Capitolul 9: Supape de reglare a debitului

Orificiul

Un orificiu este o deschidere relativ mică într-o cale de curgere a unui fluid. Curgerea prin orificiu este influențată de mai mulți factori, dintre care cei trei principali sunt:

1. Dimensiunea Orificiului
2. Diferența de presiune pe orificiu
3. Temperatura fluidului

Efectul dimensiunii orificiului asupra curgerii

Dimensiunea orificiului controlează curgerea prin acesta. Un exemplu obișnuit din viața de zi cu zi este duza unei furtună de grădină — dacă deschiderea duzei este mică, apa iese sub formă de ceață fină sau pulverizare. Dacă deschiderea este mai mare, aceasta devine un jet. În ambele cazuri, orificiul duzei limitează direcția curgerii apei — curgerea prin orificiu este determinată de mărimea deschiderii.

Figura 9-1: Robinet de reglare a debitului într-un circuit. Robinetul reglează debitul către cilindru. Debitul în exces al pompei se descarcă prin supapa de siguranță. Curgerea restricționată se transformă în energie potențială (viteză) la nivelul orificiului.

Orificiu fix

Un orificiu fix are o dimensiune a deschiderii care nu poate fi reglată. Cele mai frecvente exemple din tehnologia hidraulică sunt gaura perforată într-un dop de conductă sau într-o supapă de sens, respectiv supapa de reglare a debitului presetată la fabrică.

Orificiu variabil

De cele mai multe ori este necesar un orificiu variabil, în locul unuia fix, deoarece este mai adaptabil. Supapele cu sabot, supapele sferice și supapele ac sunt toate exemple de orificii variabile.

Supapă cu poartă

Supapa cu sabot are o trecere de curgere în linie dreaptă. Dimensiunea orificiului se modifică prin rotirea mânerului pentru a deschide sau închide sabotul din traseul de curgere. Deși supapele cu sabot nu sunt concepute pentru reglarea debitului, în unele sisteme de măsurare aproximativă a debitului pot fi utilizate ca dispozitive de restricționare a debitului.

Valva de balon

Trecerile de curgere ale supapelor sferice nu sunt în linie dreaptă — efectuează o deviere de 90°. Orificiul este format din scaun și dopul conic sau dopul sferic situat pe traseul de rotație. Dimensiunea deschiderii orificiului se reglează prin modificarea poziției dopului sferic.

Vană cu Aiguiză

Curgerea prin supapele ac nu face, de asemenea, o schimbare de direcție de 90°, apoi trece printr-o orificiu. Acest orificiu este format de spațiul dintre tija supapei cu vârf conic și scaunul supapei. Mărimea orificiului se modifică prin reglarea poziției feței conice în raport cu scaunul supapei. Deoarece filetul de reglare al tijei supapei are pas fin și vârful este conic, mărimea orificiului se modifică treptat. În sistemele hidraulice, supapa ac este cel mai frecvent utilizat orificiu variabil.

Figura 9-2: Tipuri de orificii variabile. Supapa ac (partea de jos) este cea mai frecvent întâlnită în sistemele hidraulice — vârful ei conic și filetul fin permit un reglaj foarte precis și treptat al debitului.

Aplicația supapei ac într-un circuit

Circuitul exemplu utilizează o pompă cu debit pozitiv de 5 gpm (18,95 L/min), o supapă de siguranță, o supapă direcțională, un orificiu variabil (supapă ac) și un cilindru hidraulic cu o suprafață a pistonului de 3 in² (19,35 cm²). Dacă supapa de siguranță este reglată la 500 psi (34,48 bar) și pompa debitează 5 gpm:

Cu supapa ac închisă, limitând debitul la doar 2 gpm (7,58 lpm), viteza tijei = 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). Supapa de siguranță limitează presiunea sistemului la 500 psi (34,48 bar), dirijând restul debitului de 3 gpm (11,37 lpm) către rezervor.

Deschiderea orificiului supapei ac

Rotirea supapei ac în sensul destrângeri mărește orificiul — mai mult debit trece prin aceasta către cilindru, până la limita de presiune impusă de supapa de siguranță. Viteza tijei crește.

Închiderea orificiului supapei ac

Rotirea supapei ac în sensul strângerii micșorează orificiul. Mai puțin debit intră în cilindru, astfel încât viteza tijei scade.

Efectul diferenței de presiune asupra debitului

Debitul printr-un orificiu este influențat de diferența de presiune. Deoarece presiunea reprezintă energie potențială într-un sistem hidraulic, cu cât diferența de presiune pe orificiu este mai mare, cu atât debitul prin acesta este mai mare.

Exemplu cotidian — saltea pneumatică

După o zi petrecută la plajă sau la un loc de camping, scoateți dopul dintr-un saltea pneumatică umflată și lăsați aerul să iasă liber. Deoarece diferențialul de presiune dintre interiorul și exteriorul saltelei este mic, aceasta se prăbușește treptat. Strângeți salteaua puternic — presiunea internă crește în raport cu presiunea atmosferică, diferențialul se mărește și aerul iese mai repede.

Strângeți ușor un tub de pastă de dinți — iese o cantitate mică. Strângeți puternic — iese mai multă pastă de dinți și poate ajunge pe podea. Dacă tubul de pastă de dinți este calcat, diferențialul de presiune dintre interiorul acestuia și presiunea atmosferică este mai mare decât atunci când este strâns cu mâna, astfel încât mai multă pastă de dinți iese mai rapid.

Efectul diferențialului de presiune asupra debitului prin supapa ac într-un circuit

În circuitul prezentat, supapa acuită limitează debitul pompei de 5 gpm (18,95 L/min) la 3 gpm (11,37 L/min). Presiunea de deschidere a supapei de siguranță este de 500 psi (34,48 bar). Rezistența la sarcină este de 200 psi (14 bar). Presiunea de intrare în supapa acuită este egală cu presiunea de deschidere a supapei de siguranță: 500 psi (34,48 bar). Din acești 500 psi (34,48 bar), 200 psi (14 bar) sunt necesari pentru a învinge rezistența la sarcină; diferența de presiune rămasă de 300 psi (21 bar) determină trecerea unui debit de 3 gpm (11,3 L/min) prin supapa acuită, generând o viteză de deplasare a tijei de 19,25 ft/min (5,87 m/min). Restul debitului, adică 2 gpm (7,58 L/min), trece prin supapa de siguranță către rezervor.

Creșterea presiunii de deschidere a supapei de siguranță

Menținând neschimbate presiunea la sarcină și reglajul supapei acuite, creșterea presiunii de deschidere a supapei de siguranță la 600 psi (41,38 bar) face ca presiunea de intrare în supapa acuită să devină 600 psi (41,38 bar). Din această valoare, 200 psi (14 bar) sunt necesari pentru a învinge sarcina; diferența de presiune de 400 psi (28 bar) determină acum trecerea unui debit de 4 gpm (15 L/min) prin supapa acuită. Viteza de deplasare a tijei crește la 26 ft/min (7,92 m/min).

Presiunea la sarcină crește

Resetați supapa de descărcare înapoi la 500 psi (34,48 bar), lăsând neschimbată supapa acului. Creșterea sarcinii: presiunea de sarcină crește la 400 psi (28 bar). Presiunea la intrarea supapei acului rămâne în continuare 500 psi (34,48 bar), dar acum doar o diferență de presiune de 100 psi (6,9 bar) determină curgerea prin supapa acului — doar 1 gpm (3,79 lpm). Viteza tijei scade la 6 ft/min (30 mm/s). Restul de 4 gpm (15 lpm) se evacuează prin supapa de descărcare.

Aceasta demonstrează că debitul printr-o supapă ac variază în funcție de orice modificare a presiunii pe una dintre părțile orificiului. Pentru a regla cu precizie debitul printr-o supapă ac, aceste variații de presiune trebuie anulate sau compensate.

Supapă de reglare a vitezei (supapă de reglare a debitului compensată în presiune)

Din exemplele de mai sus, orice modificare a presiunii pe oricare dintre cele două părți ale orificiului afectează debitul prin supapa acționată cu ac, modificând astfel viteza actuatorului. Pentru a măsura cu precizie debitul printr-un orificiu, indiferent de variațiile de presiune, aceste variații de presiune trebuie compensate. Supapa acționată cu ac este o supapă de reglare a debitului necompensată — este un bun dispozitiv de măsurare a debitului atâta timp cât diferența de presiune rămâne constantă și acul este bine centrat. Pentru un control mai precis al debitului, trebuie utilizată o supapă de reglare a debitului compensată la presiune (supapă de reglare a vitezei). Aceasta este un regulator de debit care compensează variațiile de presiune în amonte și în aval față de orificiu.

Supapele de reglare a vitezei (supapele de reglare a debitului compensate la presiune) pot fi împărțite în tipul „de intrare” și tipul „de derivație”.

Construcția supapei de reglare a vitezei de tip „de intrare”

Supapa de reglare a debitului compensate la presiune de tip „de intrare” constă dintr-un corp de supapă cu racorduri de intrare și ieșire, o supapă acționată cu ac, un piston compensator și un arc de preîncărcare.

Modul de funcționare al tipului „de intrare”

Pentru a înțelege modul de funcționare al tipului cu reglare la intrare, analizăm funcționarea acestuia pas cu pas. Când distribuitorul de compensare este complet deplasat către partea A, întreaga ulei sub presiune de intrare ajunge la orificiul supapei acului. Atâta timp cât distribuitorul de compensare se deplasează ușor către partea B, uleiul sub presiune de intrare este strangulat. Pentru a menține deschisă trecerea de debit, distribuitorul de compensare este încărcat cu arc spre partea A. Presiunea la intrarea supapei acului este detectată printr-o trecere internă de comandă către capătul A al distribuitorului de compensare — atunci când presiunea crește peste forța de pretensionare a arcului, distribuitorul se deplasează către partea B.

Dacă orificiul supapei cu ac este reglat astfel încât să treacă prin el un debit mai mic decât debitul total al pompei, presiunea la intrarea supapei cu ac crește până la valoarea de reglare a supapei de siguranță. Când presiunea la intrarea supapei cu ac depășește forța arcului dopului de compensare, dopul de compensare se deplasează către B, strangulând debitul de intrare. Atunci când debitul care trece prin orificiul dopului de compensare este egal cu debitul de ieșire al pompei, presiunea la intrarea supapei cu ac se stabilizează la valoarea presiunii arcului. De exemplu, cu o valoare a arcului de 100 psi (6,89 bar) și o reglare a supapei de siguranță la 500 psi (34,48 bar): presiunea la intrare este de 500 psi (34,48 bar); pe măsură ce uleiul curge prin orificiul dopului de compensare, 400 psi (28 bar) se transformă în căldură, reducând presiunea la intrarea supapei cu ac la 100 psi (6,89 bar). Aceasta înseamnă că, indiferent de presiunea la intrarea supapei de reglare a debitului, datorită acțiunii dopului de compensare, presiunea la intrarea supapei cu ac este menținută constantă la 100 psi (6,89 bar).

Figura 9-5: Valve de reglare a vitezei cu intrare în cilindru (cu compensare de presiune). Spool-ul de compensare menține constantă căderea de presiune pe robinetul acular, indiferent de modificările presiunii la intrare sau la ieșire — asigurând un debit precis și constant.

Pentru circuitul anterior cu robinet acular, diferențialul de presiune pe orificiul robinetului acular reprezintă doar jumătate din poveste — trebuie compensată, de asemenea, presiunea din aval de robinetul acular. Cu alte cuvinte, trebuie menținut un diferențial de presiune constant. Pentru a realiza acest lucru, presiunea din aval de robinetul acular este, de asemenea, dirijată printr-o trecere de comandă către cavitatea arcului de reținere al spool-ului de compensare. Acum, două forțe acționează asupra feței A a spool-ului de compensare: forța arcului și presiunea uleiului din aval.

Dacă forța arcului = 100 psi (6,89 bar), diferența de presiune la supapa acului va fi limitată la o valoare cu 100 psi (6,89 bar) mai mare decât presiunea aval. Atâta timp cât supapa de siguranță este reglată la o valoare suficient de ridicată, diferența de presiune la orificiul acului este întotdeauna egală cu valoarea presiunii arcului. În acest fel, diferența de presiune care determină curgerea prin supapa acului rămâne constantă — nu este afectată de fluctuațiile presiunii amonte sau aval.

Supapă de reglare a vitezei cu debitare la intrare într-un circuit

În circuit, supapa de reglare a vitezei la intrare este setată la 3 gpm (11,37 L/min). Supapa de siguranță este setată la 500 psi (34,48 bar), iar presiunea de sarcină este de 200 psi (13,79 bar). Resortul distribuitorului compensator = 100 psi (6,89 bar). Pompa încearcă să dirijeze întreaga debit de 5 gpm (18,95 L/min) prin supapa aculară, determinând creșterea presiunii la intrarea supapei aculare. La 300 psi (21 bar), distribuitorul compensator se deplasează și restricționează debitul, făcând ca presiunea la intrarea supapei de reglare a debitului să crească până la valoarea setată a supapei de siguranță, adică 500 psi (34,48 bar). Din acești 500 psi (34,48 bar), 200 psi (13,79 bar) sunt utilizați pentru a învinge sarcina; 100 psi (6,89 bar) asigură trecerea debitului prin supapa aculară; restul de 200 psi (13,79 bar) din cei 500 psi se transformă în căldură pe măsură ce debitul trece prin orificiul distribuitorului compensator. Debitul în acest caz este de 3 gpm (11,37 L/min), iar viteza tijei = 19 ft/min (97,83 mm/s).

Creșterea presiunii de sarcină și a valorii setate a supapei de siguranță

Dacă presiunea de sarcină crește la 400 psi (27,58 bar) sau presiunea de descărcare este resetată la 600 psi (41,38 bar), există încă o presiune de 100 psi (6,89 bar) care asigură debitul prin supapa acului. Atâta timp cât presiunea de descărcare este setată suficient de ridicată pentru a deplasa ștuțul de compensare, debitul de ieșire către cilindru va fi constant, de 3 gpm (11,37 Lpm).

Construcția supapei de reglare a vitezei de tip derivare

Supapa de reglare a vitezei de tip derivare constă dintr-un corp de supapă cu racorduri de intrare, ieșire și retur, o supapă ac, un ștuț de compensare și un arc de forțare.

Modul de funcționare al tipului cu derivare

Ștuțul de compensare din această supapă deschide și închide o trecere de derivare către returul în rezervor. Ștuțul de compensare este forțat de un arc în poziția închisă (poziție inferioară). Dacă arcul are o forță de 100 psi (6,89 bar), presiunea la intrarea supapei acului va fi limitată la 100 psi (6,89 bar). În starea inițială, întregul debit care trece prin supapă este direcționat către rezervorul de ulei. În regim normal de funcționare, ștuțul de compensare este menținut de arc în poziția închisă.

Presiunea de intrare la ventilul ac este detectată printr-o trecere internă de comandă către partea superioară a pistonului compensator. Când presiunea crește peste forța de preîncărcare a arcului, pistonul compensator acționează ca o supapă de siguranță — deschizând trecerea de derivare și limitând presiunea de intrare la ventilul ac la 100 psi (6,89 bar). Presiunea fixă de intrare la ventilul ac nu asigură un debit constant — dacă presiunea aval se modifică, diferențialul de presiune la orificiul acului se modifică, iar debitul se modifică.

Pentru a compensa acest efect, presiunea aval la ventilul ac este direcționată printr-o trecere de comandă către cavitatea arcului de preîncărcare al pistonului compensator. Acum, partea A a pistonului compensator are două forțe de preîncărcare: forța arcului și presiunea uleiului aval. Dacă forța arcului = 100 psi (6,89 bar), presiunea de intrare la ventilul ac va fi limitată la 100 psi (6,89 bar) peste presiunea aval. Atâta timp cât supapa de siguranță este reglată suficient de sus, diferențialul de presiune la orificiul acului rămâne egal cu 100 psi (6,89 bar) — constant.

Supapă de reglare a vitezei de tip derivare într-un circuit

Valvă de reglare a vitezei de tip derivare setată la 3 gpm (11,37 L/min). Presiune de descărcare: 500 psi (34,48 bar), presiune de sarcină: 200 psi (13,79 bar), presiune a arcului: 100 psi (6,89 bar). Pompa încearcă să dirijeze întreaga debit de 5 gpm (18,95 L/min) prin supapa acului. Pistonul de compensare deschide trecerea de derivare, limitând presiunea la intrarea supapei acului la 300 psi (20,68 bar). Din acești 300 psi: 200 psi (13,79 bar) înving sarcina, iar 100 psi (6,89 bar) asigură trecerea debitului de 3 gpm (11,37 L/min) prin supapa acului. Restul debitului, adică 2 gpm (7,58 L/min), este derivat prin deschiderea pistonului de compensare înapoi către rezervor.

Figura 9-8: Circuit de reglare a vitezei de tip derivare. Pistonul de compensare deriva debitul în exces al pompei direct către rezervor, în loc să-l trimită prin supapa de siguranță. Acest sistem este mai eficient energetic decât cel de tip „meter-in”, deoarece debitul în exces nu parcurge întreaga presiune a sistemului.

Creșterea presiunii de sarcină și a valorii setate a supapei de siguranță

Dacă presiunea de sarcină crește la 400 psi (27,58 bar) sau presiunea de descărcare este resetată la 600 psi (41,38 bar), există încă o presiune de 100 psi (6,89 bar) care forțează fluxul prin supapa acului. Atâta timp cât presiunea de descărcare este setată suficient de mare pentru a deschide distribuitorul de compensare, debitul către cilindru este constant de 3 gpm (11,37 L/min).

Efectul temperaturii asupra debitului prin orificiu

Așa cum s-a menționat la începutul acestui capitol, cei trei factori principali care influențează debitul prin orificiu sunt dimensiunea orificiului, diferența de presiune și temperatura uleiului. Când temperatura uleiului se modifică, se modifică și vâscozitatea acestuia — iar când vâscozitatea uleiului se modifică, se modifică și debitul prin orificiu. Pentru orificii fixe sau supape ac, modificările debitului induse de temperatură nu sunt, în general, semnificative, deoarece dimensiunea orificiului și diferența de presiune sunt, în mod obișnuit, mult mai mari decât efectele vâscozității. Totuși, pentru aplicații care necesită un control foarte precis al debitului, trebuie luate în considerare efectele temperaturii. Atât supapele de reglare a vitezei cu reglare la intrare (meter-in), cât și cele de tip derivare (bypass) sunt, în general, adecvate pentru aplicațiile hidraulice industriale obișnuite.

Pentru aplicații care necesită un control extrem de precis al debitului — indiferent de variațiile de temperatură — se poate utiliza o supapă de reglare a debitului compensată termic. Acest tip de supapă compensează, de asemenea, efectele temperaturii.

Formule cheie — Capitolul 9