Kapitola 9: Ventily na reguláciu prietoku

Otvor

Otvor je relatívne malé otvorenie v dráhe prúdenia kvapaliny. Prietok cez otvor je ovplyvnený niekoľkými faktormi, z ktorých tri hlavné sú:

1. Veľkosť orificu
2. Rozdiel tlakov cez otvor
3. Teplota kapaliny

Vplyv veľkosti otvoru na prietok

Veľkosť otvoru určuje prietok cez neho. Bežný každodenný príklad je tryska na záhradnom hadici – ak je otvor trysky malý, voda vychádza ako jemná hmla alebo rozstrek. Ak je otvor väčší, vznikne vodný prúd. V oboch prípadoch tryska na hadici obmedzuje smer prúdenia vody – prietok cez otvor je určený veľkosťou otvoru.

Obrázok 9-1 Regulačný ventil prietoku v obvode. Ventil obmedzuje prietok do valca. Prebytočný prietok zo súpravy prechádza cez uzáverový ventil. Obmedzený prietok sa mení na potenciálnu energiu (rýchlosť) na otvore.

Pevná dýza

Pevná clona má otvor s nemennou veľkosťou, ktorý sa nedá nastaviť. Najbežnejšími príkladmi v hydraulických technológiách sú vŕtaný otvor v zátky potrubia alebo uzavíracej klapky, alebo prednastavený regulačný ventil prietoku v továrni.

Premenná clona

Väčšinou je namiesto pevnej clony potrebná premenná clona, pretože je prispôsobivejšia. Príkladmi premenných clôn sú uzávery s bránkou, guľové uzávery a ihlové uzávery.

Hradlový ventil

Uzáver s bránkou má priamy prietokový kanál. Veľkosť clony sa mení otočením kľučky, čím sa otvára alebo zatvára bránka v prietokovej dráhe. Hoci uzávery s bránkou nie sú navrhnuté na reguláciu prietoku, v niektorých hrubých systémoch merania prietoku sa môžu použiť ako zariadenia na obmedzenie prietoku.

Vláčik guľôčok

Prietokové kanály guľového uzávera nie sú priame – vytvárajú 90° otočku. Clonou je sedlo a kužeľový alebo guľový zátky v otočnom prietokovom kanáli. Veľkosť otvoru clony sa nastavuje zmenou polohy guľového zátku.

Ventil s jehlou

Prietok cez ihlové ventily sa tiež otočí o 90° a potom prechádza otvorom. Tento otvor tvorí medzera medzi kužeľovým koncom ventilového tyče a sedlom ventilu. Veľkosť otvoru sa mení nastavením polohy kužeľového povrchu vzhľadom na sedlo ventilu. Keďže závity na ventilovej tyči sú jemné a špička je kužeľová, veľkosť otvoru sa mení postupne. V hydraulických systémoch sa ihlový ventil používa najčastejšie ako premenný otvor.

Obrázok 9-2: Typy premenných otvorov. Ihlový ventil (dole) je najbežnejší v hydraulike – jeho kužeľová špička a jemné závity umožňujú veľmi presnú a postupnú reguláciu prietoku.

Použitie ihlového ventilu v obvode

Príklad obvodu používa objemové čerpadlo s výkonom 5 gpm (18,95 L/min), uzáverový ventil, smerový ventil, premenný otvor (ihlový ventil) a hydraulický valec s plochou piesta 3 in² (19,35 cm²). Ak je uzáverový ventil nastavený na 500 psi (34,48 bar) a čerpadlo dodáva 5 gpm:

Keď ihlový ventil obmedzuje prietok len na 2 gpm (7,58 l/min), rýchlosť závodu = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 stôp/min (3,96 m/min). Prepúšťací ventil obmedzuje tlak v systéme na 500 psi (34,48 bar) tak, že zvyšných 3 gpm (11,37 l/min) presmeruje do nádrže.

Otvorenie otvoru ihlového ventilu

Vyskrutkovanie ihlového ventilu zväčšuje otvor – cez neho prechádza viac kvapaliny do valca, až po dosiahnutie tlakového limitu prepúšťacieho ventilu. Rýchlosť závodu sa zvyšuje.

Zatvorenie otvoru ihlového ventilu

Zasunutie ihlového ventilu zmenšuje otvor. Do valca vstupuje menej kvapaliny, preto sa rýchlosť závodu zníži.

Vplyv tlakového rozdielu na prietok

Prietok cez otvor je ovplyvnený tlakovým rozdielom. Keďže tlak predstavuje potenciálnu energiu v hydraulickom systéme, čím je tlakový rozdiel cez otvor väčší, tým je prietok cez neho vyšší.

Každodenný príklad – nafukovací matrac

Po dni na pláži alebo na kempingovom mieste odstránite zátku z nafúknutej vzduchovej matrace a necháte vzduch voľne uniknúť. Keďže rozdiel medzi vnútorným a vonkajším tlakom je malý, matrace sa pomaly deflakuje. Silno stlačte matrac — vnútorný tlak sa zvýši vzhľadom na atmosférický tlak, rozdiel sa zväčší a vzduch uniká rýchlejšie.

Jemne stlačte tubu zubnej pasty — vytlačí sa malé množstvo. Silno stlačte — viac zubnej pasty sa vytlačí a môže dopadnúť na podlahu. Ak sa na tubu zubnej pasty stúpne, rozdiel tlaku zvnútra a atmosférického tlaku je väčší ako pri manuálnom stláčaní, preto viac zubnej pasty vytlačí rýchlejšie.

Vplyv rozdielu tlakov na prietok cez ihlový ventil v obvode

V zobrazenom obvode ihlový ventil obmedzuje prietok čerpadla 5 gpm (18,95 l/min) na 3 gpm (11,37 l/min). Nastavenie pojistného ventilu je 500 psi (34,48 bar). Odpor zaťaženia je 200 psi (14 bar). Vstupný tlak ihlového ventilu sa rovná nastaveniu pojistného ventilu: 500 psi (34,48 bar). Z týchto 500 psi (34,48 bar) prekonáva 200 psi (14 bar) odpor zaťaženia; zvyšný tlakový rozdiel 300 psi (21 bar) prechádza cez ihlový ventil s prietokom 3 gpm (11,3 l/min) a vytvára rýchlosť pohybu piestnice 19,25 ft/min (5,87 m/min). Zvyšný prietok 2 gpm (7,58 l/min) prechádza cez pojistný ventil do nádrže.

Zvýšenie nastavenia pojistného ventilu

Ak sa tlak zaťaženia a nastavenie ihlového ventilu nezmenia, zvýšením nastavenia pojistného ventilu na 600 psi (41,38 bar) sa vstupný tlak ihlového ventilu zvýši na 600 psi (41,38 bar). Z tohto tlaku 200 psi (14 bar) prekonáva zaťaženie; nový tlakový rozdiel 400 psi (28 bar) teraz prechádza cez ihlový ventil s prietokom 4 gpm (15 l/min). Rýchlosť pohybu piestnice stúpne na 26 ft/min (7,92 m/min).

Tlak zaťaženia stúpa

Obnovte nastavenie uzáverového ventilu na 500 psi (34,48 bar) bez zmeny ihlového ventilu. Zvýšenie zaťaženia: tlak zaťaženia stúpne na 400 psi (28 bar). Vstupný tlak do ihlového ventilu je stále 500 psi (34,48 bar), avšak teraz len rozdiel 100 psi (6,9 bar) spôsobuje pretekanie cez ihlový ventil – len 1 gpm (3,79 lpm). Rýchlosť pohybu piestnice klesne na 6 ft/min (30 mm/s). Zvyšných 4 gpm (15 lpm) preteká cez uzáverový ventil.

Toto ukazuje, že prietok cez ihlový ventil sa mení pri akejkoľvek zmene tlaku na ktorejkoľvek strane otvoru. Aby sa prietok cez ihlový ventil presne dávkoval, tieto zmeny tlaku je potrebné eliminovať alebo kompenzovať.

Regulačný ventil rýchlosti (tlakovým kompenzátorom vybavený regulačný ventil prietoku)

Z vyššie uvedených príkladov vyplýva, že akákoľvek zmena tlaku na ktorejkoľvek strane priepustu ovplyvní prietok cez ihlový ventil a tým aj rýchlosť pohonneho zariadenia. Aby sa prietok cez priepust presne dávkoval bez ohľadu na kolísanie tlaku, je potrebné tieto zmeny tlaku kompenzovať. Ihlový ventil je nepriamo kompenzovaný regulátor prietoku – ide o vhodné zariadenie na presné dávkovanie prietoku za predpokladu, že rozdiel tlakov zostáva konštantný a ihla je správne centrována. Pre presnejšiu reguláciu prietoku sa odporúča použiť tlakovo kompenzovaný regulátor prietoku (regulátor rýchlosti). Ide o regulátor prietoku, ktorý kompenzuje zmeny tlaku pred a za priepustom.

Regulátory rýchlosti (tlakovo kompenzované regulátory prietoku) sa dajú rozdeliť na typ s reguláciou pri vstupe a typ s obchádzkou.

Konštrukcia regulátora rýchlosti s reguláciou pri vstupe

Regulátor rýchlosti s reguláciou pri vstupe a tlakovo kompenzovaným regulátorom prietoku pozostáva z telesa ventilu so vstupným a výstupným prípojom, ihlového ventilu, kompenzačného zásuvného valčeka a predpínacej pružiny.

Princíp činnosti typu s reguláciou pri vstupe

Aby sme pochopili, ako funguje typ s prívodom cez merač, analyzujeme jeho prevádzku krok za krokom. Keď je kompenzačný zdvihový rozvádzač úplne posunutý na stranu A, celý prichádzajúci tlakový olej sa dostáva do otvoru ihlovej uzavíracej klapky. Ak sa kompenzačný zdvihový rozvádzač posunie len mierne smerom ku strane B, prichádzajúci tlakový olej sa štiepi. Aby sa toková dráha udržala otvorenou, je kompenzačný zdvihový rozvádzač pružinou priťahovaný smerom ku strane A. Tlak na vstupe ihlovej uzavíracej klapky sa sníma prostredníctvom vnútorného riadiaceho kanála na konci A kompenzačného zdvihového rozvádzača – keď tlak stúpne nad silu pružinového predpätia, rozvádzač sa posunie smerom ku strane B.

Ak je otvor ihlového ventilu nastavený tak, že cez neho prechádza menej ako plný prietok čerpadla, tlak na vstupe do ihlového ventilu stúpne na hodnotu nastavenú na prepúšťacom ventile. Keď tlak na vstupe do ihlového ventilu presiahne silu pružiny kompenzačného závitu, kompenzačný závit sa posunie smerom k bodu B a obmedzí prichádzajúci prietok. Keď sa prietok cez otvor kompenzačného závitu rovná výstupnému prietoku čerpadla, tlak na vstupe do ihlového ventilu sa stabilizuje na hodnote tlaku pružiny. Napríklad pri hodnote pružiny 100 psi (6,89 bar) a nastavení prepúšťacieho ventilu na 500 psi (34,48 bar): vstupný tlak je 500 psi (34,48 bar); keď olej prechádza cez otvor kompenzačného závitu, 400 psi (28 bar) sa premieni na teplo a tlak na vstupe do ihlového ventilu klesne na 100 psi (6,89 bar). To znamená, že bez ohľadu na vstupný tlak regulačného ventilu prietoku sa v dôsledku pohybu kompenzačného závitu udržiava tlak na vstupe do ihlového ventilu na hodnote 100 psi (6,89 bar).

Obrázok 9-5 Regulačný ventil pre rýchlosť vstupu (tlakovým kompenzátorom). Kompenzačný zdvihový rozvádzač udržiava tlakový spád cez ihlový ventil konštantný bez ohľadu na zmeny vstupného alebo výstupného tlaku – a tým zabezpečuje presný, konštantný prietok.

V prípade staršieho obvodu s ihlovým ventilom je tlakový rozdiel cez otvor ihlového ventilu len polovicou príbehu – tlak za ihlovým ventilom musí byť tiež kompenzovaný. Inými slovami, musí sa udržiavať konštantný tlakový rozdiel. Na dosiahnutie tohto účelu sa tlak za ihlovým ventilom tiež vedie cez riadiacu dráhu do kompenzačnej komory pružiny kompenzačného zdvihového rozvádzača. Teraz pôsobia na stranu A kompenzačného zdvihového rozvádzača dve sily: sila pružiny a tlak oleja za ventilom.

Ak je sila pružiny = 100 psi (6,89 bar), rozdiel tlakov pri ihlovej uzávere bude obmedzený na hodnotu vyššiu ako tlak v podtlakovom potrubí o 100 psi (6,89 bar). Pokiaľ je uzáver na prepúšťanie nastavený dostatočne vysoko, rozdiel tlakov pri ihlovej dierke sa vždy rovná hodnote tlaku pružiny. Tým sa dosiahne, že rozdiel tlakov, ktorý spôsobuje pretekanie cez ihlový uzáver, je konštantný – nie je ovplyvnený kolísaním tlaku v nadtlakovom alebo podtlakovom potrubí.

Regulačný ventil pre rýchlosť vstupu do obvodu

V obvode je regulátor rýchlosti vstupného toku nastavený na 3 gpm (11,37 l/min). Uvoľňovací ventil má nastavenie 500 psi (34,48 bar), tlak zaťaženia je 200 psi (13,79 bar). Pružina kompenzačného zdvíhacieho rozdeľovača = 100 psi (6,89 bar). Čerpadlo sa snaží prečerpať celých 5 gpm (18,95 l/min) cez ihlový ventil, čím sa zvyšuje vstupný tlak ihlového ventilu. Pri tlaku 300 psi (21 bar) sa kompenzačný zdvíhací rozdeľovač posunie a obmedzí prietok, čím sa vstupný tlak regulátora prietoku zvýši na nastavenie uvoľňovacieho ventilu, teda na 500 psi (34,48 bar). Z týchto 500 psi (34,48 bar) sa 200 psi (13,79 bar) spotrebuje na prekonanie zaťaženia; 100 psi (6,89 bar) je potrebné na prechod toku cez ihlový ventil; zvyšných 200 psi (13,79 bar) zo 500 psi sa premienia na teplo pri prechode toku cez otvor kompenzačného zdvíhacieho rozdeľovača. Prietok je tu 3 gpm (11,37 l/min) a rýchlosť pohybu tyče = 19 ft/min (97,83 mm/s).

Zvyšovanie tlaku zaťaženia a nastavenia uvoľňovacieho ventilu

Ak sa tlak zaťaženia zvýši na 400 psi (27,58 baru) alebo sa tlak uvoľnenia znovu nastaví na 600 psi (41,38 baru), cez ihlový ventil stále preteká prietok s tlakovým rozdielom 100 psi (6,89 baru). Pokiaľ je tlak uvoľnenia nastavený dostatočne vysoko na posun kompenzačného zdvíhacieho klapkovej tyče, výstupný prietok do valca bude konštantný 3 gpm (11,37 L/min).

Konštrukcia regulátora rýchlosti typu obchádzka

Regulátor rýchlosti typu obchádzka pozostáva z telieska ventilu s prívodným, vývodným a návratovým portom, ihlového ventilu, kompenzačnej zdvíhacej klapkovej tyče a predpínacej pružiny.

Ako funguje typ obchádzka

Kompenzačná zdvíhacia klapková tyč tohto ventilu otvára a zatvára obchádzací kanál do nádrže. Kompenzačná zdvíhacia klapková tyč je pružinou predpínaná do uzavretej polohy (nižšej polohy). Ak má pružina predpínaciu silu 100 psi (6,89 baru), tlak na vstupe ihlového ventilu bude obmedzený na 100 psi (6,89 baru). Keď je v počiatočnom stave celý prietok cez ventil úplne odvádzaný do olejovej nádrže. Pri normálnom prevádzkovom režime je kompenzačná zdvíhacia klapková tyč pružinou predpínaná do uzavretej polohy.

Vstupný tlak ihlového ventilu sa sníma cez vnútorný riadiaci kanál na vrchu kompenzačného zátku. Keď tlak stúpne nad silu pružiny, kompenzačný zátek pôsobí ako uzáverový ventil – otvá bypassový kanál a obmedzuje vstupný tlak ihlového ventilu na 100 psi (6,89 bar). Fixný vstupný tlak ihlového ventilu nezabezpečuje konštantný prietok – ak sa zmení tlak na výstupe, zmení sa tlakový rozdiel cez ihlový otvor a tým aj prietok.

Na kompenzáciu tejto zmeny sa tlak ihlového ventilu na výstupe smeruje cez riadiaci kanál do dutiny pružinovej kompenzačnej sily kompenzačného zátku. Teraz má strana A kompenzačného zátku dve kompenzačné sily: silu pružiny a tlak oleja na výstupe. Ak je sila pružiny rovná 100 psi (6,89 bar), vstupný tlak ihlového ventilu sa bude obmedzovať na hodnotu 100 psi (6,89 bar) vyššiu než tlak na výstupe. Pokiaľ je uzáverový ventil nastavený dostatočne vysoko, tlakový rozdiel cez ihlový otvor sa rovná 100 psi (6,89 bar) – konštantne.

Regulačný ventil rýchlosti typu bypass v obvode

Regulačný ventil pre rýchlosť typu obchádzky nastavený na 3 gpm (11,37 l/min). Ochranný ventil: 500 psi (34,48 bar), záťaž: 200 psi (13,79 bar), sila pružiny = 100 psi (6,89 bar). Čerpadlo sa snaží prečerpať všetkých 5 gpm (18,95 l/min) cez ihlový ventil. Kompenzačný zdvihový rozdeľovač otvorí obchádzací kanál a obmedzí tlak na vstupe do ihlového ventilu na 300 psi (20,68 bar). Z tohto tlaku 300 psi: 200 psi (13,79 bar) prekonáva záťaž a 100 psi (6,89 bar) prečerpáva 3 gpm (11,37 l/min) cez ihlový ventil. Zvyšných 2 gpm (7,58 l/min) sa odvedie cez otvor kompenzačného zdvihového rozdeľovača späť do nádrže.

Obrázok 9-8: Obvod regulačného ventilu pre rýchlosť typu obchádzky. Kompenzačný zdvihový rozdeľovač odvádza nadbytočný prietok čerpadla priamo do nádrže namiesto toho, aby ho posiela cez ochranný ventil. Toto je energeticky účinnejšie ako typ s reguláciou na vstupe, pretože nadbytočný prietok neprechádza celým systémom za plného prevádzkového tlaku.

Zvyšovanie tlaku zaťaženia a nastavenia uvoľňovacieho ventilu

Ak sa tlak zaťaženia zvýši na 400 psi (27,58 bar) alebo sa ochranný ventil znovu nastaví na 600 psi (41,38 bar), stále pôsobí tlak 100 psi (6,89 bar), ktorý pretláča kvapalinu cez ihlový ventil. Pokiaľ je ochranný ventil nastavený dostatočne vysoko na otvorenie kompenzačného zdvíhaca valčeka, je výstup do valca konštantný 3 gpm (11,37 L/min).

Vplyv teploty na prietok cez trysku

Ako bolo uvedené na začiatku tejto kapitoly, tri hlavné faktory ovplyvňujúce prietok cez otvor sú veľkosť otvoru, rozdiel tlakov a teplota oleja. Keď sa mení teplota oleja, mení sa aj jeho viskozita – keď sa mení viskozita oleja, mení sa aj prietok cez otvor. Pri pevných otvoroch alebo ihlových ventiloch sa zmeny prietoku spôsobené teplotou zvyčajne nepovažujú za významné, pretože veľkosť otvoru a rozdiel tlakov sú všeobecne veľké v porovnaní s účinkami viskozity. Avšak pre aplikácie vyžadujúce veľmi presnú reguláciu prietoku je potrebné zohľadniť vplyv teploty. Rýchlostné regulačné ventily typu „do vedenia“ aj typu „odvodenia“ sú všeobecne vhodné pre typické priemyselné hydraulické aplikácie.

Pre aplikácie vyžadujúce extrémne presnú reguláciu prietoku – bez ohľadu na zmeny teploty – možno použiť prietokový regulačný ventil so teplotnou kompenzáciou. Tento typ ventilu kompenzuje aj vplyv teploty.

Kľúčové vzorce – Kapitola 9