Hüdraulikasüsteemi jaoks õige voolureguleerimisventiili valimine ei tähenda ainult komponendi valimist kataloogist. See otsus mõjutab otseselt teie täiturmehhanismide kiiruse ühtlust, süsteemi soojuse tootmist ja üldist energiatõhusust. Paljud insenerid seisavad silmitsi ühise väljakutsega: nende hüdrosilinder liigub väikese koormuse korral liiga kiiresti ja aeglustub, kui takistus suureneb. See juhtub seetõttu, et valiti vale ventiil või täpsemalt, rõhulanguse ja voolukiiruse vahelisest põhimõttelisest seosest saadi valesti aru.
Hüdraulikasüsteemi voolu reguleerimisventiili valimisel otsustate sisuliselt, kuidas juhtida energia muundamist. Iga voolu drosselklapp tarbib hüdroenergiat ja muudab selle soojuseks. Kuumus peab kuhugi minema ja kui teie arvutused on valed, seisate silmitsi õli lagunemise, tihendi rikete ja komponentide enneaegse kulumisega. Seetõttu on voolu juhtimise füüsikaliste põhimõtete mõistmine ülioluline, enne kui vaatate toote spetsifikatsioonilehte.
Voolu juhtimise põhialuste mõistmine
Voolureguleerimisventiili põhieesmärk on reguleerida hüdraulikavedeliku voolukiirust, mis jõuab täiturmehhanismi, mis reguleerib otseselt selle lineaarset või pöörlemiskiirust. See lihtne eesmärk hõlmab aga keerulist vedeliku dünaamikat. Düüsi läbiv vool järgib Bernoulli võrrandit, kus voolukiirus Q on võrdeline rõhulanguse ruutjuurega klapil:
Selles võrrandisCdtähistab tühjenduskoefitsienti (tavaliselt määratakse katseliselt),Aon ava piirkond,Δpon rõhu erinevus jaρon vedeliku tihedus.
See ruutjuure seos tekitab põhimõttelise probleemi: kui teie koormus muutub ja allavoolu rõhk muutub, muutub voolukiirus isegi siis, kui te ei puudutanud klapi reguleerimist. Seda nimetatakse koormustundlikkuseks ja see on peamine põhjus, miks lihtsad drosselklapid ei suuda sageli täiturmehhanismi ühtlast kiirust säilitada.
Reynoldsi arv määrab, kas vool läbi teie klapi on laminaarne või turbulentne. Kõrge viskoossusega õliga madalatel temperatuuridel töötamisel võib vool muutuda laminaarseks, eriti pikkade kitsaste kanalite nõelventiilides. Laminaarsetes tingimustes muutub voolukiirus pöördvõrdeliseks viskoossusega, mis tähendab, et teie täiturmehhanismi kiirus triivib süsteemi soojenemisel märkimisväärselt. Kaasaegsed täppisvoolu reguleerimisventiilid kasutavad teravate servadega avasid, et sundida turbulentset voolu isegi mõõdukate Reynoldsi numbrite korral. See disain muudab tühjendusteguri Cd suhteliselt konstantseks laias viskoossusvahemikus, minimeerides termilist triivi.
Peamised valikukriteeriumid
Voolunõuded ja Cv väärtuse arvutamine
Esimene tehniline otsus hüdraulikasüsteemi voolureguleerimisventiili valimisel on vajaliku voolukoefitsiendi määramine. Põhja-Ameerikas väljendatakse seda Cv-na (vool USA gallonites minutis 1 psi rõhulangusel 60 °F veega). Euroopa standardid kasutavad Kv (vooluhulk kuupmeetrites tunnis 1 baari rõhulangusel). Teisendus on lihtne: Cv ≈ 1,16 × Kv.
Kuna hüdraulikaõli erikaal on umbes 0,85–0,9, peate rakendama parandustegureid. Praktiline valem on järgmine:
Siiski teevad paljud insenerid ühe kriitilise vea: nad mõõdavad ventiili 100% voolu järgi klapi täisavamisel. See loob kohutavad juhtimisomadused. Teie ventiil peaks projekteerimispunktis töötama vahemikus 30–70% maksimaalsest Cv-st. Kui klapp saavutab vajaliku voolu ainult 10% avanemisel, kogete traadi tõmbamise erosiooni ja kiiruse reguleerimisel äärmiselt halba eraldusvõimet. Ja vastupidi, kui soovitud vooluhulga saavutamiseks peab ventiil olema 95% ulatuses avatud, tekitate liigse rõhulanguse, raiskate energiat ja tekitate tarbetut soojust.
Rõhu ja temperatuuri reitingud
Igal voolureguleerimisventiilil on maksimaalne töörõhu ja temperatuuri piirid, mis on määratud selle korpuse konstruktsiooni ja tihendi materjalidega. Hüdraulikasüsteemi voolureguleerimisventiili valimisel peate arvestama nii püsiseisundi kui ka mööduvate rõhutõusudega. Rõhutransiendid võivad ulatuda 2 kuni 3 korda tavalisest töörõhust kiire suunaventiili lülitamise või pumba käivitamise ajal.
Temperatuur mõjutab rohkem kui ainult klapi korpust. Õli viskoossus muutub dramaatiliselt temperatuuri tõustes. Mineraalipõhised hüdroõlid võivad kaotada poole viskoossusest iga 10°C temperatuuri tõusuga. Seetõttu nõuavad täppisrakendused kas temperatuurikompenseeritud ventiile (mis kasutavad bimetallelemente ava mehaaniliseks reguleerimiseks temperatuurimuutuste korral) või töötamist rangelt kontrollitud temperatuuriaknas.
Vedeliku ühilduvus ja saastumise tundlikkus
Hüdraulikavedeliku tüüp määrab tihendi materjali valiku. Kokkusobimatute tihendite kasutamine põhjustab mõne tunni jooksul katastroofilisi rikkeid. Nitriilkummi (NBR või Buna-N) töötab hästi mineraalõlidega, kuid fosfaatestri tulekindlate vedelikega kokkupuutel kõveneb ja praguneb. Vastupidiselt, EPDM-kumm, mida on vaja fosfaatestri vedelike jaoks, nagu Skydrol, kosmoseseadmetes, paisub ja läheb mineraalõlis kiiresti rikki. Fluorosüsinikkumm (FKM või Viton) pakub laiemat keemilist ühilduvust ja kõrgemat temperatuuritaluvust kuni 200°C, kuid maksab oluliselt rohkem.
Saastumise tundlikkus erineb ventiilitüüpide vahel dramaatiliselt. Jugatoru või düüsi-klapi pilootastmega servoventiilidel on avad mõõdetud mikronites. Need nõuavad õli puhtuse taset ISO 4406 15/13/10 või paremat. Otsese toimega solenoididega proportsionaalsed ventiilid taluvad ISO 4406 18/16/13. Standardsed tööstuslikud voolureguleerimisventiilid võivad tavaliselt töötada 19/17/14, kuigi jõudlus halveneb, kuna osakesed kogunevad poolile, suurendades hõõrdumist ja põhjustades kleepumist.
Tihendi materjali ühilduvus tavaliste hüdraulikavedelikega
| Tihendi materjal | Mineraalõli | fosfaatester | Vesi glükool | Temperatuurivahemik (°C) |
|---|---|---|---|---|
| NBR (hea-N) | Suurepärane | Ei ühildu | Hea | -30 kuni +100 |
| FKM (Viton) | Suurepärane | Hea | Õiglane | -20 kuni +200 |
| EPDM | Ei ühildu | Suurepärane | Suurepärane | -40 kuni +120 |
Ventiilide tüübid ja nende rakendused
Kompenseerimata drosselklapid
Lihtsaim voolu reguleerimise seade on põhiline drosselklapp, mis on lihtsalt muutuv piirang. Nõelventiilid kasutavad reguleeritava rõngakujulise vahe loomiseks istmes liikuvat kitsenevat pooli. Need on suurepärased väga peene voolu reguleerimisega, kuid on väga tundlikud viskoossuse muutuste suhtes, kuna nende pikad kitsad käigud soodustavad laminaarset voolu. Kuulkraanid ja väravaventiilid on tavaliselt sisse-välja seadmed. Drosselina kasutamisel muudavad nende kõrge võimendusomadused (väike liikumine põhjustab suuri voolumuutusi) ja kalduvus kaviteerida need täppisjuhtimiseks sobimatuks.
Kui valite konstantse koormuse ja leebema kiiruse täpsusega hüdraulikasüsteemi jaoks voolureguleerimisventiili, võib lihtne gaasihoob töötada. Kuid mis tahes koormuse kõikumine põhjustab proportsionaalseid kiiruse muutusi, kuna rõhulang klapis muutub ja vool järgib seda ruutjuure seost, millest me varem rääkisime.
Rõhukompenseeritud voolu reguleerimisventiilid
Koormustundlikkuse kõrvaldamiseks on rõhukompenseeritud ventiilidel põhidrosseli avaga järjestikku diferentsiaalrõhu regulaator. See regulaator on sisuliselt vedruga pool, mis tunneb survet nii põhiavast üles- kui allavoolu. Kompensaator reguleerib automaatselt oma ava, et säilitada pidev rõhulangus peaavas, sõltumata süsteemi rõhust või koormuse rõhu kõikumisest.
Kompensaatori pooli jõu tasakaalu saab väljendada järgmiselt:
See lihtsustab konstantse erinevuse säilitamist: p₂ - p₃ = konstant (tavaliselt 5 kuni 10 baari). Kuna rõhulang Δp on nüüd konstantne ja düüsi pindala A määratakse teie reguleerimisega, muutub vooluhulk Q koormuse muutustest sõltumatuks.
Kompensatsiooni konfiguratsioone on kaks. Kahesuunalised voolureguleerimisventiilid asetavad kompensaatori vooluteega järjestikku. Need annavad täiturmehhanismile täpse voolu, kuid pumba liigne vool peab täisrõhul läbi süsteemi kaitseklapi tagasi paaki naasma, raiskades sellega märkimisväärset energiat. Kolmekäigulised voolureguleerimisventiilid kasutavad kompensaatorit möödaviiguventiilina. Liigne vool naaseb paaki koormusrõhul pluss kompensaatori vedru surve, mitte vabastusrõhul. Fikseeritud töömahuga pumbasüsteemides on kolmekäigulised ventiilid oluliselt energiasäästlikumad.
Vooluahela topoloogia kaalutlused
Voolureguleerimisventiili paigaldamine vooluringi muudab süsteemi käitumist põhjalikult. See on üks enim valesti mõistetud aspekte, kui insenerid valivad hüdrosüsteemi voolureguleerimisventiili.
Mõõdikute juhtimineasetab ventiili pumba ja täiturmehhanismi sisselaskeava vahele. See konfiguratsioon sobib hästi takistuslike koormuste korral, kus jõud on liikumisele vastu, näiteks raskuse tõstmine. Sisemõõtja juhtimine on aga täiesti ebaefektiivne ja ohtlik ülejooksul koormatele. Kui teie koormuse suund ühtib liikumissuunaga (raske koormuse langetamine või materjalist järsult läbi murdev puur), tõmbab koorem täiturmehhanismi kiiremini, kui õli tarnitakse. See tekitab silindris vaakumtingimusi, põhjustab kavitatsiooni ja põhjustab kiiret kiirust, mis võib seadmeid hävitada või operaatoreid vigastada.
Arvesti väljalülitamise juhtiminepaigaldab ventiili täiturmehhanismi väljalaskeava ja paagi vahele. Pump avaldab sisselaskepoolele täisrõhku, samal ajal kui voolu reguleerimisventiil tekitab vasturõhu väljalaskepoolel. Täiturmehhanism surutakse sisselaskerõhu ja väljalaske vasturõhu vahele, luues süsteemi äärmiselt suure jäikuse ja sujuva liikumise. Arvesti väljalülitamine takistab ülejooksukoormusega häireid, kuna täiturmehhanism ei saa füüsiliselt liikuda kiiremini, kui õlil on lubatud väljuda.
Arvesti väljalülitusahela topoloogia toob aga kaasa tõsise ohu, mida nimetatakse rõhu intensiivistumiseks. Ühevardalise silindri puhul on varda otsa pindala (kolvi pindala) suurem kui varda otsa pindala. Mõõtja-välja juhtimisega pikendamise ajal, kui korgi otsa rõhk on p₁ ja pindala suhe φ = A_cap/A_rod on 2:1 (tavaline disain), võib varda otsa rõhk teoreetiliselt ulatuda 2 × p₁ isegi nullkoormuse korral. See võib ületada tihendite, toruliitmike või ventiili korpuse enda rõhku. Peate veenduma, et kõik varda otsa vooluringi komponendid taluvad seda suurenenud survet.
Verejooksu juhtimineasetab ventiili hargnemisliinile, mis suunab osa pumba voolust otse paaki. Täiturmehhanism võtab vastu pumba vooluhulga, millest on lahutatud möödaviigu vool. See konfiguratsioon on kõige energiasäästlikum, kuna süsteemi rõhk on võrdne ainult sellega, mida koormus nõuab. Sellel on aga kõige hullem kiirusjäikus. Kui koormus suureneb, tõuseb süsteemi rõhk, mis suurendab voolu läbi möödavooluklapi (kui see pole rõhukompenseeritud), vähendades voolu täiturmehhanismi ja aeglustades seda.
Voolujuhtimisahela topoloogiate võrdlus
| Iseloomulik | Meetri sisend | Arvesti välja | Bleed-Off |
|---|---|---|---|
| Koorma tüübi sobivus | Ainult takistuslik | Resistiivne ja ülejooksmine | Pidev takistus |
| Süsteemi jäikus | Keskmine | Kõrge | Madal |
| Energiatõhusus | Madal | Madal | Kõrge |
| Kavitatsiooni oht | Kõrge (ülejooksvad koormused) | Madal | Keskmine |
| Surve intensiivistumise oht | Mitte ühtegi | Kõrge (varda otsa pool) | Mitte ühtegi |
Suuruse määramine ja arvutusmeetodid
Õige suuruse määramine eeldab tegeliku vajaliku voolukiiruse arvutamist täiturmehhanismi geomeetria ja soovitud kiiruse põhjal. Hüdraulilise silindri puhul võrdub voolukiirus kolvi pindala korrutis kiirusega:
Teisendage ühikud hoolikalt. Kui vajate 100 mm ava läbimõõduga silindrit, mis ulatuks välja kiirusel 50 mm/s, on kolvi pindala 0,00785 m², mis annab voolukiiruseks 0,000393 m³/s ehk 23,6 liitrit minutis. Lisades süsteemikadude jaoks 15% marginaali, oleksite sihiks võtnud ventiili, mis suudab teie kavandatud rõhulanguse korral väljastada umbes 27 liitrit minutis.
Voolu reguleerimisventiili lubatud rõhulang sõltub teie süsteemi soojusjuhtimise võimest. Iga rõhulanguse baar tarbib võimsust, mis võrdub Q (liitrit/min) × Δp (bar) / 600 = kW. Meie näite puhul 27 l/min tekitab 10-baarine rõhulang pidevalt 0,45 kW soojust. Teie reservuaar, jahuti ja ümbritsevad tingimused peavad suutma seda soojust hajutada, ületamata teie maksimaalset lubatud õlitemperatuuri (tavaliselt 60 °C kuni 70 °C standardsete tihenditega mineraalõlide puhul).
Kavitatsioon muutub ohuks, kui rõhk klapi vena contracta juures (minimaalse pindala ja maksimaalse kiiruse punkt) langeb alla vedeliku aururõhu. Kavitatsiooniindeksi sigma võimaldab kvantitatiivset kontrolli:
Ohutu töö jaoks on vajalik σ > 2,0. Kui σ langeb alla 1,0, muutub kavitatsioon tõenäoliseks. Alla σ = 0,2 tekib vooluhulk, kus edasine rõhulangus ei suurenda voolu, millega kaasneb tugev müra ja erosioonikahjustus. Mõõtmisahelates, kus allavoolu rõhk läheneb nullile (paagi rõhk), võivad sigma väärtused olla kriitiliselt madalad, mis nõuab mitmeastmelist rõhu vähendamise konstruktsiooni.
Paigaldusstandardid ja materjali valik
Füüsiline paigaldusmeetod mõjutab süsteemi töökindlust ja hoolduse ligipääsetavust. Liinile paigaldatud ventiilid keerduvad otse toruliitmikesse. Need töötavad lihtsate süsteemide puhul, kuid tekitavad hooldusraskusi, kuna nende hooldamiseks peate hüdraulikaühendused katkestama. Alusplaadi paigaldamine ISO 4401 või CETOP standardite järgi on tööstuslik norm. Klapid kinnitatakse standardsete poltide mustrite ja portide asukohtadega ühendatud kinnituspindadele.
CETOP 3 (nimetatakse ka NG6-ks või suuruseks 03) käsitleb vooluhulka tavaliselt kuni 60–80 l/min. CETOP 5 (NG10, suurus 05) töötab kuni 120 l/min. CETOP 8 (NG25, suurus 08) suudab läbida 700 l/min. See standardimine võimaldab teil asendada erinevate tootjate (Bosch Rexroth, Parker, Eaton jt) ventiilid, kasutades sama paigaldusruumi, lihtsustades disaini ja vähendades varuosade laoseisu.
Kassettventiilid (nimetatakse ka loogikaklappideks) sisestatakse kollektoriplokkides töödeldud õõnsustesse. Levinud suurused järgivad SAE standardeid: SAE-08, SAE-10, SAE-12, SAE-16. Kassettide konstruktsioonid pakuvad maksimaalset kompaktsust, välistavad välised lekketeed ja tagavad suurepärase vibratsioonikindluse. Need on eelistatud valik mobiilsete seadmete jaoks, nagu ekskavaatorid ja rataslaadurid, kus ruumi on vähe ja keskkonnatingimused on karmid.
Levinud lõkse, mida voolureguleerimisventiili valimisel vältida
Üks sagedane viga on klapi autoriteedi kontseptsiooni ignoreerimine. Kui valite ventiili suuruse nii, et saavutate täieliku kavandatud voolu 100% klapi avanemise juures, pole teil vooluhulka tegelikult võimalik reguleerida. Kasutatav vahemik, kus saate täpselt reguleerida, võib olla ainult esimesed 5% käepideme pöörlemisest. Selle asemel seadke oma kavandatud vooluhulk 50% klapi avanemisele. See tsentreerib teie tööpunkti ja tagab hea juhtimise eraldusvõime mõlemas suunas.
Teine kriitiline viga on halvimate rõhutingimuste arvestamata jätmine. Hüdraulikasüsteemi voolureguleerimisventiili valimisel peate arvutama rõhud maksimaalse koormuse, minimaalse koormuse, külmkäivitustingimuste ja mööduva šoki stsenaariumide korral. Rõhu tugevnemise nähtus arvestite väljavooluahelates püüab paljusid disainereid. 100-baarine süsteemirõhk 2:1 pindala suhtega silindriga võib varda otsa poolel tekitada 200 baari. Kui teie ventiil või liitmikud on mõeldud ainult 150 baarile, on rike vältimatu.
Temperatuuri triivi kompenseerimine jäetakse sageli tähelepanuta. Isegi turbulentse voolu jaoks teravate servadega avadega ventiilid näitavad teatavat viskoossuse tundlikkust. Rakendustes, mis nõuavad kiiruse püsivust vahemikus 2–3% temperatuurivahemikus 20 °C kuni 60 °C, vajate kas aktiivset temperatuuri kompenseerimist bimetallelementide abil või suletud ahelaga elektroonilist juhtimist proportsionaalsete ventiilidega. Lihtsalt lootmine, et teie drosselklapp hoiab kiirust, pole insenertehniline.
Küsimus, millal käsitsi drosselklappidelt proportsionaalsetele või servoventiilidele üle minna, sõltub teie jõudlusnõuetest. Impulsi laiusmodulatsiooni (PWM) ajami ja dither-signaalidega proportsionaalsed ventiilid kõrvaldavad kleepuvuse ja võivad saavutada hüstereesi alla 3% avatud ahelaga tüüpide puhul või alla 0,5% suletud ahelaga versioonide puhul, millel on LVDT asendi tagasiside. Nende sageduskarakteristik ulatub 50 Hz või kõrgemale. See jõudlustase lahendab enamiku tööstusautomaatika ülesannetest. Pöördemomendiga mootorite ja reaktiivtoru või düüsi-klapi pilootastmetega servoventiilid pakuvad sagedusreaktsiooni, mis ületab 100 Hz ja peaaegu nulli, kuid nõuavad äärmiselt kõrget õlipuhtust (ISO 4406 15/13/10 miinimum) ja maksavad oluliselt rohkem. Varuservoventiilid rakenduste jaoks, kus on tõeliselt nõudlikud dünaamilised nõuded, nagu lennusimulaatorid või materjalikatsemasinad.
Lõpliku valikuotsuse tegemine
Hüdraulikasüsteemi voolureguleerimisventiili valimisel tasakaalustate mitut konkureerivat eesmärki: juhtimise täpsus, energiatõhusus, süsteemi jäikus, hind ja hooldatavus. Alustage oma kontrolli eesmärgi selgelt määratlemisest. Kas vajate konstantset kiirust olenemata koormusest (valige rõhukompenseeritud klapp), mitme täiturmehhanismi sünkroniseeritud liikumist (valige voolujagaja) või programmeeritavaid kiirusprofiile (valige elektroonilise juhtimisega proportsionaalne ventiil)?
Analüüsige hoolikalt oma koormuse omadusi. Takistuslikud koormused võimaldavad arvestiga juhtimist. Ülejooksvad koormused nõuavad mõõteseadme juhtimist, mis tähendab, et peate veenduma, et rõhu tugevnemine ei ületaks komponentide nimiväärtusi. Pideva koormusega energiateadlikud konstruktsioonid saavad kasu õhuvoolu juhtimis- või koormuse tuvastamise süsteemidest. Arvutage vajalik voolukiirus täiturmehhanismi geomeetria ja soovitud kiiruse põhjal, seejärel määrake Cv väärtus, mis asetab teie tööpunkti 30% ja 70% klapi avanemise vahele eeldatava rõhulanguse juures.
Valige paigaldusmeetod ruumipiirangute ja hooldusfilosoofia põhjal. Valige tihendimaterjalid, mis sobivad teie hüdraulikavedeliku ja temperatuurivahemikuga. Veenduge, et saastumise kontroll vastab klapi tundlikkuse nõuetele. Kui teie rakendus hõlmab kiiresti muutuvaid koormusi või suletud ahela asendijuhtimist, muutuvad proportsionaalsed ventiilid vajalikuks ja peate tagama, et ajami võimendi tagab õige PWM-sageduse ja hälbimissignaali omadused.
Voolu juhtimise füüsilised põhimõtted ei ole muutunud, kuid juhtimisstrateegiate rakendamiseks saadaolevad tööriistad on oluliselt arenenud. Kaasaegsed temperatuuri korrigeerivate elementidega rõhukompenseeritud ventiilid suudavad hoida kiirust 5% piires laias töövahemikus. Integreeritud elektroonikaga suletud ahelaga proportsionaalventiilid katavad vahe lihtsate manuaalventiilide ja kallite servosüsteemide vahel. Digitaalsed protokollid, nagu IO-Link, võimaldavad kaugkonfigureerimist ja ennustavat hooldust, jälgides praeguseid signatuure pooli kleepumise varajaseks tuvastamiseks.
Quod constituisti
