Kabanata 9: Mga Valve para sa Pagkontrol ng Daloy

Ang Orpisyo

Ang isang orpisyo ay isang relatibong maliit na bukasan sa daloy ng likido. Ang daloy sa pamamagitan ng isang orpisyo ay naaapektuhan ng ilang kadahilanan, kung saan ang tatlong pangunahing ito ay:

1. Laki ng Orifice
2. Diferensyal ng presyon sa buong orpisyo
3. Temperatura ng likido

Epekto ng sukat ng orpisyo sa daloy

Ang sukat ng orpisyo ang nagsisikontrol sa daloy sa pamamagitan nito. Isang karaniwang halimbawa sa pang-araw-araw ay ang nozzle ng garden hose — kung maliit ang bukasan ng nozzle, ang tubig ay lumalabas bilang isang mahinang mist o spray. Kung mas malaki ang bukasan, naging jet stream ito. Sa parehong mga kaso, ang orpisyo ng nozzle ng hose ang naglilimita sa direksyon ng daloy ng tubig — ang daloy sa pamamagitan ng orpisyo ay nakadepende sa laki ng bukasan.

Figura 9-1: Valve ng kontrol ng daloy sa isang circuit. Ang valve ay nagpapabagal ng daloy patungo sa cylinder. Ang sobrang daloy ng pump ay pumupunta sa relief valve. Ang pinaghihigpitang daloy ay naging potensyal na enerhiya (velocity) sa orpisyo.

Fix na Orpisyo

Ang isang nakapirming oripisyo ay may sukat ng bukas na hindi maaaring i-adjust. Ang pinakakaraniwang halimbawa nito sa teknolohiyang hidrauliko ay ang butas na hinukot sa isang plug ng tubo o sa isang check valve, o ang pre-set na valve para sa kontrol ng daloy na ginawa sa pabrika.

Variable orifice

Kadalasan, kailangan ang variable orifice imbes na ang nakapirming oripisyo dahil ito ay mas madaling i-adapt. Ang mga gate valve, ball valve, at needle valve ay lahat na halimbawa ng variable orifice.

Gate Valve

Ang daloy na daanan ng isang gate valve ay tuwid. Binabago ang sukat ng oripisyo sa pamamagitan ng pag-ikot ng handle upang buksan o isara ang gate sa daanan ng daloy. Bagaman hindi idinisenyo ang mga gate valve para sa kontrol ng daloy, maaari pa ring gamitin ang ilan sa mga ito bilang mga device na naglilimita ng daloy sa ilang simpleng sistema ng pagkuha ng sukat ng daloy.

Ang mga VALVE ng bola

Ang mga daanan ng daloy ng ball valve ay hindi tuwid — gumagawa sila ng 90° na baluktot. Ang oripisyo ay ang seat at ang konikal na plug o ball plug sa umiikot na daanan. Ina-adjust ang sukat ng bukas ng oripisyo sa pamamagitan ng pagbabago ng posisyon ng ball plug.

Agimat na Bubong

Ang daloy sa pamamagitan ng mga needle valve ay gumagawa rin ng 90° na pagliko, pagkatapos ay dumaan sa isang orifice. Ang orifice na ito ay binubuo ng puwang sa pagitan ng isang valve rod na may tapered-end at ng valve seat. Binabago ang sukat ng orifice sa pamamagitan ng pag-aadjust sa posisyon ng cone face na nauugnay sa valve seat. Dahil ang mga adjustment threads sa valve rod ay maliit ang pitch at ang dulo nito ay tapered, ang sukat ng orifice ay nababago nang paunti-unti. Sa mga hydraulic system, ang needle valve ang pinakakaraniwang ginagamit na variable orifice.

Figure 9-2 Mga uri ng variable orifice. Ang needle valve (sa ibaba) ang pinakakaraniwan sa mga hydraulic system — ang tapered tip nito at ang maliit na pitch ng mga thread nito ay nagpapahintulot ng napakapreskong at paunti-unting pag-aadjust ng daloy.

Aplikasyon ng needle valve sa isang circuit

Ang halimbawa ng circuit ay gumagamit ng isang 5 gpm (18.95 Lpm) na positive-displacement pump, isang relief valve, isang directional valve, isang variable orifice (needle valve), at isang hydraulic cylinder na may 3 in² (19.35 cm²) na piston area. Kung ang relief valve ay naka-set sa 500 psi (34.48 bar) at ang pump ay nagpapadala ng 5 gpm:

Kapag ang needle valve ay naglilimita ng daloy sa 2 gpm (7.58 lpm) lamang, ang bilis ng piston = 2 × 19.25 ÷ 3 = 13 ft/min (3.96 m/min). Ang relief valve ay naglilimita ng presyon ng sistema sa 500 psi (34.48 bar) sa pamamagitan ng pagpapadala ng natitirang 3 gpm (11.37 lpm) papunta sa tangke.

Pagbukas ng orifice ng needle valve

Ang pag-ikot ng needle valve palabas ay nagpapalawak ng orifice—mas maraming daloy ang pumapasok sa silindro, hanggang sa umabot sa limitasyon ng presyon ng relief valve. Dumadami ang bilis ng piston.

Pagsara ng orifice ng needle valve

Ang pag-ikot ng needle valve paitaas ay nagpapaliit ng orifice. Kumakapos ang daloy na pumapasok sa silindro, kaya bumababa ang bilis ng piston.

Epekto ng Pressure Differential sa Daloy

Ang daloy sa isang orifice ay naaapektuhan ng pressure differential. Dahil ang presyon ay potensyal na enerhiya sa isang hydraulic system, mas malaki ang pressure differential sa isang orifice, mas malaki rin ang daloy dito.

Pang-araw-araw na halimbawa — air mattress

Pagkatapos ng isang araw sa beach o camping site, inaalis mo ang plug mula sa isang na-inflate na air mattress at pinapahintulutan ang hangin na lumabas nang malaya. Dahil maliit ang pressure differential sa loob at sa labas, unti-unti lang itong napapalabas. Ipisil ang mattress nang mahigpit — tumataas ang internal pressure kung ihahambing sa atmospheric pressure, dumadami ang differential, at mas mabilis na lumalabas ang hangin.

Pisilin nang dahan-dahan ang isang tube ng toothpaste — lumalabas ang kaunti lamang. Pisilin nang mahigpit — mas maraming toothpaste ang pinalalabas at maaaring mahulog sa sahig. Kung tatawanan ang tube ng toothpaste, ang pressure differential mula sa loob patungo sa atmospheric pressure ay mas malaki kaysa kapag pinipisil ng kamay, kaya mas maraming toothpaste ang lalabas nang mas mabilis.

Epekto ng pressure differential sa daloy ng needle valve sa isang circuit

Sa circuit na ipinakikita, ang needle valve ay naglilimita ng daloy ng bomba na 5 gpm (18.95 Lpm) sa 3 gpm (11.37 Lpm). Ang setting ng relief valve ay 500 psi (34.48 bar). Ang load resistance ay 200 psi (14 bar). Ang presyon sa inlet ng needle valve ay katumbas ng setting ng relief valve: 500 psi (34.48 bar). Sa kabuuang 500 psi (34.48 bar) na ito, ang 200 psi (14 bar) ay gumagana laban sa load resistance; ang natitirang pressure differential na 300 psi (21 bar) ang nagpapadaloy ng 3 gpm (11.3 Lpm) sa pamamagitan ng needle valve, na nagreresulta sa bilis ng rod na 19.25 ft/min (5.87 m/min). Ang natitirang 2 gpm (7.58 Lpm) ay dumadaan sa relief valve patungo sa tank.

Pagtaas ng setting ng relief valve

Kapag pinapanatili ang load pressure at setting ng needle valve nang hindi nababago, at itinaas ang relief valve sa 600 psi (41.38 bar): ang presyon sa inlet ng needle valve ay naging 600 psi (41.38 bar). Sa kabuuang halaga na ito, ang 200 psi (14 bar) ay gumagana laban sa load; ang bagong pressure differential na 400 psi (28 bar) ang ngayon nagpapadaloy ng 4 gpm (15 Lpm) sa pamamagitan ng needle valve. Ang bilis ng rod ay tumataas sa 26 ft/min (7.92 m/min).

Tumataas ang load pressure

I-reset ang relief valve pabalik sa 500 psi (34.48 bar) na may hindi binago ang needle valve. Ang pagtaas ng load: tumataas ang presyon ng load hanggang 400 psi (28 bar). Ang presyon sa inlet ng needle valve ay nananatiling 500 psi (34.48 bar), ngunit ngayon ay mayroon lamang 100 psi (6.9 bar) na pressure differential na nagpapadala ng daloy sa loob ng needle valve—kaya lamang 1 gpm (3.79 lpm). Ang bilis ng rod ay bumababa sa 6 ft/min (30 mm/s). Ang natitirang 4 gpm (15 lpm) ay dumadaan sa relief valve.

Ito ay nagpapakita na ang daloy sa loob ng isang needle valve ay nagbabago kasabay ng anumang pagbabago sa presyon sa alinman sa dalawang panig ng orifice. Upang tiyakin ang eksaktong pagmametro ng daloy sa loob ng isang needle valve, kailangang kanselahin o kompensahin ang mga pagbabagong ito sa presyon.

Valve para sa Pagkontrol ng Bilis (Flow Control Valve na May Pressure Compensation)

Mula sa mga halimbawa sa itaas, ang anumang pagbabago sa presyon sa alinman sa dalawang panig ng oripisyo ay nakaaapekto sa daloy ng needle valve, na nagbabago ng bilis ng actuator. Upang tiyakin ang eksaktong pagsukat ng daloy sa pamamagitan ng isang oripisyo kahit may pagbabago sa presyon, kailangang kompensahin ang mga pagbabagong ito sa presyon. Ang needle valve ay isang hindi nakakakompensa na valve para sa kontrol ng daloy — mabuting kagamitan ito para sa pagsukat ng daloy hangga't ang presyon na pagkakaiba ay nananatiling pare-pareho at ang needle ay nasa tamang sentro. Para sa mas tiyak na kontrol ng daloy, dapat gamitin ang isang pressure-compensated flow control valve (speed control valve). Ito ay isang tagapangasiwa ng daloy na nakakakompensa sa mga pagbabago ng presyon sa unahan at sa likuran ng oripisyo.

Ang mga speed control valve (mga pressure-compensated flow control valve) ay maaaring hatiin sa uri ng meter-in at uri ng bypass.

Konstruksyon ng meter-in speed control valve

Ang meter-in pressure-compensated flow control valve ay binubuo ng isang katawan ng valve na may inlet at outlet na mga port, isang needle valve, isang compensating spool, at isang bias spring.

Paano gumagana ang uri ng meter-in

Upang maunawaan kung paano gumagana ang uri ng meter-in, sinusuri natin ang operasyon nito nang hakbang-hakbang. Kapag ang compensating spool ay ganap na inilipat patungo sa panig A, ang lahat ng papasok na langis na may presyon ay dumadaloy sa orifice ng needle valve. Habang ang compensating spool ay gumagalaw nang bahagya patungo sa panig B, ang papasok na langis na may presyon ay binabawasan ang daloy (throttled). Upang panatilihin ang bukas na daloy ng langis, ang compensating spool ay may pwersa ng spring na nagpapahintulot sa paggalaw nito patungo sa panig A. Ang presyon sa inlet ng needle valve ay sinusukat gamit ang panloob na control passage patungo sa dulo A ng compensating spool — kapag tumataas ang presyon nang higit sa pwersa ng spring bias, ang spool ay lumilipat patungo sa panig B.

Kung ang orihis ng needle valve ay inaayos upang mas mababa sa buong daloy ng bomba ang dumadaan dito, tumataas ang presyon sa inlet ng needle valve hanggang sa setting ng relief valve. Kapag tumataas ang presyon sa inlet ng needle valve nang higit sa lakas ng spring ng compensating spool, lumilipat ang compensating spool patungo sa B, na nagpapabagal sa papasok na daloy. Kapag ang daloy sa orihis ng compensating spool ay katumbas ng output na daloy ng bomba, nananatili ang presyon sa inlet ng needle valve sa halaga ng presyon ng spring. Halimbawa, gamit ang halaga ng spring na 100 psi (6.89 bar) at ang relief set na 500 psi (34.48 bar): ang presyon sa inlet ay 500 psi (34.48 bar); habang dumadaloy ang langis sa orihis ng compensating spool, nababago ang 400 psi (28 bar) sa init, kaya bumababa ang presyon sa inlet ng needle valve sa 100 psi (6.89 bar). Ibig sabihin, anuman ang presyon sa inlet ng flow control valve, dahil sa aksyon ng compensating spool, pinapanatili ang presyon sa inlet ng needle valve sa 100 psi (6.89 bar).

Figura 9-5: Selyo ng kontrol ng bilis na pumasok sa metro (na may kompensasyon ng presyon). Ang kompensating spool ay panatilihin ang presyon na nabawasan sa buong needle valve na pare-pareho, anuman ang pagbabago sa presyon sa inlet o outlet — upang magbigay ng tiyak at pare-parehong daloy.

Sa mas maagang circuit ng needle-valve, ang pressure differential sa buong oripisyo ng needle valve ay kalahati lamang ng kuwento — kailangan din i-kompensate ang presyon sa ilalim ng needle valve. Sa ibang salita, dapat panatilihin ang pare-parehong pressure differential. Upang makamit ito, ang presyon sa ilalim ng needle valve ay isinasaad din sa pamamagitan ng isang control passage patungo sa cavity ng bias spring ng compensating spool. Ngayon, dalawang puwersa ang kumikilos sa side A ng compensating spool: ang puwersa ng spring at ang presyon ng langis sa ilalim.

Kung ang pwersa ng spring = 100 psi (6.89 bar), ang pressure differential ng needle valve ay limitado sa isang halaga na mas mataas sa downstream pressure ng 100 psi (6.89 bar). Hanggang sa ang relief valve ay naka-set nang sapat na mataas, ang pressure differential sa needle orifice ay laging katumbas ng halaga ng spring pressure. Sa pamamagitan nito, ang pressure differential na nagpapadala ng daloy sa loob ng needle valve ay palaging pare-pareho — hindi naaapektuhan ng anumang pagbabago sa upstream o downstream pressure.

Meter-in speed control valve sa isang circuit

Sa sirkuito, ang valve ng meter-in para sa pagkontrol ng bilis ay nakatakda sa 3 gpm (11.37 Lpm). Ang relief valve ay nasa 500 psi (34.48 bar), at ang presyon ng karga ay 200 psi (13.79 bar). Ang spring ng compensating spool ay katumbas ng 100 psi (6.89 bar). Sinusubukan ng pump na ipadala ang buong 5 gpm (18.95 lpm) sa pamamagitan ng needle valve, kaya tumataas ang presyon sa inlet ng needle valve. Sa 300 psi (21 bar), lumilipat ang compensating spool at binabawasan ang daloy, kaya tumataas ang presyon sa inlet ng flow control hanggang sa setting ng relief valve na 500 psi (34.48 bar). Sa kabuuang 500 psi (34.48 bar) na ito, 200 psi (13.79 bar) ang ginagamit upang labanan ang karga; 100 psi (6.89 bar) ang nagpapagalaw ng daloy sa loob ng needle valve; at ang natitirang 200 psi (13.79 bar) sa 500 psi ay nababago sa init habang dumadaan ang daloy sa orifice ng compensating spool. Ang daloy dito ay 3 gpm (11.37 Lpm) at ang bilis ng rod ay 19 ft/min (97.83 mm/s).

Pagtaas ng presyon ng karga at ng setting ng relief valve

Kung ang presyon ng karga ay umakyat sa 400 psi (27.58 bar) o ang relief ay i-reset sa 600 psi (41.38 bar), may nananatiling 100 psi (6.89 bar) na nagpapadala ng daloy sa pamamagitan ng needle valve. Hanggang sa ang setting ng relief ay sapat na mataas upang ilipat ang compensating spool, ang daloy na lumalabas patungo sa cylinder ay mananatiling pare-pareho sa 3 gpm (11.37 Lpm).

Konstruksyon ng bypass-type speed control valve

Ang bypass-type speed control valve ay binubuo ng isang valve body na may inlet, outlet, at return ports, isang needle valve, isang compensating spool, at isang bias spring.

Paano gumagana ang bypass type

Ang compensating spool sa valve na ito ay bukas at sarado ng isang bypass passage patungo sa tank return. Ang compensating spool ay may spring-bias na pagsarado (mas mababang posisyon). Kung ang spring ay may lakas na 100 psi (6.89 bar), ang presyon sa inlet ng needle valve ay limitado sa 100 psi (6.89 bar). Kapag ang daloy sa loob ng valve ay ganap na inilalaan sa oil tank sa unang estado nito. Sa normal na operasyon, ang compensating spool ay may spring-bias sa posisyong sarado.

Ang presyon ng inlet ng needle valve ay sinusukat sa pamamagitan ng panloob na kontrol na daanan patungo sa tuktok ng compensating spool. Kapag tumataas ang presyon nang higit sa lakas ng spring bias, ang compensating spool ay kumikilos nang parang isang relief valve — binubuksan ang bypass na daanan at pinipigilan ang presyon ng inlet ng needle valve sa 100 psi (6.89 bar). Ang nakatakda nang presyon ng inlet ng needle valve ay hindi nagpapagarantiya ng pare-parehong daloy — kung magbabago ang presyon sa downstream, magbabago rin ang pressure differential sa needle orifice, at magbabago ang daloy.

Upang kompensahin ito, ang presyon ng needle valve sa downstream ay dinadala sa pamamagitan ng kontrol na daanan patungo sa kavidad ng bias spring ng compensating spool. Ngayon, ang A-side ng compensating spool ay may dalawang bias na pwersa: ang pwersa ng spring at ang presyon ng langis sa downstream. Kung ang pwersa ng spring ay katumbas ng 100 psi (6.89 bar), ang presyon ng inlet ng needle valve ay limitado sa 100 psi (6.89 bar) nang higit sa presyon sa downstream. Hangga’t ang relief valve ay naka-set nang sapat na mataas, ang pressure differential sa needle orifice ay katumbas ng 100 psi (6.89 bar) — pare-pareho.

Bypass-type na speed control valve sa isang circuit

Ang bypass-type na speed control valve ay nakatakda sa 3 gpm (11.37 Lpm). Ang pressure relief ay 500 psi (34.48 bar), ang load ay 200 psi (13.79 bar), at ang spring ay katumbas ng 100 psi (6.89 bar). Sinusubukan ng pump na ipadala ang buong 5 gpm (18.95 Lpm) sa pamamagitan ng needle valve. Ang compensating spool ay binubuksan ang bypass passage, na naglilimita sa inlet pressure ng needle valve sa 300 psi (20.68 bar). Sa kabuuang 300 psi na ito: 200 psi (13.79 bar) ang ginagamit upang labanan ang load, habang ang 100 psi (6.89 bar) ang nagpapagalaw ng 3 gpm (11.37 Lpm) sa pamamagitan ng needle valve. Ang natitirang 2 gpm (7.58 Lpm) ay napupunta sa bypass sa pamamagitan ng bukas na compensating spool pabalik sa tank.

Figure 9-8: Bypass-type na speed control circuit. Ang compensating spool ay nagpapadaloy ng sobrang daloy ng pump nang direkta patungo sa tank imbes na ipadala ito sa relief valve. Mas epektibo ito sa paggamit ng enerhiya kaysa sa meter-in type dahil ang sobrang daloy ay hindi dumaan sa buong presyon ng sistema.

Pagtaas ng presyon ng karga at ng setting ng relief valve

Kung ang presyon ng karga ay umusbong sa 400 psi (27.58 bar) o ang relief ay i-reset sa 600 psi (41.38 bar), mayroon pa ring 100 psi (6.89 bar) na nagpupush ng daloy sa pamamagitan ng needle valve. Hanggang sa ang relief ay itinakda nang sapat na mataas upang buksan ang compensating spool, ang output patungo sa cylinder ay isang pare-pareho na 3 gpm (11.37 Lpm).

Epekto ng Temperatura sa Daloy sa Orifice

Tulad ng nabanggit sa simula ng kabanatang ito, ang tatlong pangunahing kadahilanan na nakaaapekto sa daloy sa oripisyo ay ang sukat ng oripisyo, ang pagkakaiba ng presyon, at ang temperatura ng langis. Kapag nagbabago ang temperatura ng langis, nagbabago rin ang kaniyang viskosidad — at kapag nagbabago ang viskosidad ng langis, nagbabago rin ang daloy sa oripisyo. Sa mga oripisyong nakafixed o sa mga needle valve, ang mga pagbabago sa daloy dulot ng temperatura ay karaniwang hindi malaki dahil ang sukat ng oripisyo at ang pagkakaiba ng presyon ay karaniwang malaki kung ihahambing sa epekto ng viskosidad. Gayunpaman, para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng napakapresisyosong kontrol sa daloy, kailangang isaalang-alang ang epekto ng temperatura. Parehong ang meter-in at ang bypass-type na mga speed control valve ay karaniwang sapat para sa karaniwang industriyal na hydraulic na aplikasyon.

Para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng napakapresisyosong kontrol sa daloy — anuman ang pagbabago sa temperatura — maaaring gamitin ang isang temperature-compensated flow control valve. Ang uri na ito ay kompensado rin para sa mga epekto ng temperatura.

Mga Pangunahing Pormula — Kabanata 9