Kapittel 9: Strømningsreguleringsventiler

Strupen

En strupe er en relativt liten åpning i en væskestrømningsbane. Strømmen gjennom en strupe påvirkes av flere faktorer, og de tre viktigste er:

1. Åpning Størrelse
2. Trykkdifferansen over strupen
3. Væsketemperatur

Effekten av strupens størrelse på strømmen

Strupens størrelse styrer strømmen gjennom den. Et vanlig hverdags-eksempel er et slangesprøytehode — hvis åpningen i sprøytehodet er liten, kommer vannet ut som en fin tåke eller spray. Hvis åpningen er større, blir det en jetstråle. I begge tilfellene begrenser sprøytehodets strupe vannstrømmens retning — strømmen gjennom strupen bestemmes av åpningsstørrelsen.

Figur 9-1: Strømreguleringsventil i en krets. Ventilen begrenser strømmen til sylindern. Overskuddsstrøm fra pumpen går over trykkavlastningsventilen. Den begrensede strømmen blir potensiell energi (hastighet) ved strupen.

Fast strupe

En fast åpning har en åpningstørrelse som ikke kan justeres. De vanligste eksemplene innen hydraulikkteknologi er et borhull i en rørpropp eller en sjekkventil, eller en fabrikkinnstilt strømningsreguleringsventil.

Variabel åpning

I de fleste tilfeller trengs en variabel åpning i stedet for en fast, fordi den er mer tilpasningsdyktig. Sluseventiler, kuleventiler og nålventiler er alle eksempler på variable åpninger.

Portventil

En sluseventil har en rettlinjet strømningspassasje. Størrelsen på åpningen endres ved å rotere håndtaket for å åpne eller lukke slusen i strømveien. Selv om sluseventiler ikke er utformet for strømningskontroll, kan de i noen grove strømmålingssystemer brukes som strømbegrensningsenheter.

Ballventilen

Strømningspassasjene i en kuleventil er ikke rettlinjede – de danner en 90°-vinkel. Åpningen består av setet og den koniske eller kuleformede stoppen på den roterende passasjen. Åpningens størrelse justeres ved å endre posisjonen til kulestoppen.

Nåleventil

Strømning gjennom nålventiler gjør også en 90°-sving, før den passerer gjennom en åpning. Denne åpningen består av spalten mellom en ventilstang med konisk endet og ventilsætet. Størrelsen på åpningen endres ved å justere posisjonen til konusflaten i forhold til ventilsætet. Ettersom justeringstrådene på ventilstangen har fin gjenge og spissen er konisk, endres størrelsen på åpningen gradvis. I hydrauliske systemer er nålventilen den mest brukte variable åpningen.

Figur 9-2: Typer av variable åpninger. Nålventilen (nederst) er den vanligste i hydraulikk – dens koniske spiss og fine gjenger tillater svært nøyaktig og gradvis strømningsjustering.

Bruk av nålventil i en krets

Eksempelkretsen bruker en positivt forskyvende pumpe på 5 gpm (18,95 L/min), en trykkavlastningsventil, en rettningsventil, en variabel åpning (nålventil) og en hydraulisk sylinder med stempeleareal på 3 in² (19,35 cm²). Hvis trykkavlastningsventilen er innstilt på 500 psi (34,48 bar) og pumpen leverer 5 gpm:

Med nålventilen som begrenser strømmen til bare 2 gpm (7,58 lpm), er stanghastigheten = 2 × 19,25 / 3 = 13 fot/min (3,96 m/min). Trykkavlastningsventilen begrenser systemtrykket til 500 psi (34,48 bar) ved å lede den gjenværende strømmen på 3 gpm (11,37 lpm) til tanken.

Åpning av nålventilens åpning

Å vri ut nålventilen øker åpningen — mer væskestrøm passerer gjennom til sylindern, opp til trykkavlastningsventilens trykkbegrensning. Stanghastigheten øker.

Lukking av nålventilens åpning

Å vri inn nålventilen reduserer åpningen. Mindre væskestrøm kommer inn i sylindern, så stanghastigheten avtar.

Effekten av trykkdifferansen på strømmen

Strømmen gjennom en åpning påvirkes av trykkdifferansen. Siden trykk er potensiell energi i et hydraulisk system, vil større trykkdifferanse over en åpning føre til økt strøm gjennom den.

Hverdagseksempel — luftmadrass

Etter en dag på stranden eller leirsted fjerner du støpslet fra en oppblåst luftmadrass og lar luften strømme ut fritt. Fordi trykkforskjellen mellom innvendig og utvendig trykk er liten, kollapser madrassen sakte. Trykk hardt på madrassen — det indre trykket øker i forhold til atmosfærisk trykk, forskjellen øker, og luften strømmer ut raskere.

Trykk forsiktig på en tub med tannpasta — en liten mengde kommer ut. Trykk hardt — mer tannpasta presses ut og kan lande på gulvet. Hvis tannpastatuben trampes på, er trykkforskjellen fra innvendig trykk til atmosfærisk trykk større enn når den trykkes på med hånden, så kommer mer tannpasta ut raskere.

Effekten av trykkforskjell på strømmen gjennom en nålventil i en krets

I kretsen som er vist, begrenser nålventilen pumpestrømmen på 5 gpm (18,95 L/min) til 3 gpm (11,37 L/min). Innstilling av trykkavlastningsventilen: 500 psi (34,48 bar). Lastmotstand: 200 psi (14 bar). Inngangstrykket til nålventilen tilsvarer innstillingen av trykkavlastningsventilen: 500 psi (34,48 bar). Av disse 500 psi (34,48 bar) overvinnes lastmotstanden på 200 psi (14 bar); resterende trykkdifferanse på 300 psi (21 bar) driver 3 gpm (11,3 L/min) gjennom nålventilen, noe som gir stanghastighet på 19,25 ft/min (5,87 m/min). De resterende 2 gpm (7,58 L/min) går gjennom trykkavlastningsventilen til tanken.

Øke innstillingen av trykkavlastningsventilen

Ved å holde lasttrykket og innstillingen av nålventilen uendret og øke innstillingen av trykkavlastningsventilen til 600 psi (41,38 bar), blir inngangstrykket til nålventilen 600 psi (41,38 bar). Av dette overvinnes 200 psi (14 bar) lasten; trykkdifferansen på 400 psi (28 bar) driver nå 4 gpm (15 L/min) gjennom nålventilen. Stanghastigheten øker til 26 ft/min (7,92 m/min).

Lasttrykket øker

Nullstill trykkavlastningsventilen tilbake til 500 psi (34,48 bar) med nålventilen uendret. Belastningen øker: belastningstrykket stiger til 400 psi (28 bar). Inngangstrykket til nålventilen er fortsatt 500 psi (34,48 bar), men nå er bare differensialtrykket på 100 psi (6,9 bar) som driver strømmen gjennom nålventilen — kun 1 gpm (3,79 lpm). Stanghastigheten synker til 6 ft/min (30 mm/s). De resterende 4 gpm (15 lpm) går over trykkavlastningsventilen.

Dette viser at strømmen gjennom en nålventil endres ved alle trykkvariasjoner på hver side av åpningen. For å nøyaktig måle strømmen gjennom en nålventil må disse trykkendringene utjevnes eller kompenseres.

Hastighetsreguleringsventil (trykkkompensert strømningsreguleringsventil)

Fra eksemplene ovenfor påvirker enhver trykkendring på hver side av åpningen strømmen gjennom nålventilen, noe som endrer aktuatorhastigheten. For å måle strømmen nøyaktig gjennom en åpning uavhengig av trykkvariasjoner må disse trykkvariasjonene kompenseres. En nålventil er en ikke-kompensert strømningsreguleringsventil – den er et godt strømmålingsinstrument så lenge trykkdifferansen forblir konstant og nålen er godt sentrert. For mer nøyaktig strømstyring bør en trykkkompensert strømningsreguleringsventil (hastighetsreguleringsventil) brukes. Dette er en strømstyringsventil som kompenserer for trykkendringer både før og etter åpningen.

Hastighetsreguleringsventiler (trykkkompenserte strømningsreguleringsventiler) kan deles inn i inngangstype og bypass-type.

Konstruksjon av hastighetsreguleringsventil av inngangstype

Hastighetsreguleringsventilen av inngangstype med trykkkompensering består av et ventilkar med inn- og utport, en nålventil, en kompenserende spole og en forspenningsfjær.

Hvordan typen med inngangsregulering fungerer

For å forstå hvordan meter-in-typen fungerer, analyserer vi driften trinn for trinn. Når kompenseringsskiven er fullt forskyvet mot side A, når all innkomende trykkolje nålenventilens åpning. Så lenge kompenseringsskiven beveger seg litt mot side B, begrenses (throttles) innkomende trykkolje. For å holde strømningspassasjen åpen, er kompenseringsskiven fjærbelastet mot side A. Trykket ved inngangen til nålenventilen måles gjennom en intern styrekanal til A-enden av kompenseringsskiven – når trykket stiger over fjærbelastningen, forskyves skiven mot side B.

Hvis innstillingen av nålventilens åpning er slik at mindre enn hele pumpestrømmen går gjennom den, stiger inngangstrykket til nålventilen til trykkavlastningsventilens innstilling. Når inngangstrykket til nålventilen stiger over fjærkraften til kompenseringsskiven, beveger kompenseringsskiven seg mot B, og begrenser den innkomende strømmen. Når strømmen gjennom kompenseringsskivens åpning tilsvarer pumpens utgangsstrøm, stabiliseres inngangstrykket til nålventilen ved fjærens trykkverdi. For eksempel, med en fjærverdi på 100 psi (6,89 bar) og trykkavlastning innstilt på 500 psi (34,48 bar): inngangstrykket er 500 psi (34,48 bar); når olje strømmer gjennom kompenseringsskivens åpning, omformes 400 psi (28 bar) til varme, og inngangstrykket til nålventilen reduseres til 100 psi (6,89 bar). Dette betyr at uavhengig av inngangstrykket til strømningsreguleringsventilen holdes inngangstrykket til nålventilen på 100 psi (6,89 bar) som følge av kompenseringsskivens virkning.

Figur 9-5 Hastighetsreguleringsventil med innstrømningsstyring (trykkkompensert). Den kompenserende spolen holder trykkfallet over nålventilen konstant uavhengig av endringer i inngangstrykk eller utgangstrykk — og gir dermed en nøyaktig, konstant strømning.

For den tidligere kretsen med nålventil er trykkdifferansen over nålventilens åpning bare halvparten av historien — trykket nedstrøms for nålventilen må også kompenseres. Med andre ord må et konstant trykkfall opprettholdes. For å oppnå dette ledes trykket nedstrøms for nålventilen også gjennom en styrekanal til fjærrummet for den kompenserende spolen. Nå virker to krefter på side A av den kompenserende spolen: fjærkraft og oljetrykk nedstrøms.

Hvis fjærkraften er 100 psi (6,89 bar), vil trykkdifferansen over nåleventilen være begrenset til å være høyere enn nedstrøms-trykket med 100 psi (6,89 bar). Så lenge sikkerhetsventilen er innstilt til et tilstrekkelig høyt trykk, vil trykkdifferansen over nåleventilens åpning alltid være lik fjærtrykkverdien. På denne måten er trykkdifferansen som driver strømmen gjennom nåleventilen konstant — og ikke påvirket av svingninger i oppstrøms- eller nedstrøms-trykk.

Innstrømningshastighetsreguleringsventil i en krets

I kretsen er meter-in-hastighetsreguleringsventilen innstilt på 3 gpm (11,37 L/min). Trykkavlastningsventilen er innstilt på 500 psi (34,48 bar), lasttrykket er 200 psi (13,79 bar). Kompenseringsspolen fjær = 100 psi (6,89 bar). Pumpen prøver å drive alle 5 gpm (18,95 L/min) gjennom nålventilen, noe som fører til at inngangstrykket til nålventilen stiger. Ved 300 psi (21 bar) flytter kompenseringsspolen seg og begrenser strømmen, slik at trykket ved inngangen til strømningsregulatoren stiger til trykkavlastningsventilens innstilling på 500 psi (34,48 bar). Av disse 500 psi (34,48 bar) brukes 200 psi (13,79 bar) til å overvinne lasten; 100 psi (6,89 bar) driver strøm gjennom nålventilen; de resterende 200 psi (13,79 bar) av de 500 psi omsettes til varme når strømmen går gjennom kompenseringsspolens åpning. Strømmen her er 3 gpm (11,37 L/min) og stanghastigheten = 19 fot/min (97,83 mm/s).

Økning av lasttrykk og innstilling av trykkavlastningsventil

Hvis lasttrykket stiger til 400 psi (27,58 bar) eller trykkavlastningen blir innstilt på nytt til 600 psi (41,38 bar), vil det fortsatt være 100 psi (6,89 bar) som driver strømmen gjennom nålventilen. Så lenge trykkavlastningen er innstilt høyt nok til å bevege kompenseringsspolen, vil utstrømmingen til sylindern være konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Hastighetsreguleringsventil av bypass-type

Hastighetsreguleringsventilen av bypass-type består av et ventilkar med inngangs-, utgangs- og returtilslutninger, en nålventil, en kompenseringsspol og en fjær.

Slik fungerer bypass-typen

Kompenseringsspolen i denne ventilen åpner og lukker en bypass-kanal til tankreturen. Kompenseringsspolen er fjærlastet for å lukke (nedre posisjon). Hvis fjæren har en kraftverdi på 100 psi (6,89 bar), vil inngangstrykket til nålventilen begrenses til 100 psi (6,89 bar). Når strømmen gjennom ventilen i utgangstilstanden sendes fullt ut til oljetanken. Under normal drift er kompenseringsspolen fjærlastet i lukket posisjon.

Innstrømningspresset til nålventilen måles gjennom en intern kontrollkanal til toppen av kompensasjonsspolen. Når trykket stiger over fjærkraften, fungerer kompensasjonsspolen som en trykkavlastningsventil — den åpner bypass-kanalen og begrenser innstrømningspresset til nålventilen til 100 psi (6,89 bar). Det faste innstrømningspresset til nålventilen sikrer ikke konstant strømning — hvis utstrømningspresset endres, endres trykkforskjellen over nålåpningen, og strømningen endres.

For å kompensere for dette ledes utstrømningspresset fra nålventilen gjennom en kontrollkanal til fjærrummet i kompensasjonsspolen. Nå har kompensasjonsspolen på side A to kraftkomponenter: fjærkraft og utstrømningsolje-trykk. Hvis fjæren er justert til 100 psi (6,89 bar), vil innstrømningspresset til nålventilen bli begrenset til 100 psi (6,89 bar) over utstrømningspresset. Så lenge trykkavlastningsventilen er innstilt til et tilstrekkelig høyt trykk, vil trykkforskjellen over nålåpningen være lik 100 psi (6,89 bar) — konstant.

Hastighetsreguleringsventil av bypass-type i en krets

Hastighetsreguleringsventil av bypass-type innstilt på 3 gpm (11,37 L/min). Trykkavlastning 500 psi (34,48 bar), last 200 psi (13,79 bar), fjær = 100 psi (6,89 bar). Pumpen prøver å drive hele 5 gpm (18,95 L/min) gjennom nålventilen. Kompenseringsspolen åpner bypass-kanalet og begrenser inngangstrykket til nålventilen til 300 psi (20,68 bar). Av dette trykket på 300 psi: 200 psi (13,79 bar) overvinnes av lasten, mens 100 psi (6,89 bar) driver 3 gpm (11,37 L/min) gjennom nålventilen. De resterende 2 gpm (7,58 L/min) ledes via åpningen i kompenseringsspolen direkte til tanken.

Figur 9-8: Hastighetsreguleringskrets av bypass-type. Kompenseringsspolen leder overskuddspumpestrømmen direkte til tanken i stedet for å sende den gjennom trykkavlastningsventilen. Dette er mer energieffektivt enn meter-in-typen, siden overskuddsstrømmen ikke går gjennom hele systemtrykket.

Økning av lasttrykk og innstilling av trykkavlastningsventil

Hvis lasttrykket stiger til 400 psi (27,58 bar) eller trykkavlastningen stilles inn på nytt til 600 psi (41,38 bar), er det fortsatt 100 psi (6,89 bar) som driver strømmen gjennom nålventilen. Så lenge trykkavlastningen er innstilt høyt nok til å åpne kompenseringsskiven, er utgangen til sylindern en konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Temperaturvirkning på strømningsåpning

Som nevnt i begynnelsen av dette kapittelet er de tre viktigste faktorene som påvirker strømning gjennom en åpning: størrelsen på åpningen, trykkforskjellen og oljetemperaturen. Når oljetemperaturen endres, endres også viskositeten — og når viskositeten endres, endres også strømningen gjennom åpningen. For faste åpninger eller nålventiler er temperaturinduserte strømningsendringer vanligvis ikke betydelige, fordi åpningsstørrelsen og trykkforskjellen generelt er store i forhold til effekten av viskositetsendringer. For applikasjoner som krever svært nøyaktig strømningskontroll må imidlertid temperaturvirkningene tas i betraktning. Både innstrømnings- og bypass-type hastighetsreguleringsventiler er generelt egnet for typiske industrielle hydraulikanvendelser.

For applikasjoner som krever ekstremt nøyaktig strømningskontroll — uavhengig av temperaturendringer — kan en temperaturkompensert strømningsreguleringsventil brukes. Denne typen kompenserer også for temperaturvirkninger.

Nøkkelformler — Kapittel 9