Wiemy już, że maksymalne ciśnienie w układzie można kontrolować za pomocą zaworu sterującego ciśnieniem typu normally closed (zamknięty w stanie spoczynkowym) — jego główny port jest połączony z ciśnieniem układu, a drugorzędny port z zbiornikiem. Przesuwnik steruje działaniem zaworu na podstawie ustawionego ciśnienia: gdy przepływ przez główne i drugorzędne kanały osiąga ustaloną wartość progową, część strumienia jest odprowadzana do zbiornika. Ten zawór sterujący ciśnieniem typu normally closed to zawór bezpieczeństwa. W tym rozdziale omówione są wszystkie rodzaje zaworów sterujących ciśnieniem — ich budowa, zastosowania w układach hydraulicznych oraz kluczowe cechy eksploatacyjne.

Regulacja ciśnienia

W zaworze sterującym ciśnieniem regulacja ciśnienia odbywa się zwykle poprzez zmianę siły wstępnego naciągu sprężyny sterującej za pomocą śruby regulacyjnej. Ciśnienie zmienia się wraz z obrotem śruby.

Rysunek 11-1: Zawór sterujący ciśnieniem typu normally closed (zamknięty w stanie spoczynkowym). Śruba regulacyjna określa wstępny naciąg sprężyny, który decyduje o wartości ciśnienia, przy której przesuwnik unosi się i zawór otwiera się.

Zastosowania zaworów sterujących ciśnieniem typu normally closed

W układach hydraulicznych zawory sterujące ciśnieniem typu normally closed (normalnie zamknięte) mają kilka zastosowań. Oprócz stosowania jako zawory bezpieczeństwa układu mogą również kontrolować kolejność wykonywania czynności — zapewniając, że jedna czynność zostanie wykonana przed inną. Mogą także służyć do równoważenia zewnętrznych sił mechanicznych.

Wentyl sekwencyjny

Normalnie zamknięty zawór sterujący ciśnieniem, który kontroluje kolejność wykonywania czynności — zapewniając, że jedna czynność zostanie wykonana przed inną — nazywany jest zaworem kolejnościowym.

Zastosowanie obwodu zaworu kolejnościowego

W obwodzie hydraulicznym, który wykonuje zarówno zaciskanie, jak i wiercenie, cylinder zaciskowy musi wysunąć się przed cylindrem wiertniczym. Aby osiągnąć ten efekt, zawór kolejnościowy jest umieszczony w obwodzie tuż przed cylindrem wiertniczym. Sprężyna zaworu kolejnościowego nie pozwala na połączenie przewodów głównego i wtórnego przez tłoczek dopóki ciśnienie nie wzrośnie wystarczająco, aby pokonać siłę sprężyny — do tego momentu przepływ do cylindra wiertniczego jest blokowany. W związku z tym cylinder zaciskowy wysuwa się najpierw. Gdy zacisk dotknie przedmiotu obrabianego, pompa musi dostarczać wyższego ciśnienia, aby pokonać opór. Powoduje to wzrost ciśnienia powyżej ciśnienia sterującego działającego na tłoczek zaworu kolejnościowego, co skutkuje połączeniem przewodów głównego i wtórnego oraz przepływem medium do cylindra wiertniczego — cylinder wiertniczy zaczyna wtedy poruszać się.

Rysunek 11-2: Obwód zaworu kolejnościowego. Ponieważ zawór kolejnościowy blokuje przepływ do cylindra wiertniczego aż do momentu, gdy ciśnienie w układzie wzrośnie, zacisk zamyka się zawsze jako pierwszy, zanim rozpocznie się wiercenie.

Zawór kontrwagi

Zwykle zamknięta zawór sterowania ciśnieniem stosowany do zrównoważenia lub podparcia masy (np. blachy prasującej) nazywana jest zaworem zrównoważeniowym.

Zastosowanie obwodu zaworu zrównoważeniowego

W obwodzie prasy, gdy zawór rozdzielający kieruje przepływ oleju do komory bezrodnikowej cylindra, blacha prasująca połączona z tłoczniem spada swobodnie pod wpływem siły grawitacji, a przepływ pompy jest wchłaniany całkowicie. Aby zapobiec temu zjawisku, zwykle zamknięty zawór ciśnieniowy instaluje się w dolnym odcinku obwodu cylindra prasy. Tłoczek zaworu nie otwiera przepływu od strony pierwotnej do wtórnej, dopóki ciśnienie na dnie cylindra nie przekroczy ciśnienia wytworzonego przez masę blachy prasującej. Innymi słowy, podczas doprowadzania oleju do komory bezrodnikowej cylindra podejście to zapewnia zrównoważenie masy blachy prasującej na całej długości ruchu w dół.

Zawór równoważący może być również stosowany do hamowania ruchu obrotowego ciężkiego silnika hydraulicznego. W przypadku silnika hydraulicznego napędzającego ciężkie koła, po osiągnięciu przez koła odpowiedniego pędu silnik może przekroczyć dopuszczalną prędkość obrotową (tzw. „runaway”). Jeśli zawór równoważący zostanie zainstalowany na wyjściu silnika, otwiera się on wyłącznie wtedy, gdy ciśnienie na wyjściu osiągnie ustawioną wartość. To ciśnienie zwrotne przeciwdziała sile powstającej w wyniku zamiany pędu obrotowego ciężkich kół.

Rysunek 11-3 – Zawór równoważący. (Góra) Zapobiega niesterowanemu opadaniu płyty prasującej. (Dół) Zapobiega przekroczeniu dopuszczalnej prędkości obrotowej ciężkiego silnika, gdy obciążenie napędza silnik.

Prosty zawór bezpieczeństwa

Prosty zawór bezpieczeństwa składa się zasadniczo z korpusu zaworu z tłoczkiem naciskanym twardą sprężyną. Gdy ciśnienie po stronie tłoczka przeciwnej do sprężyny wzrośnie wystarczająco, tłoczek przesuwa się i otwiera przepust, umożliwiając odprowadzenie przepływu pompy do zbiornika.

W przedstawionym przykładzie obwodu prosty zawór przelewowy jest ustawiony tak, że gdy ciśnienie na wyjściu pompy osiągnie 1000 psi (68,97 bar), następuje przepływ przelewowy wynoszący 10 gpm (37,9 lpm). Nie oznacza to jednak, że zawór nagle otwiera się przy ciśnieniu 1000 psi — raczej przy ciśnieniach poniżej 1000 psi (68,97 bar) zawór zaczyna się otwierać już przy niższym ciśnieniu, odprowadzając część przepływu do zbiornika. W miarę zbliżania się ciśnienia do wartości 1000 psi (68,97 bar) otwarcie zaworu stopniowo rośnie, umożliwiając przepływ większej ilości cieczy do zbiornika. W punkcie nastawy 1000 psi (68,97 bar) otwór zaworu jest wystarczająco duży, aby przepuścić pełny przepływ 10 gpm (37,9 lpm). Gdy ciśnienie w układzie spadnie poniżej ciśnienia otwarcia zaworu przelewowego, przepływ do zbiornika przez otwarty zawór znika z obwodu.

Wpływ temperatury na ustawienie zaworu przelewowego

Otwarcie zaworu przelewowego stanowi zasadniczo funkcję otworu przepływowego. Podobnie jak każde inne urządzenie z otworem przepływowym, przepływ przez niego zależy od temperatury cieczy i, co za tym idzie, od jej lepkości.

Dla zaworu bezpieczeństwa ustawionego na 1000 psi (68,97 bar), który odprowadza 10 gpm (37,9 lpm), przyjęto założenie, że lepkość oleju pozostaje stała. W temperaturze pokojowej lepkość oleju w zbiorniku urządzenia wynosi 400–500 SUS (86,3–107,9 cSt). Przy takiej lepkości ustawienie zaworu bezpieczeństwa systemu na 1000 psi (68,97 bar) powoduje odprowadzanie 10 gpm (37,9 lpm) przepływu przez otwór zaworu. Gdy olej się nagrzeje, ciśnienie pompowe może zostać ograniczone do 900 psi (62 bar) lub mniej. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem temperatury oleju jego lepkość maleje — np. do 100 SUS (21,6 cSt). Oznacza to, że niższa siła ciśnienia jest w stanie przepchnąć 10 gpm (37,9 lpm) przepływu przez otwór zaworu bezpieczeństwa do zbiornika.

Odmienna sytuacja występuje, gdy zawór bezpieczeństwa jest ustawiany przy roboczej lepkości oleju — w chwili uruchomienia pompy temperatura oleju jest niska, a jego lepkość wysoka, co może spowodować osiągnięcie przez ciśnienie pompowe wartości 1100 psi (75,9 bar). W systemach z surowymi limitami maksymalnego ciśnienia pompowego system należy przed nastawieniem zaworu bezpieczeństwa odpowiednio rozgrzać.

Rysunek 11-5. Wpływ temperatury na ustawienie zaworu bezpieczeństwa. Zimne (o wysokiej lepkości) oleje wymagają wyższego ciśnienia, aby przepłynąć przy tej samej przepływności. Przed ustawieniem zaworu bezpieczeństwa zawsze należy nagrzać układ.

Wpływ zużycia pompy na ustawienie zaworu bezpieczeństwa

Zużycie pompy wpływa również na ustawienie zaworu bezpieczeństwa. Dla zaworu bezpieczeństwa ustawionego tak, aby odprowadzał 10 gpm (37,9 lpm) przy ciśnieniu 1000 psi (68,97 bar), o ile do wejściowego portu zaworu doprowadzane jest ciśnienie 1000 psi (68,97 bar), przepływ pompy w wysokości 10 gpm (37,9 lpm) może być odprowadzany przez otwór zaworu do zbiornika. W miarę jak pompy hydrauliczne pompa się zużywa, jej wydajność przepływowa maleje; zmniejsza się również przepływ przez zawór bezpieczeństwa, co powoduje spadek ciśnienia. Dla zaworu ustawionego na odprowadzanie 10 gpm (37,9 lpm) przy ciśnieniu 1000 psi (68,97 bar), gdy przepływ odprowadzany spadnie do 5 gpm (18,95 lpm) z powodu zużycia pompy, rzeczywiste ciśnienie odprowadzania w systemie może wynosić jedynie 900 psi (62 bar). Podczas regulacji ustawienia zaworu bezpieczeństwa mogą wystąpić podobne sytuacje.

Proste ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa

Ciśnienie pęknięcia to ciśnienie, przy którym zawór bezpieczeństwa zaczyna otwierać swoją przewodową ścieżkę obejściową. Dla prostego zaworu bezpieczeństwa to ciśnienie jest nieco niższe niż ustawiona wartość ciśnienia otwarcia zaworu. Proste zawory bezpieczeństwa charakteryzują się występowaniem ciśnienia wstępnego pęknięcia.

Na wykresie charakterystyki prostego zaworu bezpieczeństwa zawór jest nastawiony tak, aby przepuszczał 10 gpm (37,9 l/min) przy ciśnieniu 1000 psi (68,97 bar). Krzywa pokazuje, że zawór otwiera się przy ciśnieniu 800 psi (55,2 bar), a w miarę jak ciśnienie zbliża się do 1000 psi (68,97 bar), przepływ obejściowy rośnie — ostatecznie przy 1000 psi (68,97 bar) otwór ma wystarczająco dużą średnicę, aby przepuścić 10 gpm (37,9 l/min).

Wpływ ciśnienia wstępnego pęknięcia na układ

Ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa (tzw. ciśnienie przekroczenia) stanowi wadę systemu. Załóżmy, że pompa/silnik generuje ciśnienie 750 psi (51,7 bar) i dostarcza do siłownika przepływ 10 gpm (37,9 lpm), przy czym do pokonania obciążenia wymagane jest ciśnienie 550 psi (37,9 bar), a pozostałe 200 psi (13,8 bar) są zużywane na pokonanie oporów przepływu cieczy. W przypadku zastosowania prostego zaworu bezpieczeństwa nastawionego na 1000 psi (68,97 bar) zawór ten pozostaje w danej chwili zamknięty, a cała olej pod ciśnieniem kierowana jest bezpośrednio do obciążenia roboczego.

Jeśli ciśnienie obciążenia wzrośnie do 700 psi (48,28 bar), pompa/silnik musi zwiększyć swoje ciśnienie wyjściowe do 900 psi (62,1 bar) (przy założeniu stałego przepływu wyjściowego). Ponieważ ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa wynosi 800 psi (55,2 bar), przy aktualnym ciśnieniu pompy 5 gpm (18,95 lpm) jest odprowadzane (przepływa przez zawór), co oznacza, że siłownik otrzymuje mniej niż pełny przepływ pompy, a wykonanie działania odbywa się z mniejszą prędkością. Jednocześnie olej przepływa przez otwór zaworu bezpieczeństwa, generując niepotrzebną ilość ciepła.

Jeśli ciśnienie obciążenia wynosi 750 psi (51,7 bar), pompa/silnik musi generować ciśnienie 950 psi (65,5 bar) — jeszcze wyższe ciśnienie przy większym przepływie odpływu przez otwór zaworu bezpieczeństwa powoduje dalsze spowolnienie działania siłownika oraz generowanie jeszcze większej ilości niepotrzebnej ciepła.

Rysunek 11-7: Wpływ ciśnienia wstępnej dekompresji. Prosty zawór bezpieczeństwa zaczyna odprowadzać przepływ przed osiągnięciem ustawionego ciśnienia, co prowadzi do zmniejszenia prędkości działania siłownika i marnowania energii w postaci ciepła przy pośrednich wartościach ciśnienia obciążenia.

Zawór ciśnieniowy normalnie otwarty

Zawór ciśnieniowy sterujący normalnie zamknięty w położeniu wyjściowym ma odłączone porty główny i wtórny oraz monitoruje ciśnienie na porcie głównym. Zawór ciśnieniowy sterujący normalnie otwarty w położeniu wyjściowym ma połączone porty główny i wtórny oraz monitoruje ciśnienie na porcie wtórnym.

Zawór redukcyjny

Zawór redukcyjny jest zazwyczaj zaworem ciśnieniowym sterującym normalnie otwartym.

Zasada działania zaworu redukcyjnego

Zawór redukcyjny działa poprzez pomiar ciśnienia za zaworem. Gdy ciśnienie za zaworem osiąga wartość ustawienia zaworu, tłoczek częściowo zamyka się, tworząc przewężenie, które przekształca nadmiarową energię ciśnienia przed zaworem w ciepło. Jeśli ciśnienie za zaworem spadnie, tłoczek otwiera się szerzej, umożliwiając ponowny wzrost ciśnienia.

Zastosowanie obwodu zaworu redukcyjnego

W przykładowym obwodzie zaciskowym cylinder zaciskowy B musi wywierać mniejszą siłę niż cylinder zaciskowy A. Aby tego dokonać, przed cylindrem zaciskowym B instaluje się zawór redukcyjny, który obniża ciśnienie dopływające do cylindra B do wartości ustawionej na zaworze redukcyjnym. W tym ustalonym punkcie ciśnienia działanie tłoczka zaworu redukcyjnego tworzy funkcję przewężenia, przekształcając nadmiarową energię ciśnienia przed zaworem w ciepło. Cylinder B wykonuje zacisk przy obniżonym ciśnieniu.

Statyczny spadek ciśnienia zaworu redukcyjnego (przesunięcie)

Ciśnienie na wtórnej przewodzie zaworu redukcyjnego w warunkach przepływu znamionowego jest niższe niż w warunkach braku przepływu. Różnica między tymi dwoma ciśnieniami redukowanymi stanowi tzw. stałą różnicę spadku ciśnienia zaworu redukcyjnego. Stały spadek ciśnienia jest charakterystyczną cechą zaworu redukcyjnego, która dodatkowo wyjaśnia, dlaczego ciśnienie rośnie wraz ze wzrostem przepływu. Dla zaworu redukcyjnego o przepływie znamionowym 15 gpm (56,85 lpm), działającego przy przepływie i ciśnieniu roboczym znamionowym, stała różnica spadku ciśnienia wynosi około 50 psi (3,45 bar), podczas gdy dla zaworu redukcyjnego o przepływie znamionowym 100 gpm (379 lpm) może ona osiągać nawet 150 psi (10,3 bar).

Rysunek 11-9: Stały spadek ciśnienia zaworu redukcyjnego. Ciśnienie na wyjściu jest nieco niższe podczas przepływu niż po zatrzymaniu przepływu. Im większy przepływ znamionowy zaworu, tym większa ta różnica.

Drenaż — wewnętrzny i zewnętrzny

Podczas przesuwania się tłoczka zaworu sterującego ciśnieniem wewnątrz korpusu zaworu część oleju pod ciśnieniem przecieka do komory znajdującej się nad tłoczkiem. Aby zawór działał prawidłowo, komora znajdująca się nad tłoczkiem musi być ciągle odprowadzana, aby zapobiec zablokowaniu ruchu tłoczka. Odprowadzanie odbywa się poprzez wykonanie w korpusie zaworu kanału odpływowego połączonego z zbiornikiem.

Odprowadzanie wewnętrzne

Jeśli drugi port zaworu ciśnieniowego jest połączony ze zbiornikiem — jak ma to miejsce w przypadku zaworów przelewowych i zaworów przeciwwagi — kanał odpływowy jest połączony wewnętrznie z drugim portem (portem powrotnym). Nazywa się to wewnętrznym odprowadzaniem.

Odprowadzanie zewnętrzne

Jeśli drugi port zaworu ciśnieniowego jest portem ciśnieniowym (portem roboczym), jak ma to miejsce w przypadku zaworów kolejnościowych i zaworów redukcyjnych, kanał odpływowy stanowi oddzielną linię prowadzącą do zbiornika. Nazywa się to zewnętrznym odprowadzaniem. Zawory kolejnościowe i zawory redukcyjne są typowymi zaworami sterującymi ciśnieniem z zewnętrznym odprowadzaniem.

Sterowanie bezpośrednie i zdalne

Dotychczas pomiar ciśnienia odbywał się za pośrednictwem kanałów wewnątrz korpusu zaworu. Zazwyczaj w przypadku zaworów normalnie zamkniętych pomiar ciśnienia przeprowadza się na porcie pierwotnym, natomiast w przypadku zaworów normalnie otwartych – na porcie wtórnym. Taka forma pomiaru ciśnienia nazywana jest sterowaniem bezpośrednim lub sterowaniem lokalnym. Zawór regulacyjny ciśnienia może również mierzyć ciśnienie z innego miejsca układu za pośrednictwem zewnętrznego przewodu – nazywa się to sterowaniem zdalnym lub sterowaniem pilotowym.

Rysunek 11-10: Sterowanie bezpośrednie (po lewej stronie) mierzy ciśnienie na porcie samego zaworu. Sterowanie zdalne (po prawej stronie) umożliwia otwarcie lub dostosowanie zaworu na podstawie sygnału ciśnienia z odległego miejsca – przydatne przy rozładowywaniu akumulatora i sekwencyjnym sterowaniu wieloma siłownikami.

Zawór rozładowania

Zawór rozładowania to zdalnie sterowany zawór regulacyjny ciśnienia typu normalnie zamknięty. Gdy ciśnienie w układzie w punkcie pomiaru osiągnie ustawioną wartość progową, zawór odprowadza przepływ do zbiornika.

Zastosowanie obwodu zaworu rozładowania

W obwodzie akumulatora z bezpośrednio sterowanym zaworem ciśnieniowym, po osiągnięciu przez akumulator ciśnienia ustawionego na zaworze przepływ wyjściowy pompy kierowany jest z powrotem do zbiornika przy ciśnieniu odpływowym ustawionym na zaworze bezpieczeństwa. Powoduje to znaczne straty mocy oraz generuje duże ilości niepotrzebnej ciepła. Połączenie linii sterującej z zaworem zwrotnym znajdującym się za zaworem rozładowującym umożliwia otwarcie zaworu w momencie, gdy akumulator osiągnie ciśnienie ustawione na zaworze, kierując przepływ pompy do zbiornika przy najniższym możliwym ciśnieniu. W tym momencie pompa nie musi dostarczać wysokiego ciśnienia w celu utrzymania zaworu rozładowującego w stanie otwartym, ponieważ ciśnienie sterujące pochodzi od akumulatora odizolowanego zaworem zwrotnym. Ponieważ ciśnienie pompy w tym momencie jest zaniedbywalne, straty mocy również są zaniedbywalne.

Rysunek 11-11: Obwód zaworu rozładowującego. Gdy akumulator jest naładowany, zawór zwrotny izoluje go od pompy, a zawór rozładowujący kieruje przepływ pompy do zbiornika przy minimalnym ciśnieniu — oszczędzając niemal całą moc pompy w czasie postoju.

Zdalnie sterowany zawór równoważący

Bezpośrednio działający zawór równoważący zainstalowany w dół przepływu od cylindra podtrzymującego płytę prasowniczą może skutecznie zrównoważyć lub zniwelować ciężar tej płyty. Jednak podczas procesu prasowania, gdy płyta przechodzi przez materiał, jej ciężar nie powinien być dodawany do całkowitej siły prasowania. Jeśli jest to niepożądane, zawór równoważący powinien być sterowany zdalnie, a jego linia sterująca połączona z inną linią roboczą cylindra. Dzięki zastosowaniu zdalnie sterowanego zaworu równoważącego płyta pozostaje zrównoważona podczas ruchu w dół, ale w trakcie procesu prasowania jej ciężar może być wykorzystywany jako część siły prasowania. W całym suwie w dół, podczas suwu jałowego, własna waga płyty próbuje ciągnąć tłoczysko cylindra w dół; ciśnienie w górnej strefie przepływu oraz ciśnienie w linii sterującej spadają, co powoduje tendencję do zamknięcia zaworu równoważącego, zwiększając opór i uniemożliwiając przepływowi dostosowanie się do prędkości ruchu w dół. W trakcie procesu prasowania zawór równoważący jest szeroko otwierany pod wpływem wysokiego ciśnienia sterującego w górnej strefie przepływu, przy braku ciśnienia zwrotnego po stronie tłoczyska, dzięki czemu ciężar płyty może być dodawany do siły prasowania.

Bezpośredni zawór równoważący w obwodzie silnika hydraulicznego

W przedstawionym obwodzie silnika hydraulicznego bezpośrednio działający zawór równoważący służy do hamowania momentu bezwładności ciężkiego obciążenia. Zawór równoważący jest nastawiony na 800 psi (55,2 bar) i stale zapewnia ciśnienie zwrotne dla obracającego się obciążenia, dzięki czemu prędkość obciążenia nie może przekroczyć przepływu pompy i spowodować nadmiernego przyspieszenia. Jednak oznacza to również, że ciśnienie wlotowe silnika musi przekroczyć ciśnienie robocze obciążenia o 800 psi (55,2 bar) — jest to wada tego rozwiązania. Aby ją wyeliminować, można zastosować zawór hamulcowy.

Zawór hamulcowy

Zawór hamulcowy to normalnie zamknięty zawór sterujący ciśnieniem wyposażony zarówno w port sterowania bezpośredniego, jak i zdalnego. Oba metody sterowania są połączone jednocześnie. Zawory hamulcowe są powszechnie stosowane wraz z silnikami hydraulicznymi i zastępują bezpośrednio działające zawory równoważące w obwodach silników hydraulicznych.

Konstrukcja zaworu hamulcowego

Zawór hamulcowy składa się z korpusu zaworu, tłoczka, tłoczka sterującego, sprężyny nastawczej oraz urządzenia do regulacji sprężyny. Korpus zaworu posiada kanały: główny, wtórny, wewnętrzny sterowania oraz zewnętrzny sterowania.

Zasada działania zaworu hamulcowego

Zawór hamulcowy jest zaworem normalnie zamkniętym. Zakładając, że sprężyna nastawcza jest ustawiona na otwarcie bezpośrednie przy ciśnieniu 800 psi (55,2 bar), gdy ciśnienie w wewnętrznym przewodzie sterującym osiągnie wartość 800 psi (55,2 bar), tłoczek sterujący przesuwa się w górę i przesuwa tłoczysko, otwierając zawór hamulcowy. Gdy ciśnienie spadnie poniżej 800 psi (55,2 bar), zawór zamyka się. Działanie to jest identyczne z działaniem bezpośrednio działającego zaworu równoważącego. Powierzchnia wewnętrznego tłoczka sterującego jest znacznie mniejsza niż powierzchnia przekroju poprzecznego tłoczyska — stosunek powierzchni wynosi typowo 8:1. Zewnętrzny port sterujący jest zazwyczaj połączony z drugą linią roboczą silnika. Ciśnienie zewnętrzne działa na przeciwległym końcu komory sprężyny tłoczyska — do otwarcia zaworu wystarcza jedynie ciśnienie 100 psi (6,89 bar), ponieważ działa ono na dolnym końcu tłoczyska, którego powierzchnia jest 8 razy większa niż powierzchnia tłoczka sterującego.

Zastosowanie obwodu zaworu hamulcowego

Załóżmy, że zawór hamulcowy jest ustawiony na ciśnienie 800 psi (55,2 bar) w trybie bezpośredniego sterowania. Gdy ciśnienie w przewodzie dopływowym do silnika osiągnie wartość 100 psi (6,89 bar), zawór hamulcowy otwiera się, a całe ciśnienie dopływowe do silnika zostaje wykorzystane do napędu obciążenia (zakładając, że 100 psi / 6,89 bar jest wyższe). W przypadku przekroczenia prędkości obciążenia ciśnienie dopływowe do silnika spada, zawór hamulcowy zamyka się, a ciśnienie zwrotne wynoszące 800 psi (55,2 bar) ponownie go otwiera, zwiększając opór i spowalniając obciążenie.

Zawór hamulcowy to zawór sterowania ciśnieniem typu normally closed (normalnie zamknięty). Jego działanie jest bezpośrednio związane z wymaganiami obciążenia silnika.

Rysunek 11-13: Zawór hamulcowy. W przeciwieństwie do prostego zaworu równoważącego zawór hamulcowy posiada zarówno sterowanie bezpośrednie (wewnętrzne), jak i zdalne (zewnętrzne). Stosunek powierzchni roboczych wynoszący 8:1 oznacza, że do jego otwarcia wystarcza zewnętrzne ciśnienie sterujące równe zaledwie 100 psi — dzięki czemu silnik może łatwo napędzać obciążenie, zapewniając jednocześnie hamowanie ciśnieniem zwrotnym 800 psi w przypadku próby przekroczenia prędkości obciążenia.

Przepływ wsteczny przez zawory sterujące ciśnieniem

Z wyjątkiem zaworów bezpieczeństwa i zaworów zwrotnych wszystkie zawory ciśnieniowe wymagają przepływu w kierunku przeciwnym, aby mogły swobodnie przepuszczać medium. Zwykle zamknięte zawory ciśnieniowe wykrywają ciśnienie na porcie głównym — w przypadku odwrócenia kierunku przepływu ciśnienie na porcie głównym spada, tłoczek zaworu zamyka się, a połączenie między portem głównym a wtórnym zostaje przerwane. Ponieważ przepływ w kierunku przeciwnym nie może przechodzić przez zwykle zamknięte zawory ciśnieniowe, do obejścia tego typu zaworu konieczne jest zastosowanie zaworu zwrotnego.

Zwykle otwarte zawory ciśnieniowe wykrywają ciśnienie na porcie wtórnym — dopóki przepływ zachodzi w kierunku przeciwnym i ciśnienie w kierunku przepływu pozostaje poniżej wartości zadanej, prześwit zaworu pozostaje stale otwarty, dlatego nie jest potrzebny dodatkowy zawór zwrotny w kierunku przeciwnym. W praktyce jednak, gdy ciśnienie na porcie wtórnym przekroczy wartość zadaną, tłoczek zaworu nagle się zamyka. Dla zapewnienia bezpieczeństwa zawory zwrotne oraz zawory redukcyjne stosuje się często łącznie, aby zapewnić przepływ w kierunku przeciwnym.

Podsumowanie zaworów sterowania ciśnieniem

Na podstawie analizy przedstawionej w tym rozdziale można sformułować kluczowe zasady dotyczące zaworów sterowania ciśnieniem:

• Zasada A: Regulatory klapy ciśnienia z portami wtórnymi podłączonymi do obwodu ciśnieniowego wymagają zewnętrznego odpływu (klapy kolejnościowe i redukcyjne).
• Zasada B: Regulatory klapy ciśnienia z portami wtórnymi podłączonymi do zbiornika zwykle korzystają z wewnętrznego odpływu (klapy przelewowe, klapki zwalniające, klapki przeciwzawrotnościowe i klapki hamulcowe).
• Zasada C: Aby umożliwić swobodny przepływ wsteczny przez regulator ciśnienia, należy użyć zaworu zwrotnego.

Rysunek 11-15 – Symbole graficzne wszystkich regulatorów ciśnienia. Uwaga: klapy kolejnościowe i redukcyjne zawsze mają zewnętrzne linie odpływu (przedstawione jako przerywane linie prowadzące do zbiornika). Klapy przelewowe, zwalniające oraz przeciwzawrotnościowe korzystają z wewnętrznego odpływu.

Terminologia dotycząca regulatorów ciśnienia

Podstawowe terminy stosowane w odniesieniu do regulatorów ciśnienia:

• Sterowanie bezpośrednie — wykorzystanie oleju z własnego wewnętrznego przewodu sterującego zaworu do sterowania tłoczkiem. „Działanie lokalne” — tłoczek jest naciskany wyłącznie siłą sprężyny.
• Przepływ przez klapę przejściową do zbiornika — przepływ przechodzi przez klapę przejściową.
• Pilot (pilotowy) — ciśnienie hydrauliczne wykorzystywane do sterowania ruchem tłoczka. Pomiar ciśnienia w miejscu oddalonym od samego zaworu.
• Ciśnienie otwarcia (cracking pressure) — ciśnienie, przy którym zawór bezpieczeństwa zaczyna się pierwszy raz otwierać, umożliwiając przepływ przez przejście obejściowe.
• Ciśnienie wczesnego otwarcia (pre-cracking pressure) — tendencja niektórych zaworów (szczególnie prostych zaworów bezpieczeństwa) do otwierania się poniżej ustawionego ciśnienia.
• Ciśnienie zwrotne (back pressure) — ciśnienie po stronie wyjściowej zaworu lub siłownika, które przeciwdziała przepływowi lub ruchowi.