Schematy zaworu sterującego przepływem hydraulicznym

Kiedy otwierasz schemat obwodu hydraulicznego i widzisz te zakrzywione linie ze strzałkami wskazującymi na nie, patrzysz na zawory sterujące przepływem. Symbole te mogą wydawać się proste, ale dokładnie informują, w jaki sposób maszyna kontroluje prędkość, zarządza energią i chroni drogie komponenty. Schemat zaworu sterującego przepływem hydraulicznym to nie tylko rysunek. To język, który pozwala określić, czy maszyna wiertnicza będzie drgać podczas przełomu, czy ramię koparki będzie dryfować pod obciążeniem, czy też system będzie marnował energię na podgrzewanie zbiornika oleju.

Symbole schematów tych zaworów są zgodne z normą ISO 1219-1, którą inżynierowie przemysłowi na całym świecie stosują do dokumentowania układów hydraulicznych. Nauka czytania tych diagramów oznacza zrozumienie, co reprezentuje każda linia, strzałka i kształt geometryczny w fizycznym sprzęcie umieszczonym w korpusie zaworu.

Dekodowanie komponentów symboli ISO 1219-1

Podstawowy zawór dławiący pojawia się na schematach zaworu sterującego przepływem hydraulicznym jako dwie zakrzywione linie zwrócone ku sobie, tworząc wąski kanał dla płynu. Te przeciwne łuki reprezentują ograniczenie przepływu. Kiedy widzisz ukośną strzałkę przechodzącą przez ten symbol, oznacza to, że zawór można regulować. Ktoś może obrócić pokrętło lub wyregulować śrubę, aby zmienić stopień otwarcia zaworu. Jeśli nie ma strzałki, oznacza to, że masz stałą kryzę, której nie można regulować po instalacji.

Kierunek ma kluczowe znaczenie na tych diagramach. Symbol zaworu zwrotnego wygląda jak kula osadzona w gnieździe w kształcie litery V. Gdy płyn przepływa przez kulkę, uszczelnia ona szczelnie. Gdy płyn przepływa w drugą stronę, wypycha kulkę z gniazda i przepływa swobodnie. Wiele zastosowań związanych z kontrolą przepływu wymaga kontroli prędkości tylko w jednym kierunku. Na przykład stół obróbczy wymaga powolnego posuwu w fazie cięcia, ale powinien szybko powrócić. Tutaj z pomocą przychodzi jednokierunkowy zawór dławiący.

Na schemacie zaworu sterującego przepływem hydraulicznym przepustnica jednokierunkowa łączy symbol przepustnicy z symbolem równoległego zaworu zwrotnego. Te dwa elementy znajdują się obok siebie, często zamknięte w przerywanej ramce, co pokazuje, że są wbudowane w jeden fizyczny korpus zaworu. Olej przepływający w jedną stronę zostaje zdławiony i spowalnia siłownik. Olej przepływający w przeciwnym kierunku otwiera zawór zwrotny i całkowicie omija przepustnicę, umożliwiając szybki ruch powrotny przy minimalnym spadku ciśnienia.

Zawory sterujące przepływem z kompensacją ciśnienia dodają kolejny element symboliczny: małą pionową strzałkę na linii wlotowej skierowaną w górę. Strzałka ta informuje, że zawór zawiera automatyczny regulator ciśnienia wbudowany szeregowo z ręczną przepustnicą. Kompensator ciśnienia utrzymuje stały spadek ciśnienia na kryzie przepustnicy niezależnie od zmian obciążenia. Bez tej funkcji, gdy cylinder napiera na większe obciążenie, zwiększone przeciwciśnienie zmniejsza różnicę ciśnień na przepustnicy, co automatycznie spowalnia ruch, nawet jeśli ustawienie przepustnicy nie uległo zmianie. Mechanizm kompensacyjny rozwiązuje ten problem, wykrywając ciśnienie zarówno przed, jak i za zaworem oraz automatycznie regulując wewnętrzny element zaworu, aby utrzymać spadek ciśnienia dokładnie na poziomie 0,5 do 1,0 MPa.

Symbole kompensacji temperatury pojawiają się rzadziej, ale mają znaczenie w zastosowaniach precyzyjnych. Małe kółko lub ikona termometru w pobliżu symbolu przepustnicy wskazuje, że w zaworze zastosowano kryzę o ostrych krawędziach, a nie długi, wąski kanał. Ostre krawędzie powodują przepływ turbulentny, w którym współczynnik wypływu pozostaje względnie stabilny pomimo zmian lepkości. Gdy olej hydrauliczny nagrzewa się podczas pracy, jego lepkość spada wykładniczo. W długich, cienkich kanałach pracujących w warunkach przepływu laminarnego ta zmiana lepkości znacząco wpływa na natężenie przepływu zgodnie z prawem Hagena-Poiseuille'a. Kryza o ostrych krawędziach minimalizuje wrażliwość na temperaturę, którą inżynierowie nazywają kompensacją temperatury.

Główne kategorie zaworów sterujących przepływem

Schematy zaworów sterujących przepływem hydraulicznym przedstawiają trzy podstawowe rodziny zaworów, każda z odmiennymi symbolami i zasadami działania.

Prosty zawór dławiący

Prosty zawór dławiący reprezentuje najbardziej podstawową konstrukcję. Symbol na schemacie przedstawia jedynie regulowane ograniczenie bez żadnych dodatkowych elementów. Fizycznie, zawór ten zazwyczaj wykorzystuje szpulę w kształcie igły z bardzo małym kątem zbieżności osadzoną na gnieździe o ostrych krawędziach. Obracanie uchwytu regulacyjnego przesuwa igłę osiowo wzdłuż cienkiej nici, tworząc precyzyjne zmiany w obszarze przepływu pierścieniowego. Zawory te kosztują mniej i zajmują minimalną przestrzeń, ale ich natężenie przepływu zmienia się w przypadku wahań ciśnienia w układzie lub zmiany temperatury oleju. Nadają się do zastosowań, w których obciążenie pozostaje stałe, takich jak napęd ściernicy lub przenośnik taśmowy, ale nie są w stanie utrzymać stabilnej prędkości w zmiennych warunkach obciążenia.

Zawory z kompensacją ciśnienia

Zawory z kompensacją ciśnienia, zwane także zaworami sterującymi przepływem z kompensacją lub po prostu regulatorami przepływu, pojawiają się na schematach z charakterystycznym symbolem strzałki wyczuwającej ciśnienie. Wewnątrz korpusu zaworu znajdują się dwa ograniczenia połączone szeregowo: ręcznie regulowana przepustnica i automatyczny regulator ciśnienia. Reduktor składa się z szpuli obciążonej sprężyną, która mierzy ciśnienie zarówno przed, jak i za ręcznym przepustnicą. Gdy obciążenie wzrasta i ciśnienie za zaworem wzrasta, różnica ciśnień na przepustnicy próbuje się zmniejszyć. Suwak kompensatora natychmiast reaguje, otwierając się bardziej, zmniejszając własne ograniczenie, co wymusza wzrost ciśnienia przed zaworem na tyle, aby przywrócić pierwotny spadek ciśnienia na ręcznej przepustnicy. Dzieje się to w sposób ciągły i automatyczny podczas działania systemu.

Równowaga sił na szpuli kompensatora powoduje samoregulację. Siła sprężyny popycha szpulę w kierunku pozycji zamkniętej. Ciśnienie za zaworem (ciśnienie obciążenia) również popycha go w stronę zamknięcia. Ciśnienie przed zaworem popycha go w kierunku otwarcia. W równowadze ciśnienie przed zaworem jest równe ciśnieniu za zaworem plus siła sprężyny podzielona przez efektywną powierzchnię szpuli. Poprzez staranny dobór sprężyny podczas projektowania zaworu producenci ustawiają skompensowany spadek ciśnienia na określoną wartość, zwykle od 0,5 MPa dla małych zaworów do 1,0 MPa dla dużych zaworów przemysłowych. Ponieważ spadek ciśnienia pozostaje stały niezależnie od obciążenia, a obszar przepustnicy jest ustawiany i ustalany ręcznie, natężenie przepływu staje się niezależne od obciążenia. Wysięgnik koparki wysuwa się z tą samą prędkością niezależnie od tego, czy łyżka jest pusta, czy zawiera dwie tony ziemi.

Zawory priorytetowe

Zawory priorytetowe są pokazane na schematach zaworów sterujących przepływem hydraulicznym jako prostokątne pudełko zawierające szpulę dociskaną sprężyną z trzema portami oznaczonymi P (pompa), CF (stały przepływ lub priorytet) i EF (nadmierny przepływ lub obejście). Zawory te zapewniają, że funkcje krytyczne najpierw otrzymują wymagany przepływ, a następnie zasilają mniej krytyczne obwody. Klasycznym zastosowaniem są układy kierownicze w ładowarkach kołowych i ciągnikach rolniczych. Obwód kierowniczy łączy się z CF, natomiast funkcje robocze, takie jak przechylanie łyżki, łączą się z EF. Linia sygnału ciśnienia z zespołu sterującego doprowadzana jest z powrotem do jednego końca szpuli zaworu priorytetowego, naciskając na sprężynę. Kiedy operator szybko obraca kierownicę, ciśnienie sygnału wzrasta, przesuwając szpulę, aby skierować maksymalny przepływ do CF, jednocześnie dławiąc EF. Kiedy zapotrzebowanie na sterowanie spada, szpula powraca pod wpływem siły sprężyny, umożliwiając przepływ do funkcji roboczych. Zapobiega to niebezpiecznej sytuacji, w której operator nie może sterować, ponieważ cały przepływ pompy jest zużywany przez młot hydrauliczny lub inny osprzęt.

Zawory rozdzielające przepływ

Zawory rozdzielające przepływ, pokazane na schematach jako pudełko z dwoma wyjściami i połączonymi ze sobą symbolami przepustnicy wewnątrz, wymuszają równy (lub proporcjonalnie podzielony) przepływ do dwóch lub więcej siłowników, niezależnie od ich indywidualnych różnic obciążenia. Synchronizacja dwóch cylindrów pchających nierówne obciążenia zwykle kończy się niepowodzeniem, ponieważ cylinder o niższym oporze przesuwa się do przodu. Rozdzielacz zawiera dwa precyzyjnie dopasowane elementy dławiące, których łączą ścieżki sprzężenia zwrotnego ciśnienia. Jeśli jedna strona odnotuje większe obciążenie, zwiększone ciśnienie przekazywane jest poprzez wewnętrzny kanał do przepustnicy drugiej strony, która następnie automatycznie ogranicza większe ciśnienie, aby wyrównać podział przepływu. W rozdzielaczach przekładniowych zastosowano dwa silniki hydrauliczne sztywno połączone na wspólnym wale, wymuszające mechanicznie jednakowe przemieszczenie.

Strategie konfiguracji obwodów

Umieszczenie zaworu sterującego przepływem w obwodzie hydraulicznym zasadniczo zmienia zachowanie systemu, jego wydajność i parametry bezpieczeństwa. Trzy klasyczne układy to obwody wejściowe, wyjściowe i upustowe. Zrozumienie ich reprezentacji na diagramach pomaga inżynierom diagnozować problemy z prędkością i wybierać odpowiednie rozwiązania.

Konfiguracja dławienia wejścia licznika

W obwodach wlotowych schemat zaworu sterującego przepływem hydraulicznym przedstawia element sterujący przepływem umieszczony pomiędzy pompą a wlotem siłownika. Takie umiejscowienie ogranicza przedostawanie się oleju do cylindra, kontrolując prędkość wysuwania poprzez ograniczenie dostępnego płynu. Pompa w dalszym ciągu zapewnia pełną wydajność, ale nadmiar przepływu powyżej przepływu przepływającego przez przepustnicę przepływa przez zawór nadmiarowy z powrotem do zbiornika.

Charakterystyka ciśnienia staje się jasna po analizie sił. Ciśnienie wlotowe cylindra jest równe sile obciążenia podzielonej przez powierzchnię tłoka ($$P_1 = F/A$$). Ciśnienie po stronie pompy ogranicza się do ustawienia zaworu nadmiarowego, zwykle od 15 do 35 MPa, w zależności od zastosowania. Powoduje to duży, stały spadek ciśnienia na zaworze, który generuje ciepło równe ciśnieniu razy przepływ ($$P \\razy Q$$). Układ nagrzewa się, a pompa ciężko pracuje, pokonując ciśnienie nadmiarowe, nawet podczas wykonywania lekkich prac.

Ograniczanie dopływu miernika działa płynnie w przypadku obciążeń rezystancyjnych, gdzie siła zewnętrzna przeciwstawia się ruchowi cylindra. Stół frezarki wnikający w przedmiot obrabiany lub ściernica dociskająca do odlewu reprezentują obciążenia rezystancyjne. Ruch pozostaje kontrolowany i przewidywalny. Jednakże włączenie licznika stwarza niebezpieczny stan w przypadku obciążeń wyprzedzających, zwanych także obciążeniami ujemnymi lub obciążeniami niekontrolowanymi. Rozważmy pionowy cylinder obniżający duży ciężar. Grawitacja ciągnie tłoczysko w dół szybciej, niż dławiony przepływ wlotowy jest w stanie wypełnić wystającą stronę. Powoduje to wytworzenie podciśnienia w komorze cylindra, powodując uszkodzenia kawitacyjne, nieregularny ruch i potencjalne uszkodzenie ładunku. Z tego powodu inżynierowie nigdy nie stosują dławienia miarowego przy opuszczaniu wysięgnika, opuszczaniu wózka widłowego ani w innych zastosowaniach, w których ładunek wspomaga ruch cylindra. Schematy zaworów sterujących przepływem hydraulicznym dla tych zastosowań muszą zamiast tego przedstawiać konfiguracje obwodów z licznikiem lub zbalansowanym.

Konfiguracja ograniczania wyjścia licznika

Meter-out umieszcza zawór kontroli przepływu na porcie wylotowym siłownika. Na schemacie przedstawiono zawór pomiędzy cylindrem a zbiornikiem, ograniczający wypływ oleju. Strona wlotowa łączy się dość bezpośrednio z pompą, umożliwiając swobodne napełnianie rozszerzającej się komory. Cylinder porusza się tylko z taką prędkością, na jaką przepustnica pozwala na wyciek oleju z komory wciągającej.

Takie ustawienie wytwarza przeciwciśnienie po stronie wydechowej, co zapewnia sztywność i kontrolę nawet przy obciążeniach wyprzedzających. Kiedy grawitacja ciągnie zawieszony ładunek w dół, przepustnica wylotowa zapobiega ucieczce, zatrzymując ciśnienie wsteczne. Cylinder skutecznie hamuje się hydraulicznie. To sprawia, że ​​licznik jest standardowym wyborem w przypadku pionowych wrzecion wiertniczych, opuszczania wysięgnika żurawia i wszelkich zastosowań wymagających kontroli obciążeń ujemnych.

Meter-out wyróżnia się płynnością ruchu i utrzymywaniem obciążenia. Wysokie ciśnienie wsteczne eliminuje wszelkie luzy w układzie i zapobiega drganiom typu stick-slip, które powodują gwałtowny ruch przy niskich prędkościach. Operacje obróbcze wymagające dokładnego wykończenia powierzchni oraz operatorzy dźwigów wymagający płynnego rozmieszczenia ładunku czerpią korzyści z kontroli rozstawu liczników. Kompromisem jest niższa wydajność i wyższe wytwarzanie ciepła w porównaniu z systemami upustowymi.

Ograniczanie upustu (obejścia).

Obwody upustowe przedstawiają zawór regulacji przepływu w odgałęzieniu równoległym do siłownika, tworząc skrót bezpośrednio do zbiornika. Diagram przedstawia rozdział przepływu pompy na trójniku, przy czym jedna ścieżka przechodzi przez zawór do zbiornika, a druga ścieżka zasila cylinder. Jest to kontrola poprzez odejmowanie – zawór odwraca niepożądany przepływ, zamiast ograniczać zasilanie siłownika.

Przepływ pompy dzieli się na przepływ w cylindrze oraz przepływ upustowy ($$Q_{pompa} = Q_{cylinder} + Q_{upuszczanie}$$). Otwarcie zaworu odpowietrzającego powoduje większy przepływ do zbiornika, spowalniając cylinder. Zamknięcie powoduje skierowanie większego przepływu do siłownika, przyspieszając ruch. Zasadnicza różnica w porównaniu z pomiarem dopływu i odpływu polega na tym, że pompa nigdy nie musi wytwarzać pełnego ciśnienia nadmiarowego, chyba że wymaga tego obciążenie. Jeżeli cylinder naciska jedynie przy ciśnieniu obciążenia wynoszącym 5 MPa, pompa wytwarza jedynie 5 MPa (plus niewielki margines strat w przewodzie). Nadmiar przepływu ulatnia się przy tak niskim ciśnieniu roboczym, a nie przy ustawieniu nadmiaru 20 lub 30 MPa. Straty energii wynoszą $$P_{obciążenie} \\times Q_{nadmiar}$$, czyli znacznie mniej niż $$(P_{ulga} \\times Q_{nadmiar})$$ w systemach z licznikiem wejściowym/wyjściowym.

Ta zaleta w zakresie wydajności sprawia, że ​​odpowietrzanie jest atrakcyjne w zastosowaniach energooszczędnych, takich jak sprzęt rolniczy, przenośniki do transportu materiałów i sprzęt mobilny, w którym liczy się zużycie paliwa. System działa chłodniej i marnuje mniej energii w postaci ciepła. Jednakże upust zapewnia słabą stabilność prędkości, ponieważ przepływ pompy zmienia się wraz ze wzrostem ciśnienia (sprawność objętościowa spada wraz ze wzrostem ciśnienia), a przepływ przez zawór upustowy również zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia w nim. Kiedy obciążenie się zmienia, prędkość się zmienia. Ogranicza to wycieki do zastosowań, w których bezwzględna precyzja prędkości nie jest krytyczna, takich jak mieszadła mieszalnicze lub przenośniki wahadłowe o działaniu przerywanym. Podobnie jak w przypadku dopływu licznika, upust nie jest w stanie bezpiecznie wytrzymać obciążeń przeciążeniowych, ponieważ nie wytwarza przeciwciśnienia, które przeciwstawi się ruchowi wywołanemu obciążeniem. Siłownik przyspieszałby pod wpływem grawitacji lub bezwładności niezależnie od ustawienia zaworu odpowietrzającego.

Zaawansowane funkcje diagramów dla złożonych systemów

Schematy zaworów sterujących przepływem hydraulicznym w świecie rzeczywistym często łączą wiele typów zaworów i dodają elementy czujnikowe, aby sprostać wyrafinowanym wymaganiom kontrolnym.

Proporcjonalne zawory sterujące przepływem pojawiają się na schematach z dodatkowym symbolem ramki przedstawiającym elektromagnes proporcjonalny. Ten siłownik elektryczny zastępuje pokrętło ręcznej regulacji. Prąd przepływający przez cewkę elektromagnesu wytwarza siłę magnetyczną proporcjonalną do natężenia prądu, popychając suwak zaworu do odpowiedniego położenia. Sygnał 200 mA może spowodować 20% otwarcie zaworu, natomiast 1000 mA zapewni pełny przepływ. Nowoczesne zawory proporcjonalne zawierają liniowe transformatory różnicowe o zmiennej charakterystyce (czujniki LVDT), które mierzą rzeczywiste położenie suwaka i przekazują sygnał zwrotny do wzmacniacza w celu sterowania w pętli zamkniętej. Umożliwia to sterowane komputerowo rampy przyspieszania, profile zwalniania i wielopunktowe programy prędkości, niemożliwe w przypadku zaworów ręcznych.

Schematy zaworów sterujących przepływem hydraulicznym wtryskarek przedstawiają zawory proporcjonalne sterujące ruchem ślimaka wtryskowego poprzez złożone krzywe prędkości. Śruba zaczyna działać powoli, aby uniknąć wyrzucania, następnie przyspiesza, aby szybko wypełnić zagłębienie, a następnie ponownie zwalnia, zbliżając się do pełnego, aby zapobiec przepełnieniu i wypływowi. Program sterujący może mieć osiem różnych wartości zadanych prędkości w całym suwie wtrysku, z płynnymi przejściami między nimi. Schemat zawiera czujniki położenia (narysowane jako małe prostokąty na cylindrze), które informują sterownik, gdzie znajduje się śruba, umożliwiając precyzyjną synchronizację prędkości z położeniem.

Zawory priorytetowe wykrywające obciążenie stanowią ewolucję podstawowych zaworów priorytetowych. Schemat przedstawia dodatkową linię sygnałową (zazwyczaj narysowaną cienką linią przerywaną) biegnącą od orbitalnego zaworu sterującego z powrotem do zaworu priorytetowego. Linia ta przenosi sygnał ciśnienia proporcjonalny do zapotrzebowania na sterowanie. Gdy operator powoli kręci kołem bez obciążenia, ciśnienie sygnału jest niskie, może wynosić od 2 do 3 MPa. Kompensator zaworu priorytetowego otwiera port CF tylko częściowo, wysyłając przepływ wystarczający do delikatnego sterowania, jednocześnie umożliwiając większość przepływu do EF w przypadku roboczego osprzętu. Kiedy operator kręci kołem z pełną prędkością lub napotyka duży opór w cylindrach sterujących, ciśnienie sygnału wzrasta do 15 MPa lub więcej. Ciśnienie to działa na szpulę zaworu priorytetowego w stosunku do jego sprężyny, powodując całkowite otwarcie zaworu w przypadku CF i prawie zamknięcie w przypadku EF, zapewniając, że cały dostępny przepływ pompy zostanie skierowany do układu kierowniczego. Rezultatem jest układ kierowniczy, który zawsze reaguje szybko i nie marnuje wydajności pompy, gdy zapotrzebowanie na sterowanie jest niewielkie. Ten dynamiczny system wykrywania obciążenia zmniejsza zużycie paliwa w porównaniu ze starszymi systemami priorytetowymi o stałym przepływie.

Obwody rozdzielacza przepływu dla cylindrów zsynchronizowanych przedstawiają wewnętrzne ścieżki sprzężenia zwrotnego na schemacie hydraulicznego zaworu sterującego przepływem jako skrzyżowane linie kropkowane łączące dwa elementy dławiące. Jedno odgałęzienie może wykazywać wyższe ciśnienie obciążenia, powodując nieznaczne otwarcie elementu przepustnicy. Przez kanał wyrównujący ciśnienie sygnał ciśnienia dociera do tłoka sterującego drugiego odgałęzienia, zmuszając jego przepustnicę do proporcjonalnego ograniczenia. Obie strony stale dostosowują się, aby utrzymać zaprojektowany współczynnik przepływu, zwykle 50-50 dla równych cylindrów lub 60-40 lub inne stosunki dla nierównych obciążeń. Na schemacie wyraźnie rozróżnia się rozdzielacze silnikowe (pokazane z dwoma symbolami przekładni na wspólnym wale) i dzielniki typu szpulowego (pokazane z połączonymi ze sobą elementami przepustnicy). Dzielniki silnikowe zapewniają niezwykle dokładny podział, ale są droższe i zajmują więcej miejsca. Dzielniki szpulowe wystarczą do zastosowań takich jak synchronizacja tylnej klapy wywrotki, gdzie wystarczająca jest precyzja w granicach 5 procent.

Studia przypadków zastosowań przemysłowych

Przeglądanie kompletnych schematów systemów ujawnia, w jaki sposób inżynierowie łączą zawory sterujące przepływem, aby sprostać rzeczywistym wyzwaniom operacyjnym.

Obwody obrotu koparki ilustrują wyrafinowane zastosowanie dławienia wyjścia licznika. Schemat zaworu sterującego przepływem hydraulicznym dla napędu obrotu 30-tonowej koparki przedstawia porty spustowe silnika hydraulicznego przechodzące przez zawory dławiąco-zwrotne odcinające licznik przed dotarciem do zbiornika. Kiedy operator rozpoczyna obrót, zawory te ograniczają wypływ, wytwarzając przeciwciśnienie, które płynnie przyspiesza 8-tonową górną konstrukcję bez wstrząsów. Gdy wahadłowiec zbliża się do pozycji docelowej, operator ustawia joystick w położeniu neutralnym, a główny zawór sterujący rozpoczyna kierowanie przepływu z powrotem do zbiornika. Ale wirująca masa ma ogromną bezwładność i chce się kręcić. Silnik działa teraz jak pompa napędzana siłą bezwładności, przepychając olej do tyłu przez obwód. Ograniczenie licznika zapobiega swobodnemu przepływowi wstecznemu, tworząc opór hamowania. Bez tej funkcji maszyna przekroczyłaby swój cel o metry, a następnie zaczęła oscylować, gdy operator próbowałby zatrzymać kołyszącą się masę. Na schemacie pokazano również zawory nadmiarowe połączone krzyżowo pomiędzy przyłączami silnika. Te zawory bezpieczeństwa ograniczają szczytowe ciśnienie hamowania do około 35 MPa. W przypadku hamowania awaryjnego (joystick operatora ustawiony w położeniu neutralnym) skok bezwładności wytworzyłby ciśnienie przekraczające 50 MPa, co mogłoby spowodować uszkodzenie uszczelek i łożysk silnika.

Schematy wtryskarek pokazują przejście od kontroli przepływu do kontroli ciśnienia podczas cyklu formowania. Główny cylinder wtryskowy pracuje w kilku fazach widocznych na schemacie zaworu sterującego przepływem hydraulicznym. Podczas napełniania formy duży proporcjonalny zawór przepływowy kontroluje prędkość, gdy ślimak tłoczy stopione tworzywo sztuczne do gniazda. Wykres przedstawia przepływ przepływający przez zawór do końca korka cylindra, podczas gdy koniec tłoczyska swobodnie spływa do zbiornika. Napełnianie może zająć od 1 do 3 sekund, w zależności od rozmiaru części. Gdy forma osiągnie 95% wypełnienia, przetwornik ciśnienia (pokazany jako mały symbol rombu) na linii zatyczki wykrywa rosnące ciśnienie. Kontroler przełącza tryby. Proporcjonalny zawór przepływu zmniejsza się do małego otworu (co jest sygnalizowane zmniejszonym sygnałem prądowym), podczas gdy proporcjonalny zawór ciśnieniowy (inny symbol, pokazany z ikoną sprężyny dociskowej) przejmuje kontrolę, utrzymując ciśnienie opakowania na poziomie około 10 do 15 MPa przez 5 do 20 sekund podczas stygnięcia plastiku. To ciśnienie zapobiega zapadnięciu się polimeru podczas jego kurczenia się. Zmiana trybu wymaga jednoczesnego działania obu zaworów w skoordynowany sposób, co przedstawiono na schemacie za pomocą linii sterujących (elektrycznych, pokazanych liniami przerywanymi) biegnących od obu zaworów do skrzynki sterownika centralnego.

Obwody regeneracyjne dla ruchu szybkiego zbliżania pojawiają się często na schematach pras i maszyn formierskich. Aby przyspieszyć zbliżanie się prasy o masie 500 ton do przedmiotu obrabianego przed przyłożeniem siły formującej, inżynierowie łączą przyłącze od strony tłoczyska cylindra z przyłączem od strony korka poprzez sterowany pilotem zawór zwrotny. Tworzy to zamkniętą pętlę, w której olej opuszczający stronę pręta (obszar A₁) przepływa bezpośrednio do strony korka (obszar A₂ = A₁ - A_rod) zamiast trafiać do zbiornika. Ponieważ A₂ jest mniejsze niż A₁, wyładowanie po stronie tłoczyska przekracza zapotrzebowanie po stronie kołpaka. Pompa dostarcza deficyt (przepływ w obszarze pręta A_), ale z prędkością określoną przez przepływ pompy podzielony przez powierzchnię pręta, która jest zazwyczaj 3 do 5 razy większa niż normalna prędkość wysuwania. Kiedy tłok styka się z przedmiotem obrabianym, wzrasta ciśnienie obciążenia, co oddziałuje na sterowany pilotem zawór zwrotny pokazany na schemacie. Rosnące ciśnienie zamyka ścieżkę regeneracji, a obwód przechodzi do normalnego rozciągnięcia z pełną mocą. Schemat zaworu sterującego przepływem hydraulicznym musi wyraźnie przedstawiać tę pętlę regeneracji przy właściwej orientacji zaworu, ponieważ zamontowanie zaworu zwrotnego odwrotnie spowodowałoby zablokowanie całego układu.

Diagnostyczne rozwiązywanie problemów za pomocą diagramów

Gdy w układzie hydraulicznym występują problemy ze sterowaniem prędkością, schemat obwodu przedstawia plan rozwiązywania problemów, ujawniając zależności ciśnień i punkty awarii.

Dryft przepływu w czasie zwykle wskazuje na skutki związane z temperaturą lub awarię kompensacji ciśnienia. Jeżeli po 20 minutach pracy system zacznie zwalniać, pierwszym krokiem diagnostycznym jest sprawdzenie, czy zawór regulacji przepływu posiada funkcję kompensacji temperatury (symbol kryzy o ostrych krawędziach na schemacie). Standardowe zawory iglicowe bez kompensacji będą wykazywać wzrost przepływu o 15 do 25 procent w miarę nagrzewania się układu z 30°C do 60°C, ponieważ lepkość oleju spada wykładniczo wraz z temperaturą. W warunkach przepływu laminarnego w długich kanałach dławiących natężenie przepływu jest odwrotnie proporcjonalne do lepkości zgodnie z zasadą przepływu Hagena-Poiseuille'a. Jeśli diagram przedstawia zawór z kompensacją temperatury (oznaczony symbolem kropki i linii lub oznaczeniem z ostrymi krawędziami), ale dryft nadal występuje, problem prawdopodobnie leży w zanieczyszczeniu. Lakier z utlenionego oleju pokrywa szpulę kompensatora, tworząc tarcie, które uniemożliwia szpuli prawidłowe śledzenie zmian ciśnienia. Kompensator „utknie” w jednym położeniu, zamieniając drogi zawór z kompensacją ciśnienia w podstawową przepustnicę z przepływem zależnym od obciążenia.

Sprawdzenie rzeczywistego spadku ciśnienia na podejrzanym zaworze potwierdza tę diagnozę. Zamontować manometry na portach wlotowych i wylotowych pokazanych na schemacie zaworu sterującego przepływem hydraulicznym. Zmierz różnicę ciśnień w warunkach bez obciążenia i przy pełnym obciążeniu. Kompensator funkcjonalny utrzymuje stałe ΔP (zwykle od 0,5 do 1,0 MPa) niezależnie od obciążenia. Jeśli ΔP znacznie spadnie pod obciążeniem, kompensator uległ awarii. Rozwiązaniem jest demontaż i czyszczenie lub wymiana w przypadku przekroczenia granic zużycia. Kod czystości oleju ISO 4406 powinien wynosić 19/17/14 lub lepszy w przypadku zaworów precyzyjnych, co oznacza nie więcej niż 2500 cząstek większych niż 4 mikrony na 100 ml płynu.

Równowaga sił na szpuli kompensatora powoduje samoregulację. Siła sprężyny popycha szpulę w kierunku pozycji zamkniętej. Ciśnienie za zaworem (ciśnienie obciążenia) również popycha go w stronę zamknięcia. Ciśnienie przed zaworem popycha go w kierunku otwarcia. W równowadze ciśnienie przed zaworem jest równe ciśnieniu za zaworem plus siła sprężyny podzielona przez efektywną powierzchnię szpuli. Poprzez staranny dobór sprężyny podczas projektowania zaworu producenci ustawiają skompensowany spadek ciśnienia na określoną wartość, zwykle od 0,5 MPa dla małych zaworów do 1,0 MPa dla dużych zaworów przemysłowych. Ponieważ spadek ciśnienia pozostaje stały niezależnie od obciążenia, a obszar przepustnicy jest ustawiany i ustalany ręcznie, natężenie przepływu staje się niezależne od obciążenia. Wysięgnik koparki wysuwa się z tą samą prędkością niezależnie od tego, czy łyżka jest pusta, czy zawiera dwie tony ziemi.

Pełzanie cylindra (powolny dryft pod obciążeniem), gdy zawór kierunkowy znajduje się w położeniu neutralnym, wskazuje na wewnętrzny wyciek za szpulą lub gniazdem zaworu sterującego przepływem. Nie widać tego bezpośrednio na schemacie, ale zrozumienie obwodu pomaga w diagnozie. Jeśli wykres pokazuje dławienie na wyjściu licznika, cylinder jest blokowany przez uwięziony olej, gdy zawór kierunkowy się zamyka. Wysokie ciśnienie uwięzione po stronie tłoczyska powoduje różnicę ciśnień na zaworze sterującym przepływem, mimo że oba jego przyłącza łączą się z zablokowanymi komorami. Jakiekolwiek zużycie suwaka lub gniazda zaworu powoduje mikroprzeciek od wysokiego do niskiego ciśnienia, a cylinder powoli dryfuje. Jedynymi rozwiązaniami są zawory o większym uszczelnieniu (konstrukcje grzybkowe o zerowej nieszczelności zamiast typu suwakowego), dodanie oddzielnego sterowanego pilotem zaworu zwrotnego (zawór przeciwwagi) w celu wymuszonego zablokowania ładunku lub zaakceptowanie niewielkiego dryfu, jeśli nie ma to wpływu na działanie.

Wahania prędkości zsynchronizowane ze zmianami ciśnienia w systemie sygnalizują potrzebę kompensacji ciśnienia tam, gdzie jej nie ma. Jeżeli schemat zaworu sterującego przepływem hydraulicznym przedstawia podstawowy symbol przepustnicy bez strzałki kompensacji, natężenie przepływu zaworu będzie odzwierciedlać pierwiastek kwadratowy różnicy ciśnień. Przegląd schematu obwodu pokazujący ustawienie zaworu nadmiarowego systemu, krzywą przepływu pompy i profil obciążenia siłownika może przewidzieć wielkość zmian prędkości. Przy ciśnieniu nadmiarowym 10 MPa i ciśnieniu obciążenia 5 MPa dostępne ΔP na przepustnicy o głębokości metra wynosi 5 MPa. Jeśli podczas intensywnego cięcia ciśnienie obciążenia wzrośnie do 7 MPa, dostępne ΔP spadnie do 3 MPa, a przepływ spadnie do $$\\sqrt{3/5} = 0,77$$ lub 77 procent pierwotnej prędkości – bardzo zauważalne 23-procentowe spowolnienie. Inżynier widzi to, analizując strefy ciśnienia na diagramie i zaleca modernizację na zawór sterujący przepływem z kompensacją ciśnienia (z symbolem strzałki kompensacji).

Czytanie diagramów w celu podjęcia decyzji dotyczących projektu systemu

Inżynierowie wykorzystują schematy zaworów sterujących przepływem hydraulicznym nie tylko do rozwiązywania problemów, ale także jako narzędzia predykcyjne podczas projektowania systemu, aby uniknąć problemów przed ich wystąpieniem.

Przy wyborze topologii obwodu diagram pomaga zwizualizować mechanizmy przepływu i strat energii. Narysowanie całego obwodu ze wszystkimi pokazanymi ograniczeniami pokazuje, gdzie występują straty spowodowane dławieniem. W systemie z licznikiem straty energii są równe ciśnieniu pompy razy nadmiarowi przepływu przez zawór nadmiarowy. W przypadku pompy o wydajności 100 litrów na minutę pracującej przy ciśnieniu nadmiarowym 20 MPa i przepływie jedynie 40 l/min do siłownika przez przepustnicę, wytworzone ciepło wynosi 20 $ \\text{ MPa} \\times 60 \\text{ LPM} = 20 \\text{ kW}$$ czystych odpadów termicznych. Wymaga to dużej chłodnicy oleju, a płyn osiąga temperaturę około 65°C nawet przy chłodzeniu. Ta sama aplikacja wykorzystująca topologię upustu może działać przy ciśnieniu roboczym zaledwie 8 MPa (określonym przez obciążenie), co powoduje, że odpady wynoszą 8 $ $ \\text{ MPa} \\times 60 \\text{ LPM} = 8 \\text{ kW}$$, co stanowi mniej niż połowę obciążenia termicznego. W systemie można zastosować mniejszą chłodnicę, temperatura oleju utrzymuje się na poziomie 45°C, żywotność pompy wydłuża się o lata, a zużycie energii elektrycznej spada proporcjonalnie.

Obliczenia dotyczące intensyfikacji ciśnienia pochodzą bezpośrednio z geometrii diagramu. Gdy cylinder ma średnicę otworu 100 mm i średnicę pręta 50 mm, powierzchnia końcówki korbowodu wynosi 7854 mm², podczas gdy powierzchnia końcówki tłoczyska wynosi tylko 5890 mm² (obszar pierścienia = cała powierzchnia minus powierzchnia tłoczyska). Współczynnik powierzchni wynoszący 1,33 oznacza, że ​​dławienie licznika zwiększy ciśnienie o co najmniej 33 procent. Jeśli pompa dostarcza ciśnienie 15 MPa na koniec korka, ciśnienie na końcu tłoczyska bez obciążenia zewnętrznego wynosi co najmniej 20 MPa ze względu na samą geometrię. Dodaj obciążenie rezystancyjne wypychające z siłą 3 MPa, a ciśnienie na końcu drążka osiągnie 23 MPa. Każdy wąż, złączka i uszczelka w obwodzie od strony tłoczyska wymaga ciśnienia znamionowego powyżej 25 MPa (z marginesem bezpieczeństwa), w przeciwnym razie wystąpią awarie. Inżynierowie zaznaczają te obliczenia bezpośrednio na wykresie adnotacjami dotyczącymi ciśnienia pokazującymi oczekiwane wartości maksymalne w każdym miejscu.

Diagram zawiera również wskazówki dotyczące doboru zaworu przepływowego. W katalogach zaworów pojawiają się współczynniki przepływu Cv lub Kv, wskazujące natężenie przepływu przy spadku ciśnienia o 1 bar. Jeśli system wymaga 60 l/min przez zawór z kompensacją ciśnienia, który utrzymuje 0,5 MPa (5 barów) ΔP, a następnie działając wstecz, zawór potrzebuje $$Cv = Q / \\sqrt{\\Delta P} = 60 / \\sqrt{5} = 27$$ galonów na minutę przy 1 barze. Określa to, który model z oferty producenta pasuje do danego zastosowania. Przewymiarowanie powoduje marnowanie pieniędzy i powolną reakcję sterowania; za mały rozmiar powoduje nadmierny spadek ciśnienia, nagrzewanie i erozję.

Zrozumienie interakcji wielu zaworów sterujących przepływem pozwala uniknąć błędów projektowych. Częstym błędem jest połączenie szeregowe dwóch przepustnic bez rozpoznania, że ​​tworzą one odpowiednik dzielnika napięcia. Jeżeli zawór A ma powierzchnię otwarcia A₁, a zawór B ma powierzchnię otwarcia A₂, oba są połączone szeregowo, całkowity przepływ zależy od mniejszego otworu i sumy spadków ciśnienia. Inżynier nie może niezależnie kontrolować prędkości obu zaworów - zawór regulacyjny A zmienia rozkład ciśnienia i wpływa na przepływ zaworu B, nawet jeśli ustawienie B nie ulega zmianie. Schemat zaworu sterującego przepływem hydraulicznym musi przedstawiać te ograniczenia szeregowe, a projekt powinien eliminować niepotrzebne ograniczenia lub celowo wykorzystywać je do precyzyjnej kontroli współczynnika spadku ciśnienia.

Wniosek

Schematy zaworów sterujących przepływem hydraulicznym wykorzystujące symbole ISO 1219-1 zapewniają inżynierom pełne zrozumienie kontroli prędkości systemu, efektywności energetycznej i trybów awarii przed zbudowaniem sprzętu. Zakrzywione symbole ograniczeń informują, czy zawór działa jako podstawowa przepustnica, regulator z kompensacją ciśnienia, czy też rozdzielacz priorytetu. Wskaźniki strzałek pokazują możliwości regulacji i kompensacji. Umiejscowienie obwodu – wejście, wyjście licznika lub upływ – określa obciążalność i wydajność. Czytanie tych diagramów wymaga zrozumienia zarówno standardów graficznych, jak i zasad mechaniki płynów stojących za każdym symbolem. Ukośna strzałka oznacza dostosowanie człowieka. Strzałka pionowa oznacza kompensację ciśnienia. Równoległy zawór zwrotny oznacza sterowanie jednokierunkowe ze swobodnym przepływem wstecznym.

Inżynierowie wybierają topologię obwodów, analizując kierunek obciążenia, wymaganą sztywność, akceptowalną wydajność i wartości ciśnienia. Diagnozują awarie, porównując przewidywania na wykresie ze zmierzonymi ciśnieniami i temperaturami. Dobierają komponenty przy użyciu równań przepływu i obliczeń ciśnienia uzyskanych z geometrii obwodu. Diagram służy jako wspólny język dla projektantów, techników i osób zajmujących się rozwiązywaniem problemów, umożliwiając osobie z Chicago zdiagnozowanie maszyny działającej w Singapurze poprzez przejrzenie schematu i zapytanie o konkretne pomiary ciśnienia w oznaczonych punktach testowych.

Opanowanie schematów zaworów sterujących przepływem hydraulicznym oznacza rozpoznanie, że każda linia i symbol reprezentuje fizyczny sprzęt i mierzalne przemiany energii. Ściśnięcie pomiędzy dwiema zakrzywionymi liniami przedstawia zderzenia cząsteczek w turbulentnym strumieniu, wzrost temperatury w wyniku tarcia i precyzyjną kontrolę prędkości, która umożliwia zastosowanie nowoczesnych maszyn. Niezależnie od tego, czy chodzi o bezpieczne opuszczanie wysięgnika koparki pod wpływem grawitacji, wypełnianie formy wtryskowej z ośmiosegmentowym profilowaniem prędkości, czy prosty stół szlifierski podawany ze stałą prędkością, diagram pokazuje dokładnie, w jaki sposób kontrola przepływu realizuje zadanie i gdzie mogą pojawić się problemy.