Schémy hydraulického regulačného ventilu

Keď otvoríte schému hydraulického okruhu a uvidíte tie zakrivené čiary so šípkami, ktoré cez ne ukazujú, pozeráte sa na ventily na reguláciu prietoku. Tieto symboly sa môžu zdať jednoduché, ale hovoria vám presne o tom, ako stroj riadi rýchlosť, riadi energiu a chráni drahé komponenty. Schéma hydraulického ventilu na reguláciu prietoku nie je len výkres. Je to jazyk, ktorý prezrádza, či bude vŕtačka počas prielomu drnčať, či sa rameno rýpadla unáša pri zaťažení, alebo či systém bude plytvať energiou na zahrievanie olejovej nádrže.

Symboly diagramov pre tieto ventily sa riadia normou ISO 1219-1, ktorú priemyselní inžinieri na celom svete používajú na dokumentáciu hydraulických systémov. Naučiť sa čítať tieto diagramy znamená pochopiť, čo každá čiara, šípka a geometrický tvar predstavujú vo fyzickom hardvéri umiestnenom v tele ventilu.

Dekódovanie komponentov symbolov ISO 1219-1

Základný škrtiaci ventil sa na schémach hydraulického regulačného ventilu zobrazuje ako dve zakrivené čiary smerujúce k sebe, čím sa vytvára úzky priechod pre kvapalinu. Tieto protiľahlé oblúky predstavujú obmedzenie prietoku. Keď uvidíte diagonálnu šípku prechádzajúcu týmto symbolom, znamená to, že ventil je nastaviteľný. Niekto môže otáčaním gombíka alebo nastavovaním skrutky zmeniť, do akej miery sa ventil otvára. Ak tu nie je žiadna šípka, pozeráte sa na pevný otvor, ktorý sa po inštalácii nedá nastaviť.

Smer je v týchto diagramoch rozhodujúci. Symbol spätného ventilu vyzerá ako guľa sediaca v sedle v tvare V. Keď tekutina prúdi proti guličke, tesne tesní. Keď tekutina prúdi opačným smerom, vytlačí guľu zo sedla a voľne tečie. Mnoho aplikácií na reguláciu toku potrebuje reguláciu rýchlosti iba v jednom smere. Napríklad obrábací stôl potrebuje pomalý posuv do rezu, ale mal by sa rýchlo vrátiť. Tu prichádza na rad jednosmerná škrtiaca klapka.

Na diagrame hydraulického prietokového ventilu jednosmerná škrtiaca klapka kombinuje symbol škrtiacej klapky so symbolom paralelného spätného ventilu. Tieto dva komponenty sedia vedľa seba, často uzavreté v prerušovanej krabici, ktorá ukazuje, že sú zabudované do jedného fyzického tela ventilu. Olej prúdiaci jedným smerom sa priškrtí a spomalí pohon. Olej prúdiaci v opačnom smere otvára spätný ventil a úplne obchádza škrtiacu klapku, čo umožňuje rýchly spätný pohyb s minimálnym poklesom tlaku.

Tlakovo kompenzované ventily na reguláciu prietoku pridávajú ďalší prvok symbolu: malú zvislú šípku na prívodnom potrubí smerujúcu nahor. Táto šípka vám hovorí, že ventil obsahuje automatický regulátor tlaku zabudovaný v sérii s manuálnou škrtiacou klapkou. Kompenzátor tlaku udržuje konštantný pokles tlaku cez otvor škrtiacej klapky bez ohľadu na zmeny zaťaženia. Bez tejto funkcie, keď valec tlačí proti väčšej záťaži, zvýšený protitlak znižuje tlakový rozdiel na škrtiacej klapke, čo automaticky spomalí pohyb, aj keď sa nastavenie škrtiacej klapky nezmenilo. Kompenzačný mechanizmus rieši tento problém snímaním tlaku pred aj po prúde a automatickým nastavením vnútorného ventilového prvku tak, aby bol pokles tlaku presne 0,5 až 1,0 MPa.

Symboly teplotnej kompenzácie sa objavujú menej často, ale majú význam pre presné aplikácie. Malý kruh alebo ikona teplomera v blízkosti symbolu škrtiacej klapky znamená, že ventil používa skôr dizajn otvoru s ostrými hranami než dlhý, úzky priechod. Ostré hrany vytvárajú turbulentné prúdenie, kde výtokový koeficient zostáva relatívne stabilný napriek zmenám viskozity. Keď sa hydraulický olej počas prevádzky zahrieva, jeho viskozita exponenciálne klesá. V dlhých, tenkých kanáloch pracujúcich v podmienkach laminárneho prúdenia táto zmena viskozity významne ovplyvňuje rýchlosť prúdenia podľa Hagen-Poiseuilleho zákona. Otvor s ostrými hranami minimalizuje túto teplotnú citlivosť, ktorú inžinieri nazývajú teplotná kompenzácia.

Hlavné kategórie prietokových regulačných ventilov

Schémy hydraulických ventilov na reguláciu prietoku znázorňujú tri základné rodiny ventilov, z ktorých každá má odlišné charakteristiky symbolov a prevádzkové princípy.

Jednoduchý škrtiaci ventil

Jednoduchý škrtiaci ventil predstavuje najzákladnejšiu konštrukciu. Jeho symbol v diagrame zobrazuje iba nastaviteľné obmedzenie bez akýchkoľvek ďalších komponentov. Fyzicky tento ventil zvyčajne používa cievku v tvare ihly s veľmi malým uhlom skosenia, ktorá sedí proti sedlu s ostrými hranami. Otáčanie nastavovacej rukoväte posúva ihlu axiálne pozdĺž jemnej nite, čím sa vytvárajú presné zmeny v oblasti prstencového toku. Tieto ventily stoja menej a zaberajú minimálny priestor, ale ich prietok sa mení vždy, keď kolíše tlak v systéme alebo sa mení teplota oleja. Pracujú prijateľne pre aplikácie, kde zaťaženie zostáva konštantné, ako je pohon brúsneho kotúča alebo dopravníkový pás, ale nedokážu udržať stabilnú rýchlosť pri meniacich sa podmienkach zaťaženia.

Tlakovo kompenzované ventily

Tlakovo kompenzované ventily, tiež nazývané prietokové regulačné ventily s kompenzáciou alebo jednoducho regulátory prietoku, sa na diagramoch objavujú s týmto charakteristickým symbolom šípky snímania tlaku. Vo vnútri tela ventilu sú dve obmedzenia v sérii: manuálne nastaviteľná škrtiaca klapka a automatický regulátor tlaku. Regulátor sa skladá z pružinovej cievky, ktorá sníma tlak pred aj za manuálnym plynom. Keď sa zaťaženie zvyšuje a tlak v smere prúdenia stúpa, diferenciálny tlak na škrtiacej klapke sa snaží znížiť. Cievka kompenzátora okamžite reaguje ďalším otvorením, čím sa zníži vlastné obmedzenie, čo núti vstupný tlak stúpnuť len natoľko, aby sa obnovil pôvodný pokles tlaku cez manuálny plyn. Deje sa to nepretržite a automaticky počas prevádzky systému.

Rovnováha síl na cievke kompenzátora vytvára toto samonastavovacie správanie. Sila pružiny tlačí cievku do zatvorenej polohy. Dolný tlak (tlak zaťaženia) ho tiež tlačí smerom k uzavretiu. Tlak proti prúdu ho tlačí smerom k otvoreniu. V rovnovážnom stave sa tlak v smere toku rovná tlaku v smere toku plus sila pružiny delená účinnou plochou cievky. Starostlivým výberom pružiny pri návrhu ventilu výrobcovia nastavujú kompenzovaný pokles tlaku na konkrétnu hodnotu, typicky 0,5 MPa pre malé ventily až do 1,0 MPa pre veľké priemyselné ventily. Pretože tento pokles tlaku zostáva konštantný bez ohľadu na zaťaženie a pretože oblasť škrtiacej klapky je manuálne nastavená a pevná, prietok sa stáva nezávislým od zaťaženia. Výložník rýpadla sa vysunie rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na to, či je lyžica prázdna alebo preváža dve tony nečistôt.

Prioritné ventily

Prioritné ventily sa v diagramoch hydraulických ventilov na reguláciu prietoku zobrazujú ako obdĺžniková skrinka obsahujúca cievku s pružinovým predpätím s tromi portami označenými P (čerpadlo), CF (konštantný prietok alebo priorita) a EF (nadmerný prietok alebo obtok). Tieto ventily zaisťujú, že kritické funkcie dostanú požadovaný prietok ako prvé pred napájaním menej kritických okruhov. Klasickou aplikáciou sú riadiace systémy na kolesových nakladačoch a poľnohospodárskych traktoroch. Okruh riadenia sa pripája k CF, zatiaľ čo pracovné funkcie ako naklápanie lopaty sa pripájajú k EF. Vedenie tlakového signálu z riadiacej jednotky sa privádza späť na jeden koniec cievky prioritného ventilu a tlačí na pružinu. Keď operátor rýchlo otočí volantom, tento signálny tlak sa zvýši a posunie cievku tak, aby smerovala maximálny prietok do CF, pričom sa EF udusí. Keď požiadavky na riadenie klesnú, cievka sa pod silou pružiny vráti, čo umožní prietok k pracovným funkciám. Tým sa zabráni nebezpečnej situácii, keď operátor nemôže riadiť, pretože všetok prietok čerpadla spotrebúva hydraulické kladivo alebo iné príslušenstvo.

Ventily na rozdeľovanie prietoku

Ventily s rozdeľovačom prietoku, znázornené na diagramoch ako krabica s dvoma výstupmi a prepojenými symbolmi škrtiacej klapky vo vnútri, nútia rovnaký (alebo proporcionálne rozdelený) prietok k dvom alebo viacerým pohonom bez ohľadu na ich individuálne rozdiely v zaťažení. Synchronizácia dvoch valcov, ktoré tlačia nerovnaké zaťaženie, normálne zlyhá, pretože valec s nižším odporom beží dopredu. Delič obsahuje dva presne prispôsobené škrtiace prvky s cestami tlakovej spätnej väzby, ktoré ich spájajú. Ak jedna strana vidí vyššie zaťaženie, jej zvýšený tlak komunikuje cez vnútorný priechod s škrtiacou klapkou druhej strany, ktorá potom automaticky obmedzí viac, aby sa vyrovnalo rozdelenie prietoku. Rozdeľovače ozubeného typu používajú dva hydromotory pevne spojené na spoločnom hriadeli, ktoré mechanicky vynucujú rovnaký posun.

Stratégie konfigurácie okruhu

Miesto, kde umiestnite regulačný ventil prietoku do hydraulického okruhu, zásadne zmení správanie systému, účinnosť a bezpečnostné charakteristiky. Tri klasické usporiadania sú obvody meracieho vstupu, merača výstupu a vypúšťania. Pochopenie ich diagramových reprezentácií pomáha inžinierom diagnostikovať problémy s rýchlosťou a vybrať vhodné riešenia.

Konfigurácia obmedzovania merača

V meracích obvodoch schéma hydraulického ventilu na reguláciu prietoku zobrazuje prvok regulácie prietoku umiestnený medzi čerpadlom a vstupom ovládača. Toto umiestnenie obmedzuje vstup oleja do valca a riadi rýchlosť vysúvania obmedzením dostupnej kvapaliny. Čerpadlo pokračuje v plnení svojho objemu, ale prebytočný prietok nad tým, čo prechádza cez škrtiacu klapku, prechádza cez poistný ventil späť do nádrže.

Charakteristiky tlaku sú zrejmé pri analýze síl. Vstupný tlak valca sa rovná zaťažovacej sile vydelenej plochou piesta ($$P_1 = F/A$$). Tlak na strane čerpadla sa obmedzí pri nastavení poistného ventilu, zvyčajne 15 až 35 MPa v závislosti od aplikácie. To vytvára veľký, konštantný pokles tlaku na ventile, ktorý generuje teplo rovnajúce sa tlaku krát prietok ($$P \\krát Q$$). Systém je horúci a čerpadlo pracuje tvrdo proti odľahčovaciemu tlaku aj pri ľahkej práci.

Pri odporových zaťaženiach, kde vonkajšia sila bráni pohybu valca, funguje plynulé škrtenie. Stôl frézky privádzajúci do obrobku alebo brúsny kotúč posúvajúci sa proti odliatku predstavujú odporové zaťaženia. Pohyb zostáva kontrolovaný a predvídateľný. Meranie však vytvára nebezpečný stav s prekračujúcimi zaťaženiami, nazývanými aj záporné zaťaženia alebo nekontrolované zaťaženia. Zvážte zvislý valec, ktorý znižuje ťažké závažie. Gravitácia ťahá piestnu tyč smerom nadol rýchlejšie, ako môže priškrtený vstupný tok naplniť predlžovaciu stranu. To vytvára vákuum v komore valca, čo spôsobuje poškodenie kavitáciou, nepravidelný pohyb a potenciálny pád záťaže. Z tohto dôvodu inžinieri nikdy nepoužívajú plynové škrtenie na spúšťanie výložníka, spúšťanie vysokozdvižným vozíkom alebo akékoľvek aplikácie, kde zaťaženie napomáha pohybu valca. Schémy hydraulického prietokového ventilu pre tieto aplikácie musia namiesto toho znázorňovať konfigurácie meracieho alebo vyváženého okruhu.

Konfigurácia obmedzovania merača

Meter-out umiestni regulačný ventil prietoku na výfukový otvor pohonu. Diagram ukazuje ventil medzi valcom a nádržou, ktorý obmedzuje vytekanie oleja. Vstupná strana sa pripája pomerne priamo k čerpadlu, čo umožňuje voľné plnenie predlžovacej komory. Valec sa pohybuje len tak rýchlo, ako škrtiaca klapka umožňuje oleju uniknúť zo zaťahovacej komory.

Toto usporiadanie vytvára protitlak na strane výfuku, čo poskytuje tuhosť a kontrolu aj pri prekročení zaťaženia. Keď gravitácia ťahá zavesené bremeno nadol, priškrtený výfukový otvor zabraňuje úniku tým, že zadržiava spätný tlak. Valec sa účinne brzdí sám hydraulicky. Vďaka tomu je dávkovač štandardnou voľbou pre vertikálne vŕtacie vretená, spúšťanie výložníka žeriavu a akékoľvek aplikácie vyžadujúce kontrolu záporných zaťažení.

Meter-out vyniká plynulosťou pohybu a držaním záťaže. Vysoký protitlak eliminuje akúkoľvek vôľu v systéme a zabraňuje osciláciám stick-slip, ktoré spôsobujú trhavý pohyb pri nízkych rýchlostiach. Obrábacie operácie vyžadujúce jemnú povrchovú úpravu a operátori žeriavov, ktorí potrebujú plynulé umiestňovanie bremena, ťažia z ovládania na metre. Kompromisom je nižšia účinnosť a vyššia tvorba tepla v porovnaní s odvzdušňovacími systémami.

Bleed-Off (bypass) škrtenie

Odvzdušňovacie okruhy zobrazujú ventil na reguláciu prietoku v odbočke rovnobežnej s pohonom, čím sa vytvára skratka priamo do nádrže. Diagram znázorňuje rozdelenie prietoku čerpadla v T-kusu, pričom jedna cesta vedie cez ventil do nádrže a druhá cesta napája valec. Toto je kontrola odčítania – ventil skôr odvádza nežiaduci prietok, než obmedzuje napájanie ovládača.

Prietok čerpadla sa rozdelí na prietok vo valci plus odtokový prietok ($$Q_{pump} = Q_{valec} + Q_{bleedoff}$$). Otvorením odvzdušňovacieho ventilu sa vypustí viac prietoku do nádrže, čím sa spomalí valec. Jeho zatvorením smeruje viac toku k pohonu, čím sa zrýchľuje pohyb. Zásadný rozdiel od dávkovača a dávkovača je v tom, že čerpadlo nikdy nemusí vyvinúť úplný odľahčovací tlak, pokiaľ to záťaž nevyžaduje. Ak valec tlačí iba proti 5 MPa záťažovému tlaku, čerpadlo vytvorí iba 5 MPa (plus malá rezerva na straty v potrubí). Prebytočný prietok vyteká pri tomto nízkom pracovnom tlaku, nie pri nastavení odľahčenia 20 alebo 30 MPa. Strata energie sa rovná $$P_{záťaž} \\krát Q_{excess}$$, čo je podstatne menej ako $$(P_{reliéf} \\krát Q_{excess})$$ v systémoch s meracím vstupom/výstupom.

Táto výhoda účinnosti robí odtok atraktívnym pre energeticky náročné aplikácie, ako sú poľnohospodárske zariadenia, dopravníky na manipuláciu s materiálom a mobilné zariadenia, kde záleží na spotrebe paliva. Systém beží chladnejšie a spotrebuje menej energie ako teplo. Odvzdušňovanie však poskytuje zlú stabilitu otáčok, pretože prietok čerpadla sa mení s tlakom (objemová účinnosť klesá so zvyšujúcim sa tlakom) a prietok vypúšťacieho ventilu sa tiež mení s meniacim sa tlakom v ňom. Keď kolíše zaťaženie, kolíše rýchlosť. To obmedzuje vypúšťanie na aplikácie, kde nie je kritická absolútna presnosť rýchlosti, ako sú miešačky alebo prerušované kyvadlové dopravníky. Rovnako ako merač, ani vypúšťanie nemôže bezpečne zvládnuť prekročenie zaťaženia, pretože nevytvára spätný tlak, ktorý by odolal pohybu spôsobenému zaťažením. Pohon by sa zrýchlil gravitáciou alebo zotrvačnosťou bez ohľadu na nastavenie odvzdušňovacieho ventilu.

Pokročilé funkcie diagramov pre komplexné systémy

Schémy ventilov na reguláciu hydraulického prietoku v reálnom svete často kombinujú viacero typov ventilov a pridávajú prvky snímania, aby zvládli sofistikované požiadavky na ovládanie.

Proporcionálne ventily na reguláciu prietoku sa na diagramoch objavujú s dodatočným symbolom poľa, ktorý predstavuje proporcionálny solenoid. Tento elektrický pohon nahrádza gombík manuálneho nastavenia. Prúd pretekajúci cez cievku elektromagnetu vytvára magnetickú silu úmernú intenzite prúdu, čím posúva cievku ventilu do zodpovedajúcej polohy. Signál 200 mA môže spôsobiť 20-percentné otvorenie ventilu, zatiaľ čo 1000 mA poskytuje plný prietok. Moderné proporcionálne ventily zahŕňajú lineárne variabilné diferenciálne transformátory (snímače LVDT), ktoré merajú aktuálnu polohu cievky a privádzajú späť do zosilňovača pre riadenie v uzavretej slučke. To umožňuje počítačom riadené akceleračné rampy, profily spomalenia a viacbodové rýchlostné programy nemožné s manuálnymi ventilmi.

Schémy hydraulických prietokových ventilov pre vstrekovacie stroje znázorňujú proporcionálne ventily ovládajúce pohyb vstrekovacej skrutky prostredníctvom zložitých rýchlostných kriviek. Skrutka začína pomaly, aby sa zabránilo tryskaniu, potom sa zrýchli, aby sa dutina rýchlo naplnila, potom sa opäť spomalí a priblíži sa k plnému, aby sa zabránilo preplneniu a vzplanutiu. Riadiaci program môže mať osem rôznych nastavených hodnôt rýchlosti naprieč vstrekovacím zdvihom s plynulými prechodmi medzi nimi. Schéma obsahuje snímače polohy (nakreslené ako malé škatuľky na valci), ktoré oznamujú ovládaču, kde je skrutka, čo umožňuje presnú synchronizáciu rýchlosti s polohou.

Prioritné ventily snímania zaťaženia predstavujú vývoj základných prioritných ventilov. Diagram ukazuje ďalšiu signálnu čiaru (zvyčajne nakreslenú ako tenká prerušovaná čiara), ktorá vedie od orbitálneho ventilu riadenia späť k prioritnému ventilu. Toto vedenie prenáša tlakový signál úmerný požiadavke riadenia. Keď obsluha otáča kolesom pomaly bez zaťaženia, signálny tlak je nízky, možno 2 až 3 MPa. Kompenzátor prioritného ventilu otvára port CF iba čiastočne a posiela len dostatok prietoku pre jemný vstup do riadenia a zároveň umožňuje väčšinu prietoku do EF pre pracovné nadstavce. Keď operátor krúti kolesom v plnej rýchlosti alebo narazí na vysoký odpor vo valcoch riadenia, signálny tlak vyskočí na 15 MPa alebo viac. Tento tlak pôsobí na cievku prioritného ventilu proti jej pružine, čím núti ventil úplne otvoriť do CF a takmer uzavrieť do EF, čím sa zabezpečí, že všetok dostupný prietok čerpadla pôjde do riadenia. Výsledkom je riadenie, ktoré vždy reaguje bez plytvania kapacitou čerpadla, keď je požiadavka na riadenie nízka. Tento dynamický systém snímania zaťaženia zlepšuje spotrebu paliva v porovnaní so staršími prioritnými systémami s konštantným prietokom.

Obvody deliča prietoku pre synchronizované valce znázorňujú vnútorné spätnoväzbové dráhy na schéme hydraulického ventilu na reguláciu prietoku ako prekrížené bodkované čiary spájajúce dva škrtiace prvky. Jedna vetva môže vykazovať vyšší záťažový tlak, čo spôsobí mierne otvorenie jej škrtiacej klapky. Cez kanál na vyrovnávanie tlaku sa tento tlakový signál dostane k riadiacemu piestu druhej vetvy, čím prinúti jeho škrtiacu klapku, aby sa proporcionálne obmedzila. Obe strany sa plynule nastavujú, aby sa zachoval navrhnutý pomer prietoku, bežne 50-50 pre rovnaké valce alebo 60-40 alebo iné pomery pre nerovnaké zaťaženie. Schéma jasne rozlišuje medzi motorovými deličmi (zobrazené s dvoma symbolmi ozubených kolies na spoločnom hriadeli) a cievkovými deličmi (zobrazené s prepojenými prvkami škrtiacej klapky). Rozdeľovače motorického typu poskytujú mimoriadne presné delenie, ale stoja viac a zaberajú viac miesta. Rozdeľovače cievkového typu postačujú na aplikácie, ako je synchronizácia zadných dverí sklápača, kde je dostatočná presnosť do 5 percent.

Prípadové štúdie priemyselných aplikácií

Pohľad na kompletné schémy systému odhaľuje, ako inžinieri kombinujú ventily na reguláciu prietoku, aby riešili skutočné prevádzkové výzvy.

Okruhy otáčania rýpadla ilustrujú sofistikované použitie plynového škrtenia. Schéma hydraulického prietokového riadiaceho ventilu pre otočný pohon 30-tonového rýpadla zobrazuje vypúšťacie otvory hydraulického motora, ktoré sa napájajú cez dávkovacie škrtiace ventily pred dosiahnutím nádrže. Keď operátor začne otáčať, tieto ventily obmedzia odtok a vytvárajú spätný tlak, ktorý plynulo zrýchľuje 8-tonovú hornú konštrukciu bez otrasov. Keď sa hojdačka priblíži k cieľovej polohe, operátor vráti joystick do neutrálnej polohy a hlavný riadiaci ventil začne smerovať tok späť do nádrže. Ale rotujúca hmota má obrovskú zotrvačnosť a chce sa točiť ďalej. Motor teraz funguje ako čerpadlo poháňané zotrvačnosťou a tlačí olej späť cez okruh. Obmedzenie dávkovača zabraňuje tomuto voľnému spätnému toku a vytvára brzdný odpor. Bez tejto funkcie by stroj preletel svoj cieľ o metre a potom by osciloval, keď sa operátor snažil zastaviť kývajúcu sa hmotu. Diagram tiež zobrazuje krížovo prepojené poistné ventily medzi portami motora. Tieto bezpečnostné ventily obmedzujú špičkový tlak spomalenia na približne 35 MPa. Keď dôjde k núdzovému brzdeniu (joystick operátora zatlačený do neutrálu), zotrvačná špička by inak vytvorila tlak presahujúci 50 MPa, čo by poškodilo tesnenia motora a ložiská.

Schémy vstrekovacích strojov demonštrujú prechod od riadenia prietoku k riadeniu tlaku počas formovacieho cyklu. Hlavný vstrekovací valec pracuje v niekoľkých fázach, ktoré sú viditeľné na schéme hydraulického prietokového ventilu. Počas plnenia formy veľký proporcionálny prietokový ventil riadi rýchlosť, keď skrutka naráža roztavený plast do dutiny. Diagram ukazuje prietok pohybujúci sa cez ventil ku koncu uzáveru valca, zatiaľ čo koniec tyče voľne odteká do nádrže. Plnenie môže trvať 1 až 3 sekundy v závislosti od veľkosti dielu. Keď sa forma naplní na 95 percent, snímač tlaku (zobrazený ako symbol malého kosoštvorca) na čiare na konci uzáveru zaznamená stúpajúci tlak. Ovládač prepína režimy. Proporcionálny prietokový ventil sa zníži na malé otvorenie (zobrazené zníženým prúdovým signálom), zatiaľ čo prevezme proporcionálny tlakový ventil (iný symbol, zobrazený s ikonou prítlačnej pružiny), ktorý udržiava tlak v balení asi 10 až 15 MPa počas 5 až 20 sekúnd, kým sa plast ochladí. Tento tlak zabraňuje potopeniu, keď sa polymér zmršťuje. Prechod režimu vyžaduje, aby oba ventily fungovali súčasne koordinovaným spôsobom, čo diagram zachytáva s ovládacími vedeniami (elektrickými, znázornenými prerušovanými čiarami), ktoré vedú z oboch ventilov do centrálnej riadiacej jednotky.

V diagramoch lisovacích a formovacích strojov sa často objavujú regeneračné obvody pre rýchly pohyb. Na urýchlenie 500-tonového lisu, ktorý sa približuje k obrobku pred použitím tvárniacej sily, inžinieri spoja port na konci valca s portom na konci uzáveru cez pilotom ovládaný spätný ventil. To vytvára uzavretú slučku, kde olej opúšťajúci stranu tyče (oblasť A₁) steká priamo do strany uzáveru (oblasť A₂ = A₁ - A_tyč) namiesto toho, aby šiel do nádrže. Pretože A2 je menšie ako A1, výboj na strane tyče prevyšuje dopyt na strane uzáveru. Čerpadlo dodáva deficit (prietok oblasti A_tyč), ale rýchlosťou určenou prietokom čerpadla vydeleným len plochou tyče, čo je zvyčajne 3 až 5-krát rýchlejšie ako normálna rýchlosť vysúvania. Keď sa baran dotkne obrobku, záťažový tlak stúpa, čo pôsobí na pilotom ovládaný spätný ventil znázornený na obrázku. Stúpajúci tlak uzatvára regeneračnú dráhu a okruh prechádza do normálneho predĺženia s plnou silou. Schéma hydraulického ventilu na reguláciu prietoku musí jasne znázorňovať túto regeneračnú slučku so správnou orientáciou ventilu, pretože inštalácia spätného ventilu dozadu by zablokovala celý systém.

Diagnostické riešenie problémov pomocou diagramov

Keď sa v hydraulickom systéme objavia problémy s reguláciou rýchlosti, schéma zapojenia poskytuje plán riešenia problémov odhalením tlakových vzťahov a bodov porúch.

Posun toku v priebehu času zvyčajne indikuje účinky súvisiace s teplotou alebo zlyhanie kompenzácie tlaku. Ak sa systém po 20 minútach prevádzky spomalí, prvým diagnostickým krokom je potvrdenie, či má prietokový regulačný ventil funkciu kompenzácie teploty (symbol otvoru s ostrou hranou na diagrame). Štandardné ihlové ventily bez kompenzácie vykazujú zvýšenie prietoku o 15 až 25 percent, keď sa systém zahreje z 30 °C na 60 °C, pretože viskozita oleja klesá exponenciálne s teplotou. V podmienkach laminárneho prúdenia v dlhých škrtiacich kanáloch je prietok nepriamo úmerný viskozite podľa princípov Hagen-Poiseuilleho prúdenia. Ak diagram zobrazuje teplotne kompenzovaný ventil (označený bodkovaným symbolom alebo označením ostrých hrán), ale stále dochádza k posunu, problém pravdepodobne spočíva v kontaminácii. Nánosy laku z oxidovaného oleja pokrývajú cievku kompenzátora a vytvárajú trenie, ktoré zabraňuje cievke správne sledovať zmeny tlaku. Kompenzátor sa „zasekne“ v jednej polohe, čím sa z drahého tlakovo kompenzovaného ventilu stane základná škrtiaca klapka s prietokom závislým od zaťaženia.

Prietok čerpadla sa rozdelí na prietok vo valci plus odtokový prietok ($$Q_{pump} = Q_{valec} + Q_{bleedoff}$$). Otvorením odvzdušňovacieho ventilu sa vypustí viac prietoku do nádrže, čím sa spomalí valec. Jeho zatvorením smeruje viac toku k pohonu, čím sa zrýchľuje pohyb. Zásadný rozdiel od dávkovača a dávkovača je v tom, že čerpadlo nikdy nemusí vyvinúť úplný odľahčovací tlak, pokiaľ to záťaž nevyžaduje. Ak valec tlačí iba proti 5 MPa záťažovému tlaku, čerpadlo vytvorí iba 5 MPa (plus malá rezerva na straty v potrubí). Prebytočný prietok vyteká pri tomto nízkom pracovnom tlaku, nie pri nastavení odľahčenia 20 alebo 30 MPa. Strata energie sa rovná $$P_{záťaž} \\krát Q_{excess}$$, čo je podstatne menej ako $$(P_{reliéf} \\krát Q_{excess})$$ v systémoch s meracím vstupom/výstupom.

Problémy s rýchlosťou spätného smeru s jednosmernými škrtiacimi ventilmi poukazujú priamo na poruchy spätného ventilu. Diagram ukazuje, že olej prúdiaci dozadu cez ventil by mal ľahko otvoriť kontrolnú guľu a obísť škrtiacu klapku. Ak je spätný pohyb pomalý, kontrolná guľôčka je zaseknutá v dôsledku znečistenia alebo sa kontrolná pružina zlomila a zablokovala guľôčku v medzipolohe, ktorá čiastočne blokuje prietok. Infračervená teplotná pištoľ snímajúca teleso ventilu často odhalí túto poruchu – oblasť okolo zaseknutého spätného ventilu je extrémne horúca (možno 80 až 90 °C) v dôsledku vysokého poklesu tlaku, keď je olej vytláčaný cez malú škrtiacu medzeru namiesto veľkej oblasti obtoku spätného ventilu. Nárast teploty sa rovná poklesu tlaku krát prietoku vydelenému špecifickou tepelnou kapacitou a hmotnostným prietokom oleja a je ľahko merateľný bezkontaktnými prístrojmi.

Plazenie valca (pomalý posun pri zaťažení), keď je smerový ventil v neutrálnej polohe, indikuje vnútorné presakovanie cez cievku alebo sedlo ventilu na reguláciu prietoku. Toto sa na diagrame priamo nezobrazuje, ale pochopenie obvodu pomáha pri diagnostike. Ak diagram ukazuje škrtenie dávkovača, valec je zablokovaný zachyteným olejom, keď sa zatvára smerový ventil. Vysoký zachytený tlak na strane tyče vytvára tlakový rozdiel naprieč ventilom na reguláciu prietoku, aj keď sú oba jeho porty pripojené k zablokovaným komorám. Akékoľvek opotrebovanie cievky alebo sedla ventilu umožňuje mikroúnik z vysokého tlaku na nízky tlak a valec sa pomaly unáša. Jediným riešením sú tesnejšie ventily (konštrukcia tanierových tanierov s nulovým únikom namiesto typu cievok), pridanie samostatného spätného ventilu ovládaného pilotom (vyvažovací ventil) na pozitívne uzamknutie záťaže alebo akceptovanie malého množstva driftu, ak to neovplyvňuje prevádzku.

Zmeny rýchlosti synchronizované so zmenami tlaku v systéme signalizujú potrebu kompenzácie tlaku tam, kde žiadna neexistuje. Ak schéma hydraulického prietokového ventilu zobrazuje základný symbol škrtiacej klapky bez kompenzačnej šípky, prietok ventilom bude sledovať druhú odmocninu tlakového rozdielu. Prehľad schémy zapojenia zobrazujúci nastavenie poistného ventilu systému, krivku prietoku čerpadla a profil zaťaženia ovládača môže predpovedať veľkosť zmeny rýchlosti. S poistným tlakom 10 MPa a zaťažovacím tlakom 5 MPa je dostupný ΔP naprieč metrovou škrtiacou klapkou 5 MPa. Ak záťažový tlak stúpne na 7 MPa počas ťažkého rezania, dostupný ΔP klesne na 3 MPa a prietok sa zníži na $$\\sqrt{3/5} = 0,77 $$ alebo 77 percent pôvodnej rýchlosti – veľmi výrazné spomalenie o 23 percent. Technik to vidí na základe analýzy tlakových zón v diagrame a odporúča upgrade na tlakovo kompenzovaný prietokový regulačný ventil (so symbolom kompenzačnej šípky).

Čítanie diagramov pre rozhodnutia o návrhu systému

Inžinieri používajú schémy hydraulického prietokového ventilu nielen na riešenie problémov, ale aj ako prediktívne nástroje počas návrhu systému, aby sa predišlo problémom skôr, ako sa vyskytnú.

Pri výbere topológie obvodu diagram pomáha vizualizovať tok energie a mechanizmy strát. Nakreslenie celého obvodu so všetkými zobrazenými obmedzeniami odhalí, kde dochádza k stratám pri škrtení. V systéme s dávkovačom energie sa plytvanie energiou rovná tlaku čerpadla krát prebytočnému prietoku cez poistný ventil. Pre čerpadlo s výkonom 100 litrov/minútu, ktoré beží pri pretlaku 20 MPa a iba 40 LPM ide do ovládača cez škrtiacu klapku, je generovanie tepla $$20 \\text{ MPa} \\krát 60 \\text{ LPM} = 20 \\text{ kW}$$ čistého tepelného odpadu. Na to je potrebný veľký chladič oleja a kvapalina aj pri chladení dosahuje teploty okolo 65°C. Rovnaká aplikácia využívajúca vypúšťaciu topológiu môže bežať len pri pracovnom tlaku 8 MPa (určenom záťažou), čím sa odpad 8 $$ \\text{ MPa} \\krát 60 \\text{ LPM} = 8 \\text{ kW}$$, čo je menej ako polovica tepelného zaťaženia. Systém môže využívať menší chladič, olej zostáva na 45°C, životnosť čerpadla sa predlžuje o roky a spotreba elektrickej energie úmerne klesá.

Výpočty zosilnenia tlaku pochádzajú priamo z geometrie diagramu. Keď má valec vŕtanie 100 mm a priemer tyče 50 mm, plocha konca uzáveru je 7854 mm², zatiaľ čo plocha konca tyče je iba 5890 mm² (kruhová plocha = celá plocha mínus plocha tyče). Plošný pomer 1,33 znamená, že škrtenie na dávkovači zintenzívni tlak najmenej o 33 percent. Ak čerpadlo dodáva 15 MPa na koniec uzáveru, tlak na konci tyče bez vonkajšieho zaťaženia sa stane aspoň 20 MPa v dôsledku samotnej geometrie. Pridajte odporovú záťaž stlačenú späť o 3 MPa a tlak na konci tyče dosiahne 23 MPa. Každá hadica, armatúra a tesnenie na tomto okruhu s tyčou potrebuje menovitý tlak nad 25 MPa (s bezpečnostnou rezervou), inak dôjde k poruchám. Inžinieri označujú tieto výpočty priamo na diagrame s anotáciami tlaku zobrazujúcimi očakávané maximá na každom mieste.

Diagram tiež vedie k dimenzovaniu prietokového ventilu. V katalógoch ventilov sa objavujú koeficienty prietoku Cv alebo Kv, ktoré udávajú prietok pri poklese tlaku 1 bar. Ak systém vyžaduje 60 LPM cez tlakovo kompenzovaný ventil, ktorý udržuje 0,5 MPa (5 bar) ΔP, potom pracuje spätne, ventil potrebuje $$Cv = Q / \\sqrt{\\Delta P} = 60 / \\sqrt{5} = 27 $$ galónov za minútu pri 1 bar. To určuje, ktorý model z ponuky výrobcu sa hodí pre danú aplikáciu. Predimenzovanie plytvá peniazmi a vytvára pomalú odozvu riadenia; poddimenzovanie spôsobuje nadmerný pokles tlaku, zahrievanie a eróziu.

Pochopenie interakcie viacerých ventilov na reguláciu prietoku zabraňuje chybám v návrhu. Bežnou chybou je umiestnenie dvoch škrtiacich klapiek do série bez rozpoznania, že tvoria ekvivalent deliča napätia. Ak má ventil A otváraciu plochu A1 a ventil B má otváraciu plochu A2, oba v sérii, je celkový prietok určený menším otvorom a súčtom tlakových strát. Technik nemôže nezávisle regulovať rýchlosť oboma ventilmi - nastavovací ventil A mení rozdelenie tlaku a ovplyvňuje prietok ventilu B, aj keď sa nastavenie B nemení. Schéma hydraulického ventilu na reguláciu prietoku musí zobrazovať tieto sériové obmedzenia a návrh by mal eliminovať nadbytočné obmedzenia alebo ich zámerne použiť na presné riadenie pomeru poklesu tlaku.

Záver

Schémy hydraulických ventilov na reguláciu prietoku pomocou symbolov ISO 1219-1 poskytujú inžinierom úplné pochopenie riadenia rýchlosti systému, energetickej účinnosti a poruchových režimov ešte pred vybudovaním hardvéru. Zakrivené symboly obmedzenia hovoria, či ventil funguje ako základná škrtiaca klapka, tlakovo kompenzovaný regulátor alebo prioritný delič. Indikátory šípok odhaľujú funkcie nastavenia a kompenzácie. Umiestnenie okruhu – vstup merača, výstup merača alebo odtok – určuje schopnosť zaťaženia a účinnosť. Čítanie týchto diagramov vyžaduje pochopenie grafických štandardov a princípov mechaniky tekutín za každým symbolom. Diagonálna šípka znamená ľudské prispôsobenie. Zvislá šípka znamená kompenzáciu tlaku. Paralelný spätný ventil znamená jednosmernú reguláciu s voľným spätným tokom.

Inžinieri vyberajú topológiu obvodu na základe analýzy smeru zaťaženia, požadovanej tuhosti, prijateľnej účinnosti a tlakových hodnôt. Diagnostikujú poruchy porovnaním predpovedí diagramov s nameranými tlakmi a teplotami. Dimenzujú komponenty pomocou prietokových rovníc a výpočtov tlaku odvodených z geometrie okruhu. Diagram slúži ako spoločný jazyk medzi dizajnérmi, technikmi a poradcami pri riešení problémov, čo umožňuje niekomu v Chicagu diagnostikovať stroj pracujúci v Singapure tak, že si prezrie schému a požiada o špecifické merania tlaku v označených testovacích bodoch.

Zvládnutie diagramov hydraulických ventilov na reguláciu prietoku znamená uvedomiť si, že každý riadok a symbol predstavuje fyzický hardvér a merateľné energetické transformácie. Stlačenie medzi dvoma zakrivenými čiarami predstavuje kolízie molekúl v turbulentnom prúde, zvýšenie teploty v dôsledku trenia a presné riadenie rýchlosti, ktoré umožňuje moderné stroje. Či už ide o aplikáciu výložníka rýpadla, ktoré sa bezpečne spúšťa gravitáciou, plnenie vstrekovacej formy s osemsegmentovým rýchlostným profilovaním alebo jednoduché podávanie brúsneho stola konštantnou rýchlosťou, diagram presne odhaľuje, ako riadenie prietoku plní úlohu a kde sa môžu vyskytnúť problémy.