Понимание схемы пропорционального клапана

Когда вы работаете с гидравлическими или пневматическими системами, понимание схем пропорциональных клапанов становится необходимым для проектирования, устранения неисправностей и обслуживания современного оборудования автоматизации. Схема пропорционального клапана показывает, как эти прецизионные компоненты контролируют поток и давление жидкости в ответ на электрические сигналы, устраняя разрыв между электронными системами управления и механическим движением.

В отличие от простых двухпозиционных клапанов, которые могут быть только полностью открыты или полностью закрыты, пропорциональные клапаны обеспечивают плавное управление в диапазоне от 0% до 100% открытия. Возможность непрерывной регулировки делает их незаменимыми для применений, требующих плавного ускорения, точного позиционирования и контролируемого приложения силы. Диаграммы, которые мы используем для обозначения этих клапанов, соответствуют стандартным символам, определенным в первую очередь стандартом ISO 1219-1, создавая универсальный язык, понятный инженерам во всем мире.

Чем отличается схема пропорционального клапана

Схема пропорционального клапана содержит особые символические элементы, которые сразу отличают ее от стандартных символов клапанов. Наиболее узнаваемой особенностью является символ пропорционального привода, который состоит из электромагнитной катушки, заключенной в коробку с двумя параллельными диагональными линиями, пересекающими ее. Эти диагональные линии являются ключевым идентификатором, который говорит вам, что этот клапан обеспечивает пропорциональное управление, а не простое переключение.

Пропорциональные клапаны регулирования давления, такие как пропорциональные предохранительные клапаны или редукционные клапаны, используют аналогичные условные обозначения. Основное отличие заключается в добавлении пропорционального электромагнитного привода и символа пружины регулирования давления. Когда вы видите эти элементы в сочетании с пунктирным треугольником, обозначающим OBE, вы знаете, что перед вами сложное устройство контроля давления с замкнутым контуром.

Сама оболочка клапана имеет несколько положений, обычно изображается как трехпозиционный четырехходовой клапан (конфигурация 4/3). В отличие от стандартных гидрораспределителей, на схемах пропорциональных клапанов часто показано центральное положение с частично совмещенными путями потока, что указывает на способность клапана непрерывно измерять поток, а не просто блокировать или полностью открывать отверстия.

Чтение символов пропорциональных клапанов ISO 1219-1

Стандарт ISO 1219-1 обеспечивает основу для гидравлических и пневматических принципиальных схем. Для пропорциональных клапанов этот стандарт определяет, как представлять различные типы клапанов и механизмы их управления. Символ пропорционального распределительного клапана включает в себя базовый корпус клапана с дозирующими насечками или треугольными символами на путях потока, указывающими на специально обработанные элементы, обеспечивающие точное управление потоком.

Эти механически обработанные элементы, часто треугольные выемки, вырезанные на золотнике клапана, имеют решающее значение для достижения высокой чувствительности расхода и линейности вблизи нулевого положения. Без этих геометрических модификаций клапан имел бы плохие характеристики управления при небольших корректировках из закрытого положения.

Пропорциональные клапаны регулирования давления, такие как пропорциональные предохранительные клапаны или редукционные клапаны, используют аналогичные условные обозначения. Основное отличие заключается в добавлении пропорционального электромагнитного привода и символа пружины регулирования давления. Когда вы видите эти элементы в сочетании с пунктирным треугольником, обозначающим OBE, вы знаете, что перед вами сложное устройство контроля давления с замкнутым контуром.

Пропорциональные клапаны регулирования расхода обычно обозначаются как двухпозиционные двухходовые клапаны или клапаны с регулируемым расходом, всегда отмеченные характерным приводом пропорционального регулирования. Эти клапаны работают с воздухом, газами, водой или гидравлическим маслом, что делает их универсальными компонентами промышленной автоматизации.

Как работают пропорциональные клапаны: электрогидравлическое преобразование

Фундаментальный принцип работы пропорционального клапана заключается в преобразовании электрического сигнала в точное механическое движение. Когда вы посылаете управляющий сигнал (обычно 0–10 В или 4–20 мА) на клапан, он проходит через встроенную электронику на пропорциональный соленоид. Соленоид создает магнитное поле, пропорциональное входному току, которое перемещает якорь или плунжер, соединенный с золотником или тарельчатым клапаном.

Многие современные пропорциональные клапаны используют управление с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В системах ШИМ управляющая электроника быстро включает и выключает напряжение на катушке соленоида. Регулируя рабочий цикл (отношение времени включения к общему времени цикла) клапан обеспечивает точное управление положением, а высокочастотное переключение (часто около 200 Гц) помогает преодолеть статическое трение в движущихся частях.

Этот сигнал подмешивания ШИМ служит важной цели, выходящей за рамки базового управления. Статическое трение между золотником клапана и отверстием может вызвать заедание и плохой отклик при низких уровнях сигнала. Непрерывная высокочастотная вибрация от дизеринга эффективно преобразует статическое трение в более низкое динамическое трение, значительно уменьшая мертвую зону и улучшая отзывчивость. Однако такое быстрое движение создает силы вязкого демпфирования, которые требуют тщательной компенсации конструкции с помощью трубок измерения давления и сбалансированной внутренней геометрии.

Разрыв в производительности между пропорциональными клапанами и сервоклапанами значительно сократился. Современные пропорциональные клапаны со встроенной обратной связью LVDT (линейный регулируемый дифференциальный трансформатор) достигают гистерезиса обычно ниже 8% и повторяемости в пределах 2%. Такой уровень производительности позволяет пропорциональным клапанам справляться со многими задачами, которые когда-то требовали дорогих сервоклапанов, примерно за половину стоимости.

Конструкции прямого действия и пилотные конструкции

Если вы внимательно изучите схемы пропорциональных клапанов, вы заметите структурные различия, которые указывают, используется ли клапан конструкции прямого действия или пилотного управления. Это различие существенно влияет на пропускную способность клапана и номинальное давление.

В пропорциональном клапане прямого действия электромагнитный якорь соединяется непосредственно с золотником или тарельчатым клапаном. Сила соленоида перемещает дозирующий элемент без помощи гидравлики. Такое прямое соединение обеспечивает превосходную точность управления и быстрое время отклика, обычно достигая времени отклика около 100 миллисекунд для размеров монтажного интерфейса NG6 (CETOP 3). Однако ограниченная выходная сила пропорциональных соленоидов ограничивает конструкции прямого действия умеренными расходами и давлениями.

Пропорциональные клапаны с пилотным управлением преодолевают эти ограничения за счет использования самой рабочей жидкости для перемещения золотника основного клапана. Пропорциональный соленоид управляет небольшой пилотной ступенью, которая направляет жидкость под давлением на больший главный золотник. Такое гидравлическое усиление позволяет клапанам с пилотным управлением выдерживать значительно более высокие скорости потока и давления, часто достигающие 315–345 бар (4500–5000 фунтов на квадратный дюйм). По этой причине в таких приложениях, как системы тяги туннелепроходческих машин и тяжелое мобильное оборудование, обычно используются пропорциональные клапаны с пилотным управлением.

Компромисс заключается во времени отклика. Клапаны с пилотным управлением обычно реагируют медленнее, чем конструкции прямого действия, поскольку пилотный сигнал должен сначала создать давление, прежде чем главный золотник начнет двигаться. Для клапанов с пилотным управлением NG10 (CETOP 5) время реакции на скачок часто увеличивается до 165 миллисекунд по сравнению со 100 миллисекундами для клапанов прямого действия NG6.

(90-95% натыйжалуулук - сапаттуу насостор үчүн типтүү диапазон)

Основой пропорционального управления является конструкция золотника клапана. Если вы посмотрите на схему пропорционального клапана в разрезе, вы заметите, что золотник имеет особые геометрические особенности, которые отличают его от стандартных золотников переключающего клапана.

Золотники пропорциональных гидрораспределителей обычно имеют треугольные выемки или точно обработанные канавки. Эти насечки обеспечивают постепенное начало потока по мере перемещения золотника из центрального положения, обеспечивая точные характеристики дозирования и улучшенную линейность вблизи нуля. Без этих особенностей золотник с острыми краями будет демонстрировать резкие изменения потока и плохой контроль при небольших перемещениях.

Перекрытие золотников — еще один критический параметр конструкции, часто указываемый на технических схемах и обычно отображаемый в процентах, например 10 % или 20 %. Перекрытие означает, насколько площадки золотника закрывают отверстия портов, когда клапан находится в центральном (нейтральном) положении. Контролируемое перекрытие помогает контролировать внутренние утечки и определяет зону нечувствительности клапана. Например, в серии D*FW компании Parker используются разные типы золотников: B31 обеспечивает перекрытие 10%, а типы E01/E02 обеспечивают перекрытие 20%.

Мертвая зона представляет собой величину управляющего сигнала, необходимую для создания первого движения золотника. Клапану с зоной нечувствительности 20 % требуется 20 % полного управляющего сигнала, прежде чем золотник начнет двигаться. Эта мертвая зона должна преодолевать силы статического трения (прилипания) и напрямую связана с конструкцией перекрытия золотника. Современные клапаны с OBE оснащены компенсацией мертвой зоны, установленной на заводе, которая гарантирует, что золотник начнет двигаться точно при минимальном электрическом входе, улучшая линейность, близкую к нулю.

Обратная связь по положению с датчиками LVDT

Высокопроизводительные пропорциональные клапаны оснащены датчиками линейного дифференциального трансформатора (LVDT) для обратной связи по положению. Когда вы видите символ обратной связи LVDT (часто показанный как модули датчиков S/U) на схеме пропорционального клапана, вы смотрите на клапан с замкнутым контуром, способный обеспечить значительно лучшую точность, чем конструкции с разомкнутым контуром.

LVDT механически соединяется с золотником клапана или якорем в сборе, непрерывно измеряя фактическое физическое положение. Этот сигнал положения возвращается обратно на встроенный контроллер или усилитель, который сравнивает его с заданным положением. Затем контроллер регулирует ток соленоида для поддержания желаемого положения золотника, активно компенсируя внешние силы, механическое трение и эффекты гистерезиса.

Гистерезис пропорциональных клапанов представляет собой присущую им нелинейность, вызванную, главным образом, остаточным магнетизмом и трением. Когда вы увеличиваете управляющий сигнал, клапан открывается в несколько иных точках, чем при уменьшении сигнала, создавая характерную петлю на кривой зависимости расхода от тока. Ширина этой петли гистерезиса напрямую влияет на точность управления.

Обратная связь LVDT решает эту проблему путем измерения фактического положения золотника, а не определения его только на основе входного тока. Встроенная электроника непрерывно регулирует ток соленоида в зависимости от ошибки между измеренным и заданным положениями, эффективно устраняя ошибки позиционирования, вызванные магнитным гистерезисом и трением. Такое управление с обратной связью обычно снижает гистерезис до уровня ниже 8% от полного диапазона по сравнению с 15-20% и более для пропорциональных клапанов с открытым контуром.

Архитектуры управления с разомкнутым и замкнутым контуром

Схемы пропорциональных клапанов часто встречаются в более крупных схемах системы, демонстрирующих полную архитектуру управления. Понимание того, использует ли система управление с разомкнутым или замкнутым контуром, влияет как на ожидания производительности, так и на подходы к устранению неполадок.

В системе управления движением с разомкнутым контуром электронный контроллер отправляет опорный сигнал приводу клапана (усилителю), и клапан модулирует гидравлические параметры только на основе этого сигнала. Никакие измерения фактического выхода (расход, положение или давление) не возвращаются в контроллер. Эта простая архитектура адекватно работает во многих приложениях, но остается уязвимой к дрейфу клапана, изменениям нагрузки, температурным воздействиям и гистерезису.

Системы управления движением с обратной связью включают в себя дополнительный датчик обратной связи, измеряющий фактический выходной параметр. Для приложения позиционирования это может быть датчик положения цилиндра (LVDT или магнитострикционный датчик). Для контроля давления датчик давления обеспечивает обратную связь. Электронный контроллер, обычно реализующий ПИД-регулирование (пропорционально-интегрально-дифференциальное), сравнивает желаемое заданное значение с фактической обратной связью и непрерывно корректирует управляющий сигнал клапана, чтобы минимизировать ошибку.

Заслуживает внимания различие между обратной связью на уровне клапана (LVDT на золотнике) и обратной связью на уровне системы (датчик положения цилиндра). Пропорциональный клапан с внутренней обратной связью LVDT точно контролирует положение золотника, но не измеряет напрямую положение цилиндра или давление. Для обеспечения максимальной точности в системах используются оба варианта: LVDT обеспечивает точное позиционирование золотника клапана, а внешние датчики замыкают контур вокруг фактической переменной процесса (положения, давления или скорости).

Современная интегрированная электроника (ОБЕ) существенно упрощает установку системы. Этим клапанам требуется только стандартное питание 24 В постоянного тока и маломощный командный сигнал. Встроенная электроника занимается формированием сигнала, преобразованием мощности (часто создавая рабочее напряжение ±9 В постоянного тока от источника питания 24 В постоянного тока), обработкой сигналов LVDT и ПИД-регулированием. Заводская калибровка обеспечивает стабильную работу нескольких клапанов без настройки на месте, сокращает время установки и устраняет нестабильность, вызванную регулировкой внешнего усилителя.

Кривые производительности и динамические характеристики

Технические характеристики пропорциональных клапанов включают несколько кривых производительности, которые количественно определяют динамическое и установившееся поведение. Понимание того, как читать эти графики, помогает как при выборе клапана, так и при устранении неполадок.

Кривая гистерезиса отображает зависимость скорости потока от управляющего тока, показывая характеристическую петлю, которая формируется при увеличении тока (открытие клапана) и уменьшении тока (закрытие клапана). Ширина этой петли, выраженная в процентах от общего входного диапазона, указывает на повторяемость работы клапана. Качественные пропорциональные клапаны достигают гистерезиса менее 8 %, что означает, что разница между путями открытия и закрытия составляет менее 8 % от полного диапазона управляющего сигнала.

Системы управления движением с обратной связью включают в себя дополнительный датчик обратной связи, измеряющий фактический выходной параметр. Для приложения позиционирования это может быть датчик положения цилиндра (LVDT или магнитострикционный датчик). Для контроля давления датчик давления обеспечивает обратную связь. Электронный контроллер, обычно реализующий ПИД-регулирование (пропорционально-интегрально-дифференциальное), сравнивает желаемое заданное значение с фактической обратной связью и непрерывно корректирует управляющий сигнал клапана, чтобы минимизировать ошибку.

Характеристики зоны нечувствительности отображаются на графиках, показывающих минимальный управляющий сигнал, необходимый для начального движения золотника. Клапану с зоной нечувствительности 20 % требуется одна пятая полного сигнала, прежде чем начнется поток. Эта мертвая зона существует для преодоления статического трения и связана с конструкцией перекрытия золотника. Без надлежащей компенсации зоны нечувствительности клапан имеет низкую разрешающую способность управления вблизи центра, что затрудняет точное позиционирование.

Загрязнение и износ напрямую влияют на кривые производительности предсказуемым образом. Поскольку частицы накапливаются между золотником и отверстием, статическое трение увеличивается. Это проявляется в расширении петли гистерезиса и увеличении зоны нечувствительности. Периодически составляя графики фактических характеристик расхода-тока и сравнивая их с заводскими спецификациями, группы технического обслуживания могут обнаружить деградацию до того, как она приведет к сбоям в системе. Когда гистерезис превышает указанные пределы на 50 % и более, клапан обычно требует очистки или замены.

Системная интеграция и прикладные схемы

Схемы пропорциональных клапанов обретают полный смысл, если рассматривать их внутри законченных гидравлических контуров. Типичная схема гидравлической системы позиционирования с замкнутым контуром включает силовой агрегат (насос и резервуар), пропорциональный гидрораспределитель, гидроцилиндр в качестве привода и датчик положения, обеспечивающий обратную связь.

Принципиальные схемы показывают падение давления в отверстиях клапана (часто обозначаемых как ΔP₁ и ΔP₂), иллюстрируя, как измерение расхода контролирует баланс сил на приводе. Для цилиндра с соотношением площадей 2:1 (различные площади поршня и штока) клапан должен учитывать требования к дифференциальному расходу во время выдвижения и втягивания. Схема пропорционального клапана показывает, какие конфигурации портов обеспечивают плавное движение в обоих направлениях.

При литье под давлением гидравлические пропорциональные клапаны точно контролируют силу зажима, скорость впрыска и профили давления на протяжении всего цикла литья. Эти приложения требуют нескольких пропорциональных клапанов, работающих в скоординированной последовательности, что отражено в сложных принципиальных схемах, показывающих клапаны регулирования давления для зажима, клапаны управления потоком для скорости впрыска и управление направлением движения формы.

В передвижном оборудовании, таком как краны и разводные мосты, используются гидравлические системы с замкнутым контуром, в которых пропорциональные клапаны управляют производительностью насоса переменной производительности. Регулируя рабочий объем насоса, а не рассеивая энергию через дроссельные клапаны, эти системы достигают более высокой эффективности. На принципиальных схемах обычно показан подпиточный насос, поддерживающий давление от 100 до 300 фунтов на квадратный дюйм в ветви низкого давления основного контура, с пропорциональными клапанами, управляющими направлением, ускорением, замедлением, скоростью и крутящим моментом без отдельных элементов управления давлением или расходом.

Соображения энергоэффективности сильно влияют на философию проектирования схем. Традиционные пропорциональные распределительные клапаны обеспечивают управление посредством дросселирования, которое преобразует гидравлическую энергию в тепло через дозирующие отверстия. Такое диссипативное управление обеспечивает превосходную точность регулирования, но требует адекватной мощности охлаждения жидкости. Напротив, управление переменным объемом сводит к минимуму потери энергии за счет регулировки источника, а не рассеивания избыточного потока через предохранительные клапаны. Конструкторы должны сбалансировать простоту управления дросселированием и повышение эффективности за счет подходов с переменным рабочим объемом.

Устранение неисправностей систем пропорциональных клапанов

Ухудшение характеристик пропорциональных клапанов обычно проявляется в виде изменений характеристических кривых, обсуждавшихся ранее. Понимание этих видов отказов помогает разработать эффективные диагностические процедуры.

Загрязнение представляет собой наиболее распространенную причину проблем с пропорциональным клапаном. Частицы размером всего 10 микрометров могут мешать движению золотника, вызывая залипание (высокое статическое трение), для преодоления которого требуется увеличение начального тока. Это проявляется в увеличении мертвой зоны и расширении петель гистерезиса. Поддержание чистоты гидравлической жидкости в соответствии со стандартами чистоты ISO 4406 (обычно 19/17/14 или выше для пропорциональных клапанов) предотвращает большинство неисправностей, связанных с загрязнением.

Проблемы с дрейфом и утечками возникают из-за износа уплотнений или внутреннего износа клапана. По мере разрушения уплотнений внутренняя утечка приводит к смещению привода, даже когда клапан находится по центру. Температура существенно влияет на характеристики уплотнения. Высокие температуры разжижают жидкость и разрушают материалы уплотнений, тогда как низкие температуры увеличивают вязкость и снижают гибкость уплотнений, что приводит к проблемам с контролем.

Весенняя усталость от непрерывной езды на велосипеде и термического воздействия проявляется как медленный или неполный возврат в центральное положение. Центрирующие пружины, которые возвращают золотник в нейтральное положение, постепенно теряют силу в течение миллионов циклов, что требует возможной замены или ремонта клапана.

Схема систематического поиска и устранения неисправностей обычно начинается с электрической проверки. Проверьте напряжение источника питания (обычно 24 В постоянного тока ±10%), уровни командных сигналов и целостность проводки. Измерьте сопротивление соленоида, чтобы обнаружить неисправности катушки. Многие модели клапанов с OBE имеют диагностические выходы, указывающие на внутренние неисправности.

Механическая диагностика включает в себя испытание давлением в портах клапана. Большие падения давления на клапане (выходящие за пределы технических характеристик) указывают на засорение или внутренний износ. Измерение расхода помогает убедиться в том, что фактический расход соответствует требованиям системы при заданных управляющих сигналах. Мониторинг температуры выявляет перегрев из-за чрезмерного регулирования или недостаточного охлаждения.

Программы профилактического обслуживания должны включать периодическую проверку производительности. Ежегодно составляя графики фактических характеристик расхода-тока и сравнивая их с базовыми измерениями, группы технического обслуживания могут отслеживать постепенное ухудшение характеристик. Если измеренный гистерезис превышает исходную спецификацию на 50 %, запланируйте очистку или замену клапана во время следующего периода технического обслуживания, а не дожидайтесь полного отказа.

Выбор правильного пропорционального клапана

Когда вы проектируете систему или заменяете компоненты, выбор пропорционального клапана требует баланса нескольких технических параметров с ограничениями по стоимости и пространству.

• Пропускная способность на первом месте.Рассчитайте требуемую скорость привода и умножьте на площадь поршня, чтобы определить расход. Добавьте запас прочности (обычно 20–30 %) и выберите клапан с номинальным расходом, соответствующим этому требованию или превышающим его. Помните, что пропускная способность клапана зависит от перепада давления на клапане; всегда проверяйте кривые расхода при вашем рабочем перепаде давления.
• Номинальное давление должно превышать максимальное давление в системе.с достаточным запасом прочности. Большинство промышленных пропорциональных клапанов выдерживают давление 315 бар (4500 фунтов на квадратный дюйм) на основных портах, что достаточно для типичной мобильной и промышленной гидравлики. Для приложений с более высоким давлением могут потребоваться сервоклапаны или специальные пропорциональные конструкции.
• Совместимость сигналов управления имеет значениедля системной интеграции. Большинство современных клапанов принимают сигналы напряжения (±10 В) или тока (4–20 мА). Сигналы напряжения хорошо работают на коротких участках кабеля, тогда как сигналы тока устойчивы к электрическим помехам на больших расстояниях. Убедитесь, что выход вашего контроллера соответствует требованиям к входу клапана, или запланируйте соответствующее преобразование сигнала.
• Требования ко времени ответазависит от динамики вашего приложения. Для медленно движущегося оборудования, такого как прессы или позиционирующие платформы, достаточно отклика в 100–150 миллисекунд. Для высокоскоростных применений, таких как литье под давлением или системы активной подвески, вместо этого могут потребоваться сервоклапаны с откликом менее 20 миллисекунд.
• Экологические соображениявключают диапазон рабочих температур, виброустойчивость и ориентацию монтажа. Клапаны с OBE обеспечивают превосходную виброустойчивость, поскольку электроника монтируется непосредственно на корпус клапана, что исключает уязвимые кабельные соединения между клапаном и усилителем. Рабочая температура обычно находится в диапазоне от -20°C до +70°C для стандартных конструкций, однако доступны специальные версии для экстремальных условий.

Будущее технологии пропорциональных клапанов

Технология пропорциональных клапанов продолжает развиваться в направлении повышения производительности и более разумной интеграции. Современные конструкции все чаще включают расширенную диагностику, обеспечивающую мониторинг работоспособности в режиме реального времени и возможности профилактического обслуживания. Протоколы связи, такие как IO-Link, позволяют пропорциональным клапанам сообщать подробные рабочие данные, включая количество циклов, температуру, внутреннее давление и обнаруженные неисправности.

Сближение характеристик пропорциональных и сервоклапанов продолжается. По мере того, как производители пропорциональных клапанов повышают точность обработки золотников и внедряют усовершенствованные алгоритмы управления в системах КБО, разрыв в производительности сокращается. Для многих применений, которые когда-то требовали дорогостоящих сервоклапанов, современные пропорциональные клапаны с обратной связью LVDT теперь обеспечивают достаточную точность и повторяемость при значительно меньших затратах.

Энергоэффективность стимулирует инновации как в конструкции компонентов, так и в конструкции систем. Новая геометрия клапана минимизирует перепады давления, сохраняя при этом точность управления, снижая выделение тепла и энергопотребление. Улучшения на уровне системы включают интеллектуальные стратегии управления, которые координируют работу нескольких пропорциональных клапанов для оптимизации общего использования энергии, а не управляют каждым клапаном независимо.

Понимание схем пропорциональных клапанов обеспечивает основу для эффективной работы с современным автоматизированным оборудованием. Независимо от того, разрабатываете ли вы новые системы, устраняете неполадки в существующих установках или выбираете компоненты для модернизации, возможность интерпретировать эти стандартизированные символы и их значения дает вам критическое представление о поведении системы и характеристиках производительности. Диаграммы представляют собой не просто статические символы компонентов, но отражают десятилетия инженерных усовершенствований в технологии электрогидравлического управления.