Kapitel 9: Flödesregleringsventiler

Öppningen

En öppning är en relativt liten öppning i en vätskeströmningsbana. Strömmen genom en öppning påverkas av flera faktorer, där de tre huvudsakliga är:

1. Orificestorlek
2. Tryckdifferensen över öppningen
3. Vätsketemperatur

Effekten av öppningens storlek på strömmen

Öppningens storlek styr strömmen genom den. Ett vanligt vardagsexempel är ett trädgårdsslangmunstycke – om munstyckets öppning är liten kommer vattnet ut som en fin dimma eller spray. Om öppningen är större blir det en stråle. I båda fallen begränsar munstyckets öppning vattnets flödesriktning – flödet genom öppningen bestäms av öppningens storlek.

Figur 9-1 Flödesregleringsventil i en krets. Ventilen begränsar flödet till cylindern. Överskottsflödet från pumpen går förbi säkerhetsventilen. Det begränsade flödet omvandlas till potentiell energi (hastighet) vid öppningen.

Fast Öppning

En fast öppning har en öppningsstorlek som inte kan justeras. De vanligaste exemplen inom hydraulikteknik är den borrade hålet i en rörfacka eller en backventil, eller den fabriksförinställda flödesregleringsventilen.

Justerbar öppning

I de flesta fall krävs en justerbar öppning istället for en fast, eftersom den är mer anpassningsbar. Slussventiler, kulventiler och nålventiler är alla exempel på justerbara öppningar.

Grindventil

En slussventils flödespassage är rak. Storleken på öppningen ändras genom att vrida handtaget för att öppna eller stänga slussen i flödesvägen. Även om slussventiler inte är avsedda för flödesreglering kan de i vissa grova flödesmätningssystem användas som flödesbegränsande enheter.

Bollventil

Kulventilers flödespassager är inte raka – de gör en 90°-sväng. Öppningen utgörs av sätena och den koniska eller kulförmade pluggen i den roterande passagen. Öppningens storlek justeras genom att ändra läget för kulpluggen.

Nåldventil

Flödet genom nålventiler gör också en 90°-sväng och passerar sedan genom en öppning. Denna öppning utgörs av avståndet mellan en konisk ventilstav och ventilsätet. Storleken på öppningen ändras genom att justera läget för konens yta i förhållande till ventilsätet. Eftersom justeringstrådarna på ventilstaven har fin gänga och spetsen är konisk ändras storleken på öppningen gradvis. I hydrauliska system är nålventilen den vanligaste typen av variabel öppning.

Figur 9-2 Typer av variabla öppningar. Nålventilen (nederst) är den vanligaste i hydrauliksystem – dess koniska spets och fina gängor möjliggör mycket exakt och gradvis flödesjustering.

Användning av nålventil i en krets

Exempelkretsen använder en positivfördrängningspump med flöde på 5 gpm (18,95 l/min), en säkerhetsventil, en riktningventil, en variabel öppning (nålventil) samt en hydraulcylinder med kolvyta på 3 in² (19,35 cm²). Om säkerhetsventilen är inställd på 500 psi (34,48 bar) och pumpen levererar 5 gpm:

När nålventilen begränsar flödet till endast 2 gpm (7,58 lpm) blir stångens hastighet = 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). Tryckbegränsningsventilen begränsar systemtrycket till 500 psi (34,48 bar) genom att leda det återstående flödet på 3 gpm (11,37 lpm) till tanken.

Öppning av nålventilens öppning

Att vrida ut nålventilen ökar öppningens storlek – mer flöde passerar till cylindern, upp till tryckbegränsningsventilens tryckgräns. Stångens hastighet ökar.

Stängning av nålventilens öppning

Att vrida in nålventilen minskar öppningens storlek. Mindre flöde strömmar in i cylindern, så stångens hastighet minskar.

Effekten av tryckdifferensen på flödet

Flödet genom en öppning påverkas av tryckdifferensen. Eftersom tryck är potentiell energi i ett hydrauliskt system resulterar en större tryckdifferens över en öppning i ett större flöde genom den.

Vanligt exempel – luftmadrass

Efter en dag på stranden eller vid en campingplats tar du bort stoppet från en uppblåst luftmadrass och låter luften avtappa fritt. Eftersom tryckskillnaden mellan inuti och utomluften är liten, kollapsar madrassen långsamt. Tryck hårt på madrassen – det inre trycket stiger i förhållande till atmosfärstrycket, skillnaden ökar och luften strömmar ut snabbare.

Tryck försiktigt på en tub tandkräm – en liten mängd kommer ut. Tryck hårt – mer tandkräm pressas ut och kan landa på golvet. Om tandkrämtuben trampas på är tryckskillnaden från insidan till atmosfärstrycket större än när den trycks ihop med handen, så kommer mer tandkräm ut snabbare.

Effekten av tryckskillnad på flödet genom en nålventil i en krets

I kretsen som visas begränsar nålventilen pumpflödet på 5 gpm (18,95 L/min) till 3 gpm (11,37 L/min). Tryckavlastningsventilens inställning är 500 psi (34,48 bar). Lastmotståndet är 200 psi (14 bar). Intrycket vid nålventilens inlopp är lika med tryckavlastningsventilens inställning: 500 psi (34,48 bar). Av dessa 500 psi (34,48 bar) övervinner 200 psi (14 bar) lastmotståndet; det återstående tryckfallet på 300 psi (21 bar) driver 3 gpm (11,3 L/min) genom nålventilen, vilket ger stångens hastighet 19,25 ft/min (5,87 m/min). De återstående 2 gpm (7,58 L/min) går genom tryckavlastningsventilen till tanken.

Öka inställningen på tryckavlastningsventilen

Med oförändrat lasttryck och oförändrad inställning av nålventilen ökas tryckavlastningsventilens inställning till 600 psi (41,38 bar): intrycket vid nålventilens inlopp blir då 600 psi (41,38 bar). Av detta övervinner 200 psi (14 bar) lasten; det nuvarande tryckfallet på 400 psi (28 bar) driver 4 gpm (15 L/min) genom nålventilen. Stångens hastighet ökar till 26 ft/min (7,92 m/min).

Lasttrycket stiger

Återställ tryckavlastningsventilen till 500 psi (34,48 bar) medan nålventilen lämnas oförändrad. Lasten ökar: lasttrycket stiger till 400 psi (28 bar). Intrycket på nålventilens inlopp är fortfarande 500 psi (34,48 bar), men nu är endast en differens på 100 psi (6,9 bar) drivande för flödet genom nålventilen – endast 1 gpm (3,79 lpm). Stångens hastighet sjunker till 6 ft/min (30 mm/s). Det återstående flödet på 4 gpm (15 lpm) går över tryckavlastningsventilen.

Detta visar att flödet genom en nålvärmeländring ändras vid alla tryckvariationer på båda sidor av öppningen. För att exakt mäta flödet genom en nålvärmeländning måste dessa tryckvariationer kompenseras eller annulleras.

Hastighetsregleringsventil (tryckkompenserad flödesregleringsventil)

Från exemplen ovan påverkar alla tryckändringar på någondera sidan av öppningen flödet genom nålväxeln, vilket ändrar aktuatorns hastighet. För att exakt mäta flödet genom en öppning oavsett tryckvariationer måste dessa tryckvariationer kompenseras. En nålväxel är en icke-kompenserad flödesregleringsventil – den är en bra flödesmätare så länge tryckdifferensen förblir konstant och nålen är väl centrerad. För mer exakt flödesreglering bör en tryckkompenserad flödesregleringsventil (hastighetsregleringsventil) användas. Detta är en flödesreglerare som kompenserar för tryckändringar både före och efter öppningen.

Hastighetsregleringsventiler (tryckkompenserade flödesregleringsventiler) kan delas in i typ meter-in och typ bypass.

Konstruktion av hastighetsregleringsventil av typ meter-in

Hastighetsregleringsventilen av typ meter-in med tryckkompensering består av ett ventilhus med in- och utportar, en nålväxel, en kompenserande spets och en förspänningsfjäder.

Hur typ meter-in fungerar

För att förstå hur typen med meter-in fungerar analyserar vi dess funktion steg för steg. När den kompenserande spolen är fullständigt förskjuten mot sida A når all inkommande tryckolja nålsventilens öppning. Så länge den kompenserande spolen rör sig lätt mot sida B throttles den inkommande tryckoljan. För att hålla flödespassagen öppen är den kompenserande spolen fjäderbelastad mot sida A. Trycket vid nålsventilens inlopp avkänns via en intern styrgång till spolens A-sida — när trycket stiger över fjäderkraften skiftar spolen mot sida B.

Om nålnippans öppning justeras så att mindre än hela pumpens flöde passerar genom den, stiger trycket vid nålnippans inlopp till avlastningsventilens inställning. När trycket vid nålnippans inlopp stiger över fjäderkraften i kompenseringsspolen, förflyttas kompenseringsspolen mot B och begränsar det inkommande flödet. När flödet genom kompenseringsspolens öppning motsvarar pumpens utflöde stabiliseras trycket vid nålnippans inlopp vid fjädertrycksvärdet. Till exempel, med ett fjädertryck på 100 psi (6,89 bar) och avlastningsventil inställd på 500 psi (34,48 bar): inloppstrycket är 500 psi (34,48 bar); när oljan strömmar genom kompenseringsspolens öppning omvandlas 400 psi (28 bar) till värme, vilket sänker trycket vid nålnippans inlopp till 100 psi (6,89 bar). Detta innebär att oavsett inloppstryck för flödesregleringsventilen hålls trycket vid nålnippans inlopp på 100 psi (6,89 bar) tack vare kompenseringsspolens verkan.

Figur 9-5 Hastighetsregleringsventil med meter-in-funktion (tryckkompenserad). Den kompenserande spolen håller tryckfallet över nålventilen konstant oavsett ändringar i in- eller uttrycket – vilket ger en exakt och konstant flöde.

För den tidigare kretsen med nålventil är tryckdifferensen över nålventilens öppning bara halva historien – trycket nedströms nålventilen måste också kompenseras. Med andra ord måste en konstant tryckdifferens upprätthållas. För att uppnå detta ledes även trycket nedströms nålventilen via en styrgång till fjäderhålan för den kompenserande spolen. Nu verkar två krafter på sidan A av den kompenserande spolen: fjäderkraften och oljetrycket nedströms.

Om fjäderkraften = 100 psi (6,89 bar) begränsas tryckdifferensen över nålventilen till att vara högre än utgående tryck med 100 psi (6,89 bar). Så länge tryckavlastningsventilen är inställd till ett tillräckligt högt värde är tryckdifferensen över nålventilens öppning alltid lika med fjädertrycket. På detta sätt är tryckdifferensen som driver flödet genom nålventilen konstant – den påverkas inte av svängningar i inkommande eller utgående tryck.

Flödesregleringsventil för inmatning i en krets

I kretsen är hastighetsregleringsventilen för inmatning inställd på 3 gpm (11,37 L/min). Överspänningsventilen är inställd på 500 psi (34,48 bar) och lasttrycket är 200 psi (13,79 bar). Kompenseringsspetsens fjäderkraft motsvarar 100 psi (6,89 bar). Pumpen försöker driva hela flödet på 5 gpm (18,95 L/min) genom nålventilen, vilket orsakar att trycket vid ingången till nålventilen stiger. Vid 300 psi (21 bar) flyttas kompenseringsspetsen och begränsar flödet, vilket gör att trycket vid ingången till flödesregleringsventilen stiger till överspänningsventilens inställning på 500 psi (34,48 bar). Av dessa 500 psi (34,48 bar) används 200 psi (13,79 bar) för att övervinna lasten; 100 psi (6,89 bar) driver flödet genom nålventilen; de återstående 200 psi (13,79 bar) av de 500 psi omvandlas till värme när flödet passerar genom kompenseringsspetsens öppning. Flödet är här 3 gpm (11,37 L/min) och kolvrörelsehastigheten är 19 ft/min (97,83 mm/s).

Öka lasttrycket och inställningen av överspänningsventilen

Om lasttrycket stiger till 400 psi (27,58 bar) eller om tryckbegränsaren återställs till 600 psi (41,38 bar) finns det fortfarande 100 psi (6,89 bar) som driver flödet genom nålventilen. Så länge tryckbegränsaren är inställd till ett tillräckligt högt värde för att förflytta den kompenserande spolen kommer utflödet till cylindern att vara ett konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Hastighetsregleringsventil av bypass-typ

Hastighetsregleringsventilen av bypass-typ består av ett ventilhuvud med in- och utport samt returport, en nålventil, en kompenserande spole och en förspänningsfjäder.

Hur bypass-typen fungerar

Den kompenserande spolen i denna ventil öppnar och stänger en bypass-passage till tankreturen. Den kompenserande spolen är fjäderbelastad för att stänga (lägre läge). Om fjädern har en kraft på 100 psi (6,89 bar) begränsas trycket vid nålventilens inlopp till 100 psi (6,89 bar). När flödet genom ventilen initialt skickas fullständigt till oljetanken. Under normal drift hålls den kompenserande spolen i stängt läge av fjädern.

Inloppstrycket till nålfördelaren detekteras via en intern styrkanal till toppen av den kompenserande spolen. När trycket stiger över fjäderkraftens förspänningskraft fungerar den kompenserande spolen som en säkerhetsventil – den öppnar bypass-kanalen och begränsar inloppstrycket till nålfördelaren till 100 psi (6,89 bar). Det fasta inloppstrycket till nålfördelaren garanterar inte konstant flöde – om utloppstrycket ändras ändras tryckdifferensen över nålorificen, och därmed ändras flödet.

För att kompensera för detta ledes utloppstrycket från nålfördelaren genom en styrkanal till fjäderkammaren för den kompenserande spolen. Nu har den kompenserande spolens A-sida två förspänningskrafter: fjäderkraften och oljetrycket på utloppssidan. Om fjädern är inställd till 100 psi (6,89 bar) begränsas inloppstrycket till nålfördelaren till 100 psi (6,89 bar) över utloppstrycket. Så länge säkerhetsventilen är inställd till ett tillräckligt högt värde är tryckdifferensen över nålorificen 100 psi (6,89 bar) – konstant.

Hastighetsregleringsventil av bypass-typ i en krets

Hastighetsregleringsventil av bypass-typ inställd på 3 gpm (11,37 L/min). Översluttryck 500 psi (34,48 bar), last 200 psi (13,79 bar), fjäder = 100 psi (6,89 bar). Pumpen försöker driva hela 5 gpm (18,95 L/min) genom nålventilen. Kompenseringsspolen öppnar bypass-passagen och begränsar inmatningstrycket till nålventilen till 300 psi (20,68 bar). Av detta tryck på 300 psi: 200 psi (13,79 bar) övervinner lasten och 100 psi (6,89 bar) driver 3 gpm (11,37 L/min) genom nålventilen. De återstående 2 gpm (7,58 L/min) bypassas genom öppningen i kompenseringsspolen tillbaka till tanken.

Figur 9-8 Hastighetsregleringskrets av bypass-typ. Kompenseringsspolen bypassar överskottsflödet från pumpen direkt till tanken istället för att skicka det över överslutventilen. Detta är energieffektivare än meter-in-typen eftersom överskottsflödet inte passerar genom hela systemets tryck.

Öka lasttrycket och inställningen av överspänningsventilen

Om lasttrycket stiger till 400 psi (27,58 bar) eller säkringsventilen återställs till 600 psi (41,38 bar), finns det fortfarande 100 psi (6,89 bar) som driver flödet genom nålventilen. Så länge säkringsventilen är inställd tillräckligt högt för att öppna den kompenserande spolen är utflödet till cylindern ett konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Temperaturpåverkan på strömningshål

Som nämnts i början av detta kapitel är de tre huvudsakliga faktorerna som påverkar strömningshastigheten genom en öppning storleken på öppningen, tryckdifferensen och oljetemperaturen. När oljetemperaturen ändras ändras dess viskositet – och när oljans viskositet ändras ändras även strömningshastigheten genom öppningen. För fasta öppningar eller nålventiler är temperaturinducerade strömningsändringar vanligtvis inte signifikanta, eftersom öppningens storlek och tryckdifferensen i allmänhet är stora i förhållande till viskositetseffekterna. För applikationer som kräver mycket exakt strömningsreglering måste dock temperaturpåverkan beaktas. Både meter-in- och bypass-typens hastighetsregleringsventiler är i allmänhet lämpliga för typiska industriella hydraulikapplikationer.

För applikationer som kräver extremt exakt strömningsreglering – oavsett temperaturändringar – kan en temperaturkompenserad strömningsregleringsventil användas. Denna typ kompenserar också för temperaturpåverkan.

Viktiga formler – Kapitel 9