Vi vet allerede at maksimal systemtrykk kan kontrolleres med en trykkreguleringsventil med normalt lukket tilstand — dens primære port er koblet til systemtrykket, mens dens sekundære port er koblet til tanken. Spolen styrer basert på forhåndsinnstilt trykk: når primære og sekundære kanaler møtes ved et innstilt punkt, avledes en del strømning til tanken. Denne trykkreguleringsventilen med normalt lukket tilstand er en overtrykksventil. Dette kapitlet omhandler alle typer trykkreguleringsventiler — deres oppbygning, kretsanvendelser og viktige ytelsesegenskaper.

Trykkjustering

Ved en trykkreguleringsventil justeres trykket vanligvis ved å justere forspenningen til fjæren ved hjelp av en justeringsskru. Trykket endres når skruen dreies.

Figur 11-1: Trykkreguleringsventil med normalt lukket tilstand. Justeringsskruen setter fjærens forspenning, som bestemmer hvilket trykk som får spolen til å løfte seg og ventilen å åpne.

Anvendelser av trykkreguleringsventiler med normalt lukket tilstand

I hydrauliske systemer har normalt lukkede trykkstyringsventiler flere bruksområder. Foruten å brukes som sikkerhetsventiler i systemet, kan de også styre rekkefølgen av handlinger – altså sikre at én handling skjer før en annen. De kan også brukes til å balansere eksterne mekaniske krefter.

Sekvensventil

En normalt lukket trykkstyringsventil som styrer at én handling skjer før en annen kalles en sekvensventil.

Anvendelse av sekvensventilkrets

I en hydraulisk krets som utfører både spenning og boring, må spenningscylinderen utvides før borsylinderen. For å oppnå dette plasseres sekvensventilen i kretsen rett før borsylinderen. Fjæren i sekvensventilen tillater ikke spolen å koble sammen primær- og sekundærpassasjene før trykket stiger tilstrekkelig høyt for å overvinne fjærkraften – inntil da blokkeres strømmen til borsylinderen. Dermed utvides spenningscylinderen først. Når spenningen kommer i kontakt med arbeidsstykket, må pumpen levere høyere trykk for å overvinne motstanden. Dette øker trykket over pilottrykket som virker på spolen i sekvensventilen, slik at primær- og sekundærpassasjene kobles sammen, og strømmen går til borsylinderen – borsylinderen begynner da å bevege seg.

Figur 11-2 Sekvensventilkrets. Ved at sekvensventilen blokkerer strømmen til borsylinderen inntil systemtrykket bygges opp, lukkes alltid spenningen før boringen starter.

Motvektventil

En normalt lukket trykkstyringsventil som brukes til å balansere eller støtte en vekt (for eksempel et presseplatens) kalles en motvektsventil.

Anvendelse av motvektsventilkrets

I en pressekrets vil, når rettningsventilen sender strøm inn i den blinde enden av sylindern, presseplatens som er koblet til stempelet falle ukontrollert på grunn av tyngdekraften, og pumpestrømmen vil tørke ut. For å forhindre dette monteres en normalt lukket trykkventil nedstrøms presse-sylinderen. Ventilens spole åpner ikke hoved-til-sekundærpassasjen før trykket ved bunnen stiger over trykket som genereres av platens vekt. Med andre ord balanserer denne metoden platens vekt gjennom hele nedoverbevegelsen samtidig som olje tilføres den blinde enden av sylindern.

Balanseringsventilen kan også brukes til å bremse rotasjonsbevegelsen til en hydraulisk motor med tung last. For en hydraulisk motor som driver tunge hjul, kan motoren overskride hastighetsgrensen («runaway») når hjulene har oppbygd drivkraft. Hvis en balanseringsventil installeres ved motorens utgang, åpner ventilen kun når utgangstrykket når innstilt verdi. Denne mottrykket motvirker kraften som oppstår ved omforming av de tunge hjulenes rotasjonsmoment.

Figur 11-3 Balanseringsventil. (Øverst) Hindrer presseplatens ukontrollerte fall. (Nederst) Hindrer at motoren med tung last overskrider hastighetsgrensen når lasten driver motoren.

Enkel trykkavlastningsventil

En enkel trykkavlastningsventil består i hovedsak av et ventilkropp med en spole som påvirkes av en sterk fjær. Når trykket på spolens side motsatt fjæren stiger tilstrekkelig høyt, beveger spolen seg og åpner en passasje for å avlede pumpens strøm til tanken.

I eksempelkretsen er den enkle trykkavlastningsventilen innstilt slik at når pumpens utgangstrykk når 1 000 psi (68,97 bar), skjer en avlastningsstrøm på 10 gpm (37,9 l/min). Dette betyr ikke at ventilen plutselig åpner ved 1 000 psi – i stedet begynner ventilen å åpne ved et lavt trykk, og leder en del strøm til tanken ved trykk under 1 000 psi (68,97 bar). Når trykket nærmer seg 1 000 psi (68,97 bar), øker åpningen gradvis for å lede mer strøm til tanken. Ved innstillingspunktet på 1 000 psi (68,97 bar) er åpningen til strømkanalen stor nok til å lede hele mengden på 10 gpm (37,9 l/min). Når systemtrykket faller under åpningspresset for trykkavlastningsventilen, forsvinner strømkanalen til tanken som dannes av ventilåpningen fra kretsen.

Temperaturvirkning på innstilling av trykkavlastningsventil

Åpningen av en trykkavlastningsventil er i prinsippet en strupfunksjon. Som alle strupanordninger påvirkes strømmen gjennom den av væskens temperatur og dermed av viskositeten.

For en trykkavlastningsventil innstilt på 1 000 psi (68,97 bar) for å avlede 10 gpm (37,9 l/min), antas oljeviskositeten å være konstant. Ved romtemperatur er viskositeten til oljen i utstyrets reservoar 400–500 SUS (86,3–107,9 cSt). Ved denne viskositeten avleder en systemtrykkavlastningsventil innstilt på 1 000 psi (68,97 bar) 10 gpm (37,9 l/min) gjennom åpningen i dysen. Når oljen oppvarmes, kan pumpepressuren begrenses til 900 psi (62 bar) eller lavere. Grunnen er at når oljetemperaturen stiger, reduseres viskositeten – for eksempel til 100 SUS (21,6 cSt). Dette betyr at en lavere trykkraft kan drive 10 gpm (37,9 l/min) væskestrøm gjennom åpningen i trykkavlastningsventilen og til tanken.

Det motsatte skjer når trykkavlastningsventilen er innstilt ved driftsviskositeten – når pumpen starter opp, er oljetemperaturen lav og viskositeten høy, og pumpepressuren kan nå 1 100 psi (75,9 bar). For systemer med strenge maksimalgrenser for pumpepressur bør systemet varmes opp før justering av trykkavlastningsventilen.

Figur 11-5 Temperaturvirkning på trykkavlastningsventilens innstilling. Kald (høyviskøs) olje krever høyere trykk for å tillate samme strømningshastighet. Varm alltid opp systemet før du justerer trykkavlastningsventilen.

Virkning av pumpe-slitasje på innstillingen av trykkavlastningsventilen

Slitasje på pumpen påvirker også innstillingen av trykkavlastningsventilen. For en trykkavlastningsventil innstilt til å avlede 10 gpm (37,9 lpm) ved 1 000 psi (68,97 bar) vil 10 gpm (37,9 lpm) pumpestrøm avlede gjennom ventilenes åpning til tanken så lenge trykket ved ventilenes inngangsport er 1 000 psi (68,97 bar). Når hydraulisk pumpe pumpen slites, reduseres dens utgangsstrøm; strømmen gjennom trykkavlastningsventilen reduseres også, og trykket faller dermed. For en ventile innstilt til å avlede 10 gpm (37,9 lpm) ved 1 000 psi (68,97 bar), kan systemets trykkavlastningsventiltrykk være bare 900 psi (62 bar) når avledningsstrømmen på grunn av pumpeslitasje reduseres til 5 gpm (18,95 lpm). Ved justering av innstillingen på trykkavlastningsventilen oppstår lignende situasjoner.

Enkel trykkavlastningsventils åpningstrykk

Knekkespenningspresset er trykket der trykkavlastningsventilen begynner å åpne sin omgående passage. For en enkel trykkavlastningsventil er dette trykket litt lavere enn innstillingen for trykkavlastningsventilen. Enkle trykkavlastningsventiler har egenskapen preknekkespenning.

I ytelseskurvediagrammet for den enkle trykkavlastningsventilen er ventilen innstilt til å lede om 10 gpm (37,9 lpm) ved 1 000 psi (68,97 bar). Kurven viser at ventilen åpner ved 800 psi (55,2 bar), og når trykket nærmer seg 1 000 psi (68,97 bar), øker omgående strømmen – til slutt ved 1 000 psi (68,97 bar) er åpningen tilstrekkelig stor til å tillate en strøm på 10 gpm (37,9 lpm).

Effekten av preknekkespenning på systemet

Forhåndstrykket for trykkavlastningsventilen er en ulempe for systemet. Anta at pumpen/motoren produserer 750 psi (51,7 bar) og leverer 10 gpm (37,9 lpm) til aktuatoren, der 550 psi (37,9 bar) er nødvendig for belastningen og de resterende 200 psi (13,8 bar) overvinnes av fluidmotstanden. Ved bruk av en enkel trykkavlastningsventil innstilt på 1 000 psi (68,97 bar) forblir ventilen lukket ved dette tidspunktet, og all trykkolje går direkte til den arbeidende belastningen.

Hvis belastningstrykket stiger til 700 psi (48,28 bar), må pumpen/motoren øke sin utgang til 900 psi (62,1 bar) (under antakelse av konstant utstrømningshastighet). Siden åpningstrykket for trykkavlastningsventilen er 800 psi (55,2 bar), blir 5 gpm (18,95 lpm) omledet ved det nåværende pumpetrykket, noe som betyr at aktuatoren mottar mindre enn hele pumpens strøm, og handlingen fullføres med redusert hastighet. Samtidig strømmer olje gjennom trykkavlastningsventilens åpning og genererer unødvendig varme.

Hvis belastningstrykket er 750 psi (51,7 bar), må pumpen/motoren produsere 950 psi (65,5 bar) — enda høyere trykk ved mer strømning som går forbi trykkavlastningsventilens åpning, aktuatorhastigheten reduseres ytterligere, og enda mer unødvendig varme genereres.

Figur 11-7 Effekten av forspenningspress. Den enkle trykkavlastningsventilen begynner å lede strømning forbi før det innstilte trykket nås, noe som reduserer aktuatorhastigheten og spiller bort energi som varme ved mellomliggende belastningstrykk.

Normalt åpen trykkventil

Den normalt lukkede trykkstyringsventilen har sine primære og sekundære porter frakoblet i normal posisjon og overvåker trykket på den primære porten. Den normalt åpne trykkventilen har sine primære og sekundære porter koblet sammen i normal posisjon og overvåker trykket på den sekundære porten.

Reduserende ventil

Den reduserende ventilen er vanligvis en normalt åpen trykkstyringsventil.

Hvordan en reduserende ventil fungerer

En reduksjonsventil virker ved å måle trykket nedstrøms for ventilen. Når trykket nedstrøms er lik innstillingen på ventilen, lukkes spolen delvis og danner en innsnevring som omsetter overskuddsenergien fra trykket oppstrøms til varme. Hvis trykket nedstrøms synker, åpnes spolen mer, slik at trykket igjen kan stige.

Anvendelse av reduksjonsventilkrets

I eksemplet på en klemkrets må klemesylinder B utøve mindre kraft enn klemesylinder A. For å oppnå dette installeres en reduksjonsventil rett før klemesylinder B for å redusere trykket til sylinder B til reduksjonsventilens innstilling. Ved dette innstilte trykkpunktet skaper reduksjonsventilens spolfunksjon en innsnevring som omsetter overskuddsenergien fra trykket oppstrøms til varme. Sylinder B klemmer med det reduserte trykket.

Statisk trykkfall (avvik) for reduksjonsventil

Trykket på reduksjonsventilens sekundære port ved nominell strømningsforhold er lavere enn ved nullstrøm. Forskjellen mellom de to reduserte trykkene er den statiske trykkfallsoffseten for reduksjonsventilen. Statisk fall er en inneboende egenskap ved reduksjonsventilen som ytterligere forklarer hvorfor trykket øker med strømning. En reduksjonsventil med nominell strømning på 15 gpm (56,85 lpm) har ved nominell strømning og nominelt arbeidstrykk en statisk fallsoffset på ca. 50 psi (3,45 bar), mens en reduksjonsventil med nominell strømning på 100 gpm (379 lpm) kan ha en statisk fallsoffset så høy som 150 psi (10,3 bar).

Figur 11-9 Statisk trykkfall for reduksjonsventil. Utgangstrykket er litt lavere under strømning enn når strømningen stopper. Jo større nominell strømning ventilen har, jo større blir denne offseten.

Drain – intern og ekstern

Når spolen i trykkreguleringsventilen beveger seg inni ventilkroppen, lekker noe pressurisert olje inn i rommet over spolen. For at ventilen skal fungere riktig, må rommet over spolen kontinuerlig avlede olje for å unngå blokkering av spolbevegelsen. Avledning oppnås ved å lage en avledningskanal inni ventilkroppen og koble den til reservoaret.

Intern avledning

Hvis sekundærporten på trykkventilen er koblet til reservoaret – som ved sikkerhetsventiler og motvektsventiler – er avledningskanalen intern koblet til sekundærporten (returporten). Dette kalles intern avledning.

Ekstern avledning

Hvis sekundærporten på trykkventilen er en trykkport (arbeidsporten), som ved sekvensventiler og reduserende ventiler, er avledningskanalen en separat ledning til reservoaret. Dette kalles ekstern avledning. Sekvensventiler og reduserende ventiler er vanligvis trykkreguleringsventiler med ekstern avledning.

Direkte styring og fjernstyring

Inntil nå har trykkdeteksjon skjedd gjennom kanaler inne i ventilkroppen. Vanligvis skjer detektering ved primærporten for normalt lukkede ventiler og ved sekundærporten for normalt åpne ventiler. Denne formen for trykkdeteksjon kalles direkte styring eller lokal styring. En trykkstyringsventil kan også detektere trykk fra en annen del av systemet via en ekstern rørledning — dette kalles fjernstyring eller pilotstyring.

Figur 11-10 Direkte styring (venstre) detekterer trykk ved ventilen sin egen port. Fjernstyring (høyre) tillater et avstandstrykkssignal å åpne eller justere ventilen — nyttig ved akkumulatorutlastning og sekvensering av flere aktuatorer.

Utlasterventil

En utlasterventil er en fjernstyrt, normalt lukket trykkstyringsventil. Når systemtrykket ved deteksjonspunktet når en forhåndsinnstilt verdi, omdirigerer ventilen strømmen til tanken.

Anvendelse av utlasterventilkrets

I akkumulatorkretsen med en direkte styrt trykkventil returnerer pumpens utstrømningsstrøm til tanken ved trykkavlastningsventilens innstilte trykk når akkumulatoren er ladet opp til ventilenes innstilte trykk. Dette spiller bort betydelig effekt og genererer store mengder unødvarme. Ved å koble kontrollledningen til sjekkventilen nedstrøms av avlastningsventilen – så åpner kontrolltrykket ventilen når akkumulatoren er ladet opp til ventilens innstilte trykk, og pumperens utstrømningsstrøm ledes til tanken ved laveste trykk. På dette tidspunktet trenger pumpen ikke å levere høyt trykk for å holde avlastningsventilen åpen, siden kontrolltrykket kommer fra akkumulatoren som er isolert av sjekkventilen. Ettersom pumpetrykket på dette tidspunktet er neglisjerbart, er også effortapet neglisjerbart.

Figur 11-11: Avlastningsventilkrets. Når akkumulatoren er ladet, isolerer sjekkventilen den fra pumpen, og avlastningsventilen leder pumpens strøm til tanken ved minimalt trykk – noe som sparer nesten all pumpeeffekt under standby.

Fjernstyrt motvektsventil

En direktevirkende motvektsventil som er montert nedstrøms sylindern som støtter presseplaten kan effektivt balansere eller nulle ut platenvekten. Men under presseprosessen, når platen passerer gjennom materialet, bør platenvekten ikke legges til den totale pressekraften. Hvis dette ikke er ønskelig, bør motvektsventilen bruke fjernstyring, der styreledningen er koblet til den andre sylindrens arbeidsledning. Ved bruk av en fjernstyrt motvektsventil er platen fortsatt balansert under nedoverbevegelse, men under presseprosessen kan platenvekten benyttes som pressekraft. Under hele nedoverstrekken vil, i tomgangsstrek, platenens egenvekt prøve å trekke sylinderstangen nedover, og trykket oppstrøms samt trykket i styreledningen vil falle, noe som gjør at motvektsventilen tenderer til å lukke seg, øker motstanden og hindrer strømmen i å følge med nedoverfarten; under presseprosessen åpnes motvektsventilen fullt av høyt oppstrøms styretrykk, uten mottrykk på stangsiden, slik at platenvekten kan bidra til pressekraften.

Direktevirkende motvektsventil i en motorstyringskrets

I den hydrauliske motorstyringskretsen som vises, brukes en direktevirkende motvektsventil til å bremse rotasjonsinertien til lasten med stor masse. Motvektsventilen er innstilt på 800 psi (55,2 bar) og gir alltid mottrykk til den roterende lasten, slik at lastens hastighet ikke kan overstige pumpestrømmen og føre til overspeed. Dette betyr imidlertid også at inngangstrykket til motoren må være høyere enn lastens arbeidstrykk pluss 800 psi (55,2 bar) – dette er en ulempe. For å overvinne dette kan en bremsventil brukes i stedet.

Bremseventil

En bremsventil er en normalt lukket trykkreguleringsventil med både direkte og fjernstyringsutgang. Begge styringsmetodene er koblet til samtidig. Bremsventiler brukes vanligvis sammen med hydrauliske motorer og erstatter direktevirkende motvektsventiler i hydrauliske motorstyringskretser.

Konstruksjon av bremsventil

Bremseventilen består av et ventilkropp, en spole, en styrepiston, en forspenningsfjær og en fjæroppjusteringsenhet. Ventilkroppen har primære, sekundære, interne styrings- og eksterne styringskanaler.

Hvordan bremseventilen fungerer

Bremseventilen er en normalt lukket ventil. Anta at forspenningsfjæren er innstilt til å åpne direkte styring ved 800 psi (55,2 bar). Når trykket i den interne styrekanalen når 800 psi (55,2 bar), beveger styrepistonen seg oppover og skyver spolen, noe som åpner bremseventilen. Når trykket faller under 800 psi (55,2 bar), lukkes ventilen. Denne handlingen er identisk med den direktevirkende motvektsventilen. Arealet til den interne styrepistonen er mye mindre enn tverrsnittsarealet til spolen – arealetforholdet er typisk 8:1. Den eksterne styreutgangen er vanligvis tilkoblet den andre arbeidsledningen til motoren. Eksternt trykk virker på motsatt side av fjærrommet til spolen – bare 100 psi (6,89 bar) kreves for å åpne ventilen, fordi det virker på bunnen av spolen, som har et areal som er åtte ganger større enn arealet til styrepistonen.

Anvendelse av bremseventilkrets

Anta at bremsespenningen er innstilt på 800 psi (55,2 bar) med direkte styring. Når trykket i motortilførselsledningen når 100 psi (6,89 bar), åpner bremsespenningen, og trykket i motortilførselsledningen brukes fullt ut til å dreie lasten (forutsatt at 100 psi / 6,89 bar er høyere). Hvis lasten overskriver hastigheten, synker trykket i motortilførselsledningen, bremsespenningen lukkes, og mottrykket på 800 psi (55,2 bar) åpnes på nytt, noe som øker motstanden og senker lastens hastighet.

Bremsespenningen er en normalt lukket trykkstyringsventil. Dens virkning er direkte knyttet til behovene til motorlasten.

Figur 11-13 Bremsespenning. I motsetning til en enkel motbalanseventil har bremsespenningen både direkte (intern) og fjernstyrt (ekstern) styring. Areaforholdet på 8:1 betyr at bare 100 psi eksternt pilottrykk kreves for å åpne den – slik at motoren lett kan drive lasten, samtidig som den fortsatt gir 800 psi mottrykk for bremsing når lasten prøver å overskride hastigheten.

Motstrømning gjennom trykkstyringsventiler

Med unntak av trykkavlastningsventiler og utladningsventiler krever alle trykkventiler vanligvis omvendt strømning for å kunne slippe gjennom fritt. Vanligvis lukkede trykkventiler registrerer trykket på primærporten — hvis strømmen reverseres, synker trykket på primærporten, spolen lukkes og forbindelsen mellom primær- og sekundærporten kuttes av. Siden omvendt strømning ikke kan gå gjennom vanligvis lukkede trykkventiler, må en tilbakeslagventil brukes for å kringgå denne typen ventil.

Vanligvis åpne trykkventiler registrerer trykket i sekundærpassasjen — så lenge strømmen reverseres, holder trykket nedenfor innstilt verdi, og ventilpassasjen står alltid åpen, slik at ingen tilbakeslagventil for omvendt strømning er nødvendig. I praksis lukkes imidlertid spolen plutselig så snart trykket på sekundærporten stiger over den innstilte verdien. Som en forsiktighetsregel brukes tilbakeslagventiler og reduksjonsventiler ofte sammen for å sikre omvendt strømning.

Sammendrag av trykkstyringsventiler

Fra studiet i dette kapittelet kan vi oppsummere de viktigste reglene for trykkstyringsventiler:

• Regel A: Trykkstyringsventiler med sekundære porter som er tilkoblet en trykkkrets krever ekstern avledning (sekvensventiler og reduserende ventiler).
• Regel B: Trykkstyringsventiler med sekundære porter som er tilkoblet reservoaret bruker vanligvis intern avledning (overtrykkventiler, utlastningsventiler, motvektsventiler og bremseventiler).
• Regel C: For å tillate fri omvendt strømning gjennom en trykkstyringsventil må en kontrollventil brukes.

Figur 11-15: Grafiske symboler for alle trykkstyringsventiler. Merknad: Sekvensventiler og reduserende ventiler har alltid eksterne avledningsledninger (vist som stiplete linjer til reservoaret). Overtrykk-, utlastnings- og motvektsventiler bruker intern avledning.

Terminologi for trykkstyringsventiler

Nøkkelbegreper som brukes i forbindelse med trykkstyringsventiler:

• Direkte styring — Å bruke olje fra den egne kontrollkanalen inne i ventilkroppen til å styre spolen. «Lokal virkning» — spolen belastes kun av fjærkraft.
• Avledning til reservoar — Strømmen går gjennom en overtrykkventil.
• Pilot (pilot) — Hydraulisk trykk som brukes til å styre spolbevegelse. Trykkmåling fra en plassering langt unna ventilen selv.
• Åpningstrykk (åpningstrykk) — Trykket der trykkavlastningsventilen først begynner å åpne bypasspassasjen.
• For-åpningstrykk (for-åpningstrykk) — Tendensen til noen ventiler (spesielt enkle trykkavlastningsventiler) til å åpne under det innstilte trykket.
• Mottrykk (mottrykk) — Trykk på utgangssiden av en ventil eller aktuator som motvirker strømning eller bevegelse.