В современных гидравлических системах контроль скорости движения жидкости по контуру определяет скорость работы вашего оборудования. Когда вы видите, что гидравлический цилиндр медленно или быстро выдвигается, эта разница в скорости возникает из-за одного важного компонента: клапана управления потоком. Понимание различных типов доступных клапанов управления гидравлическим потоком помогает инженерам выбрать правильное решение для их конкретного применения, будь то мобильный экскаватор, которому требуется постоянная скорость ковша при различных нагрузках, или прецизионная производственная система, требующая синхронизированного движения нескольких цилиндров.
Фундаментальный принцип, лежащий в основе всех типов гидравлических клапанов регулирования расхода, начинается с простого физического уравнения. Скорость потока через отверстие подчиняется соотношению:
При этом расход (Q) зависит от площади отверстия (А) и разницы давлений на нем. Это соотношение квадратного корня создает проблему: при изменении давления нагрузки изменяется и расход, даже если вы не трогали настройку клапана. Различные типы клапанов решают эту проблему по-разному, поэтому понимание принципов их работы важно при проектировании системы.
Базовые некомпенсированные регулирующие клапаны
Простейшие типы гидравлических клапанов регулирования потока работают, создавая ограничение на пути потока. Эти клапаны изменяют площадь отверстия для управления потоком, но не компенсируют изменения давления. Хотя это делает их менее точными, чем более совершенные конструкции, их простота и низкая стоимость делают их пригодными для применений, где давление нагрузки остается относительно постоянным или точность скорости не имеет решающего значения.
Игольчатые клапаны и их преимущество в точности
Игольчатые клапаны имеют конический элемент игольчатой формы, который перемещается в коническое седло. Тонкая резьба на регулировочном стержне позволяет очень незначительно изменять отверстие отверстия. Когда вы поворачиваете регулировочную ручку на один полный оборот, игла может сдвинуться всего на 0,5 мм, что дает вам точный контроль над очень малыми скоростями потока. Это делает игольчатые клапаны особенно ценными в пилотных контурах, устройствах с демпфированием манометров и контрольно-измерительных линиях, где скорость потока может составлять всего 0,1 литра в минуту.
Коническая геометрия также обеспечивает почти линейные характеристики потока в большей части диапазона регулировки. Однако игольчатые клапаны имеют ограничения. Небольшой размер отверстий означает, что они склонны к засорению, если чистота жидкости падает ниже уровня ISO 4406 18/16/13. Кроме того, поскольку у них отсутствует компенсация давления, игольчатый клапан, настроенный на подачу 2 литров в минуту при давлении нагрузки 50 бар, может подавать 2,8 литра в минуту, если нагрузка упадет до 20 бар. Такое изменение скорости на 40% делает их непригодными в качестве основного регулятора скорости в системах с переменными нагрузками.
Шаровые клапаны в гидравлическом обслуживании
Проходные клапаны имеют внутренний путь потока, который заставляет жидкость дважды менять направление, создавая Z-образную структуру потока через корпус клапана. Запорный элемент в форме диска или пробки расположен перпендикулярно потоку потока. Такая конструкция создает более высокий перепад давления по сравнению с прямоточными клапанами, но обеспечивает хорошие характеристики дросселирования.
В гидравлических приложениях шаровые клапаны обычно обеспечивают большую скорость потока, чем игольчатые клапаны — обычно от 5 до 100 литров в минуту. Регулировка менее точная, чем у игольчатых клапанов, но более прочная конструкция лучше справляется с загрязнением твердыми частицами. Седло и диск подвергаются меньшему эрозионному повреждению, поскольку геометрия распределяет силы более равномерно. Однако, как и все некомпенсированные дроссельные клапаны, седельные клапаны страдают от той же проблемы чувствительности к нагрузке. Цилиндр, толкающий 10-тонный груз, будет двигаться медленнее, чем 5-тонный, даже при одинаковых настройках клапанов.
Шаровые краны с V-образным пазом для дросселирования
Стандартные шаровые краны служат в первую очередь в качестве запирающих устройств, но шаровой кран с V-образным пазом представляет собой эволюцию, специально предназначенную для управления потоком. Вместо круглого порта шар содержит V-образный вырез. По мере вращения шара V-образный вырез постепенно увеличивает проходное сечение, обеспечивая равнопроцентную характеристику потока. Это означает, что каждый градус вращения приводит к изменению расхода, пропорциональному текущему расходу, а не к фиксированному приращению.
Конструкция с V-образным вырезом подходит для применений, требующих большой пропускной способности с разумной возможностью дросселирования. 2-дюймовый V-образный шар может обрабатывать более 200 литров в минуту при полном открытии, обеспечивая при этом контролируемое снижение до 20% от максимального значения. Твердое уплотнение металл-металл или металл-эластомер обеспечивает герметичное перекрытие. Однако эти клапаны имеют общее ограничение чувствительности к давлению — расход изменяется в зависимости от квадратного корня из разницы давлений, что делает их непригодными для точного регулирования скорости при переменной нагрузке.
Клапаны регулирования расхода с компенсацией давления
Когда гидравлические системы требуют постоянной скорости привода независимо от изменений нагрузки, становятся необходимыми клапаны регулирования расхода с компенсацией давления. Эти клапаны решают фундаментальную проблему, свойственную простому дросселированию: они поддерживают постоянный перепад давления на измерительном отверстии за счет автоматической регулировки вторичного ограничительного элемента. Эта инновация превращает устройство, чувствительное по своей сути к давлению, в настоящий контроллер расхода.
Ключом к компенсации давления является добавление подпружиненного компенсационного золотника последовательно с основным дросселирующим отверстием. Этот компенсатор измеряет давление как перед, так и после измерительной секции. Когда давление нагрузки увеличивается, компенсатор автоматически приоткрывается, уменьшая собственное ограничение и поддерживая постоянным перепад давления на главном отверстии. И наоборот, когда давление нагрузки падает, компенсатор частично закрывается, чтобы предотвратить увеличение расхода.
Двухходовые клапаны с компенсацией давления
Двухходовые клапаны регулирования расхода с компенсацией давления подключаются последовательно с контуром привода. Клапан состоит из основного регулируемого отверстия и компенсационного элемента, расположенного таким образом, что весь контролируемый поток проходит через оба ограничения. Пружина компенсатора обычно устанавливает фиксированный перепад давления от 5 до 10 бар на главном отверстии.
Как он реагирует на изменение нагрузки
Представьте, что вы настроили клапан на подачу в цилиндр 10 литров в минуту. Первоначальное давление в системе составляет 100 бар, а давление нагрузки — 80 бар. Компенсатор настраивается так, чтобы давление между компенсатором и главным отверстием составляло ровно 90 бар (установка пружины 80 + 10 бар).
Теперь нагрузка увеличивается, поднимая давление в цилиндре до 90 бар. Без компенсации поток упадет. Но компенсатор сразу чувствует повышение давления на выходе и открывается шире. Это уменьшает падение давления в компенсаторе, гарантируя, что основное отверстие по-прежнему будет иметь давление ровно 10 бар. Расход держится на уровне 10 литров в минуту.
Ограничения двухходовых компенсационных клапанов проявляются в энергоэффективности. Когда насос подает больше расхода, чем пропускает клапан, избыток должен вернуться в резервуар через предохранительный клапан системы. Этот избыточный поток пересекает предохранительный клапан при полном давлении в системе, преобразуя гидравлическую энергию непосредственно в тепло.
Трехходовые клапаны с компенсацией давления
Трехходовые клапаны с компенсацией давления добавляют третий порт, который перепускает избыточный поток насоса непосредственно в резервуар. Вместо того, чтобы нагнетать избыточный поток через предохранительный клапан высокого давления, компенсатор трехходового клапана отводит его через перепускное отверстие при давлении, лишь немного превышающем давление нагрузки. Это значительно снижает потери энергии.
Компенсатор в трехходовом клапане выполняет двойную функцию. Во-первых, он поддерживает постоянный перепад давления на дозирующем отверстии, как в двухходовом клапане. Во-вторых, когда расход насоса превышает установленный расход, компенсатор направляет излишек через байпасный порт. Ключевым отличием является давление, при котором происходит этот обход. Отведенный поток пересекает компенсатор при давлении нагрузки плюс настройке пружины компенсатора (обычно 10 бар), а не при давлении предохранительного клапана (которое может составлять 200 бар).
Предварительная компенсация и посткомпенсация в системах с несколькими приводами
Когда несколько клапанов управления гидравлическим потоком подключаются к одному насосу, положение компенсатора давления относительно золотника главного гидрораспределителя становится критическим. Эта, казалось бы, незначительная деталь конструкции определяет, будет ли система поддерживать плавное и скоординированное движение, когда расход насоса становится недостаточным для всех приводов.
Всистемы предварительной компенсации, компенсатор расположен перед золотником управления направлением движения. Каждая секция клапана компенсирует свой расход независимо. Это прекрасно работает, когда производительность насоса превышает общую потребность. Однако, когда вы одновременно управляете несколькими функциями и общая потребность превышает расход насоса, клапаны с предварительной компенсацией демонстрируют насыщение потока. Привод с наименьшим давлением нагрузки получает полный поток, в то время как приводы с высокой нагрузкой замедляются или полностью останавливаются.
Посткомпенсационные клапаны(также называемые системами независимого учета с учетом нагрузки или системами LUDV) размещайте компенсатор после распределительного клапана. Когда поток насоса насыщается, все компенсаторы пропорционально уменьшают свои отверстия. Такое разделение потока означает, что все приводы замедляются одновременно, сохраняя при этом свои передаточные числа. Для мобильных машин, требующих согласованного многоосного управления, посткомпенсация по существу обязательна.
| Тип клапана | Обработка избыточного потока | Энергоэффективность | Типичные применения | Ограничение |
|---|---|---|---|---|
| Двусторонняя компенсация | 92-98% (минимальные потери энергии) | Низкий (высокое тепловыделение) | Системы насосов переменной производительности | Не подходит для непрерывной работы со стационарными насосами. |
| Трехсторонняя компенсация | Байпасы в бак при давлении нагрузки | Средний (пониженный нагрев) | Стационарные насосные системы, непрерывный режим работы | Обычно только счетчик |
| Предварительная компенсация | Зависит от конструкции клапана | Середина | Одиночный привод или последовательная работа | Насыщение потока вызывает неравномерную реакцию привода |
| Посткомпенсация (LUDV) | Зависит от конструкции клапана | От среднего до высокого | Мобильное оборудование, координация нескольких исполнительных механизмов | Более высокая стоимость и сложность |
Клапаны делителя и сумматора потока
Когда гидравлической системе необходимо, чтобы два или более привода двигались с одинаковой скоростью, простые параллельные соединения не работают. Жидкость естественным образом следует по пути наименьшего сопротивления, то есть привод с наименьшей нагрузкой получает весь поток, в то время как другие останавливаются. Клапаны делителя потока решают эту проблему, механически или гидравлически заставляя поток разделяться в фиксированных пропорциях независимо от индивидуального давления нагрузки.
Делители потока золотникового типа
Делители потока золотникового типа используют датчик давления и регулируемое дросселирование для балансировки потока между выходами. Внутри корпуса клапана каждое выпускное отверстие имеет фиксированное отверстие, через которое должен проходить весь поток. После этих фиксированных отверстий давление в каждой ветви действует на противоположные концы сбалансированного золотника. Если одна ветвь начинает получать больший поток, перепад давления на ее фиксированном отверстии увеличивается, создавая дисбаланс, который смещает золотник. Это движение ограничивает сторону высокого расхода и открывает сторону низкого потока до тех пор, пока потоки не выровняются.
Точность деления качественных золотниковых клапанов достигает плюс-минус 2,5–5 процентов от общего расхода. Такая точность делает делители катушек пригодными для синхронизированных подъемных платформ, двухцилиндровых прессов и систем позиционирования, где цилиндры должны достигать конечных положений с точностью до миллиметров друг от друга. Однако недостатком золотниковых делителей является их чувствительность к загрязнениям. Частицы, попадающие в зазоры, вызывают застревание золотника, что снижает точность синхронизации.
Делители потока зубчатого типа
В делителях потока зубчатого типа применяется принципиально иной подход, основанный на принципах объемного вытеснения. Клапан состоит из двух или более зубчатых секций (аналогично мотор-редукторам), установленных на общем валу. Входящий поток поступает в общий вход и приводит в движение все зубчатые передачи. Поскольку вал механически соединяет все секции, они должны вращаться с одинаковой скоростью. Каждая секция шестерни вытесняет объем, пропорциональный ее настройке рабочего объема, вызывая разделение потока точно пропорционально передаточным числам.
Делители зубчатых колес отличаются эффективностью и надежностью, выдерживают уровни загрязнения до ISO 4406 20/18/15. Они идеально подходят для непрерывной работы, например, для синхронизации нескольких гидравлических двигателей в приводах конвейеров. Однако у них есть опасное свойство, называемое усилением давления. Если одно из выпускных отверстий блокируется, заблокированная секция действует как насос, создавая чрезвычайно высокое давление.На каждом выходе делителя передач должен быть предохранительный клапан.
| Характеристика | Делитель золотникового типа | Делитель зубчатого типа |
|---|---|---|
| Принцип работы | Измерение давления с регулируемым дросселированием | Поступательное перемещение с механической муфтой |
| Точность деления | от ±2,5% до ±5% | от ±5% до ±10% |
| Толерантность к загрязнению | ISO 4406 15/17/12 или выше | ISO 4406 18/20/15 приемлемо |
| Эффективность | 75-85% (выделение тепла) | quand |
| Критическое требование безопасности | Ничего сверх обычной защиты системы | Обязательные выпускные предохранительные клапаны для предотвращения интенсификации |
Картриджные и логические клапаны для применений с высоким расходом
По мере увеличения мощности гидравлических систем традиционные золотниковые клапаны становятся физически слишком большими. Клапаны регулирования расхода картриджного типа решают эту проблему, разделяя функцию клапана на небольшой логический элемент, вставленный в просверленный блок коллектора. Такой подход значительно уменьшает размер и вес, обеспечивая при этом гораздо более высокую пропускную способность в компактном корпусе.
Логические элементы двустороннего картриджа
Базовый двухходовой картриджный клапан состоит из тарельчатого элемента, установленного в резьбовом или вставном корпусе. В отличие от золотниковых клапанов, в которых для управления используются перекрывающиеся площадки, в картриджных клапанах используется затвор седлового типа. Управление потоком происходит за счет ограничения того, насколько далеко тарелка отрывается от своего седла. Пилотный клапан контролирует давление в верхней камере. Модулируя это управляющее давление, вы контролируете баланс сил на тарелке, который определяет размер отверстия.
Преимущества значительны. Во-первых, резко возрастает пропускная способность. Во-вторых, конструкция седла с нулевой утечкой исключает внутренние утечки, присущие золотниковым клапанам. В-третьих, один корпус картриджа становится направляющим клапаном, клапаном давления или клапаном потока, просто заменяя узел крышки пилотного клапана, установленный сверху.
Пропорциональное и сервоуправление потоком
Когда гидравлические системы интегрируются с системами ПЛК или ЧПУ, механическая регулировка уступает место электронным командным сигналам. Пропорциональные и сервоклапаны преобразуют электрические входные сигналы в точные выходные потоки.
Пропорциональные клапаны регулирования расхода
Пропорциональные клапаны заменяют винт ручной регулировки пропорциональным соленоидом. Вместо поворота ручки система управления посылает электрический сигнал, который генерирует электромагнитную силу для позиционирования золотника клапана. В современных лампах используются сигналы возбуждения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с наложенными частотами дизеринга. Эта высокочастотная вибрация поддерживает постоянное микродвижение пилотного золотника, устраняя статическое трение и уменьшая гистерезис до 1-2% или меньше.
Сервоклапаны для высокодинамичных применений
Сервоклапаны представляют собой вершину точности гидравлического управления. Вместо использования пропорционального соленоида, действующего непосредственно на главный золотник, сервоклапаны используют двухступенчатую конструкцию с моментным двигателем. Низкая движущаяся масса и минимальное механическое трение обеспечивают исключительную динамическую реакцию сервоклапанов. Частотная характеристика обычно превышает 100 Гц, что означает, что сервоклапан может точно воспроизводить командные сигналы, меняющиеся 100 раз в секунду.
| Параметр | Пропорциональный клапан | Сервоклапан |
|---|---|---|
| Тип привода | Пропорциональный соленоид (прямая сила) | Моментный двигатель с гидравлическим усилением |
| Частотная характеристика | 10–50 Гц (точка -3 дБ) | 100–200+ Гц (точка -3 дБ) |
| Гистерезис | 1-2% (с дизерингом); <0,5% (с LVDT) | <0,3% типично |
| Чувствительность к загрязнению | Умеренный (требуется ISO 4406 от 16.08.13) | Экстремальный (требуется ISO 4406 от 14.12.09) |
| Стоимость (относительная) | Умеренный | В 3-5 раз выше пропорционального |
Температурные эффекты и соображения вязкости
Типы гидравлических клапанов управления потоком по-разному реагируют на изменения температуры, поскольку вязкость жидкости резко меняется в зависимости от температуры. Гидравлические масла на минеральной основе обычно демонстрируют снижение вязкости вдвое при каждом повышении температуры на 25 градусов Цельсия. Для простых дроссельных клапанов это означает, что после прогрева оборудование может работать опасно быстро.
Конструкция отверстий с острыми краямипротиводействовать этой проблеме. При прохождении жидкости через отверстие с острой входной кромкой течение мгновенно переходит в турбулентный режим. В турбулентном потоке коэффициент расхода практически не зависит от вязкости. Вот почему в регулирующих клапанах расхода с компенсацией давления в измерительных секциях обычно используются отверстия с острыми краями.
Критерии выбора для различных приложений
Выбор среди различных типов гидравлических клапанов управления потоком требует анализа характеристик нагрузки, требований к точности, рабочего цикла и потребностей в энергоэффективности.
Оценка типа нагрузки
Резистивные нагрузки прекрасно работают с простыми дроссельными клапанами. Обгонные нагрузки (например, опускание тяжелого груза) требуют использования клапанов с компенсацией давления в сочетании с уравновешивающими клапанами. Для применений с сильно переменными нагрузками компенсация давления становится обязательной. Только клапаны с компенсацией давления могут обеспечить постоянную скорость подъема независимо от того, весит ли поддон 200 кг или 800 кг.
Вопросы энергоэффективности
Расчет стоимости неэффективности
Затраты на электроэнергию все чаще определяют выбор клапана. Представьте себе гидравлическую систему мощностью 50 лошадиных сил, работающую в две смены в день. Каждое повышение эффективности на 10% экономит примерно 3000–4000 долларов США в год на затратах на электроэнергию.
- Прерывистая работа:Простые двухходовые клапаны с компенсацией давления работают приемлемо.
- Средняя нагрузка:Используйте трехходовые клапаны с компенсацией давления, чтобы уменьшить выделение тепла.
- Непрерывная работа:Системы, чувствительные к нагрузке, в которых объем насоса автоматически подстраивается под потребности системы.
Заключение
Ассортимент гидравлических клапанов управления потоком отражает десятилетия инженерной эволюции, отвечающие различным требованиям применения. Простые игольчатые клапаны и дроссельные клапаны подходят для недорогих применений, где существует стабильность нагрузки. Клапаны с компенсацией давления обеспечивают постоянную скорость привода при переменных нагрузках. Клапаны делителя потока решают проблемы синхронизации нескольких приводов.
Понимание типов гидравлических клапанов регулирования расхода и принципов их работы позволяет инженерам создавать системы, отвечающие требованиям к производительности, без чрезмерного проектирования. Успешная конструкция гидравлической системы обеспечивает соответствие характеристик клапана реальным условиям эксплуатации с учетом изменений нагрузки, требуемой точности, рабочего цикла, загрязнения окружающей среды и общей стоимости владения, а не только цены покупки.
