油圧流量制御弁の図

油圧回路図を開いて矢印の付いた曲線を見ると、流量制御バルブが表示されます。これらの記号は単純に見えるかもしれませんが、機械がどのように速度を制御し、エネルギーを管理し、高価なコンポーネントを保護するかを正確に示しています。油圧流量制御バルブの図は単なる図面ではありません。これは、掘削機がブレークスルー中にガタガタするかどうか、掘削機のアームが負荷でドリフトするかどうか、またはシステムが石油タンクを加熱してエネルギーを浪費するかどうかを明らかにする言語です。

これらのバルブの図記号は、世界中の産業技術者が油圧システムを文書化するために使用する ISO 1219-1 規格に従っています。これらの図の読み方を学ぶということは、バルブ本体の内部にある物理的なハードウェアの各線、矢印、幾何学的形状が何を表しているのかを理解することを意味します。

ISO 1219-1 シンボルコンポーネントのデコード

基本的なスロットル バルブは、油圧流量制御バルブの図では、互いに向かい合う 2 つの曲線として表示され、流体の狭い通路を形成します。これらの対向する円弧は流れの制限を表します。この記号を通る斜めの矢印が表示されている場合は、バルブが調整可能であることを意味します。ノブを回すかネジを調整して、バルブの開き具合を変更できます。矢印がない場合は、取り付け後に調整できない固定オリフィスを示しています。

これらの図では方向が非常に重要です。逆止弁のシンボルは、V 字型のシートに置かれたボールのように見えます。流体がボールに向かって流れると、ボールはしっかりと密閉されます。流体が逆方向に流れると、ボールがシートから押し出され、自由に流れます。多くのフロー制御アプリケーションでは、一方向の速度制御のみが必要です。たとえば、加工テーブルでは、切削に入るまでは遅い送りが必要ですが、すぐに戻る必要があります。ここで単方向スロットルバルブが登場します。

油圧流量制御バルブの図では、一方向スロットルはスロットルのシンボルと並列チェックバルブのシンボルを組み合わせています。 2 つのコンポーネントは並んで配置され、多くの場合、それらが 1 つの物理的なバルブ本体に組み込まれていることを示す破線のボックスで囲まれています。オイルが一方向に流れると絞りがかかり、アクチュエータの速度が低下します。逆方向に流れるオイルは逆止弁を押し開き、スロットルを完全にバイパスし、最小限の圧力降下で素早い戻り動作を可能にします。

圧力補償型流量制御バルブでは、もう 1 つのシンボル要素が追加されます。それは、入口ラインに上向きの小さな垂直矢印です。この矢印は、バルブに手動スロットルと直列に組み込まれた自動圧力レギュレーターが含まれていることを示しています。圧力補償器は、負荷の変化に関係なく、スロットル オリフィス全体の圧力降下を一定に維持します。この機能がないと、シリンダーがより重い負荷を押すと、背圧の増加によってスロットル両端の圧力差が減少し、スロットル設定が変更されていない場合でも、動きが自動的に遅くなります。補償機構は、上流と下流の両方の圧力を感知し、圧力降下を正確に 0.5 ～ 1.0 MPa に保つように内部のバルブ要素を自動的に調整することで、この問題を解決します。

温度補償記号はあまり一般的ではありませんが、高精度のアプリケーションでは重要です。スロットル シンボルの近くにある小さな円または温度計のアイコンは、バルブが長くて狭い通路ではなく、鋭利なエッジのオリフィス設計を使用していることを示します。鋭いエッジにより乱流が生成され、粘度が変化しても吐出係数は比較的安定します。作動中に作動油が加熱されると、その粘度は指数関数的に低下します。層流条件下で動作する長くて細い流路では、ハーゲン・ポアズイユの法則に従って、この粘度変化が流量に大きな影響を与えます。鋭いエッジのオリフィスは、技術者が温度補償と呼ぶこの温度感度を最小限に抑えます。

流量制御弁の主な分類

油圧流量制御バルブの図には 3 つの基本的なバルブ ファミリが示されており、それぞれが異なるシンボル特性と動作原理を持っています。

シンプルなスロットルバルブ

シンプルなスロットルバルブは最も基本的なデザインを表しています。その図記号は、追加のコンポーネントを含まずに、調整可能な制限のみを示しています。物理的には、このバルブは通常、鋭いエッジのシートに取り付けられた非常に小さなテーパー角度を持つ針状のスプールを使用します。調整ハンドルを回転させると、細い糸に沿って針が軸方向に移動し、環状の流れ領域に正確な変化が生じます。これらのバルブはコストが低く、占有スペースも最小限ですが、システム圧力が変動したり、油温が変化したりすると流量が変化します。砥石車駆動装置やコンベヤベルトなど、負荷が一定に保たれる用途では問題なく動作しますが、負荷条件が変化すると安定した速度を維持できません。

圧力補償バルブ

圧力補償バルブは、補償付き流量制御バルブ、または単に流量レギュレーターとも呼ばれ、図ではその特徴的な圧力感知矢印記号とともに表示されます。バルブ本体の内部には、手動で調整可能なスロットルと自動圧力レギュレーターという 2 つの制限装置が直列に配置されています。レギュレーターは、手動スロットルの前後の両方で圧力を感知するバネ仕掛けのスプールで構成されています。負荷が増加して下流圧力が上昇すると、スロットル前後の差圧は減少しようとします。コンペンセータースプールはさらに開くことで即座に反応し、それ自体の制限を軽減し、手動スロットル全体の元の圧力降下を回復するのに十分なだけ上流圧力を強制的に上昇させます。これは、システムの動作中に継続的かつ自動的に行われます。

コンペンセータースプールの力のバランスが、この自動調整動作を生み出します。バネの力によりスプールが閉位置に向かって押されます。下流側の圧力 (負荷圧力) も閉じ方向に押します。上流の圧力により、開く方向に押されます。平衡状態では、上流圧力は下流圧力にバネ力を加えたものをスプールの有効面積で割ったものと等しくなります。バルブ設計時に慎重にスプリングを選択することにより、メーカーは補償圧力降下を特定の値に設定します。通常、小型バルブの場合は 0.5 MPa、大型の工業用バルブの場合は最大 1.0 MPa です。この圧力降下は負荷に関係なく一定であり、スロットル面積は手動で設定および固定されるため、流量は負荷に依存しません。掘削機のブームは、バケットが空であっても、2 トンの土を積んでいても、同じ速度で伸びます。

プライオリティバルブ

油圧流量制御バルブの図では、プライオリティ バルブは、P (ポンプ)、CF (定流量または優先)、および EF (過剰流量またはバイパス) とラベル付けされた 3 つのポートを備えた、バネでバイアスされたスプールを含む長方形の箱として表示されます。これらのバルブは、重要でない回路に供給する前に、重要な機能が最初に必要な流量を受け取ることを保証します。古典的な用途は、ホイール ローダーや農業用トラクターのステアリング システムです。ステアリング回路は CF に接続され、バケットチルトなどの作業機能は EF に接続されます。ステアリング ユニットからの圧力信号ラインがプライオリティ バルブ スプールの一端にフィードバックされ、スプリングを押します。オペレーターがステアリングホイールを素早く回すと、この信号圧力が上昇し、スプールを押し上げて、EF をチョークオフしながら最大流量を CF に送ります。ステアリング要求が低下すると、スプールはバネの力で戻り、作業機能への流れが可能になります。これにより、すべてのポンプ流量が油圧ハンマーまたはその他の付属品によって消費されるため、オペレーターが操縦できない危険な状況が防止されます。

分流弁

フローディバイダーバルブは、内部に 2 つの出力と相互接続されたスロットルシンボルを備えたボックスとして図に示されており、個々の負荷の違いに関係なく、2 つ以上のアクチュエーターに均等な (または比例的に分割された) 流れを強制します。不均等な負荷を押す 2 つのシリンダーを同期させると、抵抗の低いシリンダーが先に動作するため、通常は失敗します。ディバイダーには、正確に一致した 2 つのスロットリング要素が含まれており、それらを接続する圧力フィードバック パスが備えられています。一方の負荷が高くなると、その圧力の上昇が内部通路を通ってもう一方のスロットルに伝わり、分流を均等化するために自動的にさらに制限されます。ギアタイプのディバイダーは、共通のシャフトにしっかりと結合された 2 つの油圧モーターを使用し、機械的に均等な変位を強制します。

回路構成戦略

油圧回路のどこに流量制御バルブを配置するかによって、システムの動作、効率、安全特性が根本的に変わります。 3 つの古典的な配置は、メーターイン、メーターアウト、ブリードオフ回路です。図の表現を理解することは、エンジニアが速度の問題を診断し、適切な解決策を選択するのに役立ちます。

メーターインスロットリング構成

メータイン回路では、油圧流量制御バルブの図は、ポンプとアクチュエータ入口の間に流量制御要素が配置されていることを示しています。この配置により、シリンダーに入るオイルが制限され、利用可能な流体を制限することで伸長速度が制御されます。ポンプはその最大容量を供給し続けますが、スロットルを通過する流量を超える過剰な流量はリリーフバルブを通ってタンクに戻ります。

力を解析すると圧力特性が明らかになります。シリンダーの入口圧力は、負荷力をピストン面積で割ったものと等しくなります ($$P_1 = F/A$$)。ポンプ側の圧力はリリーフバルブの設定でクランプされ、用途に応じて通常は 15 ～ 35 MPa になります。これにより、バルブ全体で一定の大きな圧力降下が発生し、圧力と流量の積 ($$P \\times Q$$) に等しい熱が発生します。システムは高温になり、軽い作業を行う場合でもポンプはリリーフ圧力に抗して激しく動作します。

メータイン絞りは、外力がシリンダの動きに反する抵抗負荷に対してスムーズに動作します。ワークピースに送り込むフライス盤のテーブルや、鋳物に向かって前進する砥石車は、どちらも抵抗負荷を表します。動きは常に制御され、予測可能です。ただし、メータインは負の負荷または暴走負荷とも呼ばれる過負荷による危険な状態を引き起こします。重い重量を下ろす垂直シリンダーを考えてみましょう。絞り込まれた入口流が拡張側を満たすよりも速く、重力によってピストン ロッドが下方に引っ張られます。これにより、シリンダ室内に真空が発生し、キャビテーションによる損傷、不安定な動作、および潜在的な負荷衝突の原因となります。このため、エンジニアは、ブームダウン、フォークリフトの降下、または負荷がシリンダーの動きを補助する用途にメータインスロットルを使用することはありません。これらの用途の油圧流量制御バルブの図では、代わりにメータアウトまたはバランス回路構成を示す必要があります。

メーターアウトスロットリング構成

メータアウトはアクチュエータの排気ポートに流量制御バルブを配置します。図は、シリンダーとタンクの間にあるバルブで、オイルの流出を制限しています。入口側はポンプにかなり直接接続されており、拡張チャンバーを自由に充填できます。シリンダーは、スロットルがリトラクトチャンバーからオイルを逃がす速度と同じ速度でのみ動きます。

この配置により排気側に背圧が発生し、過負荷でも剛性と制御が得られます。吊り下げられた荷物が重力によって下方に引っ張られると、絞り付きの排気ポートが圧力を抑えて暴走を防ぎます。シリンダーは油圧で効果的にブレーキをかけます。これにより、メータアウトは、垂直ドリルスピンドル、クレーンブーム降下、および負の荷重の制御が必要なあらゆる用途において標準的な選択肢となります。

メータアウトは動作の滑らかさと荷重保持に優れています。高い背圧によりシステムの緩みが排除され、低速でのぎくしゃくした動きの原因となるスティックスリップ振動が防止されます。精密な表面仕上げが必要な機械加工作業と、スムーズな荷物の配置が必要なクレーンオペレータはどちらもメータアウト制御の恩恵を受けます。その代償として、ブリードオフ システムに比べて効率が低くなり、発熱が高くなります。

ブリードオフ (バイパス) スロットリング

ブリードオフ回路は、アクチュエータと平行な分岐ラインにある流量制御バルブを示し、タンクへの直接のショートカット パスを作成します。この図は、ティーで分岐するポンプの流れを示しており、一方の経路はバルブを通ってタンクに流れ、もう一方の経路はシリンダーに供給されます。これは減算制御です。バルブはアクチュエータの供給を制限するのではなく、不要な流れをそらします。

ポンプの流れは、シリンダーの流れとブリードオフの流れに分割されます ($$Q_{ポンプ} = Q_{シリンダー} + Q_{ブリードオフ}$$)。ブリードバルブを開くと、より多くの流れがタンクに排出され、シリンダーの速度が低下します。閉じるとより多くの流れがアクチュエーターに流れ、動作がスピードアップします。メータインおよびメータアウトとの決定的な違いは、負荷が必要としない限り、ポンプは完全なリリーフ圧力を発生させる必要がないことです。シリンダが負荷圧力の 5 MPa のみを押している場合、ポンプは 5 MPa しか発生しません (ライン損失のわずかなマージンを加えます)。過剰な流量は、20 MPa または 30 MPa のリリーフ設定ではなく、この低い使用圧力で排出されます。電力の無駄は $$P_{load} \\times Q_{excess}$$ に等しく、メータイン/アウト システムの $$(P_{relief} \\times Q_{excess})$$ よりも大幅に少なくなります。

この効率の利点により、ブリードオフは、農業機器、マテリアルハンドリングコンベア、燃料消費が重要なモバイル機器などのエネルギーを重視する用途にとって魅力的になります。システムはより低温で動作し、熱としてのエネルギーの無駄が少なくなります。ただし、ブリードオフでは、ポンプ流量が圧力に応じて変化し (圧力が上昇すると体積効率が低下します)、ブリード バルブ流量もその前後の圧力の変化に応じて変化するため、速度の安定性が低くなります。負荷が変動すると速度も変動します。これにより、ミキサー撹拌機や断続シャトルコンベヤなど、絶対速度精度が重要ではない用途へのブリードオフが制限されます。メータインと同様に、ブリードオフは負荷による動きに抵抗する背圧を生成しないため、オーバーラン負荷を安全に処理できません。アクチュエータは、ブリード バルブの設定に関係なく、重力または慣性によって加速します。

複雑なシステム向けの高度なダイアグラム機能

実際の油圧流量制御バルブの図では、多くの場合、複数のバルブ タイプを組み合わせて、高度な制御要件に対応するためにセンシング要素を追加しています。

比例流量制御バルブは、比例ソレノイドを表す追加のボックス記号とともに図に表示されます。この電動アクチュエータは手動調整ノブに代わるものです。ソレノイド コイルを流れる電流はアンペア数に比例した磁力を生成し、バルブ スプールを対応する位置に押します。 200 mA 信号では 20 パーセントのバルブ開度が生成されますが、1000 mA では完全な流量が得られます。最新の比例バルブには、実際のスプール位置を測定し、閉ループ制御のためにアンプにフィードバックする線形可変差動トランス (LVDT センサー) が含まれています。これにより、手動バルブでは不可能なコンピュータ制御の加速ランプ、減速プロファイル、および多点速度プログラムが可能になります。

射出成形機の油圧流量制御バルブの図は、複雑な速度曲線を通じて射出スクリューの動きを制御する比例バルブを示しています。スクリューは、ジェッティングを避けるためにゆっくりと開始し、その後、キャビティを急速に充填するために速度を上げ、その後、過剰充填とバリを防ぐために完全に近づくまで再び減速します。制御プログラムには、射出ストローク全体にわたって 8 つの異なる速度設定値があり、それらの間はスムーズに移行します。この図には、ネジの位置をコントローラーに知らせる位置センサー (シリンダー上の小さなボックスとして描かれています) が含まれており、速度と位置の正確な同期が可能になります。

ロードセンシング優先バルブは、基本的な優先バルブの進化版です。この図は、ステアリング軌道バルブからプライオリティ バルブに戻る追加の信号線 (通常は細い破線で描かれます) を示しています。このラインは、ステアリング要求に比例した圧力信号を伝えます。オペレータが無負荷でホイールをゆっくり回すと、信号圧力は低くなり、おそらく 2 ～ 3 MPa になります。プライオリティバルブのコンペンセータはCFポートを部分的にのみ開き、穏やかなステアリング入力に必要なだけの流れを送り、アタッチメントを動作させるためにほとんどの流れをEFに送ります。オペレーターが全速力でホイールを振り回したり、ステアリングシリンダーに大きな抵抗が加わったりすると、信号圧力は 15 MPa 以上に跳ね上がります。この圧力はプライオリティ バルブのスプールにそのスプリングに抗して作用し、バルブを CF に対して完全に開き、EF に対してほぼ閉じるように強制し、利用可能なすべてのポンプ流量がステアリングに送られるようにします。その結果、ステアリング要求が軽い場合でもポンプ容量を無駄にすることなく、常に応答性の高いステアリングが実現します。この動的負荷感知システムは、古い定流量優先システムと比較して燃費を向上させます。

同期シリンダーの分流回路は、油圧流量制御バルブの図上で 2 つの絞り要素を接続する交差した点線として内部フィードバック パスを示します。 1 つのブランチはより高い負荷圧力を示し、そのスロットル要素がわずかに開く可能性があります。この圧力信号は均圧通路を通って他のブランチの制御ピストンに到達し、そのスロットルを比例的に制限します。両側は設計された流量比を維持するために継続的に調整されます。通常、等しいシリンダーの場合は 50-50、不均等な負荷の場合は 60-40 またはその他の比率です。この図では、モーター タイプのディバイダー (共通のシャフト上の 2 つのギアのシンボルで示されている) とスプール タイプのディバイダー (相互接続されたスロットル要素で示されている) を明確に区別しています。モータータイプの分周器は非常に正確な分周を実現しますが、コストが高く、より多くのスペースを占有します。スプールタイプのディバイダは、5% 以内の精度が適切なダンプトラックのテールゲート同期などの用途には十分です。

産業応用事例

完全なシステム図を見ると、エンジニアが流量制御バルブをどのように組み合わせて実際の運用上の課題を解決しているかがわかります。

掘削機のスイング回路は、メーターアウト スロットリングの高度な使用法を示しています。 30 トンの掘削機の旋回ドライブの油圧流量制御バルブの図は、油圧モーターのドレン ポートがタンクに到達する前にメーターアウト スロットル逆止弁を通って供給されることを示しています。オペレーターが回転を開始すると、これらのバルブが流出を制限し、背圧を高め、8 トンの上部構造物をショックなくスムーズに加速します。スイングが目標位置に近づくと、オペレーターはジョイスティックをニュートラル方向に戻し、メイン制御バルブが流れをタンクに戻す経路を開始します。しかし、回転質量には膨大な慣性があり、回転し続けようとします。モーターは慣性によって駆動されるポンプとして機能し、回路内でオイルを後方に押し出します。メータアウト制限により、この自由な逆流が防止され、制動抵抗が生じます。この機能がなければ、機械は目標を数メートルオーバーシュートし、オペレーターが揺れる質量を止めようと奮闘している間に振動してしまいます。この図には、モーターポート間に交差接続されたリリーフバルブも示されています。これらの安全弁は、ピーク減速圧力を約 35 MPa に制限します。緊急ブレーキがかかると (オペレーターのジョイスティックがニュートラルに叩きつけられると)、慣性スパイクによって 50 MPa を超える圧力が発生し、モーターのシールやベアリングが損傷する可能性があります。

射出成形機の図は、成形サイクル中の流量制御から圧力制御への移行を示しています。メイン射出シリンダーは、油圧流量制御バルブの図に示されているいくつかの段階を通じて動作します。金型の充填中、スクリューが溶融プラスチックをキャビティに押し込むときに、大型の比例流量バルブが速度を制御します。この図は、流れがバルブを通ってシリンダーのキャップ端に移動し、ロッド端からタンクに自由に排出される様子を示しています。パーツのサイズに応じて、充填には 1 ～ 3 秒かかる場合があります。モールドが 95% 充填されると、キャップエンドライン上の圧力トランスデューサー (小さなひし形の記号で表示) が圧力の上昇を検出します。コントローラーがモードを切り替えます。比例流量バルブは小さな開口部まで減少します (電流信号の減少で示されます)。一方、比例圧力バルブ (別のシンボル、圧力スプリングのアイコンで示されています) が引き継ぎ、プラスチックが冷えるまで 5 ～ 20 秒間、パック圧力をおそらく 10 ～ 15 MPa に保ちます。この圧力により、ポリマーが収縮する際のヒケが防止されます。モード移行には、両方のバルブが同時に協調して動作する必要があります。この図は、両方のバルブから中央のコントローラー ボックスにつながる制御ライン (電気、点線で示されている) でそれを捉えています。

プレスや成形機の図には、高速アプローチ動作のための回生回路が頻繁に登場します。成形力を加える前に 500 トンのプレスがワークピースに近づく速度を高めるために、エンジニアはパイロット操作の逆止弁を介してシリンダーのロッドエンド ポートとキャップエンド ポートを接続します。これにより、ロッド側 (領域 A₁) から出たオイルがタンクに行くのではなく、キャップ側 (領域 A₂ = A₁ - A_rod) に直接流れる閉ループが作成されます。 A2 は A1 より小さいため、ロッド側の吐出量はキャップ側の需要を上回ります。ポンプは不足分 (A_ロッド領域流量) を供給しますが、その速度はポンプ流量をロッド領域だけで割った値で決まり、通常は通常の伸長速度より 3 ～ 5 倍速くなります。ラムがワークに接触すると負荷圧力が上昇し、図に示すパイロット式逆止弁が作用します。圧力の上昇により回生経路が閉じられ、回路は全力能力を発揮する通常の伸長状態に移行します。逆止弁を逆向きに取り付けるとシステム全体がロックされてしまうため、油圧流量制御バルブの図では、適切なバルブの向きを備えたこの再生ループを明確に示す必要があります。

図を使用した診断トラブルシューティング

油圧システムで速度制御の問題が発生した場合、回路図は圧力関係と故障箇所を明らかにすることでトラブルシューティングのロードマップを提供します。

時間の経過に伴う流量ドリフトは、通常、温度関連の影響または圧力補償の失敗を示します。 20 分間の動作後にシステムの速度が低下した場合、最初の診断ステップは、流量制御バルブに温度補償機能 (図上の鋭いエッジのオリフィスの記号) があるかどうかを確認することです。補償のない標準的なニードルバルブでは、システムが 30°C から 60°C に温まると、オイルの粘度が温度とともに指数関数的に低下するため、流量が 15 ～ 25% 増加します。長い絞り通路の層流条件下では、ハーゲン・ポワズイユの流れの原理に従って、流量は粘度に反比例します。図に温度補償バルブ (点線の記号またはシャープエッジの表記で示されている) が示されているにもかかわらずドリフトが発生する場合、問題は汚染にあると考えられます。酸化したオイルからのワニスの堆積物がコンペンセーターのスプールを覆い、摩擦が生じてスプールが圧力の変化に適切に追従できなくなります。補償器は 1 つの位置で「スタック」し、高価な圧力補償バルブが負荷に依存する流量を備えた基本的なスロットル バルブに変わります。

疑わしいバルブ全体の実際の圧力降下をチェックすることで、この診断が確認されます。油圧流量制御弁の図に示す入口ポートと出口ポートに圧力計を取り付けてください。無負荷および全負荷条件での差圧を測定します。機能補償器は、負荷に関係なく一定の ΔP (通常 0.5 ～ 1.0 MPa) を維持します。負荷時にΔP が大幅に低下する場合は、補償器が故障しています。解決策は分解して洗浄するか、摩耗限界を超えている場合は交換します。オイルの ISO 4406 清浄度コードは、精密バルブでは 19/17/14 以上である必要があります。これは、流体 100mL あたり 4 ミクロンを超える粒子が 2500 個以下であることを意味します。

単方向スロットルバルブの逆方向速度の問題は、チェックバルブの故障を直接示しています。この図は、バルブを通って逆流するオイルが簡単にチェック ボールを押し開き、スロットルをバイパスすることを示しています。逆方向の動きが遅い場合は、チェック ボールが汚れによって閉じた状態で固着しているか、チェック スプリングが破損してボールが中間位置に詰まり、流れが部分的に遮断されています。バルブ本体を赤外線温度ガンでスキャンすると、この故障がよくわかります。逆止弁の大きなバイパス領域ではなく、小さなスロットル ギャップからオイルが押し込まれるため、固着した逆止弁の周囲の領域は、高い圧力降下により非常に高温になります (おそらく 80 ～ 90°C)。温度上昇は、圧力降下×流量をオイルの比熱容量と質量流量で割った値に等しく、非接触機器で簡単に測定できます。

方向制御バルブが中立位置にあるときのシリンダーのクリープ現象 (負荷がかかった状態でのゆっくりとしたドリフト) は、流量制御バルブのスプールまたはシートを通過した内部漏れを示します。これは図には直接示されていませんが、回路を理解することは診断に役立ちます。図がメータアウト絞りを示している場合、方向切換弁が閉じるときにオイルが溜まってシリンダがロックされています。ロッド側に閉じ込められた高い圧力により、流量制御バルブの両方のポートがブロックされたチャンバーに接続されている場合でも、流量制御バルブ全体に圧力差が生じます。バルブのスプールまたはシートが摩耗すると、高圧から低圧への微小な漏れが発生し、シリンダーがゆっくりとドリフトします。唯一の解決策は、より密閉性の高いバルブ (スプールタイプではなくゼロリークポペット設計)、負荷を確実にロックするために別個のパイロット操作のチェックバルブ (カウンターバランスバルブ) を追加するか、動作に影響しない場合は少量のドリフトを受け入れることです。

システム圧力の変化と同期した速度変動は、圧力補償が存在しない場合に圧力補償の必要性を示します。油圧流量制御バルブの図に補償矢印のない基本的なスロットル記号が示されている場合、バルブの流量は圧力差の平方根を追跡します。システムのリリーフバルブ設定、ポンプ流量曲線、アクチュエータ負荷プロファイルを示す回路図を確認することで、速度変動の大きさを予測できます。リリーフ圧力 10 MPa、ロード圧力 5 MPa の場合、メータイン スロットルの両端で利用可能な ΔP は 5 MPa です。重切削中に負荷圧力が 7 MPa に上昇すると、利用可能な ΔP は 3 MPa に低下し、流量は $$\\sqrt{3/5} = 0.77$$、つまり元の速度の 77 パーセントに減少します。これは、23 パーセントの非常に顕著な減速です。エンジニアは、図の圧力ゾーンを分析することでこれが起こることを認識し、圧力補償付き流量制御バルブ (補償矢印記号付き) にアップグレードすることを推奨します。

システム設計の決定のための図の読み取り

エンジニアは油圧流量制御バルブの図をトラブルシューティングだけでなく、システム設計時の予測ツールとしても使用して、問題が発生する前に回避します。

回路トポロジーを選択する場合、この図はエネルギーの流れと損失メカニズムを視覚化するのに役立ちます。すべての制限を示した完全な回路を描くと、スロットル損失が発生する場所が明らかになります。メータインシステムでは、エネルギーの無駄は、ポンプ圧力とリリーフバルブを通過する過剰な流量の積に等しくなります。 100 リットル/分のポンプが 20 MPa のリリーフ圧力で動作し、スロットルを介してアクチュエーターに送られるのは 40 LPM だけである場合、発熱は $$20 \\text{ MPa} \\times 60 \\text{ LPM} = 20 \\text{ kW}$$ の純粋な熱廃棄物となります。大型のオイルクーラーが必要となり、冷却してもフルードの温度は65℃程度に達します。ブリードオフ トポロジを使用する同じアプリケーションは、わずか 8 MPa の作動圧力 (負荷によって決まります) で動作する可能性があり、無駄は $$8 \\text{ MPa} \\times 60 \\text{ LPM} = 8 \\text{ kW}$$ となり、熱負荷の半分未満になります。システムはより小型のクーラーを使用でき、オイルは 45°C に保たれ、ポンプの寿命は数年延長され、電力消費もそれに比例して低下します。

圧力増強の計算は、ダイアグラムの形状から直接得られます。シリンダーの内径が 100 mm、ロッド直径が 50 mm の場合、キャップエンド面積は 7854 mm² ですが、ロッドエンド面積はわずか 5890 mm² です（環状面積 = 全面積からロッド面積を差し引いた値）。面積比 1.33 は、メータアウト絞りによって圧力が少なくとも 33 パーセント強化されることを意味します。ポンプがキ​​ャップエンドに 15 MPa を供給すると、外部負荷がない状態でのロッドエンド圧力は形状だけで少なくとも 20 MPa になります。 3MPaの押し戻す抵抗負荷が加わり、ロッド先端圧力は23MPaに達します。ロッドエンド回路のすべてのホース、フィッティング、およびシールには、25 MPa を超える圧力定格 (安全マージンを含む) が必要です。そうしないと、故障が発生します。エンジニアは、各位置で予想される最大値を示す圧力の注釈を使用して、これらの計算を図上に直接マークします。

この図は、フローバルブのサイズのガイドにもなります。流量係数 Cv または Kv はバルブのカタログに記載されており、1 bar の圧力降下での流量を示します。システムが 0.5 MPa (5 bar) ΔP を維持する圧力補償バルブを介して 60 LPM を必要とする場合、逆算すると、バルブには 1 bar で $$Cv = Q / \\sqrt{\\Delta P} = 60 / \\sqrt{5} = 27$$ ガロン/分が必要になります。これにより、メーカーの製品群のどのモデルがアプリケーションに適合するかが決まります。サイズを大きくしすぎるとコストが無駄になり、制御の応答が遅くなります。サイズが小さすぎると、過度の圧力降下、加熱、浸食が発生します。

複数の流量制御バルブがどのように相互作用するかを理解することで、設計ミスを防ぎます。よくある間違いは、2 つのスロットルが分圧器と同等であることを認識せずに直列に配置することです。バルブ A の開口面積 A1 とバルブ B の開口面積 A2 が両方直列の場合、総流量は小さい方の開口と圧力降下の合計によって決まります。エンジニアは両方のバルブの速度を独立して制御することはできません。バルブ A を調整すると、バルブ B の設定が変わらなくても圧力分布が変化し、バルブ B の流量に影響を与えます。油圧流量制御バルブの図にはこれらの一連の制限を示す必要があり、設計では冗長な制限を排除するか、圧力降下比を正確に制御するために意図的に制限を使用する必要があります。

結論

ISO 1219-1 シンボルを使用した油圧流量制御バルブの図により、エンジニアはハードウェアを構築する前にシステム速度制御、エネルギー効率、故障モードを完全に理解できます。曲線の制限記号は、バルブが基本スロットル、圧力補償レギュレーター、または優先ディバイダーとして動作するかどうかを示します。矢印インジケーターは、調整機能と補正機能を示します。回路の配置 (メータイン、メータアウト、またはブリードオフ) によって、負荷容量と効率が決まります。これらの図を読むには、グラフィック規格と各記号の背後にある流体力学の原理の両方を理解する必要があります。斜めの矢印は人間による調整を意味します。垂直矢印は圧力補償を意味します。パラレルチェックバルブは、自由な逆流を備えた一方向制御を意味します。

エンジニアは、負荷の方向、必要な剛性、許容可能な効率、圧力定格を分析して回路トポロジーを選択します。ダイアグラムの予測と測定された圧力および温度を比較することにより、故障を診断します。回路形状から導出された流れ方程式と圧力計算を使用してコンポーネントのサイズを決定します。この図は設計者、技術者、トラブルシューターの間の共通言語として機能し、シカゴにいる人が回路図を確認し、マークされたテスト ポイントでの特定の圧力測定を求めることで、シンガポールで稼働している機械を診断できるようになります。

油圧流量制御バルブの図をマスターするということは、すべての線と記号が物理的なハードウェアと測定可能なエネルギー変換を表していることを認識することを意味します。 2 つの曲線の間の圧迫は、乱流ジェットにおける分子の衝突、摩擦による温度上昇、現代の機械を可能にする正確な速度制御を表しています。用途が、重力下で安全に降下する掘削機のブーム、8 セグメントの速度プロファイリングを備えた射出成形金型の充填、または一定速度での単純な研削テーブルの送りであるかどうかにかかわらず、この図は、流量制御がどのようにタスクを達成するか、およびどこで問題が発生する可能性があるかを正確に示します。