Luento 10. Virtaventtiilit Vastusventtiilit Virransäätöventtiilit Virranjakoventtiilit. BK60A0100 Hydraulitekniikka

Transkriptio

1 Luento 10 Virtaventtiilit Vastusventtiilit Virransäätöventtiilit Virranjakoventtiilit BK60A0100 Hydraulitekniikka 1

2 Yleistä Toimilaitteen liikenopeus määräytyy sen syrjäytystilavuuden ja sille tuotavan tilavuusvirran perusteella Säätötilavuuksisten rakenteiden liikenopeuteen voidaan vaikuttaa kierrostilavuutta muuttamalla Vakiotilavuuksisilla rakenteilla ainoa keino vaikuttaa liikenopeuteen on muuttaa toimilaitteelle tuotavaa tilavuusvirtaa Tilavuusvirtaan voidaan vaikuttaa joko säätämällä pumpun tuottoa tai kuristamalla toimilaitevirtausta BK60A0100 Hydraulitekniikka 2 2

3 Kuristussäätö Liikenopeuden säätäminen kuristamalla edellyttää järjestelmään tuotetun tarpeettoman tilavuusvirran ohjausta muualle järjestelmään Aiheutuu tehohäviö suuruus riippuu paineenrajoitusventtiilin ominaisuuksista ja säiliöön ohjatun tilavuusvirran määrästä Kuristussäätöä käytetään haittojen takia lähinnä vain pieni- ja keskitehoisissa järjestelmissä Toimilaitteen nopeuteen vaikuttavat Paine-ero kuristuksen yli Kuristusaukon hydraulinen halkaisija Nesteen ominaisuudet Säätötavan etuina Alhaiset hankintakustannukset Säädön yksinkertaisuus Säätö riippumaton toimilaitteen kuormituksen ja nesteen ominaisuuksien muutoksista BK60A0100 Hydraulitekniikka 3 3

4 Häviöt Kuristin asennettu tulokanavaan sarjaan toimilaitteen kanssa P h Q1 (p1 p2 ) Q2 p s P h = häviöteho [W] Q 1 = kuristuksen kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] p 1 = paine ennen kuristusta [Pa] p 2 = paine kuristuksen jälkeen [Pa] Q 2 = paineenrajoitusventtiilin kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] p s = paineenrajoitusventtiilin asetuspaine [Pa] p 1 p s p v p v = paineenrajoitusventtiilin ja kuristimen välisessä virtauskanavassa syntvä painehäviö. Käytännössä suuntaventtiilin painehäviö Säätötavan aiheuttama tehohäviö on aina suurempi, kun kasvatetaan: Toimilaitteen liikenopeuden poikkeamaa pumpun mahdollistamasta maksiminopeudesta Vallitsevan kuormituksen poikkeamaa järjestelmälle sallitusta maksimiarvosta Käytetään, kun ulkoisen kuorman vaikutus on toimilaitteen liikesuunnalle vastakkainen BK60A0100 Hydraulitekniikka 4 4

5 Häviöt Kuristin asennettu lähtökanavaan sarjaan toimilaitteen kanssa P h = häviöteho [W] P Q 3 = kuristuksen kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] p 1 = paine ennen kuristusta [Pa] p 2 = paine kuristuksen jälkeen [Pa] h Q3 (p1 p2 ) Q2 p s Q 2 = paineenrajoitusventtiilin kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] p s = paineenrajoitusventtiilin asetuspaine [Pa] p1 (A 1/A3 ) (p pv ) (F/A s 3 p v = paineenrajoitusventtiilin ja kuristimen välisessä virtauskanavassa syntvä painehäviö [Pa] Käytännössä suuntaventtiilin painehäviö A 1 = männän poikkipinta-ala [m 2 ] A 3 = männän rengaspinta-ala [m 2 ] F = kuormavoima [N] Säätötavan aiheuttama tehohäviö on aina suurempi, kun kasvatetaan: Toimilaitteen liikenopeuden poikkeamaa pumpun mahdollistamasta maksiminopeudesta Vallitsevan kuormituksen poikkeamaa järjestelmälle sallitusta maksimiarvosta Käytetään, kun ulkoisen kuorman suunta vaihtelee tai on jatkuvasti sama kuin toimilaitteen liikesuunta Jos toimilaitteena 1-puol. männänvarrella varustettu sylinteri -> Ongelmia ) BK60A0100 Hydraulitekniikka 5 5

6 Häviöt Ohivirtauksen kuristaminen -> Parempi hyötysuhde P h = häviöteho [W] Q 1 = kuristuksen kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] p 1 = paine ennen kuristusta [Pa] p 2 = paine kuristuksen jälkeen [Pa] P h Q 1 (p 1 p 2 ) Käytännössä suuntaventtiilin painehäviö Säätötavan aiheuttama tehohäviö: Toimilaitteen liikenopeuden poikkeama pumpun mahdollistamasta maksiminopeudesta Kuormitustilanne ei aiheuta tehohäviötä p 1 1 (F/A ) p m p m = miinuskammiossa vallitseva paine [Pa] A 1 = männän poikkipinta-ala [m 2 ] F = kuormavoima [N] Toimilaitevirtaus l. liikenopeus vakio -> Pumpun tuoton tulee pysyä vakiona Nopeudensäädön tarkkuutta heikentävät myös suuntaventtiilin vuodot vaihtelevat kuormitustilanteen mukaan BK60A0100 Hydraulitekniikka 6 6

7 Kytkentöjä Toimilaitteen plusliikkeen nopeudensäätö Toimilaitteen miinusliikkeen nopeudensäätö BK60A0100 Hydraulitekniikka 7 7

8 Kuristustyypit 4 Q d (p p l ) 2 Q d 2 (p p ) Q = kuristuksen kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] d = kuristuksen halkaisija [m] p 1 = paine ennen kuristusta [Pa] p 2 = paine kuristuksen jälkeen [Pa] l = kuristusmatkan pituus [m] = nesteen dynaaminen viskositeetti [Pa s] µ = purkautumiskerroin = nesteen tiheys [kg/m3] BK60A0100 Hydraulitekniikka 8 8

9 Kuristusmuotoja Säädettävä kuristin Tarkoituksellisesti vaikutetaan liikenopeuteen Muuttamalla hydraulista halkaisijaa Istukka- tai luistirakenne, monia toteutustapoja BK60A0100 Hydraulitekniikka 9 9

10 Virtaventtiilit Tilavuusvirran ohjaukseen ja säätöön tarkoitettuja kuristuksia Jaetaan toimintansa perusteella - Vastusventtiilit - Virransäätöventtiilit - Virranjakoventtiilit BK60A0100 Hydraulitekniikka 10 10

11 Vastusventtiilit BK60A0100 Hydraulitekniikka 11 11

12 Vastusventtiilit - Viskositeetista riippuva - Venttiilin aiheuttama painehäviö, kun kuristus täysin avoin - Viskositeetin vaikutus vähäinen - Venttiilin läpäisy eri asetusarvoilla ja paine-eroilla BK60A0100 Hydraulitekniikka 12 12

13 Vastusventtiilit Em. Vastusventtiileillä ohjataan toimilaitteiden nopeuksia sijoittamalla ne sarjaan toimilaitteen kanssa -> vaikuttavat molempien suuntien nopeuksiin Rinnankytkennällä huonot ohjausominaisuudet (kuorman hallittavuus) Kytkentä sarjaan ja haluttu ohjausvaikutus vain toisessa liikesuunnassa -> kytketään vastuksen rinnalle vastaventtiilillä varustettu ohivirtauskanava Vastusvastaventtiili BK60A0100 Hydraulitekniikka 13 13

14 Vastus- vastusvastaventtiileitä käytetään Päävirtaohjauksiin Vastusventtiilit Komponenttien sisäisiin ohjauksiin (2-asteiset suunta- ja paineventtiilit) Järjestelmät, joissa kuormitusvaihteluilla johtuvalla liikenopeuden muuttumisella ei merkitystä (tai jopa toivottavaa) Vastusventtiilin ominaisuudet Ohjattava toimilaite liikkuu vakionopeudella Vaikuttaa toimilaitteen liikenopeuteen jo liikkeelle lähdettäessä Koot: muiden komponenttien sisälle asennettavista vakiovastuksista -> suuret putkistoasenteiset säätö- tai vakiovastukset Päätehovirtauksen ohjaukseen kokoluokat NS 6 - NS L/min / MPa BK60A0100 Hydraulitekniikka 14 14

15 Virransäätöventtiilit Vaikutetaan tilavuusvirtojen suuruuteen -> toimilaitteiden liikenopeuksiin Saadaan kuormituksen ja paineen vaihteluista riippumaton toimilaitteen liikenopeus Venttiilin läpäisy asetetaan venttiilissä olevan mittakuristimen virtauspoikkipinta-alan avulla halutulle tasolle Säätöpiiri pitää asetetun tilavuusvirran vakiona, kun tietyt venttiilin toiminnan kannalta välttämättömät ehdot täyttyvät Ulkoisista olosuhteista riippumaton tilavuusvirta -> venttiilissä olevan säätöpiirin tulee Jaetaan - kompensoida ulkoisten olosuhteiden muutokset - ylläpitää vakio-olosuhteita kuristimen yli. - 2-tieventtiileihin: painekompensaattori on kytketty sarjaan mittakuristimen kanssa - 3-tieventtiileihin: kompensaattori on kytketty rinnan mittakuristimen kanssa. Rakenteet poikkeavat sekä toimintaominaisuuksiltaan että käyttömahdollisuuksiltaan BK60A0100 Hydraulitekniikka 15 15

16 2-tievirransäätöventtiilit Ohjataan mittakuristimen yli vaikuttavalla paine-erolla Tasapainoyhtälö p 2 p A p3 mk A F j p2 p3 F j A Fj = kompensaattorijousen voima [N] A = ohjauspaineen alainen pinta-ala [m 2 ] p mk = paine-ero mittakuristimen yli [Pa] Ei virtausta venttiilin läpi -> mittakuristimessa ei synny painehäviötä -> vaikuttavat ohjauspaineet yhtäsuuret -> kompensaattori lepoasentoon jousivoimalla -> mahd. pieni kuristus BK60A0100 Hydraulitekniikka 16 16

17 2-tievirransäätöventtiilit Ohjataan mittakuristimen yli vaikuttavalla paine-erolla Tasapainoyhtälö p 1 p A p2 mk A F j p1 p2 F j A Fj = kompensaattorijousen voima [N] A = ohjauspaineen alainen pinta-ala [m 2 ] p mk = paine-ero mittakuristimen yli [Pa] Ei virtausta venttiilin läpi -> mittakuristimessa ei synny painehäviötä -> vaikuttavat ohjauspaineet yhtäsuuret -> kompensaattori lepoasentoon jousivoimalla -> mahd. pieni kuristus BK60A0100 Hydraulitekniikka 17 17

18 2-tievirransäätöventtiilit Painekompensaattorin toiminnan edellytykset: Paine-ero p mk mittakuristimessa -> Painevoima > jousen esikiristysvoima F jek -> Edellyttää riittävää tilavuusvirtaa venttiilille Kun p mk < p min Venttiili toimii vastusventtiilinä -> Venttiilin läpäisy riippuu paine-erosta mittakuristimen yli Kun p mk > p max Ominaiskäyrät eri mittakuristimen asetuksilla Kuristus sallii läpivirtauksen -> venttiili toimii kuten vastusventtiili BK60A0100 Hydraulitekniikka 18 18

19 2-tievirransäätöventtiilit Alkutilassa ei virtausta -> kompensaattori lepoasennossa -> merkityksetön kuristus Pumpun tuotto venttiilille -> hetkellisesti asetettua suurempi läpäisy Kompensaattori paine-eroa vastaavaan asemaan -> haluttu tilavuusvirta Lähtöryntäystä vaimennetaan esim. hidastamalla suuntaventtiiliä Kuormittava voima vaihtelee -> paine sylinterissä p 3 vaihtelee Asettunut painekompensaattori ja mittakuristin aiheuttaa suuren painehäviön -> paine p 1 nousee -> paineenrajoitusventtiili avautuu Ylimääräinen virtaus säiliöön -> toimilaitteelle vakiotilavuusvirta Kuormitus vaihtelee -> kompensaattori muuttaa asemaansa -> kuristus muuttuu -> paine p 2 seuraa sylinterin painetta -> erotus vakio -> tilavuusvirta pysyy vakiona BK60A0100 Hydraulitekniikka 19 19

20 2-tievirransäätöventtiilit Ei kykene seuraamaan hyvin nopeita kuormituksen vaihteluita Toimilaitteen nopeus poikkeaa halutusta siirtymäajan -> suurempi kuormituksen vaihtelu -> suurempi virhe Toimivat virransäätöventtiileinä vain toiseen suuntaan Toiseen suuntaan toimivat vastusventtiileinä Tavallisesti varustetaan ohivirtauskanavalla Liikenopeuksien säädössä samat kytkennät kuin vastusventtiileille esitetty Häviötehon laskenta kuten vastusventtiileille esitetty Huom. Yhtälöissä p 2 on paine lähtöliitännässä Yleisimmät kokoluokat NS 6 - NS L/min / MPa BK60A0100 Hydraulitekniikka 20 20

21 3-tievirransäätöventtiilit Ohjataan mittakuristimen yli vaikuttavalla paine-erolla Kompensaattorikuristus muodostaa toimilaitekanavalle rinnakkaisen virtauskanavan Paineohjaus päinvastainen vs. 2-tieventtiili Ei virtausta venttiilin läpi -> mittakuristimessa ei synny painehäviötä -> vaikuttavat ohjauspaineet yhtäsuuret -> kompensaattori suljettuun lepoasentoon jousivoimalla Tasapainoyhtälö p BK60A0100 Hydraulitekniikka p 1 A p3 mk A p1 p3 F j F j A Fj = kompensaattorijousen voima [N] A = ohjauspaineen alainen pinta-ala [m 2 ] p mk = paine-ero mittakuristimen yli [Pa]

22 3-tievirransäätöventtiilit Alkutilassa ei virtausta -> kompensaattori lepoasennossa -> ohivirtauskanava suljettu Pumpun tuotto venttiilille -> hetkellisesti asetettua suurempi läpäisy Kompensaattori paine-eroa vastaavaan asemaan -> haluttu toimilaitevirtaus Lähtöryntäystä vaimennetaan esim. hidastamalla suuntaventtiiliä Kuormittava voima vaihtelee -> paine sylinterissä p 3 vaihtelee Paine-ero mittakuristimen avulla vakiona -> tuloliitännän paine p 1 vaihtelee -> toimilaitteelle menevä tilavuusvirta vakiona Ylimääräinen virtaus painekompensaattorin kautta säiliöön Pumpun lähtöliitännässä vallitseva paine riippuu toimilaitteen kuormituksesta ja mittakuristimen aiheuttamasta painehäviöstä BK60A0100 Hydraulitekniikka 22 22

23 3-tievirransäätöventtiilit Voidaan säätää ainoastaan toimilaitteelle menevää virtausta - toiminta edellyttää paineet p 1 ja p 3 lähes yhtä suuria Säädön aiheuttama tehohäviö P h Q 1 (p 1 p 3 ) Q 2 (p 1 p 2 ) P h = häviöteho [W] Q 1 = mittakuristimen kautta kulkeva tilavuusvirta [m 3 /s] p 1 = paine venttiilin tuloliitännässä [Pa] p 3 = paine venttiilin lähtöliitännässä [Pa] Q 2 = painekompensaattorin kautta järjestelmästä poistuva tilavuusvirta [m 3 /s] p 2 = paine järjestelmästä poistuvan virtauksen lähtöliitännässä [Pa] Ominaisuudet ja sijoitusmahdollisuudet -> käytetään kohteissa, joissa kuormitus positiivinen Jos useita erillisiä rinnankytkettyjä toimilaitteita -> toimintatapa ei mahdollista kytkentää BK60A0100 Hydraulitekniikka 23 23

24 Virranjakoventtiilit Tavallisimmin 1:1 Myös muut jakosuhteet mahdollisia a) Yksitoimiset; vastakkaissuuntainen virtaus ei mahdollinen b) Yksitoimiset; vastakkaissuuntainen virtaus kuristuksetta c) Kaksitoimiset; virtausten säätö sekä jako- että yhdistymissuunnissa BK60A0100 Hydraulitekniikka 24 24

25 Virranjakoventtiilit Ohjataan paineilla p 2 ja p 3 Paine p 2 pyrkii vähentämään kuristusta A-kanavassa ja lisäämään kuristusta B-kanavassa Paine p 3 päinvastoin Painekompensaattorin tulee pitää paineet p 2 ja p 3 yhtäsuurina -> Paine-erot mittakuristimien yli pysyvät yhtä suurina Tulovirtauksen jakautuminen A- ja B-kanaviin riippuu mittakuristimien pintaalasuhteesta BK60A0100 Hydraulitekniikka 25 25

26 2-tievirransäätöventtiili Painekompensaattori mittakuristimen jälkeen Valmistaja: Mannesmann Rexroth GmbH

27 2-tievirransäätöventtiili Painekompensaattori ennen mittakuristinta Varustettu vastaventtiilillä Valmistaja: Mannesmann Rexroth GmbH