Выбор подходящего клапана регулирования расхода для вашей гидравлической системы – это не просто выбор компонента из каталога. Это решение напрямую влияет на постоянство скорости ваших приводов, выделение тепла в системе и общую энергоэффективность. Многие инженеры сталкиваются с общей проблемой: их гидроцилиндр движется слишком быстро при небольших нагрузках и замедляется при увеличении сопротивления. Это происходит потому, что был выбран неправильный клапан, или, точнее, была неправильно понята фундаментальная связь между падением давления и расходом.
Когда вы выбираете клапан регулирования расхода для гидравлической системы, вы, по сути, решаете, как управлять преобразованием энергии. Каждый клапан, дросселирующий поток, потребляет гидравлическую энергию и преобразует ее в тепло. Тепло должно куда-то уходить, и если ваши расчеты окажутся неправильными, вы столкнетесь с деградацией масла, выходом из строя уплотнений и преждевременным износом компонентов. Вот почему понимание физических принципов управления потоком имеет решающее значение, прежде чем вы даже посмотрите на спецификацию продукта.
Понимание основ управления потоком
Основная цель клапана регулирования расхода — регулировать объемный расход гидравлической жидкости, поступающей в привод, который напрямую управляет его линейной скоростью или скоростью вращения. Однако эта простая цель предполагает сложную гидродинамику. Поток через отверстие подчиняется уравнению Бернулли, где скорость потока Q пропорциональна квадратному корню из перепада давления на клапане:
В этом уравнениикомпакт-дискпредставляет собой коэффициент разряда (обычно определяется экспериментально),Aплощадь отверстия,Δp- перепад давления, иρплотность жидкости.
Это соотношение квадратного корня создает фундаментальную проблему: если ваша нагрузка изменится и приведет к изменению давления на выходе, расход изменится, даже если вы не прикасались к регулировке клапана. Это называется чувствительностью к нагрузке, и это основная причина, по которой простые дроссельные клапаны часто не могут поддерживать постоянную скорость привода.
Число Рейнольдса определяет, является ли поток через клапан ламинарным или турбулентным. При работе с маслом высокой вязкости при низких температурах поток может стать ламинарным, особенно в игольчатых клапанах с длинными и узкими проходами. В ламинарных условиях скорость потока становится обратно пропорциональной вязкости, а это означает, что скорость вашего привода будет значительно дрейфовать по мере прогрева системы. В современных прецизионных клапанах регулирования расхода используются отверстия с острыми краями, обеспечивающие турбулентный поток даже при умеренных числах Рейнольдса. Такая конструкция делает коэффициент расхода Cd относительно постоянным в широком диапазоне вязкости, сводя к минимуму температурный дрейф.
Ключевые критерии выбора
Требования к расходу и расчет значения Cv
Первым техническим решением при выборе клапана регулирования расхода для гидравлической системы является определение необходимого коэффициента расхода. В Северной Америке это выражается как Cv (расход в галлонах США в минуту при перепаде давления 1 фунт на квадратный дюйм при температуре воды 60°F). В европейских стандартах используется Kv (расход в кубических метрах в час при перепаде давления 1 бар). Преобразование простое: Cv ≈ 1,16 × Kv.
Поскольку гидравлическое масло имеет удельный вес от 0,85 до 0,9, вам необходимо применить поправочные коэффициенты. Практическая формула выглядит следующим образом:
Однако существует серьезная ошибка, которую допускают многие инженеры: они выбирают размер клапана исходя из 100% расхода при полном открытии клапана. Это создает ужасные характеристики управления. Ваш клапан должен работать при диапазоне от 30% до 70% максимального значения Cv в расчетной точке. Если клапан достигает требуемого расхода только при открытии 10 %, вы столкнетесь с эрозией волочения проволоки и крайне низкой разрешающей способностью при регулировании скорости. И наоборот, если для достижения желаемого расхода клапан должен открываться на 95 %, вы создаете чрезмерный перепад давления, тратите энергию и создаете ненужное тепло.
Номинальные значения давления и температуры
Каждый регулирующий клапан имеет пределы максимального рабочего давления и температуры, определяемые конструкцией его корпуса и материалами уплотнений. Когда вы выбираете клапан регулирования расхода для гидравлической системы, вы должны учитывать как установившиеся, так и переходные скачки давления. Переходные процессы давления могут в 2–3 раза превышать нормальное рабочее давление во время быстрого переключения распределителя или запуска насоса.
Температура влияет не только на корпус клапана. Вязкость масла резко меняется с температурой. Гидравлические масла на минеральной основе могут терять половину своей вязкости при повышении температуры на каждые 10°C. Вот почему прецизионные приложения требуют либо клапанов с температурной компенсацией (в которых используются биметаллические элементы для механической регулировки отверстия при изменении температуры), либо работы в строго контролируемом температурном диапазоне.
Совместимость жидкостей и чувствительность к загрязнениям
Тип гидравлической жидкости определяет выбор материала уплотнения. Использование несовместимых уплотнений приводит к катастрофическому выходу из строя в течение нескольких часов. Нитриловый каучук (NBR или Buna-N) хорошо работает с минеральными маслами, но затвердевает и трескается при воздействии огнестойких жидкостей на основе эфиров фосфорной кислоты. И наоборот, каучук EPDM, который необходим для жидкостей на основе эфиров фосфорной кислоты, таких как Skydrol, в аэрокосмической отрасли, быстро набухает и выходит из строя в минеральном масле. Фторуглеродный каучук (FKM или Viton) обеспечивает более широкую химическую совместимость и более высокую температурную устойчивость до 200°C, но стоит значительно дороже.
Чувствительность к загрязнению существенно различается в зависимости от типа клапана. Сервоклапаны с пилотными ступенями со струйной трубкой или соплами-заслонками имеют размеры отверстий в микронах. Для них требуется уровень чистоты масла ISO 4406 15/13/10 или выше. Пропорциональные клапаны с электромагнитами прямого действия соответствуют стандарту ISO 4406 18/16/13. Стандартные промышленные клапаны регулирования расхода обычно могут работать в режиме 17.19.14, однако производительность ухудшается по мере накопления частиц на золотнике, что увеличивает трение и вызывает залипание.
Совместимость материалов уплотнений с обычными гидравлическими жидкостями
| Материал уплотнения | Минеральное масло | Фосфатный эфир | Вода гликоль | Диапазон температур (°C) |
|---|---|---|---|---|
| НБР (Хороший-Н) | Отличный | Не совместимо | Хороший | от -30 до +100 |
| ФКМ (Витон) | Отличный | Хороший | Справедливый | от -20 до +200 |
| ЭПДМ | Не совместимо | Отличный | Отличный | от -40 до +120 |
Типы клапанов и их применение
Некомпенсированные дроссельные клапаны
Простейшим устройством регулирования расхода является базовый дроссельный клапан, который представляет собой всего лишь регулируемое ограничение. В игольчатых клапанах используется коническая катушка, перемещающаяся внутри седла для создания регулируемого кольцевого зазора. Они превосходно регулируют поток, но чрезвычайно чувствительны к изменениям вязкости, поскольку их длинные и узкие каналы способствуют ламинарному потоку. Шаровые краны и задвижки обычно представляют собой двухпозиционные устройства. При использовании для дросселирования их характеристики с высоким коэффициентом усиления (небольшое перемещение вызывает большое изменение расхода) и склонность к кавитации делают их непригодными для точного управления.
Когда вы выбираете клапан регулирования расхода для гидравлической системы с постоянными нагрузками и пониженными требованиями к точности скорости, может подойти простой дроссель. Однако любое изменение нагрузки приведет к пропорциональным изменениям скорости, поскольку изменяется перепад давления на клапане, и поток подчиняется тому соотношению квадратного корня, которое мы обсуждали ранее.
Клапаны регулирования расхода с компенсацией давления
Чтобы устранить чувствительность к нагрузке, клапаны с компенсацией давления включают регулятор перепада давления, включенный последовательно с основным дросселирующим отверстием. Этот регулятор по существу представляет собой подпружиненный золотник, который измеряет давление как перед, так и после главного отверстия. Компенсатор автоматически регулирует свое отверстие для поддержания постоянного перепада давления на главном отверстии независимо от давления в системе или колебаний давления нагрузки.
Баланс сил на золотнике компенсатора можно выразить как:
Это упрощает поддержание постоянного перепада: p₂ - p₃ = постоянное (обычно от 5 до 10 бар). Поскольку перепад давления Δp теперь постоянный, а площадь отверстия A задается в соответствии с вашими настройками, расход Q становится независимым от изменений нагрузки.
Существует две конфигурации компенсации. В двухходовых регулирующих клапанах компенсатор устанавливается последовательно с каналом потока. Они подают точный поток к приводу, но избыточный поток насоса должен возвращаться в резервуар через предохранительный клапан системы при полном давлении, что приводит к потере значительной энергии. Трехходовые клапаны регулирования расхода используют компенсатор в качестве перепускного клапана. Избыточный поток возвращается в бак при давлении нагрузки плюс давлении пружины компенсатора, а не при давлении сброса. В насосных системах фиксированного объема трехходовые клапаны существенно более энергоэффективны.
Вопросы топологии схемы
Место установки клапана регулирования расхода в контуре фундаментально меняет поведение системы. Это один из наиболее неправильно понимаемых аспектов, когда инженеры выбирают клапан регулирования расхода для гидравлической системы.
Контроль счетчикапомещает клапан между насосом и входом привода. Эта конфигурация хорошо работает для резистивных нагрузок, когда сила противодействует движению, например, при подъеме веса. Однако контроль по счетчику совершенно неэффективен и опасен при обгонных нагрузках. Если направление нагрузки совпадает с направлением движения (опускание тяжелого груза или сверло, внезапно прорывающееся сквозь материал), нагрузка будет тянуть привод быстрее, чем подается масло. Это создает условия вакуума в цилиндре, вызывает кавитацию и приводит к неуправляемой скорости, которая может разрушить оборудование или травмировать операторов.
Контроль расходаустанавливает клапан между выпускным отверстием привода и баком. Насос подает полное давление на сторону впуска, в то время как клапан регулирования расхода создает противодавление на стороне выхода. Привод сжимается между давлением на входе и противодавлением на выходе, создавая чрезвычайно высокую жесткость системы и плавное движение. Измерительный выход предотвращает разгон при обгонной нагрузке, поскольку привод физически не может двигаться быстрее, чем разрешено выходу масла.
Однако топология схемы со счетчиком создает серьезный риск, называемый усилением давления. В одноштоковом цилиндре площадь головки (площадь поршня) больше площади головки штока. Во время расширения с контролем расхода, если давление на конце штока равно p₁, а соотношение площадей φ = A_cap/A_rod составляет 2:1 (обычная конструкция), давление на конце штока теоретически может достигать 2 × p₁ даже при нулевой нагрузке. Оно может превышать номинальное давление уплотнений, трубных фитингов или самого корпуса клапана. Вы должны убедиться, что все компоненты контура штоковой головки могут выдержать такое повышенное давление.
Контроль стравливанияразмещает клапан на ответвлении, которое отводит часть потока насоса непосредственно в резервуар. Привод получает поток насоса за вычетом потока байпаса. Эта конфигурация является наиболее энергоэффективной, поскольку давление в системе соответствует только тому, что требуется нагрузке. Однако у него худшая скоростная жесткость. Если нагрузка увеличивается, давление в системе возрастает, что увеличивает поток через перепускной клапан (если он не компенсируется давлением), уменьшая поток к приводу и замедляя его.
Сравнение топологий схем управления потоком
| Характеристика | метр-вход | Измерительный выход | кровотечение |
|---|---|---|---|
| Пригодность типа нагрузки | Только резистивный | Резистивный и обгонный | Постоянное резистивное |
| Жесткость системы | Середина | Высокий | Низкий |
| Энергоэффективность | Низкий | Низкий | Высокий |
| Кавитационный риск | Высокий (обгонные нагрузки) | Низкий | Середина |
| Риск усиления давления | Никто | Высокий (со стороны штока) | Никто |
Размеры и методы расчета
Правильный размер требует расчета фактического расхода, необходимого на основе геометрии привода и желаемой скорости. Для гидравлического цилиндра расход равен площади поршня, умноженной на скорость:
Тщательно конвертируйте единицы. Если вам нужен цилиндр с диаметром отверстия 100 мм, чтобы выдвигаться со скоростью 50 мм/с, площадь поршня составит 0,00785 м², что дает расход 0,000393 м³/с или 23,6 литра в минуту. Добавив 15% запаса на потери в системе, вы получите клапан, который может подавать примерно 27 литров в минуту при вашем расчетном перепаде давления.
Допустимое падение давления на клапане регулирования расхода зависит от возможностей терморегулирования вашей системы. На каждый бар падения давления потребляется мощность, равная Q (литры/мин) × Δp (бар) / 600 = кВт. В нашем примере при расходе 27 л/мин перепад давления на 10 бар непрерывно генерирует 0,45 кВт тепла. Ваш резервуар, охладитель и условия окружающей среды должны быть способны рассеивать это тепло, не превышая максимально допустимую температуру масла, обычно от 60°C до 70°C для минеральных масел со стандартными уплотнениями.
Кавитация становится риском, когда давление в контрактной вене клапана (точка минимальной площади и максимальной скорости) падает ниже давления паров жидкости. Сигма индекса кавитации обеспечивает количественную проверку:
Безопасная эксплуатация требует σ > 2,0. Когда σ падает ниже 1,0, становится вероятной кавитация. Ниже σ = 0,2 возникает дросселирование потока, когда дальнейшее увеличение перепада давления не приводит к увеличению потока, что сопровождается сильным шумом и эрозионными повреждениями. В контурах счетчика, где давление на выходе приближается к нулю (давление в резервуаре), значения сигмы могут быть критически низкими, что требует разработки многоступенчатых систем снижения давления.
Стандарты установки и выбор материалов
Физический способ установки влияет на надежность системы и доступность обслуживания. Линейные клапаны ввинчиваются непосредственно в трубопроводную арматуру. Они подходят для простых систем, но создают трудности с обслуживанием, поскольку для их обслуживания приходится разрывать гидравлические соединения. Монтаж монтажной плиты в соответствии со стандартами ISO 4401 или CETOP является промышленной нормой. Клапаны прикручиваются к монтажным поверхностям с отверстиями со стандартными схемами болтов и расположением отверстий.
CETOP 3 (также называемый NG6 или размером 03) обычно обрабатывает потоки до 60–80 л/мин. CETOP 5 (NG10, размер 05) работает со скоростью до 120 л/мин. CETOP 8 (NG25, размер 08) может пропускать 700 л/мин. Такая стандартизация позволяет заменять клапаны разных производителей (Bosch Rexroth, Parker, Eaton и другие), используя одну и ту же монтажную площадь, упрощая конструкцию и сокращая запасы запасных частей.
Картриджные клапаны (также называемые логическими клапанами) вставляются в обработанные полости блоков коллекторов. Общие размеры соответствуют стандартам SAE: SAE-08, SAE-10, SAE-12, SAE-16. Конструкция картриджей обеспечивает максимальную компактность, исключает внешние пути утечек и обеспечивает превосходную виброустойчивость. Они являются предпочтительным выбором для мобильного оборудования, такого как экскаваторы и колесные погрузчики, где пространство ограничено, а условия окружающей среды суровы.
Распространенные ошибки, которых следует избегать при выборе клапана регулирования расхода
Одной из частых ошибок является игнорирование концепции авторитета клапана. Если вы выбираете клапан, исходя из достижения полного расчетного расхода при 100% открытии клапана, вы фактически не имеете контроля потока. Полезный диапазон, в котором вы можете выполнить точную регулировку, может составлять только первые 5% поворота ручки. Вместо этого нацельтесь на то, чтобы расчетный расход возникал при открытии клапана 50%. Это центрирует вашу рабочую точку и обеспечивает хорошее разрешение управления в обоих направлениях.
Еще одной критической ошибкой является неспособность учесть наихудшие условия давления. Когда вы выбираете клапан регулирования расхода для гидравлической системы, вы должны рассчитать давление при максимальной нагрузке, минимальной нагрузке, условиях холодного запуска и сценариях переходных ударов. Явление усиления давления в контурах счетчиков цепляет многих проектировщиков. Давление в системе 100 бар с соотношением площади цилиндра 2:1 может создать 200 бар на стороне штока. Если ваш клапан или фитинги рассчитаны только на давление 150 бар, отказ неизбежен.
Компенсация температурного дрейфа часто упускается из виду. Даже клапаны с отверстиями с острыми краями для турбулентного потока демонстрируют некоторую чувствительность к вязкости. В приложениях, требующих постоянства скорости в пределах 2-3% в диапазоне температур от 20°C до 60°C, вам необходима либо активная температурная компенсация с использованием биметаллических элементов, либо электронное управление с обратной связью с пропорциональными клапанами. Просто надеяться, что ваша дроссельная заслонка будет поддерживать скорость, — это не инженерия.
Вопрос о том, когда переходить с ручных дроссельных клапанов на пропорциональные или сервоклапаны, зависит от ваших требований к производительности. Пропорциональные клапаны с приводом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и дизеринговыми сигналами устраняют залипание и могут достигать гистерезиса ниже 3% для типов с разомкнутым контуром или менее 0,5% для версий с замкнутым контуром с обратной связью по положению LVDT. Их частотная характеристика достигает 50 Гц и выше. Этот уровень производительности позволяет справиться с большинством задач промышленной автоматизации. Сервоклапаны с моментными двигателями и пилотными ступенями со струйной трубой или соплом-заслонкой обеспечивают частотную характеристику, превышающую 100 Гц, и зону нечувствительности, близкую к нулю, но они требуют чрезвычайно высокой чистоты масла (минимум ISO 4406 15/13/10) и стоят значительно дороже. Зарезервируйте сервоклапаны для применений с действительно высокими динамическими требованиями, таких как авиасимуляторы или машины для испытания материалов.
Принятие окончательного решения о выборе
Выбирая клапан регулирования потока для гидравлической системы, вы решаете несколько конкурирующих задач: точность управления, энергоэффективность, жесткость системы, стоимость и ремонтопригодность. Начните с четкого определения цели вашего контроля. Вам нужна постоянная скорость независимо от нагрузки (выберите клапан с компенсацией давления), синхронизированное движение нескольких приводов (выберите делитель потока) или программируемые профили скорости (выберите пропорциональный клапан с электронным управлением)?
Тщательно проанализируйте свои характеристики нагрузки. Резистивные нагрузки позволяют осуществлять контроль по счетчику. Обгонные нагрузки требуют контроля расходомера, а это означает, что вы должны убедиться, что усиление давления не превысит номинальные характеристики компонента. Энергосберегающие конструкции с постоянными нагрузками выигрывают от управления сливом или систем измерения нагрузки. Рассчитайте требуемый расход, исходя из геометрии привода и желаемой скорости, затем определите значение Cv, при котором ваша рабочая точка находится в диапазоне от 30 % до 70 % открытия клапана при ожидаемом перепаде давления.
Выберите метод установки, исходя из ограничений по пространству и философии обслуживания. Выбирайте материалы уплотнений, совместимые с вашей гидравлической жидкостью и температурным диапазоном. Убедитесь, что контроль загрязнения соответствует требованиям чувствительности клапана. Если ваше приложение предполагает быстрое изменение нагрузки или управление положением с обратной связью, становятся необходимыми пропорциональные клапаны, и вы должны убедиться, что усилитель привода обеспечивает правильную частоту ШИМ и характеристики сигнала дизеринга.
Физические принципы управления потоком не изменились, но инструменты, доступные для реализации стратегий управления, значительно изменились. Современные клапаны с компенсацией давления и элементами температурной коррекции позволяют поддерживать скорость в пределах 5% в широком рабочем диапазоне. Пропорциональные клапаны с замкнутым контуром и встроенной электроникой устраняют разрыв между простыми ручными клапанами и дорогими сервосистемами. Цифровые протоколы, такие как IO-Link, позволяют осуществлять удаленную настройку и профилактическое обслуживание путем мониторинга текущих сигнатур для раннего обнаружения застревания катушки.
Для успеха в выборе клапана регулирования расхода необходимо понимать, что каждый клапан дросселируется за счет создания перепада давления, а перепад давления, умноженный на расход, равен потере энергии, преобразованной в тепло. Ваша цель – добиться необходимой точности управления при минимальном энергопотреблении и тепловыделении. Это требует тщательного расчета, а не догадок. Когда вы выбираете клапан регулирования расхода для гидравлической системы, используя описанный здесь систематический подход, вы избежите дорогостоящих ошибок, таких как кавитационные повреждения, выход из-под контроля приводов и тепловые отказы, одновременно максимизируя производительность системы и энергоэффективность.
