohydraulic controlled directional control valve was established by assembling these parts. After that, valve function tests were then performed and Input signal voltage / Valve spool stroke and Stroke / Flow rate graphs were obtained. 
As a result, it has been seen that the prototype and the test works fulfill the function of the design with accuracy. The results obtained with the data obtained from the modeled system in AMESim were compared and it was seen that similar results were obtained.