2方油圧バルブの図

$$ \\frac{P^*}{P_0} = \\left( \\frac{2}{\\gamma + 1} \\right)^{\\frac{\\gamma}{\\gamma - 1}} $$

2 ウェイ油圧バルブは 2/2 バルブとも呼ばれ、2 つのポートと 2 つのポジションを持っています。この表記は最初は抽象的に見えるかもしれませんが、論理的なパターンに従っています。最初の数字はバルブにあるポート (流体が出入りするポート) の数を示し、2 番目の数字はバルブが取り得る個別の位置の数を示します。 2 方向油圧バルブの図の場合、流体力の最も基本的な 2 値論理、つまり流れがあるか流れていないかを扱っています。

キッチンの蛇口を思い浮かべてください。ハンドルを回すと、基本的な二方弁が作動します。水は流れたり流れなかったりします。工業用 2/2 バルブも同じ原理で動作しますが、4 バールの水道水の代わりに 630 バールの圧力で毎分 3,530 リットルの作動油を制御する場合があります。

標準 2 方油圧バルブ図記号の見方

油圧業界では、回路シンボルの国際標準として ISO 1219-1 を使用しています。ドイツのエンジニアは日本で描かれた図を混乱なく理解する必要があるため、これは重要です。この規格は、シンボルが物理的な外観ではなく機能を表すことを確立しています。実際のバルブの写真を見ているわけではありません。あなたはバルブが流体の流れに対して何をするかを示す機能マップを見ているのです。

2 方向油圧バルブの図では、各作業位置に独自の四角形のボックスが表示されます。ポジションが 2 つあるため、常に 2 つのボックスが並んで表示されます。スプリング シンボルまたはその他の復帰機構に最も近いボックスは、休止位置を示します。これは、誰もバルブを作動させていないときにバルブが置かれている状態です。もう 1 つのボックスには、ボタンを押すか、ソレノイドに通電するか、パイロット圧力を加えるかなど、作動させたときに何が起こるかが表示されます。

これらのボックス内では、シンプルな線と記号が流路に関するすべてを示しています。直線または矢印は、流体がその位置を通過できることを意味します。流路に垂直な線のように見える「T」記号は、ポートがブロックされていることを意味します。 2 方向油圧バルブの図のレスト ポジション ボックスに「T」が表示されている場合は、常閉バルブです。逆の構成では、「T」が作動位置にあり、通常は開いているバルブを示します。

アクティブ化方法はボックスの外側に表示されます。ソレノイドコイルの記号は電気制御を意味します。バネは機械的な戻りを示します。バルブを指す破線はパイロット圧力制御を示しており、直接的な機械的または電気的な力ではなく、別の油圧信号がバルブを動かします。

ポートラベルも独自の基準に従います。通常、圧力入口 (ポンプ接続) には「P」が表示され、作動ポート (アクチュエーター接続) には「A」が表示されます。場合によっては、タンクリターンの「T」が表示されることがあります。これらの文字コードはメーカー間で一貫していますが、古いヨーロッパの図では代わりに数字が使用されている場合があります。 ISO 9461 は、設置時やメンテナンス時の混乱を軽減するために、これらのポート識別を標準化しています。

構造タイプ: 2 方バルブのポペット設計とスプール設計

紙の上の 2 方向油圧バルブの図から実際の物理コンポーネントに移ると、根本的に異なる 2 つの内部メカニズムに遭遇します。ポペット (シート バルブとも呼ばれます) とスプール構造のどちらを選択するかによって、バルブがドリフトなしで静的荷重を何時間も保持できるか、高周波数での急速なサイクルに対応できるかが決まります。

ポペットバルブは、対応するシートを押し付ける円錐形または円盤形の要素を使用します。閉じると、金属はバネの力で金属と接触します。これにより、業界で言うところのほぼゼロの漏れが生じます。油圧作動油は、400 bar の圧力下であっても、適切に密閉されたポペット バルブをすり抜けることはできません。このため、高所作業車や移動式クレーンの荷重保持回路など、安全性が重要な用途にはポペット式 2 方弁が唯一の選択肢となります。

FCI 70-2 漏れ規格は、この性能を定量化します。クラス IV では、定格容量の 0.01% に相当する漏れが許容され、一般的な産業用途には問題なく動作します。ただし、絶対的なセキュリティが必要な場合は、クラス V またはクラス VI を指定します。クラス VI はソフトシート分類とも呼ばれ、最大差圧でも 1 分あたりミリリットルの漏れしか許容しません。ポペットバルブのみがこれらの定格を確実に達成できます。これは、シール機構が摩耗を避けられない狭い機械的クリアランスに依存していないためです。

スプールバルブは異なるアプローチを採用しています。精密に機械加工された円筒形のコアが、同様に精密なボア内でスライドします。スプール上の着地は流れをブロックしますが、溝はそれを許します。スプールとボアの間のクリアランスは、スムーズな動作を可能にするのに十分な大きさである必要がありますが、漏れを最小限に抑えるのに十分なほど小さくなければなりません。この本質的な妥協は、スプールバルブが常にある程度の内部漏れを意味します。

しかし、スプールの設計にはそれぞれの利点があります。応答時間はより一貫性があり、予測可能になる傾向があります。単純なオンオフ用途では製造コストが低くなります。メンテナンス中の一時的な回路遮断など、多少の漏れが問題にならないシステムでは、スプールタイプの 2 方バルブが低コストで完璧に機能します。

実際のアプリケーションでは、パフォーマンスの違いがはっきりと現れます。吊り荷を保持する垂直シリンダーにスプール バルブを取り付けると、内部漏れによりオイルがすり抜けてしまう様子を数時間かけて下方ドリフトを測定します。クラス VI 定格のポペットバルブを取り付けると、シリンダーは数日間所定の位置にロックされたままになります。 2 方向油圧バルブの図は両方とも同じに見えるかもしれませんが、実際のエンジニアリングは完全に異なります。

動的応答性も異なります。ポペットバルブはストロークが短いため、素早く開閉します。複数のポートにわたってスプールをスライドさせるのではなく、コーンをシートから持ち上げているだけです。このため、ポペットタイプの 2 方バルブは、緊急停止回路やキャビテーション防止保護など、瞬時に流れを開始する必要がある用途に最適です。

2 方向油圧バルブ図を使用した重要な回路アプリケーション

2 方向油圧バルブの図を理解することの真の価値は、これらのコンポーネントが実際のエンジニアリング上の問題を解決する場所を確認すると明らかになります。一部のアプリケーションでは、2/2 バルブが提供する特定の特性が絶対に必要になります。

負荷保持およびカウンターバランス回路

掘削機のブームが満杯のバケットを 3 メートル上空に保持しているところを想像してください。その荷重を支える油圧シリンダーは、たとえ油圧ホースにわずかな漏れが生じたとしても、長時間経っても1ミリも下に流れてはなりません。これには、パイロット操作の逆止弁が必要です。これは、パイロット制御ポートを示す追加の破線が付いた回路図に示されている特殊な 2 方向要素です。

パイロット操作逆止弁 (POCV) により、一方向の自由な流れが可能になり、ブームが上昇するとシリンダーが充填されます。しかし、逆方向では、パイロット圧力が制御ラインを通って到達するまで、流れは完全にブロックされます。 2 方向油圧バルブの図では、これを標準の逆止弁のシンボルとパイロット ラインを加えたものとして示しています。オペレーターがブームを下げるよう命令すると、パイロット圧力がシール要素を機械的に持ち上げ、制御されたオイルの排出が可能になります。

ポペット構造のゼロ漏れ特性により、POCV は機能します。たとえ漏れ量が少なくても、ブームはゆっくりと沈下します。ただし、POCV には制限があります。それらは計測装置ではありません。完全に閉じているか、完全に開いています。重力を利用して重い荷物を下ろす場合、単純な POCV ではバルブが開状態と閉状態の間でハンチングするため、ぎくしゃくした動きが発生する可能性があります。

ここでカウンターバランス バルブが登場します。カウンターバランス バルブは、一方向の自由流用の逆止弁と戻り経路用の圧力制御リリーフ バルブを組み合わせた、より洗練された 2 方向要素です。カウンターバランス バルブの 2 方向油圧バルブの図には、チェック バルブ、リリーフ エレメント、リリーフ バルブの開放圧力を低減するパイロット ピストンという 3 つの機能コンポーネントが示されています。

オペレータが下降動作を開始すると、方向制御弁からのパイロット圧力がパイロットピストンに作用します。このパイロット信号は負荷によって引き起こされる圧力と結合してリリーフバルブを調整し、戻り流量を計測します。その結果、重いオーバーランニング荷重があっても、スムーズで制御された降下が可能になります。カウンタバランス バルブをメイン コントロール バルブではなくアクチュエータに直接取り付けることで、流量制御の責任を最も重要な場所に集中させることができます。

アキュムレータの充電およびアンロード回路

油圧アキュムレータを備えた固定容量型ポンプを使用するシステムでは、ポンプの流れを効率的に管理するために特別な 2 方向アンロード バルブが必要です。アキュムレータがフル充電に達すると、その圧力に抗してポンプを送り続けるとエネルギーが浪費され、熱が発生します。アンロードバルブは、アキュムレータが充電されると、ほぼゼロの圧力でポンプの流れをタンクに向け直すことによってこの問題を解決します。

典型的なアキュムレータ チャージ バルブは、ポペット パイロット ステージとスプール メイン ステージを備えた 2 ステージ カートリッジ エレメントです。 2 方向油圧バルブの図は、ポンプ流量 (P) をアキュムレーターまたはタンク (A および B) に接続することを示しています。アクチュエーターの使用によりシステム圧力が「開」設定値を下回ると、バルブがタンクの戻りをブロックし、ポンプの流れを強制的にアキュムレーターの充電に戻します。圧力が「閉」設定値まで上昇すると、バルブが移動してポンプの負荷が解除されます。

これには、設計におけるソフトなシフト特性と適切なダンピングが必要です。負荷と負荷の間の急激な移行により圧力スパイクが発生し、ポンプや応力フィッティングが損傷します。適切に設計されたアンロード バルブには、スイッチング動作を遅くする内部減衰チャンバーが含まれており、瞬間的なスナップではなく、数ミリ秒にわたって圧力変化を分散させます。

速度調整のための流量制御

2 方向油圧流量制御バルブは、スロットル制限シンボルが付いた回路図に表示され、狭い通路を形成する 2 本の斜めの線または曲線として示されます。調整可能なスロットルにより、制限記号に斜めの矢印が追加され、可変オリフィス領域が示されます。これらのバルブは、流量を完全に遮断するのではなく、流量を制限することでアクチュエータの速度を制御します。

流量と速度の関係は油圧の基本に従います。特定のシリンダー ボアの場合、速度は流量をピストン面積で割ったものと等しくなります。調整可能なオリフィスを通過する流れを制限することで、シリンダーが伸びたり縮んだりする速度を直接制御します。スロットルによって圧力降下が発生し、その制限を通過する流量は、その制限を通過する圧力差の平方根に依存します。

高度な 2 方向流量制御バルブには圧力補償が含まれています。 2 方向油圧バルブの図は、これを追加の圧力制御要素として示しており、通常は補償器ピストンを示す矢印で表されます。この補償器はスロットル開度を自動的に調整し、負荷圧力の変動に関係なく一定の流量出力を維持します。補償がないと、負荷圧力が高くなるとスロットル間の差が小さくなるため、負荷が増加するとシリンダーの速度が低下します。補償により、バルブは負荷が劇的に変化してもシリンダー速度を一定に保ちます。

カートリッジバルブ技術と高密度制御

コンパクトなスペースで非常に高い流量を切り替える必要がある場合、2 方向油圧バルブの図には、従来の本体取り付けバルブではなくカートリッジ スタイルの要素が示される場合があります。カートリッジ バルブはスリップイン ロジック エレメントとも呼ばれ、出力密度を最大化する油圧制御への高度なアプローチを表します。

カートリッジ バルブは本質的に、マニホールド ボアに挿入され、別個のカバー プレートによって制御される油圧ロジック モジュールです。 2 方向油圧バルブの図記号は標準バルブと似ていますが、物理的な実装は完全に異なります。ネジ付きポートを備えた内蔵ユニットの代わりに、精密に加工されたキャビティに挿入される円筒形のカートリッジが使用されます。すべての配管はマニホールド ブロックの内部にあります。

このアーキテクチャにより、極めて高い流量能力が可能になります。工業用 2 ウェイ カートリッジ バルブは、最大流量でも 1 bar 未満という非常に低い圧力降下を維持しながら、毎分最大 3,530 リットルを処理します。低い圧力損失での高流量は、エネルギー効率に直接つながります。圧力損失が少ないということは、発熱が少なくなり、運転コストが削減されることを意味します。

制御原理はパイロット増幅を使用します。毎分数リットルしか切り替わらない小さなパイロット バルブが、メイン カートリッジのポペットを動かす高圧オイルを制御します。これにより、制御電力がメインフロー電力から切り離されます。おそらく 20 ワットの電気を消費する小さなソレノイドを使用して、数百キロワットの油圧力を切り替えることができます。

カートリッジの設計には診断機能も組み込まれています。制御カバーには通常、漏れ検出ポートと検査窓が含まれています。内部シールが故障し始めると、システムのパフォーマンスが著しく低下する前に、漏れたオイルがこれらの診断ポートに現れます。この早期警告により、予期せぬダウンタイムが防止されます。

重要な考慮事項の 1 つは、パイロットの供給要件です。 2 方向油圧バルブの図にはパイロット圧力源を示す必要があります。一部のカートリッジ バルブは、パイロット構成に応じてノーマル オープンまたはノーマル クローズとして動作できます。カバー プレートのデザインがロジックを決定しますが、カートリッジ自体は変わりません。このモジュール性により、1 つのカートリッジ部品番号が複数の機能を提供するため、在庫要件が軽減されます。

ソレノイド作動: 直接作動 vs パイロット作動

2 方向油圧バルブの図は、位置ボックスの外側の記号で作動方法を示しています。ソレノイド制御バルブはコイルのシンボルとともに表示されますが、その単純なグラフィックには、システムのパフォーマンスに影響を与える重要な設計上の選択が隠されています。

直動式電磁弁は電磁力を利用して弁体を直接動かします。コイルに通電すると、磁界がアーマチュアを引っ張り、ポペットまたはスプールを物理的に押します。これらのバルブは中間ステップがないため、非常に迅速に (多くの場合は数ミリ秒以内) 反応します。ただし、利用可能な電磁力によりバルブのサイズが制限されます。バルブが大きくなると、より大きなソレノイドが必要になり、より多くの電力を消費し、より多くの熱を発生します。

パイロット操作の電磁弁は 2 段階のアプローチをとります。ソレノイドは小さなパイロット バルブを動かし、その後、油圧が主バルブ要素を動かすように指示されます。これは油圧力の増大を利用します。小型の低電力ソレノイドは、大型のメイン スプールまたはポペットを駆動する高圧オイルを切り替えるパイロットを制御します。その結果、パイロット操作の 2 方向バルブは直動設計よりもはるかに高い流量を処理できるようになります。

トレードオフは応答時間です。パイロット操作バルブは、パイロットステージが最初に移動し、次に制御チャンバーを加圧し、その後メインエレメントが移動するのを待つ必要があるため、応答が遅くなります。この追加の遅延はわずか 20 ～ 50 ミリ秒かもしれませんが、高速オートメーションや正確なモーション制御では、これらのミリ秒が重要になります。

実際には、直動式ソレノイドバルブは、標準的な工業用圧力で毎分約 80 リットルまで良好に動作します。さらに、通常はパイロット操作が必要になります。 2 方向油圧バルブの図では必ずしもどのタイプが指定されているとは限らないため、応答時間が重要な場合はメーカーのデータシートを確認する必要があります。

もう 1 つの考慮事項は、保持時の消費電力です。直動ソレノイドは、バネ力と流体圧力に抗してバルブを開いた状態に保つために連続電流を必要とします。パイロット操作バルブは圧力を使用してメインエレメントを保持するため、ソレノイドは小さなパイロットバルブをシフトし続けるだけで済みます。これにより、ソレノイドコイルの電気負荷と発熱が軽減されます。

Les mécanismes de contamination endommagent les valves de plusieurs manières :

回路を設計し、どの 2 方向油圧バルブを指定するかを決定する場合、図は論理機能を示しますが、性能要件は示しません。バルブがアプリケーションで確実に動作するかどうかは、いくつかの重要なパラメータによって決まります。

最大使用圧力は構造上の限界を定義します。 350 bar 定格のバルブは、その圧力を大幅に超えると致命的な故障を引き起こします。しかし、圧力定格だけではすべてを語ることはできません。バルブによっては、一定の圧力までのみ定格流量を維持し、内部クリアランスの変形やシールの圧縮により圧力が増加すると流量が低下するものがあります。

流量容量はシステムのニーズに注意深く合わせる必要があります。バルブのサイズが小さいと過剰な圧力降下が発生し、エネルギーが無駄になり、熱が発生します。バルブが大きすぎるとコストが高くなり、制御が不安定になる可能性があります。バルブ係数 (Cv) は、特定の圧力降下に対してどれだけの流れが通過するかを定量化します。流量と許容圧力損失から必要なCvを計算し、ある程度の安全マージンを持った条件を満たすバルブを選定します。

漏れの分類は、負荷保持用途において最も重要です。 2 方向油圧バルブの図に負荷ドリフトを防止する必要があるバルブが示されている場合は、クラス V またはクラス VI を指定してください。メンテナンス中の単純な絶縁には、クラス IV で十分です。リーク クラス間のコストの差は大きくなる可能性があるため、不必要に過剰に指定しないでください。

サイクルタイムが生産性を決定する自動生産ラインやモバイル機器では、応答時間が非常に重要になります。オペレーターがジョイスティックを放したときに掘削機のブームの動きを 100 ミリ秒以内に停止する必要がある場合、バルブの選択はそのタイミングをサポートする必要があります。バルブの切り替え時間と、回路内で圧力が上昇または低下するまでに必要な時間の両方を考慮してください。

流体の互換性については交渉の余地がありません。標準のニトリル (NBR) シールは、石油ベースの作動油では問題なく機能しますが、特定の合成油では膨潤して破損します。生分解性のエステルベースの作動油または耐火性の水グリコールを使用している場合は、シールの適合性を明示的に確認してください。シール材質が間違っていると、他の仕様がすべて正しい場合でも、初期故障につながります。

動作温度はシールの寿命と流体の粘度の両方に影響します。作動油の粘度は温度によって大きく変化します。 -20°C では、ISO VG 46 オイルは蜂蜜と同じくらい濃くなる可能性があります。 80℃では水のように流れます。この粘度の変化はバルブを通る圧力降下に影響を与え、応答時間に影響を与える可能性があります。一部の 2 方流量制御バルブでは、特に鋭いエッジを通過する流れは、長くて小さな直径の通路を通過する流れよりも粘度の依存性が低いため、鋭いエッジのオリフィスを使用します。

2 方弁回路に関する一般的な問題のトラブルシューティング

2 方向油圧バルブの図が正しく描かれ、適切なコンポーネントを選択した場合でも、動作中に問題が発生する可能性があります。一般的な障害モードを理解することは、迅速な診断に役立ち、軽微な問題が高価な障害になることを防ぎます。

汚れと応答性の低下

流体の汚染は、バルブの性能上の問題の主な原因です。作動油に粒子が付着したり、熱破壊により粘度が低下すると、さまざまな症状が現れます。反応の鈍さは多くの場合、最初の兆候です。汚れの粒子が可動部品間の小さな隙間に詰まり、摩擦が発生してバルブの作動が遅くなります。 15 ミリ秒で移動するはずのバルブが汚れていると、50 ミリ秒かかる場合があります。

この一見わずかな遅延がシステム全体に連鎖していきます。自動化された製造では、各サイクルの余分なミリ秒が積み重なり、生産の損失となります。モバイル機器ではオペレーターの反応が鈍く感じられ、測位精度が低下します。さらに悪いことに、バルブの閉鎖が遅れると、可動アクチュエータが突然抵抗に遭遇して圧力スパイクが発生し、衝撃波が発生してフィッティングやホースが疲労します。

ISO 4406 清浄度標準は粒子汚染を定量化します。一般的な産業用油圧システムは、4、6、および 14 ミクロン サイズの最大粒子数を指定する 19/17/14 をターゲットにする場合があります。しかし、サーボ バルブと高性能比例バルブには、おそらく 16/14/11 よりもはるかにクリーンな流体が必要です。オイルがこれらの制限を超えると、バルブの性能が著しく低下します。

定期的なオイル分析とフィルター交換により、バルブの応答時間を維持します。高品質の濾過システムは、汚染関連の問題を防ぐことですぐに元が取れます。一部の高度なシステムには、汚染が警告レベルに達したときにオペレーターに警告するオンライン粒子カウンターが含まれており、バルブの性能が低下する前に予防措置を講じることができます。

バルブのチャタリングと動的不安定性

バルブのチャタリングは、動作点付近で急速に繰り返される開閉を表します。この音はブーンという音またはハンマーの音として聞こえ、急速な機械的サイクルによりバルブのコンポーネントが破壊される可能性があります。チャタリングは通常、コンポーネントの故障ではなく、バルブのサイジングが間違っているか、システムの差圧が不十分であることを示しています。

バルブの流量係数がシステムの実際の流量要件と一致しない場合、バルブは流量曲線の不安定な領域で動作します。小さな圧力変動により大きな位置変化が生じ、振動が発生します。バルブが開状態と閉状態の間でハンチングし、安定した位置に落ち着くことがありません。

圧力差もこれに影響します。上流側と下流側の圧力が近すぎると、バルブが安定した位置を維持するのに十分な力が得られません。業界の慣例では、安定した動作を確保するために、流量制御バルブ間の差を少なくとも 1 psi (0.07 bar) に維持することが推奨されています。これを下回るとチャタリングが発生しやすくなります。

この解決策には、最大流量だけではなく、最小圧力降下の要件に基づいて適切なバルブ サイズを設定する必要があります。絶対最大流量に合わせたサイズのバルブは、通常の動作には大きすぎる可能性があり、安定性を維持するには差動が不十分になる可能性があります。適切な圧力マージンを備えた一般的な動作条件に合わせてバルブのサイズを決定し、最大流量での多少高い圧力降下を許容することをお勧めします。

内部漏れと負荷ドリフト

負荷保持に 2 方向バルブを使用する回路では、内部漏れがゆっくりとした継続的なドリフトとして現れます。つり荷は徐々に下がります。水平アクチュエータがゆっくりと後退します。このずれは、数分間はほとんど目立たないかもしれませんが、数時間またはシフト全体が経つと明らかになります。

まず、問題が実際に 2 方バルブにあるのか、それとも回路内の他の場所にあるのかを確認します。バルブ出口に圧力計を接続し、圧力の低下を監視します。アクチュエータがロックされた状態で圧力が徐々に低下する場合は、何かが漏れています。圧力が安定しているのにアクチュエータがまだドリフトしている場合は、下流で漏れが発生しており、おそらくアクチュエータのピストン シール全体で発生しています。

2方バルブ自体に漏れがある場合は、設計仕様を超えているか、摩耗による劣化が生じているかを判断します。定格流量の 0.01% で漏れるクラス IV バルブは、アプリケーションにとって十分な密閉性がない場合でも、仕様どおりに機能します。この場合、バルブの修理ではなく、クラス VI のようなより厳密な分類が必要です。

以前に締めていたバルブから漏れが始まった場合は、3 つの一般的な原因を調べてください。汚染によりシール面が損傷する可能性があります。熱サイクルによりシール材が劣化した可能性があります。定格を超える圧力スパイクによりポペットシートが損傷した可能性があります。場合によっては、バルブの洗浄と新しいシールが必要な場合もあります。また、アプリケーションがバルブの設計限界を超えており、より堅牢なコンポーネントが必要になる場合もあります。

ソリューションは完全に異なるため、設計の制限とコンポーネントの障害の違いを理解することが重要です。設計段階でより厳しい漏れクラスを要求すると、コストは少し高くなりますが、問題は永久に解決されます。用途に決して適さない磨耗したバルブを繰り返し交換することは、時間と費用を無駄にするだけでなく、問題を真に解決することはできません。

回路図上の 2 方向油圧バルブの図は単純に見えるかもしれませんが、これらの要素によって流体動力システムの最も重要な機能の一部が可能になります。回路図を正しく理解し、適切なコンポーネントを選択し、それらを適切に保守することで、油圧回路が長年の動作にわたって信頼性の高い性能を発揮できるようになります。