Vi ved allerede, at den maksimale systemtryk kan styres med en normalt lukket trykreguleringsventil – dens primære port er forbundet til systemtrykket, og dens sekundære port er forbundet til tanken. Spolen styres ud fra det indstillede tryk: når primære og sekundære passage mødes ved et indstillet punkt, afledes en del af strømmen til tanken. Denne normalt lukkede trykreguleringsventil er en sikkerhedsventil. Dette kapitel omhandler alle typer trykreguleringsventiler – deres opbygning, kredsløbsanvendelser og vigtigste ydelsesegenskaber.

Trykjustering

Ved en trykreguleringsventil justeres trykket typisk ved at justere forspændingskraften på fjederen ved hjælp af en justeringsskru. Trykket ændres, når skruen drejes.

Figur 11-1 Normalt lukket trykreguleringsventil. Justeringsskruen indstiller fjederens forspænding, hvilket bestemmer, ved hvilket tryk spolen løftes og ventilen åbnes.

Anvendelsesområder for normalt lukkede trykventiler

I hydrauliske systemer har normalt lukkede trykkstyringsventiler flere anvendelsesområder. Ud over at fungere som systemovertryksventiler kan de også styre sekvensen af handlinger – altså styre, at én handling finder sted før en anden. De kan også bruges til at afbalancere eksterne mekaniske kræfter.

Rækkefølgeventil

En normalt lukket trykkstyringsventil, der styrer, at én handling finder sted før en anden, kaldes en sekvensventil.

Anvendelse af sekvensventilkredsløb

I en hydraulisk kreds, der udfører både spænding og boring, skal spændecylinderen udskubbes, inden boringcylinderen gør det. For at opnå dette placeres sekvensventilen i kredsen lige før boringcylinderen. Fjederen i sekvensventilen tillader ikke, at spolen forbinder de primære og sekundære passage, før trykket stiger tilstrækkeligt til at overvinde fjederkraften – indtil da blokeres strømmen til boringcylinderen. Derfor udskubbes spændecylinderen først. Når spændecylinderen kommer i kontakt med arbejdsemnet, skal pumpen levere et højere tryk for at overvinde modstanden. Dette øger trykket over det pilottryk, der virker på sekvensventilens spole, hvilket får spolen til at forbinde de primære og sekundære passage, så strømmen ledes til boringcylinderen – og boringcylinderen begynder derefter at bevæge sig.

Figur 11-2 Sekvensventilkreds. Da sekvensventilen blokerer strømmen til boringcylinderen, indtil systemtrykket bygges op, lukker spændemidlet altid først, inden boringen begynder.

Modvejtsventil

En normalt lukket trykstyringsventil, der bruges til at afbalancere eller støtte en vægt (f.eks. en presseplade), kaldes en modbalanceventil.

Anvendelse af modbalanceventilkreds

I en pressekreds vil pressepladen, der er forbundet til stempelstangen, falde ukontrolleret under tyngdekraften, når den retningsskiftende ventil sender strøm ind i den blinde ende af cylinderen, og pumpestrømmen vil blive suget tør. For at forhindre dette installeres en normalt lukket trykventil nedstrøms for pressecylinderen. Ventilens spole åbner ikke passage fra primær til sekundær side, før trykket i bunden stiger over trykket, der genereres af pladens vægt. Med andre ord afbalancerer denne metode pladens vægt gennem hele den fulde nedadgående bevægelse, mens olie tilføres den blinde ende af cylinderen.

Udligningsventilen kan også bruges til at bremse rotationsbevægelsen af en hydraulisk motor med tung belastning. For en hydraulisk motor, der driver tunge hjul, kan motoren overskride hastighedsgrænsen (løbe løbsk), så snart hjulene opnår momentum. Hvis en udligningsventil monteres ved motorens udløb, åbner ventilen kun, når udløbspresset når den indstillede værdi. Denne modtryk modsætter kraften, der opstår ved omformning af det tunge hjuls rotationsmomentum.

Figur 11-3 Udligningsventil. (Øverst) Forhindrer presplade i at falde ukontrolleret. (Nederst) Forhindrer motor med tung belastning i at overskride hastighedsgrænsen, når belastningen driver motoren.

Simpel sikkerhedsventil

En simpel sikkerhedsventil består i princippet af et ventilhus med en spole, der påvirkes af en hård fjeder. Når trykket på spolens side modsat fjederen stiger tilstrækkeligt, bevæger spolen sig og åbner en passage, så pumpens strømning afledes til tanken.

I eksempelkredsløbet er den simple trykafbryder indstillet, således at når pumpeudgangstrykket når 1.000 psi (68,97 bar), sker der en afladningsstrøm på 10 gpm (37,9 l/min). Dette betyder ikke, at ventilen pludseligt åbner ved 1.000 psi – i stedet begynder ventilen at åbne ved et lavt trykpunkt ved tryk under 1.000 psi (68,97 bar) og afleder en del af strømmen til tanken. Når trykket nærmer sig 1.000 psi (68,97 bar), øges åbningen gradvist for at lede mere strøm til tanken. Ved det indstillede trykpunkt på 1.000 psi (68,97 bar) er åbningen så stor, at den kan lede den fulde strøm på 10 gpm (37,9 l/min). Når systemtrykket falder under trykafbryderens åbningstryk, forsvinder passage til tanken, som er dannet af ventilåbningen, fra kredsløbet.

Temperaturpåvirkning på trykafbryderens indstilling

Åbningen af en trykafbryder fungerer i væsentlig grad som en drossel. Ligesom enhver anden drossel påvirkes strømmen gennem den af væskens temperatur og dermed af dens viskositet.

For en trykafbryderindstillet til 1.000 psi (68,97 bar) til at lede 10 gpm (37,9 l/min) tilbage, antages det, at olieviskositeten forbliver konstant. Ved stuetemperatur er viskositeten af olie i udstyrets beholder 400–500 SUS (86,3–107,9 cSt). Ved denne viskositet vil indstillingen af systemets trykafbryder til 1.000 psi (68,97 bar) lede 10 gpm (37,9 l/min) gennem åbningen og tilbage til beholderen. Når olien opvarmes, kan pumpepresningen blive begrænset til 900 psi (62 bar) eller lavere. Årsagen er, at når oliens temperatur stiger, falder viskositeten – f.eks. til 100 SUS (21,6 cSt). Dette betyder, at en lavere trykkraft kan presse 10 gpm (37,9 l/min) gennem åbningen i trykafbryderen og tilbage til beholderen.

Det modsatte sker, når trykafbryderen indstilles ved driftsviskositeten – når pumpen startes, er oliens temperatur lav, viskositeten høj, og pumpepresningen kan nå op på 1.100 psi (75,9 bar). For systemer med strenge maksimale grænser for pumpepresning bør systemet opvarmes, inden trykafbryderen justeres.

Figur 11-5 Temperaturpåvirkning af trykafladningsventilens indstilling. Kold (højviskøs) olie kræver højere tryk for at lede samme mængde gennem ventilen. Opvarm altid systemet, før trykafladningsventilen indstilles.

Påvirkning af pumpeslid på trykafladningsventilens indstilling

Pumpeuslæt påvirker også trykafbryderens indstilling. For en trykafbryder indstillet til at aflede 10 gpm (37,9 l/min) ved 1.000 psi (68,97 bar) kan 10 gpm (37,9 l/min) pumpeflow afledes gennem trykafbryderens åbning til tanken, så længe der leveres et tryk på 1.000 psi (68,97 bar) til trykafbryderens indgangsport. Når hydraulisk pumpe pumpen slits, falder dens udflydende flow; flowet gennem trykafbryderen falder også, og trykket falder dermed ligeledes. For en trykafbryder indstillet til at aflede 10 gpm (37,9 l/min) ved 1.000 psi (68,97 bar) kan systemets trykafbrydertryk kun være 900 psi (62 bar), når afledningsflowet på grund af pumpeslit faldt til 5 gpm (18,95 l/min). Ved justering af trykafbryderens indstilling vil lignende situationer opstå.

Simpel trykafladningsventils åbningstryk

Sprængtrykket er det tryk, hvor afslippningsventilen begynder at åbne sin omstyringskanal. For en simpel afslippningsventil er dette tryk lidt lavere end den indstillede værdi for afslippningsventilen. Simple afslippningsventiler har karakteristikken 'forudgående sprængtryk'.

På diagrammet over ydeevnen for den simple afslippningsventil er ventilen indstillet til at omstyre 10 gpm (37,9 l/min) ved 1.000 psi (68,97 bar). Kurven viser, at ventilen åbner ved 800 psi (55,2 bar), og når trykket nærmer sig 1.000 psi (68,97 bar), øges omstyringsstrømmen – endeligt ved 1.000 psi (68,97 bar) er åbningen i dysen stor nok til at lede 10 gpm (37,9 l/min) igennem.

Effekten af forudgående sprængtryk på systemet

Forudspændingstrykket for trykafladningsventilen er en ulempe for systemet. Antag, at pumpen/motoren producerer 750 psi (51,7 bar) og leverer 10 gpm (37,9 lpm) til aktuatoren, hvor 550 psi (37,9 bar) kræves til belastningen, og de resterende 200 psi (13,8 bar) overvinder væskemodstanden. Ved brug af en simpel trykafladningsventil indstillet til 1.000 psi (68,97 bar) forbliver ventilen på dette tidspunkt lukket, og al trykolie ledes direkte til den arbejdende belastning.

Hvis belastningstrykket stiger til 700 psi (48,28 bar), skal pumpen/motoren øge sin ydelse til 900 psi (62,1 bar) (under antagelse af konstant udflyd). Da forudspændingstrykket for trykafladningsventilen er 800 psi (55,2 bar), bliver 5 gpm (18,95 lpm) omledt ved det nuværende pumpepres, hvilket betyder, at aktuatoren modtager mindre end den fulde pumpestrøm og dermed udfører handlingen med reduceret hastighed. Samtidig strømmer olie gennem trykafladningsventilens åbning og genererer unødvendig varme.

Hvis belastningstrykket er 750 psi (51,7 bar), skal pumpe-/motoranlægget generere 950 psi (65,5 bar) – endnu højere tryk ved større strømningsmængde, der ledes forbi trykafbryderens åbning, hvilket yderligere sænker aktuatorhastigheden og genererer endnu mere unødvendig varme.

Figur 11-7 Effekten af forudspændingstryk. Den simple trykafbryder begynder at lede strømningen forbi, inden det indstillede tryk nås, hvilket reducerer aktuatorhastigheden og spilder energi som varme ved mellemværdier af belastningstrykket.

Normalt åben trykventil

Den normalt lukkede trykstyringsventil har sine primære og sekundære porte frakoblet i normal position og måler trykket på den primære port. Den normalt åbne trykventil har sine primære og sekundære porte forbundet i normal position og måler trykket på den sekundære port.

Reduceringsventil

Reduceringsventilen er typisk en normalt åben trykstyringsventil.

Sådan fungerer en reduceringsventil

En reduktionsventil fungerer ved at registrere trykket nedstrøms for ventilen. Når trykket nedstrøms svarer til ventilens indstilling, lukker spolen delvist, hvilket danner en åbning, der omdanner den overskydende trykenergi fra strømningsretningen opstrøms til varme. Hvis trykket nedstrøms falder, åbner spolen sig mere, så trykket kan stige igen.

Anvendelse af reduktionsventilkreds

I eksemplet på en klemmekreds kræves det, at klemmecylinder B udøver mindre kraft end klemmecylinder A. For at opnå dette installeres en reduktionsventil lige før klemmecylinder B for at reducere trykket til cylinder B til reduktionsventilens indstillede værdi. Ved denne indstillede trykpunkt skaber reduktionsventilens spolfunktion en åbning, der omdanner den overskydende trykenergi fra strømningsretningen opstrøms til varme. Cylinder B klemmer med det reducerede tryk.

Statisk trykfald (offset) for reduktionsventil

Trykken på reduktionsventilens sekundære port ved nominel strømningshastighed er lavere end ved nulstrømning. Forskellen mellem de to reducerede tryk kaldes reduktionsventilens statiske trykfaldsforskydning. Det statiske fald er en indbygget egenskab ved reduktionsventilen, der yderligere forklarer, hvorfor trykket stiger med stigende strømningshastighed. En reduktionsventil med en nominel kapacitet på 15 gpm (56,85 l/min) har ved nominel strømningshastighed og nominelt arbejdstryk en statisk trykfaldsforskydning på ca. 50 psi (3,45 bar), mens en reduktionsventil med en nominel kapacitet på 100 gpm (379 l/min) kan have en statisk trykfaldsforskydning på op til 150 psi (10,3 bar).

Figur 11-9 Statisk trykfald for reduktionsventil. Udgangstrykket er let lavere under strømning end ved standstilstand. Jo større den nominelle strømningskapacitet for ventilen er, jo større er denne forskydning.

Dræn — intern og ekstern

Når trykkreguleringsventilens spole bevæger sig inden i ventilkroppen, siver en del af det trykbelastede olie ind i rummet over spolen. For at ventilen kan fungere korrekt, skal rummet over spolen løbende aflede olie for at forhindre blokering af spolens bevægelse. Afledning opnås ved at indbygge en afledningskanal i ventilkroppen og tilslutte den til reservoiret.

Indre afledning

Hvis sekundærporten på trykkventilen er forbundet til reservoiret – som ved sikkerhedsventiler og modbalanceventiler – er afledningskanalen indvendigt forbundet med sekundærporten (returporten). Dette kaldes indre afledning.

Ydre afledning

Hvis sekundærporten på trykkventilen er en trykport (den arbejdende port), som ved sekvensventiler og reducerende ventiler, er afledningskanalen en separat ledning til reservoiret. Dette kaldes ydre afledning. Sekvensventiler og reducerende ventiler er typisk trykkreguleringsventiler med ydre afledning.

Direkte styring og fjernstyring

Indtil videre har trykmåling foregået gennem kanaler inde i ventilkroppen. Normalt foretages målingen ved primært port for normalt lukkede ventiler og ved sekundært port for normalt åbne ventiler. Denne form for trykmåling kaldes direkte styring eller lokal styring. En trykstyringsventil kan også måle trykket fra en anden del af systemet via et eksternt rør – dette kaldes fjernstyring eller pilotstyring.

Figur 11-10 Direkte styring (venstre) måler trykket ved ventilen egen port. Fjernstyring (højre) tillader et tryksignal fra en afstand at åbne eller justere ventilen – nyttig ved akkumulatorudlastning og sekventiel styring af flere aktuatorer.

Udlasterventil

En udlasterventil er en fjernstyret, normalt lukket trykstyringsventil. Når systemtrykket ved målepunktet når en forudindstillet værdi, afleder ventilen strømningen til tanken.

Anvendelse af udlasterventilkreds

I akkumulatorkredsen med en direkte styret trykventil returnerer pumpens udløbsstrøm til tanken ved trykventilens indstillede tryk, så snart akkumulatoren er ladet op til ventilen indstillede tryk. Dette spilder betydelig effekt og genererer store mængder unødigt varme. Ved at tilslutte styrelinjen til afspærringsventilen nedstrøms for afladningsventilen – således at når akkumulatoren er ladet op til ventilen indstillede tryk, åbner styretrykket ventilen og leder pumpens strøm til tanken ved det laveste tryk. På dette tidspunkt behøver pumpen ikke at levere højt tryk for at holde afladningsventilen åben, da styretrykket stammer fra akkumulatoren, som er isoleret fra pumpen af afspærringsventilen. Da pumpetrykket på dette tidspunkt er ubetydeligt, er også effekttabet ubetydeligt.

Figur 11-11 Afladningsventilkreds. Når akkumulatoren er ladet op, isolerer afspærringsventilen den fra pumpen, og afladningsventilen leder pumpens strøm til tanken ved minimalt tryk – hvilket sparer næsten al pumpeeffekt under standby.

Fjernstyret modvægtsventil

En direktevirkende modbalanceventil, installeret nedstrøms af cylinderen, der understøtter prespladen, kan effektivt afbalancere eller ophæve pladens vægt. Men under presprocessen, når pladen passerer gennem materialet, bør pladens vægt ikke tilføjes den samlede preskraft. Hvis dette ikke er ønskeligt, skal modbalanceventilen bruge fjernstyring, hvor dens styrelinje er forbundet til den anden cylindres arbejdslinje. Ved brug af en fjernstyret modbalanceventil er pladen stadig afbalanceret under nedadgående bevægelse, men under presprocessen kan pladens vægt anvendes som preskraft. Under hele den nedadgående slaglængde, når der er tomgang, forsøger pladens egen vægt at trække cylinderstangen nedad, hvilket medfører, at trykket opstrøms og trykket i styrelinjen falder, og modbalanceventilen har tendens til at lukke, hvilket øger modstanden og forhindrer strømningen i at følge med den nedadgående hastighed; under presprocessen åbnes modbalanceventilen fuldt ud af det høje opstrøms styretryk, så der ikke opstår modtryk på stangsidens side, og pladens vægt kan dermed bidrage til preskraften.

Direktevirkende modbalanceventil i en motorcirkuit

I den viste hydraulisk motorcirkuit anvendes en direktevirkende modbalanceventil til at bremse rotationsinertien fra den tunge belastning. Modbalanceventilen er indstillet til 800 psi (55,2 bar) og leverer altid modtryk til den roterende belastning, så belastningens hastighed ikke kan overstige pumpestrømmen og forårsage overspeed. Dette betyder dog også, at motorens indgangstryk skal være højere end belastningens arbejdstryk plus 800 psi (55,2 bar) — dette er en ulempe. For at omgå dette kan der i stedet anvendes en bremsventil.

Bremseventil

En bremsventil er en normalt lukket trykreguleringsventil med både direkte og fjernstyringsport. Begge styremetoder er forbundet samtidigt. Bremsventiler anvendes ofte sammen med hydrauliske motorer og erstatter direktevirkende modbalanceventiler i hydrauliske motorcirkuiter.

Konstruktion af bremsventil

Bremseventilen består af et ventilkrop, en skydeventil, en styrepiston, en forspændingsfjeder og en fjederindstillingsenhed. Ventilkroppen har primære, sekundære, interne styre- og eksterne styrekanaler.

Sådan fungerer bremseventilen

Bremseventilen er en normalt lukket ventil. Antag, at forspændingsfjederen er indstillet til direkte styring ved 800 psi (55,2 bar). Når trykket i den indre styrepassage når 800 psi (55,2 bar), bevæger styrepistonen sig opad og skubber spolen, hvilket åbner bremseventilen. Når trykket falder under 800 psi (55,2 bar), lukker ventilen. Denne virkning svarer præcis til den direktevirkende modbalanceventil. Arealet af den indre styrepistons overflade er betydeligt mindre end tværsnitsarealet af spolen – arealetforholdet er typisk 8:1. Den eksterne styreport er generelt forbundet til motorens anden arbejdslinje. Det eksterne tryk virker på den modsatte side af spolens fjederrum – kun 100 psi (6,89 bar) er nødvendigt for at åbne ventilen, da det virker på spolens nederste ende, som har et areal, der er otte gange større end styrepistonsarealet.

Anvendelse af bremseventilkreds

Antag, at bremsespidseren er indstillet til 800 psi (55,2 bar) direkte styring. Når trykket i motortilførselsledningen når 100 psi (6,89 bar), åbner bremsespidseren, og trykket i motortilførselsledningen anvendes fuldt ud til at dreje belastningen (forudsat, at 100 psi / 6,89 bar er højere). Hvis belastningen løber løbsk, falder trykket i motortilførselsledningen, bremsespidseren lukker, og modtrykket på 800 psi (55,2 bar) åbner igen, hvilket øger modstanden og sænker belastningens hastighed.

Bremsespidseren er en normalt lukket trykkontrolventil. Dens funktion er direkte relateret til behovene fra motorbelastningen.

Figur 11-13 Bremsespidser. I modsætning til en simpel modbalanceventil har bremsespidseren både direkte (indre) og fjernstyret (ydre) styring. Areaforholdet på 8:1 betyder, at kun 100 psi ydre pilottryk kræves for at åbne den – så motoren kan nemt drive belastningen, mens den samtidig leverer en bremsevirkning med modtryk på 800 psi, når belastningen forsøger at overskride hastigheden.

Omvendt strømning gennem trykkontrolventiler

Med undtagelse af trykafbrydere og aflastningsventiler kræver alle trykventiler typisk omvendt strømning for at kunne passere frit. Normalt lukkede trykventiler registrerer trykket på primærporten – hvis strømmen vendes, falder trykket på primærporten, spolen lukker, og forbindelsen mellem primær- og sekundærporten afbrydes. Da omvendt strømning ikke kan passere gennem normalt lukkede trykventiler, skal der bruges en tilbageholdelsesventil til at omgå denne type ventil.

Normalt åbne trykventiler registrerer trykket i sekundærkanalen – så længe strømmen vendes, forbliver trykket nedstrøms under den indstillede værdi, og ventilens passage forbliver altid åben, så der er ikke behov for en omvendt tilbageholdelsesventil. I praksis lukker spolen dog pludseligt, så snart trykket på sekundærporten stiger over den indstillede værdi. Som en forholdsregel bruges tilbageholdelsesventiler og reduktionsventiler ofte sammen for at sikre omvendt strømning.

Oversigt over trykstyringsventiler

Ud fra studiet i dette kapitel kan vi opsummere de vigtigste regler for trykstyringsventiler:

• Regel A: Trykkstyringsventiler med sekundære tilslutninger til en trykkkreds kræver ekstern afladning (sekvensventiler og reducerende ventiler).
• Regel B: Trykkstyringsventiler med sekundære tilslutninger til beholderen bruger typisk intern afladning (trykaflastningsventiler, aflastningsventiler, modbalanceventiler og bremseventiler).
• Regel C: For at tillade fri omvendt strømning gennem en trykkstyringsventil skal der anvendes en tilbageholdelsesventil.

Figur 11-15 Grafiske symboler for alle trykkstyringsventiler. Bemærk: Sekvensventiler og reducerende ventiler har altid eksterne afladningsledninger (vist som stiplede linjer til beholderen). Trykaflastnings-, aflastnings- og modbalanceventiler bruger intern afladning.

Terminologi for trykkstyringsventiler

Vigtige udtryk, der anvendes i forbindelse med trykkstyringsventiler:

• Direkte styring — Brug af olie fra den egne styrekanal i ventilkroppen til at styre spolen. "Lokal virkning" — spolen påvirkes udelukkende af fjederkraften.
• Aflastning til beholderen — Strømningen passerer gennem en trykaflastningsventil.
• Pilot — Den hydrauliske tryk, der bruges til at styre spolens bevægelse. Trykmåling fra en placering langt fra ventilen selv.
• Åbningstryk — Trykket, hvorved sikkerhedsventilen første gang begynder at åbne omledningskanalen.
• For-åbningstryk — Tendensen hos nogle ventiler (især simple sikkerhedsventiler) til at åbne under det indstillede tryk.
• Modtryk — Tryk på udløbsiden af en ventil eller aktuator, der modvirker strømning eller bevægelse.