9. nodaļa: Plūsmas regulēšanas vārsti

Atveres caurums

Atveres caurums ir salīdzinoši neliela atvere šķidruma plūsmas ceļā. Plūsma caur atveres caurumu ir ietekmēta vairāku faktoru, no kuriem trīs galvenie ir:

1. Cauruma izmērs
2. Spiediena starpība caur atveres caurumu
3. Šķīduma temperatūra

Atveres cauruma izmēra ietekme uz plūsmu

Atveres cauruma izmērs regulē plūsmu caur to. Parasts ikdienas piemērs ir dārza ūdensvada sprausla — ja sprauslas atvere ir maza, ūdens izplūst kā smalka migla vai šķīvētā strūkla. Ja atvere ir lielāka, tā kļūst par spēcīgu strūklu. Abos gadījumos dārza ūdensvada sprauslas atveres caurums ierobežo ūdens plūsmas virzienu — plūsma caur atveres caurumu nosaka atveres izmērs.

Attēls 9-1. Plūsmas regulēšanas vārsts ķēdē. Vārsts regulē plūsmu uz cilindru. Pārpalikusī sūkņa plūsma pāriet pār drošības vārstu. Ierobežotā plūsma pie atveres cauruma pārvēršas potenciālajā enerģijā (ātrumā).

Fiksēta atvere

Fiksēta cauruma lieluma regulētājs ir tāds, kura atvēruma izmēru nevar regulēt. Hidraulikas tehnoloģijā visbiežāk sastopamie piemēri ir urbums cauruļu aizbāznī vai vārstā pretplūsmas vārstā vai rūpnīcā iestatītais plūsmas regulēšanas vārsts.

Mainīgais cauruma lieluma regulētājs

Biežāk tiek izmantots mainīgais cauruma lieluma regulētājs, nevis fiksētais, jo tas ir pielāgojamāks. Vārtu vārsti, lodveida vārsti un adatas vārsti ir visi piemēri mainīgiem cauruma lieluma regulētājiem.

Vārtu vārsts

Vārtu vārsta plūsmas caurlaide ir taisna. Cauruma lielumu maina, pagriežot rokturi, lai atvērtu vai aizvērtu vārtus plūsmas ceļā. Lai arī vārtu vārsti nav paredzēti plūsmas regulēšanai, dažos aptuvenos plūsmas mērīšanas sistēmās tos var izmantot kā plūsmas ierobežošanas ierīces.

Globulesvērtne

Lodveida vārsta plūsmas caurlaides nav taisnas — tās veido 90° pagriezienu. Caurums ir sēdekļa un koniskā vai lodveida aizbāžņa vietā pagriezīgajā caurlaidē. Cauruma atvēruma izmēru regulē, mainot lodveida aizbāžņa stāvokli.

Adatas vārsts

Plūsma caur adatas vārstiem arī veic 90° pagriezienu, pēc tam iet cauri atverei. Šī atvere sastāv no koniskas galas vārsta stieņa un vārsta sēdekļa starpā esošā sprauga. Atveres lielumu maina, regulējot koniskās virsmas atrašanās vietu attiecībā pret vārsta sēdekli. Tā kā vārsta stieņa regulēšanas uzvijumi ir ar mazu soli un galotne ir koniska, šī atvere pakāpeniski maina savu lielumu. Hidrauliskajos sistēmās adatas vārsts ir visbiežāk lietotais mainīgās atveres vārsts.

Attēls 9-2. Mainīgās atveres veidi. Adatas vārsts (apakšā) ir visizplatītākais hidraulikā — tā koniskā galotne un mazā solī uzvijumi ļauj ļoti precīzi un pakāpeniski regulēt plūsmu.

Adatas vārsta pielietojums shēmā

Piemēra shēmā izmantots 5 gpm (18,95 L/min) pozitīvās pārvietošanas sūknis, drošības vārsts, virziena vārsts, mainīgās atveres vārsts (adatas vārsts) un hidrauliskais cilindrs ar 3 in² (19,35 cm²) pistona laukumu. Ja drošības vārsts ir iestatīts 500 psi (34,48 bar) un sūknis piegādā 5 gpm:

Kad adatas vārsts ierobežo plūsmu līdz tikai 2 gpm (7,58 lpm), stieņa ātrums = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 pēdas/min (3,96 m/min). Drošības vārsts ierobežo sistēmas spiedienu līdz 500 psi (34,48 bar), novirzot atlikušās 3 gpm (11,37 lpm) uz rezervuāru.

Adatas vārsta atveres atvēršana

Adatas vārsta izvilkšana ārā palielina atveri — vairāk šķidruma plūst uz cilindru, līdz tiek sasniegts drošības vārsta spiediena limits. Stieņa ātrums palielinās.

Adatas vārsta atveres aizvēršana

Adatas vārsta iegriešana iekšā samazina atveri. Mazāk šķidruma iekļūst cilindrā, tāpēc stieņa ātrums samazinās.

Spiediena starpības ietekme uz plūsmu

Plūsma caur atveri ir atkarīga no spiediena starpības. Tā kā spiediens hidrauliskajā sistēmā ir potenciālā enerģija, jo lielāka ir spiediena starpība caur atveri, jo lielāka ir plūsma caur to.

Ikdiennīcas piemērs — gaisa matracis

Pēc dienas pie jūras vai kempinga vietas no pūstā gaisa matraciņa izvelkat aizbāzni un ļaujat gaisam brīvi izplūst. Tā kā iekšējās/ārējās spiediena starpība ir maza, matraciņš lēnām saplūst. Spiediet matraciņu stipri — iekšējais spiediens palielinās attiecībā pret atmosfēras spiedienu, starpība palielinās un gaiss izplūst ātrāk.

Uzmanīgi spiediet zobu pastas cauruli — nāk ārā neliels daudzums. Spiediet stipri — vairāk zobu pastas tiek izspiests un var nokrist uz grīdas. Ja uz zobu pastas caurules kāpj, tad iekšējā spiediena un atmosfēras spiediena starpība ir lielāka nekā tad, kad to spiež ar roku, tāpēc vairāk zobu pastas izplūst ātrāk.

Spiediena starpības ietekme uz adatas vārsta plūsmu shēmā

Uzrādītajā shēmā adatas vārsts ierobežo 5 gpm (18,95 L/min) sūkņa plūsmu līdz 3 gpm (11,37 L/min). Drošības vārsta iestatījums ir 500 psi (34,48 bar). Slodzes pretestība ir 200 psi (14 bar). Adatas vārsta ieejas spiediens ir vienāds ar drošības vārsta iestatījumu: 500 psi (34,48 bar). No šiem 500 psi (34,48 bar) 200 psi (14 bar) pārvar slodzi; atlikušais 300 psi (21 bar) spiediena starpība nodrošina 3 gpm (11,3 L/min) plūsmu caur adatas vārstu, radot stieņa kustības ātrumu 19,25 ft/min (5,87 m/min). Atlikušās 2 gpm (7,58 L/min) plūst caur drošības vārstu uz tvertni.

Paaugstinot drošības vārsta iestatījumu

Nemainot slodzes spiedienu un adatas vārsta iestatījumu, drošības vārsta iestatījumu paaugstinot līdz 600 psi (41,38 bar): adatas vārsta ieejas spiediens kļūst 600 psi (41,38 bar). No šiem 200 psi (14 bar) pārvar slodzi; tagad 400 psi (28 bar) spiediena starpība nodrošina 4 gpm (15 L/min) plūsmu caur adatas vārstu. Stieņa kustības ātrums palielinās līdz 26 ft/min (7,92 m/min).

Slodzes spiediens palielinās

Atiestatiet drošības vārstu uz 500 psi (34,48 bar), neizmainot adatas vārstu. Slodzes palielināšanās: slodzes spiediens paaugstinās līdz 400 psi (28 bar). Adatas vārsta ieejas spiediens joprojām ir 500 psi (34,48 bar), bet tagad tikai 100 psi (6,9 bar) spiediena starpība virza plūsmu caur adatas vārstu — tikai 1 gpm (3,79 lpm). Stieņa ātrums samazinās līdz 6 ft/min (30 mm/s). Pārējās 4 gpm (15 lpm) plūst caur drošības vārstu.

Tas parāda, ka plūsma caur adatas vārstu mainās ar jebkuru spiediena izmaiņu jebkurā cauruma pusē. Lai precīzi mērotu plūsmu caur adatas vārstu, šīs spiediena izmaiņas jānovērš vai jākompensē.

Ātruma regulēšanas vārsts (spiedienu kompensējošais plūsmas regulēšanas vārsts)

No iepriekš minētajiem piemēriem redzams, ka jebkura spiediena izmaiņa caurules šaurās daļas abās pusēs ietekmē adatas vārsta plūsmu un maina darba cilindra ātrumu. Lai precīzi regulētu plūsmu caur caurules šaurās daļas neatkarīgi no spiediena svārstībām, šīs spiediena svārstības ir jākompen­sē. Adatas vārsts ir nekompen­sēts plūsmas regulēšanas vārsts — tas ir labs plūsmas mērīšanas ierīce, kamēr spiediena starpība paliek nemainīga un adata ir pareizi centrēta. Precīzākai plūsmas regulēšanai jāizmanto spiedienu kompen­sējošs plūsmas regulēšanas vārsts (ātruma regulēšanas vārsts). Tas ir plūsmas regulators, kas kompen­sē spiediena izmaiņas caurules šaurās daļas priekšpusē un aiz tās.

Ātruma regulēšanas vārsti (spiedienu kompen­sējoši plūsmas regulēšanas vārsti) var būt iedalīti divos veidos: ieejas tipa un apvadīšanas tipa.

Ieejas tipa ātruma regulēšanas vārsta uzbūve

Ieejas tipa spiedienu kompen­sējošais plūsmas regulēšanas vārsts sastāv no korpusa ar ieejas un izejas atverēm, adatas vārsta, kompen­sācijas svirnas un elastīgās atsperes.

Kā darbojas ieejas tipa vārsts

Lai saprastu, kā darbojas ieplūdes veida mērītājs, mēs analizējam tā darbību soli pa solim. Kad kompensācijas vārsts pilnībā pārvietojas uz A pusi, visa ienākošā spiediena eļļa nonāk adatas vārsta atverē. Kamēr kompensācijas vārsts nedaudz pārvietojas uz B pusi, ienākošā spiediena eļļa tiek samazināta. Lai uzturētu plūsmas caurumu atvērtu, kompensācijas vārsts ar atsperes palīdzību tiek novirzīts uz A pusi. Adatas vārsta ieejas spiediens tiek noteikts caur iekšējo vadības cauruli uz kompensācijas vārsta A galu — kad spiediens paaugstinās virs atsperes piespiešanas spēka, vārsts pārvietojas uz B pusi.

Ja adatas vārsta atveri regulē tā, ka caur to plūst mazāk nekā pilnais sūkņa plūsmas daudzums, tad adatas vārsta ieejas spiediens paaugstinās līdz drošības vārsta iestatījumam. Kad adatas vārsta ieejas spiediens paaugstinās virs kompensācijas sviruļa spirālvesmeņa spēka, kompensācijas sviruļš pārvietojas uz B virzienā, samazinot ienākošās plūsmas daudzumu. Kad plūsma caur kompensācijas sviruļa atveri vienāda ar sūkņa izvades plūsmu, adatas vārsta ieejas spiediens stabilizējas pie spirālvesmeņa spiediena vērtības. Piemēram, ja spirālvesmeņa spiediena vērtība ir 100 psi (6,89 bar) un drošības vārsts ir iestatīts uz 500 psi (34,48 bar): ieejas spiediens ir 500 psi (34,48 bar); kad eļļa plūst caur kompensācijas sviruļa atveri, 400 psi (28 bar) pārvēršas siltumā, un adatas vārsta ieejas spiediens samazinās līdz 100 psi (6,89 bar). Tas nozīmē, ka neatkarīgi no plūsmas regulēšanas vārsta ieejas spiediena kompensācijas sviruļa darbības dēļ adatas vārsta ieejas spiediens tiek uzturēts 100 psi (6,89 bar) līmenī.

9.5. attēls — Ātruma regulēšanas vārsts ar ieejā (spiediena kompensēts). Kompensējošais tīkls uztur pastāvīgu spiediena kritumu caur adatas vārsta atveri neatkarīgi no ieejas vai izejas spiediena izmaiņām — nodrošinot precīzu, nemainīgu plūsmu.

Iepriekšējā adatas vārsta shēmā spiediena starpība caur adatas vārsta atveri ir tikai puse no stāsta — jākompensē arī spiediens adatas vārsta izejā. Citiem vārdiem sakot, jānodrošina pastāvīga spiediena starpība. Lai to sasniegtu, adatas vārsta izejas spiediens arī tiek novadīts caur vadības cauruli uz kompensējošā tīkla A puses atsperes dobumu. Tagad uz kompensējošā tīkla A puses darbojas divas spēki: atsperes spēks un ejošās eļļas spiediens.

Ja svira spēks = 100 psi (6,89 bar), adatas vārsta spiediena starpība būs ierobežota tā, ka tā pārsniedz izplūdes spiedienu par 100 psi (6,89 bar). Tik ilgi, cik drošības vārsts ir iestatīts pietiekami augstu, adatas cauruma spiediena starpība vienmēr atbilst svira spiediena vērtībai. Šādā veidā spiediena starpība, kas piespiež šķidrumu plūst caur adatas vārstu, paliek nemainīga — tā nav ietekmēta ne no ieejas, ne no izejas spiediena svārstībām.

Ātruma regulēšanas vārsts ieejā ķēdē

Shēmā ievada ātruma regulēšanas vārsts ir iestatīts uz 3 gpm (11,37 L/min). Drošības vārsts — 500 psi (34,48 bar), slodzes spiediens — 200 psi (13,79 bar). Kompensojošās tvertnes svira — 100 psi (6,89 bar). Sūknis cenšas padot visus 5 gpm (18,95 L/min) caur adatas vārstu, tādējādi paaugstinot adatas vārsta ieejas spiedienu. Pie 300 psi (21 bar) kompensojošā tvertne pārvietojas un samazina plūsmu, tādējādi paaugstinot plūsmas regulēšanas vārsta ieejas spiedienu līdz drošības vārsta iestatījumam — 500 psi (34,48 bar). No šiem 500 psi (34,48 bar) 200 psi (13,79 bar) tiek izmantoti, lai pārvarētu slodzi; 100 psi (6,89 bar) nodrošina plūsmu caur adatas vārstu; atlikušie 200 psi (13,79 bar) no 500 psi pārvēršas par siltumu, kad plūsma iziet caur kompensojošās tvertnes caurumiņu. Šeit plūsma ir 3 gpm (11,37 L/min), un stieņa kustības ātrums — 19 ft/min (97,83 mm/s).

Slodzes spiediena un drošības vārsta iestatījuma paaugstināšana

Ja slodzes spiediens paaugstinās līdz 400 psi (27,58 bar) vai atlaižvārsta iestatījums tiek pārveidots uz 600 psi (41,38 bar), caur adatas vārstu joprojām plūst 100 psi (6,89 bar) dzīvojošā plūsma. Kamēr atlaižvārsts ir iestatīts pietiekami augstu, lai pārvietotu kompensācijas sviru, izvades plūsma uz cilindru būs nemainīga — 3 gpm (11,37 L/min).

Ātruma regulēšanas vārsta konstrukcija ar apvedceļu

Ātruma regulēšanas vārsts ar apvedceļu sastāv no vārsta korpusa ar ieejas, izejas un atgriešanās caurulēm, adatas vārsta, kompensācijas sviras un piespiedu spirāles.

Kā darbojas apvedceļa tips

Šajā vārstā kompensācijas svira atver un aizver apvedceļa cauruli uz eļļas tvertni. Kompensācijas svira ir piespiedu spirāles ietekmēta, lai tā būtu aizvērta (apakšējā pozīcijā). Ja spirāles piespiedu spēks ir 100 psi (6,89 bar), tad adatas vārsta ieejas spiediens tiks ierobežots līdz 100 psi (6,89 bar). Kad vārstā plūsma sākotnējā stāvoklī pilnībā tiek novirzīta uz eļļas tvertni. Normālā darbības režīmā kompensācijas svira ir piespiedu spirāles ietekmēta, lai tā būtu aizvērta.

Adatas vārsta ieejas spiediens tiek noteikts caur iekšējo vadības kanālu līdz kompensācijas tīkla augšdaļai. Kad spiediens paaugstinās virs atsperes piespiešanas spēka, kompensācijas tīkls darbojas kā drošības vārsts — atverot aizvadkanālu un ierobežojot adatas vārsta ieejas spiedienu līdz 100 psi (6,89 bar). Adatas vārsta fiksētais ieejas spiediens nepalīdz nodrošināt nemainīgu plūsmu — ja mainās spiediens ārpus vārsta, mainās arī adatas atveres spiediena starpība un plūsma.

Lai kompensētu šo parādību, adatas vārsta ārpuses spiediens tiek novadīts caur vadības kanālu uz kompensācijas tīkla atsperes dobumu. Tagad kompensācijas tīkla A puse ir pakļauta diviem piespiešanas spēkiem: atsperes spēkam un ārpuses eļļas spiedienam. Ja atsperes spēks atbilst 100 psi (6,89 bar), adatas vārsta ieejas spiediens tiks ierobežots līdz 100 psi (6,89 bar) virs ārpuses spiediena. Kamēr drošības vārsts ir iestatīts pietiekami augstu, adatas atveres spiediena starpība paliek nemainīga — 100 psi (6,89 bar).

Ātruma regulēšanas vārsts ar aizvadkanālu shēmā

Ātruma regulēšanas vārsta komplekts ar apvedceļa tipu iestatīts uz 3 gpm (11,37 L/min). Pārspiediena vārsts: 500 psi (34,48 bar), slodze: 200 psi (13,79 bar), svira: 100 psi (6,89 bar). Sūknis cenšas padot visus 5 gpm (18,95 L/min) caur adatas vārstu. Kompensojošais sliednis atver apvedceļa caurumu, ierobežojot adatas vārsta ieejas spiedienu līdz 300 psi (20,68 bar). Šo 300 psi lielumu veido: 200 psi (13,79 bar) pārvar slodzi, 100 psi (6,89 bar) nodrošina 3 gpm (11,37 L/min) plūsmu caur adatas vārstu. Pārējās 2 gpm (7,58 L/min) plūst caur kompensojošā sliedņa atvērumu tieši atpakaļ uz tvertni.

Attēls 9-8. Ātruma regulēšanas shēma ar apvedceļa tipu. Kompensojošais sliednis novirza lieko sūkņa plūsmu tieši uz tvertni, nevis caur pārspiediena vārstu. Šī shēma ir enerģijas efektīvāka nekā ieejas mērīšanas tips, jo liekā plūsma nepārvietojas caur pilnu sistēmas spiedienu.

Slodzes spiediena un drošības vārsta iestatījuma paaugstināšana

Ja slodzes spiediens paaugstinās līdz 400 psi (27,58 bar) vai atlaižvārsts tiek pārregulēts līdz 600 psi (41,38 bar), caur adatas vārstu joprojām plūst 100 psi (6,89 bar) spiediens. Kamēr atlaižvārsts ir iestatīts pietiekami augsts, lai atvērtu kompensācijas sviru, izplūde uz cilindru ir nemainīga — 3 gpm (11,37 L/min).

Temperatūras ietekme uz caurules plūsmu

Kā minēts šī nodaļas sākumā, trīs galvenie faktori, kas ietekmē caurules plūsmu, ir caurules izmērs, spiediena starpība un eļļas temperatūra. Kad mainās eļļas temperatūra, mainās arī tās viskozitāte — kad mainās eļļas viskozitāte, mainās arī caurules plūsma. Fiksētām caurulēm vai adatas vārstiem temperatūras izraisītās plūsmas izmaiņas parasti nav būtiskas, jo caurules izmērs un spiediena starpība parasti ir pietiekami lieli salīdzinājumā ar viskozitātes ietekmi. Tomēr pielietojumos, kuros nepieciešama ļoti precīza plūsmas regulēšana, temperatūras ietekme jāņem vērā. Gan ieejas (meter-in), gan apvedceļa (bypass) ātruma regulēšanas vārsti parasti ir piemēroti tipiskām rūpnieciskām hidrauliskām lietojumprogrammām.

Pielietojumos, kuros nepieciešama ārkārtīgi precīza plūsmas regulēšana — neatkarīgi no temperatūras izmaiņām — var izmantot temperatūras kompensētu plūsmas regulēšanas vārstu. Šis vārsta tips arī kompensē temperatūras ietekmi.

Galvenās formulas — 9. nodaļa