В съвременните хидравлични системи контролирането на това колко бързо се движи течността през веригата определя колко бързо работи вашата машина. Когато видите хидравличен цилиндър да се разширява бавно или бързо, тази разлика в скоростта идва от един критичен компонент: клапана за контрол на потока. Разбирането на различните налични типове хидравлични контролни клапани помага на инженерите да изберат правилното решение за тяхното специфично приложение, независимо дали става въпрос за мобилен багер, който се нуждае от постоянна скорост на кофата при различни натоварвания, или прецизна производствена система, изискваща синхронизирано многоцилиндрово движение.
Фундаменталният принцип зад всички типове вентили за регулиране на хидравличния поток започва с просто физично уравнение. Скоростта на потока през отвор следва връзката:
Където потокът (Q) зависи от площта на отвора (A) и разликата в налягането в него. Тази връзка на корен квадратен създава предизвикателство: когато налягането на товара се промени, потокът също се променя, дори ако не сте докоснали настройката на клапана. Различните типове вентили решават този проблем по различни начини, поради което разбирането на техните принципи на работа е от значение за проектирането на системата.
Блокує зворотний потік, який руйнує робочі колеса насоса
Най-простите типове хидравлични клапани за регулиране на потока работят, като създават ограничение в пътя на потока. Тези клапани променят площта на отвора, за да контролират потока, но не компенсират промените в налягането. Въпреки че това ги прави по-малко прецизни от усъвършенстваните дизайни, тяхната простота и ниска цена ги правят подходящи за приложения, при които налягането на натоварване остава относително постоянно или прецизността на скоростта не е критична.
Иглени вентили и тяхното прецизно предимство
Иглените вентили се отличават със заострен елемент с форма на игла, който се придвижва в конусовидно гнездо. Фината резба на стеблото за настройка позволява изключително малки промени в отварянето на отвора. Когато завъртите копчето за регулиране с едно пълно завъртане, иглата може да се премести само с 0,5 mm, което ви дава прецизен контрол върху много малки скорости на потока. Това прави иглените вентили особено ценни в пилотни вериги, приложения за демпфиране на габарити и линии за измерване, където дебитите могат да бъдат толкова ниски, колкото 0,1 литра на минута.
Коничната геометрия също осигурява почти линейни характеристики на потока в голяма част от диапазона на регулиране. Иглените вентили обаче имат ограничения. Малкият размер на отвора означава, че те са склонни към запушване, ако чистотата на течността падне под нивата на ISO 4406 18/16/13. Освен това, тъй като им липсва компенсация на налягането, иглен вентил, настроен да доставя 2 литра в минута при налягане на натоварване от 50 бара, може да достави 2,8 литра в минута, ако натоварването падне до 20 бара. Тази вариация на скоростта от 40% ги прави неподходящи като основен контрол на скоростта в системи с променливо натоварване.
Component clausura
Сглобените вентили имат вътрешен път на потока, който принуждава течността да промени посоката си два пъти, създавайки Z-образен модел на потока през тялото на клапана. Затварящият елемент с форма на диск или тапа е разположен перпендикулярно на потока на потока. Този дизайн създава по-голям спад на налягането в сравнение с правите вентили, но осигурява добри дроселиращи характеристики.
В хидравличните приложения сферичните вентили обикновено се справят с по-големи дебити от иглените вентили - обикновено от 5 до 100 литра в минута. Регулирането е по-малко прецизно от иглените клапани, но по-здравата конструкция се справя по-добре със замърсяването с частици. Седалката и дискът претърпяват по-малко щети от ерозия, тъй като геометрията разпределя силите по-равномерно. Въпреки това, като всички некомпенсирани дроселни клапи, сферичните клапи страдат от същия проблем с чувствителността към натоварване. Цилиндър, бутащ товар от 10 тона, ще се движи по-бавно, отколкото когато бута 5 тона, дори при идентични настройки на клапана.
V-образни сферични кранове за дроселиране
Стандартните сферични кранове служат предимно като изолиращи устройства за включване и изключване, но сферичният кран с V-образен прорез представлява еволюция специално за контрол на потока. Вместо кръгъл порт, топката съдържа V-образен изрез. Докато топката се върти, V-образният прорез прогресивно увеличава площта на потока, осигурявайки равнопроцентна характеристика на потока. Това означава, че всеки градус на въртене предизвиква промяна на потока, пропорционална на текущия поток, а не фиксирано увеличение.
Дизайнът с V-образен прорез е подходящ за приложения, изискващи голям капацитет на потока с разумна дроселираща способност. 2-инчова V-образна топка може да се справи с 200+ литра в минута при пълно отваряне, като същевременно осигурява контролируемо намаляване до 20% от максимума. Уплътнението от твърд метал към метал или метал към еластомер осигурява плътно затваряне. Въпреки това, тези клапани споделят ограничението на чувствителността на налягането - потокът варира с корен квадратен от разликата в налягането, което ги прави неподходящи за прецизен контрол на скоростта при променливо натоварване.
Клапани за регулиране на потока с компенсация на налягането
Когато хидравличните системи изискват постоянна скорост на задвижващия механизъм, независимо от промените в натоварването, стават необходими клапани за регулиране на потока с компенсация на налягането. Тези клапани решават основния проблем, присъщ на простото дроселиране: те поддържат постоянен спад на налягането през дозиращия отвор чрез автоматично регулиране на вторичен ограничителен елемент. Тази иновация трансформира по своята същност чувствително на натиск устройство в истински контролер на потока.
Ключът към компенсацията на налягането се крие в добавянето на натоварена с пружина компенсаторна макара последователно с главния дроселиращ отвор. Този компенсатор отчита налягане както нагоре, така и надолу по веригата на измервателната секция. Когато налягането на натоварването се увеличи, компенсаторът автоматично се отваря леко, намалявайки собственото си ограничение, за да поддържа постоянен спад на налягането през главния отвор. Обратно, когато налягането на товара спадне, компенсаторът се затваря частично, за да предотврати увеличаване на потока.
Fluxu-ahalmenak (Q) balbulak igaro dezakeen gehienezko emaria zehazten du presio-jaitsiera eta tenperatura igoera onargarria mantenduz. Presio-jaitsiera (ΔP) sarrerako eta irteerako ataken arteko presio-galera adierazten du fluxu nominalean. Galera hori bero eta xahututako energia bihurtzen da.
Двупътни вентили за регулиране на потока с компенсация на налягането се свързват последователно с веригата на задвижващия механизъм. Вентилът се състои от главния регулируем отвор и компенсаторния елемент, разположен така, че целият контролиран поток преминава през двете ограничения. Пружината на компенсатора обикновено задава фиксирано диференциално налягане от 5 до 10 бара през главния отвор.
Как реагира на промените в натоварването
Представете си, че сте настроили вентила да доставя 10 литра в минута към цилиндър. Първоначално налягането в системата е 100 бара, а налягането на натоварване е 80 бара. Компенсаторът се настройва сам, така че налягането между компенсатора и главния отвор да е точно 90 бара (настройка на пружината 80 + 10 бара).
Сега натоварването се увеличава, повишавайки налягането в цилиндъра до 90 бара. Без компенсация потокът ще спадне. Но компенсаторът веднага усеща повишаването на налягането надолу по веригата и се отваря по-широко. Това намалява собствения спад на налягането на компенсатора, като гарантира, че основният отвор все още вижда точно 10 бара през него. Дебитът остава 10 литра в минута.
Ограничението на двупосочните компенсирани вентили се проявява в енергийната ефективност. Когато помпата доставя повече поток, отколкото пропуска вентилът, излишъкът трябва да се върне в резервоара през предпазния клапан на системата. Този излишен поток преминава през предпазния клапан при пълно налягане в системата, преобразувайки хидравличната мощност директно в топлина.
Посібник із встановлення та обслуговування зворотного клапана
Трипътните клапани с компенсация на налягането добавят трети порт, който заобикаля излишния поток на помпата директно към резервоара. Вместо да принуждава излишния поток през предпазния клапан за високо налягане, компенсаторът на трипътния вентил го отклонява през байпасния порт при само малко над налягането на натоварване. Това драстично намалява загубата на енергия.
Компенсаторът в трипътния вентил изпълнява двойни функции. Първо, той поддържа постоянен диференциал през дозиращия отвор точно както в двупосочен вентил. Второ, когато дебитът на помпата надвиши зададения дебит, компенсаторът насочва излишъка през байпасния порт. Ключовата разлика е налягането, при което се осъществява този байпас. Отклоненият поток пресича компенсатора при налягане на натоварването плюс настройката на пружината на компенсатора (обикновено 10 бара), а не при налягане на предпазния клапан (което може да е 200 бара).
Предварителна компенсация срещу последваща компенсация в системи с множество задвижки
Когато множество хидравлични контролни клапани на потока се свържат към една помпа, позицията на компенсатора на налягането спрямо макарата на главния насочващ клапан става критична. Този на пръв поглед незначителен детайл на дизайна определя дали системата поддържа гладко координирано движение, когато потокът на помпата стане недостатъчен за всички задвижващи механизми.
впредварително компенсирани системи, компенсаторът се намира преди макарата за управление на посоката. Всяка вентилна секция компенсира собствения си поток независимо. Това работи перфектно, когато капацитетът на помпата надвишава общото търсене. Въпреки това, когато работите едновременно с множество функции и общото търсене надвишава потока на помпата, предварително компенсираните клапани показват насищане на потока. Задвижващият механизъм с най-ниско налягане на натоварване получава пълен поток, докато задвижващите механизми с високо натоварване забавят или спират напълно.
Посткомпенсирани клапани(наричани също Load Sensing Independent Metering или LUDV системи) поставете компенсатора след насочващия вентил. Когато потокът на помпата се насити, всички компенсатори намаляват своите отвори пропорционално. Това поведение на споделяне на потока означава, че всички задвижващи механизми се забавят заедно, като същевременно запазват своите съотношения на скоростта. За мобилни машини, изискващи координирано многоосно управление, последващата компенсация е по същество задължителна.
| Тип клапан | Управление на излишния поток | Енергийна ефективност | Типични приложения | Ограничение |
|---|---|---|---|---|
| Двупосочна компенсация | Връща се през предпазен клапан | Ниска (високо генериране на топлина) | Помпени системи с променлив обем | Не е подходящ за продължителна работа с фиксирани помпи |
| Трипосочна компенсация | Байпаси към резервоара при натоварване под налягане | Средна (намалена топлина) | Фиксирани помпени системи, непрекъсната работа | Обикновено само измервателен уред |
| Предварително компенсиран | Варира според дизайна на клапана | Среден | Единичен задвижващ механизъм или последователна работа | Насищането на потока причинява неравномерна реакция на задвижващия механизъм |
| Посткомпенсирано (LUDV) | Варира според дизайна на клапана | Средно до високо | Мобилно оборудване, координация с много задвижки | По-висока цена и сложност |
Клапани за разделяне на потока и обединяване
Когато една хидравлична система се нуждае от два или повече задвижващи механизма, за да се движат с една и съща скорост, простите паралелни връзки не работят. Течността естествено следва пътя на най-малкото съпротивление, което означава, че задвижващият механизъм с най-ниско натоварване получава целия поток, докато други спират. Клапаните за разделяне на потока решават този проблем, като механично или хидравлично принуждават потока да се разделя във фиксирани пропорции, независимо от индивидуалното налягане на натоварването.
Разделители на потока тип макара
Разделителите на потока от тип макара използват сензор за налягане и променливо дроселиране, за да балансират потока между изходите. Вътре в тялото на клапана всеки изход има фиксиран отвор, през който трябва да премине целият поток. След тези фиксирани отвори налягането във всеки клон действа върху противоположните краища на балансирана макара. Ако едно разклонение започне да получава повече поток, спадът на налягането в неговия фиксиран отвор се увеличава, създавайки дисбаланс, който измества макарата. Това движение ограничава страната с висок поток, докато отваря страната с нисък поток, докато потоците се изравнят.
Точността на разделяне на качествените клапани от тип макара достига плюс или минус 2,5 до 5 процента от общия поток. Тази прецизност прави разделителите на макари подходящи за синхронизирани повдигащи платформи, двуцилиндрови преси и системи за позициониране, при които цилиндрите трябва да пристигнат в крайни позиции в рамките на милиметри един от друг. Въпреки това, слабото място на разделителите от тип макара е тяхната чувствителност към замърсяване. Частиците, попаднали в хлабините, причиняват залепване на макарата, което нарушава точността на синхронизацията.
Делители на потока от зъбни колела
Делителите на потока от зъбни колела имат коренно различен подход, използвайки принципите на положителното изместване. Вентилът се състои от две или повече зъбни секции (подобно на мотор-редуктори), монтирани на общ вал. Входящият поток влиза в общ вход и задвижва всички зъбни колела. Тъй като валът механично свързва всички секции, те трябва да се въртят с еднакви скорости. Всяка зъбна предавка измества обем, пропорционален на нейната настройка на изместване, принуждавайки разделяне на потока точно пропорционално на предавателните числа.
Разделителите на зъбни колела се отличават с ефективност и здравина, като понасят нива на замърсяване до ISO 4406 20/18/15. Те са идеални за непрекъснати приложения като синхронизиране на множество хидравлични мотори в конвейерни задвижвания. Те обаче имат опасна характеристика, наречена усилване на налягането. Ако един изход се блокира, блокираната секция действа като помпа, генерираща изключително високо налягане.Всеки изход на зъбния делител трябва да има предпазен клапан.
| Характеристика | Разделител тип макара | Разделител тип зъбно колело |
|---|---|---|
| Принцип на работа | Отчитане на налягането с променливо дроселиране | Положително изместване с механично свързване |
| Точност на разделяне | ±2,5% до ±5% | ±5% до ±10% |
| Толерантност към замърсяване | ISO 4406 17/15/12 или по-добър | ISO 4406 20/18/15 приемливо |
| Ефективност | 75-85% (генериране на топлина) | 92-98% (минимална загуба на енергия) |
| Критично изискване за безопасност | Никаква извън нормалната системна защита | Задължителни изходни предпазни клапани за предотвратяване на интензификация |
Патронни и логически вентили за приложения с голям поток
Тъй като мощността на хидравличните системи нараства, традиционните макарни клапани стават физически твърде големи. Вентилите за контрол на потока в стил патрон решават това, като разделят функцията на клапана в малък логически елемент, вмъкнат в пробит колекторен блок. Този подход драстично намалява размера и теглото, като същевременно позволява много по-висок капацитет на потока в компактен пакет.
Двупосочни касетни логически елементи
Основният двупосочен патронен вентил се състои от тарелков елемент, разположен в резбован или плъзгащ се корпус. За разлика от макарните вентили, които използват припокриващи се зони за управление, патронните клапани използват затваряне тип седло. Контролът на потока се осъществява чрез ограничаване на разстоянието, на което цилиндърът се повдига от седалката си. Пилотен клапан контролира налягането в горната камера. Чрез модулиране на това пилотно налягане вие контролирате баланса на силите върху ламелката, което определя размера на отвора.
Предимствата са значителни. Първо, капацитетът на потока се увеличава драстично. Второ, конструкцията на седалката с нулеви течове елиминира вътрешните течове, присъщи на макарните вентили. Трето, едно тяло на патрона се превръща в насочващ клапан, клапан за налягане или вентил за потока просто чрез смяна на модула на пилотния капак, монтиран отгоре.
Пропорционален и серво контрол на потока
Когато хидравличните системи се интегрират с PLC или CNC системи, механичната настройка отстъпва място на електронни командни сигнали. Пропорционалните и серво вентилите преобразуват електрическите входове в прецизни изходни стойности на потока.
Пропорционални вентили за регулиране на потока
Пропорционалните вентили заменят винта за ръчна настройка с пропорционален соленоид. Вместо да завърта копче, системата за управление изпраща токов сигнал, който генерира електромагнитна сила за позициониране на макарата на клапана. Съвременните вентили използват задвижващи сигнали с широчинно-импулсна модулация (PWM) с насложени трептящи честоти. Тази високочестотна вибрация поддържа пилотната макара в постоянно микро-движение, прекъсвайки статичното триене и намалявайки хистерезиса до 1-2% или по-малко.
Серво вентили за високодинамични приложения
Серво вентилите представляват върха на прецизността на хидравличното управление. Вместо да използват пропорционален соленоид, действащ директно върху главната макара, серво вентилите използват двустепенна конструкция с двигател с въртящ момент. Ниската подвижна маса и минималното механично триене дават на серво клапаните изключителна динамична реакция. Честотната характеристика обикновено надвишава 100 Hz, което означава, че серво вентилът може точно да възпроизвежда командни сигнали, променящи се 100 пъти в секунда.
| Параметър | Пропорционален вентил | Серво клапан |
|---|---|---|
| Тип задвижващ механизъм | Пропорционален соленоид (директна сила) | Моментен двигател с хидравлично усилване |
| Честотна характеристика | 10-50 Hz (-3dB точка) | 100-200+ Hz (-3dB точка) |
| Хистерезис | 1-2% (с трептене); <0,5% (с LVDT) | <0,3% типично |
| Чувствителност към замърсяване | Умерен (изисква ISO 4406 18/16/13) | Екстремен (изисква ISO 4406 14/12/09) |
| Цена (относителна) | Умерен | 3-5 пъти по-висока от пропорционалната |
Температурни ефекти и съображения относно вискозитета
Типовете клапани за регулиране на хидравличния поток реагират различно на температурните промени, тъй като вискозитетът на флуида варира драстично в зависимост от температурата. Хидравличните масла на минерална основа обикновено показват вискозитет, който намалява наполовина за всяко повишаване на температурата с 25 градуса по Целзий. За обикновените дроселиращи клапани това означава, че оборудването може да работи опасно бързо след загряване.
Дизайн на отвора с остри ръбовепротиводейства на този проблем. Когато течността преминава през отвор с остър входен ръб, потокът моментално преминава в турбулентен режим. При турбулентен поток коефициентът на изтичане става по същество независим от вискозитета. Ето защо вентилите за регулиране на потока с компенсация на налягането универсално използват отвори с остри ръбове в своите дозиращи секции.
Критерии за избор за различни приложения
Изборът между различните типове вентили за регулиране на хидравличния поток изисква анализиране на характеристиките на натоварването, изискванията за точност, работния цикъл и нуждите от енергийна ефективност.
Оценка на вида на товара
Резистивните товари работят добре с прости дроселни клапи. Прекомерните натоварвания (като спускане на тежко тегло) изискват вентили с компенсация на налягането, комбинирани с клапани за противовес. За приложения, включващи силно променливи натоварвания, компенсацията на налягането става задължителна. Само вентили с компенсация на налягането могат да постигнат постоянна скорост на повдигане, независимо дали един палет тежи 200 kg или 800 kg.
Съображения за енергийна ефективност
Изчисляване на цената на неефективността
Енергийните разходи все повече определят избора на вентил. Помислете за хидравлична система с 50 конски сили, работеща на две смени дневно. Всеки 10% подобрение на ефективността спестява приблизително $3000-4000 годишно в разходи за електроенергия.
- Прекъсната работа:Простите двупосочни вентили с компенсация на налягането работят приемливо.
- Средно натоварване:Използвайте трипътни вентили с компенсация на налягането, за да намалите генерирането на топлина.
- Непрекъснато дежурство:Potentzia-galera wattetan agertzen den fluxuak minutuko litro erabiltzen dituenean eta presio-jaitsiera bar erabiltzen duenean (unitateen bihurketa-faktore egokiekin). Eraginkortasun handiko norabide-balbula modernoek minutuko 60-100 litroko emari nominalak lortzen dituzte 1 bar baino gutxiagoko presio jaitsierekin. Presio-jaitsiera baxuko diseinu honek bero-sorkuntza eta ponparen potentzia-eskakizunak murrizten ditu, zuzenean sistemaren energia-eraginkortasuna hobetuz eta hozte-sistemaren eskakizunak murrizten ditu.
Заключение
Гамата от типове клапани за регулиране на хидравличния поток отразява десетилетия на инженерна еволюция, насочена към различни изисквания на приложенията. Простите иглени вентили и дроселните клапани са подходящи за евтини приложения, където съществува стабилност на натоварването. Вентилите с компенсация на налягането осигуряват постоянни скорости на задвижването при променливи натоварвания. Клапаните за разделяне на потока решават предизвикателствата, свързани със синхронизирането на множество задвижващи механизми.
Разбирането на тези типове вентили за хидравлично регулиране на потока и техните принципи на работа позволява на инженерите да определят системи, които отговарят на изискванията за производителност без прекомерно инженерство. Успешният дизайн на хидравличната система съгласува характеристиките на клапана с действителните условия на работа, отчитайки промените в натоварването, необходимата прецизност, работния цикъл, замърсяващата среда и общата цена на притежание, а не само покупната цена.
