Luku 9: Virtauksen säätöventtiilit

Reikä

Reikä on suhteellisen pieni aukko nestevirtauspolussa. Virtaus reiän läpi riippuu useista tekijöistä, joista kolme tärkeintä ovat:

1. Avointoimen Koko
2. Paine-ero reiän yli
3. Nesteen lämpötila

Reiän koon vaikutus virtaukseen

Reiän koko säätää sen läpi kulkevaa virtausta. Yleinen arkikäytön esimerkki on puutarhahanaan liitettävä suihkupää — jos suihkupään aukko on pieni, vesi tulee ulos hienona sumuna tai suihkuna. Jos aukko on suurempi, se muodostaa voimakkaan virtauksen. Molemmissa tapauksissa puutarhahanan suihkupää toimii reiänä, joka rajoittaa veden virtaussuuntaa — reiän läpi kulkeva virtaus määräytyy aukon koosta.

Kuva 9-1 Virtauksen säätöventtiili piirissä. Venttiili rajoittaa virtausta sylinteriin. Ylijäävä pumpun virtaus ohjautuu ylivirtausventtiilin kautta. Rajoitettu virtaus muuttuu potentiaalienergiaksi (nopeudeksi) reiässä.

Kiinteä virtausaukko

Kiinteällä suuttimella on avauskoko, jota ei voida säätää. Yleisimmät esimerkit hydraulitekniikassa ovat porattu reikä putken tukossa tai tarkistusventtiilissä tai tehtaalla eteenpäin asetettu virtauksen säätöventtiili.

Muuttuva suutin

Useimmiten tarvitaan muuttuvaa suutinta kiinteän sijasta, koska se on sopeutuvampi. Suulakeventtiilit, palloventtiilit ja neulaventtiilit ovat kaikki esimerkkejä muuttuvista suutimista.

Gate Valve

Suulakeventtiilin virtauskanava on suoraviivainen. Suuttimen koko muuttuu kääntämällä kahvaa, jolloin suulake avautuu tai sulkeutuu virtauskanavassa. Vaikka suulakeventtiilejä ei ole suunniteltu virtauksen säätöön, niitä voidaan joissakin karkeissa virtausmittausjärjestelmissä käyttää virtauksen rajoituslaitteina.

Palloventiili

Palloventtiilin virtauskanavat eivät ole suoraviivaisia – ne muodostavat 90°:n käännöksen. Suuttimena toimii istukka ja kartiomainen tai pallomainen istukka kääntyvässä kanavassa. Suuttimen avauksen kokoa säädään muuttamalla pallomaista istukkaa sen paikkaa.

Neeleventtiili

Virtaus neulaventtiilien läpi tekee myös 90°:n käännöksen ja kulkee sen jälkeen kapean aukon läpi. Tämä aukko muodostuu kartiomainen pääty omaavan venttiilisauvan ja venttiilin istukan välisestä raosta. Aukon kokoa muutetaan säätämällä kartiomaisen pinnan sijaintia suhteessa venttiilin istukkaan. Koska venttiilisauvassa on hienojakoinen kierre ja kärki on kartiomainen, aukon kokoa voidaan muuttaa hitaasti ja tarkasti. Hydraulijärjestelmissä neulaventtiili on yleisin muuttuva aukko.

Kuva 9-2: Muuttuvien aukkojen tyypit. Neulaventtiili (alhaalla) on yleisin hydraulijärjestelmissä – sen kartiomainen kärki ja hienojakoinen kierre mahdollistavat erinomaisen tarkan ja hitaan virtauksen säädön.

Neulaventtiilin käyttö piirissä

Esimerkkipiirissä käytetään 5 gpm (18,95 l/min) tilavuusvirtapumppua, turvalaitetta, suuntaventtiiliä, muuttuvaa aukkoa (neulaventtiiliä) ja hydraulisyylinteriä, jonka pisteen pinta-ala on 3 neliötuumaa (19,35 cm²). Jos turvalaitteen paine on asetettu 500 psi:ksi (34,48 bar) ja pumppu tuottaa 5 gpm:

Kun neulaventtiili rajoittaa virtausta vain 2 gpm:ksi (7,58 lpm), tangon nopeus = 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). Turvaläppä rajoittaa järjestelmän paineen 500 psi:ksi (34,48 bar) ohjaamalla jäljelle jäävät 3 gpm (11,37 lpm) säiliöön.

Neulaventtiilin aukeaminen

Neulaventtiilin ulospäin kääntäminen suurentaa virtausaukkoa — enemmän virtausta kulkee sylinteriin, kunnes saavutetaan turvaläppäpaineen raja. Tangon nopeus kasvaa.

Neulaventtiilin sulkeutuminen

Neulaventtiilin sisään kääntäminen pienentää virtausaukkoa. Vähemmän virtausta pääsee sylinteriin, joten tangon nopeus vähenee.

Paineerotteen vaikutus virtaukseen

Virtaus virtausaukon läpi riippuu paineerotteesta. Koska paine on potentiaalienergiaa hydraulijärjestelmässä, sitä suurempi paineerote virtausaukon yli on, sitä enemmän virtausta sen läpi kulkee.

Arkipäiväinen esimerkki — ilmapatja

Kun olet viettänyt päivän rannalla tai leirintäalueella, irrotat tulppaan ilmastetusta ilmamattosta ja annat ilman poistua vapaasti. Koska sisäisen ja ulkoisen paineen ero on pieni, matto kutistuu hitaasti. Purista mattoa kovasti – sisäinen paine nousee suhteessa ilmanpaineeseen, paine-ero kasvaa ja ilma poistuu nopeammin.

Purista hampaanpesuäyriä kevyesti – pieni määrä tulee ulos. Purista kovemmin – enemmän hampaanpesuäyriä pakotetaan ulos ja se saattaa päätyä lattialle. Jos hampaanpesuäyriä astutaan, sisäisen ja ilmanpaineen välinen ero on suurempi kuin käsin puristettaessa, joten enemmän hampaanpesuäyriä tulee ulos nopeammin.

Paine-eron vaikutus neulaventtiilin virtaukseen piirissä

Piirissä, joka on esitetty kuvassa, neulaventtiili rajoittaa 5 gpm (18,95 l/min) pumppuvirtauksen 3 gpm:ksi (11,37 l/min). Turvaläppä on asetettu 500 psi:n (34,48 bar) paineeseen. Kuormavastus on 200 psi (14 bar). Neulaventtiilin tulopaine vastaa turvaläppään asetettua painetta: 500 psi (34,48 bar). Näistä 500 psi:stä (34,48 bar) 200 psi (14 bar) kuluu kuorman voittamiseen; jäljelle jäävä 300 psi:n (21 bar) paine-ero ohjaa 3 gpm (11,3 l/min) virtausta neulaventtiilin läpi, mikä tuottaa tukivarren nopeuden 19,25 ft/min (5,87 m/min). Jäljelle jäävä 2 gpm (7,58 l/min) virtaa turvaläppän kautta säiliöön.

Turvaläppään asetetun paineen nostaminen

Kun kuorman paine ja neulaventtiilin asetus pysyvät muuttumattomina ja turvaläppä asetetaan 600 psi:n (41,38 bar) paineeseen, neulaventtiilin tulopaine nousee 600 psi:ksi (41,38 bar). Näistä 200 psi (14 bar) kuluu kuorman voittamiseen; nyt 400 psi:n (28 bar) paine-ero ohjaa 4 gpm (15 l/min) virtausta neulaventtiilin läpi. Tukivarren nopeus nousee 26 ft/min (7,92 m/min) arvoon.

Kuorman paine nousee

Aseta turvaventtiili takaisin arvoon 500 psi (34,48 bar) säätämättä neulaventtiiliä. Kuorman kasvaessa kuormapaine nousee arvoon 400 psi (28 bar). Neulaventtiilin tulopaine on edelleen 500 psi (34,48 bar), mutta nyt vain 100 psi (6,9 bar) paine-ero ohjaa virtausta neulaventtiilin läpi – vain 1 gpm (3,79 lpm). Tukiputken nopeus laskee arvoon 6 ft/min (30 mm/s). Loput 4 gpm (15 lpm) ohjautuvat turvaventtiilin yli.

Tämä osoittaa, että virtaus neulaventtiilin läpi muuttuu, kun paine muuttuu kummallakin puolella tukkosuutetta. Tarkkaan virtauksen mittaukseen neulaventtiilin läpi nämä painemuutokset on kompensoitava tai kumottava.

Nopeuden säätöventtiili (paineenkompensoitu virtauksen säätöventtiili)

Yllä olevista esimerkeistä nähdään, että mikä tahansa painemuutos kummallakin puolella suutinta vaikuttaa neulaventtiilin virtaukseen ja muuttaa toimilaitteen nopeutta. Tarkkaa virtauksen mittauksia suuttimen läpi paineen vaihtelun ollessa kyseessä varten nämä painemuutokset on kompensoitava. Neulaventtiili on ei-kompensoitu virtauksen säätöventtiili — se toimii hyvänä virtauksen mittauslaitteena niin kauan kuin paine-ero pysyy vakiona ja neula on keskitetty tarkasti. Tarkempaa virtauksen säätöä varten on käytettävä painekompensoitua virtauksen säätöventtiiliä (nopeuden säätöventtiiliä). Tämä on virtauksen säädin, joka kompensoi painemuutoksia sekä suuttimen eteen että taakse.

Nopeuden säätöventtiilit (paine-kompensoitut virtauksen säätöventtiilit) voidaan jakaa sisäänvirtaus- ja ohitus tyyppeihin.

Sisäänvirtausnopeuden säätöventtiilin rakenne

Sisäänvirtauspaine-kompensoitu virtauksen säätöventtiili koostuu venttiilirungosta, jossa on tulo- ja lähtöliittimet, neulaventtiilistä, kompensointiliukkasta ja jousikuormituksesta.

Sisäänvirtaus tyypin toimintaperiaate

Jotta ymmärrettäisiin, miten mittausvirtaukseen perustuva (meter-in) tyyppi toimii, analysoimme sen toimintaa vaihe vaiheelta. Kun kompensoiva liukusäätöventtiili on kokonaan siirtynyt puolelle A, kaikki tuleva paineöljy pääsee neulaventtiilin reiästä läpi. Niin kauan kuin kompensoiva liukusäätöventtiili siirtyy hieman kohti puolta B, tuleva paineöljy rajoitetaan. Jotta virtausaukko pysyisi auki, kompensoiva liukusäätöventtiili on jousitetty kohti puolta A. Neulaventtiilin tulopaine havaitaan sisäisen ohjauskanavan kautta kompensoivan liukusäätöventtiilin A-päässä — kun paine nousee yli jousivoiman, liukusäätöventtiili siirtyy kohti puolta B.

Jos neulaventtiilin aukon säätö tehdään siten, että sen läpi kulkee vähemmän kuin koko pumppuvirtaus, neulaventtiilin tulo paine nousee turvaläppäasetukseen. Kun neulaventtiilin tulo paine nousee yli kompensoivan liukusylinterin jousivoiman, kompensoiva liukusylinteri siirtyy kohti B:tä ja rajoittaa tulevaa virtausta. Kun virtaus kompensoivan liukusylinterin aukon läpi vastaa pumppun tuottovirtausta, neulaventtiilin tulo paine vakautuu jousipaineen arvoon. Esimerkiksi 100 psi:n (6,89 bar) jousiarvolla ja turvaläppäasetuksella 500 psi (34,48 bar): tulo paine on 500 psi (34,48 bar); kun öljy virtaa kompensoivan liukusylinterin aukon läpi, 400 psi (28 bar) muuttuu lämmöksi, jolloin neulaventtiilin tulo paine laskee 100 psi:een (6,89 bar). Tämä tarkoittaa, että riippumatta virtauksen säätöventtiilin tulo paineesta kompensoivan liukusylinterin vaikutuksesta neulaventtiilin tulo paine pidetään vakiona 100 psi:ssä (6,89 bar).

Kuva 9-5 Mittauspuolella sijaitseva nopeuden säätöventtiili (paineenkompensoitu). Kompensointiläppä pitää neulaventtiilin yli vaikutavan paine-eron vakiona riippumatta tulopaineen tai lähtöpaineen muutoksista — tarjoaa tarkan ja vakion virtauksen.

Aikaisemmassa neulaventtiilipiirissä paine-ero neulaventtiilin suuttimen yli on vain puolet koko tarinasta — myös neulaventtiilin lähtöpuolen paine on kompensoitava. Toisin sanoen paine-eron on pysyttävä vakiona. Tämän saavuttamiseksi neulaventtiilin lähtöpuolen paine ohjataan myös ohjauskanavan kautta kompensointiläppästä vaikutavan jousikammion tilaan. Nyt kaksi voimaa vaikuttaa kompensointiläppään A-puolelle: jousivoima ja lähtöpuolen öljypaine.

Jos jousivoima = 100 psi (6,89 bar), neulaventtiilin paine-ero rajoittuu siten, että se on suurempi kuin alapainealueen paine 100 psi:n (6,89 bar) verran. Niin kauan kuin turvaventtiili on asetettu riittävän korkealle, neulaventtiilin aukon paine-ero vastaa aina jousipaineen arvoa. Tällä tavoin paine-ero, joka pakottaa virtausta neulaventtiilin läpi, pysyy vakiona — sitä ei vaikuta yläpainealueen tai alapainealueen painevaihtelut.

Mittausvirtausnopeuden säätöventtiili piirissä

Piirissä mittausventtiilin nopeuden säätö on asetettu arvoon 3 gpm (11,37 l/min). Turvaventtiilin paine on 500 psi (34,48 bar) ja kuorman paine 200 psi (13,79 bar). Kompensointiläppäjousi = 100 psi (6,89 bar). Pumppu yrittää ohjata kaikki 5 gpm (18,95 l/min) neulaventtiilin läpi, mikä aiheuttaa neulaventtiilin tuloaukon paineen nousun. Kun paine saavuttaa 300 psi (21 bar), kompensointiläppä siirtyy ja rajoittaa virtausta, mikä nostaa virtauksen säädön tuloaukon painetta turvaventtiilin asetusarvoon 500 psi (34,48 bar). Nämä 500 psi (34,48 bar) jakautuvat seuraavasti: 200 psi (13,79 bar) käytetään kuorman voittamiseen; 100 psi (6,89 bar) ajaa virtausta neulaventtiilin läpi; loput 200 psi (13,79 bar) muuttuvat lämmöksi, kun virtaus kulkee kompensointiläppäaukon läpi. Virtaus tässä on 3 gpm (11,37 l/min) ja varren nopeus = 19 ft/min (97,83 mm/s).

Kuorman paineen ja turvaventtiilin asetusarvon nostaminen

Jos kuorman paine nousee 400 psi:een (27,58 bar) tai ylivuotopaine säädettäväksi 600 psi:in (41,38 bar), neulaventtiilin läpi kulkee edelleen 100 psi:n (6,89 bar) ajopaine. Selvittääksemme tämän: niin kauan kuin ylivuotopaine on riittävän korkea kompensoivan liukusylinterin siirtämiseksi, sylinteriin menevä lähtövirtaus pysyy vakiona 3 gpm (11,37 l/min).

Ohitus-tyyppisen nopeuden säätöventtiilin rakenne

Ohitus-tyyppinen nopeuden säätöventtiili koostuu venttiilikunnasta, jossa on tulo-, lähtö- ja paluuportit, neulaventtiilistä, kompensoivasta liukusylinteristä ja jousikuormituksesta.

Ohitus-tyypin toimintaperiaate

Tässä venttiilissä oleva kompensoiva liukusylinteri avaa ja sulkee ohituskanavan öljysäiliön paluupuoleen. Kompensoiva liukusylinteri on jousikuormitettu sulkeutumaan (alas-asetukseen). Jos jousen voima-arvo on 100 psi (6,89 bar), neulaventtiilin tulopaine rajoitetaan 100 psi:in (6,89 bar). Alkutilassa virtaus venttiilin läpi ohjataan kokonaan öljysäiliöön. Normaalissa käytössä kompensoiva liukusylinteri on jousikuormitettu suljetussa asennossa.

Nelikulmaisen venttiilin tuloaukon paine mitataan sisäisen ohjauskanavan kautta kompensoivan liukusylinterin yläpintaan. Kun paine nousee jousivoiman yläpuolelle, kompensoiva liukusylinteri toimii kuin turvaventtiili — avaten ohituskanavan ja rajoittaen nelikulmaisen venttiilin tuloaukon paineen 100 psi:hin (6,89 bar). Nelikulmaisen venttiilin kiinteä tuloaukon paine ei takaa vakiovirtausta — jos alapuolisen paineen arvo muuttuu, muuttuu myös nelikulmaisen venttiilin reiän paine-ero ja siten virtaus.

Tämän kompensoimiseksi nelikulmaisen venttiilin alapuolinen paine ohjataan ohjauskanavan kautta kompensoivan liukusylinterin jousivarausonteloon. Nyt kompensoivan liukusylinterin A-puolella on kaksi varausvoimaa: jousivoima ja alapuolinen öljypaine. Jos jousivoima vastaa 100 psi:tä (6,89 bar), nelikulmaisen venttiilin tuloaukon paine rajoitetaan 100 psi:hin (6,89 bar) alapuolisen paineen yläpuolelle. Niin kauan kuin turvaventtiili on asetettu riittävän korkealle, nelikulmaisen venttiilin reiän paine-ero on 100 psi (6,89 bar) — vakio.

Ohitustyyppinen nopeuden säätöventtiili piirissä

Ohitusmuotoinen nopeuden säätöventtiili, joka on asetettu 3 gpm:ksi (11,37 l/min). Ylivuotopaine 500 psi (34,48 bar), kuormapaine 200 psi (13,79 bar), jousipaine = 100 psi (6,89 bar). Pumppu yrittää ohjata kaikki 5 gpm (18,95 l/min) neulaventtiilin läpi. Kompensointiluisti avaa ohituskanavan ja rajoittaa neulaventtiilin tuloaukon painetta 300 psi:ksi (20,68 bar). Tästä 300 psi:stä: 200 psi (13,79 bar) voittaa kuorman ja 100 psi (6,89 bar) ohjaa 3 gpm (11,37 l/min) neulaventtiilin läpi. Loput 2 gpm (7,58 l/min) ohitetaan kompensointiluistin avautumasta suoraan takaisin säiliöön.

Kuva 9-8 Ohitusmuotoinen nopeuden säätöpiiri. Kompensointiluisti ohittaa ylimääräisen pumppuvirran suoraan säiliöön sen sijaan, että se ohjattaisiin ylivuotoventtiilin läpi. Tämä on energiatehokkaampi kuin mittaus sisään -tyyppinen piiri, koska ylimääräinen virtaus ei kulje koko järjestelmän paineessa.

Kuorman paineen ja turvaventtiilin asetusarvon nostaminen

Jos kuormaliikkeen paine nousee 400 psi:een (27,58 bar) tai turvaläppä asetetaan uudelleen 600 psi:in (41,38 bar), neulaläppän läpi virtaa edelleen 100 psi:n (6,89 bar) paine. Niin kauan kuin turvaläppä on asetettu riittävän korkealle, jotta kompensoiva liukusäiliö avautuu, sylinteriin menevä virtaus on vakio 3 gpm (11,37 l/min).

Lämpötilan vaikutus suodatinaukon virtaukseen

Kuten tämän luvun alussa mainittiin, kolme päätekijää, jotka vaikuttavat reiästä tapahtuvaan virtaukseen, ovat reiän koko, paine-ero ja öljyn lämpötila. Kun öljyn lämpötila muuttuu, myös sen viskositeetti muuttuu – ja kun öljyn viskositeetti muuttuu, myös reiästä tapahtuva virtaus muuttuu. Kiinteille rei’ille tai neulaventtiileille lämpötilan aiheuttamat virtausmuutokset eivät yleensä ole merkittäviä, koska reiän koko ja paine-ero ovat yleensä suuria suhteessa viskositeetin vaikutuksiin. Kuitenkin sovelluksissa, joissa vaaditaan erinomaista virtauksen tarkkaa säätöä, lämpötilan vaikutukset on otettava huomioon. Sekä virtauksen ohjaus (meter-in) että ohitustyyppiset nopeuden säätöventtiilit ovat yleensä riittäviä tyypillisissä teollisuuden hydrauliikkasovelluksissa.

Sovelluksissa, joissa vaaditaan erinomaista virtauksen tarkkaa säätöä – riippumatta lämpötilan muutoksista – voidaan käyttää lämpötilakorjattua virtauksen säätöventtiiliä. Tämä tyyppi korjaa myös lämpötilan vaikutukset.

Tärkeimmät kaavat – Luku 9