9. fejezet: Áramlásszabályozó szelepek

A nyílás

Egy nyílás egy viszonylag kis nyílás egy folyadékáramlás útvonalán. Az átfolyó áramlás több tényezőtől függ, amelyek közül a három legfontosabb:

1. Nyílás mérete
2. A nyíláson át ható nyomáskülönbség
3. Folyadék hőmérséklete

A nyílás méretének hatása az áramlásra

A nyílás mérete szabályozza az átfolyó áramlást. Egy gyakori mindennapi példa a kertcsapra szerelt permetezőfej — ha a permetezőfej nyílása kicsi, a víz finom permetként vagy szóróként jön ki. Ha a nyílás nagyobb, a víz sugárszerűen áramlik. Mindkét esetben a permetezőfej nyílása korlátozza a vízáramlás irányát — az átfolyó áramlás mértéke a nyílás méretétől függ.

9–1. ábra: Áramlásszabályozó szelep egy áramkörben. A szelep szabályozza az áramlást a henger felé. A szivattyú felesleges áramlási mennyisége a biztonsági szelepen keresztül távozik. A korlátozott áramlás potenciális energiává (sebességgé) alakul a nyíláson.

Rögzített nyílás

Egy rögzített nyílás mérete nem állítható. A hidraulikus technológiában a leggyakoribb példák a csődugóban vagy visszafolyásgátló szelepen kifúrt lyuk, illetve a gyári beállítású áramlásszabályozó szelep.

Változó nyílás

A változó nyílásra általában akkor van szükség, amikor rugalmasabb megoldásra van szükség, mint a rögzített nyílás biztosít. Kapucsapszelvek, gömbcsapok és tűszelepek mind példák változó nyílásra.

Kapuszelep

A kapucsapszelvek áramlási útja egyenes. A nyílás méretét a kezelőgomb elforgatásával változtatják meg, amellyel a folyamatsávban lévő kaput nyitják vagy zárják. Bár a kapucsapszelepeket nem áramlásszabályozásra tervezték, néhány durva áramlásmérő rendszerben áramláskorlátozó eszközként is használhatók.

A szálcsap

A gömbcsapok áramlási útja nem egyenes – 90°-os fordulatot tesz. A nyílás a szék és a forgó áramlási úton elhelyezkedő kúpos vagy gömb alakú dugó. A nyílás méretét a gömb dugó helyzetének megváltoztatásával állítják be.

Rézcsap

Az áramlás tűszelepekben is 90°-os kanyart tesz, majd áthalad egy nyíláson. Ez a nyílás a csúcsos végű szeleprúd és a szelepszék közötti résből áll. A nyílás méretét a kúpos felület pozíciójának beállításával változtatják meg a szelepszékhez képest. Mivel a szeleprúdon található beállító menet finommenetes, és a hegye csúcsos, a nyílás mérete fokozatosan változik. A hidraulikus rendszerekben a tűszelep a leggyakrabban használt változó nyílás.

9–2. ábra: Változó nyílás típusai. A tűszelep (alul) a leggyakoribb a hidraulikában – csúcsos vége és finom menete lehetővé teszi a nagyon pontos, fokozatos áramlásszabályozást.

Tűszelep alkalmazása egy áramkörben

A példakörben egy 5 gpm-es (18,95 L/perc) térfogatáramú szivattyú, egy biztonsági szelep, egy irányítószelep, egy változó nyílás (tűszelep) és egy 3 in²-es (19,35 cm²-es) dugattyúfelületű hidraulikus henger szerepel. Ha a biztonsági szelepet 500 psi-ra (34,48 bar-ra) állítják be, és a szivattyú 5 gpm-t szállít:

Amikor a tűszelep csak 2 gpm (7,58 l/perc) átfolyást enged meg, a rúdsebesség = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 láb/perc (3,96 m/perc). A biztonsági szelep 500 psi (34,48 bar) nyomásra korlátozza a rendszert úgy, hogy a maradék 3 gpm (11,37 l/perc) folyadékot a tartályba vezeti.

A tűszelep nyílásának kinyitása

A tűszelep kilazítása növeli a nyílás méretét – több folyadék áramlik át a hengerbe, amíg el nem éri a biztonsági szelep nyomáskorlátját. A rúdsebesség növekszik.

A tűszelep nyílásának bezárása

A tűszelep meghúzása csökkenti a nyílás méretét. Kevesebb folyadék jut be a hengerbe, így a rúdsebesség csökken.

Nyomáskülönbség hatása az átfolyásra

Az átfolyás egy nyíláson keresztül a nyomáskülönbségtől függ. Mivel a nyomás potenciális energiát jelent a hidraulikus rendszerben, minél nagyobb a nyíláson át ható nyomáskülönbség, annál nagyobb az átfolyás.

Mindennapi példa – levegőmatrac

Egy napos strand- vagy táborozási kaland után kihúzza a dugót egy felfújt levegőmatracból, és hagyja, hogy a levegő szabadon távozzon. Mivel a belső/külső nyomás-különbség kicsi, a matrac lassan összeesik. Erősen összenyomja a matracot – a belső nyomás emelkedik a légköri nyomáshoz képest, a nyomáskülönbség nő, és a levegő gyorsabban távozik.

Gyengéden összenyom egy fogkrémcsövet – kevés fogkrém jön ki. Erősen összenyomva több fogkrém jut ki, és akár a padlóra is kerülhet. Ha valaki rálép a fogkrémcsövre, a belső nyomás és a légköri nyomás közötti különbség nagyobb lesz, mint amikor kézzel nyomják össze, így több fogkrém jut ki gyorsabban.

A nyomáskülönbség hatása a tűszelep áramlására egy áramkörben

Az ábrán látható körben a tűszelep korlátozza a 5 gpm (18,95 L/perc) szivattyúáramot 3 gpm-re (11,37 L/perc). A biztonsági szelep beállítása: 500 psi (34,48 bar). Terhelés ellenállása: 200 psi (14 bar). A tűszelep bemeneti nyomása megegyezik a biztonsági szelep beállításával: 500 psi (34,48 bar). Ebből a 500 psi-ből (34,48 bar-ból) a 200 psi (14 bar) legyőzi a terhelés ellenállását; a maradék 300 psi (21 bar) nyomáskülönbség hajtja át a 3 gpm-es (11,3 L/perc) áramot a tűszelepen, így a dugattyúrúd sebessége 19,25 láb/perc (5,87 m/perc) lesz. A maradék 2 gpm (7,58 L/perc) áram a biztonsági szelepen keresztül jut a tartályba.

A biztonsági szelep beállításának növelése

A terhelésnyomás és a tűszelep beállítása változatlanul hagyva, a biztonsági szelep beállításának növelése 600 psi-re (41,38 bar-ra): a tűszelep bemeneti nyomása 600 psi (41,38 bar) lesz. Ebből a 200 psi (14 bar) legyőzi a terhelést; a maradék 400 psi (28 bar) nyomáskülönbség most 4 gpm (15 L/perc) áramot hajt át a tűszelepen. A dugattyúrúd sebessége 26 láb/perc-re (7,92 m/perc-re) emelkedik.

A terhelésnyomás nő

Állítsa vissza a biztonsági szelepet 500 psi (34,48 bar) értékre, miközben a tűszelepet változatlanul hagyja. A terhelés növekedése: a terhelésnyomás 400 psi-re (28 bar-ra) emelkedik. A tűszelep bemeneti nyomása továbbra is 500 psi (34,48 bar), de most már csak 100 psi (6,9 bar) nyomáskülönbség hajtja át a folyadékot a tűszelepen – csupán 1 gpm (3,79 lpm). A rudak sebessége 6 láb/perc-re (30 mm/mp-re) csökken. A maradék 4 gpm (15 lpm) a biztonsági szelepen keresztül távozik.

Ez azt mutatja, hogy a tűszelepen átáramló térfogatáram minden nyomásváltozásra reagál az áramlási nyílás mindkét oldalán. A tűszelepen átáramló térfogatáram pontos szabályozásához ezeket a nyomásváltozásokat ki kell küszöbölni, vagy kompenzálni kell őket.

Sebességszabályozó szelep (nyomáskompensált térfogatáram-szabályozó szelep)

A fenti példákból kitűnik, hogy bármely nyomásváltozás az átömlőnyílás mindkét oldalán hatással van a tűszelep átfolyására, és így megváltoztatja a működtető elem sebességét. Ahhoz, hogy az átömlőnyíláson keresztül pontosan szabályozzuk az átfolyást a nyomásváltozásoktól függetlenül, ezeket a nyomásváltozásokat ki kell egyenlíteni. A tűszelep egy nem kiegyenlített átfolyásszabályozó szelep – jó átfolyásmérő eszköz, amíg a nyomáskülönbség állandó marad, és a tű jól központosított. Pontosabb átfolyásszabályozáshoz nyomáskiegyenlített átfolyásszabályozó szelepet (sebességszabályozó szelepet) kell használni. Ez egy olyan átfolyásszabályozó, amely kiegyenlíti az átömlőnyílás előtti és utáni nyomásváltozásokat.

A sebességszabályozó szelepek (nyomáskiegyenlített átfolyásszabályozó szelepek) be-áramlás típusúra és elvezető típusúra oszthatók.

Be-áramlás típusú sebességszabályozó szelep felépítése

A be-áramlás típusú nyomáskiegyenlített átfolyásszabályozó szelep egy szeleptestből áll, amelynek bemeneti és kimeneti portjai vannak, valamint egy tűszelepből, egy kiegyenlítő csúszóelemből és egy előfeszített rugóból.

A be-áramlás típusú szelep működése

A bevezető típusú működés megértéséhez lépésről lépésre elemezzük a működését. Amikor a kiegyenlítő csúszka teljesen oldalra A felé tolódik el, az összes bejövő nyomásolaj a tűszelep nyílásához jut. Amíg a kiegyenlítő csúszka enyhén elmozdul oldalra B felé, a bejövő nyomásolaj szabályozott áramlásra kerül. Annak érdekében, hogy a folyadékáramlás nyitva maradjon, a kiegyenlítő csúszkát rugóerő hatására oldalra A felé húzzák. A tűszelep bemeneti nyomása egy belső vezérlőcsatornán keresztül érzékelődik a kiegyenlítő csúszka A végénél – amikor a nyomás meghaladja a rugóerőt, a csúszka oldalra B felé mozdul el.

Ha a tűszelep nyílását úgy állítják be, hogy a szivattyú teljes áramlási mennyiségénél kevesebb áramlik át rajta, akkor a tűszelep bemeneti nyomása eléri a biztonsági szelep beállított értékét. Amikor a tűszelep bemeneti nyomása meghaladja a kiegyenlítő csúszka rugóerőjét, a kiegyenlítő csúszka a B irányba tolódik el, és korlátozza a bejövő áramlást. Amikor a kiegyenlítő csúszka nyílásán átáramló mennyiség megegyezik a szivattyú kimeneti áramlási mennyiségével, a tűszelep bemeneti nyomása stabilizálódik a rugóerő értékén. Például egy 100 psi (6,89 bar)-os rugóerő és 500 psi (34,48 bar)-os biztonsági nyomásbeállítás esetén: a bemeneti nyomás 500 psi (34,48 bar); amikor az olaj áramlik a kiegyenlítő csúszka nyílásán, 400 psi (28 bar) nyomás hővé alakul, és így a tűszelep bemeneti nyomása 100 psi (6,89 bar)-ra csökken. Ez azt jelenti, hogy függetlenül a folyamatszabályozó szelep bemeneti nyomásától, a kiegyenlítő csúszka működése miatt a tűszelep bemeneti nyomása mindig 100 psi (6,89 bar) marad.

9–5. ábra: Bejárat felőli sebességszabályozó szelep (nyomáskiegyenlített). A kiegyenlítő csúszókar biztosítja, hogy a tűszelep két oldala közötti nyomáskülönbség állandó maradjon, függetlenül a bemeneti vagy kimeneti nyomás változásától – így pontos, állandó térfogatáramot biztosít.

A korábbi tűszelepes körben a tűszelep nyílásán át ható nyomáskülönbség csak a félig elmesélt történet – a tűszelep kimeneti oldalán lévő nyomást is kiegyenlíteni kell. Más szóval állandó nyomáskülönbséget kell fenntartani. Ennek eléréséhez a tűszelep kimeneti oldalán lévő nyomás szintén vezetve van egy vezérlőcsatornán keresztül a kiegyenlítő csúszókar rugóteresébe. Így a kiegyenlítő csúszókar A oldalára két erő hat: a rugóerő és a kimeneti oldali olajnyomás.

Ha a rugóerő = 100 psi (6,89 bar), akkor a tűszelep nyomáskülönbsége korlátozva lesz úgy, hogy a nyomáskülönbség mindig 100 psi-rel (6,89 bar-rel) nagyobb legyen a kifolyó oldali nyomásnál. Amíg a biztonsági szelep elegendően magasra van beállítva, a tűszelep nyílásának nyomáskülönbsége mindig megegyezik a rugóerő értékével. Ennek köszönhetően a tűszelepen keresztül folyadékot átvezető nyomáskülönbség állandó marad – nem befolyásolják az elő- vagy utóoldali nyomásingadozások.

Áramkörbe épített, bejárat felőli sebességszabályozó szelep

A körben a bejárat felőli sebességszabályozó szelep 3 gpm (11,37 L/perc) értékre van beállítva. Biztonsági szelep: 500 psi (34,48 bar), terhelésnyomás: 200 psi (13,79 bar). Kiegyenlítő csúszka rugója = 100 psi (6,89 bar). A szivattyú megpróbálja az összes 5 gpm (18,95 L/perc) térfogatáramot átvezetni a tűszelepen, ami miatt a tűszelep bemeneti nyomása emelkedik. Amikor a nyomás eléri a 300 psi-t (21 bar), a kiegyenlítő csúszka elmozdul és szabályozza az áramlást, így az áramlásszabályozó bemeneti nyomása eléri a biztonsági szelep beállított értékét, azaz 500 psi-t (34,48 bar)-t. Ebből a 500 psi-ből (34,48 bar-ból) 200 psi (13,79 bar) szükséges a terhelés leküzdéséhez; 100 psi (6,89 bar) hajtja az áramlást a tűszelepen keresztül; a fennmaradó 200 psi (13,79 bar) a 500 psi-ből hővé alakul, amint az áramlás áthalad a kiegyenlítő csúszka nyílásán. Az áramlási sebesség ebben az esetben 3 gpm (11,37 L/perc), a rúd sebessége pedig 19 láb/perc (97,83 mm/mp).

A terhelésnyomás és a biztonsági szelep beállítási értékének növelése

Ha a terhelésnyomás eléri a 400 psi-t (27,58 bar) értéket, vagy a túlnyomásvédőt 600 psi-ra (41,38 bar) állítják vissza, akkor is marad 100 psi (6,89 bar) nyomás, amely átfolyást biztosít a tűszelepen keresztül. Amíg a túlnyomásvédő beállítása elegendően magas ahhoz, hogy mozgassa a kompenzáló csúszkát, a henger felé irányuló kimeneti áramlás állandó 3 gpm (11,37 L/perc) lesz.

Közvetlen elvezetéses sebességszabályozó szelep szerkezete

A közvetlen elvezetéses sebességszabályozó szelep egy szelepházat tartalmaz, amelynek bemeneti, kimeneti és visszavezetési portjai vannak, valamint egy tűszelepet, egy kompenzáló csúszkát és egy előfeszítő rugót.

A közvetlen elvezetéses típus működése

Ebben a szelepen a kompenzáló csúszka megnyitja és bezárja a tankba vezető elvezető ágat. A kompenzáló csúszka rugóerővel van előfeszítve zárásra (alsó helyzet). Ha a rugó 100 psi-es (6,89 bar) erőt fejt ki, akkor a tűszelep bemeneti nyomása legfeljebb 100 psi (6,89 bar) lehet. Kezdeti állapotában a szelepen átáramló folyadék teljes mennyisége az olajtartályba kerül. Normál üzem során a kompenzáló csúszka rugóerővel van előfeszítve a zárt helyzetben.

A tűszelep bemeneti nyomása egy belső szabályozó csatornán keresztül érzékelhető a kompenzáló csúszka tetején. Amikor a nyomás meghaladja a rugóerő által kiváltott előfeszítést, a kompenzáló csúszka úgy működik, mint egy nyomáscsökkentő szelep – megnyitja az elvezető csatornát, és így korlátozza a tűszelep bemeneti nyomását 100 psi-ra (6,89 bar-ra). A tűszelep rögzített bemeneti nyomása nem biztosít állandó térfogatáramot – ha a kimenő oldali nyomás megváltozik, a tűszelep nyílásán fellépő nyomáskülönbség is megváltozik, és ezzel az áramlás is megváltozik.

Ennek kiegyenlítésére a tűszelep kimenő oldali nyomása egy szabályozó csatornán keresztül jut a kompenzáló csúszka előfeszítő rugóterébe. Így a kompenzáló csúszka A-oldalán két előfeszítő erő hat: a rugóerő és a kimenő oldali olajnyomás. Ha a rugóerő 100 psi (6,89 bar), akkor a tűszelep bemeneti nyomása a kimenő oldali nyomásnál 100 psi-rel (6,89 bar-rel) lesz magasabb. Amíg a nyomáscsökkentő szelep elegendően magasra van beállítva, a tűszelep nyílásán fellépő nyomáskülönbség 100 psi (6,89 bar) marad – állandó érték.

Elvezető típusú sebességszabályozó szelep egy áramkörben

A bypass típusú sebességszabályozó szelep 3 gpm (11,37 L/perc) értékre van beállítva. Biztonsági nyomás: 500 psi (34,48 bar), terhelés: 200 psi (13,79 bar), rugóerő: 100 psi (6,89 bar). A szivattyú megpróbálja az összes 5 gpm (18,95 L/perc) térfogatáramot átvezetni a tűszelepen. A kiegyenlítő csúszka megnyitja a bypass-ággat, így a tűszelep bemeneti nyomását 300 psi-ra (20,68 bar-ra) korlátozza. Ennek a 300 psi-nak a 200 psi-ja (13,79 bar) a terhelést küzdöti le, a maradék 100 psi (6,89 bar) hajtja a 3 gpm (11,37 L/perc) térfogatáramot a tűszelepen keresztül. A fennmaradó 2 gpm (7,58 L/perc) a kiegyenlítő csúszka nyílásán keresztül bypass-olódik vissza a tartályba.

9–8. ábra: Bypass típusú sebességszabályozó kör. A kiegyenlítő csúszka a szivattyú túlfolyását közvetlenül a tartályba vezeti, nem pedig a biztonsági szelepen keresztül. Ez energiatakarékosabb, mint a „bejáratnál mérő” típus, mivel a túlfolyás nem halad át a teljes rendszer nyomásán.

A terhelésnyomás és a biztonsági szelep beállítási értékének növelése

Ha a terhelésnyomás eléri a 400 psi-t (27,58 bar) értéket, vagy a túlnyomásvédőt 600 psi-ra (41,38 bar) állítják vissza, akkor a tűszelep átjáróján továbbra is 100 psi (6,89 bar) nyomás hat, amely a folyadékot átvezeti. Amíg a túlnyomásvédő beállítása elegendően magas ahhoz, hogy kinyissa a kompenzáló csúszkát, a hengerhez vezető kimenő térfogatáram állandó 3 gpm (11,37 L/perc) marad.

Hőmérséklet hatása a nyíláson átáramló folyadékra

Ahogy e fejezet elején említettük, az átfolyási nyílásra ható három fő tényező a nyílás mérete, a nyomáskülönbség és az olaj hőmérséklete. Amikor az olaj hőmérséklete megváltozik, a viszkozitása is megváltozik – amikor az olaj viszkozitása változik, az átfolyási nyíláson keresztül áramló mennyiség is megváltozik. Rögzített nyílásoknál vagy tűszelepeknél a hőmérsékletváltozásból eredő átfolyási változások általában nem jelentősek, mivel a nyílás mérete és a nyomáskülönbség általában nagyobb mértékű, mint a viszkozitás hatása. Azonban olyan alkalmazásoknál, amelyek rendkívül pontos átfolyásszabályozást igényelnek, a hőmérsékleti hatásokat figyelembe kell venni. A bevezető (meter-in) és a mellékági (bypass-típusú) sebességszabályozó szelepek általában megfelelők a tipikus ipari hidraulikus alkalmazásokhoz.

Rendkívül pontos átfolyásszabályozást igénylő alkalmazásokhoz – függetlenül a hőmérsékletváltozásoktól – hőmérséklet-kiegyenlítő átfolyásszabályozó szelep használható. Ez a típus szintén kiegyenlíti a hőmérsékleti hatásokat.

Fontos képletek – 9. fejezet