Kapitel 9: Strømningsreguleringsventiler

Åbningen

En åbning er en relativt lille åbning i en væskestrømningsbane. Strømmen gennem en åbning påvirkes af flere faktorer; de tre vigtigste er:

1. Åbningstørrelse
2. Trykforskellen over åbningen
3. Væsketemperatur

Effekten af åbningsstørrelsen på strømmen

Åbningsstørrelsen styrer strømmen gennem den. Et almindeligt eksempel fra hverdagen er en havevandslange-dysæ: Hvis dysens åbning er lille, kommer vandet ud som en fin tåge eller spray. Hvis åbningen er større, bliver det til en jetstrøm. I begge tilfælde begrænser dysens åbning vandstrømmens retning — strømmen gennem åbningen bestemmes af åbningsstørrelsen.

Figur 9-1: Flowreguleringsventil i en kreds. Ventilen indskrænker strømmen til cylinderen. Overskydende pumpestrøm ledes over trykafbryderventilen. Den indskrænkede strøm omdannes til potentiel energi (hastighed) ved åbningen.

Faste åbning

En fast åbning har en åbningsstørrelse, der ikke kan justeres. De mest almindelige eksempler inden for hydraulikteknik er det boret hul i en rørprop eller en tilbageholdelsesventil eller den fra fabrikken forindstillede strømningsreguleringsventil.

Justerbar åbning

I de fleste tilfælde er en justerbar åbning nødvendig i stedet for en fast, fordi den er mere fleksibel. Spændventiler, kugleventiler og nålventiler er alle eksempler på justerbare åbninger.

Portventil

En spændventil har en lige gennemstrømningskanal. Størrelsen på åbningen ændres ved at dreje håndtaget for at åbne eller lukke spærren i strømningsvejen. Selvom spændventiler ikke er designet til strømningsregulering, kan de i nogle grove strømmålingssystemer bruges som strømningsbegrænsningsanordninger.

Boldventil

Gennemstrømningskanalerne i kugleventiler er ikke lige — de danner en 90°-drejning. Åbningen udgøres af sædet og den kegleformede eller kugleformede pluggen i den drejbare kanal. Åbningsstørrelsen justeres ved at ændre placeringen af kuglepluggen.

Nålventil

Strømningen gennem nåleventiler foretager også en 90°-drejning og passerer derefter gennem en åbning. Denne åbning består af spalten mellem en konisk afsluttet ventilstang og ventilsædet. Størrelsen på åbningen ændres ved at justere konens overflades position i forhold til ventilsædet. Da justeringstrådene på ventilstangen er fintrådede og spidsen er konisk, ændres størrelsen på åbningen gradvist. I hydrauliske systemer er nåleventilen den mest anvendte variable åbning.

Figur 9-2: Typer af variable åbninger. Nåleventilen (nederst) er den mest almindelige i hydraulik — dens koniske spids og fine tråde gør det muligt at justere strømningen meget præcist og gradvist.

Anvendelse af nåleventil i en kreds

Eksempelkredsen bruger en positiv forskydningspumpe på 5 gpm (18,95 L/min), en trykafbryderventil, en retningventil, en variabel åbning (nåleventil) og en hydraulisk cylinder med et stemmelfladeareal på 3 in² (19,35 cm²). Hvis trykafbryderventilen er indstillet til 500 psi (34,48 bar) og pumpen leverer 5 gpm:

Når nåleventilen begrænser strømmen til kun 2 gpm (7,58 l/min), er stanghastigheden = 2 × 19,25 / 3 = 13 fod/min (3,96 m/min). Trykafbryderen begrænser systemtrykket til 500 psi (34,48 bar), idet den afleder de resterende 3 gpm (11,37 l/min) til tanken.

Åbning af nåleventilens åbning

At dreje nåleventilen ud øger åbningen – mere væskestrøm passerer ind i cylinderen, indtil trykafbryderens trykgrænse nås. Stanghastigheden øges.

Lukning af nåleventilens åbning

At dreje nåleventilen ind reducerer åbningen. Mindre væskestrøm trænger ind i cylinderen, så stanghastigheden falder.

Effekten af trykforskel på strømning

Strømningen gennem en åbning påvirkes af trykforskellen. Da tryk er potentiel energi i et hydraulisk system, vil større trykforskel over en åbning resultere i større strømning gennem den.

Almindelig eksempel – luftmadras

Efter en dag på stranden eller lejren fjerner du stikket fra en luftfyldt luftmadras og lader luften slippe frit ud. Da trykforskellen mellem indre og ydre tryk er lille, kollapser madrassen langsomt. Tryk hårdt på madrassen – det indre tryk stiger i forhold til atmosfærisk tryk, forskellen bliver større, og luften strømmer hurtigere ud.

Tryk forsigtigt på en tube tandpasta – en lille mængde kommer ud. Tryk hårdt – mere tandpasta presses ud og kan lande på gulvet. Hvis tandpastatuben trampes på, er trykforskellen fra indre tryk til atmosfærisk tryk større end ved manuel komprimering, så der afgives mere tandpasta hurtigere.

Effekten af trykforskel på nålventilens strømning i en kreds

I kredsløbet vist begrænser nåleventilen pumpestrømmen på 5 gpm (18,95 L/min) til 3 gpm (11,37 L/min). Trykafbryderens indstilling er 500 psi (34,48 bar). Belastningsmodstand er 200 psi (14 bar). Indgangstrykket til nåleventilen svarer til trykafbryderens indstilling: 500 psi (34,48 bar). Af disse 500 psi (34,48 bar) overvinder 200 psi (14 bar) belastningsmodstanden; den resterende trykforskel på 300 psi (21 bar) driver 3 gpm (11,3 L/min) igennem nåleventilen og giver stanghastigheden 19,25 ft/min (5,87 m/min). De resterende 2 gpm (7,58 L/min) strømmer gennem trykafbryderen til tanken.

Forhøjelse af trykafbryderens indstilling

Med uændret belastningstryk og uændret indstilling af nåleventilen forhøjes trykafbryderens indstilling til 600 psi (41,38 bar): indgangstrykket til nåleventilen bliver nu 600 psi (41,38 bar). Af disse 600 psi (41,38 bar) overvinder 200 psi (14 bar) belastningen; den nuværende trykforskel på 400 psi (28 bar) driver 4 gpm (15 L/min) igennem nåleventilen. Stanghastigheden stiger til 26 ft/min (7,92 m/min).

Belastningstrykket stiger

Nulstil trykafbryderventilen tilbage til 500 psi (34,48 bar) med nåleventilen uændret. Belastningen stiger: belastningstrykket stiger til 400 psi (28 bar). Indgangstrykket til nåleventilen er stadig 500 psi (34,48 bar), men nu er kun en trykforskel på 100 psi (6,9 bar), der driver strømningen gennem nåleventilen – kun 1 gpm (3,79 lpm). Stanghastigheden falder til 6 ft/min (30 mm/s). Den resterende 4 gpm (15 lpm) går over trykafbryderventilen.

Dette demonstrerer, at strømningen gennem en nåleventil ændrer sig ved enhver trykvariation på hver side af åbningen. For at måle strømningen gennem en nåleventil præcist, skal disse trykvariationer annulleres eller kompenseres.

Hastighedsreguleringsventil (trymkompenseret strømningsreguleringsventil)

Fra eksemplerne ovenfor påvirker enhver trykændring på hver side af åbningen strømmen gennem nåleventilen og ændrer aktuatorhastigheden. For at præcist måle strømmen gennem en åbning uanset trykvariationer skal disse trykvariationer kompenseres. En nåleventil er en ikke-kompenseret strømningsreguleringsventil – den er et godt strømmålingsredskab, så længe trykforskellen forbliver konstant og nålen er korrekt centreret. Til mere præcis strømstyring bør der anvendes en trykkompenseret strømningsreguleringsventil (hastighedsreguleringsventil). Dette er en strømstyringsenhed, der kompenserer for trykændringer både før og efter åbningen.

Hastighedsreguleringsventiler (trykkompenserede strømningsreguleringsventiler) kan opdeles i indstrømnings- og omgåelsesudgaver.

Opbygning af indstrømningshastighedsreguleringsventil

Den indstrømningsbaserede trykkompenserede strømningsreguleringsventil består af et ventilleget med indgangs- og udgangsporte, en nåleventil, en kompenserende skydeventil og en forspændingsfjeder.

Funktionen af indstrømningsudgaven

For at forstå, hvordan typen med indmåling fungerer, analyserer vi dens funktion trin for trin. Når den kompenserende skyveventil er fuldt ud skubbet til side A, når al indgående trykolie til nålventilens åbning. Så længe den kompenserende skyveventil bevæger sig lidt mod side B, bliver den indgående trykolie strammet. For at holde strømningskanalen åben er den kompenserende skyveventil fjederbelastet mod side A. Trykket ved nålventilens indgang registreres gennem en intern styrepassage til side A af den kompenserende skyveventil – når trykket stiger over fjederkraften, skubbes skyveventilen mod side B.

Hvis nåleventilens åbning justeres, således at der går mindre end den fulde pumpestrøm igennem den, stiger trykket ved nåleventilens indgang til trykreguleringsventilens indstilling. Når trykket ved nåleventilens indgang stiger over kompenseringsspændets fjederkraft, forskydes kompenseringsspændet mod B og begrænser den indgående strøm. Når strømmen gennem kompenseringsspændets åbning er lig med pumpens udgangsstrøm, stabiliseres trykket ved nåleventilens indgang på fjedertrykkets værdi. For eksempel med en fjederkraft på 100 psi (6,89 bar) og trykreguleringsventil indstillet til 500 psi (34,48 bar): indgangstrykket er 500 psi (34,48 bar); når olie strømmer gennem kompenseringsspændets åbning, omdannes 400 psi (28 bar) til varme, hvilket sænker trykket ved nåleventilens indgang til 100 psi (6,89 bar). Dette betyder, at uanset trykket ved strømningsreguleringsventilens indgang holdes trykket ved nåleventilens indgang på 100 psi (6,89 bar) på grund af kompenseringsspændets virkning.

Figur 9-5 Hastighedsreguleringsventil med indstrømningsstyring (trykkompenseret). Den kompenserende skydeholder trykfaldet over nålventilen konstant uanset ændringer i indgangs- eller udgangstryk – og leverer en præcis, konstant strømning.

For den tidligere kredsløbsopsætning med nålventil er trykforskellen over nålventilens åbning kun halvdelen af historien – trykket nedstrøms nålventilen skal også kompenseres. Med andre ord skal et konstant trykfald opretholdes. For at opnå dette ledes trykket nedstrøms nålventilen også gennem en styrepassage til kompenseringsskydens fjederkammer. Nu virker to kræfter på kompenseringsskydens A-side: fjederkraften og oliepresset nedstrøms.

Hvis fjederkraften = 100 psi (6,89 bar), vil trykforskellen over nåleventilen være begrænset til at være højere end trykket på udløbssiden med 100 psi (6,89 bar). Så længe trykafbryderen er indstillet til et tilstrækkeligt højt tryk, svarer trykforskellen over nåleåbningen altid til fjedertrykket. På denne måde er trykforskellen, der driver strømningen gennem nåleventilen, konstant — og påvirkes ikke af svingninger i trykket på indløbssiden eller udløbssiden.

Indstrømningshastighedsreguleringsventil i en kreds

I kredsløbet er hastighedsreguleringsventilen for indstrømning indstillet til 3 gpm (11,37 L/min). Trykafbryderen er indstillet til 500 psi (34,48 bar), og belastningstrykket er 200 psi (13,79 bar). Kompenseringsspolefjederen = 100 psi (6,89 bar). Pumpen forsøger at drive alle 5 gpm (18,95 L/min) igennem nålventilen, hvilket får trykket ved nålventilens indgang til at stige. Ved 300 psi (21 bar) skifter kompenseringsspolen position og begrænser strømmen, hvilket får trykket ved strømningsreguleringsventilens indgang til at stige til trykafbryderens indstilling på 500 psi (34,48 bar). Af disse 500 psi (34,48 bar) anvendes 200 psi (13,79 bar) til at overvinde belastningen; 100 psi (6,89 bar) driver strømmen igennem nålventilen; de resterende 200 psi (13,79 bar) af de 500 psi omdannes til varme, når strømmen passerer igennem kompenseringsspolens åbning. Strømmen her er 3 gpm (11,37 L/min), og stangens hastighed er 19 ft/min (97,83 mm/s).

Øgelse af belastningstryk og trykafbryderindstilling

Hvis belastningstrykket stiger til 400 psi (27,58 bar) eller trykudligningen nulstilles til 600 psi (41,38 bar), er der stadig 100 psi (6,89 bar), der driver strømningen gennem nåleventilen. Så længe trykudligningen er indstillet højt nok til at bevæge den kompenserende spole, vil udflyden til cylinderen være en konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Bypass-type hastighedsreguleringsventil-konstruktion

Bypass-typen hastighedsreguleringsventil består af et ventilleget med indgangs-, udgangs- og returtilslutninger, en nåleventil, en kompenserende spole og en forspændingsfjeder.

Sådan fungerer bypass-typen

Den kompenserende spole i denne ventil åbner og lukker en bypass-kanal til tankreturen. Den kompenserende spole er fjederbelastet til at lukke (nedre position). Hvis fjederens kraftværdi er 100 psi (6,89 bar), vil trykket ved nåleventilens indgang blive begrænset til 100 psi (6,89 bar). Når strømningen gennem ventilen i sin oprindelige tilstand fuldt ud sendes til oliebeholderen. Under normal drift er den kompenserende spole fjederbelastet i lukket position.

Indgangstrykket til nåleventilen registreres via en intern styrepassage til toppen af kompenseringsspolen. Når trykket stiger over fjederkraften, fungerer kompenseringsspolen som en trykafbryder — og åbner bypass-passen, hvilket begrænser indgangstrykket til nåleventilen til 100 psi (6,89 bar). Det faste indgangstryk til nåleventilen sikrer ikke en konstant strømning — hvis udløbstrykket ændres, ændres trykforskellen over nåleåbningen, og strømningen ændres.

For at kompensere for dette ledes udløbstrykket fra nåleventilen gennem en styrepassage til fjederrummet i kompenseringsspolen. Nu har kompenseringsspolen på side A to kraftkomponenter: fjederkraften og udløbsoliepresset. Hvis fjederkraften svarer til 100 psi (6,89 bar), vil indgangstrykket til nåleventilen blive begrænset til 100 psi (6,89 bar) over udløbstrykket. Så længe trykafbryderen er indstillet til et tilstrækkeligt højt tryk, vil trykforskellen over nåleåbningen være lig med 100 psi (6,89 bar) — konstant.

Hastighedsreguleringsventil af bypass-type i en kreds

Hastighedsreguleringsventil af omgåelses-type indstillet til 3 gpm (11,37 L/min). Trykafbryder: 500 psi (34,48 bar), belastning: 200 psi (13,79 bar), fjederkraft: 100 psi (6,89 bar). Pumpen forsøger at drive alle 5 gpm (18,95 L/min) gennem nåleventilen. Den kompenserende skydeåbning åbner omgåelseskanalen og begrænser indgangstrykket til nåleventilen til 300 psi (20,68 bar). Af dette tryk på 300 psi: 200 psi (13,79 bar) overvinder belastningen, og 100 psi (6,89 bar) driver 3 gpm (11,37 L/min) gennem nåleventilen. De resterende 2 gpm (7,58 L/min) ledes omkring via den kompenserende skydeåbning tilbage til beholderen.

Figur 9-8: Hastighedsreguleringskreds af omgåelses-type. Den kompenserende skyde leder overskydende pumpeflow direkte til beholderen i stedet for at sende det gennem trykafbryderen. Dette er mere energieffektivt end meter-in-typen, da det overskydende flow ikke passerer hele systemtrykket.

Øgelse af belastningstryk og trykafbryderindstilling

Hvis belastningstrykket stiger til 400 psi (27,58 bar) eller trykudligningen nulstilles til 600 psi (41,38 bar), er der stadig 100 psi (6,89 bar), der presser strømningen gennem nåleventilen. Så længe trykudligningen er indstillet højt nok til at åbne kompenseringsspolen, er udgangen til cylinderen konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Temperaturpåvirkning på strømningshæmning

Som nævnt i begyndelsen af dette kapitel er de tre primære faktorer, der påvirker strømningshastigheden gennem en åbning, størrelsen af åbningen, trykforskellen og olie temperaturen. Når oliens temperatur ændres, ændres dens viskositet – og når oliens viskositet ændres, ændres strømningshastigheden gennem åbningen også. For faste åbninger eller nåleventiler er temperaturinducerede strømningsændringer normalt ikke betydelige, fordi åbningsstørrelsen og trykforskellen generelt er store i forhold til viskositetseffekterne. For applikationer, der kræver meget præcis strømningskontrol, skal temperaturpåvirkningen dog tages i betragtning. Både meter-in- og bypass-typer af hastighedsreguleringsventiler er generelt tilstrækkelige til almindelige industrielle hydraulikanvendelser.

For applikationer, der kræver ekstremt præcis strømningskontrol – uanset temperaturændringer – kan der anvendes en temperaturkompenseret strømningsreguleringsventil. Denne type kompenserer også for temperaturpåvirkningen.

Nøgleformler – Kapitel 9