La o supapă de reglare a presiunii, reglarea presiunii se face, de obicei, prin ajustarea forței de preîncărcare a arcului de reglare, folosind o șurub de reglare. Presiunea se modifică pe măsură ce șurubul este rotit.

Figura 11-1 Supapă de reglare a presiunii normal închisă. Șurubul de reglare stabilește preîncărcarea arcului, care determină presiunea la care tija mobilă se ridică și supapa se deschide.
În sistemele hidraulice, supapele de reglare a presiunii normal închise au mai multe utilizări. În afară de faptul că sunt folosite ca supape de siguranță ale sistemului, pot controla și secvența acțiunilor — determinând o acțiune să aibă loc înaintea alteia. De asemenea, pot fi utilizate pentru echilibrarea forțelor mecanice externe.
O supapă de reglare a presiunii normal închisă care controlează o acțiune astfel încât să aibă loc înaintea alteia se numește supapă de secvență.
Într-un circuit hidraulic care execută atât strângerea, cât și forarea, cilindrul de strângere trebuie să se extindă înainte de cilindrul de forare. Pentru a realiza această secvență, supapa de ordine este plasată în circuit chiar înainte de cilindrul de forare. Arcul din interiorul supapei de ordine nu permite tijei supapei să conecteze conductele primară și secundară până când presiunea nu crește suficient de mult pentru a depăși forța arcului — până atunci, fluxul către cilindrul de forare este blocat. Astfel, cilindrul de strângere se extinde întâi. Când dispozitivul de strângere intră în contact cu piesa de prelucrat, pompa trebuie să furnizeze o presiune mai mare pentru a depăși rezistența. Aceasta determină creșterea presiunii peste presiunea de pilot care acționează asupra tijei supapei de ordine, realizând conexiunea între conductele primară și secundară, iar fluxul este direcționat către cilindrul de forare — acesta începe apoi să se miște.

Figura 11-2: Circuit cu supapă de ordine. Deoarece supapa de ordine blochează fluxul către cilindrul de forare până când presiunea din sistem crește, dispozitivul de strângere se închide întotdeauna înainte de începerea forării.
O supapă de reglare a presiunii normal închisă, utilizată pentru echilibrarea sau susținerea unei mase (de exemplu, a unei mese de presă), se numește supapă de contrabalansare.
Într-un circuit de presă, atunci când supapa direcțională dirijează debitul către capătul orb al cilindrului, masa de presă conectată la tija pistonului va coborî necontrolat sub acțiunea gravitației, iar debitul pompei va fi epuizat. Pentru a preveni acest fenomen, o supapă de presiune normal închisă este instalată în aval de cilindrul de presă. Tija supapei nu deschide trecerea dintre intrare și ieșire până când presiunea de la capătul inferior nu depășește presiunea generată de greutatea mesei de presă. Cu alte cuvinte, în timp ce uleiul este furnizat capătului orb al cilindrului, această soluție echilibrează greutatea mesei de presă pe întreaga cursă de coborâre.
Valva de echilibrare poate fi utilizată, de asemenea, pentru a frâna mișcarea de rotație a unui motor hidraulic încărcat greu. Pentru un motor hidraulic care antrenează roți grele, odată ce roțile acumulează impuls, motorul poate depăși viteza nominală (fenomen de „fugă”). Dacă o valvă de echilibrare este instalată la ieșirea motorului, aceasta se deschide doar atunci când presiunea la ieșire atinge valoarea setată. Această presiune inversă contracarează forța generată prin conversia impulsului de rotație al roților grele.

Figura 11-3 – Valvă de echilibrare. (Partea superioară) Previne căderea necontrolată a platanelor presei. (Partea inferioară) Previne depășirea vitezei nominale a motorului încărcat greu, atunci când sarcina antrenează motorul.
O supapă de siguranță simplă constă, în esență, dintr-un corp de supapă cu un piston acționat de un arc rigid. Când presiunea de pe partea pistonului opusă arcului crește suficient de mult, pistonul se deplasează și deschide o trecere pentru a redirecționa debitul pompei către rezervor.
În circuitul exemplu, supapa de siguranță simplă este reglată astfel încât, atunci când presiunea la ieșirea pompei atinge 1.000 psi (68,97 bar), are loc un debit de derivare de 10 gpm (37,9 lpm). Acest lucru nu înseamnă că supapa se deschide brusc la 1.000 psi — dimpotrivă, la presiuni sub 1.000 psi (68,97 bar), supapa începe să se deschidă la un punct de presiune scăzută, derivând o parte din debit către rezervor. Pe măsură ce presiunea se apropie de 1.000 psi (68,97 bar), deschiderea crește treptat pentru a permite trecerea unui debit mai mare către rezervor. La punctul de reglare de 1.000 psi (68,97 bar), deschiderea orificiului este suficient de mare pentru a permite trecerea întregului debit de 10 gpm (37,9 lpm). Când presiunea din sistem scade sub presiunea de deschidere a supapei de siguranță, trecerea către rezervor formată de deschiderea supapei dispare din circuit.

Deschiderea unei supape de siguranță este, în esență, o funcție de orificiu. Ca orice dispozitiv cu orificiu, debitul prin acesta este influențat de temperatura fluidului și, prin urmare, de vâscozitate.
Pentru o supapă de siguranță reglată la 1.000 psi (68,97 bar) pentru a deriva 10 gpm (37,9 lpm), se presupune că vâscozitatea uleiului rămâne constantă. La temperatura camerei, vâscozitatea uleiului din rezervorul echipamentului este de 400–500 SUS (86,3–107,9 cSt). În această vâscozitate, reglarea presiunii de siguranță a sistemului la 1.000 psi (68,97 bar) derivă 10 gpm (37,9 lpm) prin deschiderea orificiului. Odată ce uleiul se încălzește, presiunea pompei poate fi limitată la 900 psi (62 bar) sau mai mică. Motivul este că, pe măsură ce temperatura uleiului crește, vâscozitatea scade — până la, de exemplu, 100 SUS (21,6 cSt). Aceasta înseamnă că o forță de presiune mai mică poate impinge un debit de 10 gpm (37,9 lpm) prin deschiderea supapei de siguranță către rezervor.
Situația inversă apare atunci când supapa de siguranță este reglată la vâscozitatea de funcționare — când pompa pornește, temperatura uleiului este scăzută, vâscozitatea ridicată și presiunea pompei poate ajunge la 1.100 psi (75,9 bar). Pentru sistemele cu limite stricte privind presiunea maximă a pompei, sistemul trebuie încălzit în prealabil înainte de reglarea supapei de siguranță.

Figura 11-5: Efectul temperaturii asupra reglării supapei de siguranță. Uleiul rece (cu vâscozitate ridicată) necesită o presiune mai mare pentru a permite același debit. Încălziți întotdeauna sistemul înainte de reglarea supapei de siguranță.
Uzurarea pompei afectează, de asemenea, reglarea supapei de siguranță. Pentru o supapă de siguranță reglată să deranjeze 10 gpm (37,9 l/min) la 1.000 psi (68,97 bar), atâta timp cât presiunea de 1.000 psi (68,97 bar) este furnizată la racordul de intrare al supapei, un debit de 10 gpm (37,9 l/min) al pompei poate deranja prin orificiul supapei către rezervor. Pe măsură ce pompe hidraulice se uzează, debitul său de ieșire scade; debitul prin supapa de siguranță scade, astfel încât și presiunea scade. Pentru o supapă reglată la 1.000 psi (68,97 bar) pentru a deranja 10 gpm (37,9 l/min), atunci când debitul de derivare scade la 5 gpm (18,95 l/min) datorită uzurării pompei, presiunea supapei de siguranță a sistemului poate ajunge doar la 900 psi (62 bar). La reglarea setării supapei de siguranță, vor apărea situații similare.


Presiunea de deschidere este presiunea la care supapa de siguranță începe să-și deschidă trecerea de derivare. Pentru o supapă simplă de siguranță, această presiune este ușor mai mică decât valoarea setată a supapei de siguranță. Supapele simple de siguranță au caracteristica presiunii de deschidere preliminară.
În diagrama curbei de performanță a supapei simple de siguranță, supapa este setată să deriveze 10 gpm (37,9 lpm) la 1.000 psi (68,97 bar). Curba arată că supapa se deschide la 800 psi (55,2 bar) și, pe măsură ce presiunea se apropie de 1.000 psi (68,97 bar), debitul de derivare crește — în final, la 1.000 psi (68,97 bar), deschiderea orificiului este suficient de mare pentru a permite trecerea a 10 gpm (37,9 lpm).
Presiunea de deschidere anticipată a supapei de siguranță reprezintă un dezavantaj pentru sistem. Să presupunem că pompa/motorul generează 750 psi (51,7 bar) și livrează 10 gpm (37,9 lpm) către actuator, unde sunt necesari 550 psi (37,9 bar) pentru sarcină, iar cei 200 psi (13,8 bar) rămași înving rezistența fluidului. Folosind o supapă simplă de siguranță reglată la 1.000 psi (68,97 bar), în acest moment supapa rămâne închisă și întreaga cantitate de ulei sub presiune este direcționată direct către sarcina de lucru.
Dacă presiunea sarcinii crește la 700 psi (48,28 bar), pompa/motorul trebuie să își ridice presiunea de ieșire la 900 psi (62,1 bar) (presupunând un debit de ieșire constant). Deoarece presiunea de deschidere a supapei de siguranță este de 800 psi (55,2 bar), la presiunea actuală a pompei, 5 gpm (18,95 lpm) sunt derivați, ceea ce înseamnă că actuatorul primește mai puțin decât debitul total al pompei, iar acțiunea se finalizează cu o viteză redusă. În același timp, uleiul curge prin orificiul supapei de siguranță și generează căldură inutilă.
Dacă presiunea de sarcină este de 750 psi (51,7 bar), pompa/motorul trebuie să producă 950 psi (65,5 bar) — o presiune și mai ridicată, cu un debit mai mare care se revarsă prin orificiul supapei de siguranță, viteza actuatorului scade în continuare, iar se generează și mai multă căldură inutilă.

Figura 11-7: Efectul presiunii de pre-fisurare. Supapa simplă de siguranță începe să revarseze debitul înainte ca presiunea reglată să fie atinsă, reducând viteza actuatorului și risipind energie sub formă de căldură la presiuni intermediare ale sarcinii.
Supapa de control al presiunii normal închisă are porturile sale principal și secundar deconectate în poziția normală, detectând presiunea la portul principal. Supapa de presiune normal deschisă are porturile sale principal și secundar conectate în poziția normală, detectând presiunea la portul secundar.
Supapa de reducere este, de obicei, o supapă de control al presiunii normal deschisă.
O supapă de reducere funcționează prin detectarea presiunii din avalul supapei. Când presiunea din aval este egală cu valoarea setată pentru supapă, tija supapei se închide parțial, formând o orificiu care transformă energia excesivă a presiunii din amonte în căldură. Dacă presiunea din aval scade, tija supapei se deschide mai mult, permițând creșterea presiunii.
Circuitul exemplu de fixare necesită ca cilindrul de fixare B să exercite o forță mai mică decât cilindrul de fixare A. Pentru a realiza acest lucru, o supapă de reducere este instalată imediat înaintea cilindrului de fixare B, pentru a reduce presiunea care ajunge la cilindrul B până la valoarea setată pentru supapa de reducere. La acest punct de presiune setat, acțiunea tijei supapei de reducere creează o funcție de orificiu, transformând energia excesivă a presiunii din amonte în căldură. Cilindrul B realizează fixarea la presiunea redusă.
Presiunea la portul secundar al supapei de reducere, în condiții de debit nominal, este mai mică decât în condiții de debit zero. Diferența dintre cele două presiuni reduse reprezintă deplasarea statică a căderii de presiune a supapei de reducere. Căderea statică este o caracteristică intrinsecă a supapei de reducere care explică în plus faptul că presiunea crește cu debitul. O supapă de reducere cu debit nominal de 15 gpm (56,85 lpm), la debitul nominal și la presiunea de lucru nominală, are o deplasare statică a căderii de presiune de aproximativ 50 psi (3,45 bar), în timp ce o supapă de reducere cu debit nominal de 100 gpm (379 lpm) poate avea o deplasare statică a căderii de presiune de până la 150 psi (10,3 bar).


Figura 11-9 – Cădere statică de presiune la supapa de reducere. Presiunea de ieșire este ușor mai mică în timpul curgerii decât atunci când curgerea se oprește. Cu cât debitul nominal al supapei este mai mare, cu atât această deplasare este mai mare.
Pe măsură ce pistonul supapei de reglare a presiunii se deplasează în interiorul corpului supapei, o parte din uleiul sub presiune se scurge în cavitatea situată deasupra pistonului. Pentru ca supapa să funcționeze corect, cavitatea situată deasupra pistonului trebuie să evacueze continuu uleiul pentru a preveni blocarea mișcării pistonului. Evacuarea se realizează prin construirea unui canal de evacuare în interiorul corpului supapei și conectarea acestuia la rezervor.
Dacă portul secundar al supapei de presiune este conectat la rezervor — așa cum este cazul supapelor de siguranță și al supapelor de contrabalans — canalul de evacuare este conectat intern la portul secundar (portul de retur). Această configurație se numește evacuare internă.
Dacă portul secundar al supapei de presiune este un port de presiune (portul de lucru), așa cum este cazul supapelor de secvență și al supapelor de reducere, canalul de evacuare reprezintă o linie separată către rezervor. Această configurație se numește evacuare externă. Supapele de secvență și supapele de reducere sunt, în mod tipic, supape de reglare a presiunii cu evacuare externă.
Până în prezent, detectarea presiunii s-a realizat prin canalele din interiorul corpului supapei. În mod normal, pentru supapele normal închise, detectarea se face la racordul primar; pentru supapele normal deschise, la racordul secundar. Această formă de detectare a presiunii se numește comandă directă sau comandă locală. O supapă de reglare a presiunii poate detecta, de asemenea, presiunea dintr-o altă parte a sistemului printr-un tub exterior — aceasta se numește comandă la distanță sau comandă pilot.

Figura 11-10: Comanda directă (stânga) detectează presiunea la racordul propriu al supapei. Comanda la distanță (dreapta) permite ca un semnal de presiune provenit de la o distanță să deschidă sau să regleze supapa — utilă pentru descărcarea acumulatorului și pentru secvențierea acționării multiplelor actuatori.
O supapă de descărcare este o supapă de reglare a presiunii, normal închisă și comandată la distanță. Când presiunea din sistem, la punctul de detectare, atinge o valoare presetată, supapa deviază debitul către rezervor.
În circuitul acumulatorului cu o supapă de presiune cu comandă directă, odată ce acumulatorul se încarcă până la presiunea reglată a supapei, debitul de ieșire al pompei revine în rezervor la presiunea de descărcare a supapei de siguranță. Aceasta consumă o cantitate semnificativă de putere și generează cantități mari de căldură inutile. Conectarea liniei de comandă la supapa de sens situată în aval de supapa de descărcare — astfel încât, atunci când acumulatorul se încarcă până la presiunea reglată a supapei, presiunea de comandă deschide supapa, dirijând debitul pompei către rezervor la cea mai scăzută presiune. În acest moment, pompa nu trebuie să furnizeze o presiune ridicată pentru a menține supapa de descărcare deschisă, deoarece presiunea de comandă provine din acumulator, izolat de supapa de sens. Deoarece presiunea pompei în acest moment este neglijabilă, pierderea de putere este, de asemenea, neglijabilă.

Figura 11-11 — Circuitul supapei de descărcare. Când acumulatorul este încărcat, supapa de sens îl izolează față de pompă, iar supapa de descărcare dirijează debitul pompei către rezervor la presiune minimă — economisind aproape întreaga putere a pompei în timpul staționării.
O valvă de echilibrare cu acțiune directă montată în aval de cilindrul care susține placa presei poate echilibra sau anula eficient greutatea plăcii. Totuși, în timpul procesului de presare, când placa trece prin material, greutatea acesteia nu trebuie să se adauge la forța totală de presare. Dacă acest lucru nu este dorit, valva de echilibrare trebuie să fie comandată la distanță, cu linia sa de comandă conectată la cealaltă linie de lucru a cilindrului. Folosind o valvă de echilibrare comandată la distanță, placa rămâne echilibrată în timpul cursei descendente, dar în timpul procesului de presare greutatea plăcii poate fi utilizată ca forță de presare. Pe întreaga cursă descendentă, în timpul cursei de mers în gol, greutatea proprie a plăcii încearcă să tragă tija cilindrului în jos, presiunea din amonte și presiunea din linia de comandă scad, iar valva de echilibrare tinde să se închidă, creștând rezistența și împiedicând debitul să urmărească viteza de coborâre; în timpul procesului de presare, valva de echilibrare este deschisă complet datorită presiunii ridicate din amonte a liniei de comandă, fără presiune de reținere pe partea tijei, astfel încât greutatea plăcii poate contribui la forța de presare.
Notă: Circuitul prezentat este un diagramă simplificată. Circuitul real necesită îmbunătățiri pentru a asigura o funcționare stabilă.
În circuitul cu motor hidraulic prezentat, o valvă de echilibrare cu acțiune directă este utilizată pentru a frâna inerția de rotație a sarcinii grele. Valva de echilibrare este reglată la 800 psi (55,2 bar), asigurând în permanență o presiune inversă la sarcina în rotație, astfel încât viteza sarcinii să nu depășească debitul pompei și să nu provoace o viteză excesivă. Totuși, acest lucru înseamnă, de asemenea, că presiunea de intrare în motor trebuie să depășească presiunea de lucru a sarcinii plus 800 psi (55,2 bar) — acesta este un dezavantaj. Pentru a depăși această limitare, se poate utiliza, în schimb, o valvă de frână.

O valvă de frână este o valvă de reglare a presiunii, normal închisă, dotată atât cu un port de comandă directă, cât și cu un port de comandă la distanță. Ambele metode de comandă sunt conectate simultan. Valvele de frână sunt utilizate frecvent împreună cu motoarele hidraulice și înlocuiesc valvele de echilibrare cu acțiune directă în circuitele cu motoare hidraulice.
Valva de frână este compusă dintr-un corp de valvă, un piston de comandă, un piston de comandă, un arc de preîncărcare și un dispozitiv de reglare a arcului. Corpul valvei are canale primare, secundare, de comandă internă și de comandă externă.
Valvula de frână este o valvulă normal închisă. Presupunem că arcul de reglare este setat pentru deschiderea directă la 800 psi (55,2 bar). Când presiunea din canalul intern de comandă atinge 800 psi (55,2 bar), pistonul de comandă se deplasează în sus și împinge distribuitorul, deschizând valvula de frână. Când presiunea scade sub 800 psi (55,2 bar), valvula se închide. Această acțiune este identică cu cea a unei valvule de echilibrare acționată direct. Suprafața internă a pistonului de comandă este mult mai mică decât suprafața secțiunii transversale a distribuitorului — raportul de arii este, în mod obișnuit, de 8:1. Portul extern de comandă este, în general, conectat la cealaltă linie de lucru a motorului. Presiunea externă acționează asupra capătului opus al camerei arcului distribuitorului — este necesară doar o presiune de 100 psi (6,89 bar) pentru a deschide valvula, deoarece aceasta acționează asupra capătului inferior al distribuitorului, a cărui suprafață este de 8 ori mai mare decât cea a pistonului de comandă.
Se presupune că supapa de frână este reglată la 800 psi (55,2 bar) cu comandă directă. Când presiunea din conducta de intrare a motorului atinge 100 psi (6,89 bar), supapa de frână se deschide și presiunea de intrare în motor va fi utilizată integral pentru a antrena sarcina (presupunând că 100 psi / 6,89 bar este mai mare). Dacă sarcina depășește viteza nominală, presiunea de intrare în motor scade, supapa de frână se închide și presiunea de contrapresiune de 800 psi (55,2 bar) se reactivează, crescând rezistența și încetinind sarcina.
Supapa de frână este o supapă de reglare a presiunii normal închisă. Funcționarea sa este direct legată de necesitățile sarcinii motorului.

Figura 11-13: Supapă de frână. Spre deosebire de o supapă simplă de contrabalans, supapa de frână are atât comandă directă (internă), cât și comandă la distanță (externă). Raportul de arii de 8:1 înseamnă că este necesară o presiune pilot externă de doar 100 psi pentru a o deschide — astfel, motorul poate antrena ușor sarcina, oferind în același timp o contrapresiune de frânare de 800 psi atunci când sarcina încearcă să depășească viteza maximă admisă.
Cu excepția supapelor de descărcare și a supapelor de siguranță, toate supapele de presiune necesită, în mod obișnuit, un sens invers al debitului pentru a permite trecerea liberă. Supapele de presiune normal închise detectează presiunea la racordul primar — dacă debitul se inversează, presiunea la racordul primar scade, știftul se închide și legătura dintre racordul primar și cel secundar este întreruptă. Deoarece debitul invers nu poate trece prin supapele de presiune normal închise, trebuie utilizată o supapă de sens unic pentru a ocoli acest tip de supapă.
Supapele de presiune normal deschise detectează presiunea din conducta secundară — atâta timp cât debitul se inversează și presiunea aval rămâne sub valoarea setată, trecerea supapei rămâne întotdeauna deschisă, astfel încât nu este necesară o supapă de sens unic pentru debitul invers. Totuși, în practică, odată ce presiunea la racordul secundar depășește valoarea setată, știftul se închide brusc. Ca măsură de precauție, supapele de sens unic și supapele de reducere a presiunii sunt frecvent utilizate împreună pentru a asigura debitul invers.

Din studiul acestui capitol, putem sintetiza regulile esențiale privind supapele de reglare a presiunii:

Figura 11-15: Simboluri grafice pentru toate supapele de reglare a presiunii. Notă: supapele de secvență și supapele de reducere au întotdeauna linii de drenaj extern (reprezentate ca linii punctate către rezervor). Supapele de siguranță, supapele de descărcare și supapele de contrabalansare utilizează drenajul intern.
Termeni cheie utilizați în legătură cu supapele de reglare a presiunii: