油圧流量制御弁の種類

最新の油圧システムでは、回路内を流体が移動する速度を制御することで、機械の動作速度が決まります。油圧シリンダーがゆっくりまたは急速に伸びているのを見ると、その速度差は 1 つの重要なコンポーネントである流量制御バルブによって生じていることがわかります。利用可能なさまざまな油圧流量制御バルブのタイプを理解することは、変化する負荷の下で安定したバケット速度を必要とする移動式掘削機であっても、同期した複数シリンダーの動作を必要とする精密製造システムであっても、エンジニアが特定の用途に適したソリューションを選択するのに役立ちます。

すべての油圧流量制御バルブの基本原理は、単純な物理方程式から始まります。オリフィスを通過する流量は次の関係に従います。

ここで、流量 (Q) はオリフィス面積 (A) とその前後の圧力差によって決まります。この平方根の関係は課題を生み出します。負荷圧力が変化すると、たとえバルブ設定を変更していなくても、流量も変化します。バルブの種類が異なれば、この問題の解決方法も異なるため、システム設計ではバルブの動作原理を理解することが重要になります。

基本的な非補償型流量制御バルブ

最も単純な油圧流量制御バルブのタイプは、流路に制限を設けることで機能します。これらのバルブはオリフィス面積を変更して流量を制御しますが、圧力変動を補償するものではありません。このため、高度な設計に比べて精度は低くなりますが、そのシンプルさと低コストにより、負荷圧力が比較的一定に保たれる場合や速度精度が重要ではない用途に適しています。

ニードルバルブとその精度の利点

ニードル バルブは、円錐形のシートに移動する先細の針状の要素を備えています。調整ステムの細いネジにより、オリフィス開口部の非常に小さな変化が可能になります。調整ノブを 1 回転すると、ニードルはわずか 0.5 mm しか動かないため、非常に少ない流量でも正確に制御できます。このため、ニードルバルブは、流量が毎分 0.1 リットル程度になる可能性があるパイロット回路、ゲージ減衰アプリケーション、計装ラインで特に価値があります。

また、円錐形の形状により、調整範囲のほとんどにわたってほぼ直線的な流量特性が得られます。ただし、ニードルバルブには限界があります。オリフィスのサイズが小さいということは、流体の清浄度が ISO 4406 18/16/13 レベルを下回ると詰まりやすいことを意味します。さらに、圧力補償がないため、50 bar の負荷圧力で 2 リットル/分を供給するように設定されたニードル バルブは、負荷が 20 bar に低下すると 2.8 リットル/分を供給する可能性があります。この 40% の速度変動により、可変負荷のあるシステムの主な速度制御としては不適切になります。

油圧サービスにおけるグローブバルブ

グローブ バルブは、流体の方向を 2 回強制的に変更する内部流路を備えており、バルブ本体を通る Z 字型の流れパターンを形成します。ディスク形またはプラグ形の閉鎖要素は、流れに対して垂直に配置されます。この設計では、ストレート バルブと比較して圧力損失が高くなりますが、良好な絞り特性が得られます。

油圧用途では、グローブ バルブは通常、ニードル バルブよりも大きな流量 (通常は 5 ～ 100 リットル/分) を処理します。調整の精度はニードルバルブより劣りますが、より堅牢な構造により粒子汚染にうまく対処できます。形状によって力がより均等に分散されるため、シートとディスクは侵食による損傷が少なくなります。ただし、すべての非補償型スロットル バルブと同様に、グローブ バルブにも同じ負荷感度の問題があります。バルブ設定が同じであっても、10 トンの荷重を押すシリンダーの動きは 5 トンの荷重を押すときよりも遅くなります。

スロットル用Vノッチボールバルブ

標準的なボール バルブは主にオン/オフ分離デバイ​​スとして機能しますが、V ノッチ ボール バルブは流量制御に特化した進化を表しています。ボールには円形のポートの代わりに V 字型の切り欠きが含まれています。ボールが回転すると、V ノッチにより流路面積が徐々に増加し、等しいパーセンテージの流量特性が得られます。これは、回転の各角度により、固定増分ではなく、現在の流量に比例した流量変化が生じることを意味します。

V ノッチ設計は、適度な絞り機能を備えた大流量容量を必要とするアプリケーションに適しています。 2 インチの V ボールは、全開時に毎分 200 リットル以上の流量を処理でき、同時に最大値の 20% まで制御可能な減少を実現します。金属と金属または金属とエラストマーの硬質シールにより、確実な遮断が実現します。ただし、これらのバルブには圧力感度の制限があり、流量は圧力差の平方根に応じて変化するため、変動負荷下での精密な速度制御には適していません。

圧力補償型流量制御バルブ

油圧システムが負荷の変化に関係なく一定のアクチュエータ速度を要求する場合、圧力補償型の流量制御バルブが必要になります。これらのバルブは、単純な絞りに固有の根本的な問題を解決します。つまり、二次制限要素を自動的に調整することで、計量オリフィス全体の圧力降下を一定に維持します。この革新により、本質的に圧力に敏感なデバイスが真の流量コントローラーに変わります。

圧力補償の鍵は、メイン絞りオリフィスと直列にバネ仕掛けの補償器スプールを追加することにあります。この補償器は、計量セクションの上流と下流の両方で圧力を感知します。負荷圧力が増加すると、補償器は自動的にわずかに開き、それ自体の制限を減らしてメインオリフィス全体の圧力降下を一定に保ちます。逆に、負荷圧力が低下すると、補償器は部分的に閉じて流量の増加を防ぎます。

二方圧力補償バルブ

双方向圧力補償型流量制御バルブがアクチュエータ回路と直列に接続されています。バルブは、調整可能なメインのオリフィスと、すべての制御流量が両方の制限を通過するように配置された補償要素で構成されています。補償器スプリングは通常、メインオリフィス全体に 5 ～ 10 bar の固定差圧を設定します。

双方向補償バルブの限界はエネルギー効率に現れます。ポンプがバルブを通過する以上の流量を供給すると、過剰分はシステムのリリーフバルブを通ってタンクに戻される必要があります。この過剰な流れはシステム全圧力でリリーフバルブを通過し、油圧力を直接熱に変換します。

三方圧力補償バルブ

三方圧力補償バルブにより、余分なポンプの流れを直接タンクにバイパスする 3 番目のポートが追加されます。過剰な流れを高圧リリーフバルブに強制的に流す代わりに、三方バルブの補償器は、負荷圧力をわずかに上回るだけの圧力で過剰な流れをバイパスポートに迂回させます。これにより、エネルギーの無駄が大幅に削減されます。

三方弁の補償器は 2 つの機能を実行します。まず、二方弁と同様に、計量オリフィス全体の差動を一定に維持します。次に、ポンプ流量が設定流量を超えると、補償器が余剰分をバイパスポートに送ります。主な違いは、このバイパスが発生する圧力です。分流された流れは、リリーフバルブ圧力 (200 bar の場合もあります) ではなく、負荷圧力に補償器のスプリング設定を加えた圧力 (通常は 10 bar) で補償器を通過します。

マルチアクチュエータ システムにおける事前補償と事後補償

複数の油圧流量制御バルブが 1 つのポンプに接続されている場合、メイン方向制御バルブのスプールに対する圧力補償器の位置が重要になります。この一見些細な設計の詳細は、ポンプ流量がすべてのアクチュエータに対して不十分になった場合に、システムがスムーズな協調動作を維持するかどうかを決定します。

で事前補償システム、補償器は方向制御スプールの上流にあります。各バルブセクションは、それ自体の流れを独立して補正します。これは、ポンプ容量が総需要を超える場合に完全に機能します。ただし、複数の機能を同時に操作し、総需要がポンプ流量を超えると、事前補償されたバルブは流量の飽和を示します。負荷圧力が最も低いアクチュエータは全流量を受け取りますが、高負荷アクチュエータは減速するか完全に停止します。

事後補償バルブ(負荷感知独立計量システムまたは LUDV システムとも呼ばれます) は、方向制御弁の下流に補償器を配置します。ポンプ流量が飽和すると、すべての補償器がその開口部を比例して減少させます。この流れ共有動作は、すべてのアクチュエータが速度比を維持しながら一緒に減速することを意味します。調整された多軸制御を必要とするモバイル機械の場合、事後補償は基本的に必須です。

分流弁と結合弁

油圧システムがまったく同じ速度で動作するために 2 つ以上のアクチュエータを必要とする場合、単純な並列接続は機能しません。流体は自然に最も抵抗の少ない経路をたどります。つまり、負荷が最も低いアクチュエータがすべての流れを受け取り、他のアクチュエータは停止します。分流弁は、個々の負荷圧力に関係なく、機械的または油圧的に流れを一定の比率で強制的に分割することで、この問題を解決します。

スプール型分流器

スプールタイプの分流器は、圧力検出と可変絞りを使用して出口間の流れのバランスをとります。バルブ本体の内部には、各出口に固定オリフィスがあり、すべての流れが通過する必要があります。これらの固定オリフィスの後に、各分岐内の圧力がバランスの取れたスプールの両端に作用します。 1 つの分岐がより多くの流れを受け取り始めると、その固定オリフィス全体での圧力降下が増加し、不均衡が生じてスプールが移動します。この動きにより、流れが均等になるまで高流量側が制限され、低流量側が開きます。

高品質のスプール型バルブの分割精度は、総流量のプラスまたはマイナス 2.5 ～ 5 パーセントに達します。この精度により、スプール ディバイダは、同期昇降プラットフォーム、デュアル シリンダー プレス、およびシリンダーが相互に数ミリメートル以内の最終位置に到達する必要がある位置決めシステムに適しています。ただし、スプールタイプの仕切りは汚れに弱いという弱点があります。隙間にゴミが溜まるとスプールが固着し、同期精度が損なわれます。

ギア式分流器

ギアタイプの分流器は、容積式原理を使用した根本的に異なるアプローチを採用しています。バルブは、共通のシャフトに取り付けられた 2 つ以上のギア セクション (ギア モーターと同様) で構成されます。入ってくる流れは共通の入口に入り、すべてのギアセットを駆動します。シャフトはすべてのセクションを機械的に結合しているため、これらのセクションは同じ速度で回転する必要があります。各ギアセクションは、その押しのけ量設定に比例した容積を押し出し、ギア比に正確に比例して流れを分割します。

ギア デバイダーは効率と堅牢性に優れ、ISO 4406 20/18/15 までの汚染レベルに耐えます。コンベアドライブの複数の油圧モーターを同期させるなど、連続使用用途に最適です。しかし、圧力強化という危険な特性を持っています。片方の出口が詰まると、詰まった部分がポンプの役割を果たし、非常に高い圧力が発生します。ギア デバイダーのすべての出口には圧力リリーフ バルブが必要です。

高流量アプリケーション用のカートリッジおよびロジックバルブ

油圧システムの出力が増大するにつれて、従来のスプールバルブは物理的に大きくなりすぎます。カートリッジ スタイルの流量制御バルブは、バルブの機能を、ドリル加工されたマニホールド ブロックに挿入された小さな論理要素に分離することで、この問題を解決します。このアプローチにより、サイズと重量が大幅に削減され、コンパクトなパッケージではるかに高い流量が可能になります。

双方向カートリッジ ロジック エレメント

基本的な 2 方向カートリッジ バルブは、ネジ付きまたはスリップイン ハウジング内に配置されたポペット要素で構成されています。制御にオーバーラップランドを使用するスプールバルブとは異なり、カートリッジバルブはシートタイプのクロージャーを使用します。流量制御は、ポペットがシートから離れる距離を制限することによって行われます。パイロットバルブは上部チャンバー内の圧力を制御します。このパイロット圧力を調整することで、ポペットにかかる力のバランスを制御し、開口部のサイズを決定します。

利点は非常に大きいです。まず、流量容量が大幅に増加します。第二に、漏れのないシート設計により、スプールバルブに特有の内部漏れが排除されます。第三に、上部に取り付けられたパイロット カバー アセンブリを交換するだけで、単一のカートリッジ本体が方向弁、圧力弁、または流量弁になります。

比例およびサーボ流量制御

油圧システムが PLC または CNC システムと統合されると、機械的調整は電子コマンド信号に取って代わられます。比例バルブとサーボバルブは、電気入力を正確な流量出力に変換します。

比例流量制御弁

比例バルブは、手動調整ネジを比例ソレノイドに置き換えます。ノブを回す代わりに、制御システムは電磁力を生成する電流信号を送信してバルブのスプールを位置決めします。最新のバルブは、ディザ周波数が重畳されたパルス幅変調 (PWM) 駆動信号を使用します。この高周波振動により、パイロット スプールは一定の微動状態に保たれ、静止摩擦がなくなり、ヒステリシスが 1 ～ 2% 以下に減少します。

高ダイナミック用途向けのサーボバルブ

サーボバルブは油圧制御精度の最高峰です。メインスプールに直接作用する比例ソレノイドを使用する代わりに、サーボバルブはトルクモーターを備えた 2 ステージ設計を採用しています。低い移動質量と最小限の機械的摩擦により、サーボ バルブは優れた動的応答を実現します。周波数応答は通常 100 Hz を超えます。これは、サーボ バルブが 1 秒間に 100 回変化するコマンド信号を正確に再現できることを意味します。

温度の影響と粘度の考慮事項

流体の粘度は温度によって大幅に変化するため、油圧流量制御バルブのタイプは温度変化に対する反応が異なります。鉱物ベースの作動油は通常、温度が 25 ℃上昇するごとに粘度が半分に低下します。単純なスロットルバルブの場合、これは、ウォームアップ後に機器が危険な速度で動作する可能性があることを意味します。

シャープエッジのオリフィス設計この問題に対処してください。流体が鋭い入口エッジを備えたオリフィスを通過すると、流れは即座に乱流状態に移行します。乱流では、吐出係数は粘度に本質的に依存しなくなります。これが、圧力補償型流量制御バルブがその計量セクションに鋭利なエッジのオリフィスを一般的に採用している理由です。

さまざまな用途の選択基準

さまざまな油圧流量制御バルブのタイプの中から選択するには、負荷特性、精度要件、デューティ サイクル、およびエネルギー効率のニーズを分析する必要があります。

負荷タイプの評価

抵抗負荷は単純なスロットルバルブで問題なく動作します。過負荷（重い重量を下ろすなど）には、カウンターバランスバルブと組み合わせた圧力補償バルブが必要です。変動性の高い負荷を伴うアプリケーションでは、圧力補償が必須になります。パレットの重量が 200kg であっても 800kg であっても、一貫したリフト速度を達成できるのは圧力補償付きバルブだけです。

エネルギー効率の考慮事項

結論

油圧流量制御バルブのさまざまなタイプには、さまざまなアプリケーション要件に対応する数十年にわたるエンジニアリングの進化が反映されています。シンプルなニードルバルブとスロットルバルブは、負荷が安定している低コストの用途に適しています。圧力補償されたバルブは、変動する負荷の下でも一貫したアクチュエータ速度を提供します。分流バルブは、複数のアクチュエータの同期に関する課題を解決します。

これらの油圧流量制御バルブの種類とその動作原理を理解することで、エンジニアは過剰なエンジニアリングを行うことなく、性能要件を満たすシステムを指定できます。油圧システムの設計が成功すると、バルブの特性が実際の動作条件に適合し、負荷の変動、必要な精度、デューティ サイクル、汚染環境、単なる購入価格ではなく総所有コストが考慮されます。