Hoofdstuk 9: Stroomregelkleppen

Het openingstuk

Een openingstuk is een relatief kleine opening in een stromingsweg voor vloeistoffen. De stroming door een openingstuk wordt beïnvloed door verschillende factoren, waarvan de drie belangrijkste zijn:

1. Orificemaat
2. Drukverschil over het openingstuk
3. Vloeistoftemperatuur

Invloed van de grootte van het openingstuk op de stroming

De grootte van het openingstuk bepaalt de stroming erdoorheen. Een veelvoorkomend alledaags voorbeeld is de sproeikop van een tuinslang — als de opening van de sproeikop klein is, komt het water als fijne nevel of spuit uit. Als de opening groter is, ontstaat er een straalstroom. In beide gevallen beperkt de sproeikop van de tuinslang de stromingsrichting van het water — de stroming door het openingstuk wordt bepaald door de grootte van de opening.

Figuur 9-1: Stuurklep voor stromingsregeling in een circuit. De klep beperkt de stroming naar de cilinder. De overtollige pompstroom gaat via de veiligheidsklep af. De beperkte stroming wordt potentiële energie (snelheid) bij het openingstuk.

Vaste Opening

Een vaste opening heeft een openinggrootte die niet kan worden aangepast. De meest voorkomende voorbeelden in de hydraulische technologie zijn het geboorde gat in een pijpstop of terugslagklep, of de fabrieksvooringestelde stromingsregelklep.

Verstelbare opening

Meestal is een verstelbare opening nodig in plaats van een vaste opening, omdat deze beter aanpasbaar is. Kleppen met schuifplaat, kogelkranen en naaldkranen zijn allemaal voorbeelden van verstelbare openingen.

Schuifafsluiter

Een klep met schuifplaat heeft een rechte doorstromingsdoorgang. De grootte van de opening wordt gewijzigd door de handgreep te draaien om de schuifplaat in de stromingsweg te openen of te sluiten. Hoewel kleppen met schuifplaat niet zijn ontworpen voor stromingsregeling, kunnen ze in sommige grove stromingsmeetinstallaties worden gebruikt als stromingsbeperkende elementen.

KOGELVENTIEL

De doorstromingsdoorgangen van een kogelkraan zijn niet recht — ze maken een hoek van 90°. De opening bestaat uit de zitting en de conische of bolvormige plug in het draaibare gedeelte. De grootte van de openingsopening wordt aangepast door de positie van de bolvormige plug te veranderen.

Naaldklep

De stroming door naaldkleppen maakt ook een hoek van 90°, waarna deze door een opening (orifice) gaat. Deze opening bestaat uit de spleet tussen een conisch afgeronde klepstaaf en de klepzitting. De grootte van de opening wordt gewijzigd door de positie van het kegelvormige oppervlak ten opzichte van de klepzitting aan te passen. Omdat de instelthread op de klepstaaf een fijne steek heeft en de punt conisch is, verandert de grootte van deze opening geleidelijk. In hydraulische systemen is de naaldklep de meest gebruikte variabele opening.

Figuur 9-2: Typen variabele openingen. De naaldklep (onderaan) is het meest voorkomende type in hydraulische systemen — de conische punt en de fijne thread maken een zeer nauwkeurige, geleidelijke stroomregeling mogelijk.

Toepassing van een naaldklep in een circuit

Het voorbeeldcircuit gebruikt een verdringingspomp met een debiet van 5 gpm (18,95 L/min), een veiligheidsklep, een richtingsklep, een variabele opening (naaldklep) en een hydraulische cilinder met een zuigeroppervlakte van 3 in² (19,35 cm²). Als de veiligheidsklep is ingesteld op 500 psi (34,48 bar) en de pomp 5 gpm levert:

Met de naaldklep die de stroming beperkt tot slechts 2 gpm (7,58 lpm), bedraagt de stangsnelheid = 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). De veiligheidsklep beperkt de systeemdruk tot 500 psi (34,48 bar) door de resterende 3 gpm (11,37 lpm) naar de tank af te voeren.

Het openen van de naaldkleporifice

Het uitschroeven van de naaldklep vergroot de orifice — meer stroming passeert naar de cilinder, tot aan de drukbeperking van de veiligheidsklep. De stangsnelheid neemt toe.

Het sluiten van de naaldkleporifice

Het inschroeven van de naaldklep verkleint de orifice. Minder stroming komt de cilinder binnen, waardoor de stangsnelheid afneemt.

Effect van drukverschil op stroming

De stroming door een orifice wordt beïnvloed door het drukverschil. Aangezien druk potentiële energie vertegenwoordigt in een hydraulisch systeem, leidt een groter drukverschil over een orifice tot een hogere stroming.

Alledaaglijk voorbeeld — luchtbed

Na een dag op het strand of op de camping verwijdert u de stop uit een opgeblazen luchtmatras en laat u de lucht vrij ontsnappen. Omdat het drukverschil tussen binnen- en buitenom klein is, klapte de matras langzaam in. Knijp hard op de matras — de interne druk stijgt ten opzichte van de atmosferische druk, het drukverschil neemt toe en de lucht stroomt sneller naar buiten.

Knijp zacht op een tube tandpasta — er komt een kleine hoeveelheid uit. Knijp hard — er komt meer tandpasta uit en deze kan op de vloer terechtkomen. Als er met de voet op de tandpastatube wordt gedrukt, is het drukverschil van binnen naar buiten groter dan bij handmatig knijpen, waardoor meer tandpasta sneller naar buiten komt.

Effect van het drukverschil op de stroming via een naaldklep in een circuit

In de getoonde schakeling beperkt de naaldklep de pompdebiet van 5 gpm (18,95 L/min) tot 3 gpm (11,37 L/min). Instelling van de veilheidsklep: 500 psi (34,48 bar). Lastweerstand: 200 psi (14 bar). De ingangsdruk van de naaldklep is gelijk aan de instelling van de veilheidsklep: 500 psi (34,48 bar). Van deze 500 psi (34,48 bar) wordt 200 psi (14 bar) gebruikt om de lastweerstand te overwinnen; het resterende drukverschil van 300 psi (21 bar) drijft 3 gpm (11,3 L/min) door de naaldklep, waardoor de stangsnelheid 19,25 ft/min (5,87 m/min) bedraagt. De resterende 2 gpm (7,58 L/min) stroomt via de veilheidsklep naar de tank.

Verhogen van de instelling van de veilheidsklep

Met de lastdruk en de instelling van de naaldklep ongewijzigd, wordt de instelling van de veilheidsklep verhoogd naar 600 psi (41,38 bar): de ingangsdruk van de naaldklep wordt dan 600 psi (41,38 bar). Hiervan wordt 200 psi (14 bar) gebruikt om de last te overwinnen; het nu hogere drukverschil van 400 psi (28 bar) drijft 4 gpm (15 L/min) door de naaldklep. De stangsnelheid stijgt tot 26 ft/min (7,92 m/min).

De lastdruk stijgt

Stel de veiligheidsklep opnieuw in op 500 psi (34,48 bar) met de naaldklep ongewijzigd. De belasting neemt toe: de belastingsdruk stijgt tot 400 psi (28 bar). De instroomdruk van de naaldklep blijft 500 psi (34,48 bar), maar nu is het drukverschil dat de stroming door de naaldklep aandrijft slechts 100 psi (6,9 bar) — slechts 1 gpm (3,79 lpm). De zuigerstangsnelheid daalt tot 6 ft/min (30 mm/s). De resterende 4 gpm (15 lpm) stroomt via de veiligheidsklep.

Dit laat zien dat de stroming door een naaldklep verandert bij elke drukverandering aan één van beide zijden van het openingstuk. Om de stroming door een naaldklep nauwkeurig te regelen, moeten deze drukveranderingen worden geannuleerd of gecompenseerd.

Snelheidsregelklep (drukgecompenseerde stromingsregelklep)

Uit de bovenstaande voorbeelden blijkt dat elke drukverandering aan weerszijden van het openingstuk de stroming door de naaldklep beïnvloedt, waardoor de werksnelheid van de actuator verandert. Om de stroming door een opening nauwkeurig te meten, ongeacht drukvariaties, moeten deze drukvariaties worden gecompenseerd. Een naaldklep is een niet-gecompenseerde stuurklep voor stromingsregeling — het is een geschikt stromingsmeetapparaat zolang het drukverschil constant blijft en de naald goed gecentreerd is. Voor nauwkeurigere stromingsregeling dient een drukgecompenseerde stuurklep voor stromingsregeling (snelheidsregelklep) te worden gebruikt. Dit is een stroomregelaar die compenseert voor drukveranderingen stroomopwaarts en stroomafwaarts van het openingstuk.

Snelheidsregelkleppen (drukgecompenseerde stuurkleppen voor stromingsregeling) kunnen worden onderverdeeld in type 'inlaatstroming' en type 'bypass'.

Opbouw van een snelheidsregelklep van het type 'inlaatstroming'

De snelheidsregelklep van het type 'inlaatstroming' met drukcompensatie bestaat uit een kleplichaam met inlaat- en uitlaatpoorten, een naaldklep, een compenseerschuif en een voorbelastingsveer.

Werkwijze van het type 'inlaatstroming'

Om te begrijpen hoe het type met instroomwerking werkt, analyseren we de werking stap voor stap. Wanneer de compenseerspool volledig naar zijde A is verschoven, bereikt alle toekomstige drukolie de naaldkleporifice. Zolang de compenseerspool licht naar zijde B beweegt, wordt de toekomstige drukolie getooid. Om de stromingsopening open te houden, is de compenseerspool door een veer naar zijde A voorbelast. De ingangsdruck van de naaldklep wordt via een interne regelgeleiding gemeten aan het A-einde van de compenseerspool — wanneer de druk boven de veerkracht stijgt, verschuift de spool naar zijde B.

Als de opening van de naaldklep zo is afgesteld dat minder dan de volledige pompdebiet erdoorheen stroomt, stijgt de ingangsdruk van de naaldklep tot de instelling van de veiligheidsklep. Wanneer de ingangsdruk van de naaldklep boven de veerkracht van de compenseerschuif stijgt, verschuift de compenseerschuif naar B, waardoor de toekomende stroming wordt beperkt. Wanneer de stroming door de opening van de compenseerschuif gelijk is aan het uitgangsdebiet van de pomp, stabiliseert de ingangsdruk van de naaldklep zich op de veerdrukwaarde. Bijvoorbeeld bij een veerdruk van 100 psi (6,89 bar) en een veiligheidsklepinstelling van 500 psi (34,48 bar): de ingangsdruk bedraagt 500 psi (34,48 bar); terwijl olie door de opening van de compenseerschuif stroomt, wordt 400 psi (28 bar) omgezet in warmte, waardoor de ingangsdruk van de naaldklep daalt tot 100 psi (6,89 bar). Dit betekent dat, ongeacht de ingangsdruk van de stromingsregelklep, de ingangsdruk van de naaldklep door de werking van de compenseerschuif wordt gehandhaafd op 100 psi (6,89 bar).

Figuur 9-5 Inlaat-snelheidsregelklep (drukgecompenseerd). De compenseerschuif houdt de drukval over de naaldklep constant, ongeacht wijzigingen in de inlaat- of uitlaatdruk — waardoor een precieze, constante stroming wordt geleverd.

Bij het eerdere naaldklepcircuit is het drukverschil over de naaldklepopening slechts deels het verhaal — de druk stroomafwaarts van de naaldklep moet ook worden gecompenseerd. Met andere woorden, er moet een constant drukverschil worden gehandhaafd. Om dit te bereiken wordt de stroomafwaartse druk van de naaldklep eveneens via een regelkanaal naar de veerholte van de compenseerschuif geleid. Nu werken twee krachten op de A-zijde van de compenseerschuif: de veerkracht en de oliedruk stroomafwaarts.

Als de veerkracht 100 psi (6,89 bar) bedraagt, wordt het drukverschil over de naaldklep beperkt tot meer dan de druk stroomafwaarts met 100 psi (6,89 bar). Zolang de veilheidsklep voldoende hoog is ingesteld, is het drukverschil over de naaldopening altijd gelijk aan de veerdruk. Op deze manier blijft het drukverschil dat de stroming door de naaldklep afdwingt constant — en wordt het niet beïnvloed door schommelingen in de stroomopwaartse of stroomafwaartse druk.

Inlaatregelklep voor snelheidsregeling in een circuit

In de circuit is de snelheidsregelklep voor instromend medium ingesteld op 3 gpm (11,37 l/min). De veiligheidsklep is ingesteld op 500 psi (34,48 bar), de belastingdruk bedraagt 200 psi (13,79 bar). De veerkracht van de compenseerspool bedraagt 100 psi (6,89 bar). De pomp probeert de volledige stroming van 5 gpm (18,95 l/min) door de naaldklep te duwen, waardoor de ingangsdruk van de naaldklep stijgt. Bij 300 psi (21 bar) verschuift de compenseerspool en beperkt de stroming, waardoor de ingangsdruk van de stroomregelklep stijgt tot de instelling van de veiligheidsklep, namelijk 500 psi (34,48 bar). Van deze 500 psi (34,48 bar) wordt 200 psi (13,79 bar) gebruikt om de belasting te overwinnen; 100 psi (6,89 bar) drijft de stroming door de naaldklep; de resterende 200 psi (13,79 bar) van de 500 psi wordt omgezet in warmte terwijl de stroming door het openingstuk van de compenseerspool stroomt. De stroming bedraagt hier 3 gpm (11,37 l/min) en de zuurstang-snelheid = 19 ft/min (97,83 mm/s).

Verhogen van de belastingdruk en de instelling van de veiligheidsklep

Als de belastingdruk stijgt tot 400 psi (27,58 bar) of de drukbegrenzer wordt ingesteld op 600 psi (41,38 bar), blijft er nog steeds een druk van 100 psi (6,89 bar) aanwezig om de stroming door de naaldklep te drijven. Zolang de drukbegrenzer hoog genoeg is ingesteld om de compenseerspoel in beweging te brengen, zal de uitgaande stroming naar de cilinder constant zijn op 3 gpm (11,37 L/min).

Bypass-snelheidsregelklepconstructie

De bypass-snelheidsregelklep bestaat uit een kleplichaam met inlaat-, uitlaat- en retouraansluitingen, een naaldklep, een compenseerspoel en een voorbelastingsveer.

Hoe het bypass-type werkt

De compenseerspoel in deze klep opent en sluit een bypasskanaal naar de oliebak. De compenseerspoel is door een veer voorbelast om te sluiten (lage positie). Als de veer een krachtwaarde heeft van 100 psi (6,89 bar), wordt de ingangsdruck van de naaldklep beperkt tot 100 psi (6,89 bar). In de initiële toestand wordt de volledige stroming door de klep naar de oliebak geleid. Tijdens normaal bedrijf bevindt de compenseerspoel zich in de door de veer voorbelaste gesloten positie.

De instroomdruk van de naaldklep wordt gemeten via een interne regelopening naar de bovenzijde van de compenseerspool. Wanneer de druk stijgt boven de veerkracht, werkt de compenseerspool als een veilheidsklep — waardoor de bypassopening wordt geopend en de instroomdruk van de naaldklep wordt begrensd op 100 psi (6,89 bar). De vaste instroomdruk van de naaldklep garandeert geen constante stroming — als de uitstroomdruk verandert, verandert ook het drukverschil over de naaldopening, en daarmee de stroming.

Om dit te compenseren, wordt de uitstroomdruk van de naaldklep via een regelopening geleid naar de veerholte van de compenseerspool. De A-zijde van de compenseerspool ondergaat nu twee krachten: de veerkracht en de oliedruk aan de uitstroomzijde. Als de veerkracht gelijk is aan 100 psi (6,89 bar), wordt de instroomdruk van de naaldklep beperkt tot 100 psi (6,89 bar) boven de uitstroomdruk. Zolang de veilheidsklep voldoende hoog is ingesteld, is het drukverschil over de naaldopening gelijk aan 100 psi (6,89 bar) — constant.

Snelheidsregelklep van het bypass-type in een circuit

Bypass-type snelheidsregelklep ingesteld op 3 gpm (11,37 L/min). Veiligheidsdruk: 500 psi (34,48 bar), belasting: 200 psi (13,79 bar), veerkracht: 100 psi (6,89 bar). De pomp probeert de volledige stroming van 5 gpm (18,95 L/min) door de naaldklep te duwen. De compenseerschijf opent het bypass-kanaal, waardoor de ingangsdrak op de naaldklep wordt beperkt tot 300 psi (20,68 bar). Van deze 300 psi: 200 psi (13,79 bar) overwint de belasting en 100 psi (6,89 bar) drijft een stroming van 3 gpm (11,37 L/min) door de naaldklep. De resterende stroming van 2 gpm (7,58 L/min) wordt via de opening van de compenseerschijf naar de tank afgevoerd.

Figuur 9-8 Bypass-type snelheidsregelcircuit. De compenseerschijf voert de overtollige pompstroom rechtstreeks naar de tank af, in plaats van deze via de veiligheidsklep te leiden. Dit is energie-efficiënter dan het ‘meter-in’-type, omdat de overtollige stroming niet onder volledige systeemdruk door het systeem wordt geleid.

Verhogen van de belastingdruk en de instelling van de veiligheidsklep

Als de belastingdruk stijgt tot 400 psi (27,58 bar) of de overdrukventiel wordt ingesteld op 600 psi (41,38 bar), blijft er nog steeds een druk van 100 psi (6,89 bar) de stroming door de naaldklep duwen. Zolang de overdrukventiel hoog genoeg is ingesteld om de compenserende spil te openen, is de uitvoer naar de cilinder constant 3 gpm (11,37 L/min).

Temperatuureffect op stroming door een opening

Zoals aan het begin van dit hoofdstuk is vermeld, zijn de drie belangrijkste factoren die de stroming door een opening beïnvloeden: de grootte van de opening, het drukverschil en de olie-temperatuur. Wanneer de olie-temperatuur verandert, verandert ook de viscositeit — en wanneer de viscositeit van de olie verandert, verandert ook de stroming door de opening. Bij vaste openingen of naaldkleppen zijn temperatuurgeïnduceerde stromingsveranderingen meestal niet significant, omdat de grootte van de opening en het drukverschil over het algemeen veel groter zijn dan de invloed van de viscositeit. Voor toepassingen die zeer nauwkeurige stromingsregeling vereisen, moet echter rekening worden gehouden met temperatuureffecten. Zowel meter-in- als bypass-type snelheidsregelkleppen zijn over het algemeen geschikt voor typische industriële hydraulische toepassingen.

Voor toepassingen die uiterst nauwkeurige stromingsregeling vereisen — ongeacht temperatuurveranderingen — kan een temperatuurgecompenseerde stromingsregelklep worden gebruikt. Dit type compenseert eveneens voor temperatuureffecten.

Belangrijke formules — Hoofdstuk 9