เราทราบกันดีอยู่แล้วว่า ความดันสูงสุดของระบบสามารถควบคุมได้ด้วยวาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิด — พอร์ตหลักของมันเชื่อมต่อกับความดันของระบบ ส่วนพอร์ตรองเชื่อมต่อกับถังเก็บน้ำมัน แกนไส้ (spool) ทำหน้าที่ควบคุมตามความดันที่ตั้งไว้ล่วงหน้า: เมื่อทางผ่านหลักและทางผ่านรองบรรจบกันที่จุดที่กำหนด บางส่วนของกระแสไหลจะถูกเบี่ยงเบนไปยังถังเก็บน้ำมัน วาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิดนี้คือ วาล์วปล่อยแรงดัน (relief valve) บทนี้ครอบคลุมวาล์วควบคุมความดันทุกชนิด รวมถึงโครงสร้าง การประยุกต์ใช้งานในวงจร และลักษณะประสิทธิภาพสำคัญ

การปรับแรงดัน

ในการปรับความดันของวาล์วควบคุมความดัน มักทำโดยการปรับแรงกดเริ่มต้น (pre-load force) ของสปริงดันด้วยสกรูปรับ ความดันจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อหมุนสกรูนั้น

รูปที่ 11-1 วาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิด สกรูปรับใช้ตั้งแรงกดเริ่มต้นของสปริง ซึ่งกำหนดความดันที่แกนไส้ยกขึ้นและวาล์วเปิด

การประยุกต์ใช้งานวาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิด

ในระบบไฮดรอลิก วาล์วควบคุมแรงดันแบบปิดตามปกติมีการใช้งานหลายประการ นอกเหนือจากการใช้เป็นวาล์วปล่อยแรงดันของระบบแล้ว ยังสามารถควบคุมลำดับของการทำงานได้อีกด้วย — โดยทำให้การกระทำหนึ่งเกิดขึ้นก่อนอีกการกระทำหนึ่ง นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อสมดุลกับแรงกลไกภายนอกได้

วาล์วเรียงลำดับ

วาล์วควบคุมแรงดันแบบปิดตามปกติที่ควบคุมให้การกระทำหนึ่งเกิดขึ้นก่อนอีกการกระทำหนึ่ง เรียกว่า วาล์วลำดับ (sequence valve)

การประยุกต์ใช้วงจรวาล์วลำดับ

ในวงจรไฮดรอลิกที่ทำหน้าที่ทั้งการยึดชิ้นงานและการเจาะ กระบอกสูบสำหรับยึดชิ้นงานต้องยื่นออกมาก่อนกระบอกสูบสำหรับการเจาะ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ วาล์วเรียงลำดับ (sequence valve) จะถูกติดตั้งไว้ในวงจรทันทีก่อนกระบอกสูบสำหรับการเจาะ สปริงภายในวาล์วเรียงลำดับจะไม่อนุญาตให้ส่วนควบคุม (spool) เชื่อมต่อทางผ่านหลักและทางผ่านรองจนกว่าความดันจะเพิ่มขึ้นสูงพอที่จะเอาชนะแรงต้านของสปริง — ดังนั้น ขณะที่ยังไม่ถึงจุดนั้น กระแสไหลจะถูกปิดกั้นไม่ให้ไปยังกระบอกสูบสำหรับการเจาะ ทำให้กระบอกสูบสำหรับยึดชิ้นงานยื่นออกมาก่อน เมื่อหัวจับสัมผัสกับชิ้นงานแล้ว ปั๊มจะต้องจ่ายความดันที่สูงขึ้นเพื่อเอาชนะแรงต้าน ซึ่งจะทำให้ความดันเพิ่มสูงขึ้นเหนือความดันนำ (pilot pressure) ที่กระทำต่อส่วนควบคุมของวาล์วเรียงลำดับ ส่งผลให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างทางผ่านหลักและทางผ่านรอง และกระแสไหลจะถูกส่งไปยังกระบอกสูบสำหรับการเจาะ — กระบอกสูบสำหรับการเจาะจึงเริ่มเคลื่อนที่

รูปที่ 11-2 วงจรวาล์วเรียงลำดับ โดยวาล์วเรียงลำดับจะปิดกั้นกระแสไหลไปยังกระบอกสูบสำหรับการเจาะจนกว่าความดันในระบบจะเพิ่มขึ้นอย่างเพียงพอ ดังนั้น หัวจับจึงปิดแน่นก่อนเสมอ ก่อนที่กระบวนการเจาะจะเริ่มต้น

วาล์วน้ำหนักสมดุล

วาล์วควบคุมแรงดันแบบปิดปกติที่ใช้เพื่อสมดุลหรือรองรับน้ำหนัก (เช่น แผ่นกดของเครื่องอัด) เรียกว่า วาล์วต้านถ่วง

การประยุกต์ใช้วาล์วต้านถ่วงในวงจร

ในวงจรเครื่องอัด เมื่อวาล์วเปลี่ยนทิศทางส่งของไหลเข้าสู่ปลายไม่มีก้านลูกสูบของกระบอกสูบ แผ่นกดที่ต่อกับก้านลูกสูบจะเคลื่อนที่ลงอย่างไม่มีการควบคุมภายใต้แรงโน้มถ่วง และทำให้ปั๊มดูดของไหลจนหมด เพื่อป้องกันปัญหานี้ จึงติดตั้งวาล์วควบคุมแรงดันแบบปิดปกติไว้ที่ด้านปลายน้ำของกระบอกสูบเครื่องอัด โดยสปูลของวาล์วจะไม่เปิดทางไหลจากด้านหลักไปยังด้านรองจนกว่าแรงดันที่ด้านล่างจะสูงกว่าแรงดันที่เกิดจากน้ำหนักของแผ่นกด กล่าวอีกนัยหนึ่ง วิธีนี้จะช่วยรักษาสมดุลน้ำหนักของแผ่นกดตลอดช่วงการเคลื่อนที่ลงทั้งหมดขณะจ่ายน้ำมันเข้าสู่ปลายไม่มีก้านลูกสูบของกระบอกสูบ

วาล์วต้านสมดุลสามารถใช้เพื่อหยุดการหมุนของมอเตอร์ไฮดรอลิกที่รับน้ำหนักมากได้เช่นกัน สำหรับมอเตอร์ไฮดรอลิกที่ขับเคลื่อนล้อหนัก เมื่อล้อเริ่มมีโมเมนตัม ความเร็วของมอเตอร์อาจสูงเกินไป (เกิดภาวะควบคุมไม่ได้) หากติดตั้งวาล์วต้านสมดุลที่ทางออกของมอเตอร์ วาล์วจะเปิดเฉพาะเมื่อกดดันที่ทางออกถึงค่าที่กำหนดไว้ แรงดันย้อนกลับนี้จะทำหน้าที่ต้านแรงที่เกิดจากการแปลงโมเมนตัมการหมุนของล้อหนัก

รูปที่ 11-3 วาล์วต้านสมดุล (ด้านบน) ป้องกันไม่ให้แผ่นกดตกลงอย่างไม่มีการควบคุม (ด้านล่าง) ป้องกันไม่ให้มอเตอร์รับน้ำหนักมากหมุนเร็วเกินไปเมื่อน้ำหนักเป็นตัวขับมอเตอร์

วาล์วระบายแรงดันแบบง่าย

วาล์วระบายแรงดันแบบง่ายประกอบด้วยตัววาล์วที่มีสปูลซึ่งถูกดันด้วยสปริงแข็ง เมื่อกดดันที่ด้านของสปูลตรงข้ามกับสปริงเพิ่มสูงขึ้นจนถึงระดับหนึ่ง สปูลจะเคลื่อนที่และเปิดช่องทางเพื่อเบี่ยงเบนกระแสจากปั๊มไปยังถัง

ในวงจรตัวอย่าง วาล์วปล่อยแรงดันแบบง่ายถูกปรับตั้งให้เมื่อความดันที่ทางออกของปั๊มถึง 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) จะเกิดการไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดันเป็นปริมาณ 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ซึ่งไม่ได้หมายความว่าวาล์วจะเปิดขึ้นทันทีทันใดที่ความดัน 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว — แต่แท้จริงแล้ว ที่ความดันต่ำกว่า 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) วาล์วจะเริ่มเปิดขึ้นที่จุดความดันต่ำ ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนบางส่วนของกระแสไหลไปยังถังเก็บ ขณะที่ความดันเข้าใกล้ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) การเปิดของวาล์วจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเพื่อให้กระแสไหลผ่านไปยังถังเก็บมากขึ้น ที่จุดความดันที่ตั้งไว้ที่ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) ขนาดของรูเปิดจะใหญ่พอที่จะผ่านกระแสไหลเต็มจำนวน 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ทันทีที่ความดันของระบบลดลงต่ำกว่าความดันที่วาล์วปล่อยแรงดันเริ่มเปิด ช่องทางที่เชื่อมไปยังถังเก็บซึ่งเกิดจากการเปิดของวาล์วจะหายไปจากระบบวงจร

ผลของอุณหภูมิต่อการตั้งค่าของวาล์วปล่อยแรงดัน

การเปิดของวาล์วปล่อยแรงดันโดยพื้นฐานแล้วเป็นฟังก์ชันของรูเปิด คล้ายกับอุปกรณ์รูเปิดทั่วไป การไหลผ่านรูเปิดนี้จะได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิของของไหล และดังนั้นจึงได้รับผลกระทบจากความหนืดด้วย

สำหรับวาล์วปล่อยแรงดันที่ตั้งค่าไว้ที่ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) เพื่อเบี่ยงเบนการไหล 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) สมมุติฐานคือความหนืดของน้ำมันยังคงคงที่ ที่อุณหภูมิห้อง ความหนืดของน้ำมันในถังเก็บของอุปกรณ์อยู่ที่ 400–500 SUS (86.3–107.9 cSt) ภายใต้ความหนืดนี้ การตั้งค่าแรงดันปล่อยของระบบไว้ที่ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) จะทำให้มีการเบี่ยงเบนการไหล 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ผ่านช่องเปิดของวาล์ว เมื่ออุณหภูมิน้ำมันเพิ่มสูงขึ้น แรงดันปั๊มอาจถูกจำกัดไว้ที่ 900 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (62 บาร์) หรือต่ำกว่านั้น เหตุผลคือเมื่ออุณหภูมิน้ำมันสูงขึ้น ความหนืดจะลดลง เช่น ลดลงเหลือ 100 SUS (21.6 cSt) ซึ่งหมายความว่าแรงดันที่ต่ำกว่าสามารถดันให้เกิดการไหล 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ผ่านช่องเปิดของวาล์วปล่อยแรงดันไปยังถังได้

สิ่งตรงข้ามจะเกิดขึ้นเมื่อตั้งค่าวาล์วปล่อยแรงดันที่ความหนืดในการทำงาน — เมื่อปั๊มเริ่มทำงาน อุณหภูมิน้ำมันจะต่ำและมีความหนืดสูง ทำให้แรงดันปั๊มอาจสูงถึง 1,100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (75.9 บาร์) สำหรับระบบที่มีข้อจำกัดสูงสุดของแรงดันปั๊มอย่างเข้มงวด ควรทำการอุ่นระบบก่อนปรับแต่งวาล์วปล่อยแรงดัน

รูปที่ 11-5 ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการตั้งค่าความดันของวาล์วปล่อยแรงดัน น้ำมันที่เย็น (มีความหนืดสูง) ต้องใช้แรงดันที่สูงกว่าเพื่อให้ไหลผ่านในอัตราเดียวกัน จึงควรทำให้ระบบอุ่นก่อนปรับตั้งค่าวาล์วปล่อยแรงดันเสมอ

ผลกระทบของการสึกหรอของปั๊มต่อการตั้งค่าความดันของวาล์วปล่อยแรงดัน

การสึกหรอของปั๊มยังส่งผลต่อค่าการตั้งค่าของวาล์วปล่อยแรงดันเกิน สำหรับวาล์วปล่อยแรงดันเกินที่ตั้งค่าให้เบี่ยงเบนการไหล 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ที่ความดัน 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) ตราบใดที่มีความดัน 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) จ่ายเข้าที่พอร์ตขาเข้าของวาล์ว ปั๊มจะสามารถเบี่ยงเบนการไหลได้ 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ผ่านรูเปิดของวาล์วไปยังถังน้ำมัน อย่างไรก็ตาม เมื่อ ปั๊มไฮดรอลิก สึกหรอ ปริมาณการไหลที่ปั๊มส่งออกจะลดลง ส่งผลให้การไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดันเกินลดลงด้วย ทำให้ความดันลดลงเช่นกัน ตัวอย่างเช่น วาล์วที่ตั้งค่าไว้ที่ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) เพื่อเบี่ยงเบนการไหล 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) หากการไหลที่เบี่ยงเบนลดลงเหลือเพียง 5 แกลลอนต่อนาที (18.95 ลิตรต่อนาที) เนื่องจากการสึกหรอของปั๊ม ความดันของวาล์วปล่อยแรงดันเกินในระบบอาจลดลงเหลือเพียง 900 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (62 บาร์) ดังนั้นเมื่อมีการปรับค่าการตั้งค่าของวาล์วปล่อยแรงดันเกิน สถานการณ์ที่คล้ายกันนี้อาจเกิดขึ้นได้เช่นกัน

ความดันเริ่มเปิดของวาล์วปล่อยแรงดันแบบง่าย

ความดันการแตกร้าวคือความดันที่วาล์วปล่อยแรงดันเริ่มเปิดช่องทางเบี่ยงเบน สำหรับวาล์วปล่อยแรงดันแบบง่าย ความดันนี้จะต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้สำหรับวาล์วปล่อยแรงดันเล็กน้อย วาล์วปล่อยแรงดันแบบง่ายมีลักษณะเฉพาะคือมีความดันก่อนแตกร้าว

ในแผนภาพเส้นโค้งประสิทธิภาพของวาล์วปล่อยแรงดันแบบง่าย วาล์วถูกตั้งค่าให้เบี่ยงเบนกระแสไหล 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ที่ความดัน 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) เส้นโค้งแสดงว่าวาล์วเริ่มเปิดที่ความดัน 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) และเมื่อความดันเข้าใกล้ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) อัตราการไหลผ่านช่องทางเบี่ยงเบนจะเพิ่มขึ้น — โดยที่ความดัน 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) ช่องเปิดจะมีขนาดใหญ่พอที่จะผ่านกระแสไหลได้ 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที)

ผลกระทบของความดันก่อนแตกร้าวต่อระบบ

แรงดันก่อนที่วาล์วปล่อยแรงดันจะเริ่มเปิด (pre-cracking pressure) ถือเป็นข้อเสียต่อระบบ สมมุติว่าปั๊ม/มอเตอร์สร้างแรงดันได้ 750 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (51.7 บาร์) และส่งของไหลได้ 10 แกลลอนต่อนาที (37.9 ลิตรต่อนาที) ไปยังแอคทูเอเตอร์ โดยมีความต้องการแรงดันเพื่อทำงานกับโหลดเท่ากับ 550 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (37.9 บาร์) ส่วนแรงดันที่เหลืออีก 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (13.8 บาร์) ใช้เพื่อเอาชนะความต้านทานของของไหล ด้วยการใช้วาล์วปล่อยแรงดันแบบง่ายที่ตั้งค่าไว้ที่ 1,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (68.97 บาร์) ณ จุดนี้ วาล์วจะยังคงอยู่ในสถานะปิด และน้ำมันภายใต้แรงดันทั้งหมดจะไหลตรงไปยังโหลดที่ทำงาน

หากแรงดันที่โหลดเพิ่มขึ้นเป็น 700 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (48.28 บาร์) ปั๊ม/มอเตอร์จะต้องเพิ่มแรงดันขาออกเป็น 900 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (62.1 บาร์) (โดยสมมุติว่าอัตราการไหลขาออกคงที่) เนื่องจากแรงดันที่วาล์วปล่อยแรงดันเริ่มเปิด (cracking pressure) คือ 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) ดังนั้นที่แรงดันปั๊มปัจจุบัน ของไหล 5 แกลลอนต่อนาที (18.95 ลิตรต่อนาที) จะถูกเบี่ยงเบนผ่านวาล์ว หมายความว่าแอคทูเอเตอร์จะได้รับของไหลน้อยกว่าอัตราการไหลเต็มจากปั๊ม ทำให้การเคลื่อนไหวเสร็จสิ้นด้วยความเร็วที่ลดลง ขณะเดียวกัน น้ำมันก็ไหลผ่านรูเปิดของวาล์วปล่อยแรงดันและก่อให้เกิดความร้อนโดยไม่จำเป็น

หากความดันของโหลดอยู่ที่ 750 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (51.7 บาร์) ปั๊ม/มอเตอร์จะต้องสร้างความดันที่ 950 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (65.5 บาร์) — ซึ่งสูงกว่านั้นอีก เมื่อมีการไหลผ่านรูเปิดของวาล์วปล่อยแรงดันมากขึ้น ความเร็วของแอคทูเอเตอร์จะลดลงยิ่งขึ้น และเกิดความร้อนที่ไม่จำเป็นเพิ่มขึ้นอีกด้วย

รูปที่ 11-7 ผลกระทบจากความดันก่อนการแตกตัว (Pre-cracking pressure) วาล์วปล่อยแรงดันแบบง่ายจะเริ่มปล่อยการไหลก่อนที่ความดันที่ตั้งไว้จะถึง ทำให้ความเร็วของแอคทูเอเตอร์ลดลงและสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนที่ความดันโหลดระดับกลาง

วาล์วควบคุมความดันแบบปกติเปิด (Normally Open Pressure Valve)

วาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิด (Normally Closed Pressure Control Valve) จะมีพอร์ตหลักและพอร์ตรองแยกออกจากกันในตำแหน่งปกติ โดยตรวจวัดความดันที่พอร์ตหลัก ส่วนวาล์วควบคุมความดันแบบปกติเปิด (Normally Open Pressure Valve) จะมีพอร์ตหลักและพอร์ตรองเชื่อมต่อกันในตำแหน่งปกติ โดยตรวจวัดความดันที่พอร์ตรอง

วาล์วลดแรงดัน

วาล์วลดความดันมักเป็นวาล์วควบคุมความดันแบบปกติเปิด

หลักการทำงานของวาล์วลดความดัน

วาล์วลดความดันทำงานโดยการตรวจจับความดันที่อยู่ด้านท้ายของวาล์ว เมื่อความดันด้านท้ายเท่ากับค่าที่ตั้งไว้ของวาล์ว แกนควบคุม (spool) จะปิดลงบางส่วน ทำให้เกิดช่องเปิด (orifice) ซึ่งเปลี่ยนพลังงานความดันส่วนเกินจากด้านต้นทางให้กลายเป็นความร้อน ถ้าความดันด้านท้ายลดลง แกนควบคุมจะเปิดกว้างขึ้น เพื่อให้ความดันเพิ่มขึ้นอีกครั้ง

การประยุกต์ใช้วาล์วลดความดันในวงจร

วงจรยึดตัวอย่างนี้ต้องการให้กระบอกสูบยึด B สร้างแรงยึดน้อยกว่ากระบอกสูบยึด A เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จึงติดตั้งวาล์วลดความดันไว้ก่อนกระบอกสูบยึด B โดยตรง เพื่อลดความดันที่ส่งไปยังกระบอกสูบ B ให้เหลือเท่ากับค่าที่ตั้งไว้ของวาล์วลดความดัน ที่จุดความดันที่ตั้งไว้นี้ การเคลื่อนที่ของแกนควบคุมวาล์วลดความดันจะทำหน้าที่เป็นช่องเปิด แปลงพลังงานความดันส่วนเกินจากด้านต้นทางให้กลายเป็นความร้อน ทำให้กระบอกสูบ B ยึดชิ้นงานที่ความดันที่ลดลง

การตกของความดันแบบสถิตของวาล์วลดความดัน (offset)

ความดันที่พอร์ตรองของวาล์วลดแรงดันภายใต้สภาวะการไหลตามอัตราที่กำหนดจะต่ำกว่าความดันที่สภาวะไม่มีการไหล ความต่างระหว่างความดันที่ลดลงทั้งสองค่านี้เรียกว่าค่าชดเชยการลดแรงดันแบบสถิตของวาล์วลดแรงดัน การลดแรงดันแบบสถิตเป็นลักษณะเฉพาะโดยธรรมชาติของวาล์วลดแรงดัน ซึ่งช่วยอธิบายเพิ่มเติมว่าเหตุใดความดันจึงเพิ่มขึ้นเมื่อมีการไหล วาล์วลดแรงดันที่มีอัตราการไหลตามกำหนดเท่ากับ 15 แกลลอนต่อนาที (56.85 ลิตรต่อนาที) ภายใต้สภาวะการไหลตามกำหนดและแรงดันทำงานตามกำหนด จะมีค่าชดเชยการลดแรงดันแบบสถิตประมาณ 50 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (3.45 บาร์) ในขณะที่วาล์วลดแรงดันที่มีอัตราการไหลตามกำหนดเท่ากับ 100 แกลลอนต่อนาที (379 ลิตรต่อนาที) อาจมีค่าชดเชยการลดแรงดันแบบสถิตสูงถึง 150 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (10.3 บาร์)

รูปที่ 11-9 การลดแรงดันแบบสถิตของวาล์วลดแรงดัน ความดันที่ทางออกจะต่ำลงเล็กน้อยในขณะที่มีการไหล เมื่อเทียบกับสภาวะที่การไหลหยุดลง ยิ่งอัตราการไหลตามกำหนดของวาล์วใหญ่เท่าใด ค่าชดเชยนี้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ท่อระบายน้ำ — ภายในและภายนอก

เมื่อสปูลของวาล์วควบคุมแรงดันเคลื่อนที่ภายในตัวเรือนวาล์ว น้ำมันที่มีแรงดันบางส่วนจะรั่วซึมเข้าไปในช่องว่างด้านบนของสปูล เพื่อให้วาล์วทำงานได้อย่างถูกต้อง ช่องว่างด้านบนของสปูลต้องระบายน้ำมันออกอย่างต่อเนื่อง เพื่อป้องกันไม่ให้สปูลเคลื่อนที่ติดขัด การระบายน้ำมันทำได้โดยการสร้างช่องระบายน้ำภายในตัวเรือนวาล์ว และเชื่อมต่อกับถังเก็บน้ำมัน

การระบายน้ำมันแบบภายใน

หากพอร์ตรองของวาล์วควบคุมแรงดันเชื่อมต่อกับถังเก็บน้ำมัน — เช่น วาล์วปล่อยแรงดัน (relief valves) และวาล์วต้านสมดุล (counterbalance valves) — ช่องระบายน้ำมันจะเชื่อมต่อแบบภายในกับพอร์ตรอง (พอร์ตคืนกลับ) ซึ่งเรียกว่า การระบายน้ำมันแบบภายใน

การระบายน้ำมันแบบภายนอก

หากพอร์ตรองของวาล์วควบคุมแรงดันเป็นพอร์ตแรงดัน (พอร์ตใช้งาน) เช่น วาล์วลำดับ (sequence valves) และวาล์วลดแรงดัน (reducing valves) ช่องระบายน้ำมันจะเป็นท่อแยกต่างหากที่เชื่อมต่อกับถังเก็บน้ำมัน ซึ่งเรียกว่า การระบายน้ำมันแบบภายนอก โดยทั่วไปแล้ว วาล์วลำดับและวาล์วลดแรงดันเป็นวาล์วควบคุมแรงดันแบบระบายน้ำมันภายนอก

การควบคุมแบบตรงและการควบคุมจากระยะไกล

จนถึงขณะนี้ การตรวจจับความดันทำได้ผ่านช่องทางภายในตัวเรือนวาล์ว โดยทั่วไป สำหรับวาล์วแบบปกติปิด (normally closed valves) การตรวจจับความดันจะทำที่พอร์ตหลัก ส่วนวาล์วแบบปกติเปิด (normally open valves) จะตรวจจับที่พอร์ตรอง รูปแบบการตรวจจับความดันเช่นนี้เรียกว่า การควบคุมโดยตรง (direct control) หรือการควบคุมในท้องที่ (local control) นอกจากนี้ วาล์วควบคุมความดันยังสามารถตรวจจับความดันจากส่วนอื่นของระบบผ่านท่อภายนอกได้ ซึ่งเรียกว่า การควบคุมระยะไกล (remote control) หรือการควบคุมด้วยแรงขับ (pilot control)

รูปที่ 11-10 การควบคุมโดยตรง (ด้านซ้าย) ตรวจจับความดันที่พอร์ตของวาล์วเอง ส่วนการควบคุมระยะไกล (ด้านขวา) อนุญาตให้สัญญาณความดันจากระยะไกลเปิดหรือปรับค่าวาล์ว — ซึ่งมีประโยชน์ในการปล่อยความดันจากแอคคิวมูเลเตอร์ (accumulator unloading) และการลำดับการทำงานของแอคทูเอเตอร์หลายตัว (multi-actuator sequencing)

วาล์วปล่อยความดัน

วาล์วปล่อยความดันคือวาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิดที่ควบคุมด้วยแรงขับจากภายนอก เมื่อความดันของระบบที่จุดตรวจจับถึงค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า วาล์วจะเปลี่ยนทิศทางการไหลไปยังถังน้ำมัน

การประยุกต์ใช้วงจรวาล์วปล่อยความดัน

ในวงจรแอคคิวมูเลเตอร์ที่ใช้วาล์วควบคุมแรงดันแบบตรง เมื่อแอคคิวมูเลเตอร์ชาร์จจนถึงแรงดันที่ตั้งไว้ของวาล์ว กระแสไหลจากปั๊มจะกลับเข้าสู่ถังน้ำมันที่แรงดันปล่อย (relief pressure) ซึ่งทำให้สูญเสียพลังงานอย่างมากและก่อให้เกิดความร้อนส่วนเกินเป็นปริมาณมาก การเชื่อมต่อท่อควบคุมเข้ากับวาล์วปลดภาระ (unloading valve) ที่อยู่ด้านหลังวาล์วตรวจสอบ (check valve) จะทำให้เมื่อแอคคิวมูเลเตอร์ชาร์จถึงแรงดันที่ตั้งไว้ของวาล์ว แรงดันควบคุมจะเปิดวาล์ว ทำให้กระแสไหลจากปั๊มถูกส่งไปยังถังน้ำมันที่แรงดันต่ำที่สุด ณ ขณะนั้น ปั๊มไม่จำเป็นต้องสร้างแรงดันสูงเพื่อรักษาสถานะเปิดของวาล์วปลดภาระ เนื่องจากแรงดันควบคุมมาจากแอคคิวมูเลเตอร์ที่แยกออกจากปั๊มโดยวาล์วตรวจสอบ ดังนั้นแรงดันของปั๊ม ณ จุดนี้จึงต่ำมากจนสามารถมองข้ามได้ และการสูญเสียพลังงานก็ต่ำมากเช่นกัน

รูปที่ 11-11 วงจรวาล์วปลดภาระ เมื่อแอคคิวมูเลเตอร์ถูกชาร์จแล้ว วาล์วตรวจสอบจะแยกแอคคิวมูเลเตอร์ออกจากระบบปั๊ม และวาล์วปลดภาระจะนำกระแสไหลจากปั๊มไปยังถังน้ำมันที่แรงดันต่ำที่สุด ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานของปั๊มเกือบทั้งหมดในช่วงเวลาที่ระบบอยู่ในภาวะพร้อมใช้งาน (standby)

วาล์วควบคุมด้วยรีโมตแบบต้านสมดุล

วาล์วสมดุลแบบตรงที่ติดตั้งอยู่ด้านปลายน้ำของกระบอกสูบซึ่งรองรับแผ่นกด (platen) สามารถทำหน้าที่สมดุลหรือยกเลิกน้ำหนักของแผ่นกดได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ระหว่างกระบวนการกด เมื่อแผ่นกดเคลื่อนผ่านวัสดุ น้ำหนักของแผ่นกดไม่ควรเพิ่มเข้าไปในแรงกดรวม หากไม่ต้องการให้เกิดกรณีนี้ วาล์วสมดุลควรใช้ระบบควบคุมระยะไกล โดยเชื่อมต่อสายควบคุมกับไลน์ทำงานอีกด้านหนึ่งของกระบอกสูบ เมื่อใช้วาล์วสมดุลที่ควบคุมระยะไกล แผ่นกดจะยังคงถูกสมดุลไว้ระหว่างการเคลื่อนลง แต่ในระหว่างกระบวนการกด น้ำหนักของแผ่นกดสามารถนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของแรงกดได้ ตลอดช่วงการเคลื่อนลงทั้งหมด ในช่วงการเคลื่อนลงแบบไม่มีภาระ (idle stroke) น้ำหนักตัวของแผ่นกดจะพยายามดึงก้านกระบอกสูบลง ทำให้ความดันด้านต้นทางและแรงดันในสายควบคุมลดลง ส่งผลให้วาล์วสมดุลมีแนวโน้มปิดตัวลง ความต้านทานจึงเพิ่มขึ้น และการไหลไม่สามารถตามความเร็วของการเคลื่อนลงได้ ในขณะที่อยู่ในขั้นตอนการกด วาล์วสมดุลจะถูกเปิดกว้างโดยแรงดันควบคุมจากด้านต้นทางที่สูง จึงไม่มีแรงดันย้อนกลับ (back-pressure) ที่ด้านก้านกระบอกสูบ ทำให้น้ำหนักของแผ่นกดสามารถเพิ่มเข้าไปในแรงกดได้

วาล์วต้านแรงดันแบบตรงที่ใช้ในวงจรมอเตอร์ไฮดรอลิก

ในวงจรมอเตอร์ไฮดรอลิกที่แสดงไว้ ใช้วาล์วต้านแรงดันแบบตรงเพื่อหยุดการหมุนด้วยความเฉื่อยของโหลดหนัก วาล์วต้านแรงดันถูกตั้งค่าไว้ที่ 800 psi (55.2 บาร์) ซึ่งจะสร้างแรงดันย้อนกลับให้กับโหลดที่หมุนอยู่เสมอ จึงทำให้ความเร็วของโหลดไม่สามารถเกินอัตราการไหลของปั๊มและเกิดภาวะหมุนเร็วเกินไปได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ยังหมายความว่าแรงดันขาเข้าของมอเตอร์จะต้องสูงกว่าแรงดันในการทำงานของโหลดบวกกับ 800 psi (55.2 บาร์) — ซึ่งถือเป็นข้อเสีย ในการแก้ไขข้อจำกัดนี้ สามารถใช้วาล์วเบรกแทนได้

วาล์วเบรก

วาล์วเบรกคือวาล์วควบคุมแรงดันแบบปกติปิด ซึ่งมีทั้งช่องควบคุมโดยตรงและช่องควบคุมระยะไกล โดยทั้งสองวิธีการควบคุมจะเชื่อมต่อพร้อมกัน วาล์วเบรกมักใช้ร่วมกับมอเตอร์ไฮดรอลิก และสามารถแทนที่วาล์วต้านแรงดันแบบตรงในวงจรมอเตอร์ไฮดรอลิกได้

โครงสร้างของวาล์วเบรก

วาล์วเบรกประกอบด้วยตัววาล์ว แกนสไลด์ ลูกสูบควบคุม สปริงดัน และอุปกรณ์ปรับแรงต้านของสปริง ตัววาล์วมีช่องทางสำหรับวงจรหลัก วงจรรอง วงจรควบคุมภายใน และวงจรควบคุมภายนอก

หลักการทำงานของวาล์วเบรก

วาล์วเบรกเป็นวาล์วแบบปิดตามปกติ สมมุติว่าสปริงดันกลับถูกตั้งค่าให้เปิดควบคุมโดยตรงที่ความดัน 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) เมื่อความดันในช่องควบคุมภายในถึง 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) ลูกสูบควบคุมจะเลื่อนขึ้นและดันสปูลให้เปิดวาล์วเบรก ทันทีที่ความดันลดลงต่ำกว่า 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) วาล์วจะปิดลง การทำงานนี้เหมือนกับวาล์วต้านการเคลื่อนที่แบบควบคุมโดยตรง (direct-acting counterbalance valve) อย่างแม่นยำ พื้นที่ผิวของลูกสูบควบคุมภายในมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่หน้าตัดของสปูลมาก — อัตราส่วนพื้นที่โดยทั่วไปคือ 8:1 พอร์ตควบคุมภายนอกมักเชื่อมต่อกับไลน์การทำงานอีกด้านหนึ่งของมอเตอร์ ความดันภายนอกจะกระทำต่อด้านตรงข้ามของช่องสปริงที่สปูลอยู่ — จึงจำเป็นเพียง 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6.89 บาร์) เท่านั้นในการเปิดวาล์ว เนื่องจากความดันนี้กระทำต่อด้านล่างของสปูลซึ่งมีพื้นที่ผิวใหญ่กว่าลูกสูบควบคุม 8 เท่า

การประยุกต์ใช้วงจรวาล์วเบรก

สมมติว่าวาล์วเบรกถูกตั้งค่าที่ความดัน 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) แบบควบคุมโดยตรง เมื่อความดันของท่อมอเตอร์เข้าถึง 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6.89 บาร์) วาล์วเบรกจะเปิด และความดันที่เข้าสู่มอเตอร์จะถูกใช้ทั้งหมดเพื่อหมุนโหลด (โดยสมมติว่า 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว / 6.89 บาร์ สูงกว่าค่าที่จำเป็น) หากโหลดหมุนเร็วกว่าที่กำหนด ความดันที่เข้าสู่มอเตอร์จะลดลง วาล์วเบรกจะปิด และความดันย้อนกลับที่ 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (55.2 บาร์) จะเปิดอีกครั้ง ทำให้เกิดแรงต้านเพิ่มขึ้นและชะลอการหมุนของโหลด

วาล์วเบรกเป็นวาล์วควบคุมความดันแบบปกติปิด (normally closed) การทำงานของมันสัมพันธ์โดยตรงกับความต้องการของโหลดมอเตอร์

รูปที่ 11-13 วาล์วเบรก ต่างจากวาล์วต้านแรงดันแบบง่าย (counterbalance valve) ตรงที่วาล์วเบรกมีทั้งการควบคุมโดยตรง (ภายใน) และการควบคุมระยะไกล (ภายนอก) อัตราส่วนพื้นที่ 8:1 หมายความว่า ต้องใช้ความดันไพร์โลต์ภายนอกเพียง 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้วในการเปิดวาล์ว ดังนั้นมอเตอร์จึงสามารถขับเคลื่อนโหลดได้อย่างง่ายดาย ในขณะเดียวกันก็ยังให้แรงเบรกจากความดันย้อนกลับที่ 800 ปอนด์ต่อตารางนิ้วเมื่อโหลดมีแนวโน้มหมุนเร็วเกินไป

การไหลย้อนกลับผ่านวาล์วควบคุมความดัน

ยกเว้นวาล์วปล่อยแรงดันและวาล์วปล่อยโหลด วาล์วควบคุมแรงดันทั้งหมดโดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการไหลย้อนกลับเพื่อให้สามารถผ่านได้อย่างอิสระ วาล์วควบคุมแรงดันแบบปิดปกติจะตรวจวัดความดันที่พอร์ตหลัก — หากการไหลย้อนกลับ ความดันที่พอร์ตหลักจะลดลง สลีฟจะปิด และการเชื่อมต่อระหว่างพอร์ตหลักกับพอร์ตรองจะถูกตัดขาด เนื่องจากการไหลย้อนกลับไม่สามารถผ่านวาล์วควบคุมแรงดันแบบปิดปกติได้ จึงจำเป็นต้องใช้เช็ควาล์วเพื่อเบี่ยงเบนการไหลรอบวาล์วชนิดนี้

วาล์วควบคุมแรงดันแบบเปิดปกติจะตรวจวัดความดันที่ทางผ่านรอง — ตราบใดที่การไหลย้อนกลับยังคงเกิดขึ้น ความดันด้านท้ายทางจะยังคงต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ ทางผ่านของวาล์วจะยังคงเปิดอยู่เสมอ จึงไม่จำเป็นต้องใช้เช็ควาล์วสำหรับการไหลย้อนกลับ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เมื่อความดันที่พอร์ตรองเพิ่มสูงกว่าค่าที่ตั้งไว้ สลีฟจะปิดลงทันที เป็นการป้องกันไว้ก่อน จึงมักใช้เช็ควาล์วร่วมกับวาล์วลดแรงดันเพื่อให้มั่นใจว่าการไหลย้อนกลับจะเกิดขึ้นได้อย่างปลอดภัย

สรุปวาล์วควบคุมแรงดัน

จากการศึกษาในบทนี้ เราสามารถสรุปหลักการสำคัญของวาล์วควบคุมแรงดันได้ดังนี้:

• กฎข้อ A: วาล์วควบคุมแรงดันที่มีพอร์ตรองเชื่อมต่อกับวงจรแรงดัน จำเป็นต้องมีการระบายน้ำมันออกภายนอก (วาล์วจัดลำดับการทำงานและวาล์วลดแรงดัน)
• กฎข้อ B: วาล์วควบคุมแรงดันที่มีพอร์ตรองเชื่อมต่อกับถังเก็บน้ำมัน มักใช้การระบายน้ำมันภายใน (วาล์วปล่อยแรงดันเกิน วาล์วปล่อยโหลด และวาล์วต้านสมดุล รวมทั้งวาล์วเบรก)
• กฎข้อ C: เพื่อให้ของไหลสามารถผ่านวาล์วควบคุมแรงดันย้อนกลับได้อย่างเสรี จำเป็นต้องใช้วาล์วตรวจสอบ (check valve)

รูปที่ 11-15 สัญลักษณ์กราฟิกสำหรับวาล์วควบคุมแรงดันทั้งหมด หมายเหตุ: วาล์วจัดลำดับการทำงานและวาล์วลดแรงดันจะมีท่อระบายน้ำมันออกภายนอกเสมอ (แสดงด้วยเส้นประไปยังถังเก็บน้ำมัน) ส่วนวาล์วปล่อยแรงดันเกิน วาล์วปล่อยโหลด และวาล์วต้านสมดุล จะใช้การระบายน้ำมันภายใน

ศัพท์เฉพาะเกี่ยวกับวาล์วควบคุมแรงดัน

คำศัพท์สำคัญที่ใช้กับวาล์วควบคุมแรงดัน:

• การควบคุมโดยตรง — การใช้น้ำมันจากช่องควบคุมภายในตัวเรือนวาล์วมาควบคุมสปูล "การกระทำในตัว" — สปูลถูกดันด้วยแรงสปริงเพียงอย่างเดียว
• ปล่อยแรงดันเกินไปยังถังเก็บน้ำมัน — ของไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดันเกิน
• แรงดันไพลอต (Pilot) — แรงดันไฮดรอลิกที่ใช้ควบคุมการเคลื่อนที่ของสปูล ซึ่งวัดจากตำแหน่งที่อยู่ห่างออกไปจากวาล์วเอง
• แรงดันเริ่มเปิด (Cracking pressure) — แรงดันที่วาล์วปล่อยแรงดันเริ่มเปิดทางเบี่ยงเบนเป็นครั้งแรก
• แรงดันเปิดก่อนกำหนด (Pre-cracking pressure) — แนวโน้มของวาล์วบางชนิด (โดยเฉพาะวาล์วปล่อยแรงดันแบบง่ายๆ) ที่จะเปิดก่อนถึงแรงดันที่ตั้งไว้
• แรงดันย้อนกลับ (Back pressure) — แรงดันที่เกิดขึ้นที่ด้านออกของวาล์วหรือแอคทูเอเตอร์ ซึ่งต่อต้านการไหลหรือการเคลื่อนที่