Усмерни вентил се састоји од тела вентила са унутрашњим пролазима и покретног дела који се назива калем. Калем може да повезује или блокира унутрашње пролазе. Код већине стандардних индустријских хидрауличних вентила, калем је цилиндричан — овај тип се назива усмерни вентил калема или једноставно калемни вентил. Калемни вентили су најчешће коришћени тип усмерних вентила у индустријској хидраулици. Ово поглавље објашњава њихове типове, конструкцију, принципе рада и методе управљања.

Четворосмерни усмерни вентил

Први тип усмерног вентила који треба размотрити је онај са четири унутрашња пролаза: пролазом под притиском, повратним (резервоарским) пролазом и два радна пролаза. Ово је четворосмерни усмерни вентил — назван по четири различита пролаза у свом телу вентила. Четворосмерни усмерни вентил контролише хидрауличне цилиндре или хидрауличне моторе за обрнути смер.

Функција четворосмерног вентила у колу

Сви усмерени вентили се састоје од тела вентила и унутрашњег покретног калема. Калем има најмање два положаја - два крајња положаја. Ова два положаја су приказана графичким симболом усмереног вентила помоћу два одвојена оквира. У сваком оквиру, стрелице се користе да би се показало како су унутрашњи пролази тела вентила повезани када је калем у том положају. Када се усмерени вентил приказује графичким симболом, оба оквира морају бити повезана заједно. Када се поставља у коло, тачно један оквир мора бити повезан у колу. На овај начин, када се актуатор креће у једном смеру, јасно се приказује унутрашњи пут протока у усмереном вентилу. Када други оквир симбола треба да покаже да се актуатор креће у супротном смеру, једноставно глатко уметните други оквир у коло.

Усмерни вентил са само два положаја калема назива се двопозициони вентил.

Слика 10-1 Четворосмерни усмерни вентил. Симбол са две кутије представља два положаја калема. Само једна кутија се истовремено повезује на коло; померање калема мења која је кутија активна, чиме се цилиндар окреће уназад.

Функција кола четворосмерног вентила

Када се калем налази у једном крајњем положају, пролаз под притиском се повезује са радним пролазом А, а повратни пролаз се повезује са радним пролазом Б. Када се калем пребаци у други крајњи положај, пролаз под притиском се повезује са радним пролазом Б, а повратни пролаз се повезује са радним пролазом А. Промена крајњег положаја калема мења смер протока уља у хидраулични цилиндар, извлачећи или увлачећи клипњачу.

Тросмерни усмерни вентил

Трокраки усмерни вентил има три унутрашња пролаза: пролаз за притисак, повратни пролаз и један радни пролаз. Његова функција је: када је калем у једном крајњем положају, ствара притисак у радном отвору; када је у другом крајњем положају, смањује притисак у радном отвору. Другим речима, трокраки вентил пребацује између стварања и смањивања притиска у једном радном отвору.

Функција кола тросмерног вентила

Тросмерни вентил може да контролише актуаторе са једноструким дејством, као што су цилиндри са повратном опругом. У таквим применама, тросмерни вентил у једном положају доводи уље под притиском у слободни крај клипњаче цилиндра; када се пребаци у други положај, проток у актуатор је блокиран, а пролаз актуатора се спаја са повратним пролазом унутар тела вентила, тако да се клипњача цилиндра може повући под дејством гравитације или силе опруге.

Када се тросмерни вентил налази у положају који повезује радни пролаз са повратним пролазом, вертикално постављени цилиндар клипа може се увући под дејством гравитације, док се клипњача цилиндра са повратном опругом увлачи под дејством силе опруге.

У индустријским хидрауличним применама, трокраки вентили се ретко срећу. Ако је потребна трокрака функција, обично се користи четворокраки вентил са једним блокираним радним отвором.

Слика 10-3 Тросмерни усмерни вентил контролише цилиндре са једноструким дејством (са повратком опруге). Један положај ствара притисак; други повезује цилиндар са резервоаром и омогућава опрузи да повлачи клипњаку.

Двосмерни усмерни вентил

Двосмерни усмерни вентил има само два пролаза — ова два пролаза могу бити спојена или одвојена помоћу калема. Када је калем у једном крајњем положају, пролаз протока кроз вентил је отворен; када је у другом крајњем положају, пролаз је затворен.

Функција кола двосмерног вентила

Двосмерни усмерни вентил делује као прекидач за укључивање/искључивање у колу. Ова функција се користи у многим системима као сигурносна блокада или за изоловање и повезивање различитих компоненти унутар система.

Оцене и спецификације усмерених вентила

Усмерни регулациони вентили који се користе у индустријској хидраулици долазе у неколико основних величина: 1/4", 3/8", 1/2", 3/4" и 1-1/4" (6,35 mm, 9,5 mm, 12,7 mm, 19,05 mm и 31,75 mm). У индустријским применама се обично оцењују према просечном протоку, а не према величини отвора. На пример, номинални капацитети су: 3–10 gpm (11,37–37,9 lpm), 10–20 gpm (37,9–45,48 lpm), 40 gpm (75,8 lpm), 80 gpm (303,2 lpm) и 160 gpm (379 lpm). При номиналном протоку, пад притиска од P до A или B до T је приближно 40 psi (2,76 bar).

Калем усмереног вентила

Калем четворосмерног усмерног вентила који смо видели је вратило са три цилиндрична дела великог пречника која се називају зглобови. Једнак размак између три зглоба дефинише ово као калем са три зглоба. Већина индустријских хидрауличних усмерних вентила су калеми са два или четири зглоба. Вентили мањег протока обично користе калемове са два зглоба; калеми са четири зглоба су чешћи код вентила већег протока.

Слика 10-5 Калеми усмерених вентила. Калеми са два зглоба су уобичајени код мањих вентила; калеми са четири зглоба код већих. Број и положај зглобова одређује који су пролази повезани или блокирани у сваком положају калема.

Четворокраки вентил монтиран на подплочу

Четворосмерни усмерни вентил описан горе има четири отвора. Обично се прикључци за притисак и повратак налазе на једној страни тела вентила, док су два радна отвора на супротној страни. Овај распоред отвора је веома близак графичком симболу усмерног вентила. Ради лакше инсталације, већина индустријских хидрауличних усмерних вентила користи дизајн монтиран на подплочу: тело вентила је причвршћено вијцима на подплочу која се повезује са системским водовима. Отвори вентила монтирани на подплочу налазе се на доњој страни тела вентила.

Управљачи усмерним вентилима

Видели смо да калем усмерног вентила може бити постављен на једном или другом крају. Померање калема може се обавити механичким, електричним, хидрауличним, пнеуматским или ручним средствима.

Ручно управљање

Усмерни вентил који се покреће снагом мишића назива се ручни вентил. Постоји много врста ручних управљачких уређаја, укључујући полуге, дугмад и ножне педале. Најчешћи механички управљачки механизам је брегасти клин чији је врх опремљен ваљком — када се брегасти вентил на актуатору помери надоле и удари у ваљак, калем се помера у други положај. Код ручног управљања, редослед радњи и управљање усмерним вентилом морају бити одређени намером оператера. Ако се усмерни вентил мора померити у одређеном положају актуатора, може се користити механички управљани усмерни вентил.

Контрола пилота

Калеми усмерених вентила такође се могу померати помоћу пнеуматског или хидрауличног пилот притиска. Код калема са четири краја, пилот притисак делује на крајеве калема у оба крајња положаја. Код калема са два краја, пилот притисак делује на један пилот клип.

Соленоидна (електромагнетна) контрола

Најчешћи начин управљања усмерним вентилом је помоћу соленоида (електромагнета). Соленоид је електромеханички уређај који претвара електричну енергију у линеарну механичку силу и кретање. Одговарајући актуатор у хидрауличном систему је хидраулични цилиндар.

Суви соленоид

Од два типа соленоида, суви тип је ранији дизајн. Ради на основним електромагнетним принципима и састоји се од гвозденог језгра у облику слова „Т“, калема и оквира у облику слова „C“. Због облика гвозденог језгра и оквира који окружује калем, овај тип се понекад назива „CT“ електромагнет. Гвожђе је добар магнетни проводник, док ваздух има лошу магнетну проводљивост. Принцип рада сувог соленоида је: магнетно поље повлачи гвоздено језгро у калем, смањујући велики магнетни отпор изазван ваздушним зазором у центру калема. Како се гвоздено језгро креће унутра, ваздушни зазор се постепено смањује, електромагнетна сила потиска се повећава, а електромагнетна сила када је гвоздено језгро унутар калема је већа него када је напољу.

Соленоид мокрог типа

Мокри тип соленоида је релативно новији дизајн у области индустријске хидраулике. У поређењу са дизајном са ваздушним зазором, предност мокрог соленоида је боље одвођење топлоте и елиминација заптивача потисне шипке који могу изазвати цурење код сувих соленоида, што побољшава поузданост.

Конструкција соленоида мокрог типа

Соленоид влажног типа састоји се од калема, правоугаоног оквира, потисне шипке, арматуре (гвоздено језгро) и водилице. Калем је затворен у правоугаоном оквиру; оба су запечаћена пластиком. Овај склоп има пролазни отвор који пролази кроз центар калема и обе стране оквира — овај отвор се поставља преко водилице. Водица садржи арматуру. Водица је притиснута на тело усмерног вентила; унутрашња шупљина водилице цеви је повезана са повратним пролазом усмерног вентила, тако да је арматура уроњена у системско уље — зато се назива „влажна арматура“.

Како функционише соленоид мокрог типа

Када струја тече кроз калем, он генерише магнетно поље, појачано правоугаоном магнетном путањом од гвожђа око калема и арматуром у центру калема. Када се струја примени на влажни калем арматуре, покретна арматура је делимично изван калема. Магнетно поље произведено струјом повлачи арматуру унутра, ударајући у потисну шипку механички повезану са калемом вентила, померајући усмерни вентил. Како се калем помера, арматура потпуно улази у калем, концентришући магнетно поље калема потпуно у магнетној путањи од гвожђа.

Гвожђе је добар магнетни проводник, док уље које окружује арматуру и потисну шипку има веома лошу магнетну проводљивост. Принцип рада соленоида мокрог типа је: магнетно поље повлачи арматуру ка унутра како би смањило велики ваздушни зазор у средишту калема. Како се арматура креће ка унутра, зазор се постепено смањује, електромагнетна сила потиска се повећава, а када је арматура потпуно унутар калема, електромагнетна сила је већа него споља.

Слика 10-9 Соленоид влажног типа. Арматура је уроњена у хидраулично уље (отуда „влажно“), елиминишући динамичко заптивање потисне шипке. Боље одвођење топлоте и поузданост у поређењу са сувим типом.

Зујање клима уређаја

У Сједињеним Државама, индустријска контролна струја је типично наизменичне струје. Америчка наизменична струја циклично се мења од нуле до позитивног врха, назад кроз нулу до негативног врха и назад на нулу са 60 циклуса у секунди (60 Hz). Када је струја на позитивном или негативном врху, магнетно поље и електромагнетна сила су максимални. Како струја опада кроз нулу, магнетно поље и сила се такође смањују, што узрокује да опругом напоњено оптерећење соленоида (обично опружно напоњени калем вентила) гурне гвоздено језгро или арматуру напоље. Када се поље и сила поново нагомилају, они повлаче гвоздено језгро или арматуру назад. Ово кретање ствара звук зујања, брујања или вибрације соленоида — наизменично брујање.

Краткоспојни прстен (заштитна завојница)

Да би се смањило зујање наизменичне струје и повећала сила потиска соленоида, користи се прстен кратког споја (заштитна калем) за компензацију. Код соленоида сувог типа, прстен кратког споја је бакарни прстен причвршћен за оквир у облику слова C. Код соленоида влажног типа, то је бакарни прстен на крају потисне шипке водилице. Када соленоид ради, прстен индукује струју која заостаје за примењеном радном струјом. На овај начин, када је главно магнетно поље калема на минимуму, магнетно поље прстена кратког споја је довољно да држи гвоздено језгро или арматуру, значајно смањујући зујање наизменичне струје.

Вртни струје

Пулсирајуће наизменично магнетно поље може створити мале лутајуће струје у соленоиду — то су вртложне струје, које теку у малим колима у магнетној путањи гвожђа, трошећи енергију и стварајући топлоту, смањујући излазну потисну силу соленоида. Да би се минимизовали ефекти вртложних струја, танке металне ламинације се користе за израду Ц-оквира сувог типа соленоида и гвозденог језгра. Металне ламинације су изоловане једна од друге слојевима оксида. Магнетно поље лако пролази дуж нормалне магнетне путање ламинација, али због изолационих слојева, вртложне струје не могу да теку између ламинација. Пошто је Ц-оквир направљен слагањем изолованих ламинација заједно, обично се назива „С-оквир слагањем“. За соленоиде влажног типа, минимизација вртложних струја користи изоловане гвоздене ламинације за правоугаони оквир, али за арматуру ово није применљиво јер су соленоиди влажног типа снажнији од сувих. Са становишта издржљивости, израда арматуре од ламинација није изводљива — код соленоида влажног типа, арматура је чврсти комад.

Укључна струја соленоида

Наизменична струја у соленоидним калемовима производи електромагнетну силу која помера калем усмерног вентила, али такође генерише топлоту, што на крају сагорева соленоидни калем. Што више струје тече кроз соленоидни калем, већа је тенденција да соленоидни калем откаже. Ако се соленоид не помери да би затворио ваздушни зазор, калем ће носити веома велику струју, што ће узроковати прегревање. За разлику од хидрауличних система где је проток релативно константан, у нормалним електричним системима струја је повезана са отпором — већи отпор значи мању струју, мање топлоте. Пошто топлота значајно утиче на век трајања соленоида, циљ је да се користи што је могуће мања струја уз производњу довољне силе померања. Ово се постиже пројектовањем калемова са довољном наизменичном импедансом (реактивним отпором).

Импеданса има две компоненте: чисти отпор проводног материјала протоку електрона — бакар има мањи отпор од алуминијума — и ефекат импедансе који производи електромагнетно поље око намотаја калема. Ово магнетно поље омета или ограничава струју која улази у калем. Што је поље јаче, мања је струја у намотајима соленоида.

Када се соленоид први пут напаја, покретно гвоздено језгро или арматура је делимично изван калема, стварајући велики ваздушни зазор у центру калема. Магнетно поље није јако јако на овом положају; отпор струји долази првенствено од чистог отпора проводника, што ствара велику ударну струју у намотајима калема. Како се гвоздено језгро или арматура помера унутра, ваздушни зазор се постепено затвара, а струја се смањује. Када је гвоздено језгро или арматура потпуно постављено, импеданса је максимална, а наизменична струја је минимална.

Вршна ударна струја када се соленоид први пут напаја је неколико пута већа од струје држања када је потпуно усправан. Ако механичка интерференција спречи гвоздено језгро или арматуру да се потпуно усправе, веома велика струја улази у завојницу — стварајући огромну топлоту. Код незатворених сувих соленоида, ово топи пластичне компоненте на крају завојнице; код затворених сувих или влажних соленоида, то узрокује појаву мехурића у пластичној заптивци. Код оба типа изолација жице одмах сагорева, и у року од једног или два минута завојница кратко споји — то се дешава када заглављени калем спречава померање соленоида.

Слика 10-10 Упадна струја АЦ соленоида у односу на струју држања. Када се први пут напаја, велики ваздушни зазор омогућава високу ударну струју (неколико пута већу од струје држања). Када се потпуно постави, импеданса расте, а струја опада. Заглављени калем (зазор се никада не затвара) значи континуирану ударну струју — загарантовано прегоревање калема.

Соленоиди са континуалним напајањем

Соленоид са континуалним напајањем може остати под напоном дуго времена без прегревања. Капацитет соленоида за одвођење топлоте је довољан да расипа већину топлоте генерисане мањом струјом држања кроз калем. Већина индустријских хидрауличних усмерних вентила користи соленоиде са континуалним напајањем.

Ограничења соленоида

Усмерни вентили контролисани соленоидима имају нека ограничења. Прво, конвенционални соленоиди се не могу користити у влажним или експлозивним срединама. Друго, када век трајања усмерних вентила мора бити посебно дуг, обично се избегавају и електрично контролисани соленоиди. Можда је највећи недостатак соленоида то што је сила померања коју могу да произведу ограничена. У ствари, за веће усмерне вентиле, потребна сила померања је прилично велика. Код већих вентила (1/4" или 3/8" / 6,35 мм или 9,5 мм), соленоидни усмерни вентил се обично монтира на врху, а током померања, проток из малог вентила се уводи на одговарајућу страну калема великог вентила. Овај тип се назива соленоидни пилот усмерни вентил.

Провал соленоида

Топлота је главни узрок квара соленоида усмерног вентила са директним дејством, обично узрокован заглављивањем соленоида, високом температуром околине или ниским напоном (недовољна сила померања да би се гвоздено језгро или арматура потпуно сместили).

Заглављивање соленоида

Заглављени калем спречава гвоздено језгро или арматуру да се потпуно сместе, што узрокује да калем соленоида континуирано троши веома високу ударну струју. Соленоид не може да расипа огромну генерисану топлоту, што на крају доводи до сагоревања калема. Иако прекомерни проток кроз вентил може да заглави соленоид, механичко сметње са кретањем калема су чешћи узрок заглављивања. Загађивачи (као што су муљ, металне пахуљице, песак из језгра и PTFE трака) могу заглавити калем, или калем може бити заглављен неравнинама између калема и тела вентила. Честице оксидације уља и уљни лак могу се накупити на калему, чинећи да размак између калема и тела вентила нестане — чишћење растварачем може уклонити уљни лак. Искривљена монтажна плоча такође може изазвати заглављивање соленоида — када се затегну монтажни вијци, тело вентила се може благо савити, ограничавајући кретање калема и сагоревајући калем. Захтеви за равност монтажне плоче су обично између 0,0003–0,0005 инча (0,00762–0,0127 мм).

Код соленоида сувог типа, како се гвоздено језгро соленоида увлачи у калем, долази до хабања између гвозденог језгра и C-оквира. Приликом растављања ове врсте соленоида, препоручује се поновно постављање гвозденог језгра у његов првобитни положај. У супротном, истрошени део се не може правилно поравнати, гвоздено језгро се не може у потпуности сместити, а соленоид производи зујање — што указује на блиски квар.

Понекад оба соленоида у двоструком соленоидном усмерном вентилу могу бити истовремено напајана — то значи да једно гвоздено језгро или арматура потпуно лежи док је друго заглављено. Резултат је прегоревање једног соленоида. Истовремено напајање оба соленоида обично је узроковано кваром електричног управљачког уређаја или грешком у ожичењу.

Висока температура околине

Када струја повуче гвоздено језгро или арматуру соленоида, генерисана топлота мора се одвести са калема. Ако је температура околног ваздуха превисока, одвођење топлоте је отежано и калем може прегорети. До овога може доћи ако је вентилација лоша или опрема ради у близини извора топлоте.

Ниско напон

За соленоид од 110 V, 60 Hz, када напон у мрежи падне на око 100 V, произведена електромагнетна сила није довољна да потпуно намести гвоздено језгро или арматуру у оквиру пројектованог временског периода. Због продуженог времена ударне струје, соленоид ради на вишој температури, што на крају узрокује квар. Понекад су рани знаци прегоревања калема зујање или вибрација. Проблеми са ниским напоном често се јављају у многим постројењима са потрошачима електричне енергије. Ако се сумња на низак напон, компанија за електричну енергију може инсталирати 24-часовни мерач како би проверила стварно стање.

Тропозициони усмерни вентил

У претходним примерима, разматран је двопозициони усмерни вентил (са два крајња положаја). У неким применама користи се тропозициони усмерни вентил. Трећи централни положај је неутрални или прелазни положај. Графички симбол тропозиционог усмерног вентила има три оквира - централни оквир представља централни положај и унутрашње везе када је калем у центру.

Тропозициони вентил са центрираном опругом

Најчешћи тип тропозиционог усмерног вентила је вентил са центрираном опругом. Овај вентил има опруге на оба краја како би држао калем у централном положају када ниједан соленоид није под напоном.

Слика 10-12 Тропозициони усмерни вентил центриран опругом. Опруге држе калем у центру када су оба соленоида без напона. Централни положај одређује шта се дешава са оптерећењем цилиндра када се машина заустави.

Услови центра

Постоје четири уобичајене конфигурације централног положаја. Избор централног положаја одређује понашање кола када је усмерни вентил у центру (ниједан соленоид није под напоном):

Слика 10-13 Четири конфигурације централног положаја. Избор зависи од захтева кола: да ли цилиндар треба да држи положај, да слободно плута или да ли пумпа треба да се растерети када је вентил центриран.

Пропорционални усмерни вентили

Стандардни усмерни вентили се пребацују између дискретних положаја (отворено/затворено). Пропорционални усмерни вентили омогућавају да се калем позиционира било где између потпуно отвореног и потпуно затвореног, са глатким односом између електричног улазног сигнала и положаја калема и протока. Ово омогућава континуирано променљиву контролу и смера и брзине протока једним вентилом.

Пилотски управљани усмерни вентили

За примене са великим протоком где сила соленоида није довољна да директно помери главни калем, користи се дизајн са пилот управљањем. Мали пилот вентил, којим управља соленоид, усмерава пилот притисак да помери већи главни калем. Овај двостепени дизајн омогућава малим соленоидима да контролишу веома велике брзине протока — пилот вентил врши пребацивање, а пилот притисак обавља посао померања главног калема.

Слика 10-14 Пилотски управљани усмерни вентил. Мали соленоидни пилот вентил (горе) усмерава пилотски притисак да помери велики главни калем (доле). Овај дизајн омогућава малим соленоидима да контролишу главне вентиле великог протока.

Пропорционални соленоидни усмерни вентили

У управљачком уређају, сигнал за обртање и улазни сигнал улазе истовремено. Сигнал „грешке“ који се ствара између њих два покреће управљачки уређај да пропорционално активира један соленоид „А“ или „Б“. Како се соленоид активира, он претвара сигнал у силу. Пропорционални соленоид центриран у телу вентила, заједно са прилагодљивом опругом пилот вентила, претвара тај управљачки притисак у положај пилот калема. Сензор положаја LVDT је директно повезан са главним калемом вентила, а његова функција је да обезбеди аутоматску повратну информацију пилот калему.

Управљачки вентил диференцијалног притиска (регулација обртног момента мотора)

Усмерни вентил са диференцијалним притиском је тростепеног типа — са пилот вентилом као првом фазом, а главним вентилом као другом фазом. Пилот вентил је сложенији, састоји се од обртног мотора, опруга, млазних цеви и подесивог калема са пилотским крајњим капама и ЛВДТ-ом. Друга фаза (главни вентил) је слична осталим пилотским усмерним вентилима.

Конструкција пилот вентила прве фазе

Пилотски вентил се састоји од обртног мотора, млазнице, калема са левим и десним опругама и сличних компоненти. Млазница усмерава контролни притисак на оба краја калема. Пилотски вентил је сличног типа усмерном вентилу са центрираном опругом.

Главни вентил друге фазе

Друга фаза (главни вентил) је слична другим типовима пропорционалних усмерних вентила и овде се неће понављати.

Рад пилот вентила

Струја електричног контролног сигнала тече кроз намотаје обртног мотора између два соленоида. Поређење и разлика електричних сигнала одређује смер магнетног поља обртног мотора. У зависности од тога који соленоид има јачи сигнал, млазница се усмерава да изврши притисак на један крај пилотског калема. Истовремено, излаз контролног уређаја повећава проток на једној страни калема усмерног вентила до пропорционалне вредности, постепено повећавајући проток на тој страни док се не достигне пропорционална вредност.

Кључни концепти — Поглавље 10