Bab 9: Injap Kawalan Aliran

Orifis

Orifis adalah bukaan yang relatif kecil dalam laluan aliran bendalir. Aliran melalui orifis dipengaruhi oleh beberapa faktor, tiga faktor utama ialah:

1. Saiz Orifice
2. Beza tekanan merentasi orifis
3. Suhu cecair

Kesan saiz orifis terhadap aliran

Saiz orifis mengawal aliran melaluinya. Contoh harian yang biasa ialah muncung hos taman — jika bukaan muncung kecil, air keluar sebagai kabut halus atau semburan. Jika bukaan lebih besar, ia menjadi aliran jet. Dalam kedua-dua kes tersebut, orifis muncung hos menghadkan arah aliran air — aliran melalui orifis ditentukan oleh saiz bukaan.

Rajah 9-1: Injap kawalan aliran dalam litar. Injap ini menghadkan aliran ke silinder. Aliran pam berlebihan dialihkan melalui injap lega. Aliran yang dibataskan menjadi tenaga keupayaan (halaju) di orifis.

Orifis Tetap

Orifis tetap mempunyai saiz bukaan yang tidak boleh dilaraskan. Contoh paling biasa dalam teknologi hidraulik ialah lubang gerudi pada sumbat paip atau injap pemeri, atau injap kawalan aliran yang telah ditetapkan di kilang.

Orifis boleh ubah

Kebanyakan masa, orifis boleh ubah diperlukan berbanding orifis tetap kerana ia lebih mudah disesuaikan. Injap pintu, injap bola, dan injap jarum merupakan contoh-contoh orifis boleh ubah.

Injap Pintu

Laluan aliran injap pintu adalah lurus. Saiz orifis diubah dengan memutar pemegang untuk membuka atau menutup pintu dalam laluan aliran. Walaupun injap pintu tidak direka khas untuk kawalan aliran, dalam beberapa sistem pengukuran aliran kasar, injap ini boleh digunakan sebagai peranti had pengaliran.

Injap bola

Laluan aliran injap bola tidak lurus—ia membuat keluk 90°. Orifis terdiri daripada tempat duduk dan pelupus konikal atau pelupus bola pada laluan berputar. Saiz bukaan orifis dilaraskan dengan mengubah kedudukan pelupus bola.

Valv Jarum

Aliran melalui injap jarum juga membuat belokan 90°, kemudian melalui satu orifis. Orifis ini terdiri daripada celah antara batang injap berujung runcing dan tempat duduk injap. Saiz orifis diubah dengan menyesuaikan kedudukan permukaan kon relatif terhadap tempat duduk injap. Oleh kerana ulir penyesuaian pada batang injap mempunyai jarak ulir halus dan hujungnya berbentuk runcing, saiz orifis ini berubah secara beransur-ansur. Dalam sistem hidraulik, injap jarum merupakan orifis boleh ubah yang paling kerap digunakan.

Rajah 9-2: Jenis-jenis orifis boleh ubah. Injap jarum (di bahagian bawah) adalah yang paling biasa digunakan dalam sistem hidraulik — hujung runcing dan ulir halusnya membolehkan penyesuaian aliran yang sangat tepat dan beransur-ansur.

Aplikasi injap jarum dalam satu litar

Litar contoh ini menggunakan pam berpindah positif berkapasiti 5 gpm (18.95 Lpm), injap pelepasan, injap arah, orifis boleh ubah (injap jarum), dan silinder hidraulik dengan luas permukaan piston 3 in² (19.35 cm²). Jika injap pelepasan ditetapkan pada 500 psi (34.48 bar) dan pam menghantar 5 gpm:

Dengan injap jarum menghadkan aliran kepada hanya 2 gpm (7.58 lpm), kelajuan rod = 2 × 19.25 ÷ 3 = 13 kaki/min (3.96 m/min). Injap pelindung menghadkan tekanan sistem kepada 500 psi (34.48 bar) dengan mengalirkan baki 3 gpm (11.37 lpm) ke tangki.

Membuka lubang injap jarum

Memutar injap jarum ke luar meningkatkan saiz lubang — lebih banyak aliran melalui ke silinder, sehingga had tekanan injap pelindung tercapai. Kelajuan rod meningkat.

Menutup lubang injap jarum

Memutar injap jarum ke dalam mengurangkan saiz lubang. Aliran yang masuk ke silinder berkurangan, maka kelajuan rod menurun.

Kesan Beza Tekanan terhadap Aliran

Aliran melalui suatu lubang dipengaruhi oleh beza tekanan. Memandangkan tekanan merupakan tenaga keupayaan dalam sistem hidraulik, semakin besar beza tekanan merentasi suatu lubang, semakin tinggi aliran melaluinya.

Contoh harian — katil udara

Selepas sehari di pantai atau tapak perkhemahan, anda mengeluarkan sumbat daripada tilam udara yang dikembungkan dan membiarkan udara keluar secara bebas. Oleh kerana perbezaan tekanan dalaman/luaran adalah kecil, tilam tersebut runtuh secara perlahan. Tekan tilam itu dengan kuat — tekanan dalaman meningkat berbanding tekanan atmosfera, perbezaan tekanan bertambah, dan udara keluar lebih cepat.

Tekan dengan lembut tiub ubat gigi — sejumlah kecil ubat gigi keluar. Tekan dengan kuat — lebih banyak ubat gigi dipaksa keluar dan mungkin jatuh ke lantai. Jika tiub ubat gigi itu dipijak, perbezaan tekanan dari dalam ke tekanan atmosfera menjadi lebih besar berbanding apabila ditekan dengan tangan, maka lebih banyak ubat gigi keluar dengan lebih cepat.

Kesan perbezaan tekanan terhadap aliran injap jarum dalam suatu litar

Dalam litar yang ditunjukkan, injap jarum menghadkan aliran pam sebanyak 5 gpm (18.95 Lpm) kepada 3 gpm (11.37 Lpm). Tetapan injap lega ialah 500 psi (34.48 bar). Rintangan beban ialah 200 psi (14 bar). Tekanan masuk injap jarum bersamaan dengan tetapan injap lega: 500 psi (34.48 bar). Daripada tekanan 500 psi (34.48 bar) ini, 200 psi (14 bar) digunakan untuk mengatasi rintangan beban; beza tekanan baki sebanyak 300 psi (21 bar) memacu aliran 3 gpm (11.3 lpm) melalui injap jarum, menghasilkan kelajuan batang sebanyak 19.25 ft/min (5.87 m/min). Aliran baki sebanyak 2 gpm (7.58 lpm) mengalir melalui injap lega ke dalam tangki.

Meningkatkan tetapan injap lega

Dengan mengekalkan tekanan beban dan tetapan injap jarum tanpa perubahan, meningkatkan tetapan injap lega kepada 600 psi (41.38 bar): tekanan masuk injap jarum menjadi 600 psi (41.38 bar). Daripada nilai ini, 200 psi (14 bar) digunakan untuk mengatasi beban; beza tekanan sebanyak 400 psi (28 bar) kini memacu aliran 4 gpm (15 lpm) melalui injap jarum. Kelajuan batang meningkat kepada 26 ft/min (7.92 m/min).

Tekanan beban meningkat

Tetapkan semula injap pelepasan tekanan kepada 500 psi (34.48 bar) dengan injap jarum tidak diubah. Beban meningkat: tekanan beban naik kepada 400 psi (28 bar). Tekanan masuk injap jarum masih 500 psi (34.48 bar), tetapi kini hanya perbezaan tekanan 100 psi (6.9 bar) yang memacu aliran melalui injap jarum — hanya 1 gpm (3.79 lpm). Kelajuan batang menurun kepada 6 ft/min (30 mm/s). Baki 4 gpm (15 lpm) mengalir melalui injap pelepasan tekanan.

Ini menunjukkan bahawa aliran melalui injap jarum berubah dengan sebarang variasi tekanan di kedua-dua belah orifis. Untuk mengukur aliran secara tepat melalui injap jarum, perubahan tekanan ini mesti dibatalkan atau dikompensasi.

Injap Kawalan Kelajuan (Injap Kawalan Aliran Berkompensasi Tekanan)

Daripada contoh-contoh di atas, sebarang perubahan tekanan di salah satu sisi lubang orifis akan mempengaruhi aliran injap jarum, menyebabkan kelajuan aktuator berubah. Untuk mengukur aliran secara tepat melalui lubang orifis tanpa mengira variasi tekanan, variasi tekanan ini mesti dikompensasi. Injap jarum merupakan injap kawalan aliran tanpa kompensasi — ia merupakan peranti pengukur aliran yang baik selagi beza tekanan kekal malar dan jarum berada dalam kedudukan terpusat dengan baik. Untuk kawalan aliran yang lebih tepat, harus digunakan injap kawalan aliran berkompensasi tekanan (injap kawalan kelajuan). Ini adalah pengawal aliran yang mengimbangi perubahan tekanan di hulu dan hilir lubang orifis.

Injap kawalan kelajuan (injap kawalan aliran berkompensasi tekanan) boleh dibahagikan kepada jenis masuk (meter-in) dan jenis laluan pintas (bypass).

Pembinaan injap kawalan kelajuan jenis masuk (meter-in)

Injap kawalan aliran berkompensasi tekanan jenis masuk (meter-in) terdiri daripada badan injap dengan pelabuhan masuk dan keluar, injap jarum, spul kompensasi, dan spring pegas bias.

Cara kerja jenis masuk (meter-in)

Untuk memahami cara kerja jenis meter-masuk, kita menganalisis operasinya langkah demi langkah. Apabila spul pemampas sepenuhnya berpindah ke sisi A, semua minyak tekanan masuk mencapai lubang injap jarum. Selagi spul pemampas bergerak sedikit ke arah sisi B, minyak tekanan masuk akan dikawal alirannya. Untuk mengekalkan laluan aliran terbuka, spul pemampas ditekan oleh spring ke arah sisi A. Tekanan masuk injap jarum diesan melalui saluran kawalan dalaman ke hujung A spul pemampas — apabila tekanan meningkat melebihi daya tekanan spring, spul tersebut berpindah ke arah sisi B.

Jika bukaan injap jarum dilaraskan supaya aliran penuh pam tidak melaluinya, tekanan masuk injap jarum meningkat kepada tetapan injap pelepasan. Apabila tekanan masuk injap jarum meningkat melebihi daya spring spul pemampas, spul pemampas bergerak ke arah B, menghadkan aliran masuk. Apabila aliran melalui bukaan spul pemampas sama dengan aliran keluaran pam, tekanan masuk injap jarum menjadi stabil pada nilai tekanan spring. Sebagai contoh, dengan nilai spring 100 psi (6.89 bar) dan tetapan pelepasan pada 500 psi (34.48 bar): tekanan masuk adalah 500 psi (34.48 bar); apabila minyak mengalir melalui bukaan spul pemampas, 400 psi (28 bar) ditukar kepada haba, menyebabkan tekanan masuk injap jarum turun kepada 100 psi (6.89 bar). Ini bermakna, tanpa mengira tekanan masuk injap kawalan aliran, disebabkan tindakan spul pemampas, tekanan masuk injap jarum dikekalkan pada 100 psi (6.89 bar).

Rajah 9-5 Injap kawalan kelajuan jenis masuk meter (dikompensasi tekanan). Spool pemampas mengekalkan kejatuhan tekanan merentasi injap jarum pada nilai malar tanpa mengira perubahan tekanan masukan atau keluaran — menyampaikan aliran yang tepat dan malar.

Bagi litar injap jarum terdahulu, beza tekanan merentasi lubang injap jarum hanyalah separuh daripada cerita — tekanan di hilir injap jarum juga perlu dikompensasi. Dengan kata lain, beza tekanan malar perlu dikekalkan. Untuk mencapai ini, tekanan di hilir injap jarum juga dialirkan melalui saluran kawalan ke dalam rongga spring bias spool pemampas. Kini dua daya bertindak pada sisi A spool pemampas: daya spring dan tekanan minyak di hilir.

Jika daya spring = 100 psi (6.89 bar), beza tekanan injap jarum akan terhad kepada nilai lebih tinggi daripada tekanan hilir sebanyak 100 psi (6.89 bar). Selagi injap pelepasan ditetapkan pada nilai yang cukup tinggi, beza tekanan lubang injap jarum sentiasa sama dengan nilai tekanan spring. Dengan cara ini, beza tekanan yang memaksa aliran melalui injap jarum adalah malar — tidak dipengaruhi oleh turun naik tekanan hulu atau hilir.

Injap kawalan kelajuan masuk meter dalam litar

Dalam litar tersebut, injap kawalan kelajuan masuk meter ditetapkan pada 3 gpm (11.37 Lpm). Injap lega pada 500 psi (34.48 bar), tekanan beban 200 psi (13.79 bar). Spring spool pemampas = 100 psi (6.89 bar). Pam cuba memacu keseluruhan 5 gpm (18.95 lpm) melalui injap jarum, menyebabkan tekanan masuk injap jarum meningkat. Pada 300 psi (21 bar), spool pemampas berpindah dan menghadkan aliran, sehingga tekanan masuk kawalan aliran meningkat ke tetapan injap lega iaitu 500 psi (34.48 bar). Daripada 500 psi (34.48 bar) ini, 200 psi (13.79 bar) digunakan untuk mengatasi beban; 100 psi (6.89 bar) memacu aliran melalui injap jarum; baki 200 psi (13.79 bar) daripada 500 psi bertukar menjadi haba apabila aliran melalui orifis spool pemampas. Aliran di sini adalah 3 gpm (11.37 Lpm) dan kelajuan batang = 19 ft/min (97.83 mm/s).

Meningkatkan tekanan beban dan tetapan injap lega

Jika tekanan beban meningkat sehingga mencapai 400 psi (27.58 bar) atau tekanan pelepasan diatur semula kepada 600 psi (41.38 bar), aliran sebanyak 100 psi (6.89 bar) masih akan mengalir melalui injap jarum. Selagi tekanan pelepasan ditetapkan cukup tinggi untuk menggerakkan spul pemampas, aliran keluaran ke silinder akan kekal malar pada 3 gpm (11.37 Lpm).

Binaan injap kawalan kelajuan jenis laluan lompat

Injap kawalan kelajuan jenis laluan lompat terdiri daripada badan injap dengan port masukan, keluaran dan pulangan, injap jarum, spul pemampas, dan spring pemberat.

Cara kerja jenis laluan lompat

Spul pemampas dalam injap ini membuka dan menutup laluan lompat ke saluran pulangan tangki. Spul pemampas diberi daya oleh spring untuk menutup (kedudukan lebih rendah). Jika daya spring ialah 100 psi (6.89 bar), tekanan masukan injap jarum akan dibataskan kepada 100 psi (6.89 bar). Apabila aliran melalui injap sepenuhnya dihantar ke tangki minyak dalam keadaan awalnya. Dalam operasi normal, spul pemampas diberi daya oleh spring pada kedudukan tertutup.

Tekanan masuk injap jarum diesan melalui saluran kawalan dalaman ke bahagian atas spul pembaikan. Apabila tekanan meningkat melebihi daya regangan spring, spul pembaikan bertindak seperti injap lega — membuka saluran laluan pintas dan menghadkan tekanan masuk injap jarum pada 100 psi (6.89 bar). Tekanan masuk tetap injap jarum tidak menjamin aliran malar — jika tekanan hilir berubah, beza tekanan orifis jarum berubah dan aliran turut berubah.

Untuk membaiki keadaan ini, tekanan injap jarum di hilir dihantar melalui saluran kawalan ke rongga spring regangan spul pembaikan. Kini, sisi A spul pembaikan mempunyai dua daya regangan: daya spring dan tekanan minyak di hilir. Jika daya spring = 100 psi (6.89 bar), tekanan masuk injap jarum akan dihadkan kepada 100 psi (6.89 bar) di atas tekanan di hilir. Selagi injap lega ditetapkan pada nilai yang cukup tinggi, beza tekanan orifis jarum adalah sama dengan 100 psi (6.89 bar) — malar.

Injap kawalan kelajuan jenis laluan pintas dalam suatu litar

Injap kawalan kelajuan jenis lalai ditetapkan pada 3 gpm (11.37 Lpm). Tekanan terlebih 500 psi (34.48 bar), beban 200 psi (13.79 bar), daya spring = 100 psi (6.89 bar). Pam berusaha memacu keseluruhan 5 gpm (18.95 Lpm) melalui injap jarum. Spul pampas membuka laluan lalai, menghadkan tekanan masuk injap jarum pada 300 psi (20.68 bar). Daripada tekanan 300 psi ini: 200 psi (13.79 bar) mengatasi beban, manakala 100 psi (6.89 bar) memacu 3 gpm (11.37 Lpm) melalui injap jarum. Baki 2 gpm (7.58 Lpm) dilalukan secara lalai melalui bukaan spul pampas kembali ke tangki.

Rajah 9-8: Litar kawalan kelajuan jenis lalai. Spul pampas mengalirkan lebihan aliran pam secara langsung ke tangki, bukan menghantarnya melalui injap terlebih. Kaedah ini lebih cekap tenaga berbanding jenis meter-masuk kerana lebihan aliran tidak melalui tekanan sistem penuh.

Meningkatkan tekanan beban dan tetapan injap lega

Jika tekanan beban meningkat hingga 400 psi (27.58 bar) atau tekanan pelepasan diset semula kepada 600 psi (41.38 bar), masih terdapat tekanan sebanyak 100 psi (6.89 bar) yang mendorong aliran melalui injap jarum. Selagi tekanan pelepasan ditetapkan cukup tinggi untuk membuka spool pemadanan, output ke silinder adalah tetap pada kadar 3 gpm (11.37 Lpm).

Kesan Suhu terhadap Aliran Orifis

Seperti yang disebutkan pada permulaan bab ini, tiga faktor utama yang mempengaruhi aliran melalui orifis ialah saiz orifis, beza tekanan, dan suhu minyak. Apabila suhu minyak berubah, kelikatan minyak juga berubah — dan apabila kelikatan minyak berubah, aliran melalui orifis turut berubah. Bagi orifis tetap atau injap jarum, perubahan aliran akibat suhu biasanya tidak signifikan kerana saiz orifis dan beza tekanan umumnya besar berbanding kesan kelikatan. Namun, bagi aplikasi yang memerlukan kawalan aliran yang sangat tepat, kesan suhu mesti dipertimbangkan. Kedua-dua injap kawalan kelajuan jenis meter-masuk dan jenis laluan pintas secara amnya sesuai untuk aplikasi hidraulik industri biasa.

Bagi aplikasi yang memerlukan kawalan aliran yang sangat tepat — tanpa mengira perubahan suhu — injap kawalan aliran berkompensasi suhu boleh digunakan. Jenis ini juga memberi kompensasi terhadap kesan suhu.

Formula Utama — Bab 9