Vi vet redan att det maximala systemtrycket kan regleras med en tryckregleringsventil som är normalt stängd – dess primära port ansluts till systemtrycket och dess sekundära port ansluts till tanken. Spolen reglerar baserat på det förinställda trycket: när primära och sekundära passages öppnar vid en inställd punkt, dirigeras en del av flödet till tanken. Denna normalt stängda tryckregleringsventil är en säkerhetsventil. Detta kapitel behandlar alla typer av tryckregleringsventiler – deras konstruktion, kretsanvändningar och viktiga prestandaegenskaper.

Tryckjustering

Vid en tryckregleringsventil sker tryckjustering vanligtvis genom att justera fjäderns förspänningskraft med en justeringsskruv. Trycket ändras när skruven vrids.

Figur 11-1 Normalt stängd tryckregleringsventil. Justeringsskruven ställer in fjäderns förspänning, vilket avgör vid vilket tryck spolen lyfts och ventilen öppnas.

Användningsområden för normalt stängda tryckventiler

I hydrauliska system används normalt stängda tryckstyrventiler för flera ändamål. Förutom att användas som systemöverskridningsventiler kan de också styra sekvensen av åtgärder – styra en åtgärd så att den sker innan en annan. De kan också användas för att balansera externa mekaniska krafter.

Stegventil

En normalt stängd tryckstyrventil som styr att en åtgärd sker innan en annan kallas för en sekvensventil.

Tillämpning av sekvensventilkrets

I en hydraulisk krets som utför både spänning och borrning måste spännningscylindern utsträckas innan borrningscylindern. För att uppnå detta placeras sekvensventilen i kretsen precis före borrningscylindern. Fjädern i sekvensventilen tillåter inte kolven att ansluta primär- och sekundärpassagerna förrän trycket stiger tillräckligt för att övervinna fjäderkraften – tills dess är flödet till borrningscylindern blockerat. Spännningscylindern utsträcks därför först. När spännningen når arbetsstycket måste pumpen leverera högre tryck för att övervinna motståndet. Detta höjer trycket ovanför det styrande trycket som verkar på sekvensventilens kolvspets, vilket kopplar samman primär- och sekundärpassagerna och låter flödet gå till borrningscylindern – borrningscylindern börjar då röra sig.

Figur 11-2 Sekvensventilkrets. Genom att sekvensventilen blockerar flödet till borrningscylindern tills systemtrycket byggs upp, stängs spännningen alltid först innan borrningen påbörjas.

Motviktsspelare

En normalt stängd tryckregleringsventil som används för att balansera eller bära en vikt (till exempel en pressplatta) kallas för en motviktventil.

Användning av motviktventilkrets

I en presskrets kommer pressplattan, som är kopplad till kolvstången, att falla okontrollerat under tyngdkraften när riktningssventilen skickar flöde in i den blinda änden av cylindern, och pumpflödet kommer att sugas tömt. För att förhindra detta installeras en normalt stängd tryckventil nedströms från presscylindern. Ventilens spol öppnar inte passage från primär till sekundär så länge trycket i botten inte stiger över det tryck som genereras av plattans vikt. Med andra ord balanserar denna metod plattans vikt under hela den nedåtgående rörelsen samtidigt som olja tillförs till den blinda änden av cylindern.

Motviktventilen kan också användas för att bromsa rotationsrörelsen hos en hydraulisk motor med tung last. För en hydraulisk motor som driver tunga hjul kan motorn, när hjulen har byggt upp rörelsemängd, överhastas (löpa iväg). Om en motviktventil installeras vid motorns utlopp öppnas ventilen endast när utloppstrycket når det inställda värdet. Detta backtryck motverkar kraften som genereras genom omvandlingen av de tunga hjulens rotationsrörelsemängd.

Figur 11-3 Motviktventil. (Överst) Förhindrar att pressplattan faller okontrollerat. (Nedre delen) Förhindrar att en motor med tung last överhastas när lasten driver motorn.

Enkel säkerhetsventil

En enkel säkerhetsventil består i princip av ett ventilhuvud med en spole som belastas av en hård fjäder. När trycket på den sida av spolen som ligger motsatt fjädern stiger tillräckligt högt rör sig spolen och öppnar en passage för att leda pumpflödet till tanken.

I exempelkretsen är den enkla säkerhetsventilen inställd så att när pumpens utloppstryck når 1 000 psi (68,97 bar) sker en avledningsström på 10 gpm (37,9 lpm). Detta betyder inte att ventilen plötsligt öppnas vid 1 000 psi — snarare börjar ventilen öppnas vid en låg trycknivå vid tryck under 1 000 psi (68,97 bar) och leder en del av strömmen till tanken. När trycket närmar sig 1 000 psi (68,97 bar) ökar öppningen gradvis för att leda mer ström till tanken. Vid inställningspunkten 1 000 psi (68,97 bar) är öppningen i spetsen tillräckligt stor för att leda hela strömmen på 10 gpm (37,9 lpm). När systemtrycket sjunker under öppningstrycket för säkerhetsventilen försvinner passage till tanken, som bildats av ventilen, från kretsen.

Temperaturpåverkan på inställning av säkerhetsventil

Öppningen av en säkerhetsventil är i princip en funktion av en spets. Precis som alla spetsanordningar påverkas flödet genom den av vätskans temperatur och därmed av viskositeten.

För en tryckavlastningsventil inställd på 1 000 psi (68,97 bar) som avleder 10 gpm (37,9 lpm) antas oljans viskositet vara konstant. Vid rumstemperatur är oljans viskositet i utrustningens reservoar 400–500 SUS (86,3–107,9 cSt). Vid denna viskositet avleder en systemtryckavlastningsinställning på 1 000 psi (68,97 bar) 10 gpm (37,9 lpm) genom öppningen i strypdelen till tanken. När oljan värms upp kan pumptrycket begränsas till 900 psi (62 bar) eller lägre. Anledningen är att när oljans temperatur stiger minskar viskositeten – till exempel till 100 SUS (21,6 cSt). Det innebär att en lägre tryckkraft kan driva 10 gpm (37,9 lpm) flöde genom öppningen i tryckavlastningsventilen till tanken.

Det motsatta sker när tryckavlastningsventilen är inställd vid driftviskositeten – när pumpen startar är oljans temperatur låg och viskositeten hög, vilket kan leda till att pumptrycket når 1 100 psi (75,9 bar). För system med strikta gränser för maximalt pumptryck bör systemet värmas upp innan tryckavlastningsventilen justeras.

Figur 11-5 Temperaturpåverkan på tryckavlastningsventilens inställning. Kall (högviskos) olja kräver högre tryck för att genomlåta samma flöde. Värma alltid systemet innan tryckavlastningsventilen ställs in.

Påverkan av pumpslitage på tryckavlastningsventilens inställning

Pumpslitage påverkar också inställningen av säkerhetsventilen. För en säkerhetsventil inställd för att släppa bort 10 gpm (37,9 lpm) vid 1 000 psi (68,97 bar) kan 10 gpm (37,9 lpm) pumpflöde släppas bort genom ventilens öppning till tanken så länge trycket vid ventilens inloppsport är 1 000 psi (68,97 bar). När hydraulpump sliters minskar dess utflöde; flödet genom säkerhetsventilen minskar också, vilket leder till att trycket sjunker. För en ventilställning på 1 000 psi (68,97 bar) för att släppa bort 10 gpm (37,9 lpm) kan systemets säkerhetsventiltryck exempelvis sjunka till endast 900 psi (62 bar) om bortsläppflödet minskar till 5 gpm (18,95 lpm) på grund av pumpslitage. Vid justering av säkerhetsventilens inställning uppstår liknande situationer.

Enkel tryckavlastningsventils öppningstryck

Spricktrycket är det tryck vid vilket säkerhetsventilen börjar öppna sin bypasspassage. För en enkel säkerhetsventil är detta tryck något lägre än ventilens inställda tryckvärde. Enkla säkerhetsventiler har egenskapen att ha ett för-spricktryck.

I prestandadiagrammet för den enkla säkerhetsventilen är ventilen inställd att leda bort 10 gpm (37,9 lpm) vid 1 000 psi (68,97 bar). Kurvan visar att ventilen öppnar vid 800 psi (55,2 bar), och när trycket närmar sig 1 000 psi (68,97 bar) ökar bypassflödet – slutligen vid 1 000 psi (68,97 bar) är öppningen tillräckligt stor för att släppa igenom 10 gpm (37,9 lpm).

Effekten av för-spricktryck på systemet

Förspänningstrycket för säkerhetsventilen är en nackdel för systemet. Anta att pumpen/motorn genererar 750 psi (51,7 bar) och levererar 10 gpm (37,9 lpm) till aktuatorn, där 550 psi (37,9 bar) krävs för belastningen och de återstående 200 psi (13,8 bar) övervinner vätskeströmningsmotståndet. Om en enkel säkerhetsventil inställd på 1 000 psi (68,97 bar) används, förblir ventilen vid denna punkt stängd och all tryckolja går direkt till den arbetsbelastning som utför arbetet.

Om belastningstrycket stiger till 700 psi (48,28 bar) måste pumpen/motorn höja sitt utmatningstryck till 900 psi (62,1 bar) (förutsatt konstant utmatningsflöde). Eftersom förspänningstrycket för säkerhetsventilen är 800 psi (55,2 bar) bypassas 5 gpm (18,95 lpm) vid nuvarande pumptryck, vilket innebär att aktuatorn får mindre än det fulla pumpflödet och att arbetet utförs med minskad hastighet. Samtidigt strömmar oljan genom säkerhetsventilens öppning och genererar onödig värme.

Om lasttrycket är 750 psi (51,7 bar) måste pumpen/motorn generera 950 psi (65,5 bar) – ännu högre tryck vid ökad flödesomledning genom säkerhetsventilens öppning, vilket ytterligare minskar aktuatorns hastighet och genererar ännu mer onödig värme.

Figur 11-7 Effekten av förspänningstryck. Den enkla säkerhetsventilen börjar omleda flöde innan det inställda trycket nås, vilket minskar aktuatorns hastighet och slösar bort energi som värme vid mellanliggande lasttryck.

Normalt öppen tryckventil

Den normalt stängda tryckregleringsventilen har sina primära och sekundära portar frånkopplade i normalt läge och övervakar trycket vid den primära porten. Den normalt öppna tryckventilen har sina primära och sekundära portar kopplade i normalt läge och övervakar trycket vid den sekundära porten.

Reduceringsventil

Reduceringsventilen är vanligtvis en normalt öppen tryckregleringsventil.

Hur en reduceringsventil fungerar

En reduktionsventil fungerar genom att mäta trycket nedströms ventilen. När trycket nedströms motsvarar ventilens inställning stänger spolen delvis, vilket bildar en öppning som omvandlar den överskottliga energin från trycket uppströms till värme. Om trycket nedströms sjunker öppnar spolen sig mer, vilket gör att trycket kan stiga igen.

Användning av reduktionsventilkrets

I det angivna exempel på en klampringskrets krävs det att kramcylindern B utövar mindre kraft än kramcylindern A. För att uppnå detta installeras en reduktionsventil precis innan kramcylindern B för att sänka trycket till cylindern B till reduktionsventilens inställning. Vid denna inställda tryckpunkt skapar reduktionsventilens spolfunktion en öppning som omvandlar den överskottliga energin från trycket uppströms till värme. Cylindern B krammar med det reducerade trycket.

Statiskt tryckfall för reduktionsventil (förskjutning)

Trycket vid sekundärporten för reduktionsventilen vid nominell flödesförhållanden är lägre än vid nollflöde. Skillnaden mellan de två reducerade trycken är den statiska tryckfallets förskjutning för reduktionsventilen. Det statiska tryckfallet är en inbyggd egenskap hos reduktionsventilen som ytterligare förklarar varför trycket ökar med flödet. En reduktionsventil med nominellt flöde på 15 gpm (56,85 lpm) har vid nominellt flöde och nominellt arbetstryck en statisk förskjutning av ca 50 psi (3,45 bar), medan en reduktionsventil med nominellt flöde på 100 gpm (379 lpm) kan ha en statisk förskjutning på upp till 150 psi (10,3 bar).

Figur 11-9 Statiskt tryckfall för reduktionsventil. Utgående tryck är något lägre under flöde än när flödet upphör. Ju större nominellt flöde ventilen har, desto större är denna förskjutning.

Dränering — intern och extern

När spolen i tryckregleringsventilen rör sig inuti ventilkroppen läcker en del tryckolja in i utrymmet ovanför spolen. För att ventilen ska fungera korrekt måste utrymmet ovanför spolen kontinuerligt avleda olja för att förhindra att spolens rörelse blockeras. Avledningen sker genom att bygga en avledningskanal inuti ventilkroppen och ansluta den till reservoaren.

Inre avledning

Om den sekundära porten på tryckventilen är ansluten till reservoaren – som hos säkerhetsventiler och motbalansventiler – ansluts avledningskanalen internt till den sekundära porten (returporten). Detta kallas inre avledning.

Yttre avledning

Om den sekundära porten på tryckventilen är en tryckport (arbetsporten), som hos sekvensventiler och reducerande ventiler, är avledningskanalen en separat ledning till reservoaren. Detta kallas yttre avledning. Sekvensventiler och reducerande ventiler är vanligtvis tryckregleringsventiler med yttre avledning.

Direktstyrning och fjärrstyrning

Hittills har tryckmätning skett genom passages i ventilkroppen. Normalt sker mätningen vid primäranslutningen för normalt stängda ventiler och vid sekundäranslutningen för normalt öppna ventiler. Denna form av tryckmätning kallas direktstyrning eller lokal styrning. En tryckregleringsventil kan också mäta trycket från en annan del av systemet via ett externt rör – detta kallas fjärrstyrning eller pilotstyrning.

Figur 11-10 Direktstyrning (vänster) mäter trycket vid ventilen själv på dess anslutning. Fjärrstyrning (höger) möjliggör att ett avlägset trycksignal öppnar eller justerar ventilen – användbart för ackumulatorurladdning och sekvensstyrning av flera aktuatorer.

Urladdningsventil

En urladdningsventil är en fjärrstyrdd, normalt stängd tryckregleringsventil. När systemtrycket vid mätpunkten når ett förinställt värde omleder ventilen flödet till tanken.

Användning av urladdningsventilkrets

I ackumulatorkretsen med en direktstyrande tryckventil återgår pumpens utflöde till tanken vid säkerhetsventilens inställning så snart ackumulatorn laddats upp till ventilens inställningstryck. Detta slösar bort betydlig effekt och genererar stora mängder onödig värme. Genom att ansluta styrlinjen till backventilen nedströms av urladdningsventilen – så att när ackumulatorn laddas upp till ventilens inställningstryck öppnas ventilen av stycktrycket och pumpens flöde ledes till tanken vid lägsta möjliga tryck. Vid detta tillfälle behöver pumpen inte leverera högt tryck för att hålla urladdningsventilen öppen, eftersom stycktrycket hämtas från ackumulatorn, som är isolerad från pumpen av backventilen. Eftersom pumptrycket vid detta tillfälle är försumbart är även effektförlusten försumbar.

Figur 11-11 Urladdningsventilkrets. När ackumulatorn är laddad isolerar backventilen den från pumpen, och urladdningsventilen leder pumpens flöde till tanken vid minimalt tryck – vilket sparar nästan hela pumpens effekt under vänteläge.

Fjärrstyrda balansventiler

En direktverkande jämviktssäkringsventil som är installerad nedströms cylindern som stödjer pressens platta kan effektivt balansera eller ta ut plattans vikt. Men under pressprocessen, när plattan passerar genom materialet, bör plattans vikt inte läggas till den totala presskraften. Om detta inte önskas bör jämviktssäkringsventilen använda fjärrstyrning, med sin styrlinje ansluten till den andra cylinderns arbetslinje. Genom att använda en fjärrstyrda jämviktssäkringsventil balanseras plattan fortfarande under nedåtgående rörelse, men under pressprocessen kan plattans vikt användas som del av presskraften. Under hela nedåtgående slaget, när det är ett tomt slag, försöker plattans egen vikt dra cylinderstången nedåt, vilket leder till att trycket uppströms och trycket i styrlinjen sjunker; jämviktssäkringsventilen tenderar då att stänga, vilket ökar motståndet och förhindrar att flödet håller jämna steg med nedåtgående hastigheten. Under pressprocessen öppnas jämviktssäkringsventilen fullständigt av högt uppströms styrrtryck, utan backtryck på stångsidan, så att plattans vikt kan bidra till presskraften.

Direktverkande mottrycksventil i en motorcirkuit

I den hydrauliska motorkretsen som visas används en direktverkande mottrycksventil för att bromsa rotationsinertian hos den tunga lasten. Mottrycksventilen är inställd på 800 psi (55,2 bar) och ger alltid ett mottryck till den roterande lasten, så att lastens hastighet inte kan överskrida pumpflödet och orsaka för hög varvtal. Detta innebär dock också att trycket vid motorns intag måste överstiga lastens arbetstryck plus 800 psi (55,2 bar) – detta är en nackdel. För att övervinna detta kan istället en bromsventil användas.

Bromsväv

En bromsventil är en normalt stängd tryckregleringsventil med både direkt- och fjärrstyrningsanslutningar. Båda styrmetoderna är anslutna samtidigt. Bromsventiler används vanligtvis tillsammans med hydraulmotorer och ersätter direktverkande mottrycksventiler i hydraulmotorcircuits.

Konstruktion av bromsventil

Bråkventilen består av ett ventilhuvud, en spole, en reglerpiston, en förspänningsfjäder och en fjäderinställningsanordning. Ventilhuvudet har primära, sekundära, interna regler- och externa reglerkanaler.

Hur bråkventilen fungerar

Bromsventilen är en normalt stängd ventil. Anta att förspänningsfjädern är inställd för direktstyrning vid 800 psi (55,2 bar). När trycket i den interna styrledningen når 800 psi (55,2 bar) rör sig styrratten uppåt och trycker på spolen, vilket öppnar bromsventilen. När trycket sjunker under 800 psi (55,2 bar) stängs ventilen. Denna funktion är identisk med den direktverkande motviktventilen. Den interna styrrattens area är mycket mindre än spolens tvärsnittsarea – areaförhållandet är vanligtvis 8:1. Den externa styranslutningen ansluts vanligtvis till motorns andra arbetsledning. Externt tryck verkar på motsatt sida av spolfjäderutrymmet – endast 100 psi (6,89 bar) krävs för att öppna ventilen, eftersom det verkar på spolens bottenyta, som har åtta gånger så stor area som styrratten.

Användning av bromsventilkrets

Anta att bromsventilen är inställd på 800 psi (55,2 bar) för direktstyrning. När trycket i motorns inloppsrör når 100 psi (6,89 bar) öppnas bromsventilen och det fulla trycket i motorns inlopp används för att driva lasten (förutsatt att 100 psi / 6,89 bar är högre). Om lasten snabbar upp för mycket sjunker trycket i motorns inlopp, bromsventilen stängs och backtrycket på 800 psi (55,2 bar) öppnas igen, vilket ökar motståndet och bromsar lasten.

Bromsventilen är en normalt stängd tryckregleringsventil. Dess funktion är direkt kopplad till kraven från motorns last.

Figur 11-13 Bromsventil. Till skillnad från en enkel mottrycksventil har bromsventilen både direkt (inre) och fjärrstyrd (yttre) styrning. Areaförhållandet 8:1 innebär att endast 100 psi yttre pilottryck krävs för att öppna den – så att motorn lätt kan driva lasten, samtidigt som den fortfarande ger ett backtryck på 800 psi vid bromsning om lasten försöker snabba upp för mycket.

Omvänd strömning genom tryckregleringsventiler

Förutom tryckavlastningsventiler och urladdningsventiler kräver alla tryckventiler vanligtvis omvänd strömning för att kunna passera fritt. Normalt stängda tryckventiler mäter trycket vid primäranslutningen — om strömningen omvänder riktning sjunker trycket vid primäranslutningen, spolen stängs och förbindelsen mellan primär- och sekundäranslutningen bryts. Eftersom omvänd strömning inte kan passera genom normalt stängda tryckventiler måste en backventil användas för att kringgå denna typ av ventil.

Normalt öppna tryckventiler mäter trycket i sekundärpassagen — så länge strömningen omvänder riktning hålls trycket nedströms under inställningsvärdet, vilket innebär att ventilpassagen alltid förblir öppen, så att ingen backventil för omvänd strömning behövs. I praktiken stängs dock spolen plötsligt när trycket vid sekundäranslutningen stiger över inställningsvärdet. Som försiktighetsåtgärd används backventiler och reduktionsventiler ofta tillsammans för att säkerställa omvänd strömning.

Sammanfattning av tryckregleringsventiler

Från studien i detta kapitel kan vi sammanfatta de viktigaste reglerna för tryckregleringsventiler:

• Regel A: Tryckstyrda ventil med sekundära anslutningar till en tryckkrets kräver extern avledning (sekvensventiler och reduktionsventiler).
• Regel B: Tryckstyrda ventil med sekundära anslutningar till reservoaren använder vanligtvis intern avledning (överströmningsventiler, urlastningsventiler, motviktventiler och bromsventiler).
• Regel C: För att tillåta fri omvänd strömning genom en tryckstyrda ventil måste en backventil användas.

Figur 11-15 Grafiska symboler för alla tryckstyrda ventil. Obs: Sekvensventiler och reduktionsventiler har alltid externa avledningsledningar (markerade som streckade linjer till reservoaren). Överströmnings-, urlastnings- och motviktventiler använder intern avledning.

Terminologi för tryckstyrda ventil

Nyckelbegrepp som används vid tryckstyrda ventil:

• Direkt styrning — Användning av olja från den egna styrgången i ventilens kropp för att styra spolen. "Lokalt verkan" — spolen belastas endast av fjäderkraft.
• Överströmning till reservoar — Strömningen passerar genom en överströmningsventil.
• Pilot (ledningstryck) — Det hydrauliska trycket som används för att styra spolens rörelse. Tryckmätning från en plats avlägsen från själva ventilen.
• Öppningstryck — Det tryck vid vilket säkerhetsventilen först börjar öppna bypasspassagen.
• För tidigt öppningstryck — Tendensen hos vissa ventiler (särskilt enkla säkerhetsventiler) att öppna under det inställda trycket.
• Mottryck — Tryck på utloppssidan av en ventil eller en aktuator som motverkar flöde eller rörelse.