บทที่ 9: วาล์วควบคุมการไหล

รูรับน้ำ (Orifice)

รูรับน้ำคือช่องเปิดที่มีขนาดค่อนข้างเล็กในเส้นทางการไหลของของไหล การไหลผ่านรูรับน้ำได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย โดยสามปัจจัยหลัก ได้แก่:

1. ขนาดรูเปิด
2. ความต่างของความดันข้ามรูรับน้ำ
3. อุณหภูมิของของเหลว

ผลกระทบของขนาดรูรับน้ำต่อการไหล

ขนาดของรูรับน้ำควบคุมการไหลผ่านมัน ตัวอย่างทั่วไปในชีวิตประจำวันคือหัวฉีดน้ำสำหรับสายยาง — หากช่องเปิดของหัวฉีดมีขนาดเล็ก น้ำจะพุ่งออกมาในรูปแบบละอองฝอยหรือสเปรย์ละเอียด แต่หากช่องเปิดมีขนาดใหญ่ขึ้น น้ำจะพุ่งออกมาในรูปแบบลำน้ำแรง ในทั้งสองกรณี หัวฉีดน้ำของสายยางทำหน้าที่เป็นรูรับน้ำซึ่งจำกัดทิศทางการไหลของน้ำ — การไหลผ่านรูรับน้ำจึงขึ้นอยู่กับขนาดของช่องเปิด

รูปที่ 9-1 วาล์วควบคุมการไหลในวงจร วาล์วนี้ลดอัตราการไหลไปยังกระบอกสูบ ส่วนการไหลส่วนเกินจากปั๊มจะไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดัน (relief valve) การไหลที่ถูกจำกัดจะเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ (ความเร็ว) ที่ช่องแคบ (orifice)

หุ้มที่ตั้ง

ช่องแคบแบบคงที่ (fixed orifice) มีขนาดเปิดที่ไม่สามารถปรับได้ ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดในเทคโนโลยีไฮดรอลิก ได้แก่ รูเจาะในปลั๊กท่อหรือวาล์วตรวจสอบ (check valve) หรือวาล์วควบคุมการไหลที่ตั้งค่าไว้ล่วงหน้าจากโรงงาน

ช่องแคบแบบปรับได้ (variable orifice)

โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องใช้ช่องแคบแบบปรับได้มากกว่าช่องแคบแบบคงที่ เนื่องจากมีความยืดหยุ่นและปรับให้เหมาะสมกับสถานการณ์ได้ดีกว่า ตัวอย่างของช่องแคบแบบปรับได้ ได้แก่ วาล์วแบบประตู (gate valves), วาล์วแบบลูกบอล (ball valves) และวาล์วแบบเข็ม (needle valves)

เกทวาล์ว

วาล์วแบบประตูมีทางผ่านการไหลแบบตรง (straight-through flow passage) โดยขนาดของช่องแคบจะเปลี่ยนแปลงได้จากการหมุนที่จับเพื่อเปิดหรือปิดแผ่นกั้น (gate) ที่วางอยู่ในแนวการไหล แม้ว่าวาล์วแบบประตูจะไม่ได้ออกแบบมาเพื่อควบคุมการไหลโดยเฉพาะ แต่ในบางระบบวัดอัตราการไหลแบบคร่าว ๆ ก็สามารถนำมาใช้เป็นอุปกรณ์จำกัดการไหลได้

วาล์วลูกกลอง

ช่องทางการไหลของวาล์วแบบลูกสูบไม่เป็นเส้นตรง — แต่จะเลี้ยวทำมุม 90° รูเปิด (orifice) คือ ที่นั่งวาล์ว (seat) และปลั๊กทรงกรวยหรือปลั๊กลูกบอลบนช่องทางที่เลี้ยว ขนาดของรูเปิดจะปรับเปลี่ยนได้โดยการเปลี่ยนตำแหน่งของปลั๊กลูกบอล

วาล์วเข็ม

การไหลผ่านวาล์วเข็ม (needle valve) ก็เลี้ยวทำมุม 90° เช่นกัน จากนั้นจึงผ่านรูเปิด รูเปิดนี้ประกอบด้วยช่องว่างระหว่างเพลาวาล์วที่ปลายเรียวและที่นั่งวาล์ว ขนาดของรูเปิดจะเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับตำแหน่งของปลายเรียวสัมพันธ์กับที่นั่งวาล์ว เนื่องจากเกลียวปรับบนเพลาวาล์วมีระยะเกลียวละเอียดและปลายมีลักษณะเรียว จึงทำให้ขนาดรูเปิดเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป ในระบบไฮดรอลิก วาล์วเข็มเป็นรูเปิดแปรผันที่ใช้บ่อยที่สุด

รูปที่ 9-2 ชนิดต่าง ๆ ของรูเปิดแปรผัน วาล์วเข็ม (ด้านล่าง) เป็นชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในระบบไฮดรอลิก — ปลายเรียวและเกลียวละเอียดของมันช่วยให้ปรับอัตราการไหลได้อย่างแม่นยำและค่อยเป็นค่อยไป

การประยุกต์ใช้วาล์วเข็มในวงจร

วงจรตัวอย่างนี้ใช้ปั๊มแบบขับเคลื่อนเชิงบวกที่มีอัตราการไหล 5 แกลลอนต่อนาที (18.95 ลิตรต่อนาที) วาล์วปล่อยแรงดัน วาล์วควบคุมทิศทาง รูเปิดปรับได้ (วาล์วเข็ม) และกระบอกสูบไฮดรอลิกที่มีพื้นที่หน้าตัดของลูกสูบเท่ากับ 3 ตารางนิ้ว (19.35 ตารางเซนติเมตร) หากตั้งค่าความดันของวาล์วปล่อยแรงดันไว้ที่ 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (34.48 บาร์) และปั๊มจ่ายของไหลได้ 5 แกลลอนต่อนาที:

เมื่อวาล์วเข็มจำกัดอัตราการไหลให้เหลือเพียง 2 แกลลอนต่อนาที (7.58 ลิตรต่อนาที) ความเร็วของก้านลูกสูบ = 2 × 19.25 ÷ 3 = 13 ฟุต/นาที (3.96 เมตร/นาที) วาล์วปล่อยแรงดันจะจำกัดความดันในระบบให้อยู่ที่ 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (34.48 บาร์) โดยเบี่ยงเบนของไหลส่วนที่เหลือ 3 แกลลอนต่อนาที (11.37 ลิตรต่อนาที) ไปยังถังเก็บ

การเปิดรูเปิดของวาล์วเข็ม

การหมุนวาล์วเข็มออกจะทำให้รูเปิดกว้างขึ้น — ทำให้มีของไหลผ่านเข้าสู่กระบอกสูบมากขึ้น จนถึงขีดจำกัดความดันของวาล์วปล่อยแรงดัน ดังนั้นความเร็วของก้านลูกสูบจึงเพิ่มขึ้น

การปิดรูเปิดของวาล์วเข็ม

การหมุนวาล์วเข็มเข้าจะทำให้รูเปิดแคบลง ส่งผลให้มีของไหลเข้าสู่กระบอกสูบน้อยลง ดังนั้นความเร็วของก้านลูกสูบจึงลดลง

ผลกระทบของความต่างศักย์แรงดันต่ออัตราการไหล

การไหลผ่านรูเปิดจะได้รับผลกระทบจากความต่างของความดัน เนื่องจากความดันคือพลังงานศักย์ในระบบไฮดรอลิก ดังนั้นยิ่งความต่างของความดันข้ามรูเปิดมากเท่าใด การไหลผ่านรูเปิดนั้นก็จะมากขึ้นเท่านั้น

ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน — ที่นอนลม

หลังจากใช้เวลาทั้งวันที่ชายหาดหรือค่ายพักแรม คุณถอดจุกออกจากที่นอนลมที่อัดลมไว้แล้วปล่อยให้อากาศไหลออกอย่างอิสระ เนื่องจากความต่างของความดันระหว่างภายในกับภายนอกมีค่าน้อย ที่นอนลมจึงยุบตัวลงอย่างช้าๆ หากบีบที่นอนลมอย่างแรง ความดันภายในจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศ ทำให้ความต่างของความดันเพิ่มขึ้น และอากาศจึงไหลออกเร็วขึ้น

บีบท่อแปรงสีฟันอย่างเบา ๆ — ยาสีฟันจะไหลออกมาเล็กน้อย แต่หากบีบอย่างแรง ยาสีฟันจะถูกดันออกมาในปริมาณมากขึ้น และอาจหยดลงพื้นได้ ถ้าท่อแปรงสีฟันถูกเหยียบ ความต่างของความดันระหว่างภายในท่อกับความดันบรรยากาศจะมากกว่าเมื่อบีบด้วยมือ จึงทำให้ยาสีฟันไหลออกมากขึ้นและเร็วขึ้น

ผลของความต่างของความดันต่อการไหลผ่านวาล์วเข็มในวงจร

ในวงจรที่แสดงไว้ วาล์วเข็มจำกัดอัตราการไหลของปั๊มที่ 5 gpm (18.95 Lpm) ให้เหลือ 3 gpm (11.37 Lpm) การตั้งค่าแรงดันของวาล์วปล่อยแรงดัน (relief valve) อยู่ที่ 500 psi (34.48 bar) ความต้านทานจากโหลดอยู่ที่ 200 psi (14 bar) แรงดันขาเข้าของวาล์วเข็มเท่ากับการตั้งค่าแรงดันของวาล์วปล่อยแรงดัน คือ 500 psi (34.48 bar) จากแรงดัน 500 psi (34.48 bar) นี้ มี 200 psi (14 bar) ใช้เพื่อเอาชนะความต้านทานจากโหลด ส่วนแรงดันที่เหลืออีก 300 psi (21 bar) จะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม (pressure differential) ซึ่งขับให้ของไหลผ่านวาล์วเข็มได้ 3 gpm (11.3 Lpm) ส่งผลให้ความเร็วของก้านสูบอยู่ที่ 19.25 ft/min (5.87 m/min) ส่วนของไหลที่เหลืออีก 2 gpm (7.58 Lpm) จะไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดันไปยังถังเก็บ

การเพิ่มค่าการตั้งค่าแรงดันของวาล์วปล่อยแรงดัน

โดยคงแรงดันจากโหลดและการตั้งค่าของวาล์วเข็มไว้ไม่เปลี่ยนแปลง หากเพิ่มค่าการตั้งค่าแรงดันของวาล์วปล่อยแรงดันเป็น 600 psi (41.38 bar) แรงดันขาเข้าของวาล์วเข็มจะเพิ่มขึ้นเป็น 600 psi (41.38 bar) จากแรงดันนี้ 200 psi (14 bar) ใช้เพื่อเอาชนะแรงต้านจากโหลด ส่วนแรงดันตกคร่อมที่เหลืออีก 400 psi (28 bar) จะขับให้ของไหลผ่านวาล์วเข็มได้ 4 gpm (15 Lpm) ความเร็วของก้านสูบจึงเพิ่มขึ้นเป็น 26 ft/min (7.92 m/min)

แรงดันจากโหลดเพิ่มขึ้น

รีเซ็ตวาล์วปล่อยแรงดันกลับไปที่ 500 psi (34.48 บาร์) โดยคงค่าการปรับวาล์วเข็มไว้เท่าเดิม ขณะโหลดเพิ่มขึ้น: ความดันโหลดสูงขึ้นเป็น 400 psi (28 บาร์) ความดันขาเข้าของวาล์วเข็มยังคงอยู่ที่ 500 psi (34.48 บาร์) แต่ตอนนี้ความต่างของความดันที่ขับให้เกิดการไหลผ่านวาล์วเข็มมีเพียง 100 psi (6.9 บาร์) — ส่งผลให้การไหลลดลงเหลือเพียง 1 gpm (3.79 lpm) ความเร็วของก้านกระบอกสูบลดลงเหลือ 6 ฟุต/นาที (30 มม./วินาที) ส่วนการไหลที่เหลืออีก 4 gpm (15 lpm) จะไหลผ่านวาล์วปล่อยแรงดัน

สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าอัตราการไหลผ่านวาล์วเข็มจะเปลี่ยนแปลงตามความแปรผันของความดันที่ด้านใดด้านหนึ่งของรูรั่ว ดังนั้น เพื่อควบคุมอัตราการไหลผ่านวาล์วเข็มอย่างแม่นยำ จำเป็นต้องยกเลิกหรือชดเชยความแปรผันของความดันเหล่านี้

วาล์วควบคุมความเร็ว (วาล์วควบคุมการไหลแบบชดเชยแรงดัน)

จากตัวอย่างข้างต้น แรงดันที่เปลี่ยนแปลงที่ด้านใดด้านหนึ่งของรูจำกัด (orifice) จะส่งผลต่ออัตราการไหลผ่านวาล์วเข็ม (needle valve) ซึ่งจะทำให้ความเร็วของแอคทูเอเตอร์เปลี่ยนไป เพื่อควบคุมอัตราการไหลผ่านรูจำกัดอย่างแม่นยำโดยไม่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน จำเป็นต้องมีการชดเชยการเปลี่ยนแปลงของแรงดันเหล่านี้ วาล์วควบคุมการไหลแบบเข็ม (needle valve) เป็นวาล์วควบคุมการไหลแบบไม่ได้รับการชดเชยแรงดัน — จึงเป็นอุปกรณ์วัดอัตราการไหลที่ดี ตราบใดที่ความต่างของแรงดันยังคงค่าคงที่และหัวเข็มอยู่ในตำแหน่งศูนย์กลางที่เหมาะสม สำหรับการควบคุมอัตราการไหลที่แม่นยำยิ่งขึ้น ควรใช้วาล์วควบคุมการไหลแบบชดเชยแรงดัน (speed control valve) ซึ่งเป็นตัวควบคุมการไหลที่สามารถชดเชยการเปลี่ยนแปลงของแรงดันทั้งด้านที่ไหลเข้า (upstream) และด้านที่ไหลออก (downstream) ของรูจำกัด

วาล์วควบคุมความเร็ว (วาล์วควบคุมการไหลแบบชดเชยแรงดัน) สามารถแบ่งออกได้เป็นชนิดแบบไหลเข้า (meter-in type) และชนิดแบบเบี่ยงทาง (bypass type)

โครงสร้างของวาล์วควบคุมความเร็วแบบไหลเข้า

วาล์วควบคุมการไหลแบบชดเชยแรงดันชนิดไหลเข้าประกอบด้วยตัวเรือนวาล์วที่มีพอร์ตนำเข้าและพอร์ตนำออก วาล์วเข็ม สปูลชดเชยแรงดัน และสปริงดัน

หลักการทำงานของวาล์วชนิดไหลเข้า

เพื่อทำความเข้าใจวิธีการทำงานของระบบแบบมิเตอร์-อิน (meter-in) เราจะวิเคราะห์การดำเนินงานทีละขั้นตอน เมื่อสปูลปรับสมดุลเลื่อนไปทางด้าน A อย่างเต็มที่ น้ำมันความดันที่ไหลเข้ามาทั้งหมดจะไปยังรูเปิดวาล์วเข็ม (needle valve orifice) แต่เมื่อสปูลปรับสมดุลเลื่อนไปทางด้าน B เพียงเล็กน้อย น้ำมันความดันที่ไหลเข้ามาก็จะถูกจำกัดการไหล (throttled) ทั้งนี้ เพื่อรักษาช่องทางการไหลให้เปิดอยู่ สปูลปรับสมดุลจึงถูกดันด้วยสปริงให้เลื่อนไปทางด้าน A โดยแรงดันน้ำมันที่เข้าสู่ทางเข้าของวาล์วเข็มจะถูกตรวจจับผ่านช่องทางควบคุมภายในไปยังปลายด้าน A ของสปูลปรับสมดุล — เมื่อแรงดันสูงกว่าแรงดันจากสปริงที่กระทำต่อสปูล ตัวสปูลจะเลื่อนไปทางด้าน B

หากปรับรูเปิดของวาล์วเข็มให้ทำให้การไหลจากปั๊มผ่านเข้าไปน้อยกว่าอัตราการไหลสูงสุดของปั๊ม ความดันที่ทางเข้าของวาล์วเข็มจะเพิ่มขึ้นจนถึงค่าความดันที่ตั้งไว้ของวาล์วปล่อยแรงดัน (relief valve) เมื่อความดันที่ทางเข้าของวาล์วเข็มเพิ่มสูงกว่าแรงสปริงของสปูลชดเชย (compensating spool) สปูลชดเชยจะเลื่อนไปทางขั้ว B ซึ่งทำหน้าที่ลดการไหลเข้า เมื่ออัตราการไหลผ่านรูเปิดของสปูลชดเชยเท่ากับอัตราการไหลออกของปั๊ม ความดันที่ทางเข้าของวาล์วเข็มจะคงที่ที่ค่าความดันของสปริง ตัวอย่างเช่น หากใช้สปริงที่มีค่าความดัน 100 psi (6.89 bar) และตั้งค่าความดันปล่อยไว้ที่ 500 psi (34.48 bar): ความดันที่ทางเข้าจะอยู่ที่ 500 psi (34.48 bar); เมื่อน้ำมันไหลผ่านรูเปิดของสปูลชดเชย ความดัน 400 psi (28 bar) จะเปลี่ยนเป็นความร้อน ทำให้ความดันที่ทางเข้าของวาล์วเข็มลดลงเหลือ 100 psi (6.89 bar) ซึ่งหมายความว่า ไม่ว่าความดันที่ทางเข้าของวาล์วควบคุมการไหล (flow control valve) จะเป็นเท่าใด ความดันที่ทางเข้าของวาล์วเข็มจะถูกควบคุมให้คงที่ที่ 100 psi (6.89 bar) เนื่องจากการทำงานของสปูลชดเชย

รูปที่ 9-5 วาล์วควบคุมความเร็วด้วยการไหลเข้า (แบบชดเชยแรงดัน) ลูกสูบชดเชยจะรักษาค่าความต่างของแรงดันข้ามวาล์วเข็มให้คงที่ ไม่ว่าแรงดันขาเข้าหรือขาออกจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรก็ตาม — เพื่อจัดส่งอัตราการไหลที่แม่นยำและสม่ำเสมอ

สำหรับวงจรวาล์วเข็มรุ่นก่อนหน้า ความต่างของแรงดันข้ามรูเปิดของวาล์วเข็มเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของเรื่องทั้งหมด — แรงดันที่อยู่ด้านหลังวาล์วเข็มก็จำเป็นต้องได้รับการชดเชยเช่นกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง ต้องรักษาความต่างของแรงดันให้คงที่ ในการทำเช่นนี้ แรงดันด้านหลังของวาล์วเข็มจะถูกส่งผ่านช่องควบคุมไปยังช่องที่บรรจุสปริงดันของลูกสูบชดเชยด้วย ขณะนี้จึงมีแรงสองชนิดกระทำต่อด้าน A ของลูกสูบชดเชย ได้แก่ แรงจากสปริง และแรงดันน้ำมันด้านหลัง

หากแรงสปริง = 100 psi (6.89 บาร์) ความต่างของความดันที่วาล์วเข็มจะถูกจำกัดให้สูงกว่าความดันด้านปลายน้ำอย่างน้อย 100 psi (6.89 บาร์) ตราบใดที่วาล์วระบายความดันถูกตั้งค่าไว้สูงพอ ความต่างของความดันที่ช่องเปิดของวาล์วเข็มจะเท่ากับค่าความดันของสปริงเสมอ โดยวิธีนี้ ความต่างของความดันที่ทำให้เกิดการไหลผ่านวาล์วเข็มจะคงที่ — ไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของความดันด้านต้นทางหรือด้านปลายน้ำ

วาล์วควบคุมความเร็วแบบป้อนเข้า (Meter-in) ในวงจร

ในวงจร วาล์วควบคุมความเร็วแบบมิเตอร์-อิน (meter-in) ถูกตั้งค่าที่ 3 แกลลอนต่อนาที (11.37 ลิตรต่อนาที) วาล์วปล่อยแรงดันเกิน (relief valve) ตั้งที่ 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (34.48 บาร์) และแรงดันโหลดอยู่ที่ 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (13.79 บาร์) สปริงของสปูลชดเชย (compensating spool spring) มีค่าเท่ากับ 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6.89 บาร์) ปั๊มพยายามขับของไหลทั้งหมด 5 แกลลอนต่อนาที (18.95 ลิตรต่อนาที) ผ่านวาล์วเข็ม (needle valve) ทำให้แรงดันขาเข้าของวาล์วเข็มเพิ่มสูงขึ้น เมื่อแรงดันขาเข้าถึง 300 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (21 บาร์) สปูลชดเชยจะเลื่อนตัวและลดการไหล (throttle the flow) ส่งผลให้แรงดันขาเข้าของวาล์วควบคุมการไหลเพิ่มขึ้นจนถึงค่าที่ตั้งไว้ของวาล์วปล่อยแรงดันเกิน คือ 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (34.48 บาร์) จากแรงดันทั้งหมด 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (34.48 บาร์) นี้ มี 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (13.79 บาร์) ใช้เพื่อเอาชนะแรงโหลด, 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6.89 บาร์) ใช้ขับของไหลผ่านวาล์วเข็ม ส่วนที่เหลืออีก 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (13.79 บาร์) จากแรงดัน 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว จะเปลี่ยนเป็นความร้อนขณะที่ของไหลผ่านรูเปิดของสปูลชดเชย การไหลในจุดนี้มีค่า 3 แกลลอนต่อนาที (11.37 ลิตรต่อนาที) และความเร็วของก้านกระบอกสูบ (rod speed) เท่ากับ 19 ฟุตต่อนาที (97.83 มิลลิเมตรต่อวินาที)

การเพิ่มแรงดันโหลดและค่าที่ตั้งไว้ของวาล์วปล่อยแรงดันเกิน

หากความดันโหลดเพิ่มขึ้นถึง 400 psi (27.58 บาร์) หรือความดันปล่อยออกใหม่ถูกตั้งค่าที่ 600 psi (41.38 บาร์) จะยังคงมีแรงดันขับให้ไหลผ่านวาล์วเข็มอยู่ที่ 100 psi (6.89 บาร์) ตราบใดที่ความดันปล่อยออกถูกตั้งไว้สูงพอที่จะขับให้สปูลปรับสมดุลเคลื่อนที่ กระแสไหลออกสู่กระบอกสูบจะคงที่ที่ 3 gpm (11.37 Lpm)

โครงสร้างของวาล์วควบคุมความเร็วแบบเบี่ยงทาง

วาล์วควบคุมความเร็วแบบเบี่ยงทางประกอบด้วยตัวเรือนวาล์วที่มีช่องรับ ช่องจ่าย และช่องคืนกลับ วาล์วเข็ม สปูลปรับสมดุล และสปริงดัน

หลักการทำงานของแบบเบี่ยงทาง

สปูลปรับสมดุลในวาล์วนี้จะเปิดและปิดช่องทางเบี่ยงทางไปยังถังคืนน้ำมัน สปูลปรับสมดุลถูกดันด้วยสปริงให้อยู่ในตำแหน่งปิด (ตำแหน่งต่ำ) หากสปริงมีค่าแรงดัน 100 psi (6.89 บาร์) ความดันขาเข้าของวาล์วเข็มจะถูกจำกัดไว้ที่ 100 psi (6.89 บาร์) เมื่อกระแสไหลผ่านวาล์วถูกส่งไปยังถังน้ำมันทั้งหมดในสถานะเริ่มต้น ภายใต้การใช้งานปกติ สปูลปรับสมดุลจะถูกดันด้วยสปริงให้อยู่ในตำแหน่งปิด

ความดันขาเข้าของวาล์วเข็มจะถูกตรวจจับผ่านช่องควบคุมภายในไปยังส่วนบนของสปูลปรับสมดุล เมื่อความดันเพิ่มขึ้นเหนือแรงดันสปริงที่ตั้งไว้ สปูลปรับสมดุลจะทำหน้าที่คล้ายวาล์วปล่อยแรงดัน — โดยเปิดช่องทางเบี่ยงเบน ทำให้ความดันขาเข้าของวาล์วเข็มจำกัดอยู่ที่ 100 psi (6.89 บาร์) ความดันขาเข้าคงที่ของวาล์วเข็มไม่ได้รับประกันการไหลคงที่ — หากความดันด้านท้ายเปลี่ยนแปลง ความต่างของความดันที่รูเปิดของวาล์วเข็มก็จะเปลี่ยนตาม และอัตราการไหลก็จะเปลี่ยนไปด้วย

เพื่อชดเชยปรากฏการณ์นี้ ความดันของวาล์วเข็มด้านท้ายจะถูกส่งผ่านช่องควบคุมไปยังช่องว่างของสปริงที่ใช้ปรับสมดุลสปูล ขณะนี้ด้าน A ของสปูลปรับสมดุลมีแรงดันสองชนิดที่กระทำ: แรงจากสปริงและแรงดันน้ำมันด้านท้าย หากค่าความดันจากสปริงเท่ากับ 100 psi (6.89 บาร์) ความดันขาเข้าของวาล์วเข็มจะถูกจำกัดให้สูงกว่าความดันด้านท้าย 100 psi (6.89 บาร์) เท่านั้น ตราบใดที่วาล์วปล่อยแรงดันถูกตั้งค่าให้มีค่าสูงพอ ความต่างของความดันที่รูเปิดของวาล์วเข็มจะเท่ากับ 100 psi (6.89 บาร์) — คงที่

วาล์วควบคุมความเร็วแบบเบี่ยงเบนในวงจร

วาล์วควบคุมความเร็วแบบบายพาส ตั้งค่าที่อัตราการไหล 3 แกลลอนต่อนาที (11.37 ลิตรต่อนาที) ความดันปล่อย (relief) 500 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (34.48 บาร์) ความดันโหลด 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (13.79 บาร์) และแรงดันสปริง = 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6.89 บาร์) ปั๊มพยายามส่งของไหลทั้งหมด 5 แกลลอนต่อนาที (18.95 ลิตรต่อนาที) ผ่านวาล์วเข็ม (needle valve) ส่วนควบคุม (compensating spool) จะเปิดทางบายพาส ทำให้ความดันขาเข้าของวาล์วเข็มถูกจำกัดไว้ที่ 300 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (20.68 บาร์) โดยจากความดัน 300 ปอนด์ต่อตารางนิ้วนี้: 200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (13.79 บาร์) ใช้เพื่อเอาชนะแรงโหลด ส่วนอีก 100 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (6.89 บาร์) ใช้ขับของไหล 3 แกลลอนต่อนาที (11.37 ลิตรต่อนาที) ผ่านวาล์วเข็ม ส่วนของไหลที่เหลืออีก 2 แกลลอนต่อนาที (7.58 ลิตรต่อนาที) จะไหลผ่านช่องเปิดของส่วนควบคุมไปยังถังโดยตรง

รูปที่ 9-8 วงจรควบคุมความเร็วแบบบายพาส ส่วนควบคุมจะเบี่ยงเบนของไหลส่วนเกินจากปั๊มไปยังถังโดยตรง แทนที่จะส่งผ่านวาล์วปล่อย (relief valve) ซึ่งมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานสูงกว่าแบบเมเตอร์-อิน (meter-in) เนื่องจากของไหลส่วนเกินไม่ต้องไหลผ่านระบบที่มีความดันสูงสุดทั้งระบบ

การเพิ่มแรงดันโหลดและค่าที่ตั้งไว้ของวาล์วปล่อยแรงดันเกิน

หากความดันโหลดเพิ่มขึ้นถึง 400 psi (27.58 บาร์) หรือความดันปล่อยออก (relief) ถูกตั้งค่าใหม่ที่ 600 psi (41.38 บาร์) จะยังคงมีแรงดัน 100 psi (6.89 บาร์) ผลักดันให้ของไหลผ่านวาล์วเข็ม (needle valve) อยู่ ตราบใดที่ความดันปล่อยออกถูกตั้งไว้สูงพอที่จะเปิดสปูลปรับสมดุล (compensating spool) การจ่ายออกสู่กระบอกสูบ (cylinder) จะคงที่ที่ 3 gpm (11.37 Lpm)

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการไหลผ่านรูจำกัด (Orifice Flow)

ดังที่กล่าวไว้ตอนต้นของบทนี้ ปัจจัยหลักสามประการที่ส่งผลต่อการไหลผ่านรูเปิด ได้แก่ ขนาดของรูเปิด ความต่างของแรงดัน และอุณหภูมิของน้ำมัน เมื่ออุณหภูมิของน้ำมันเปลี่ยนแปลง ความหนืดของน้ำมันก็จะเปลี่ยนตาม — และเมื่อความหนืดของน้ำมันเปลี่ยนแปลง การไหลผ่านรูเปิดก็จะเปลี่ยนไปด้วย สำหรับรูเปิดแบบคงที่หรือวาล์วเข็ม อิทธิพลของการเปลี่ยนแปลงการไหลที่เกิดจากอุณหภูมิโดยทั่วไปไม่มีน้ำหนักมากนัก เนื่องจากขนาดของรูเปิดและความต่างของแรงดันมักมีค่าสูงกว่าผลกระทบจากความหนืดอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมการไหลอย่างแม่นยำมากเป็นพิเศษ จำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบจากอุณหภูมิด้วย ทั้งวาล์วควบคุมความเร็วแบบมิเตอร์-อิน (meter-in) และแบบบายพาส (bypass) โดยทั่วไปเพียงพอสำหรับการใช้งานไฮดรอลิกในอุตสาหกรรมทั่วไป

สำหรับการใช้งานที่ต้องการการควบคุมการไหลอย่างแม่นยำยิ่งยวด — โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ — สามารถใช้วาล์วควบคุมการไหลแบบชดเชยอุณหภูมิ (temperature-compensated flow control valve) ซึ่งประเภทนี้ยังชดเชยผลกระทบจากอุณหภูมิด้วย

สูตรสำคัญ — บทที่ 9