Strupeventil – enkel hastighetsregulering gjennom motstand

En strupeventil er den enkleste måten å regulere hastigheten i et hydraulikksystem på. Dette er i praksis en innsnevring (justerbar åpning) i rørledningen som begrenser oljeflyten. Ved å skru til eller åpne strupeventilen endrer man gjennomstrømningsarealet, og dermed hvor mye olje som slipper gjennom per tidsenhet Mindre åpning gir mindre volumstrøm, som igjen gir lavere hastighet på den aktuelle sylinderen eller motoren. Strupeventiler kommer ofte i form av nåleventiler der en spiss skrue justerer åpningen.

Fordeler:

• Svært enkel og rimelig komponent.

• Gir trinnløs justering av hastighet manuelt.

• Kan plasseres nesten hvor som helst i kretsen.

Ulemper:

• Hastighetsendring ved belastningsvariasjon: Fordi en ren strupeventil ikke kompenserer for trykk, vil hastigheten variere hvis belastningen endres. En tyngre last skaper høyere mottrykk, som igjen reduserer flow gjennom strupingen (gitt samme innstilt åpning). Med lettere last øker flowen. Systemet kan derfor oppføre seg ujevnt når belastningen varierer.

• Energitap som varme: Når olje presses gjennom en innsnevring, går trykkenergien tapt som varme i oljen. Struping er altså ineffektivt – pumpen må opprette et høyere trykk enn det som faktisk brukes til nyttig arbeid, og differansen forsvinner som varme. Dette kan over tid varme opp oljen og krever ofte kjøling eller avlastning.

• Kavitasjon og rykkvis bevegelse: Dersom man struper utløpet fra en sylinder som senker en tung last (såkalt meter-out struping), sikrer man riktignok jevn bevegelse, men det oppstår et mottrykk som holder igjen lasten. Hvis lasten forsøker å “løpe fra” (falle for fort), kan det oppstå undertrykk og kavitajon på innløpssiden. Man må derfor være oppmerksom på strupingens plassering i kretsen (innløp vs. utløp) avhengig av lastforholdene.

I praksis brukes strupeventiler der man ønsker enkel hastighetsjustering og lasten er nokså jevn. For eksempel kan de kontrollere hastigheten på en hydraulisk motor under relativt konstant belastning. Strupeventilen kan monteres på trykksiden av aktuatoren (meter-in) for å begrense tilførselsmengden, eller på retursiden (meter-out) for å begrense utstrømningen og dermed holde igjen bevegelsen. Meter-out-konfigurasjon benyttes ofte for å hindre uønsket akselerasjon av tunge laster (f.eks. sakte senking av en løftebom), mens meter-in fungerer når lasten ikke kan “dra” i gang bevegelsen selv.

Strupeventil med tilbakeslagsventil: Ofte kombineres struping med en enveisklaff (tilbakeslag). En strupe/-tilbakeslagsventil har en innebygd klaff som omgår strupingen i motsatt strømningsretning. Dette gjør at man kan strupe hastigheten kun én vei, men likevel få fri flyt den andre veien. Et typisk eksempel er en hydraulisk sylinder som skal bevege seg raskt i én retning (uten motstand) og kontrollert sakte i motsatt retning. Ved å montere en strupeventil med tilbakeslag på returen fra sylinderen, vil oljen strupes når sylinderen senker en last, men kunne flyte fritt (uten struping) når sylinderen heves tilbake. Denne ventiltypen kombinerer altså en justerbar orifis med en sjekkventil i én enhet. Fordelen er bedre kontroll i den ønskede retningen uten å påvirke bevegelsen motsatt vei. Dette er svært utbredt for sylindere som skal styres mykt den ene veien, for eksempel kontrollerte senk med fri heving.

Volumstrømsregulator – trykkkompensert mengdeventil for konstant hastighet

For mer presis hastighetskontroll uavhengig av last, benyttes en volumstrømsregulator (også kalt mengdeventil eller flow control valve). Dette er en ventil som i tillegg til en justerbar åpning har innebygd trykkkompensasjon. Ventilen er konstruert slik at den automatisk justerer seg for å holde oljeflyten konstant selv om trykket foran eller etter ventilen endrer seg. Med andre ord: Har man stilt ventilen inn på f.eks. 10 l/min, vil den forsøke å slippe gjennom nøyaktig 10 l/min uansett om lasttrykket øker eller synker innenfor virkeområdet.

Hvordan oppnås dette? En trykkkompensert mengderegulator består typisk av en strupeorifis (ofte justerbar som en nåleventil) og et kompensatorspjeld (en bevegelig slidel) innebygd i samme ventilhus. Kompensatorspjeldet reagerer på trykkforskjellen over strupeåpningen og beveger seg for å holde denne differansen konstant. Hvis trykket etter ventilen (lastsiden) faller, vil flowen forsøke å øke – da lukker kompensatorspindelen seg litt og øker motstanden, slik at mengden holdes på ønsket nivå. Omvendt, hvis lasttrykket stiger og truer med å redusere flowen, åpner spjeldet seg mer. Resultatet er at ventilen “regulerer seg selv” for å opprettholde konstant differansetrykk over orifisen, og dermed en jevn volumstrøm.

Fordelen med dette prinsippet er åpenbar: Man får stabil hastighet selv om lasten varierer. Systemet blir mindre følsomt for ytre endringer. Et trykkkompensert flow-control system kan for eksempel holde en jevn mates hastighet på et transportbånd selv om belastningen på båndet (vekt av gods) varierer, eller sikre at en hydraulisk motor roterer med tilnærmet konstant turtall uavhengig av motstanden den møter. En trykkkompensert mengdeventil leverer altså tilnærmet konstant flow selv om trykkfallet over ventilen endrer seg. Til sammenligning vil en ukompensert strupeventil få variabel flow når trykkforholdene endres.

Fordeler:

• Holder hastigheten konstant selv ved varierende lasttrykk – bedre prosesskontroll og mindre justeringsbehov.

• Mer energieffektiv enn ren struping for flere parallellkretser: Man kan prioritere og levere kun nødvendig flow til en aktuator og la overskytende olje gå en annen vei (se 3-veis regulator under), i stedet for å presse all olje gjennom en trang åpning.

• Mindre varmeutvikling på den regulerte greinen fordi ventilen kun slipper gjennom det som trengs, overskuddet bypasses (gjelder 3-veis type).

Ulemper:

• Dyrere og mer komplekse komponenter, med flere deler som kan feile eller være følsomme for forurensning (smuss i kompensatorsporet kan hindre korrekt regulering).

• Trenger et visst trykkfall over ventilen for å fungere (typisk 5–10 bar minimum). Det betyr at ventilen bevisst introduserer et lite tap for å ha noe å regulere på. Dette lille tapet er mye mindre enn ved en ukompensert ventil under varierende last, men det er likevel et kontinuerlig trykkfall (og energitap) på den regulerte oljen.

• Hvis systemtrykket ikke er høyt nok til å både opprettholde lastens bevegelse og kompensatorens minimumstrykkfall, vil ikke ventilen klare å levere ønsket mengde (man “går tom” på flow fordi ventilen lukker). Med andre ord må pumpetrykket alltid være høyere enn summen av lasttrykk + ventilens eget differansetrykk.

Volumstrømsregulatorer finnes i to hovedutgaver:

• 2-veis mengderegulator: Ventilen har kun innløp og utløp. All olje som pumpes gjennom reguleres til innstilt mengde; hvis lasten krever mindre flow enn innstilt kan ikke overskuddet gå noe annet sted gjennom ventilen – da må det f.eks. over styretrykksventil (relief) et annet sted. 2-veis varianten brukes gjerne der man har én aktuator som skal ha konstant hastighet, og pumpen forsyner akkurat den mengden (eventuelt i kombinasjon med en trykkbegrensningsventil).

• 3-veis mengderegulator (prioriteringsventil): Denne ventilen har en tredje port som leder overskytende olje til tank eller en annen krets. Den kalles gjerne prioriteringsventil fordi den leverer en fast mengde ut på hovedutgangen (prioritert port), og sender resten via tredje porten. Trykkkompensering sørger for at den prioriterte flowen holdes konstant selv om trykket på noen av portene endres. Et typisk eksempel er servostyring på en traktor: En prioriteringsventil kan sikre at styringen alltid får f.eks. 20 l/min uansett – selv når motorens turtall (pumpeflow) varierer – slik at rattutslaget føles likt. Overskuddet av oljen går til andre hydraulikkfunksjoner. En slik prioriteringsventil er altså en 3-veis trykkkompensert mengderegulator som alltid gir flow til prioritert krets først.

Bruksområder for volumstrømsregulatorer er alle steder man trenger nøyaktig hastighetskontroll: matebord, transportbånd, bore-/sagemaskiner (for jevn matingshastighet), eller parallelle kretser som trenger balansert fordeling av flow. Ofte kombineres disse ventilene med andre kontroller – f.eks. en retningsventil for av/på og en mengderegulator for hastighet. Som nevnt i utdraget over kan man plassere mengderegulatoren før retningsventilen for en dobbelvirkende motor, slik at man med én ventil styrer hastigheten i begge retninger.

Kombinerte trykk- og mengdeventiler – løsninger for trygg hastighetskontroll

I noen tilfeller er det behov for ventiler som både begrenser trykket (som en sikkerhetsventil) og regulerer mengden. Disse kan vi kalle kombinerte trykk-/mengdeventiler, og de brukes særlig for å kontrollere bevegelser der man både må sikre at et makstrykk ikke overskrides og hastigheten holdes i sjakk. Vi skal se på to viktige eksempler: lastkontrollventil (overcenter/oversentralventil) og sekvens-/prioriteringsstyrte ventiler.

Lastkontrollventil (oversenter): Dette er en ventil som typisk monteres ved en sylinder eller motor som bærer en tung last (f.eks. bommen på en kran, løfteplattform, graverarm). Ventilen kombinerer en tilbakeslagsventil (for å holde lasten) med en trykkstyrt struping som kun slipper ut oljen i et kontrollert tempo. I praksis fungerer den som en motordratt trykkbegrensningsventil: Når lasten forsøker å senke seg (og dermed drive oljen ut av sylinderen), vil ventilen bare åpne så mye at utstrømningen ikke overstiger en viss hastighet. Den holder tilbake nok trykk til at lasten ikke raser, og krever at pumpetrykk “styrer” senkingen. På den måten forhindres runaway – at lasten går ukontrollert raskere enn pumpen leverer. Som en kilde beskriver: en lastkontrollventil åpner bare så mye at lasten beveger seg med ønsket hastighet, og hindrer at lasten akselererer fra pumpen. Samtidig virker den som en sikkerhetsventil ved at den kan slippe ut olje hvis trykket overstiger en innstilt grense (f.eks. om noe hindrer bevegelsen og trykket stiger farlig høyt – da åpner den som en vanlig trykkavlastning).

Fordelen med lastkontrollventiler er trygg bevegelse av tunge laster – man unngår rykk og kavitasjon, og man hindrer at en hengende last drar med seg sylinderen ukontrollert. Ulempen er at de introduserer et permanent mottrykk (energitap) og kan gjøre bevegelsen tregere enn absolutt nødvendig. I tillegg kan de i noen situasjoner forårsake litt “svamping” (fjæring) hvis ikke justert riktig, fordi ventilen må balansere mellom å holde igjen og slippe på. Likevel er de uunnværlige i mobile maskiner og kraner der sikkerhet er kritisk.

Andre kombinasjoner: Det finnes også andre typer kombinasjonsventiler. Ett eksempel er prioriteringsventiler med innebygd trykkavlastning. Disse sørger for fast flow til en funksjon, og har samtidig en integrert trykkbegrensning slik at om både primær- og sekundærkretsen blokkeres (ingen steder for oljen å gå), vil trykket avlastes. Dette kan ses på som en integrert trykk/mengde-regulator som beskytter systemet. Et annet eksempel kan være flow divider/combiner ventiler som splitter flow jevnt og samtidig har utjevningsventiler for trykk – men disse går utover vårt fokus.

Generelt, når en ventil har flere enn to porttilkoblinger, betyr det at den enten bypasser overskuddsolje (som i en 3-veis prioriteringsventil), fordeler oljen (som i en oljedeler med to utløp), eller at den har en egen styre-/dreneringsport. En del trykkregulerende ventiler (for eksempel pilotstyrte reduksjonsventiler) har en liten dreneringsport tilbake til tank for å lede vekk pilotolje. I mengderegulatorer ser vi også dette prinsippet: i 3-veis ventilen går overskuddet ut tredje port til tank, mens i 2-veis må overskuddet håndteres annetsteds. Når du ser en ventil med flere porter enn bare inn og ut, er det altså som regel for å håndtere overskudd eller styring av oljen på et vis.

Oppsummering

Valg av metode for hastighetsregulering i et hydraulikksystem avhenger av både krav til presisjon og effektivitet. Den enkle strupeventilen gir justerbar hastighet på en kostnadseffektiv måte, men må justeres med omhu og gir varierende resultat under skiftende belastning. Reguleringsventiler (for eksempel proporsjonalventiler) forbedrer brukervennligheten ved at man kan finstyre bevegelsen jevnt, men de påvirkes like fullt av trykkvariasjoner dersom de ikke er kompensert. Trykkkompenserte volumstrømsregulatorer sørger for jevn bevegelse uavhengig av last – et uvurderlig prinsipp i maskiner der kvaliteten på bevegelsen er kritisk. Disse ventilene brukes når man ønsker å “skru på en hastighet” og vite at maskinen holder den. Til slutt har vi spesialtilfellene der både trykk og mengde må kontrolleres samtidig, slik som ved sikring av tunge laster. Her kombineres funksjoner i ventiler for å ivareta sikkerhet og kontroll, om enn på bekostning av litt energi og reaksjonstid.

Ingen løsning er universell best – det gjelder å velge riktig kombinasjon av ventiler ut fra oppgaven. Ofte ser man at retningsventiler for styring kombineres med mengderegulerende ventiler for hastighetskontroll og trykkventiler for sikkerhet. For teknisk interesserte er det verdt å merke seg at energilinjene i systemet bør være så “åpne” som mulig når full hastighet trengs – unngå unødvendig struping som bare genererer varme. Samtidig må man strupe der det trengs for å temme kreftene i hydraulikken og få myk, kontrollerbar bevegelse. Ved å forstå virkemåten til strupeventiler, mengderegulatorer og kombinasjonsventiler, kan man designe og drifte hydrauliske systemer som både leverer presis ytelse og unngår unødig energitap.