En riktningsventil består av en ventilkropp med interna passager och en rörlig del som kallas spolen. Spolen kan ansluta eller blockera de interna passagerna. För de flesta vanliga industriella hydraulventiler är spolen cylindrisk – denna typ kallas en spoltypsriktningsventil, eller helt enkelt en spolventil. Spolventiler är den mest använda typen av riktningsventil inom industriell hydraulik. Detta kapitel förklarar deras typer, konstruktion, funktionsprinciper och styrmetoder.

Fyrvägs riktningsventil

Den första typen av riktningsventil att överväga är en med fyra interna passager: en tryckkanal, en returkanal (tankkanal) och två arbetskanaler. Detta är fyrvägsriktningsventilen – uppkallad efter de fyra olika passagerna i dess ventilhus. Fyrvägsriktningsventilen styr hydraulcylindrar eller hydraulmotorer för att reversera riktningen.

Fyrvägsventilens funktion i en krets

Alla riktningsventiler består av en ventilkropp och en intern rörlig slid. Sliden har minst två lägen – två ändlägen. Dessa två lägen visas i en grafisk symbol för en riktningsventil med två separata rutor. I varje ruta används pilar för att visa hur ventilkroppens interna passager är anslutna när sliden är i den positionen. När en riktningsventil visas med en grafisk symbol måste båda rutorna vara anslutna tillsammans. När den placeras i en krets måste exakt en låda vara ansluten i kretsen. Genom att göra detta visas den interna flödesvägen i riktningsventilen tydligt när ställdonet rör sig i en riktning. När symbolens andra ruta behöver visa att ställdonet rör sig i motsatt riktning, skjut helt enkelt in den andra lådan smidigt i kretsen.

En riktningsventil med endast två slidlägen kallas en tvålägesventil.

Figur 10-1 Fyrvägsriktningsventil. Symbolen med två rutor representerar de två spolpositionerna. Endast en ruta ansluts till kretsen åt gången; om spolen förskjuts växlas vilken ruta som är aktiv, vilket reverserar cylindern.

Funktion för fyrvägsventilkrets

När spolen är i ena ändpositionen ansluts tryckkanalen till arbetskanal A, och returkanalen till arbetskanal B. När spolen växlar till den andra ändpositionen ansluts tryckkanalen till arbetskanal B, och returkanalen till arbetskanal A. Genom att byta spolens ändposition ändras riktningen på oljeflödet in i hydraulcylindern, vilket förlänger eller drar in stången.

Trevägs riktningsventil

En trevägsriktningsventil har tre interna passager: en tryckkanal, en returkanal och en arbetskanal. Dess funktion är: när sliden är i ena ändpositionen trycksätter den arbetsporten; när den är i den andra ändpositionen trycksläpper den arbetsporten. Med andra ord växlar trevägsventilen mellan trycksättning och trycksläppning av en enda arbetsport.

Funktion för trevägsventilkrets

En trevägsventil kan styra enkelverkande ställdon, såsom fjäderåtergående kolvcylindrar. I sådana tillämpningar matar trevägsventilen i ett läge tryckolja in i cylinderns kolvstångsfria ände; när den växlar till det andra läget blockeras flödet in i ställdonet, och ställdonets passage ansluts till returkanalen inuti ventilhuset, så att cylinderstången kan dras tillbaka av gravitationen eller fjäderkraften.

När trevägsventilen är i den position som förbinder arbetskanalen med returkanalen, kan en vertikalt monterad kolvcylinder dras tillbaka av gravitationen, medan en fjäderreturcylinderstång dras tillbaka av fjäderkraft.

I industriella hydrauliska applikationer är trevägsventiler sällsynta. Om en trevägsfunktion behövs används vanligtvis en fyrvägsventil med en blockerad arbetsport.

Figur 10-3 Trevägs riktningsventil styr enkelverkande cylindrar (fjäderåtergång). En position trycksätter; den andra ansluter cylindern till tanken och låter fjädern dra tillbaka stången.

Tvåvägs riktningsventil

En tvåvägsriktningsventil har bara två passager – dessa två passager kan anslutas eller kopplas bort av sliden. När sliden är i ena ändläget är flödeskanalen genom ventilen öppen; när den är i det andra ändläget är kanalen stängd.

Funktion för tvåvägsventilkrets

Tvåvägsventilen fungerar som en på/av-brytare i en krets. Denna funktion används i många system som en säkerhetsspärr, eller för att isolera och ansluta olika komponenter i systemet.

Riktningsventilers klassificeringar och specifikationer

Riktningsventiler som används i industriell hydraulik finns i flera grundstorlekar: 1/4", 3/8", 1/2", 3/4", och 1-1/4" (6,35 mm, 9,5 mm, 12,7 mm, 19,05 mm och 31,75 mm). I industriella tillämpningar klassificeras de vanligtvis efter sin genomsnittliga flödeskapacitet snarare än efter portstorlek. Till exempel är nominella kapaciteter: 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) och 160 gpm (379 lpm). Vid nominellt flöde är tryckfallet från P till A eller B till T cirka 40 psi (2,76 bar).

Riktningsventilspol

Den fyrvägsriktningsventilsslide vi har sett är en axel med tre cylindriska sektioner med stor diameter som kallas landstycken. Det lika avståndet mellan de tre landstycken definierar detta som en trevägsslide. De flesta industriella hydrauliska riktningsventiler är två- eller fyrlandstycksslidar. Ventiler med lägre flödesklass använder vanligtvis tvålandstycksslidar; fyrlandstycksslidar är vanligare i ventiler med större flödesklass.

Figur 10-5 Riktningsventilers slider. Tvåsidiga slider är vanliga i mindre ventiler; fyrsidiga slider i större. Antalet och positionen av slider avgör vilka passager som är anslutna eller blockerade i varje slidposition.

Fyrvägsventil monterad på underplattan

Den fyrvägsriktningsventil som beskrivs ovan har fyra portar. Vanligtvis är tryck- och returportarna på ena sidan av ventilhuset, medan de två arbetsportarna är på motsatt sida. Detta portarrangemang är mycket nära den grafiska symbolen för riktningsventilen. För enkel installation använder de flesta industriella hydrauliska riktningsventiler en anslutningsplatta monterad design: ventilhuset är bultat på en anslutningsplatta som ansluter till systemledningarna. De anslutningsplatta monterade ventilportarna är på ventilhusets undersida.

Riktningsventiloperatörer

Vi har sett att riktningsventilens spole kan placeras i ena eller andra änden. Förflyttning av spolen kan göras mekaniskt, elektriskt, hydrauliskt, pneumatiskt eller manuellt.

Manuell drift

En riktningsventil som manövreras med muskelkraft kallas en handmanövrerad ventil. Det finns många typer av manuella manöverdon, inklusive spakar, tryckknappar och fotpedaler. Den vanligaste mekaniska manövermekanismen är en kamaxel vars topp är försedd med en rulle – när kammen på ställdonet rör sig nedåt och träffar rullen, växlar spolen till ett annat läge. Vid manuell manövrering måste riktningsventilens funktionssekvens och styrning bestämmas av operatörens avsikt. Om riktningsventilen måste växla vid ett specifikt ställdonläge kan en mekaniskt manövrerad riktningsventil användas.

Pilotstyrning

Riktningsventilslidar kan också skiftas med hjälp av pneumatiskt eller hydrauliskt pilottryck. För fyrdelade slider verkar pilottrycket på slidytorna i båda ändlägena. För tvådelade slider verkar pilottrycket på en enda pilotkolv.

Solenoid (elektromagnetisk) styrning

Det vanligaste sättet att styra en riktningsventil är med en solenoid (elektromagnet). En solenoid är en elektromekanisk anordning som omvandlar elektrisk energi till linjär mekanisk kraft och rörelse. Motsvarande ställdon i ett hydraulsystem är hydraulcylindern.

Torrtypsmagnet

Av de två solenoidtyperna är torrtypen den tidigare designen. Den fungerar enligt grundläggande elektromagnetiska principer och består av en T-formad järnkärna, en spole och en C-formad ram. På grund av formen på järnkärnan och ramen som omger spolen kallas denna typ ibland en CT-elektromagnet. Järn är en bra magnetisk ledare medan luft har dålig magnetisk ledningsförmåga. Torrtyps solenoidens funktionsprincip är: magnetfältet drar järnkärnan in i spolen, vilket minskar det stora magnetiska motståndet som orsakas av luftgapet i spolens centrum. När järnkärnan rör sig in minskar luftgapet gradvis, den elektromagnetiska tryckkraften ökar och den elektromagnetiska kraften när järnkärnan är inuti spolen är större än när den är utanför.

Våttypsmagnet

Våtsolenoider är en relativt nyare design inom industriell hydraulik. Jämfört med luftgapkonstruktioner är fördelen med våtsolenoider bättre värmeavledning och eliminering av tryckstångstätningar som kan orsaka läckor i torrsolenoider, vilket förbättrar tillförlitligheten.

Våttyps solenoidkonstruktion

En våttypssolenoid består av en spole, rektangulär ram, tryckstång, ankare (järnkärna) och ett styrrör. Spolen är innesluten i den rektangulära ramen; båda är tätade ihop med plast. Denna enhet har ett genomgående hål som löper genom spolens mitt och båda sidor av ramen - detta hål passar över styrröret. Styrröret innehåller ankaret. Styrröret är pressmonterat på riktningsventilens kropp; styrrörets inre hålighet ansluts till riktningsventilens returkanal, så ankaret är nedsänkt i systemolja - det är därför det kallas ett "vått ankare".

Hur våttypssolenoiden fungerar

När ström flyter genom spolen genererar spolen ett magnetfält, förstärkt av den rektangulära järnmagnetbanan runt spolen och ankaret i spolens centrum. När ström appliceras på den våta ankarspolen befinner sig det rörliga ankaret delvis utanför spolen. Det strömproducerade magnetfältet drar in ankaret och träffar tryckstången som är mekaniskt ansluten till ventilspolen, vilket förskjuter riktningsventilen. När spolen förskjuts går ankaret helt in i spolen och koncentrerar spolens magnetfält helt i järnmagnetbanan.

Järn är en bra magnetisk ledare, medan oljan som omger ankaret och tryckstången har mycket dålig magnetisk ledningsförmåga. Funktionsprincipen för våtsolenoider är: magnetfältet drar in ankaret för att minska det stora luftgapet i spolens centrum. När ankaret rör sig inåt minskar gapet gradvis, den elektromagnetiska tryckkraften ökar, och när ankaret är helt inuti spolen är den elektromagnetiska kraften större än utanför.

Figur 10-9 Våttypsmagnet. Ankaret är nedsänkt i hydraulolja (därav "våt"), vilket eliminerar tryckstångens dynamiska tätning. Bättre värmeavledning och tillförlitlighet jämfört med torrtyp.

AC-brum

I USA är industriell styrkraft vanligtvis växelström. Växelström i USA cyklar från noll till positiv topp, tillbaka genom noll till negativ topp och tillbaka till noll med 60 cykler per sekund (60 Hz). När strömmen är vid positiv eller negativ topp är magnetfältet och den elektromagnetiska kraften maximala. När strömmen minskar genom noll minskar även magnetfältet och kraften, vilket gör att den fjäderbelastade solenoidbelastningen (normalt den fjäderbelastade ventilspolen) trycker ut järnkärnan eller ankaret. När fältet och kraften byggs upp igen drar de tillbaka järnkärnan eller ankaret. Denna rörelse skapar solenoidens surrande, brummande eller vibrationsljud – växelströmsbrum.

Kortslutningsring (skuggningsspole)

För att minska AC-brum och öka solenoidens tryckkraft används en kortslutningsring (skuggningsspole) för kompensation. I torra solenoider är kortslutningsringen en kopparring fäst vid den C-formade ramen. I våta solenoider är det en kopparring vid tryckstångsänden av styrröret. När solenoiden är i drift inducerar ringen en ström som ligger efter den pålagda arbetsströmmen. På så sätt, när spolens huvudmagnetfält är som minimum, är kortslutningsringens magnetfält tillräckligt för att hålla järnkärnan eller ankaret, vilket kraftigt minskar AC-brum.

Virvelströmmar

Det pulserande växelströmsmagnetfältet kan skapa små läckströmmar i solenoiden – dessa är virvelströmmar, som flyter i små kretsar i järnets magnetiska väg, förbrukar ström och genererar värme, vilket minskar solenoidens utgående tryckkraft. För att minimera virvelströmseffekter används tunna metalllamineringar för att tillverka den torra solenoidens C-ram och järnkärna. Metalllamineringarna är isolerade från varandra med oxidlager. Magnetfältet passerar lätt längs lamineringarnas normala magnetiska väg, men på grund av isolerande lager kan virvelströmmar inte flyta mellan lamineringarna. Eftersom C-ramen är tillverkad genom att stapla isolerade lamineringar tillsammans kallas den vanligtvis en "C-ramsstack". För våta solenoider använder virvelströmsminimering isolerade järnlamineringar för den rektangulära ramen, men för ankaret är detta inte tillämpligt eftersom våta solenoider är kraftfullare än torra. Ur hållbarhetssynpunkt är det inte möjligt att tillverka ankaret av lamineringar – i våta solenoider är ankaret ett solidt stycke.

Solenoidstartström

Växelström i solenoidspolar producerar elektromagnetisk kraft som förskjuter riktningsventilens spole, men genererar också värme, vilket så småningom bränner ut solenoidspolen. Ju mer ström som flyter genom solenoidspolen, desto större är tendensen att solenoidspolen går sönder. Om solenoiden inte rör sig för att stänga luftgapet, kommer spolen att bära mycket hög ström, vilket orsakar överhettning. Till skillnad från hydrauliska system där flödet är relativt konstant, är strömmen i normala elektriska system relaterad till resistans – högre resistans betyder lägre ström, mindre värme. Eftersom värme avsevärt påverkar solenoidens livslängd är målet att använda så lite ström som möjligt samtidigt som tillräckligt med skiftkraft produceras. Detta uppnås genom att designa spolar med tillräcklig växelströmsimpedans (reaktiv resistans).

Impedans har två komponenter: den rena resistansen hos ledarmaterialet mot elektronflöde – koppar har mindre resistans än aluminium – och impedanseffekten som produceras av det elektromagnetiska fältet runt spolens lindningar. Detta magnetfält hindrar eller begränsar strömmen som kommer in i spolen. Ju starkare fältet är, desto mindre ström i solenoidens spollindningar.

När solenoiden först aktiveras är den rörliga järnkärnan eller ankaret delvis utanför spolen, vilket skapar ett stort luftgap i spolens mitt. Magnetfältet är inte särskilt starkt i denna position; strömmotståndet kommer främst från rent ledarmotstånd, vilket producerar en stor startström i spolens lindningar. När järnkärnan eller ankaret rör sig inåt stängs luftgapet gradvis och strömmen minskar. När järnkärnan eller ankaret är helt isatt är impedansen maximal och växelströmmen minimal.

Toppströmmen när solenoiden först aktiveras är flera gånger högre än hållströmmen när den är helt isatt. Om en mekanisk störning hindrar järnkärnan eller ankaret från att sitta helt isatt, kommer en mycket stor ström in i spolen – vilket genererar enorm värme. För icke-kapslade torra solenoider smälter detta plastkomponenterna vid spoländen; för kapslade torra eller våta solenoider orsakar det att plasttätningen bubblar upp. I båda typerna brinner trådisoleringen omedelbart, och inom en minut eller två kortsluter spolen – det är vad som händer när en fastklämd spole förhindrar solenoidens förskjutning.

Figur 10-10 AC-solenoidens startström kontra hållström. När den först aktiveras tillåter det stora luftgapet hög startström (hållström flera gånger). När den är helt i läge ökar impedansen och strömmen sjunker. En fastklämd spole (gapet stängs aldrig) innebär ihållande startström – garanterad spolutbränning.

Kontinuerligt klassade solenoider

En kontinuerligt märkt solenoid kan förbli aktiv under lång tid utan att överhettas. Solenoidens värmeavledningsförmåga är tillräcklig för att avleda det mesta av den värme som genereras av den mindre hållströmmen genom spolen. De flesta industriella hydrauliska riktningsventiler använder kontinuerligt märkta solenoider.

Solenoidbegränsningar

Magnetstyrda riktningsventiler har vissa begränsningar. För det första kan konventionella solenoider inte användas i våta eller explosiva miljöer. För det andra, när riktningsventilens livslängd måste vara särskilt lång, undviks vanligtvis även elektriskt styrda solenoider. Den kanske största nackdelen med solenoider är att den skiftkraft de kan producera är begränsad. Faktum är att för större riktningsventiler är den erforderliga skiftkraften ganska stor. För större ventiler (1/4" eller 3/8" / 6,35 mm eller 9,5 mm) monteras vanligtvis en magnetstyrd riktningsventil ovanpå, och under skiftningen införs flöde från den lilla ventilen till motsvarande sida av den stora ventilsliden. Denna typ kallas en magnetstyrd pilotriktningsventil.

Magnetventilfel

Värme är den främsta orsaken till fel på direktverkande riktningsventilers solenoid, vanligtvis orsakad av att solenoiden har fastnat, hög omgivningstemperatur eller låg spänning (otillräcklig växlingskraft för att helt montera järnkärnan eller ankaret).

Solenoidblockering

En fastklämd spole förhindrar att järnkärnan eller ankaret sitter helt, vilket gör att solenoidspolen kontinuerligt drar mycket hög startström. Solenoiden kan inte avleda den enorma värme som genereras och så småningom bränna ut spolen. Även om för stort flöde genom ventilen kan fastna solenoiden, är mekanisk störning av spolens rörelse den vanligaste orsaken till fastklämning. Föroreningar (såsom slam, metallflingor, kärnsand och PTFE-tejp) kan fastna spolen, eller så kan spolen fastna av grader mellan spolen och ventilhuset. Oljeoxidationspartiklar och oljelack kan byggas upp på spolen, vilket gör att mellanrummet mellan spolen och ventilhuset försvinner – rengöring med lösningsmedel kan ta bort oljelack. En skev monteringsplatta kan också orsaka att solenoiden fastnar – när monteringsbultar dras åt kan ventilhuset böjas något, vilket begränsar spolens rörelse och bränner ut spolen. Monteringsplattans planhetskrav ligger vanligtvis inom 0,0003–0,0005 tum (0,00762–0,0127 mm).

För torra solenoider uppstår slitage mellan järnkärnan och C-ramen när solenoidens järnkärna dras in i spolen. Vid demontering av denna typ av solenoid rekommenderas det att järnkärnan sätts tillbaka i sin ursprungliga position. Annars kan den slitna delen inte justeras ordentligt, järnkärnan kan inte sitta helt och solenoiden ger ifrån sig ett surrande ljud – vilket indikerar nära nog fel.

Ibland kan båda solenoiderna i en riktningsventil med dubbla solenoider aktiveras samtidigt – det betyder att en järnkärna eller ett ankare sitter fast helt medan den andra har fastnat. Resultatet blir att en solenoidspole brinner ut. Samtidig aktivering av båda solenoiderna orsakas vanligtvis av ett fel på en elektrisk styrenhet eller ett ledningsfel.

Hög omgivningstemperatur

När ström drar in solenoidens järnkärna eller ankare måste den genererade värmen avledas från spolen. Om den omgivande lufttemperaturen är för hög är värmeavledningen svår och spolen kan brinna ut. Om ventilationen är dålig eller utrustningen arbetar nära värmekällor kan detta inträffa.

Låg spänning

För en 110 V, 60 Hz solenoid, när nätspänningen sjunker till cirka 100 V, är den elektromagnetiska kraften som produceras otillräcklig för att helt sätta fast järnkärnan eller ankaret inom den dimensionerande tidsperioden. På grund av den förlängda startströmstiden arbetar solenoiden vid högre temperatur, vilket så småningom orsakar fel. Ibland är tidiga tecken på spolutbrändhet surrande eller vibrerande ljud. Lågspänningsproblem uppstår ofta i många kraftverksmiljöer. Om man misstänker låg spänning kan kraftbolaget installera en 24-timmars mätare för att kontrollera faktiska förhållanden.

Treläges riktningsventil

I tidigare exempel har en tvåläges riktningsventil (med två ändlägen) diskuterats. I vissa tillämpningar används en treläges riktningsventil. Det tredje mittläget är ett neutralt eller övergångsläge. En grafisk symbol för en treläges riktningsventil har tre rutor – mittrutan representerar mittläget och de interna anslutningarna när sliden är i mitten.

Fjädercentrerad trelägesventil

Den vanligaste typen av trelägesriktningsventil är den fjädercentrerade typen. Denna ventil har fjädrar i båda ändar för att hålla spolen i mittläget när ingen av solenoiderna är aktiverad.

Figur 10-12 Fjädercentrerad riktningsventil med tre lägen. Fjädrarna håller spolen i mitten när båda solenoiderna är spänningslösa. Mittläget avgör vad som händer med cylinderbelastningen när maskinen stoppas.

Centerförhållanden

Fyra vanliga mittlägeskonfigurationer finns. Valet av mittläge avgör kretsens beteende när riktningsventilen är i mitten (ingen av solenoiderna är aktiverade):

Figur 10-13 Fyra mittlägeskonfigurationer. Valet beror på kretskrav: om cylindern ska hålla positionen, flyta fritt eller om pumpen ska avlastas när ventilen är centrerad.

Proportionella riktningsventiler

Standardriktningsventiler växlar mellan diskreta lägen (öppen/stängd). Proportionella riktningsventiler gör att sliden kan placeras var som helst mellan helt öppen och helt stängd, med ett jämnt förhållande mellan den elektriska ingångssignalen och slidens position och flöde. Detta möjliggör kontinuerligt variabel styrning av både riktning och flödeshastighet med en ventil.

Pilotstyrda riktningsventiler

För tillämpningar med stort flöde där solenoidkraften är otillräcklig för att direkt växla huvudspolen används en pilotstyrd design. En liten solenoidstyrd pilotventil styr pilottrycket för att växla den större huvudspolen. Denna tvåstegsdesign gör det möjligt för små solenoider att styra mycket stora flödeshastigheter – pilotventilen gör omkopplingen och pilottrycket gör jobbet med att flytta huvudspolen.

Figur 10-14 Pilotstyrd riktningsventil. Den lilla solenoidstyrda pilotventilen (överst) leder pilottrycket för att förskjuta den stora huvudsliden (nederst). Denna design gör det möjligt för små solenoider att styra huvudventiler med högt flöde.

Proportionella magnetventiler

I styrenheten matas reverseringssignal och ingångssignal in samtidigt. "Felsignalen" som produceras mellan de två driver styrenheten att proportionellt aktivera en solenoid "A" eller "B". När solenoiden aktiveras omvandlar den signalen till en kraft. Den proportionella solenoiden som är centrerad i ventilhuset, tillsammans med pilotventilens förspänningsfjäder, omvandlar det styrtrycket till ett pilotslidläge. Positionssensorn LVDT ansluts direkt till huvudventilens slid, vars funktion är att ge automatisk återkoppling till pilotsliden.

Tryckdifferentialriktningsventil (momentmotorstyrning)

Tryckdifferentialriktningsventilen är av trestegstyp – med pilotventilen som första steg och huvudventilen som andra steg. Pilotventilen är mer komplex och består av en momentmotor, fjädrar, jetrör och en justerbar slid med pilotändkåpor och en LVDT. Det andra steget (huvudventilen) liknar de andra pilotstyrda riktningsventilerna.

Första stegets pilotventilkonstruktion

Pilotventilen består av en momentmotor, ett jetrör, en slid med vänster och höger fjädrar och liknande komponenter. Jetröret riktar styrtrycket till endera änden av sliden. Pilotventilen är av liknande typ som den fjädercentrerade riktningsventilen.

Andra stegets huvudventil

Det andra steget (huvudventilen) liknar andra typer av proportionella riktningsventiler och kommer inte att upprepas här.

Pilotventilens funktion

Elektrisk styrsignalström flyter genom momentmotorns lindningar mellan de två solenoiderna. Jämförelsen och skillnaden mellan de elektriska signalerna bestämmer momentmotorns magnetfälts riktning. Beroende på vilken solenoid som har den starkaste signalen, styrs strålröret för att trycksätta ena änden av pilotspolen. Samtidigt ökar styrenhetens utgång flödet till ena sidan av riktningsventilens spole upp till proportionalvärdet, och ökar gradvis flödet till den sidan tills proportionalvärdet uppnås.

Viktiga begrepp — Kapitel 10