Zawór sterujący kierunkiem przepływu składa się z obudowy zaworu z wewnętrznymi kanałami oraz ruchomej części zwanej tłoczkiem. Tłoczek może łączyć lub blokować wewnętrzne kanały. W przypadku większości standardowych przemysłowych zaworów hydraulicznych tłoczek ma kształt cylindryczny — typ ten nazywany jest zaworem sterującym kierunkiem przepływu typu tłoczkowego, lub po prostu zaworem tłoczkowym. Zawory tłoczkowe są najbardziej powszechnie stosowanym typem zaworów sterujących kierunkiem przepływu w przemysłowej technice hydraulicznej. W tym rozdziale omówione zostaną ich rodzaje, budowa, zasady działania oraz metody sterowania.

Czterodrożny zawór sterujący kierunkiem przepływu

Pierwszym typem zaworu kierunkowego, który należy rozważyć, jest zawór z czterema wewnętrznymi kanałami: kanałem ciśnienia, kanałem powrotnym (zbiornikowym) oraz dwoma kanałami roboczymi. Jest to zawór kierunkowy czterodrożny — nazwa ta odnosi się do czterech różnych kanałów w jego korpusie. Zawór kierunkowy czterodrożny steruje siłownikami hydraulicznymi lub silnikami hydraulicznymi, umożliwiając zmianę kierunku ich działania.

Funkcja zaworu czterodrożnego w obwodzie

Wszystkie zawory rozdzielające składają się z korpusu zaworu i wewnętrznego, ruchomego tłoczka. Tłoczek ma co najmniej dwie pozycje — dwie skrajne pozycje. Te dwie pozycje przedstawia się na symbolu graficznym zaworu rozdzielającego za pomocą dwóch oddzielnych prostokątów. W każdym z tych prostokątów strzałki wskazują, w jaki sposób są połączone wewnętrzne kanały korpusu zaworu, gdy tłoczek znajduje się w danej pozycji. Przy przedstawianiu zaworu rozdzielającego za pomocą symbolu graficznego oba prostokąty muszą być połączone ze sobą. Podczas umieszczania go w schemacie obwodu dokładnie jeden z tych prostokątów musi zostać połączony z obwodem. Dzięki temu, gdy siłownik porusza się w jednym kierunku, ścieżka przepływu medium wewnątrz zaworu rozdzielającego jest wyraźnie widoczna. Gdy symbol drugiego prostokąta ma przedstawiać ruch siłownika w kierunku przeciwnym, wystarczy płynnie wprowadzić ten drugi prostokąt do obwodu.

Zawór rozdzielający o tylko dwóch pozycjach tłoczka nazywany jest zaworem dwupozycyjnym.

Rysunek 10-1 – czterodrogowy zawór kierunkowy. Symbol z dwoma prostokątami przedstawia dwa położenia tłoczka. Tylko jeden prostokąt jest w danej chwili połączony z obwodem; przesunięcie tłoczka powoduje zamianę aktywnego prostokąta, co odwraca kierunek ruchu tłoczyska cylindra.

Funkcja obwodu czterodrogowego zaworu

Gdy tłoczek znajduje się w jednym skrajnym położeniu, przewód ciśnieniowy jest połączony z przewodem roboczym A, a przewód zwrotny – z przewodem roboczym B. Gdy tłoczek przełącza się na drugie skrajne położenie, przewód ciśnieniowy jest połączony z przewodem roboczym B, a przewód zwrotny – z przewodem roboczym A. Przełączenie tłoczka na przeciwne skrajne położenie zmienia kierunek przepływu oleju do cylindra hydraulicznego, powodując wysunięcie lub wciągnięcie tłoczyska.

Trzydrogowy zawór kierunkowy

Trójdrożny zawór kierunkowy ma trzy wewnętrzne kanały: kanał ciśnieniowy, kanał powrotny oraz jeden kanał roboczy. Jego funkcja polega na tym, że gdy tłoczek znajduje się w jednym skrajnym położeniu, podaje ciśnienie do portu roboczego; gdy zaś znajduje się w drugim skrajnym położeniu, odprowadza ciśnienie z portu roboczego. Innymi słowy, trójdrożny zawór przełącza podawanie i odprowadzanie ciśnienia z pojedynczego portu roboczego.

Funkcja obwodu trójdrożnego zaworu

Trójdrożny zawór może sterować siłownikami jednostronnego działania, takimi jak siłowniki tłoczyskowe z powrotem sprężynowym. W takich zastosowaniach trójdrożny zawór w jednym położeniu doprowadza olej pod ciśnieniem do strony cylindra bez tłoczyska; po przełączeniu do drugiego położenia przepływ do siłownika jest blokowany, a kanał siłownika zostaje połączony z kanałem powrotnym wewnątrz korpusu zaworu, dzięki czemu tłoczysko cylindra może się cofnąć pod wpływem siły grawitacji lub siły sprężyny.

Gdy zawór trójdrożny znajduje się w pozycji łączącej przewód roboczy z przewodem powrotnym, pionowo zamontowany cylinder tłoczyskowy może się cofać pod wpływem siły ciężkości, podczas gdy tłoczysko cylindra z powrotem sprężynowym cofa się pod działaniem siły sprężyny.

W przemysłowych zastosowaniach hydraulicznych zawory trójdrożne występują rzadko. Jeśli wymagana jest funkcja trójdrożna, zwykle stosuje się zawór czterodrożny z zablokowanym jednym przewodem roboczym.

Rysunek 10-3: Zawór kierunkowy trójdrożny sterujący cylindrami jednostronnego działania (z powrotem sprężynowym). W jednej pozycji następuje zasilanie pod ciśnieniem; w drugiej pozycji cylinder jest połączony z zbiornikiem, a sprężyna powoduje cofnięcie się tłoczyska.

Zawór kierunkowy dwudrożny

Zawór kierunkowy dwudrożny posiada tylko dwa przewody — te dwa przewody mogą być łączone lub rozłączane przez tłoczek. Gdy tłoczek znajduje się w jednej skrajnej pozycji, przepływ przez zawór jest otwarty; gdy znajduje się w drugiej skrajnej pozycji, przepływ jest zamknięty.

Funkcja obwodu zaworu dwudrożnego

Zawór kierunkowy dwukierunkowy działa jako przełącznik włącz/wyłącz w obwodzie. Funkcja ta jest stosowana w wielu systemach jako zabezpieczenie blokujące lub do izolowania i łączenia różnych komponentów w obrębie systemu.

Oznaczenia i specyfikacje zaworów kierunkowych

Zawory kierunkowe stosowane w przemysłowych układach hydraulicznych dostępne są w kilku podstawowych rozmiarach: 1/4 cala, 3/8 cala, 1/2 cala, 3/4 cala oraz 1-1/4 cala (6,35 mm, 9,5 mm, 12,7 mm, 19,05 mm i 31,75 mm). W zastosowaniach przemysłowych zwykle klasyfikowane są według średniej przepustowości, a nie według średnicy otworów. Przykładowe wartości przepustowości to: 3–10 gpm (11,37–37,9 lpm), 10–20 gpm (37,9–45,48 lpm), 40 gpm (75,8 lpm), 80 gpm (303,2 lpm) oraz 160 gpm (379 lpm). Przy nominalnej przepustowości spadek ciśnienia od portu P do portu A lub od portu B do portu T wynosi około 40 psi (2,76 bar).

Walec zaworu kierunkowego

Widziany przez nas czterodrożny zawór rozdzielający składa się z wałka z trzema cylindrycznymi odcinkami o dużym średnicy, nazywanymi grzbietami. Równa odległość między trzema grzbietami określa go jako wałek trzygrzbietowy. Większość przemysłowych hydraulicznych zaworów rozdzielających ma wałki dwugrbietowe lub czterogrbietowe. Zawory o niższej przepustowości zwykle wykorzystują wałki dwugrbietowe; wałki czterogrbietowe są częstsze w zaworach o większej przepustowości.

Rysunek 10-5 – Wałki zaworów rozdzielających. Wałki dwugrbietowe są powszechne w mniejszych zaworach; wałki czterogrbietowe – w większych. Liczba i położenie grzbietów określają, które kanały są połączone lub zamknięte w każdej pozycji wałka.

Czterodrożny zawór montowany na płytkach podstawowych

Opisany powyżej czterokierunkowy zawór rozdzielający posiada cztery porty. Zazwyczaj port ciśnieniowy i port powrotny znajdują się po jednej stronie korpusu zaworu, podczas gdy dwa porty robocze znajdują się po przeciwnej stronie. Takie rozmieszczenie portów jest bardzo zbliżone do graficznego symbolu zaworu rozdzielającego. W celu ułatwienia montażu większość przemysłowych hydraulicznych zaworów rozdzielających wykorzystuje konstrukcję montowaną na płytkach montażowych: korpus zaworu jest przykręcany do płytki montażowej, która łączy się z przewodami układu. Porty zaworu montowanego na płytce montażowej znajdują się na dolnej powierzchni korpusu zaworu.

Sterowniki zaworów rozdzielających

Widzieliśmy, że suwak zaworu rozdzielającego może być umieszczony w jednym lub drugim skrajnym położeniu. Przesunięcie suwaka można osiągnąć za pomocą działania mechanicznego, elektrycznego, hydraulicznego, pneumatycznego lub ręcznego.

Ręczna obsługa

Zawór kierunkowy przesuwany siłą mięśniową nazywany jest zaworem ręcznym. Istnieje wiele typów urządzeń sterowania ręcznego, w tym dźwignie, przyciski i pedały sterowane stopą. Najczęstszym mechanicznym mechanizmem sterującym jest wałek ekscentryczny z rolką umieszczoną na jego końcu — gdy ekscentryk napędu opuszcza się i uderza w rolkę, tłoczek przesuwa się do kolejnej pozycji. W przypadku sterowania ręcznego sekwencja działania zaworu kierunkowego oraz jego kontrola muszą być określone przez zamiar operatora. Jeśli zawór kierunkowy musi zmienić pozycję w określonej pozycji napędu, można zastosować zawór kierunkowy sterowany mechanicznie.

Kontrola pilota

Tłoczki zaworów kierunkowych mogą być również przesuwane za pomocą ciśnienia pilotowego pneumatycznego lub hydraulicznego. W przypadku tłoczków czteropozycyjnych ciśnienie pilotowe działa na powierzchnie tłoczka w obu skrajnych pozycjach. Dla tłoczków dwupozycyjnych ciśnienie pilotowe działa na pojedynczy tłoczek pilotowy.

Sterowanie za pomocą cewki (elektromagnetyczne)

Najczęstszym sposobem sterowania zaworem kierunkowym jest cewka elektromagnetyczna. Cewka elektromagnetyczna to urządzenie elektromechaniczne przekształcające energię elektryczną w liniową siłę i ruch mechaniczny. Odpowiednim siłownikiem w układzie hydraulicznym jest cylinder hydrauliczny.

Cewka elektromagnetyczna sucha

Spośród dwóch typów przekładników elektromagnetycznych starszym rozwiązaniem jest typ suchy. Działa on na podstawowych zasadach elektromagnetyzmu i składa się z rdzenia żelaznego w kształcie litery „T”, cewki oraz ramy w kształcie litery „C”. Ze względu na kształt rdzenia żelaznego i ramy otaczającej cewkę typ ten nazywany jest czasem elektromagnesem typu „CT”. Żelazo jest dobrym przewodnikiem magnetycznym, podczas gdy powietrze ma słabą przewodność magnetyczną. Zasada działania przekładnika elektromagnetycznego typu suchego jest następująca: pole magnetyczne przyciąga rdzeń żelazny do wnętrza cewki, zmniejszając dużą rezystancję magnetyczną spowodowaną szczeliną powietrzną w środku cewki. W miarę przesuwania się rdzenia żelaznego szczelina powietrzna stopniowo się zmniejsza, siła elektromagnetycznego przyciągania rośnie, a siła elektromagnetyczna działająca na rdzeń żelazny znajdujący się wewnątrz cewki jest większa niż w przypadku jego położenia na zewnątrz cewki.

Przekładnik elektromagnetyczny typu mokrego

Elektromagnes mokry to stosunkowo nowoczesne rozwiązanie w dziedzinie przemysłowej hydrauliki. W porównaniu do konstrukcji z przerwą powietrzną zaletą elektromagnesu mokrego jest lepsze odprowadzanie ciepła oraz eliminacja uszczeleń tłoczka, które mogą powodować wycieki w elektromagnesach suchych, co poprawia niezawodność.

Konstrukcja elektromagnesu mokrego

Elektromagnes mokry składa się z cewki, prostokątnej ramy, tłoczka, rdzenia (serca żelaznego) oraz rury prowadzącej. Cewka znajduje się wewnątrz prostokątnej ramy; oba elementy są wspólnie hermetyzowane tworzywem sztucznym. Ta całość posiada otwór przejściowy przechodzący przez środek cewki i obie strony ramy — otwór ten nasuwa się na rurę prowadzącą. Rura prowadząca zawiera rdzeń. Rura prowadząca jest wciskana na korpus zaworu kierunkowego; jej wewnętrzna przestrzeń połączona jest z kanałem zwrotnym zaworu kierunkowego, dzięki czemu rdzeń jest zanurzony w oleju roboczym systemu — stąd pochodzi nazwa „rdzeń mokry”.

Zasada działania elektromagnesu mokrego

Gdy prąd przepływa przez cewkę, powstaje w niej pole magnetyczne, wzmocnione przez prostokątną ścieżkę magnetyczną z żelaza otaczającą cewkę oraz przez armaturę znajdującą się w środku cewki. Gdy do cewki z mokrą armaturą doprowadzony zostanie prąd, ruchoma armatura znajduje się częściowo poza cewką. Powstałe dzięki prądowi pole magnetyczne przyciąga armaturę do wewnątrz, powodując uderzenie jej w tłoczek mechanicznie połączony z suwakiem zaworu kierunkowego, co skutkuje przesunięciem zaworu kierunkowego. W miarę przesuwania się suwaka armatura w całości wchodzi do wnętrza cewki, co powoduje całkowite skoncentrowanie pola magnetycznego cewki w żelaznej ścieżce magnetycznej.

Żelazo jest dobrym przewodnikiem magnetycznym, podczas gdy olej otaczający rdzeń i tłoczek ma bardzo słabą przewodność magnetyczną. Zasada działania elektromagnesu mokrego polega na tym, że pole magnetyczne przyciąga rdzeń w celu zmniejszenia dużego luzu powietrznego w środku cewki. W miarę przesuwania się rdzenia luz ten stopniowo maleje, siła elektromagnetyczna zwiększająca się wraz z jego przemieszczeniem rośnie, a gdy rdzeń znajduje się całkowicie wewnątrz cewki, siła elektromagnetyczna jest większa niż na zewnątrz.

Rysunek 10-9: Elektromagnes mokry. Rdzeń jest zanurzony w oleju hydraulicznym (stąd określenie „mokry”), co eliminuje dynamiczne uszczelnienie tłoczka. Lepsze odprowadzanie ciepła i większa niezawodność w porównaniu z elektromagnesem suchym.

Huk prądu przemiennego

W Stanach Zjednoczonych zasilanie układów przemysłowego sterowania jest zwykle prądem przemiennym (AC). Prąd przemienny w USA zmienia się cyklicznie: od zera do maksymalnej wartości dodatniej, z powrotem przez zero do maksymalnej wartości ujemnej i ponownie do zera – 60 razy na sekundę (60 Hz). Gdy prąd osiąga wartość szczytową (dodatnią lub ujemną), pole magnetyczne oraz siła elektromagnetyczna osiągają maksimum. Gdy prąd maleje i przechodzi przez zero, pole magnetyczne i siła również maleją, co powoduje, że element obciążenia cewki zasilanej prądem przemiennym pod działaniem sprężyny (zwykle zawór o przesuwnym tłoczku zasilany prądem przemiennym) wypycha rdzeń żelazny lub armaturę na zewnątrz. Gdy pole i siła ponownie narastają, przyciągają one rdzeń żelazny lub armaturę z powrotem do wnętrza. Ten ruch generuje charakterystyczny brzęk, buczenie lub drgania cewki – tzw. „hum prądu przemiennego”.

Pierścień zwarcia (cewka cieniująca)

Aby zmniejszyć hałas prądu przemiennego (AC) i zwiększyć siłę przesuwu cewki, stosuje się pierścień zwarcia (cewkę cieniującą) do kompensacji. W suchych cewkach elektromagnetycznych pierścień zwarcia to pierścień miedziany zamocowany do ramy w kształcie litery C. W wilgotnych cewkach elektromagnetycznych jest to pierścień miedziany umieszczony na końcu przewodnika prowadzącego przy tyczce przesuwowej. Podczas pracy cewki elektromagnetycznej w pierścieniu indukuje się prąd opóźniony względem prądu roboczego. Dzięki temu, gdy główne pole magnetyczne cewki osiąga minimum, pole magnetyczne pierścienia zwarcia jest wystarczające do utrzymywania rdzenia żelaznego lub armatury, co znacznie zmniejsza hałas prądu przemiennego.

Prądami wirowymi

Pulsujące pole magnetyczne przemiennego prądu może generować w cewce małe prądy pasożytnicze — są to prądy wirowe, które płyną w małych obwodach w ścieżce magnetycznej z żelaza, zużywając moc i generując ciepło, co zmniejsza siłę docisku wyjściowej cewki. Aby zminimalizować wpływ prądów wirowych, w suchych cewkach elektromagnetycznych stosuje się cienkie laminacje metalowe do wykonania ramy typu C oraz rdzenia żelaznego. Laminacje metalowe są od siebie izolowane warstwami tlenków. Pole magnetyczne łatwo przenika wzdłuż normalnej ścieżki magnetycznej laminacji, jednak dzięki warstwom izolacyjnym prądy wirowe nie mogą przepływać między poszczególnymi laminacjami. Ponieważ ramę typu C tworzy się przez nakładanie na siebie izolowanych laminacji, powszechnie nazywa się ją „stosem ramy typu C”. W przypadku mokrych cewek elektromagnetycznych minimalizacja prądów wirowych osiągana jest poprzez zastosowanie izolowanych laminacji żelaznych w prostokątnej ramie, ale w odniesieniu do armatury nie jest to możliwe, ponieważ mokre cewki elektromagnetyczne charakteryzują się większą mocą niż suche. Z punktu widzenia trwałości wykonanie armatury z laminacji nie jest wykonalne — w mokrych cewkach elektromagnetycznych armatura stanowi jednolitą, maswną część.

Prąd załączania cewki elektromagnetycznej

Prąd przemienny w cewkach elektromagnetycznych generuje siłę elektromagnetyczną przesuwającą tłoczek zaworu kierunkowego, ale jednocześnie powoduje wydzielanie ciepła, co w konsekwencji może doprowadzić do przepalenia się cewki elektromagnetycznej. Im większy prąd przepływa przez cewkę elektromagnetyczną, tym większe jest prawdopodobieństwo jej uszkodzenia. Jeśli cewka elektromagnetyczna nie przesunie się tak, aby zamknąć szczelinę powietrzną, cewka będzie przepuszczać bardzo duży prąd, co spowoduje przegrzanie. W przeciwieństwie do układów hydraulicznych, w których przepływ jest stosunkowo stały, w normalnych układach elektrycznych wartość prądu zależy od oporu — wyższy opór oznacza niższy prąd i mniejsze wydzielanie ciepła. Ponieważ ciepło znacząco wpływa na czas życia cewki elektromagnetycznej, celem jest użycie jak najmniejszego możliwego prądu przy jednoczesnym zapewnieniu wystarczającej siły przesuwającej. Osiąga się to poprzez projektowanie cewek o odpowiednim impedancji prądu przemiennego (oporze biernym).

Impedancja składa się z dwóch składowych: czystego oporu materiału przewodnika na przepływ elektronów — miedź ma mniejszy opór niż aluminium — oraz efektu impedancyjnego wywołanego polem elektromagnetycznym wokół uzwojeń cewki. To pole magnetyczne utrudnia lub ogranicza przepływ prądu do cewki. Im silniejsze jest to pole, tym mniejszy prąd przepływa przez uzwojenia cewki elektromagnesu.

Gdy elektromagnes jest po raz pierwszy podłączany do zasilania, ruchomy rdzeń żelazny lub armatura znajduje się częściowo na zewnątrz cewki, tworząc dużą szczelinę powietrzną w środku cewki. Pole magnetyczne w tej pozycji nie jest bardzo silne; opór dla prądu pochodzi głównie od czystego oporu przewodnika, co powoduje duży prąd udarowy w uzwojeniach cewki. W miarę przesuwania się rdzenia żelaznego lub armatury szczelina powietrzna stopniowo się zamyka, a prąd maleje. Gdy rdzeń żelazny lub armatura osiągnie pełną pozycję roboczą, impedancja osiąga wartość maksymalną, a prąd przemienny — minimalną.

Szczytowy prąd załączania przy pierwszym wzbudzeniu cewki elektromagnesu jest kilkukrotnie większy niż prąd utrzymujący po całkowitym zasiedleniu. Jeśli przeszkoda mechaniczna uniemożliwia całkowite zasiedlenie rdzenia żelaznego lub armatury, do cewki wpływa bardzo duży prąd — generujący ogromne ciepło. W przypadku otwartych, suchych elektromagnesów powoduje to stopienie elementów plastikowych na końcu cewki; w przypadku zamkniętych, suchych lub mokrych elektromagnesów powoduje to pęcznienie plastikowego uszczelnienia. W obu typach izolacja przewodów ulega natychmiastowemu spaleniu, a w ciągu jednej lub dwóch minut cewka zwiera się — tak właśnie zachodzi uszkodzenie, gdy zaklinowany tłoczek uniemożliwia przesunięcie się elektromagnesu.

Rysunek 10-10: Prąd załączania i prąd utrzymujący w elektromagnesie prądu przemiennego. Po pierwszym wzbudzeniu duża szczelina powietrzna umożliwia wysoki prąd załączania (kilka razy wyższy niż prąd utrzymujący). Po całkowitym zasiedleniu impedancja rośnie, a prąd maleje. Zaklinowany tłoczek (szczęlina nigdy się nie zamyka) oznacza utrzymujący się prąd załączania — gwarantowane spalenie cewki.

Elektromagnesy przeznaczone do pracy ciągłej

Elektromagnes o ciągłym obciążeniu może pozostawać w stanie wzbudzenia przez długi czas bez przegrzewania. Możliwość odprowadzania ciepła przez elektromagnes jest wystarczająca do odprowadzenia większości ciepła generowanego przez mniejszy prąd utrzymujący przepływający przez cewkę. Większość przemysłowych zaworów hydraulicznych sterowanych kierunkowo wykorzystuje elektromagnesy o ciągłym obciążeniu.

Ograniczenia elektromagnesów

Zawory rozdzielające sterowane przekładnią elektromagnetyczną mają pewne ograniczenia. Po pierwsze, tradycyjne przekładnie elektromagnetyczne nie mogą być stosowane w środowiskach wilgotnych lub wybuchowych. Po drugie, gdy wymagana jest szczególnie długa żywotność zaworu rozdzielającego, zazwyczaj unika się również przekładek elektromagnetycznych sterowanych elektrycznie. Być może największą wadą przekładek elektromagnetycznych jest ograniczona siła przełączania, jaką są w stanie wytworzyć. W rzeczywistości dla większych zaworów rozdzielających wymagana siła przełączania jest dość duża. Dla większych zaworów (¼ cala lub ⅜ cala / 6,35 mm lub 9,5 mm) zawór rozdzielający sterowany przekładnią elektromagnetyczną jest zwykle montowany na górze, a podczas przełączania przepływ z mniejszego zaworu wprowadzany jest do odpowiedniej strony tłoczka dużego zaworu. Typ ten nazywany jest zaworem rozdzielającym sterowanym przekładnią elektromagnetyczną z przewodzeniem.

Uszkodzenie siłownika

Ciepło jest główną przyczyną uszkodzenia przekładni elektromagnetycznych zaworów rozdzielających bezpośredniego działania, co zwykle wynika z zaklinowania przekładni elektromagnetycznej, wysokiej temperatury otoczenia lub niskiego napięcia (niewystarczająca siła przełączania do całkowitego osadzenia rdzenia żelaznego lub armatury).

Zaklinowanie przekładni elektromagnetycznej

Zablokowany tłoczek uniemożliwia całkowite osadzenie się rdzenia żelaznego lub armatury, co powoduje, że cewka elektromagnesu ciągle pobiera bardzo wysoki prąd włączeniowy. Elektromagnes nie jest w stanie odprowadzić ogromnej ilości ciepła generowanej w ten sposób, co ostatecznie prowadzi do przepalenia się cewki. Choć nadmierna przepływność przez zawór może spowodować zablokowanie elektromagnesu, częstszym powodem zablokowania jest zakłócenie ruchu tłoczka pochodzące od czynników mechanicznych. Zanieczyszczenia (takie jak muł, drobinki metalu, piasek z form odlewniczych oraz taśma PTFE) mogą zablokować tłoczek, podobnie jak też zadziory występujące pomiędzy tłoczkiem a korpusem zaworu. Cząstki powstałe w wyniku utleniania oleju oraz lakier olejowy mogą gromadzić się na tłoczku, powodując zanik szczeliny pomiędzy tłoczkiem a korpusem zaworu — lakier olejowy można usunąć za pomocą rozpuszczalnika. Zdeformowana płyta montażowa może również powodować zablokowanie elektromagnesu: przy dokręcaniu śrub montażowych korpus zaworu może lekko się wygiąć, ograniczając tym samym ruch tłoczka i powodując przepalenie się cewki. Wymagania dotyczące płaskości płyty montażowej zwykle wynoszą od 0,0003 do 0,0005 cala (0,00762–0,0127 mm).

W przypadku elektrozaworów suchych, gdy rdzeń żelazny elektrozaworu jest wciągany do cewki, występuje zużycie między rdzeniem żelaznym a ramą C. Podczas demontażu tego typu elektrozaworu zaleca się ponowne zamontowanie rdzenia żelaznego w jego pierwotnym położeniu. W przeciwnym razie zużyta część nie będzie się prawidłowo dopasowywać, rdzeń żelazny nie osadzi się w pełni, a elektrozawór będzie wydawał buczenie — co wskazuje na zbliżającą się awarię.

Czasem oba elektrozawory w kierunkowym zaworze dwuelektrozaworowym mogą być jednoczesne wzbudzane — oznacza to, że jeden rdzeń żelazny lub armatura całkowicie osiadła, podczas gdy druga jest zablokowana. Skutkiem jest spalenie się jednej cewki elektrozaworu. Jednoczesne wzbudzanie obu elektrozaworów jest zwykle spowodowane awarią urządzenia sterowania elektrycznego lub błędem w okablowaniu.

Wysoka temperatura otoczenia

Gdy prąd przyciąga rdzeń żelazny lub armaturę przekładnika elektromagnetycznego, wytworzone ciepło musi być odprowadzane z cewki. Jeśli temperatura otoczenia jest zbyt wysoka, odprowadzanie ciepła staje się trudne, a cewka może ulec przepaleniu. Może to wystąpić przy słabej wentylacji lub gdy urządzenie pracuje w pobliżu źródeł ciepła.

Niskie napięcie

Dla przekładnika elektromagnetycznego o napięciu 110 V i częstotliwości 60 Hz, gdy napięcie sieciowe spada do około 100 V, siła elektromagnetyczna wytworzona przez przekładnik jest niewystarczająca do całkowitego załączenia rdzenia żelaznego lub armatury w zaprojektowanym czasie. Z powodu przedłużonego czasu przepływu prądu zwarciowego przekładnik pracuje w podwyższonej temperaturze, co ostatecznie prowadzi do awarii. Czasami wczesnymi objawami przepalenia cewki są buczenie lub drgania. Problemy związane z niskim napięciem często występują w wielu środowiskach przemysłowych z intensywnym zużyciem energii. W przypadku podejrzenia niskiego napięcia firma energetyczna może zainstalować rejestrator napięcia działający przez 24 godziny, aby sprawdzić rzeczywiste warunki.

Trójpołożeniowy zawór kierunkowy

W poprzednich przykładach omawiano zawór rozdzielający dwupozycyjny (z dwoma skrajnymi położeniami). W niektórych zastosowaniach stosuje się zawór rozdzielający trzypozycyjny. Trzecie, środkowe położenie jest położeniem neutralnym lub przejściowym. Graficzny symbol zaworu rozdzielającego trzypozycyjnego składa się z trzech prostokątów — środkowy prostokąt przedstawia położenie środkowe oraz wewnętrzne połączenia, gdy tłoczek znajduje się w położeniu środkowym.

Zawór rozdzielający trzypozycyjny ze sprężynowym centrowaniem

Najczęstszym typem zaworu rozdzielającego trzypozycyjnego jest typ ze sprężynowym centrowaniem. Zawór ten wyposażony jest w sprężyny z obu stron, które utrzymują tłoczek w położeniu środkowym, gdy żadna z cewek elektromagnetycznych nie jest podłączona do napięcia.

Rysunek 10-12: Zawór rozdzielający trzypozycyjny ze sprężynowym centrowaniem. Sprężyny utrzymują tłoczek w położeniu środkowym, gdy obie cewki elektromagnetyczne są odłączone od napięcia. Położenie środkowe określa zachowanie obciążenia siłownika w momencie zatrzymania maszyny.

Warunki położenia środkowego

Istnieje cztery typowe konfiguracje położenia środkowego. Wybór warunku środkowego określa zachowanie obwodu, gdy zawór kierunkowy znajduje się w położeniu środkowym (żadna z cewek nie jest włączona):

Rysunek 10-13: Cztery konfiguracje położenia środkowego. Wybór zależy od wymagań obwodu: czy cylinder powinien utrzymywać pozycję, czy może swobodnie pływać, oraz czy pompa powinna być rozładowana przy środkowym położeniu zaworu.

Zawory kierunkowe proporcjonalne

Standardowe zawory kierunkowe przełączają się między dyskretnymi położeniami (otwarte/zamknięte). Zawory kierunkowe proporcjonalne umożliwiają ustawienie tłoczka w dowolnym położeniu pomiędzy całkowicie otwartym a całkowicie zamkniętym, przy gładkim związku między sygnałem wejściowym elektrycznym a położeniem tłoczka oraz przepływem. Pozwala to na ciągłą, zmienną kontrolę zarówno kierunku, jak i natężenia przepływu przy użyciu jednego zaworu.

Zawory kierunkowe sterowane pilotowo

W zastosowaniach o dużym przepływie, gdzie siła elektromagnesu jest niewystarczająca do bezpośredniego przesunięcia głównego tłoczka, stosuje się zawór sterowany pilotowo. Mały zawór pilotowy sterowany elektromagnetycznie kieruje ciśnienie pilotowe w celu przesunięcia większego głównego tłoczka. Ten dwustopniowy układ pozwala małym elektromagnesom kontrolować bardzo duże przepływy — zawór pilotowy wykonuje przełączenie, a ciśnienie pilotowe wykonuje pracę przesuwania głównego tłoczka.

Rysunek 10-14: Zawór kierunkowy sterowany pilotowo. Mały zawór pilotowy sterowany elektromagnetycznie (górny) kieruje ciśnienie pilotowe w celu przesunięcia dużego głównego tłoczka (dolny). Ten układ pozwala małym elektromagnesom kontrolować zawory główne o dużym przepływie.

Proporcjonalne zawory kierunkowe sterowane elektromagnetycznie

W urządzeniu sterującym sygnał cofania i sygnał wejściowy są doprowadzane jednocześnie. Sygnał „błędu” powstający pomiędzy nimi steruje urządzeniem sterującym w taki sposób, że proporcjonalnie zasila się jedną z cewek – „A” lub „B”. Po zasilaniu cewka przekształca sygnał w siłę. Proporcjonalna cewka umieszczona w korpusie zaworu, w połączeniu ze sprężyną nastawczą zaworu pilotowego, przekształca to ciśnienie sterujące w położenie tłoczka zaworu pilotowego. Czujnik położenia LVDT jest bezpośrednio połączony z tłoczkiem głównego zaworu i służy do zapewnienia automatycznej sprzężenia zwrotnego dla tłoczka zaworu pilotowego.

Zawór kierunkowy różnicowy ciśnienia (sterowanie silnym silnikiem obrotowym)

Zawór kierunkowy różnicowy ciśnienia jest typu trzystopniowego – zawór pilotowy stanowi pierwszy stopień, a główny zawór – drugi stopień. Zawór pilotowy ma bardziej skomplikowaną budowę i składa się z silnego silnika obrotowego, sprężyn, rurek strumieniowych oraz regulowanego tłoczka z końcówkami pilotowymi i czujnikiem LVDT. Drugi stopień (główny zawór) jest podobny do innych zaworów kierunkowych sterowanych pilotowo.

Konstrukcja zaworu pilotowego pierwszego stopnia

Zawór pilotowy składa się z silnika momentowego, rurki strumieniowej, tłoczka z lewą i prawą sprężyną oraz podobnych elementów. Rurka strumieniowa kieruje ciśnienie sterujące do jednego z końców tłoczka. Zawór pilotowy jest typu podobnego do zaworu rozdzielającego ze sprężynowym centrowaniem.

Zawór główny drugiego stopnia

Drugi stopień (zawór główny) jest podobny do innych typów proporcjonalnych zaworów rozdzielających i nie będzie powtarzany w tym miejscu.

Działanie zaworu pilotowego

Prąd sygnału sterującego elektrycznego przepływa przez uzwojenia silnika momentowego między dwoma cewkami. Porównanie i różnica sygnałów elektrycznych określa kierunek pola magnetycznego silnika momentowego. W zależności od tego, która z cewek generuje silniejszy sygnał, rura strumieniowa jest kierowana tak, aby poddać ciśnieniu jeden z końców zaworu pilotowego. Jednocześnie wyjście urządzenia sterującego zwiększa przepływ do jednej strony tłoczka zaworu kierunkowego aż do wartości proporcjonalnej, stopniowo zwiększając przepływ do tej strony, aż do osiągnięcia wartości proporcjonalnej.

Kluczowe pojęcia — rozdział 10