A modern hidraulikus rendszerekben a folyadék áramkörben való áthaladásának sebességének szabályozása határozza meg a gépek működési sebességét. Ha azt látja, hogy egy hidraulikus henger lassan vagy gyorsan kinyúlik, akkor ez a sebességkülönbség egy kritikus összetevőből származik: az áramlásszabályozó szelepből. A rendelkezésre álló különböző hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok megértése segít a mérnököknek kiválasztani a megfelelő megoldást az adott alkalmazáshoz, legyen szó mobil kotróról, amely állandó kanálsebességet igényel változó terhelés mellett, vagy precíziós gyártási rendszert, amely szinkronizált többhengeres mozgást igényel.
Az összes hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípus mögött meghúzódó alapelv egy egyszerű fizikai egyenletből indul ki. A nyíláson keresztüli áramlási sebesség a következő összefüggést követi:
Ahol az áramlás (Q) a nyílás területétől (A) és a rajta átívelő nyomáskülönbségtől függ. Ez a négyzetgyök kapcsolat kihívást jelent: amikor a terhelési nyomás megváltozik, az áramlás is megváltozik, még akkor is, ha nem érintette meg a szelep beállítását. A különböző szeleptípusok eltérő módon oldják meg ezt a problémát, ezért a működési elveik megértése fontos a rendszertervezés szempontjából.
Alapvető nem kompenzált áramlásszabályozó szelepek
A legegyszerűbb hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok az áramlási út korlátozásával működnek. Ezek a szelepek megváltoztatják a nyílás területét az áramlás szabályozása érdekében, de nem kompenzálják a nyomásváltozásokat. Noha ez kevésbé pontos, mint a fejlett konstrukciók, egyszerűségük és alacsony költségük miatt alkalmasak olyan alkalmazásokra, ahol a terhelési nyomás viszonylag állandó marad, vagy a sebesség pontossága nem kritikus.
Tűszelepek és precíziós előnyük
A tűszelepek kúpos, tű alakú elemmel rendelkeznek, amely egy kúpos ülékbe mozog. A finom menet a beállítószáron rendkívül kis változtatásokat tesz lehetővé a nyílásnyílásban. Ha a beállító gombot egy teljes fordulattal elforgatja, a tű csak 0,5 mm-t mozdulhat el, így Ön pontosan szabályozhatja a nagyon kis áramlási sebességeket. Ez különösen értékessé teszi a tűszelepeket a vezérlőkörökben, a mérőcsillapítási alkalmazásokban és a műszersorokban, ahol az áramlási sebesség akár 0,1 liter/perc is lehet.
A kúpos geometria közel lineáris áramlási karakterisztikát is biztosít a beállítási tartomány nagy részén. A tűszelepeknek azonban vannak korlátai. A kis nyílásméret azt jelenti, hogy hajlamosak eltömődésre, ha a folyadék tisztasága az ISO 4406 18/16/13 szint alá csökken. Ezen túlmenően, mivel nincs bennük nyomáskompenzáció, egy tűszelep, amely 50 bar terhelési nyomás mellett percenként 2 litert bocsát ki, 2,8 litert szállíthat percenként, ha a terhelés 20 bar-ra csökken. Ez a 40%-os fordulatszám-változás miatt nem alkalmasak elsődleges fordulatszám-szabályozásra változó terhelésű rendszerekben.
Globe szelepek a hidraulikus szervizben
A gömbszelepek belső áramlási útvonallal rendelkeznek, amely a folyadékot kétszeres irányváltoztatásra kényszeríti, így Z alakú áramlási mintát hoz létre a szeleptesten keresztül. A korong alakú vagy dugó alakú záróelem merőlegesen helyezkedik el az áramlási áramra. Ez a kialakítás nagyobb nyomásesést eredményez az egyenes átmenő szelepekhez képest, de jó fojtási jellemzőket biztosít.
A hidraulikus alkalmazásokban a gömbszelepek általában nagyobb áramlási sebességet kezelnek, mint a tűszelepek – általában 5-100 liter/perc. A beállítás kevésbé pontos, mint a tűszelepeknél, de a robusztusabb felépítés jobban kezeli a részecskék szennyeződését. Az ülés és a tárcsa kevesebb eróziós sérülést szenved, mivel a geometria egyenletesebben osztja el az erőket. Azonban, mint minden nem kompenzált fojtószelep, a gömbszelepek is ugyanazzal a terhelésérzékenységi problémával küzdenek. A 10 tonnás terhet nyomó henger lassabban mozog, mint 5 tonnát nyomva, még azonos szelepbeállítások esetén is.
V-bevágású golyósszelepek fojtáshoz
A szabványos golyóscsapok elsősorban ki-be szigetelő eszközökként szolgálnak, de a V-bevágású golyóscsap kifejezetten az áramlásszabályozás fejlesztését képviseli. A kör alakú port helyett a golyó V alakú kivágást tartalmaz. Ahogy a golyó forog, a V-bevágás fokozatosan növeli az áramlási területet, egyenlő százalékos áramlási karakterisztikát biztosítva. Ez azt jelenti, hogy minden egyes forgási fok az aktuális áramlással arányos áramlásváltozást eredményez, nem pedig rögzített növekményt.
A V-bevágásos kialakítás nagy áramlási kapacitást és ésszerű fojtóképességet igénylő alkalmazásokhoz illeszkedik. Egy 2 hüvelykes V-golyó percenként 200+ litert képes kezelni teljes nyitásnál, miközben továbbra is szabályozható csökkentést biztosít a maximum 20%-ára. A keményfém-fém vagy fém-elasztomer tömítés szoros lezárást biztosít. Ezek a szelepek azonban megosztják a nyomásérzékenységi korlátozást – az áramlás a nyomáskülönbség négyzetgyökével változik, így nem alkalmasak a precíziós fordulatszám-szabályozásra változó terhelés mellett.
Nyomáskompenzált áramlásszabályozó szelepek
Ha a hidraulikus rendszerek a terhelés változásaitól függetlenül egyenletes mozgatási sebességet követelnek meg, nyomáskompenzált áramlásszabályozó szelepekre lesz szükség. Ezek a szelepek megoldják az egyszerű fojtásban rejlő alapvető problémát: egy másodlagos korlátozó elem automatikus beállításával állandó nyomásesést tartanak fenn az adagolónyíláson keresztül. Ez az innováció az eredendően nyomásérzékeny készüléket valódi áramlásszabályozóvá alakítja.
A nyomáskiegyenlítés kulcsa abban rejlik, hogy egy rugós terhelésű kiegyenlítő orsót adunk sorba a fő fojtónyílással. Ez a kompenzátor érzékeli a nyomást az adagolószakasz előtt és után egyaránt. Amikor a terhelési nyomás nő, a kompenzátor automatikusan enyhén kinyílik, csökkentve saját korlátozását, hogy a nyomásesés a fő nyíláson állandó maradjon. Ezzel szemben, amikor a terhelési nyomás csökken, a kompenzátor részlegesen zár, hogy megakadályozza az áramlás növekedését.
Kétirányú nyomáskompenzált szelepek
A kétirányú nyomáskompenzált áramlásszabályozó szelepek sorba kapcsolódnak a működtető áramkörrel. A szelep a fő állítható nyílásból és a kiegyenlítő elemből áll, amely úgy van elhelyezve, hogy minden szabályozott áramlás mindkét korlátozáson áthaladjon. A kiegyenlítő rugó jellemzően 5-10 bar fix nyomáskülönbséget állít be a fő nyíláson keresztül.
Hogyan reagál a terhelés változásaira
Képzelje el, hogy a szelepet úgy állította be, hogy percenként 10 litert szállítson egy palackba. Kezdetben a rendszernyomás 100 bar, a terhelési nyomás pedig 80 bar. A kompenzátor beállítja magát, így a nyomás a kompenzátor és a fő nyílás között pontosan 90 bar (80 + 10 bar rugó beállítás).
Most a terhelés nő, és a hengernyomás 90 bar-ra emelkedik. Kompenzáció nélkül az áramlás csökkenne. De a kompenzátor azonnal érzékeli a nyomásemelkedést, és szélesebbre nyílik. Ez csökkenti a kompenzátor saját nyomásesését, biztosítva, hogy a fő nyílás továbbra is pontosan 10 bar nyomást láthasson rajta. Az áramlás 10 liter/perc marad.
A kétutas kompenzációs szelepek korlátozottsága az energiahatékonyságban mutatkozik meg. Ha a szivattyú több áramlást ad le, mint amennyit a szelep áthalad, a feleslegnek vissza kell térnie a tartályba a rendszer nyomáscsökkentő szelepén keresztül. Ez a többletáram teljes rendszernyomás mellett keresztezi a biztonsági szelepet, és a hidraulikus teljesítményt közvetlenül hővé alakítja.
Háromutas nyomáskompenzált szelepek
A háromutas nyomáskompenzált szelepek egy harmadik nyílást adnak hozzá, amely megkerüli a felesleges szivattyúáramlást közvetlenül a tartályba. A háromutas szelep kompenzátora ahelyett, hogy a túláramot rákényszerítené a nagynyomású biztonsági szelepre, a megkerülő nyíláson át tereli azt a terhelési nyomás felett. Ez jelentősen csökkenti az energiapazarlást.
A háromutas szelepben lévő kompenzátor kettős funkciót lát el. Először is állandó különbséget tart fenn az adagolónyíláson, akárcsak egy kétutas szelepnél. Másodszor, amikor a szivattyú áramlása meghaladja a beállított áramlási sebességet, a kompenzátor a felesleget a bypass porton keresztül irányítja. A legfontosabb különbség az a nyomás, amelyen ez a bypass megtörténik. Az eltérített áramlás a terhelési nyomáson és a kiegyenlítő rugó beállításán (általában 10 bar) halad át a kompenzátoron, nem pedig a biztonsági szelep nyomásán (ami 200 bar is lehet).
Nyomáskompenzált hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok összehasonlítása
Az előnyök jelentősek. Először is, az áramlási kapacitás drámaian növekszik. Másodszor, a szivárgásmentes ülékkialakítás kiküszöböli az orsószelepekben rejlő belső szivárgást. Harmadszor, egyetlen patrontestből irányítószelep, nyomásszelep vagy áramlási szelep lesz, egyszerűen a tetejére szerelt vezérlőfedél-szerelvény cseréjével.
Inelőre kompenzált rendszerek, a kompenzátor az irányvezérlő orsó előtt helyezkedik el. Mindegyik szelepszakasz önállóan kompenzálja a saját áramlását. Ez tökéletesen működik, ha a szivattyú teljesítménye meghaladja a teljes igényt. Ha azonban egyidejűleg több funkciót működtet, és az összigény meghaladja a szivattyú térfogatát, az előre kompenzált szelepek áramlási telítettséget mutatnak. A legalacsonyabb terhelési nyomású hajtómű teljes áramlást kap, míg a nagy terhelésű hajtóművek lelassulnak vagy teljesen leállnak.
Utókompenzált szelepek(más néven Load Sensing Independent Metering vagy LUDV rendszerek) helyezze el a kompenzátort az irányszelep után. Amikor a szivattyú áramlása telítődik, minden kompenzátor arányosan csökkenti a nyílásait. Ez az áramlásmegosztási viselkedés azt jelenti, hogy az összes aktuátor együtt lassít, miközben megtartja sebességarányát. Az összehangolt többtengelyes vezérlést igénylő mobil gépeknél az utólagos kompenzáció alapvetően kötelező.
| Szelep típusa | Túlzott áramlás kezelése | Energiahatékonyság | Tipikus alkalmazások | Korlátozás |
|---|---|---|---|---|
| Kétirányú kompenzáció | Visszatér a nyomáscsökkentő szelepen keresztül | Alacsony (nagy hőtermelés) | Változó lökettérfogatú szivattyúrendszerek | Nem alkalmas állandó üzemre rögzített szivattyúkkal |
| Háromutas kompenzáció | Terhelési nyomáson megkerüli a tartályt | Közepes (csökkentett hőfokon) | Fix szivattyúrendszerek, folyamatos üzem | Általában csak méteres |
| Előre kompenzált | Szelepkialakítástól függően változik | Közepes | Egyszeres működtető vagy szekvenciális működés | Az áramlás telítettsége egyenetlen működtető reakciót okoz |
| Utólag kompenzált (LUDV) | Szelepkialakítástól függően változik | Közepestől magasig | Mobil berendezések, több aktuátoros koordináció | Magasabb költség és bonyolultság |
Áramláselválasztó és kombináló szelepek
Ha egy hidraulikus rendszernek két vagy több működtetőelemre van szüksége ahhoz, hogy pontosan ugyanolyan sebességgel mozogjon, az egyszerű párhuzamos csatlakozások nem működnek. A folyadék természetesen a legkisebb ellenállású pályát követi, vagyis a legkisebb terhelésű szelepmozgató kapja az összes áramlást, míg a többiek leállnak. Az áramláselosztó szelepek ezt a problémát úgy oldják meg, hogy mechanikusan vagy hidraulikusan kényszerítik az áramlást rögzített arányú felosztásra, függetlenül az egyedi terhelési nyomásoktól.
Orsó típusú áramláselválasztók
Az orsó típusú áramláselválasztók nyomásérzékelést és változó fojtószabályozást használnak a kimenetek közötti áramlás kiegyensúlyozására. A szeleptesten belül minden kimenetnek van egy rögzített nyílása, amelyen az összes áramlásnak át kell haladnia. A rögzített nyílások után az egyes ágakban a nyomás egy kiegyensúlyozott orsó ellentétes végeire hat. Ha az egyik ág több áramlást kezd kapni, a nyomásesés a rögzített nyíláson megnövekszik, ami egyensúlyhiányt okoz, ami eltolja az orsót. Ez a mozgás korlátozza a nagy áramlású oldalt, miközben kinyitja az alacsony áramlású oldalt, amíg az áramlások kiegyenlítődnek.
A minőségi orsó típusú szelepek felosztási pontossága eléri a teljes áramlás plusz-mínusz 2,5-5 százalékát. Ez a pontosság teszi az orsóelválasztókat alkalmassá szinkronizált emelőplatformokhoz, kéthengeres présekhez és olyan pozicionáló rendszerekhez, ahol a hengereknek egymástól milliméteres távolságon belül kell a véghelyzetbe érkezniük. Az orsó típusú elválasztók gyengesége azonban a szennyeződésekre való érzékenységük. A hézagokba szoruló részecskék az orsó megtapadását okozzák, ami tönkreteszi a szinkronizálás pontosságát.
Fogaskerék-típusú áramláselválasztók
A fogaskerék-típusú áramláselosztók alapvetően eltérő megközelítést alkalmaznak a pozitív elmozdulás elveit alkalmazva. A szelep két vagy több hajtóműves részből áll (hasonlóan a hajtóműves motorokhoz), amelyek egy közös tengelyre vannak felszerelve. A bejövő áramlás egy közös beömlőnyílásba kerül, és meghajtja az összes hajtóművet. Mivel a tengely mechanikusan kapcsolja össze az összes szakaszt, azonos sebességgel kell forogniuk. Mindegyik hajtómű az elmozdulás-beállításával arányos térfogatot tol el, kényszerítve az áramlásmegosztást az áttételi arányokkal pontosan arányosan.
A fogaskerekes osztók kiemelkedő hatékonysággal és robusztussággal rendelkeznek, egészen az ISO 4406 20/18/15 szabványig elviselik a szennyeződés mértékét. Ideálisak a folyamatos üzemű alkalmazásokhoz, például több hidraulikus motor szinkronizálásához szállítószalag-hajtásokban. Van azonban egy veszélyes tulajdonságuk, az úgynevezett nyomásfokozás. Ha az egyik kimenet eltömődik, a blokkolt rész szivattyúként működik, és rendkívül magas nyomást generál.A fogaskerék-osztó minden kimenetén nyomáshatároló szeleppel kell rendelkezni.
| Jellegzetes | Orsó típusú osztó | Fogaskerék-típusú osztó |
|---|---|---|
| Működési elv | Nyomásérzékelés változtatható fojtással | Pozitív elmozdulás mechanikus tengelykapcsolóval |
| Osztási pontosság | ±2,5% és ±5% között | ±5% és ±10% között |
| Szennyezés tolerancia | ISO 4406 17/15/12 vagy jobb | ISO 4406 20/18/15 elfogadható |
| Hatékonyság | 75-85% (hőtermelés) | 92-98% (minimális energiaveszteség) |
| Kritikus biztonsági követelmény | A normál rendszervédelmen kívül semmi | Kötelező kimeneti nyomáscsökkentő szelepek az erősödés megakadályozására |
Patron- és logikai szelepek nagy átfolyású alkalmazásokhoz
A hidraulikus rendszerek teljesítményének növekedésével a hagyományos orsószelepek fizikailag túl nagyokká válnak. A patronos áramlásszabályozó szelepek ezt úgy oldják meg, hogy a szelepfunkciót egy fúrt elosztóblokkba behelyezett kis logikai elemre választják szét. Ez a megközelítés drámaian csökkenti a méretet és a súlyt, miközben sokkal nagyobb áramlási kapacitást tesz lehetővé egy kompakt csomagban.
Kétirányú kazettás logikai elemek
Az alap kétutas patronszelep egy menetes vagy becsúsztatható házban elhelyezett csappantyúból áll. Ellentétben az orsószelepekkel, amelyek átfedő felületeket használnak a vezérléshez, a patronos szelepek ülés típusú zárást használnak. Az áramlás szabályozása úgy történik, hogy korlátozza, milyen messzire emelkedjen fel a csőtartó az ülésről. A felső kamrában egy vezérlőszelep szabályozza a nyomást. Ennek a pilótanyomásnak a modulálásával Ön szabályozza az erőkiegyenlítést a lapon, amely meghatározza a nyílás méretét.
Az előnyök jelentősek. Először is, az áramlási kapacitás drámaian növekszik. Másodszor, a szivárgásmentes ülékkialakítás kiküszöböli az orsószelepekben rejlő belső szivárgást. Harmadszor, egyetlen patrontestből irányítószelep, nyomásszelep vagy áramlási szelep lesz, egyszerűen a tetejére szerelt vezérlőfedél-szerelvény cseréjével.
V-bevágású golyósszelepek fojtáshoz
Amikor a hidraulikus rendszereket PLC-kkel vagy CNC-rendszerekkel integrálják, a mechanikus beállítás átadja helyét az elektronikus parancsjeleknek. Az arányos és szervoszelepek az elektromos bemeneteket precíz áramlási kimenetekké alakítják át.
Arányos áramlásszabályozó szelepek
Az arányos szelepek a kézi beállító csavart arányos mágnesszelepre cserélik. A gomb elforgatása helyett a vezérlőrendszer áramjelet küld, amely elektromágneses erőt generál a szeleporsó pozicionálására. A modern szelepek impulzusszélesség-modulációs (PWM) hajtásjeleket használnak szuperponált dither-frekvenciákkal. Ez a nagyfrekvenciás vibráció állandó mikromozgásban tartja a pilótaorsót, megtöri a statikus súrlódást, és 1-2%-ra vagy kevesebbre csökkenti a hiszterézist.
Szervoszelepek nagy dinamikus alkalmazásokhoz
A szervoszelepek a hidraulikus vezérlési precizitás csúcsát képviselik. A közvetlenül a fő orsóra ható arányos mágnesszelep használata helyett a szervoszelepek kétfokozatú kialakítást alkalmaznak nyomatékmotorral. Az alacsony mozgó tömeg és a minimális mechanikai súrlódás kivételes dinamikus választ ad a szervoszelepeknek. A frekvenciaválasz általában meghaladja a 100 Hz-et, ami azt jelenti, hogy egy szervoszelep pontosan képes reprodukálni a másodpercenként 100-szor változó parancsjeleket.
| Paraméter | Arányos szelep | Szervo szelep |
|---|---|---|
| Működtető típus | Arányos mágnesszelep (közvetlen erő) | Nyomatékos motor hidraulikus erősítéssel |
| Frekvenciaválasz | 10-50 Hz (-3 dB pont) | 100-200+ Hz (-3 dB pont) |
| Hiszterézis | 1-2% (ditherrel); <0,5% (LVDT-vel) | <0,3% jellemző |
| Szennyezési érzékenység | Mérsékelt (ISO 4406 szükséges, 18/16/13) | Extrém (ISO 4406 szükséges, 09.14.12.) |
| Költség (relatív) | Mérsékelt | 3-5x magasabb az arányosnál |
Hőmérséklethatások és viszkozitási szempontok
A hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok eltérően reagálnak a hőmérséklet-változásokra, mivel a folyadék viszkozitása drámaian változik a hőmérséklet függvényében. Az ásványi alapú hidraulikaolajok viszkozitása általában felére csökken minden 25 Celsius-fokos hőmérséklet-emelkedés esetén. Az egyszerű fojtószelepeknél ez azt jelenti, hogy a berendezés veszélyesen gyorsan futhat bemelegedés után.
Éles szélű nyílások kialakításaellensúlyozni ezt a problémát. Amikor a folyadék áthalad egy éles bemeneti szélű nyíláson, az áramlás azonnal turbulens állapotba megy át. Turbulens áramlásban a kisülési együttható lényegében függetlenné válik a viszkozitástól. Ez az oka annak, hogy a nyomáskompenzált áramlásszabályozó szelepek univerzálisan éles szélű nyílásokat alkalmaznak az adagolórészeikben.
Kiválasztási kritériumok különböző alkalmazásokhoz
A különféle hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok közötti választáshoz a terhelési jellemzők, a precíziós követelmények, a munkaciklus és az energiahatékonysági igények elemzése szükséges.
Terhelés típusának értékelése
Az ellenállásos terhelések jól működnek az egyszerű fojtószelepekkel. A túllépő terhelésekhez (például egy nagy súly leengedéséhez) nyomáskompenzált szelepekre van szükség ellensúlyozó szelepekkel kombinálva. Az erősen változó terhelésű alkalmazásoknál a nyomáskompenzáció kötelezővé válik. Csak a nyomáskompenzált szelepek képesek egyenletes emelési sebességet elérni, függetlenül attól, hogy egy raklap súlya 200 kg vagy 800 kg.
Energiahatékonysági szempontok
Nyomáskompenzált áramlásszabályozó szelepek
Az energiaköltségek egyre inkább meghajtó szelepek kiválasztása. Vegyünk egy 50 lóerős hidraulikus rendszert, amely napi két műszakban működik. Minden 10%-os hatékonyságnövekedés nagyjából 3000-4000 dollárt takarít meg évente az áramköltségekben.
- Szakaszos működés:Az egyszerű kétirányú nyomáskompenzált szelepek elfogadhatóan működnek.
- Közepes terhelhetőség:Használjon háromutas nyomáskompenzált szelepeket a hőtermelés csökkentése érdekében.
- Folyamatos ügyelet:Igény szerinti terhelésérzékelő rendszerek, ahol a szivattyú lökettérfogata automatikusan a rendszerigényhez igazodik.
Következtetés
A hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok választéka több évtizedes mérnöki evolúciót tükröz, amely megfelel a különböző alkalmazási követelményeknek. Az egyszerű tű- és fojtószelepek olyan alacsony költségű alkalmazásokhoz illeszkednek, ahol fennáll a terhelés stabilitása. A nyomáskompenzált szelepek állandó hajtómű-fordulatszámot biztosítanak változó terhelés mellett. Az áramláselosztó szelepek megoldják a többműködtetős szinkronizálási kihívásokat.
Ezen hidraulikus áramlásszabályozó szeleptípusok és működési elveik megértése lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy túlzott tervezés nélkül meghatározzák a teljesítménykövetelményeknek megfelelő rendszereket. A hidraulikus rendszer sikeres tervezése a szelep jellemzőit a tényleges működési feltételekhez igazítja, figyelembe véve a terhelés változásait, a szükséges pontosságot, a munkaciklust, a szennyezett környezetet és a teljes birtoklási költséget, nem csupán a beszerzési árat.
