T30: Zawory pneumatyczne i elektropneumatyczne - rodzaje, budowa , zasada działania i podstawowe parametry.
Zawory Funkcje sterowania wartości i kierunku przepływu energii w układach hydraulicznych pełnią elementy nazywane ogólnie zaworami. Sterowanie to polega w zasadzie na wprowadzaniu zmian przekroju przepływu cieczy za pomocą odpowiedniego ustawienia ruchomej części sterującej zaworu. Ze względu na to, że przepływ energii może być sterowany zmiana natężenia przepływu Q lub zmianą ciśnienia p, zawory można ogólnie podzielić na: sterujące ciśnieniem, zwane zaworami ciśnieniowymi; sterujące kierunek przepływu, zwane zaworami kierunkowymi; sterujące natężenie przepływu, zwane zaworami natężeniowymi; inne. Podział i oznaczenie zaworów hydraulicznych podaje norma PN-73/M-73022. Na rysunku zestawiono najważniejsze rodzaje zaworów. Budowane są również zawory łączące w sobie wymienione wyżej podstawowe funkcje, np. zawór sterujący kierunek przepływu może równocześnie sterować także natężenie przepływu.
Zawory - podział
Zawory ciśnieniowe Zawory bezpieczeństwa i przelewowe Zasada działania obu tych zaworów jest podobna, gdyż zadaniem ich jest otwieranie przepływu po przekroczeniu pewnego ciśnienia. Ponieważ jednak zawór bezpieczeństwa jest w czasie normalnej pracy urządzenia zamknięty i otwiera się tylko w wyjątkowych okolicznościach, natomiast przez zawór przelewowy ciecz może przepływać przez dłuższe okresy pracy urządzenia, przeto zaworom przelewowym stawia się wyższe wymagania, jeśli chodzi o dokładność regulacji ciśnienia, pracy bez drgań itp.
Zawory przelewowe jednostopniowe Zawory przelewowe kulkowe należą do najprostszych typów zaworów przelewowych. Ciecz pod ciśnieniem doprowadzana jest pod kulkę. Gdy siła wynikająca z ciśnienia działającego na określoną powierzchnię kulki 1 przewyższy siłę sprężyny 2, kulka uniesie się otwierając przepływ cieczy. Powierzchnia rzutu na płaszczyznę prostopadłą do osi zaworu części kulki, na którą działa ciśnienie w okresie, gdy zawór jest zamknięty, wynosi: Otwarcie zaworu nastąpi przy ciśnieniu pod kulką p0 równym: gdzie FW – siła napięcia wstępnego sprężyny.
Zawory przelewowe jednostopniowe Charakterystyka statyczna takiego zaworu, przedstawiająca zależność między ciśnieniem p i natężeniem przepływu cieczy przez zawór Q jest pokazana na rysunku. Jeszcze przed samym otwarciem zaworu, w p. A zaczynają się pojawiać niewielkie przecieki przez zawór. Wynikają one ze zmniejszonej szczelności zaworu spowodowanej malejącym dociskiem kulki do gniazda. W punkcie B rozpoczyna się unoszenie kulki i otwarcie zaworu. Jak wynika z dalszego przebiegu krzywej p =f(Q), zwiększenie przepływu przez zawór wymaga wzrostu ciśnienia p. Jest to zjawisko niekorzystne, zwłaszcza dla zaworu przelewowego, gdyż nie pozwala na utrzymanie stałego ciśnienia w instalacji przy wahaniach natężenia przepływu. p – ciśnienie Q - przepływ
Zawory kolejności działania Zadaniem zaworów kolejności działania jest utrzymywanie określonego ciśnienia w części instalacji przed zaworem niezależnie od ciśnienia panującego za zaworem. Umożliwiają one w ten sposób wyodrębnienie w złożonych układach hydraulicznych części, którym daje się pierwszeństwo w zasilaniu. Dopiero po zapewnieniu zasilania części układu przed zaworem zawór kolejności działania otwiera się i kieruje resztę wydajności pompy do dalszych elementów układu. Pod względem budowy i zasady działania zawory te są bardzo podobne do zaworów przelewowych, z tym że po otwarciu nie łączą przewodu wejściowego ze spływem do zbiornika, lecz z dalszą częścią instalacji.
Zawory kolejności działania Przykład schematu budowy zaworu kolejności działania pokazano na rysunku. Na element sterujący zaworu (suwak 2) działa tu nie różnica ciśnień za i przed zaworem (jak w zaworze przelewowym), lecz ciśnienie przed zaworem. Ciśnienie otwarcia zaworu wynosi: gdzie: Fsw – siła sprężyny dla położenia x=0; A – powierzchnia czołowa suwaka 2. p – ciśnienie Q - przepływ
Zawory redukcyjne Zawory redukcyjne służą do ustalania ciśnienia za zaworem niezależnie od ciśnienia panującego przed zaworem, przy czym ciśnienie za zaworem jest zawsze mniejsze lub co najwyżej równe ciśnieniu przed zaworem. Zawory tego rodzaju pozwalają na zasilanie odbiorników pracujących na niskie ciśnienie z instalacji wysokiego ciśnienia. Pod względem liczby dróg dzielą się na dwudrogowe i trzydrogowe, a pod względem liczby stopni na jedno- i dwustopniowe. Na suwak 1 działa z lewej strony siła sprężyny 2, a z prawej strony siła wynikająca z działania ciśnienia p2 za zaworem na powierzchnię czołową A suwaka. Uproszczone równanie równowagi suwaka (z pominięciem sił tarcia i sił hydrodynamicznych) jest następujące: p2A-Fs = 0 gdzie Fs — siła sprężyny 2. Stąd:
Zawory różnicowe Zadaniem zaworów różnicowych jest utrzymywanie stałej różnicy ciśnień za i przed zaworem. Zawory te zbudowane są podobnie do zaworów przelewowych, które w gruncie rzeczy również utrzymują stałą różnicę ciśnień między instalacją i spływem. Różnica w ich budowie wynika z tego, że zawory różnicowe instaluje się wewnątrz instalacji, w cel utrzymania określonej różnicy ciśnień między poszczególnymi gałęziami instalacji. Przykład najprostszego zaworu różnicowego przedstawiono na rysunku 4.13. Uproszczony warunek równowagi suwaka 1, pomijając siły tarcia i siły hydrodynamiczne, przedstawia się następująco: p1A – p2A – Fs = 0 gdzie: A – powierzchnia czołowa suwaka 1; Fs – siła sprężyny Charakterystyka zaworu różnicowego jest w zasadzie tak sama, jak zaworu przelewowego, z tym że zamiast ciśnienia występuje tu różnica ciśnień przed i za zaworem. W punkcie B następuje otwarcie zaworu. p – ciśnienie Q - przepływ
Zawory ciśnieniowe proporcjonalne Zadaniem zaworu proporcjonalnego jest utrzymywanie stałego stosunku ciśnienia na wejściu i wyjściu zaworu. Uproszczone równanie sił działających na suwak 4 (z pominięciem sił hydrodynamicznych i sił tarcia) jest następujące: p1A1 – p2A2 = 0 gdzie A1 i A2 – odpowiednie powierzchnie czynne suwaka 4. Stąd: Kanał spływowy 2 ma za zadnie niedopuszczenie do nadmiernego wrostu ciśnienia p2, jaki mogłyby wywołać przecieki przez suwak 4, gdyby pobór cieczy przez odbiorniki z kanału 3 był mniejszy niż te przecieki.
Zawory odcinające Zadaniem zaworów odcinających jest właściwie jedynie zamykanie i otwieranie przepływu przez określony przewód. Zawory takie stosuje się bardzo często w różnych instalacjach, w celu umożliwienia odłączania poszczególnych gałęzi instalacji, np. przy naprawach, wymianach filtrów itp., a także jako zawory spustowe ze zbiorników itp. Schematy najbardziej rozpowszechnionych typów zaworów odcinających przedstawiono na rysunku. Od zaworów odcinających wymaga się, aby w pozycji zamkniętej zachowywały dobrą szczelność, natomiast przy pełnym otwarciu stawiały możliwie małe opory przepływu. Pod tym względem dobre własności ma zawór zasuwowy i kulowy obrotowy.
Zawory zwrotne Zadaniem zaworów zwrotnych jest przepuszczanie cieczy tylko w jednym kierunku. Najprostsze typy tego rodzaju zaworów przedstawiono na rysunku. Zawory zwrotne należą do zaworów samoczynnych. Ważne jest, aby zawór zwrotny stawiał możliwie małe opory przepływu w kierunku, w którym się otwiera. W niektórych przypadkach zawór zwrotny powinien także otwierać się i zamykać bardzo szybko. Ma to miejsce na przykład przy zastosowaniu tych zaworów do sterowania (rozrządu) pomp wyporowych. Wówczas część zamykająca powinna mieć możliwie małą masę i równocześnie przy niewielkim ruchu otwierać dostatecznie duży przekrój.
Zawory rozdzielcze Zasadniczym zadaniem zaworów rozdzielczych, zwanych również po prostu rozdzielaczami, jest kierowanie przepływu cieczy do określonych odbiorników w instalacji. Odbywa się to przez otwieranie i zamykanie odpowiednich dróg przepływu. Oprócz swego podstawowego zadania zawory rozdzielcze często mogą być wykorzystane również do sterowania natężenia przepływu przez dławienie (częściowe otwieranie przepływu). Noszą wówczas nazwę rozdzielaczy dławiących. Rozdzielacze suwakowe składają się z cylindrycznego suwaka z pierścieniowymi wytoczeniami, który przesuwa się wewnątrz korpusu z otworami doprowadzającymi i odprowadzającymi ciecz. Przez użycie odpowiednio długiego suwaka i korpusu można otrzymać bardzo dużą liczbę różnych kombinacji połączeń wielodrogowych.
Rozdzielacze suwakowe
Rozdzielacze czopowe Część sterująca w zaworach rozdzielczych czopowych jest wykonana w postaci odpowiednio ukształtowanego czopa wykonującego ruch obrotowy. Rozdzielacze tego typu są bardzo wygodne w przypadku wielodrogowego sterowania ręcznego. Podobnie jak przy zaworach suwakowych należy się w nich liczyć z pewnymi niewielkimi przeciekami.
Rozdzielacze gniazdowe Zawory rozdzielcze gniazdowe zbudowane są na zasadzie układu zaworów kulkowych, grzybkowych lub talerzykowych, otwierających i zamykających odpowiednie drogi przepływu. Przez odpowiednią kombinację tego rodzaju zaworów można budować rozdzielacze wielodrogowe i wielopołożeniowe. Natomiast rozdzielacze tego rodzaju mają wiele zalet. Należą do nich przede wszystkim bardzo dobra szczelność i duża czułość, gdyż można w nich uzyskać bardzo małe szczeliny przepływowe. Można je stosować na bardzo wysokie ciśnienie.
Zawory dławiące Zadaniem zaworów dławiących jest sterowanie natężenia przepływu cieczy. Zasada działania polega na przepuszczaniu strumienia cieczy przez odpowiednio regulowany otwór lub szczelinę. Natężenie przepływu przez taki element (zwężka) można określić dla przepływu turbulentnego zgodnie z zależnością: lub dla przepływu laminarnego przez zwężkę o przekroju okrągłym zgodnie z prawem Hagena-Poiseuille'a:
Zawory dławiące Zakładając Δp = const, co jest w większości przypadków zasadą działania zaworów dławiących, widać, że dla przepływu turbulentnego sterowanie natężenia przepływu może być dokonywane przez zmianę przekroju A zwężki i współczynnika strat f, a w zaworach z przepływem laminarnym przez zmianę średnicy otworu zwężki d (lub grubości szczeliny) i długości zwężki l. Jak wynika z powyższych rozważań rodzaj przepływu, jaki powstanie w zaworze dławiącym ma bardzo istotny wpływ na jego działanie. Stąd też norma PN-73/M-73022 dzieli te zawory na dwa rodzaje: dławiące laminarne lub o oporze lepkościowym; dławiące turbulentne lub o oporze bezwładnościowym. Na pracę zaworu laminarnego ma wyraźny wpływ lepkość cieczy. Jest to niewątpliwie zjawisko niekorzystne. Lepkość cieczy jak wiadomo, zmienia się pod wpływem temperatury cieczy. A zatem zawór dławiący laminarny będzie wrażliwy na zmiany temperatury cieczy w układzie hydraulicznym. Ponadto na pracę zaworu turbulentnego będą miały mniejszy wpływ ewentualne wahania ciśnienia
Zawory dławiące p – ciśnienie Q - przepływ
Bibliografia „Pojazdy samochodowe: napęd i sterowanie hydrauliczne”, Szydelski Zbigniew www.danfoss.pl www.echelon.com http://www.ztipmc.pk.edu.p Tyminski „Automatyka- klimatyzacja” http://www.termen.com.pl/pdf/wezel-cieplny-TMD.pdf http://www.tehaco.com.pl/pl/produkty-automatyka/Katalog-automatyka.pdf http://www.solver.katowice.pl/index.php?menu=299&kat=04225&lang=pl Aleksander Szkarowski, Leszek Łatowski „ Ciepłownictwo” Automatyka Ciepłownictwo Sterowanie - ACSE Sp. z o.o. (Shinko Technos, Delta Ohm, Halstrup-Walcher)