Rozdział 9: zawory sterujące przepływem

Otworka

Otworka to stosunkowo mały otwór w ścieżce przepływu cieczy. Przepływ przez otworkę zależy od kilku czynników, z których trzy najważniejsze to:

1. Rozmiar Otworu
2. Różnica ciśnień po obu stronach otworki
3. Temperatura cieczy

Wpływ wielkości otworki na przepływ

Wielkość otworki kontroluje przepływ przez nią. Typowym przykładem z codziennego życia jest dysza do węża ogrodowego — jeśli otwór dyszy jest mały, woda wypływa w postaci drobnej mgiełki lub rozpylacza. Jeśli otwór jest większy, powstaje struga wody. W obu przypadkach dysza węża ogranicza kierunek przepływu wody — przepływ przez otworkę zależy od wielkości jej otworu.

Rysunek 9-1: zawór sterujący przepływem w obwodzie. Zawór ogranicza przepływ do cylindra. Nadmiarowy przepływ pompy odpływa przez zawór bezpieczeństwa. Ograniczony przepływ zamienia się w energię potencjalną (prędkość) na otwarcie otworki.

Otwór stały

Stała przewężka ma otwór o niezmiennej wielkości, którego rozmiar nie może być regulowany. Najczęstszymi przykładami w technologii hydraulicznej są otwór wiercony w zatyczce rur lub zaworze zwrotnym oraz fabrycznie ustawiony zawór do regulacji przepływu.

Zmienna przewężka

W większości przypadków zamiast stałej przewężki wymagana jest przewężka zmienna, ponieważ jest bardziej elastyczna w użyciu. Przykładami zmiennych przewężek są zawory odcinające, zawory kulowe oraz zawory iglicowe.

Zawór zasuwowy

Zawór odcinający charakteryzuje się prostym, bezpośrednim przebiegiem przepływu. Wielkość przewężki zmienia się poprzez obracanie pokrętła w celu otwarcia lub zamknięcia tarczy w kierunku przepływu. Choć zawory odcinające nie są zaprojektowane do regulacji przepływu, w niektórych prostych systemach pomiaru przepływu mogą być stosowane jako urządzenia ograniczające przepływ.

Wynik:

Przebieg przepływu w zaworach kulowych nie jest prostoliniowy – tworzy kąt 90°. Przewężką jest siedzisko oraz stożkowy lub kulowy element zamykający umieszczony w zakrzywionym kanale przepływowym. Wielkość otworu przewężki reguluje się poprzez zmianę położenia kulowego elementu zamykającego.

Zawór iglowy

Przepływ przez zawory iglicowe również zakręca o kąt 90°, a następnie przechodzi przez otwór przepuszczający. Otwór ten składa się z szczeliny między wałkiem zaworu o stożkowym końcu a siedziskiem zaworu. Wielkość otworu zmienia się poprzez regulację położenia powierzchni stożkowej względem siedziska zaworu. Ze względu na drobnozwojowe gwinty regulacyjne wałka zaworu oraz stożkowy kształt jego końcówki, wielkość otworu zmienia się stopniowo. W układach hydraulicznych zawór iglicowy jest najczęściej stosowanym zmiennym otworem przepuszczającym.

Rysunek 9-2: Typy zmiennych otworów przepuszczających. Zawór iglicowy (na dole) jest najbardziej powszechny w układach hydraulicznych — jego stożkowy koniec i drobnozwojowe gwinty umożliwiają bardzo precyzyjną i stopniową regulację przepływu.

Zastosowanie zaworu iglicowego w obwodzie

Przykładowy obwód zawiera pompę objętościową o wydajności 5 gpm (18,95 l/min), zawór bezpieczeństwa, zawór rozdzielający, zmienny otwór przepuszczający (zawór iglicowy) oraz cylinder hydrauliczny o powierzchni tłoka wynoszącej 3 in² (19,35 cm²). Jeśli ustawienie ciśnienia zaworu bezpieczeństwa wynosi 500 psi (34,48 bar), a pompa dostarcza przepływ 5 gpm:

Gdy zawór iglicowy ogranicza przepływ do zaledwie 2 gpm (7,58 lpm), prędkość tłoczyska wynosi 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). Zawór bezpieczeństwa ogranicza ciśnienie w układzie do 500 psi (34,48 bar), kierując pozostały przepływ 3 gpm (11,37 lpm) do zbiornika.

Otwarcie otworu zaworu iglicowego

Wkręcanie zaworu iglicowego zwiększa otwór — przez niego przepływa więcej czynnika roboczego do cylindra, aż do osiągnięcia limitu ciśnienia ustawionego przez zawór bezpieczeństwa. Prędkość tłoczyska rośnie.

Zamykanie otworu zaworu iglicowego

Wykręcanie zaworu iglicowego zmniejsza otwór. Mniejszy przepływ czynnika roboczego wpływa do cylindra, więc prędkość tłoczyska maleje.

Wpływ różnicy ciśnień na przepływ

Przepływ przez otwór zależy od różnicy ciśnień. Ponieważ ciśnienie stanowi energię potencjalną w układzie hydraulicznym, im większa różnica ciśnień po obu stronach otworu, tym większy przepływ przez niego.

Codzienny przykład — materac powietrzny

Po dnie spędzonym nad morzem lub na obozowisku wyjmujesz korek z napompowanego materaca powietrznego i pozwalasz, aby powietrze uchodziło swobodnie. Ponieważ różnica ciśnień wewnętrznych i zewnętrznych jest niewielka, materac powoli zapada się. Silnie ścisnij materac — ciśnienie wewnętrzne rośnie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego, różnica ciśnień wzrasta, a powietrze uchodzi szybciej.

Delikatnie ścisnij tubkę pasty do zębów — wychodzi niewielka ilość. Ścisnij mocno — większa ilość pasty jest wypychana i może trafić na podłogę. Jeśli ktoś stanie na tubce z pastą do zębów, różnica ciśnień od wnętrza tubki do ciśnienia atmosferycznego będzie większa niż przy uciskaniu ręcznym, więc więcej pasty wyjdzie szybciej.

Wpływ różnicy ciśnień na przepływ przez zawór iglicowy w obwodzie

W przedstawionym obwodzie zawór igłowy ogranicza przepływ pompy z 5 gpm (18,95 l/min) do 3 gpm (11,37 l/min). Ustawienie zaworu przelewowego: 500 psi (34,48 bar). Opór obciążenia: 200 psi (14 bar). Ciśnienie na wlocie zaworu igłowego jest równe ustawieniu zaworu przelewowego: 500 psi (34,48 bar). Z tego ciśnienia 200 psi (14 bar) pokonuje opór obciążenia; pozostała różnica ciśnień wynosząca 300 psi (21 bar) powoduje przepływ 3 gpm (11,3 l/min) przez zawór igłowy, co generuje prędkość tłoczyska równą 19,25 ft/min (5,87 m/min). Pozostały przepływ 2 gpm (7,58 l/min) kierowany jest przez zawór przelewowy do zbiornika.

Podwyższenie ustawienia zaworu przelewowego

Przy niezmienionym ciśnieniu obciążenia i niezmienionym ustawieniu zaworu igłowego podniesienie ustawienia zaworu przelewowego do 600 psi (41,38 bar) powoduje, że ciśnienie na wlocie zaworu igłowego wynosi 600 psi (41,38 bar). Z tej wartości 200 psi (14 bar) pokonuje obciążenie, a różnica ciśnień wynosząca teraz 400 psi (28 bar) powoduje przepływ 4 gpm (15 l/min) przez zawór igłowy. Prędkość tłoczyska wzrasta do 26 ft/min (7,92 m/min).

Ciśnienie obciążenia rośnie

Zresetuj zawór bezpieczeństwa do 500 psi (34,48 bar), pozostawiając ustawienie zaworu igłowego bez zmian. Wraz ze wzrostem obciążenia ciśnienie obciążenia wzrasta do 400 psi (28 bar). Ciśnienie na wejściu zaworu igłowego pozostaje nadal na poziomie 500 psi (34,48 bar), ale teraz tylko różnica ciśnień wynosząca 100 psi (6,9 bar) napędza przepływ przez zawór igłowy — zaledwie 1 gpm (3,79 lpm). Prędkość tłoczyska spada do 6 ft/min (30 mm/s). Pozostałe 4 gpm (15 lpm) przepływa przez zawór bezpieczeństwa.

Pokazuje to, że przepływ przez zawór igłowy zmienia się przy każdej zmianie ciśnienia po każdej stronie przewężenia. Aby precyzyjnie dozować przepływ przez zawór igłowy, takie zmiany ciśnienia należy zniwelować lub skompensować.

Zawór sterujący prędkością (zawór dozujący przepływ z kompensacją ciśnienia)

Z powyższych przykładów wynika, że każda zmiana ciśnienia po każdej stronie przewężenia wpływa na przepływ przez zawór iglicowy, zmieniając prędkość siłownika. Aby dokładnie dozować przepływ przez przewężenie niezależnie od zmian ciśnienia, należy skompensować te zmiany ciśnienia. Zawór iglicowy jest nieskompensowanym zaworem regulującym przepływ — stanowi dobry urządzenie do dozowania przepływu, o ile różnica ciśnień pozostaje stała i iglica jest prawidłowo wyśrodkowana. W celu bardziej precyzyjnej regulacji przepływu należy zastosować skompensowany ciśnieniowo zawór regulujący przepływ (zawór do regulacji prędkości). Jest to regulator przepływu kompensujący zmiany ciśnienia zarówno przed, jak i za przewężeniem.

Zawory do regulacji prędkości (skompensowane ciśnieniowo zawory regulujące przepływ) można podzielić na typ wlotowy i typ obejściowy.

Konstrukcja zaworu do regulacji prędkości typu wlotowego

Wlotowy skompensowany ciśnieniowo zawór regulujący przepływ składa się z korpusu zaworu z portami wlotowymi i wylotowymi, zaworu iglicowego, tłoczka kompensacyjnego oraz sprężyny nastawczej.

Zasada działania zaworu typu wlotowego

Aby zrozumieć zasadę działania typu z dopływem, analizujemy jego działanie krok po kroku. Gdy tłoczek kompensacyjny jest całkowicie przesunięty na stronę A, całe napływające olej pod ciśnieniem dociera do otworu zaworu iglicowego. Dopóki tłoczek kompensacyjny przesuwa się nieznacznie w kierunku strony B, napływający olej pod ciśnieniem ulega dławieniu. Aby utrzymać przepływ otwarty, tłoczek kompensacyjny jest przykręcany sprężyną w kierunku strony A. Ciśnienie na wejściu zaworu iglicowego jest odczytywane za pośrednictwem wewnętrznego kanału sterującego i przekazywane do końca A tłoczka kompensacyjnego — gdy ciśnienie przekroczy siłę nacisku sprężyny, tłoczek przesuwa się w kierunku strony B.

Jeśli otwór zaworu iglicowego jest dostosowany tak, że przez niego przepływa mniej niż pełny przepływ pompy, ciśnienie na wlocie zaworu iglicowego wzrasta do wartości ustawienia zaworu bezpieczeństwa. Gdy ciśnienie na wlocie zaworu iglicowego przekroczy siłę sprężyny tłoczka kompensującego, tłoczek kompensujący przesuwa się w kierunku B, ograniczając przepływ dopływający. Gdy przepływ przez otwór tłoczka kompensującego osiągnie wartość przepływu wyjściowego pompy, ciśnienie na wlocie zaworu iglicowego ustabilizuje się na poziomie odpowiadającym sile sprężyny. Na przykład przy sile sprężyny wynoszącej 100 psi (6,89 bar) i ustawieniu zaworu bezpieczeństwa na 500 psi (34,48 bar): ciśnienie na wlocie wynosi 500 psi (34,48 bar); gdy olej przepływa przez otwór tłoczka kompensującego, 400 psi (28 bar) zamienia się w ciepło, co powoduje obniżenie ciśnienia na wlocie zaworu iglicowego do 100 psi (6,89 bar). Oznacza to, że niezależnie od ciśnienia na wlocie zaworu sterującego przepływem, dzięki działaniu tłoczka kompensującego ciśnienie na wlocie zaworu iglicowego utrzymywane jest na poziomie 100 psi (6,89 bar).

Rysunek 9-5: Zawór sterujący prędkością z dopływem (z kompensacją ciśnienia). Kompensacyjny tłoczek utrzymuje stałą różnicę ciśnień na zaworze iglicowym niezależnie od zmian ciśnienia wejściowego lub wyjściowego — zapewniając precyzyjny, stały przepływ.

W przypadku wcześniejszego obwodu zaworu iglicowego różnica ciśnień na przewężeniu zaworu iglicowego stanowi tylko połowę opowieści — ciśnienie w przewodzie po stronie wylotowej zaworu iglicowego musi być również skompensowane. Innymi słowy, należy utrzymać stałą różnicę ciśnień. Aby tego dokonać, ciśnienie w przewodzie po stronie wylotowej zaworu iglicowego jest również kierowane przez przewód sterujący do komory sprężyny nastawczej kompensacyjnego tłoczka. Teraz na stronę A kompensacyjnego tłoczka działają dwie siły: siła sprężyny i ciśnienie oleju po stronie wylotowej.

Jeśli siła sprężyny wynosi 100 psi (6,89 bar), różnicę ciśnień na zaworze iglicowym ogranicza się do wartości wyższej od ciśnienia w przewodzie wylotowym o 100 psi (6,89 bar). Dopóki zawór bezpieczeństwa jest ustawiony na wystarczająco wysokie ciśnienie, różnica ciśnień na otworze zaworu iglicowego zawsze odpowiada wartości ciśnienia wywieranego przez sprężynę. Dzięki temu stała jest różnica ciśnień powodująca przepływ przez zawór iglicowy — nie jest ona wpływana przez fluktuacje ciśnienia na stronie wlotowej ani wylotowej.

Zawór sterujący prędkością przepływu typu „do układu” w obwodzie

W obwodzie ustawiono zawór sterujący prędkością zasilania na 3 gpm (11,37 L/min). Zawór bezpieczeństwa ustawiony na 500 psi (34,48 bar), ciśnienie obciążenia wynosi 200 psi (13,79 bar). Sprężyna tłoczka kompensacyjnego = 100 psi (6,89 bar). Pompa próbuje przepompować całe 5 gpm (18,95 L/min) przez zawór iglicowy, co powoduje wzrost ciśnienia na wlocie zaworu iglicowego. Przy 300 psi (21 bar) tłoczek kompensacyjny przesuwa się i ogranicza przepływ, powodując dalszy wzrost ciśnienia na wlocie zaworu regulującego przepływ do wartości ustawienia zaworu bezpieczeństwa – 500 psi (34,48 bar). Z tych 500 psi (34,48 bar): 200 psi (13,79 bar) jest zużywane na pokonanie obciążenia; 100 psi (6,89 bar) napędza przepływ przez zawór iglicowy; pozostałe 200 psi (13,79 bar) z 500 psi zamienia się na ciepło przy przepływie przez otwór tłoczka kompensacyjnego. Przepływ w tym przypadku wynosi 3 gpm (11,37 L/min), a prędkość tłoczka – 19 ft/min (97,83 mm/s).

Podnoszenie ciśnienia obciążenia i ustawienia zaworu bezpieczeństwa

Jeśli ciśnienie obciążenia wzrośnie do 400 psi (27,58 bar) lub ciśnienie odpowietrzenia zostanie ustawione ponownie na 600 psi (41,38 bar), nadal przepływa przez zawór iglicowy strumień napędowy o wartości 100 psi (6,89 bar). O ile ciśnienie odpowietrzenia jest ustawione wystarczająco wysoko, aby przesunąć tłoczek kompensacyjny, strumień wyjściowy do cylindra pozostaje stały i wynosi 3 gpm (11,37 L/min).

Konstrukcja zaworu regulacyjnego prędkości typu obejściowego

Zawór regulacyjny prędkości typu obejściowego składa się z korpusu zaworu z portami wlotowym, wylotowym i powrotnym, zaworu iglicowego, tłoczka kompensacyjnego oraz sprężyny naciskowej.

Zasada działania typu obejściowego

Tłoczek kompensacyjny w tym zaworze otwiera i zamyka przewód obejściowy prowadzący do zbiornika oleju. Tłoczek kompensacyjny jest naciskany sprężyną w kierunku zamknięcia (położenie dolne). Jeśli siła sprężyny wynosi 100 psi (6,89 bar), ciśnienie na wlocie zaworu iglicowego będzie ograniczone do 100 psi (6,89 bar). W stanie początkowym cały przepływ przez zawór kierowany jest bezpośrednio do zbiornika oleju. W normalnym trybie pracy tłoczek kompensacyjny jest utrzymywany przez sprężynę w położeniu zamkniętym.

Ciśnienie wlotowe zaworu iglicowego jest wykrywane za pośrednictwem wewnętrznego kanału sterującego, który prowadzi do górnej części tłoczka kompensacyjnego. Gdy ciśnienie przekroczy siłę sprężyny ustalającą punkt zadany, tłoczek kompensacyjny działa jak zawór bezpieczeństwa — otwierając kanał obejściowy i ograniczając ciśnienie wlotowe zaworu iglicowego do 100 psi (6,89 bar). Stałe ciśnienie wlotowe zaworu iglicowego nie zapewnia stałego przepływu — przy zmianie ciśnienia w kierunku przepływu w dół zmienia się również spadek ciśnienia na przewężeniu iglicowym, co powoduje zmianę przepływu.

Aby to skompensować, ciśnienie z zaworu iglicowego za zaworem jest kierowane kanałem sterującym do komory sprężyny kompensacyjnej suwaka. Teraz suwak kompensacyjny po stronie A działa na dwie siły: siłę sprężyny i ciśnienie oleju za zaworem. Jeśli sprężyna = 100 psi (6,89 bar), ciśnienie wlotowe iglicy będzie ograniczone do 100 psi (6,89 bar) powyżej ciśnienia za zaworem. Dopóki zawór bezpieczeństwa jest ustawiony wystarczająco wysoko, różnica ciśnień w otworze iglicy wynosi 100 psi (6,89 bar) – jest stała.

Zawór sterowania prędkością typu obejściowego w obwodzie

Zawór sterowania prędkością typu obejściowego ustawiony na przepływ 3 gpm (11,37 L/min). Ciśnienie odpływu: 500 psi (34,48 bar), ciśnienie obciążenia: 200 psi (13,79 bar), siła sprężyny: 100 psi (6,89 bar). Pompa próbuje przeprowadzić cały przepływ 5 gpm (18,95 L/min) przez zawór iglicowy. Zawór kompensacyjny otwiera kanał obejściowy, ograniczając ciśnienie na wejściu zaworu iglicowego do 300 psi (20,68 bar). Z tego ciśnienia 300 psi: 200 psi (13,79 bar) pokonuje opór obciążenia, a 100 psi (6,89 bar) zapewnia przepływ 3 gpm (11,37 L/min) przez zawór iglicowy. Pozostały przepływ 2 gpm (7,58 L/min) jest odprowadzany przez otwarcie zaworu kompensacyjnego bezpośrednio do zbiornika.

Rysunek 9-8 – Obwód sterowania prędkością typu obejściowego. Zawór kompensacyjny odprowadza nadmiarowy przepływ pompy bezpośrednio do zbiornika zamiast kierować go przez zawór bezpieczeństwa. Jest to bardziej energooszczędne rozwiązanie niż układ typu „metry wlotowe”, ponieważ nadmiarowy przepływ nie przepływa przy pełnym ciśnieniu systemu.

Podnoszenie ciśnienia obciążenia i ustawienia zaworu bezpieczeństwa

Jeśli ciśnienie obciążenia wzrośnie do 400 psi (27,58 bar) lub ciśnienie odpływu zostanie ponownie ustawione na 600 psi (41,38 bar), nadal działa ciśnienie 100 psi (6,89 bar), które przepycha przepływ przez zawór iglicowy. Dopóki ciśnienie odpływu jest ustawione wystarczająco wysoko, aby otworzyć tłoczek kompensacyjny, przepływ wyjściowy do cylindra pozostaje stały i wynosi 3 gpm (11,37 L/min).

Wpływ temperatury na przepływ przez przewężkę

Jak wspomniano na początku tego rozdziału, trzy główne czynniki wpływające na przepływ przez przewężkę to wielkość przewężki, różnica ciśnień oraz temperatura oleju. Gdy temperatura oleju się zmienia, zmienia się jego lepkość — a gdy lepkość oleju się zmienia, zmienia się również przepływ przez przewężkę. W przypadku stałych przewężek lub zaworów iglicowych zmiany przepływu spowodowane temperaturą zwykle nie są istotne, ponieważ wielkość przewężki i różnica ciśnień są zazwyczaj duże w porównaniu do wpływu lepkości. Jednak w zastosowaniach wymagających bardzo precyzyjnej regulacji przepływu należy uwzględnić wpływ temperatury. Zawory sterujące prędkością typu dopływowego (meter-in) oraz typu obejściowego (bypass) są zazwyczaj wystarczające w typowych przemysłowych zastosowaniach hydraulicznych.

W zastosowaniach wymagających skrajnie precyzyjnej regulacji przepływu — niezależnie od zmian temperatury — można stosować zawór regulacyjny przepływu z kompensacją temperaturową. Ten typ zaworu kompensuje również wpływ temperatury.

Kluczowe wzory — Rozdział 9