Схемы гидравлического клапана регулирования расхода

Когда вы открываете схему гидравлической цепи и видите эти изогнутые линии со стрелками, направленными через них, вы смотрите на клапаны регулирования расхода. Эти символы могут показаться простыми, но они точно говорят вам, как машина контролирует скорость, управляет энергией и защищает дорогие компоненты. Схема гидравлического клапана регулирования расхода — это не просто рисунок. Это язык, который показывает, будет ли буровая машина вибрировать во время прорыва, будет ли стрела экскаватора смещаться под нагрузкой или будет ли система тратить энергию на нагрев масляного бака.

Символы на диаграммах этих клапанов соответствуют стандарту ISO 1219-1, который промышленные инженеры во всем мире используют для документирования гидравлических систем. Научиться читать эти диаграммы означает понимать, что представляет собой каждая линия, стрелка и геометрическая фигура в физическом оборудовании, расположенном внутри корпуса клапана.

Расшифровка компонентов символов ISO 1219-1

Базовый дроссельный клапан отображается на схемах клапана управления гидравлическим потоком в виде двух изогнутых линий, обращенных друг к другу, образующих узкий проход для жидкости. Эти противоположные дуги представляют собой ограничение потока. Когда вы видите диагональную стрелку, проходящую через этот символ, это означает, что клапан регулируется. Кто-то может повернуть ручку или отрегулировать винт, чтобы изменить степень открытия клапана. Если стрелки нет, вы видите фиксированное отверстие, которое невозможно отрегулировать после установки.

Направление имеет решающее значение в этих диаграммах. Символ обратного клапана выглядит как шарик, сидящий на V-образном седле. Когда жидкость течет по шарику, он плотно закрывается. Когда жидкость течет в другую сторону, она выталкивает шар с седла и течет свободно. Многим приложениям управления потоком требуется управление скоростью только в одном направлении. Например, обрабатывающему столу требуется медленная подача при резке, но возврат должен быть быстрым. Здесь на помощь приходит однонаправленный дроссельный клапан.

На схеме клапана управления гидравлическим потоком однонаправленный дроссель сочетает в себе символ дроссельной заслонки и параллельный символ обратного клапана. Два компонента располагаются рядом, часто заключенные в пунктирную рамку, что показывает, что они встроены в один физический корпус клапана. Масло, текущее в одну сторону, дросселируется и замедляет привод. Масло, текущее в противоположном направлении, открывает обратный клапан и полностью обходит дроссельную заслонку, обеспечивая быстрое возвратное движение с минимальным падением давления.

Клапаны регулирования расхода с компенсацией давления добавляют еще один элемент символа: небольшую вертикальную стрелку на впускной линии, направленную вверх. Эта стрелка указывает на то, что клапан содержит автоматический регулятор давления, встроенный последовательно с ручным дросселем. Компенсатор давления поддерживает постоянный перепад давления на дроссельном отверстии независимо от изменений нагрузки. Без этой функции, когда цилиндр сталкивается с более тяжелой нагрузкой, увеличенное противодавление уменьшает разницу давлений на дроссельной заслонке, что автоматически замедляет движение, даже если настройка дроссельной заслонки не изменилась. Компенсационный механизм решает эту проблему, измеряя давление как на входе, так и на выходе и автоматически регулируя внутренний клапанный элемент, чтобы поддерживать падение давления точно на уровне от 0,5 до 1,0 МПа.

Символы температурной компенсации встречаются реже, но имеют значение для прецизионных приложений. Маленький кружок или значок термометра рядом с символом дроссельной заслонки указывает на то, что в клапане используется конструкция отверстия с острыми краями, а не длинный узкий проход. Острые края создают турбулентный поток, при котором коэффициент расхода остается относительно стабильным, несмотря на изменения вязкости. Поскольку гидравлическое масло нагревается во время работы, его вязкость падает в геометрической прогрессии. В длинных и тонких каналах, работающих в условиях ламинарного потока, это изменение вязкости существенно влияет на скорость потока в соответствии с законом Хагена-Пуазейля. Отверстие с острыми краями минимизирует эту температурную чувствительность, которую инженеры называют температурной компенсацией.

Основные категории клапанов регулирования расхода

На схемах гидравлических клапанов управления потоком показаны три основных семейства клапанов, каждое из которых имеет различные характеристики символов и принципы работы.

Простой дроссельный клапан

Простой дроссельный клапан представляет собой самую простую конструкцию. Его символ на диаграмме показывает только регулируемое ограничение без каких-либо дополнительных компонентов. Физически в этом клапане обычно используется золотник игольчатой ​​формы с очень маленьким углом конусности, расположенный на седле с острыми краями. Вращение регулировочной ручки перемещает иглу в осевом направлении вдоль тонкой нити, создавая точные изменения в зоне кольцевого потока. Эти клапаны стоят дешевле и занимают минимум места, но их расход меняется всякий раз, когда колеблется давление в системе или температура масла. Они приемлемо работают в приложениях, где нагрузка остается постоянной, например, привод шлифовального круга или конвейерная лента, но они не могут поддерживать стабильную скорость при изменении условий нагрузки.

Клапаны с компенсацией давления

Клапаны с компенсацией давления, также называемые клапанами регулирования расхода с компенсацией или просто регуляторами расхода, обозначаются на диаграммах характерным символом стрелки, чувствительной к давлению. Внутри корпуса клапана расположены два последовательных ограничителя: дроссельная заслонка с ручной регулировкой и автоматический регулятор давления. Регулятор состоит из подпружиненного золотника, который измеряет давление как до, так и после ручного дросселя. Когда нагрузка увеличивается и давление на выходе увеличивается, перепад давления на дросселе пытается уменьшиться. Золотник компенсатора немедленно реагирует, открываясь дальше, уменьшая собственное ограничение, что заставляет давление на входе подниматься ровно настолько, чтобы восстановить исходное падение давления на ручном дросселе. Это происходит постоянно и автоматически во время работы системы.

Баланс сил на золотнике компенсатора обеспечивает такое саморегулирующееся поведение. Сила пружины толкает золотник в закрытое положение. Давление на выходе (давление нагрузки) также подталкивает его к закрытию. Давление вверх по течению подталкивает его к открытию. В состоянии равновесия давление на входе равно давлению на выходе плюс сила пружины, деленная на эффективную площадь золотника. Путем тщательного выбора пружины при проектировании клапана производители устанавливают определенное значение компенсируемого падения давления, обычно от 0,5 МПа для небольших клапанов до 1,0 МПа для больших промышленных клапанов. Поскольку это падение давления остается постоянным независимо от нагрузки, а площадь дроссельной заслонки настраивается и фиксируется вручную, расход становится независимым от нагрузки. Стрела экскаватора будет выдвигаться с одинаковой скоростью независимо от того, пуст ковш или содержит две тонны земли.

Приоритетные клапаны

Клапаны приоритета отображаются на схемах клапанов управления гидравлическим потоком в виде прямоугольной коробки, содержащей подпружиненный золотник с тремя портами, обозначенными P (насос), CF (постоянный расход или приоритет) и EF (избыточный расход или байпас). Эти клапаны гарантируют, что критически важные функции сначала получат необходимый поток, а затем подадут менее важные контуры. Классическое применение – системы рулевого управления колесных погрузчиков и сельскохозяйственных тракторов. Цепь рулевого управления подключается к CF, а рабочие функции, такие как наклон ковша, подключаются к EF. Линия сигнала давления от блока рулевого управления возвращается к одному концу золотника приоритетного клапана, давя на пружину. Когда оператор быстро поворачивает рулевое колесо, это сигнальное давление возрастает, толкая золотник, чтобы направить максимальный поток на CF, одновременно перекрывая EF. Когда потребность в рулевом управлении падает, золотник возвращается под действием пружины, позволяя перейти к рабочим функциям. Это предотвращает опасную ситуацию, когда оператор не может управлять автомобилем, поскольку весь поток насоса поглощается гидравлическим молотом или другим навесным оборудованием.

Клапаны делителя потока

Клапаны делителя потока, показанные на схемах в виде коробки с двумя выходами и взаимосвязанными символами дросселя внутри, обеспечивают равный (или пропорционально разделенный) поток к двум или более приводам независимо от их индивидуальных различий в нагрузке. Синхронизация двух цилиндров, работающих с неравными нагрузками, обычно не удается, поскольку цилиндр с более низким сопротивлением движется вперед. Делитель содержит два точно согласованных дроссельных элемента, соединенных между собой путями обратной связи по давлению. Если одна сторона видит более высокую нагрузку, ее увеличенное давление передается через внутренний канал на дроссель другой стороны, который затем автоматически ограничивает больше, чтобы уравнять разделение потока. В делителях зубчатого типа используются два гидравлических двигателя, жестко соединенных на общем валу, которые механически обеспечивают одинаковое перемещение.

Стратегии конфигурации схемы

Размещение клапана регулирования расхода в гидравлическом контуре фундаментально меняет поведение системы, ее эффективность и характеристики безопасности. Тремя классическими схемами являются схемы входа, выхода и отвода. Понимание их представлений на диаграммах помогает инженерам диагностировать проблемы со скоростью и выбирать подходящие решения.

Конфигурация регулирования расходомера

В схемах со счетчиком на схеме гидравлического клапана управления потоком показан элемент управления потоком, расположенный между насосом и входом привода. Такое размещение ограничивает попадание масла в цилиндр, контролируя скорость выдвижения за счет ограничения доступной жидкости. Насос продолжает подавать полный рабочий объем, но избыточный поток сверх того, что проходит через дроссель, поступает через предохранительный клапан обратно в резервуар.

Характеристики давления становятся понятными при анализе сил. Давление на входе в цилиндр равно силе нагрузки, деленной на площадь поршня ($$P_1 = F/A$$). Давление на стороне насоса фиксируется при настройке предохранительного клапана, обычно оно составляет от 15 до 35 МПа в зависимости от применения. Это создает большой постоянный перепад давления на клапане, который генерирует тепло, равное давлению, умноженному на расход ($$P \\times Q$$). Система перегревается, и насос активно работает, преодолевая давление сброса, даже при выполнении легкой работы.

Дроссельное регулирование с точностью до метра работает плавно при резистивных нагрузках, когда внешняя сила препятствует движению цилиндра. Стол фрезерного станка, врезающийся в заготовку, или шлифовальный круг, продвигающийся по отливке, представляют собой резистивные нагрузки. Движение остается контролируемым и предсказуемым. Однако вход счетчика создает опасные условия с обгонными нагрузками, также называемыми отрицательными нагрузками или неконтролируемыми нагрузками. Рассмотрим вертикальный цилиндр, опускающий тяжелый груз. Сила тяжести тянет шток поршня вниз быстрее, чем дросселируемый впускной поток может заполнить выдвижную сторону. Это создает вакуум в камере цилиндра, вызывая кавитационные повреждения, неустойчивое движение и потенциальное столкновение с нагрузкой. По этой причине инженеры никогда не используют дросселирование по счетчику для опускания стрелы, опускания вилочного погрузчика или для любого другого применения, где нагрузка способствует движению цилиндра. На схемах гидравлических клапанов регулирования расхода для этих применений вместо этого должны быть показаны конфигурации расходомера или сбалансированного контура.

Конфигурация регулирования на выходе измерителя

При использовании Meter-out клапан регулирования расхода устанавливается на выпускное отверстие привода. На схеме показан клапан между цилиндром и баком, ограничивающий вытекание масла. Сторона впуска практически напрямую соединяется с насосом, обеспечивая свободное заполнение расширяющейся камеры. Цилиндр движется ровно настолько быстро, насколько дроссельная заслонка позволяет маслу выйти из втягивающей камеры.

Такое расположение создает противодавление со стороны выпуска, что обеспечивает жесткость и управляемость даже при обгонных нагрузках. Когда сила тяжести тянет подвешенный груз вниз, дросселируемое выпускное отверстие предотвращает разгон, сдерживая давление. Цилиндр эффективно тормозит сам себя гидравлически. Это делает дозатор стандартным выбором для вертикальных сверлильных шпинделей, опускания стрелы крана и любого применения, требующего контроля отрицательных нагрузок.

Измерительный выход отличается плавностью хода и удержанием груза. Высокое противодавление устраняет люфт в системе и предотвращает скачкообразные колебания, которые вызывают рывки при движении на низких скоростях. Управление расходомером выгодно как для операций механической обработки, требующих идеальной обработки поверхности, так и для операторов кранов, которым требуется плавное размещение груза. Компромиссом является более низкая эффективность и более высокое выделение тепла по сравнению с системами отвода воздуха.

Регулирование стравливания (байпаса)

На схемах стравливания клапан регулирования расхода показан на ответвлении, параллельном приводу, что создает короткий путь непосредственно к резервуару. На диаграмме показано разделение потока насоса на тройнике: один путь проходит через клапан в резервуар, а другой путь питает цилиндр. Это управление вычитанием – клапан отводит нежелательный поток, а не ограничивает подачу привода.

Поток насоса разделяется на поток цилиндра плюс поток стравливания ($$Q_{насос} = Q_{цилиндр} + Q_{слив}$$). При открытии выпускного клапана в бак поступает больше потока, что замедляет работу цилиндра. Закрытие его направляет больший поток к приводу, ускоряя движение. Принципиальное отличие от входного и выходного расходомера заключается в том, что насосу никогда не требуется создавать полное давление сброса, если этого не требует нагрузка. Если цилиндр выдерживает давление нагрузки всего 5 МПа, насос создает только 5 МПа (плюс небольшой запас на потери в линии). Избыточный поток стравливается при таком низком рабочем давлении, а не при настройке сброса давления 20 или 30 МПа. Потери мощности равны $$P_{нагрузка} \\times Q_{excess}$$, что существенно меньше, чем $$(P_{relief} \\times Q_{excess})$$ в системах со счетчиком-входом/выходом.

Это преимущество в эффективности делает отбор стравливания привлекательным для энергосберегающих применений, таких как сельскохозяйственное оборудование, погрузочно-разгрузочные конвейеры и мобильное оборудование, где важен расход топлива. Система работает более прохладно и тратит меньше энергии в виде тепла. Однако слив обеспечивает плохую стабильность скорости, поскольку расход насоса изменяется в зависимости от давления (объемный КПД падает с ростом давления), а расход спускного клапана также меняется в зависимости от изменения давления на нем. Когда нагрузка колеблется, скорость колеблется. Это ограничивает утечку в тех случаях, когда абсолютная точность скорости не имеет решающего значения, например, в мешалках-смесителях или челночных конвейерах прерывистого действия. Как и вход счетчика, слив не может безопасно справляться с обгонной нагрузкой, поскольку он не создает обратного давления для сопротивления движению, вызванному нагрузкой. Привод будет ускоряться под действием силы тяжести или инерции независимо от настройки выпускного клапана.

Расширенные возможности диаграмм для сложных систем

Реальные схемы клапанов управления гидравлическим потоком часто объединяют несколько типов клапанов и добавляют чувствительные элементы для удовлетворения сложных требований управления.

Пропорциональные клапаны регулирования расхода отображаются на схемах с дополнительным символом в рамке, обозначающим пропорциональный соленоид. Этот электрический привод заменяет ручку ручной регулировки. Ток, протекающий через катушку соленоида, создает магнитную силу, пропорциональную силе тока, толкая золотник клапана в соответствующее положение. Сигнал 200 мА может обеспечить открытие клапана на 20 процентов, а сигнал 1000 мА — полный расход. Современные пропорциональные клапаны включают в себя линейные регулируемые дифференциальные трансформаторы (датчики LVDT), которые измеряют фактическое положение золотника и подают обратную связь на усилитель для управления с обратной связью. Это позволяет использовать управляемые компьютером темпы ускорения, профили замедления и многоточечные программы скорости, невозможные при использовании ручных клапанов.

На схемах гидравлических клапанов управления потоком для машин для литья под давлением показаны пропорциональные клапаны, управляющие движением шнека с помощью сложных кривых скорости. Шнек запускается медленно, чтобы избежать выброса струи, затем ускоряется для быстрого заполнения полости, затем снова замедляется, приближаясь к полной, чтобы предотвратить переуплотнение и вспышку. Программа управления может иметь восемь различных заданных значений скорости на протяжении всего хода впрыска с плавными переходами между ними. Схема включает датчики положения (нарисованные в виде маленьких прямоугольников на цилиндре), которые сообщают контроллеру, где находится винт, обеспечивая точную синхронизацию скорости с положением.

Приоритетные клапаны, чувствительные к нагрузке, представляют собой эволюцию базовых приоритетных клапанов. На схеме показана дополнительная сигнальная линия (обычно изображаемая тонкой пунктирной линией), идущая от рулевого орбитального клапана обратно к приоритетному клапану. По этой линии передается сигнал давления, пропорциональный потребности в рулевом управлении. Когда оператор медленно поворачивает колесо без нагрузки, управляющее давление низкое, около 2–3 МПа. Компенсатор приоритетного клапана лишь частично открывает порт CF, направляя поток, достаточный для плавного рулевого управления, в то же время пропуская большую часть потока в EF для рабочего навесного оборудования. Когда оператор разворачивает колесо на полной скорости или сталкивается с высоким сопротивлением в рулевых цилиндрах, управляющее давление подскакивает до 15 МПа и более. Это давление воздействует на золотник приоритетного клапана против его пружины, заставляя клапан полностью открыться для CF и почти закрыться для EF, гарантируя, что весь доступный поток насоса пойдет на рулевое управление. В результате рулевое управление всегда чувствительно реагирует, не теряя при этом производительность насоса, когда потребность в рулевом управлении невелика. Эта динамическая система определения нагрузки улучшает экономию топлива по сравнению со старыми системами приоритета постоянного расхода.

В схемах делителя потока для синхронизированных цилиндров внутренние пути обратной связи на схеме клапана управления гидравлическим потоком показаны в виде скрещенных пунктирных линий, соединяющих два дроссельных элемента. Одна ветвь может показывать более высокое давление нагрузки, в результате чего ее дроссельный элемент слегка открывается. Через канал выравнивания давления этот сигнал давления достигает управляющего поршня другой ветви, заставляя его дроссельную заслонку пропорционально ограничиваться. Обе стороны постоянно регулируются для поддержания расчетного соотношения потоков, обычно 50-50 для одинаковых цилиндров или 60-40 или других соотношений для неравных нагрузок. На схеме четко различаются делители моторного типа (показаны двумя символами шестерен на общем валу) и делители золотникового типа (показаны с соединенными между собой дроссельными элементами). Делители моторного типа обеспечивают чрезвычайно точное разделение, но стоят дороже и занимают больше места. Делителей золотникового типа достаточно для таких задач, как синхронизация задней двери самосвалов, где достаточно точности в пределах 5 процентов.

Практические примеры промышленного применения

Глядя на полные схемы системы, можно увидеть, как инженеры комбинируют клапаны регулирования расхода для решения реальных эксплуатационных задач.

Схемы поворота экскаватора иллюстрируют сложное использование дросселирования расходомера. Схема клапана управления гидравлическим потоком для поворотного привода 30-тонного экскаватора показывает, что сливные отверстия гидравлического двигателя подаются через дроссельные обратные клапаны дозатора перед попаданием в резервуар. Когда оператор начинает вращение, эти клапаны ограничивают отток, создавая противодавление, которое плавно и без ударов ускоряет 8-тонную верхнюю конструкцию. Когда поворот приближается к заданному положению, оператор возвращает джойстик в нейтральное положение, и главный регулирующий клапан начинает направлять поток обратно в резервуар. Но вращающаяся масса обладает огромной инерцией и хочет продолжать вращаться. Теперь двигатель действует как насос, приводимый в движение по инерции, проталкивая масло обратно по контуру. Ограничение расхода предотвращает этот свободный обратный поток, создавая тормозное сопротивление. Без этой функции машина пролетала мимо цели на несколько метров, а затем колебалась, пока оператор пытался остановить раскачивающуюся массу. На схеме также показаны перекрестно соединенные предохранительные клапаны между портами двигателя. Эти предохранительные клапаны ограничивают пиковое давление замедления примерно до 35 МПа. При экстренном торможении (джойстик оператора переведен в нейтральное положение) в противном случае пик инерции создаст давление, превышающее 50 МПа, что приведет к повреждению уплотнений и подшипников двигателя.

Схемы термопластавтоматов демонстрируют переход от управления потоком к управлению давлением во время цикла формования. Главный цилиндр впрыска работает в несколько фаз, которые показаны на схеме клапана управления гидравлическим потоком. Во время заполнения формы большой пропорциональный клапан регулирует скорость, когда шнек вбивает расплавленный пластик в полость. На диаграмме показано, как поток проходит через клапан к крышке цилиндра, в то время как конец штока свободно стекает в резервуар. Заполнение может занять от 1 до 3 секунд в зависимости от размера детали. Когда форма заполняется на 95 процентов, датчик давления (показанный маленьким ромбовидным символом) на концевой линии крышки обнаруживает повышение давления. Контроллер переключает режимы. Пропорциональный клапан потока уменьшается до небольшого открытия (показано уменьшенным сигналом тока), в то время как пропорциональный клапан давления (другой символ, показанный со значком нажимной пружины) берет на себя работу, удерживая давление в упаковке на уровне примерно 10–15 МПа в течение 5–20 секунд, пока пластик охлаждается. Это давление предотвращает появление раковин при усадке полимера. Для смены режима требуется, чтобы оба клапана действовали одновременно и скоординировано, что отражено на схеме с линиями управления (электрическими, показаны пунктирными линиями), идущими от обоих клапанов к центральному блоку контроллера.

Регенеративные схемы для быстрого подвода движения часто встречаются в схемах прессов и формовочных машин. Чтобы ускорить 500-тонный пресс, приближающийся к заготовке перед применением формовочной силы, инженеры соединяют порт на конце штока цилиндра с портом на конце крышки через обратный клапан с пилотным управлением. Это создает замкнутый контур, в котором масло, выходящее со стороны штока (область A₁), течет непосредственно в сторону крышки (область A₂ = A₁ - A_rod), а не поступает в резервуар. Поскольку A₂ меньше, чем A₁, расход на стороне стержня превышает спрос на стороне крышки. Насос подает недостающий объем (расход площади A_стержня), но со скоростью, определяемой расходом насоса, деленным только на площадь штока, что обычно в 3–5 раз превышает нормальную скорость выдвижения. Когда плунжер соприкасается с заготовкой, давление нагрузки возрастает, которое воздействует на управляемый обратный клапан, показанный на схеме. Растущее давление закрывает путь регенерации, и контур переходит в нормальное расширение с полной мощностью. На схеме клапана управления гидравлическим потоком должен быть четко показан этот контур регенерации с правильной ориентацией клапана, поскольку установка обратного клапана заблокирует всю систему.

Диагностика неисправностей с использованием диаграмм

Когда в гидравлической системе возникают проблемы с контролем скорости, принципиальная схема представляет собой план устранения неполадок, показывая соотношение давления и точки отказа.

Дрейф потока с течением времени обычно указывает на влияние температуры или отказ компенсации давления. Если работа системы замедляется после 20 минут работы, первым шагом диагностики является подтверждение того, имеет ли клапан регулирования расхода функцию температурной компенсации (символ отверстия с острыми краями на схеме). Стандартные игольчатые клапаны без компенсации будут показывать увеличение расхода на 15–25 процентов при нагревании системы от 30°C до 60°C, поскольку вязкость масла падает экспоненциально с температурой. В условиях ламинарного потока в длинных дроссельных каналах скорость потока обратно пропорциональна вязкости в соответствии с принципами потока Хагена-Пуазейля. Если на схеме показан клапан с температурной компенсацией (обозначенный пунктирными линиями или обозначением с острыми краями), но дрейф все равно происходит, проблема, скорее всего, заключается в загрязнении. Отложения лака из окисленного масла покрывают золотник компенсатора, создавая трение, которое не позволяет золотнику правильно отслеживать изменения давления. Компенсатор «застревает» в одном положении, превращая дорогой клапан с компенсацией давления в обычный дроссель с расходом, зависящим от нагрузки.

Проверка фактического падения давления на подозрительном клапане подтверждает этот диагноз. Установите манометры на впускном и выпускном отверстиях, показанных на схеме клапана управления гидравлическим потоком. Измерьте дифференциальное давление в условиях холостого хода и полной нагрузки. Функциональный компенсатор поддерживает постоянное ΔP (обычно от 0,5 до 1,0 МПа) независимо от нагрузки. Если ΔP под нагрузкой значительно падает, компенсатор вышел из строя. Решением является разборка и очистка или замена, если предельные значения износа превышены. Код чистоты масла по стандарту ISO 4406 должен быть 19/17/14 или выше для прецизионных клапанов, что означает не более 2500 частиц размером более 4 микрон на 100 мл жидкости.

Проблемы со скоростью обратного направления у однонаправленных дроссельных клапанов прямо указывают на неисправность обратного клапана. На диаграмме показано, что масло, текущее назад через клапан, должно легко открыть обратный шар и обойти дроссельную заслонку. Если обратное движение медленное, значит, запорный шар застрял в закрытом положении из-за загрязнения, или стопорная пружина сломалась и зажала шар в промежуточном положении, что частично блокирует поток. Инфракрасный термопистолет, сканирующий корпус клапана, часто выявляет эту неисправность — область вокруг заклинившего обратного клапана сильно нагревается (возможно, от 80 до 90°C) из-за высокого перепада давления, поскольку масло вытесняется через крошечный дроссельный зазор вместо большой перепускной зоны обратного клапана. Повышение температуры равно перепаду давления, умноженному на расход, деленному на удельную теплоемкость и массовый расход масла, и его легко измерить с помощью бесконтактных приборов.

Сползание цилиндра (медленный дрейф под нагрузкой), когда распределительный клапан находится в нейтральном положении, указывает на внутреннюю утечку через золотник или седло клапана регулирования расхода. Это не показано на схеме напрямую, но понимание схемы помогает в диагностике. Если на диаграмме показано дросселирование по дозатору, цилиндр блокируется захваченным маслом, когда распределительный клапан закрывается. Высокое захваченное давление на стороне штока создает разницу давлений на клапане регулирования потока, хотя оба его порта соединены с заблокированными камерами. Любой износ золотника или седла клапана приводит к микроутечкам от высокого давления к низкому, и цилиндр медленно смещается. Единственными решениями являются клапаны с более плотным уплотнением (тарельчатые конструкции с нулевой утечкой, а не золотниковые типы), добавление отдельного обратного клапана с пилотным управлением (клапан-противовес) для принудительной блокировки нагрузки или допущение небольшого дрейфа, если он не влияет на работу.

Изменения скорости, синхронизированные с изменениями давления в системе, сигнализируют о необходимости компенсации давления там, где ее нет. Если на схеме клапана управления гидравлическим потоком показан основной символ дроссельной заслонки без стрелки компенсации, расход клапана будет соответствовать квадратному корню из разницы давлений. Обзор принципиальной схемы, показывающий настройку предохранительного клапана системы, кривую расхода насоса и профиль нагрузки привода, может предсказать величину изменения скорости. При давлении сброса 10 МПа и давлении нагрузки 5 МПа доступное значение ΔP на дросселе со счетчиком составляет 5 МПа. Если давление нагрузки возрастает до 7 МПа во время тяжелого резания, доступное ΔP падает до 3 МПа, а расход снижается до $$\\sqrt{3/5} = 0,77$$ или 77 процентов от исходной скорости - очень заметное замедление на 23 процента. Инженер видит это, анализируя зоны давления на диаграмме, и рекомендует перейти на регулирующий клапан с компенсацией давления (с символом компенсационной стрелки).

Чтение диаграмм для принятия решений по проектированию системы

Инженеры используют схемы клапанов управления гидравлическим потоком не только для устранения неполадок, но и в качестве инструментов прогнозирования во время проектирования системы, чтобы избежать проблем до их возникновения.

При выборе топологии схемы диаграмма помогает визуализировать механизмы потоков и потерь энергии. Рисунок полной схемы со всеми указанными ограничениями показывает, где возникают потери дросселирования. В системе со счетчиком потери энергии равны давлению насоса, умноженному на избыточный расход, проходящий через предохранительный клапан. Для насоса производительностью 100 л/мин, работающего при давлении сброса 20 МПа и всего 40 л/мин, поступающих в привод через дроссель, выделение тепла составляет $$20 \\text{ МПа} \\times 60 \\text{ LPM} = 20 \\text{ кВт}$$ чистых тепловых отходов. Для этого требуется большой масляный радиатор, а температура жидкости достигает около 65°C даже при охлаждении. То же самое приложение, использующее топологию со стравливанием, может работать при рабочем давлении всего 8 МПа (определяется нагрузкой), что приводит к потерям $$8 \\text{ МПа} \\times 60 \\text{ LPM} = 8 \\text{ кВт}$$, что составляет менее половины тепловой нагрузки. В системе может использоваться охладитель меньшего размера, температура масла остается 45°C, срок службы насоса увеличивается на годы, а потребление электроэнергии пропорционально снижается.

Расчеты усиления давления основаны непосредственно на геометрии диаграммы. Когда цилиндр имеет внутренний диаметр 100 мм и диаметр штока 50 мм, площадь торца крышки составляет 7854 мм², а площадь конца штока составляет всего 5890 мм² (кольцевая площадь = полная площадь минус площадь штока). Коэффициент площади 1,33 означает, что дросселирование по счетчику усилит давление как минимум на 33 процента. Если насос подает на головной конец 15 МПа, давление на штоковом конце без внешней нагрузки становится не менее 20 МПа только за счет геометрии. Добавьте резистивную отталкивающую нагрузку в 3 МПа, и давление на конце штока достигнет 23 МПа. Каждый шланг, фитинг и уплотнение в этом контуре штокового конца должны выдерживать номинальное давление выше 25 МПа (с запасом прочности), иначе возникнут неисправности. Инженеры отмечают эти расчеты непосредственно на диаграмме с аннотациями о давлении, показывающими ожидаемые максимумы в каждом месте.

На схеме также указаны размеры клапана потока. Коэффициенты расхода Cv или Kv указаны в каталогах клапанов и обозначают расход при перепаде давления 1 бар. Если системе требуется 60 л/мин через клапан с компенсацией давления, который поддерживает ΔP 0,5 МПа (5 бар), а затем, работая в обратном направлении, клапану потребуется $$Cv = Q / \\sqrt{\\Delta P} = 60 / \\sqrt{5} = 27$$ галлонов в минуту при 1 бар. Это определяет, какая модель из ассортимента производителя подходит для данного применения. Завышение габаритов приводит к пустой трате денег и замедляет реакцию органов управления; занижение размера приводит к чрезмерному падению давления, нагреву и эрозии.

Понимание того, как взаимодействуют несколько клапанов регулирования расхода, позволяет избежать ошибок при проектировании. Распространенной ошибкой является подключение двух дросселей последовательно, не осознавая, что они образуют эквивалент делителя напряжения. Если клапан A имеет площадь отверстия A₁, а клапан B имеет площадь отверстия A₂, оба последовательно, общий расход определяется меньшим отверстием и суммой перепадов давления. Инженер не может независимо контролировать скорость с помощью обоих клапанов — регулировка клапана A меняет распределение давления и влияет на расход клапана B, даже если настройка B не меняется. Схема клапана регулирования гидравлического потока должна отображать эти серийные ограничения, а конструкция должна устранять избыточные ограничения или намеренно использовать их для точного контроля степени перепада давления.

Заключение

Схемы клапанов управления гидравлическим потоком с использованием символов ISO 1219-1 дают инженерам полное понимание управления скоростью системы, энергоэффективности и режимов отказов перед созданием оборудования. Изогнутые символы ограничения указывают, работает ли клапан как основной дроссель, регулятор с компенсацией давления или делитель приоритета. Стрелочные индикаторы отображают возможности регулировки и компенсации. Размещение схемы – входной, выходной или стравливающий – определяет нагрузочную способность и эффективность. Чтение этих диаграмм требует понимания как графических стандартов, так и принципов механики жидкости, лежащих в основе каждого символа. Диагональная стрелка означает человеческую корректировку. Вертикальная стрелка означает компенсацию давления. Параллельный обратный клапан означает однонаправленное управление со свободным обратным потоком.

Инженеры выбирают топологию схемы, анализируя направление нагрузки, требуемую жесткость, приемлемый КПД и номинальное давление. Они диагностируют неисправности, сравнивая прогнозы диаграммы с измеренными давлениями и температурами. Они определяют размеры компонентов, используя уравнения потока и расчеты давления, полученные на основе геометрии контура. Схема служит общим языком между проектировщиками, техническими специалистами и специалистами по устранению неполадок, позволяя кому-то в Чикаго диагностировать машину, работающую в Сингапуре, просматривая схему и запрашивая конкретные измерения давления в отмеченных контрольных точках.

Освоение схем клапанов управления гидравлическим потоком означает понимание того, что каждая линия и символ представляют собой физическое оборудование и измеримые преобразования энергии. Сжатие между двумя изогнутыми линиями представляет собой столкновение молекул в турбулентной струе, повышение температуры из-за трения и точный контроль скорости, который делает возможным современное оборудование. Независимо от того, является ли приложением безопасное опускание стрелы экскаватора под действием силы тяжести, заполнение литьевой формы с восьмисегментным профилем скорости или простая подача шлифовального стола с постоянной скоростью, диаграмма показывает, как именно управление потоком решает задачу и где могут возникнуть проблемы.