Bölüm 9: Akış Kontrol Vanaları

Delik

Bir delik, bir akışkan akış yolu içinde nispeten küçük bir açıklıktır. Bir delikten geçen akış, birkaç faktörden etkilenir; bunların üçü ana faktördür:

1. Açıklık Boyutu
2. Delik üzerindeki basınç farkı
3. Sıvı sıcaklığı

Delik boyutunun akışa etkisi

Delik boyutu, içinden geçen akışı kontrol eder. Günlük hayatta yaygın bir örnek bahçe hortumu uç başlığıdır — uç başlığının açıklığı küçükse su ince bir sis veya püskürtme şeklinde çıkar. Açıklık daha büyükse, bir jet akımı haline gelir. Her iki durumda da bahçe hortumu uç başlığındaki delik suyun akış yönünü sınırlar — delikten geçen akış, açıklık boyutuyla belirlenir.

Şekil 9-1: Bir devredeki akış kontrol valfi. Bu valf silindire giden akışı daraltır. Fazla pompa akışı emniyet valfinden geçer. Daraltılmış akış, delikte potansiyel enerji (hız) olarak oluşur.

Sabit Orifis

Sabit bir delik, ayarlanamayan bir açıklık boyutuna sahiptir. Hidrolik teknolojisinde en yaygın örnekler, bir boru tıpası veya çek valf üzerinde delinmiş delik ya da fabrikada önceden ayarlanmış akış kontrol valfidir.

Değişken delik

Akış kontrolü için çoğunlukla sabit bir delik yerine değişken bir delik gereklidir, çünkü daha uyumlu ve esnektir. Kapı valfleri, küresel valfler ve iğne valfler, değişken delikli valflerin tümüdür.

Sürgülü Vana

Bir kapı valfinin akış yolu doğrusaldır. Deliğin boyutu, akış yolundaki kapakları açmak veya kapatmak için kolu döndürerek değiştirilir. Kapı valfleri akış kontrolü için tasarlanmamış olsa da bazı kabaca ölçüm yapılan akış sistemlerinde akış kısıtlayıcı cihazlar olarak kullanılabilir.

Top Valfi

Küresel vana akış geçitleri düz değildir — 90°'lik bir dönüş yaparlar. Açıklık, dönen geçitteki oturma yüzeyi ve konik veya küresel tıpa olarak tanımlanır. Açıklık açıklığı, küresel tıpanın konumunu değiştirerek ayarlanır.

Iğne Vana

İğne vanalarından geçen akış da 90°'lik bir dönüş yapar, ardından bir açıklıktan geçer. Bu açıklama, konik uçlu vana milinin ve vana oturma yüzeyinin arasındaki boşluktan oluşur. Açıklık boyutu, koni yüzeyinin vana oturma yüzeyine göre konumu ayarlanarak değiştirilir. Vana milindeki ayarlama dişleri ince adımlı ve uç konik olduğundan, bu açıklık boyutu kademeli olarak değişir. Hidrolik sistemlerde iğne vana, en sık kullanılan değişken açıklık türüdür.

Şekil 9-2 Değişken açıklık tipleri. İğne vana (altta), hidrolikte en yaygın kullanılan türdür — konik ucu ve ince dişleri sayesinde çok hassas ve kademeli akış ayarı sağlar.

İğne vananın bir devredeki uygulaması

Örnek devre, 5 gpm (18,95 L/dk) hacimsel debili bir pompa, bir emniyet valfi, bir yön kontrol valfi, bir değişken açıklıklı (iğne valfi) ve 3 in² (19,35 cm²) piston alanına sahip bir hidrolik silindir kullanır. Emniyet valfi 500 psi (34,48 bar) olarak ayarlanmışsa ve pompa 5 gpm debi sağlıyorsa:

İğne valfi akışı yalnızca 2 gpm’ye (7,58 L/dk) kısıtladığında mil hızı = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 ft/dk (3,96 m/dk) olur. Emniyet valfi, kalan 3 gpm’yi (11,37 L/dk) depoya yönlendirerek sistemin basıncını 500 psi (34,48 bar) ile sınırlar.

İğne valfi açıklığının açılması

İğne valfini dışa doğru döndürmek açıklığı artırır — daha fazla akış silindire geçer; ancak bu akış, emniyet valfinin belirlediği basınç sınırına kadar artar. Mil hızı artar.

İğne valfi açıklığının kapatılması

İğne valfini içe doğru döndürmek açıklığı azaltır. Silindire giren akış miktarı azalır; dolayısıyla mil hızı düşer.

Basınç farkının akışa etkisi

Bir delikten geçen akış, basınç farkından etkilenir. Basınç, bir hidrolik sistemde potansiyel enerji olduğundan, bir deliğin iki tarafındaki basınç farkı ne kadar büyükse, delikten geçen akış da o kadar fazla olur.

Günlük yaşam örneği — hava yatağı

Plajda veya kamp alanında geçirilen bir günün ardından, şişirilmiş bir hava yatağının tıkacını çıkarır ve havanın serbestçe dışarı çıkmasına izin verirsiniz. İç ve dış basınç farkı küçük olduğu için yatak yavaşça çöker. Hava yatağını sıkın — iç basınç atmosferik basıncına kıyasla yükselir, basınç farkı artar ve hava daha hızlı dışarı çıkar.

Diş macunu tüpünü hafifçe sıkın — az miktarda macun çıkar. Güçlü bir şekilde sıkın — daha fazla diş macunu dışarı çıkar ve yere dökülebilir. Diş macunu tüpüne bastırılırsa, iç basınç ile atmosferik basınç arasındaki fark elle sıkıldığında olduğundan daha büyük olur; bu nedenle daha fazla macun daha hızlı çıkar.

Basınç farkının bir devrede iğne vanasından geçen akış üzerindeki etkisi

Gösterilen devrede, iğne vana, 5 gpm (18,95 L/dk) pompa debisini 3 gpm (11,37 L/dk) ile sınırlar. Emniyet valfi ayarı: 500 psi (34,48 bar). Yük direnci: 200 psi (14 bar). İğne vananın giriş basıncı, emniyet valfi ayarına eşittir: 500 psi (34,48 bar). Bu 500 psi (34,48 bar) değerinden 200 psi (14 bar) yük direncini yenmek için kullanılır; kalan 300 psi (21 bar) basınç farkı, iğne vanadan 3 gpm (11,3 L/dk) debiyi geçirir ve piston çubuğu hızını 19,25 ft/dak (5,87 m/dak) yapar. Kalan 2 gpm (7,58 L/dk) debi, emniyet valfinden tanka geçer.

Emniyet valfi ayarının artırılması

Yük basıncını ve iğne vanası ayarını sabit tutarak emniyet valfi ayarını 600 psi (41,38 bar) değerine yükseltmek: iğne vanasının giriş basıncı 600 psi (41,38 bar) olur. Bu değerden 200 psi (14 bar) yükü yenmek için kullanılır; artık 400 psi (28 bar) basınç farkı iğne vanadan 4 gpm (15 L/dk) debiyi geçirir. Piston çubuğu hızı 26 ft/dak (7,92 m/dak) değerine yükselir.

Yük basıncı artar

İğne valfi sabit tutularak emniyet valfini tekrar 500 psi (34,48 bar) değerine ayarlayın. Yük artışı: yük basıncı 400 psi'ye (28 bar) çıkar. İğne valfinin giriş basıncı hâlâ 500 psi (34,48 bar) olmasına rağmen, artık yalnızca 100 psi (6,9 bar)’lik bir basınç farkı ile iğne valfinden akış sağlanır — yalnızca 1 gpm (3,79 l/dk). Mil hızı 6 ft/dk’ya (30 mm/sn) düşer. Kalan 4 gpm (15 l/dk) emniyet valfinden geçer.

Bu durum, iğne valfinden geçen akışın orifisin her iki tarafındaki basınç değişiklikleriyle birlikte değiştiğini gösterir. İğne valfinden geçen akışı tam olarak ölçebilmek için bu basınç değişiklikleri iptal edilmeli ya da telafi edilmelidir.

Hız Kontrol Valfi (Basınç-Telafili Akış Kontrol Valfi)

Yukarıdaki örneklerden anlaşılacağı üzere, delik (orifis) boyunca her iki tarafta meydana gelen basınç değişimi iğne vana akışını etkiler ve aktüatör hızını değiştirir. Basınç değişimi ne olursa olsun bir delikten geçen akışı tam olarak ayarlamak için bu basınç değişimleri telafi edilmelidir. İğne vana, telafi edilmemiş akış kontrol vanasıdır; basınç farkı sabit kalıyorsa ve iğne iyi merkezlenmişse iyi bir akış ölçüm cihazıdır. Daha hassas akış kontrolü için basınçla telafi edilen akış kontrol vanası (hız kontrol vanası) kullanılmalıdır. Bu, deliğin giriş ve çıkış tarafındaki basınç değişimlerini telafi eden bir akış kontrolörüdür.

Hız kontrol vanaları (basınçla telafi edilen akış kontrol vanaları), girişe ayarlı tip ve atlayıcı tip olmak üzere ikiye ayrılır.

Girişe ayarlı hız kontrol vanası yapısı

Girişe ayarlı basınçla telafi edilen akış kontrol vanası, giriş ve çıkış portlarına sahip bir vana gövdesinden, bir iğne vanadan, bir telafi edici pimden ve bir ön gerilim yayından oluşur.

Girişe ayarlı tipin çalışma prensibi

Metre-tipi sistemin nasıl çalıştığını anlamak için işlemi adım adım analiz ederiz. Dengeleme supabı tamamen A tarafına kaydığında, gelen basınçlı yağ iğne valfi açıklığına ulaşır. Dengeleme supabı B tarafına doğru hafifçe hareket etmeye başladıkça gelen basınçlı yağ daralır. Akış geçidini açık tutmak için dengeleme supabı yay kuvvetiyle A tarafına doğru bastırılır. İğne valfinin giriş basıncı, iç kontrol kanalı aracılığıyla dengeleme supabının A ucuna iletilir; basınç yay kuvvetini aşacak şekilde yükseldiğinde supap B tarafına doğru kayar.

İğne vana açıklığı, pompa debisinin tamamından daha azının geçmesi için ayarlanırsa, iğne vana giriş basıncı emniyet valfi ayar değerine yükselir. İğne vana giriş basıncı, dengeleme supabı yay kuvvetini aştığında, dengeleme supabı B yönüne doğru kayar ve gelen akışı daraltır. Dengeleme supabı açıklığından geçen akış, pompanın çıkış debisine eşit olduğunda iğne vana giriş basıncı yay basıncı değerinde sabitlenir. Örneğin, 100 psi (6,89 bar)’lik bir yay değeri ve 500 psi (34,48 bar)’lik bir emniyet ayarı ile: giriş basıncı 500 psi (34,48 bar) olur; yağ dengeleme supabı açıklığından geçerken 400 psi (28 bar) ısıya dönüşür ve bu da iğne vana giriş basıncını 100 psi (6,89 bar)’a düşürür. Bu durum, akış kontrol valfi giriş basıncı ne olursa olsun, dengeleme supabı hareketi sayesinde iğne vana giriş basıncının 100 psi (6,89 bar)’da tutulduğu anlamına gelir.

Şekil 9-5: Girişte debi kontrol valfi (basınç-kompansasyonlu). Kompansasyonlu sürgü, giriş veya çıkış basıncındaki değişikliklerden bağımsız olarak iğne valfinin uçlarındaki basınç düşüşünü sabit tutar — böylece hassas ve sabit bir debi sağlar.

Daha önceki iğne valfi devresi için iğne valfinin açıklığındaki basınç farkı yalnızca yarım hikâye demektir — iğne valfinin çıkış tarafındaki basınç da kompanse edilmelidir. Başka bir deyişle, sabit bir basınç farkı korunmalıdır. Bunu sağlamak amacıyla iğne valfinin çıkış tarafındaki basıncı da bir kontrol kanalı üzerinden kompansasyonlu sürgünün yay odası boşluğuna yönlendirilir. Artık iki kuvvet kompansasyonlu sürgünün A yüzüne etki eder: yay kuvveti ve çıkış taraflı yağ basıncı.

Eğer yay kuvveti = 100 psi (6,89 bar) ise, iğne vana basınç farkı, çıkış basıncından 100 psi (6,89 bar) daha yüksek olacak şekilde sınırlanır. Emniyet valfi yeterince yüksek ayarlandığı sürece, iğne açıklığındaki basınç farkı her zaman yay basıncı değerine eşit olur. Bu sayede iğne vanasından akışı sağlayan basınç farkı sabit kalır — giriş veya çıkış basıncındaki dalgalanmalar tarafından etkilenmez.

Devredeki giriş yönü hız kontrol valfi

Devrede, girişteki hız kontrol valfi 3 gpm (11,37 L/dk) değerine ayarlanmıştır. Emniyet valfi 500 psi (34,48 bar), yük basıncı 200 psi (13,79 bar). Kompanzasyonlu sürgü yay kuvveti = 100 psi (6,89 bar). Pompa, tüm 5 gpm’lik (18,95 L/dk) akışı iğne valfinden geçirmeye çalışır; bu durum iğne valfinin giriş basıncının yükselmesine neden olur. 300 psi (21 bar) değerinde kompanzasyonlu sürgü hareket eder ve akışı daraltır; böylece akış kontrol valfinin giriş basıncı emniyet valfi ayar değerine, yani 500 psi’ye (34,48 bar) çıkar. Bu 500 psi (34,48 bar) değerinden 200 psi (13,79 bar) yükü aşmak için kullanılır; 100 psi (6,89 bar) akışı iğne valfinden geçirir; kalan 200 psi (13,79 bar) değerinin tamamı, akışın kompanzasyonlu sürgü orifisinden geçmesiyle ısıya dönüşür. Buradaki akış 3 gpm (11,37 L/dk) ve piston milinin hızı = 19 ft/dak (97,83 mm/sn)’dir.

Yük basıncını ve emniyet valfi ayar değerini yükseltme

Yük basıncı 400 psi (27,58 bar) değerine yükselirse veya emniyet valfi 600 psi (41,38 bar) değerine ayarlanırsa, iğne valfinden geçerek akışa devam eden basınç yine de 100 psi (6,89 bar) olur. Emniyet valfi, dengeleme supabını harekete geçirecek kadar yüksek bir değere ayarlandığı sürece, silindire giden çıkış debisi sabit 3 gpm (11,37 L/dk) olur.

Atlayıcı tip hız kontrol valfi yapısı

Atlayıcı tip hız kontrol valfi, giriş, çıkış ve dönüş portlarına sahip bir valf gövdesinden, bir iğne valfinden, bir dengeleme supabından ve bir ön gerilimli yaydan oluşur.

Atlayıcı tipin çalışma prensibi

Bu valfteki dengeleme supabı, tanka dönüş yapan bir atlayıcı geçidi açar ve kapatır. Dengeleme supabı, kapalı konuma (alt konuma) doğru ön gerilimli bir yayla hareket ettirilir. Eğer yayın uyguladığı kuvvet 100 psi (6,89 bar) ise, iğne valfinin giriş basıncı 100 psi (6,89 bar) ile sınırlandırılır. Valften geçen akış, başlangıç durumunda tamamen yağ deposuna yönlendirilir. Normal işletme koşullarında dengeleme supabı, kapalı konumda ön gerilimli yay tarafından tutulur.

İğne vana giriş basıncı, dengeleme supabı üst kısmına yönelik iç bir kontrol geçidi aracılığıyla algılanır. Basınç, yay ön gerilme kuvvetini aştığında dengeleme supabı bir emniyet valfisi gibi davranır — bypass geçidini açar ve iğne vananın giriş basıncını 100 psi (6,89 bar)’da sınırlandırır. İğne vananın sabit giriş basıncı, sabit debiyi garanti etmez — çıkış tarafındaki basınç değiştiğinde iğne açıklığındaki basınç farkı da değişir ve bu durum debiyi değiştirir.

Bunun telafisi için çıkış tarafındaki iğne vana basıncı, dengeleme supabı ön gerilme yayı odasına yönlendirilen bir kontrol geçidi aracılığıyla iletilir. Artık dengeleme supabının A yüzü iki ön gerilme kuvvetine maruz kalır: yay kuvveti ve çıkış tarafındaki yağ basıncı. Eğer yay kuvveti 100 psi (6,89 bar) ise, iğne vananın giriş basıncı çıkış tarafındaki basınca göre 100 psi (6,89 bar) kadar sınırlanır. Emniyet valfisi yeterince yüksek ayarlandığı sürece, iğne açıklığındaki basınç farkı 100 psi (6,89 bar) olur — sabit kalır.

Devrede bypass tipi hız kontrol valfisi

Atlayıcı tip hız kontrol valfi, 3 gpm (11,37 L/dk) olarak ayarlanmıştır. Emniyet ventili basıncı: 500 psi (34,48 bar), yük basıncı: 200 psi (13,79 bar), yay basıncı: 100 psi (6,89 bar). Pompa, tüm 5 gpm’lik (18,95 L/dk) debiyi iğne valfinden geçirmeye çalışır. Dengeleme sürgüsü, atlayıcı geçidi açarak iğne valfinin giriş basıncını 300 psi (20,68 bar) ile sınırlandırır. Bu 300 psi değerinin 200 psi’si (13,79 bar) yükü yenmeye, geri kalan 100 psi’si (6,89 bar) ise 3 gpm’lik (11,37 L/dk) debiyi iğne valfinden geçirmeye harcanır. Kalan 2 gpm’lik (7,58 L/dk) debi, dengeleme sürgüsünün açıldığı yoldan doğrudan depoya yönlendirilir.

Şekil 9-8 Atlayıcı tip hız kontrol devresi. Dengeleme sürgüsü, fazla pompa debisini emniyet valfinden geçirmeden doğrudan depoya yönlendirir. Bu, fazla debinin tam sistem basıncı boyunca geçmediği için ölçülü giriş (meter-in) tipine göre daha enerji verimlidir.

Yük basıncını ve emniyet valfi ayar değerini yükseltme

Yük basıncı 400 psi (27,58 bar) değerine yükseldiğinde veya emniyet valfi 600 psi (41,38 bar) değerine ayarlandığında, iğne valfinden akışı sağlayan 100 psi (6,89 bar) basınç hâlâ devam eder. Emniyet valfi, dengeleme supabını açacak kadar yüksek bir değere ayarlandığı sürece silindire sağlanan çıkış debisi sabit 3 gpm (11,37 L/dk) olur.

Delik Akışına Sıcaklığın Etkisi

Bu bölümün başında belirtildiği gibi, delik akışını etkileyen üç ana faktör; delik boyutu, basınç farkı ve yağ sıcaklığıdır. Yağ sıcaklığı değiştiğinde viskozitesi de değişir; yağ viskozitesi değiştiğinde delik akışı da değişir. Sabit delikler veya iğne vanaları için sıcaklık kaynaklı akış değişiklikleri genellikle önemli değildir çünkü delik boyutu ve basınç farkı, viskozite etkilerine kıyasla genellikle büyüktür. Ancak çok hassas akış kontrolü gerektiren uygulamalarda sıcaklık etkileri dikkate alınmalıdır. Hem girişte (meter-in) hem de by-pass tipi hız kontrol vanaları, tipik endüstriyel hidrolik uygulamalar için genellikle yeterlidir.

Sıcaklık değişimlerinden bağımsız olarak son derece hassas akış kontrolü gerektiren uygulamalar için sıcaklık kompanzasyonlu akış kontrol vanası kullanılabilir. Bu tip vana, sıcaklık etkilerini de kompanze eder.

Temel Formüller — Bölüm 9