W kolejnym tekście z cyklu vademecum pomówimy o drugim po pompie podstawowym elemencie składowym każdego układu hydraulicznego, czyli zaworze przelewowym. Co prawda w tytule pada jeszcze nazwa redukcyjny, ale jest to z mojej strony pewna prowokacja, która ma nas wprowadzić w temat.
Otóż każdy zawór przelewowy może być redukcyjnym, natomiast żaden zawór redukcyjny nie może być przelewowym.
Co to jest zawór przelewowy?
Zawór przelewowy służy do regulacji ciśnienia oleju w układzie hydraulicznym lub jego redukcji w określonym fragmencie tego układu.
Najprostszy sposób wytworzenia ciśnienia to spiętrzenie cieczy w pionowym naczyniu. W zależności od wysokości słupa cieczy na dnie naczynia będziemy mieli do czynienia z ciśnieniem. (na przykład dla wody będzie to jeden bar dla słupa wody wysokości 10m rys. 1 ) Ciśnienie takie nazywamy hydrostatycznym. Gdybyśmy wyobrazili sobie że do dna rury ustawionej pionowo podłączymy pompę jak na rys 1, to w przewodzie między pompą a rurą uzyskamy ciśnienie związane z wysokością słupa cieczy w rurze. Jeżeli pompa będzie w stanie wytworzyć wyższe ciśnienie niż wytworzone przez słup cieczy to ciecz zacznie się przelewać przez szczyt rury. Jest to najprostszy sposób ustalenia ciśnienia roboczego układu hydraulicznego.
Rys 1
Taki sposób wytwarzania ciśnienia z punktu widzenia praktycznego jest bardzo niewygodny bo wyobraźmy sobie że musimy wytworzyć ciśnienie 160 bar, co w hydraulice siłowej nie jest niczym nadzwyczajnym, jaką rurę musieli byśmy postawić w pionie aby uzyskać takie ciśnienie? Dlatego do praktycznych zastosowań wykorzystywane są właśnie zawory przelewowe.
Ciśnienie panujące w każdym układzie hydraulicznym jest stosunkiem wydajności pompy do zapotrzebowania układu i wszystkich jego przecieków. Jak to rozumieć? Rozważmy najprostszy z możliwych układów hydraulicznych (rys. 2). Składa się z pompy 3, manometru 1 i zaworu z możliwością regulacji przepływu 2 .
Rys. nr 2
W praktyce nie spotykamy takich układów, ale do zwizualizowania naszych rozważań będzie w sam raz. Przeanalizujmy zatem sytuację gdy zawór 2 ma całkowicie otwarty przepływ, to znaczy, że olej płynący z pompy nie napotyka żadnego oporu i w sposób swobodny przepływa do zbiornika. Oczywiście zakładamy, że pompa ma stałą wydajność. Manometr wskaże zero ciśnienia. Jeżeli zaczniemy dławić przepływ zaworem 2, to olej napotka opór i zacznie się przed zaworem piętrzyć , co spowoduje powstanie ciśnienia między pompą, a zaworem. Im bardziej będziemy zmniejszać światło otworu w zaworze dławiącym, tym ciśnienie będzie wyższe. Niestety taki sposób ustalania ciśnienia będzie powodować duże straty wydatku pompy, ze względu na ciągłe pokrywanie nastawionego przecieku na zaworze 2.
Rys. nr 3
Rysunek 3 przedstawia schemat, w którym zawór dławiący 2, zastąpiliśmy zaworem zwrotnym z możliwością regulacji napięcia sprężyny dociskającej kulkę (grzybek) do gniazda. Oznacza to, że możemy regulować siłę, która jest potrzebna do otwarcia zaworu. Wynika z tego, że olej tłoczony przez pompę napotka na swojej drodze opór uzależniony od napięcia sprężyny zaworu 2. Napięcie sprężyny będzie miało swoje odwzorowanie w ciśnieniu panującym miedzy pompą 3, a zaworem 2, które pokaże nam manometr 1. Im większe napięcie sprężyny, tym wyższe ciśnienie potrzebne do otwarcia zaworu. Taki układ będzie się charakteryzował tą zaletą w stosunku do układu z rysunku 2, że niezależnie od wydajności pompy 1, olej popłynie do zbiornika dopiero po otwarciu zaworu 2, czyli po osiągnięciu określonego ciśnienia niezbędnego do przezwyciężenia siły sprężyny. W tym wypadku nie mamy problemu z ciągłym odpływem oleju do zbiornika, co powoduje, że do zbiornika odprowadzamy wyłącznie nadmiar oleju. W praktyce taki zawór zwrotny z możliwością nastawiania ciśnienia otwarcia stanowi najprostszy zawór przelewowy bezpośredniego działania.
Rys 4 Zawór przelewowy DBDS produkcji Ponar Wadowice.
Rysunek 4 przedstawiam budowę najprostszego zaworu przelewowego. Działanie jest takie same jak opisane przy rysunku 3. W korpusie 1 zostały zamknięte elementy składowe zaworu . Śruba 3 służy do regulacji napięcia sprężyny 2, która naciska na grzyb 5. Element 7 służy do tłumienia drgań grzybka 5. Na rysunku kanałem oznaczonym literą P, pod grzyb 5 dostaje się olej hydrauliczny. Po przezwyciężeniu napięcia sprężyny 2 , czyli osiągnięciu zadanego ciśnienia, grzyb się podniesie i nastąpi przepływ do kanału T . Przepływ będzie trwał do momentu gdy ciśnienie spadnie poniżej nastawionego. Aby grzyb nie wpadał w drgania, czyli ciągłe zamykanie i otwieranie, jest wyposażony w suwak, który spowalnia szybkość zamykania i otwierania zapobiegając jego drganiom. Zjawisko to jest szkodliwe ponieważ jego efektem było by tętnienie ciśnienia w układzie. Prosta budowa takiego zaworu jest jego atutem, ale niestety charakteryzuje się on stosunkowo małym przepływem .
Rys 5 Schematyczne oznaczenie zaworu przelewowego.
Przy konieczności regulowania ciśnienia w układach zasilanych pompami o dużej wydajności potrzebujemy zawory o dużych przepływach nominalnych, co wiąże się z dużą powierzchnią przekroju poprzecznego grzyba. Prowadzi to do konieczności stosowania dużych gabarytowo sprężyn, a co za tym idzie stosowania dużych gabarytów śrub regulacyjnych. W efekcie zawór miał by duże gabaryty, co byłoby bardzo niepraktyczne. Z tego powodu do regulowania ciśnienia dużych przepływów używa się zaworów pośrednio sterowanych.
Rys. 6 Zawór przelewowy pośredniego działania DB produkcji Ponar Wadowice
Zawór taki ma dwa podstawowe elementy składowe. Jeden nazywamy zaworem pilotującym i jest to zawór przelewowy bezpośredniego. ( korpus 2 na rysunku nr 6) oraz głównego zaworu przelewowego ( korpus 1 na rysunku 6), który umożliwia, ze względu na duże gabaryty grzyba, duże przepływy. Jeżeli do kanału P na rys. 6 podamy olej, to zostanie on zatrzymany przez grzyb 4 dociśnięty wstępnie sprężyną 7, popłynie natomiast przez kryzę 9 do kanału X. Tym kanałem dotrze do korpusu 2 i przez kryzę 10 dostanie się pod grzybek pilota, a przez kryzę 11 dotrze nad grzyb zaworu głównego. Jak wynika z opisanego przepływu nastawione ciśnienie na zaworze pilotującym pojawi się nad grzybem 4 i zacznie go dociskać do gniazda. W taki sposób ciśnienie nastawione na zaworze pilotującym zostanie odwzorowane przez zawór główny . W sytuacji gdy ciśnienie osiągnie nastawę zaworu pilotującego grzybek 6 dociskany sprężyną 3 się podniesie i olej zacznie przepływać do kanału Y. Jednocześnie ze względu na ciśnienie dociskające podniesie się grzyb główny 4 i nastąpi przepływ z kanału P do T w korpusie 1. Jak wynika z opisu zamiast stosować sprężyny o dużej sile, wykorzystujemy ciśnienie wytworzone przez zawór bezpośredniego działania do dociskania głównego grzyba do gniazda. W ten sposób uzyskujemy zawór przelewowy o dużym przepływie ograniczając gabaryty korpusu.
Rys.7 Zawór Przelewowy DBW produkcji Ponar Wadowice
Rysunek 7 pokazuje zawór pośredniego działania z odciążeniem. Działanie takiego zaworu jest identyczne jak zaworu pośredniego działania opisane powyżej. Skupmy się nad zagadnieniem odciążenia. Określenie to dotyczy sposobu sterowania narostem lub spadkiem ciśnienia. Za załączanie ciśnienia odpowiada elektrozawór 12, który w pozycji beznapięciowej łączy kanał B i T kierując strumień sterujący oleju z nad grzyba głównego na przelew. Podanie napięcia na cewkę ustawi rozdzielacz w pozycję zamkniętą co spowoduje wytworzenie ciśnienia nad grzybem i narost ciśnienia w kanale P. Taki sposób sterowania nazywamy załączaniem wydatku pompy, z którą współpracuje zawór przelewowy. Oznacza to że jeżeli rozdzielacz sterujący 12 jest niewysterowany to cały wydatek pompy zostanie skierowany na przelew, jeżeli podamy na niego napięcie to skierujemy cały wydatek pompy do zasilanego układu. Jeżeli na zaworze pilotującym zamontujemy zawór proporcjonalny ciśnienia to uzyskamy przy jego pomocy możliwość płynnego sterowania ciśnieniem roboczym układu przy pomocy standardowego sygnału elektrycznego. Taki zawór przelewowy został przedstawiony na rysunku 8.
Rys. 8 Zawór przelewowy sterowany proporcjonalnie WZPPE produkcji Ponar Wadowice.
Pokrótce omówiliśmy podstawowe zasady działania zaworu przelewowego możemy przejść do możliwych zastosowań. Pierwszym i podstawowym zastosowaniem jest ustalenie maksymalnego ciśnienia w układzie hydraulicznym.
Rys. 9
Na rysunku 9a przedstawiony jest podstawowy sposób zastosowania zaworu przelewowego w układzie hydraulicznym. Zawór przelewowy 2 w tym układzie stanowi zawór bezpieczeństwa, który ustala maksymalne ciśnienie robocze układu. Przeanalizujmy jak będzie płynął olej w takim układzie. Pompa 1 tłoczy olej do układu. Olej płynie w kierunku rozdzielacza ponieważ zawór przelewowy 2 jest zamknięty. Przepływa przez rozdzielacz 3 i powraca do zbiornika. (obwód na rys. 9a zaznaczony na niebiesko) Układ hydrauliczny pozostaje na „biegu jałowym”. Jeżeli przesterujemy rozdzielacz 3 tak jak na rys. 9b to olej z pompy popłynie do rozdzielacza i po zatrzymaniu się w skrajnym położeniu siłownika 4 zacznie narastać ciśnienie w obwodzie zaznaczonym na czerwono, aż do osiągnięcia nastawionego ciśnienia na zaworze przelewowym 2. Wówczas nadmiar oleju popłynie przez zawór 2 do obwodu zlewowego zaznaczonego na niebiesko. Rysunek 9c przedstawia układ z dwoma zaworami przelewowymi. Zawór 2 jest tak jak dotychczas zaworem ustalającym ciśnienie maksymalne układu w tym wypadku na 200bar. Natomiast zawór 5 jest w tym przypadku zaworem redukcyjnym ponieważ ustala maksymalne ciśnienie w obwodzie zaznaczonym na czerwono w naszym przypadku nastawa to 120 bar. Możemy nim regulować ciśnienie robocze siłownika do wartości nastawy zaworu 2. Zawór 5 będzie aktywny tylko w trakcie wysuwania tłoczyska siłownika 4. Jeżeli przesterujemy rozdzielacz 3 do pozycji jak na rys. 9d to obwód ciśnieniowy zaznaczony na czerwono zasili drugą stronę siłownika 4, a ciśnienie w obwodzie roboczym ustali zawór przelewowy 2. Natomiast zawór przelewowy 5 pozostanie nie aktywny w obwodzie zaznaczonym na niebiesko.
Jak wynika z rysunku 9 w zależności od aplikacji zaworu przelewowego do układu może on być zaworem ustalającym ciśnienie lub zaworem redukującym ciśnienie. Należy jednak pamiętać czytając schemat, że jeżeli w danym momencie cyklu pracy układu zawór przelewowy wykorzystujemy jako redukcyjny to ustalone przez niego ciśnienie będzie w całym obwodzie ciśnieniowym. Oznacza to że jeżeli będziemy zasilać dwa siłowniki sterowane przez dwa rozdzielacze to zawór redukcyjny zredukuje nam ciśnienie w całym obwodzie zasilania i oba siłowniki działające w tym samym momencie będą miały to samo zredukowanie ciśnienie. Jeżeli chcemy zasilać jednocześnie dwa różne obwody dwoma różnymi ciśnieniami jednocześnie z jednej pompy to musimy do redukcji ciśnienia zastosować zawór redukcyjny, który separuje ciśnieniowo obwód roboczy od obwodu zasilania. Ale ten temat poruszymy w kolejnym tekście z cyklu vademecum hydrauliki siłowej.