比例弁図を理解する

油圧または空圧システムを扱う場合、最新の自動化機器の設計、トラブルシューティング、保守には比例弁図を理解することが不可欠になります。比例弁の図は、これらの精密コンポーネントが電気信号に応じて流体の流れと圧力をどのように制御し、電子制御システムと機械的動作の間のギャップを埋めるかを示しています。

全開または全閉しかできない単純なオンオフバルブとは異なり、比例バルブは開度 0% から 100% までの任意の位置で可変制御できます。この継続的な調整機能は、スムーズな加速、正確な位置決め、および制御された力の適用を必要とするアプリケーションにとって非常に重要です。これらのバルブを表すために当社が使用する図は、主に ISO 1219-1 によって定義された標準化された記号に従っており、世界中のエンジニアが理解できる世界共通言語を作成しています。

比例弁図の違い

比例バルブ図には、標準のバルブ シンボルと即座に区別できる特定のシンボル要素が含まれています。最も目立つ特徴は比例アクチュエータのシンボルです。これは、2 本の平行な対角線が交差するボックス内に囲まれた電磁コイルで構成されています。これらの斜線は、このバルブが単純な切り替えではなく比例制御を提供していることを示す重要な識別子です。

比例ソレノイドのシンボルの近くに小さな破線の三角形が表示される場合、これはバルブにオンボード電子機器 (OBE) が搭載されていることを示します。これらの統合された電子コンポーネントは、信号処理、増幅、および多くの場合フィードバック制御機能をバルブ本体内で直接処理します。この統合により、外部アンプキャビネットの必要性と関連する配線の複雑さが軽減され、設置が簡素化されます。

バルブエンベロープ自体は複数の位置を示しており、通常は 3 ポジションの 4 方向バルブ (4/3 構成) として表されます。標準の方向制御バルブとは異なり、比例バルブの図では流路が部分的に整列した中心位置が示されることが多く、単にポートをブロックしたり完全に開いたりするのではなく、継続的に流量を測定するバルブの能力を示しています。

ISO 1219-1 比例弁記号の読み方

ISO 1219-1 規格は、油圧および空気圧回路図のフレームワークを提供します。比例バルブの場合、この規格はさまざまなバルブ タイプとその制御メカニズムを表現する方法を定義します。比例方向制御バルブのシンボルには、流路内に計量ノッチまたは三角形のシンボルが付いた基本的なバルブ本体が含まれており、正確な流量制御を可能にする特別に機械加工された特徴を示します。

これらの機械加工された特徴は、多くの場合、バルブ スプールに切り込まれた三角形のノッチであり、ゼロ位置付近での高い流量感度と直線性を実現するために重要です。これらの幾何学的な修正がなければ、バルブは閉位置から微調整を行うときに不十分な制御特性を示すことになります。

比例リリーフバルブや減圧バルブなどの比例圧力制御バルブは、同様の記号規則を使用します。主な違いは、比例ソレノイド アクチュエータと圧力制御スプリング シンボルの追加にあります。これらの要素と OBE を示す破線の三角形が組み合わされているのを見ると、洗練された閉ループ圧力制御デバイスを見ていることがわかります。

比例流量制御バルブは通常、2 位置の 2 方向バルブまたは可変オリフィスとして記号化され、常に特徴的な比例制御アクチュエータによってマークされます。これらのバルブは空気、ガス、水、または作動油を使用して動作するため、産業オートメーションにおける多用途のコンポーネントとなっています。

比例弁の仕組み: 電気油圧変換

比例バルブの動作の基本原理には、電気信号を正確な機械的な動きに変換することが含まれます。制御信号 (通常は 0 ～ 10 V または 4 ～ 20 mA) をバルブに送信すると、信号はオンボード電子機器を通過して比例ソレノイドに送られます。ソレノイドは入力電流に比例する磁界を生成し、バルブのスプールまたはポペットに接続されたアーマチュアまたはプランジャーを動かします。

最新の比例バルブの多くはパルス幅変調 (PWM) 制御を使用しています。 PWM システムでは、制御電子機器がソレノイド コイルへの電圧のオンとオフを迅速に切り替えます。デューティ サイクル (総サイクル タイムに対するオン時間の比率) を調整することにより、バルブは正確な位置制御を実現すると同時に、高周波スイッチング (多くの場合約 200 Hz) が可動部品の静止摩擦を克服するのに役立ちます。

この PWM ディザ信号は、基本的な制御を超えた重要な役割を果たします。バルブのスプールとボアの間の静摩擦により、信号レベルが低い場合に固着や応答不良が発生する可能性があります。ディザーによる連続的な高周波振動は、静摩擦をより低い動摩擦に効果的に変換し、デッドバンドを大幅に削減し、応答性を向上させます。ただし、この急速な動きにより粘性減衰力が発生するため、圧力感知チューブとバランスの取れた内部形状による慎重な設計補償が必要になります。

比例弁とサーボ弁の性能差は大幅に縮まりました。統合された LVDT (線形可変差動変圧器) フィードバックを備えた最新の比例バルブは、通常 8% 未満のヒステリシスと 2% 以内の再現性を実現します。このレベルの性能により、比例バルブは、かつては高価なサーボバルブを必要としていた多くのアプリケーションを、約半分のコストで処理できるようになります。

直動式設計とパイロット操作式設計

比例バルブの図をより詳しく調べると、バルブが直動設計を使用しているかパイロット操作設計を使用しているかを示す構造の違いに気づくでしょう。この違いは、バルブの流量容量と圧力定格に大きく影響します。

直動式比例バルブでは、電磁アーマチュアがバルブのスプールまたはポペットに直接接続されます。ソレノイドの力は、油圧の補助なしで計量要素を動かします。この直接接続により、優れた制御精度と高速応答時間が実現され、通常、NG6 (CETOP 3) 実装インターフェイス サイズでは約 100 ミリ秒のステップ応答時間を実現します。ただし、比例ソレノイドから出力される力は限られているため、直動設計は中程度の流量と圧力に制限されます。

パイロット操作の比例バルブは、作動流体自体を使用してメインバルブのスプールの移動を補助することで、これらの制限を克服します。比例ソレノイドは小さなパイロット ステージを制御し、加圧流体を大きなメイン スプールに作用させるように指示します。この油圧増幅により、パイロット操作バルブは、多くの場合 315 ～ 345 bar (4,500 ～ 5,000 PSI) に達する大幅に高い流量と圧力を処理できるようになります。このため、トンネル掘削機の推力システムや重量移動機器などの用途では、パイロット操作の比例弁が一般的に使用されます。

応答時間にはトレードオフが伴います。パイロット操作バルブは、メイン スプールが動く前にパイロット信号によって圧力を高める必要があるため、通常、直動設計よりも応答が遅くなります。 NG10 (CETOP 5) パイロット操作バルブの場合、ステップ応答時間は直動式 NG6 バルブの 100 ミリ秒と比較して 165 ミリ秒に延長されることがよくあります。

バルブスプールの設計とメータリングエッジを理解する

比例制御の核心はバルブのスプール設計にあります。比例バルブの断面図を見ると、スプールには標準の切換バルブ スプールとは異なる特別な幾何学的特徴があることがわかります。

比例方向制御バルブのスプールには通常、三角形のノッチまたは精密に機械加工された溝が付いています。これらのノッチにより、スプールが中心位置から移動するにつれて流れが徐々に始まり、優れた計量特性とゼロ付近の直線性の向上が実現します。これらの機能がないと、鋭いエッジのスプールは、小さな変位で突然の流れが変化し、制御性が低下します。

スプールのオーバーラップも、技術図で指定されることが多いもう 1 つの重要な設計パラメータであり、通常は 10% や 20% などの割合で表示されます。オーバーラップとは、バルブが中央 (中立) 位置にあるときに、スプール ランドがポート開口部をどれだけ覆うかを指します。制御されたオーバーラップは内部漏れを管理し、バルブの不感帯を定義するのに役立ちます。たとえば、パーカーの D*FW シリーズは異なるスプール タイプを使用しており、B31 は 10% のオーバーラップを提供し、E01/E02 タイプは 20% のオーバーラップを提供します。

デッドバンドは、スプールの最初の動きを生成するために必要な制御信号の量を表します。 20% のデッドバンドを持つバルブは、スプールが動き始める前に完全な制御信号の 20% を必要とします。このデッドバンドは静止摩擦 (スティクション) 力を克服する必要があり、スプールのオーバーラップ設計に直接関係します。 OBE を備えた最新のバルブには、工場で設定された不感帯補償が含まれており、最小限の電気入力でスプールが正確に動き始め、ゼロに近い直線性が向上します。

LVDTセンサーによる位置フィードバック

高性能比例バルブには、位置フィードバック用の線形可変差動トランス (LVDT) センサーが組み込まれています。比例バルブ図に LVDT フィードバック シンボル (S/U センサー モジュールとして表示されることが多い) が表示される場合、開ループ設計よりも大幅に優れた精度を実現できる閉ループ バルブが表示されます。

LVDT はバルブ スプールまたはアーマチュア アセンブリに機械的に接続し、実際の物理的な位置を継続的に測定します。この位置信号は統合コントローラまたはアンプにフィードバックされ、指令された位置と比較されます。次に、コントローラーはソレノイド電流を調整して望ましいスプール位置を維持し、外力、機械的摩擦、ヒステリシス効果を積極的に補償します。

比例バルブのヒステリシスは、主に残留磁気と摩擦によって引き起こされる固有の非線形性を表します。制御信号を増加すると、信号を減少させたときとはわずかに異なる点でバルブが開き、流量対電流曲線に特性ループが作成されます。このヒステリシス ループの幅は制御精度に直接影響します。

デッドバンドは、スプールの最初の動きを生成するために必要な制御信号の量を表します。 20% のデッドバンドを持つバルブは、スプールが動き始める前に完全な制御信号の 20% を必要とします。このデッドバンドは静止摩擦 (スティクション) 力を克服する必要があり、スプールのオーバーラップ設計に直接関係します。 OBE を備えた最新のバルブには、工場で設定された不感帯補償が含まれており、最小限の電気入力でスプールが正確に動き始め、ゼロに近い直線性が向上します。

開ループ制御アーキテクチャと閉ループ制御アーキテクチャ

比例バルブ図は、完全な制御アーキテクチャを示すより大きなシステム図の中によく表示されます。システムが開ループ制御を使用しているか閉ループ制御を使用しているかを理解することは、パフォーマンスの期待とトラブルシューティングのアプローチの両方に影響します。

開ループ モーション コントロール システムでは、電子コントローラーが基準信号をバルブ ドライバー (アンプ) に送信し、バルブはその信号のみに基づいて油圧パラメータを調整します。実際の出力 (流量、位置、または圧力) の測定値はコントローラーに返されません。この単純なアーキテクチャは多くのアプリケーションで適切に機能しますが、バルブのドリフト、負荷の変化、温度の影響、ヒステリシスに対して脆弱なままです。

閉ループ モーション コントロール システムには、実際の出力パラメータを測定する追加のフィードバック センサーが含まれています。位置決めアプリケーションの場合、これはシリンダー位置センサー (LVDT または磁歪センサー) である可能性があります。圧力制御の場合、圧力トランスデューサーがフィードバックを提供します。電子コントローラーは通常、PID (比例-積分-微分) 制御を実装し、希望の設定値を実際のフィードバックと比較し、誤差を最小限に抑えるためにバルブ コマンド信号を継続的に調整します。

バルブレベルのフィードバック (スプール上の LVDT) とシステムレベルのフィードバック (シリンダー位置センサー) の違いは注目に値します。内部 LVDT フィードバックを備えた比例バルブはスプール位置を正確に制御しますが、シリンダーの位置や圧力は直接測定しません。最高の精度を実現するために、システムは両方を使用します。LVDT はバルブ スプールの正確な位置を保証し、外部センサーは実際のプロセス変数 (位置、圧力、または速度) の周囲のループを閉じます。

最新の統合エレクトロニクス (OBE) により、システムの設置が大幅に簡素化されます。これらのバルブは、標準の 24 VDC 電源と低電力コマンド信号のみを必要とします。オンボード電子機器は、信号調整、電力変換 (多くの場合、24VDC 電源から ±9VDC 動作電圧を生成)、LVDT 信号処理、および PID 調整を処理します。工場出荷時の校正により、現場で調整することなく複数のバルブにわたって一貫したパフォーマンスが確保され、設置時間が短縮され、外部アンプ調整による変動が排除されます。

性能曲線と動的特性

比例バルブの技術データシートには、動的および定常状態の動作を定量化するいくつかの性能曲線が含まれています。これらのグラフの読み方を理解すると、バルブの選択とトラブルシューティングの両方に役立ちます。

ヒステリシス曲線は、制御電流に対する流量をプロットし、電流の増加 (バルブを開く) と電流の減少 (バルブを閉じる) のときに形成される特性ループを示します。このループの幅は、総入力範囲のパーセンテージとして表され、バルブの再現性を示します。高品質の比例バルブは 8% 未満のヒステリシスを達成します。これは、経路の開閉の差が制御信号範囲全体の 8% 未満であることを意味します。

ステップ応答グラフは、コマンド信号の突然の変化に対してバルブがどれだけ早く反応するかを示します。これらは通常、フルステップ コマンドの特定の割合 (多くの場合 90%) に達するバルブ出力 (流量またはスプール位置) を表示します。 NG6 直動比例方向制御弁の場合、一般的なステップ応答時間は約 100 ミリ秒ですが、より大きなサイズの NG10 では約 165 ミリ秒が必要です。応答時間の短縮 (一部の設計では 8 ～ 15 ミリ秒) は動的パフォーマンスの向上を示しますが、通常はコストが高くなります。

不感帯特性は、スプールの初期動作を生成するために必要な最小制御信号を示すグラフに表示されます。デッドバンドが 20% のバルブでは、流れが始まる前に全信号の 5 分の 1 が必要です。このデッドバンドは静止摩擦を克服するために存在し、スプールのオーバーラップ設計に関係しています。適切な不感帯補償がないと、バルブの中心付近の制御分解能が低くなり、正確な位置決めが困難になります。

汚染と摩耗は、予測可能な方法でこれらの性能曲線に直接影響を与えます。スプールとボアの間に粒子が蓄積すると、静摩擦が増加します。これは、ヒステリシス ループの拡大と不感帯の増加として現れます。実際の流量対電流特性を定期的にプロットし、それらを工場仕様と比較することで、保守チームはシステム障害が発生する前に劣化を検出できます。ヒステリシスが指定された制限を 50% 以上超える場合、通常、バルブの洗浄または交換が必要になります。

システム統合とアプリケーション回路

比例弁の図は、完全な油圧回路内で見たときにその真価を発揮します。一般的な閉ループ油圧位置決めシステムの図には、パワー ユニット (ポンプとリザーバ)、比例方向制御バルブ、アクチュエータとしての油圧シリンダ、およびフィードバックを提供する位置センサーが含まれています。

回路図はバルブポートでの圧力降下 (多くの場合、ΔP1 および ΔP2 と表示されます) を示し、流量計がアクチュエータにかかる力のバランスをどのように制御するかを示しています。面積比が 2:1 のシリンダ (ピストンとロッドエンドの面積が異なる) の場合、バルブは伸長時と収縮時の差動流量要件を考慮する必要があります。比例バルブの図は、どのポート構成が両方向でスムーズな動きを実現するかを示します。

射出成形用途では、油圧比例バルブが成形サイクル全体を通じて型締力、射出速度、圧力プロファイルを正確に制御します。これらの用途には、調整されたシーケンスで動作する複数の比例バルブが必要です。これは、クランプ用の圧力制御バルブ、射出速度用の流量制御バルブ、金型移動の方向制御を示す複雑な回路図に反映されています。

クレーンや可動橋などの移動機器は、比例弁が可変容量ポンプの出力を制御する閉ループ油圧システムを使用します。これらのシステムは、スロットルバルブを通じてエネルギーを散逸するのではなくポンプ容量を調整することにより、より高い効率を達成します。回路図は通常、主回路の低圧区間で 100 ～ 300 PSI を維持するチャージ ポンプを示しており、比例バルブが個別の圧力や流量制御要素を使用せずに方向、加速、減速度、速度、トルクを管理します。

エネルギー効率の考慮事項は、回路設計哲学に大きな影響を与えます。従来の比例方向制御バルブは、絞りを通じて制御を実現し、絞りオリフィス全体で油圧エネルギーを熱に変換します。この散逸制御は優れた制御忠実度を提供しますが、適切な流体冷却能力が必要です。対照的に、可変容量制御では、リリーフバルブを通じて過剰な流量を消散するのではなく、供給源を調整することでエネルギーの無駄を最小限に抑えます。設計者は、スロットル制御の単純さと、可変容量アプローチによる効率の向上のバランスを取る必要があります。

比例弁システムのトラブルシューティング

比例弁の性能低下は、通常、前述した特性曲線の変化として現れます。これらの障害モードを理解することは、効果的な診断手順を確立するのに役立ちます。

汚れは、比例バルブの問題の最も一般的な原因です。 10 マイクロメートルほどの小さな粒子はスプールの動きを妨げ、スティクション (高い静摩擦) を引き起こす可能性があり、これを克服するには初期電流の増加が必要になります。これは、不感帯の増加とヒステリシス ループの拡大として現れます。 ISO 4406 清浄度基準 (通常、比例バルブの場合は 19/17/14 以上) に従って作動油の清浄度を維持すると、汚染に関連した故障のほとんどを防止できます。

ドリフトや漏れの問題は、シールの摩耗や内部のバルブの摩耗が原因で発生します。シールが劣化すると、バルブが中心に位置している場合でも、内部漏れによりアクチュエータがドリフトする可能性があります。温度はシールの性能に大きく影響します。高温では流体が薄くなりシール材料が劣化しますが、低温では粘度が増加してシールの柔軟性が低下し、どちらも制御上の問題を引き起こします。

継続的なサイクリングと熱への曝露によるスプリングの疲労は、中心位置への戻りが遅い、または不完全として現れます。スプールをニュートラルに戻すセンタリング スプリングは、数百万回のサイクルで徐々に力が失われ、最終的には交換またはバルブの修理が必要になります。

系統的なトラブルシューティングのフローチャートは通常、電気的な検証から始まります。電源電圧（通常はDC24V±10％）、コマンド信号レベル、配線の健全性を確認してください。ソレノイド抵抗を測定してコイルの故障を検出します。 OBE を備えたバルブの場合、多くのモデルは内部故障を示す診断出力を提供します。

機械的診断には、バルブポートの圧力テストが含まれます。バルブ全体の大きな圧力降下（仕様を超えている）は、詰まりまたは内部摩耗を示しています。流量測定は、実際の流量が特定の制御信号におけるシステム要件と一致していることを確認するのに役立ちます。温度監視により、過度のスロットリングや不適切な冷却による過熱を特定します。

予知保全プログラムには、定期的なパフォーマンス検証を含める必要があります。実際の流量対電流の特性を毎年プロットし、ベースライン測定値と比較することで、メンテナンス チームは段階的な劣化を追跡できます。測定されたヒステリシスが元の仕様より 50% 増加した場合は、完全な故障を待つのではなく、次のメンテナンス期間中にバルブのクリーニングまたは交換をスケジュールします。

適切な比例弁の選択

システムを設計する場合、またはコンポーネントを交換する場合、比例バルブを選択するには、コストとスペースの制約に対していくつかの技術パラメータのバランスをとる必要があります。

• 流量が最優先されます。必要なアクチュエータ速度を計算し、ピストン面積を乗じて流量を決定します。安全マージン (通常 20 ～ 30%) を追加し、この要件以上の定格流量を持つバルブを選択してください。バルブの流量容量はバルブ全体の圧力降下によって変化することに注意してください。動作圧力差での流量曲線を常に確認してください。
• 圧力定格は最大システム圧力を超える必要があります比例制御の核心はバルブのスプール設計にあります。比例バルブの断面図を見ると、スプールには標準の切換バルブ スプールとは異なる特別な幾何学的特徴があることがわかります。
• 制御信号の互換性が重要システム統合のため。最新のバルブは、電圧 (±10V) または電流 (4 ～ 20mA) 信号のいずれかを受け入れます。電圧信号は短いケーブルの配線に適していますが、電流信号は長距離の電気ノイズに耐えます。コントローラーの出力がバルブ入力要件と一致していることを確認するか、適切な信号変換を計画してください。
• サーボバルブアプリケーションのダイナミクスに依存します。プレスや位置決めステージなどのゆっくりと動く装置の場合は、100 ～ 150 ミリ秒の応答で十分です。射出成形やアクティブ サスペンション システムなどの高速アプリケーションでは、代わりに 20 ミリ秒未満の応答を備えたサーボ バルブが必要になる場合があります。
• 環境への配慮使用温度範囲、耐振動性、取り付け方向などが含まれます。 OBE を備えたバルブは、電子機器がバルブ本体に直接取り付けられているため、優れた耐振動性を実現し、バルブとアンプ間の脆弱なケーブル接続を排除します。動作温度は通常、標準設計の場合 -20°C ～ +70°C の範囲ですが、極端な条件に対応する特殊バージョンも利用できます。

比例弁技術の将来

比例バルブ技術は、より高いパフォーマンスとよりスマートな統合を目指して進化し続けています。最新の設計には高度な診断がますます組み込まれており、リアルタイムの状態監視と予知保全機能が提供されます。 IO-Link などの通信プロトコルにより、比例弁はサイクル数、温度、内部圧力、検出された故障などの詳細な動作データを報告できます。

比例バルブとサーボバルブの性能の収束は継続します。比例弁メーカーがスプールの加工精度を向上させ、OBE システムに高度な制御アルゴリズムを実装するにつれて、性能の差は縮まっています。かつては高価なサーボ バルブが必要だった多くのアプリケーションに対して、LVDT フィードバックを備えた最新の比例バルブは、大幅に低コストで適切な精度と再現性を提供できるようになりました。

エネルギー効率は、コンポーネント設計とシステム設計の両方における革新を推進します。新しいバルブ形状により、制御精度を維持しながら圧力降下を最小限に抑え、発熱と消費電力を削減します。システムレベルの改善には、各バルブを個別に制御するのではなく、複数の比例バルブを調整して全体のエネルギー使用を最適化するインテリジェントな制御戦略が含まれます。

比例弁図を理解することは、最新の自動化装置を効果的に使用するための基礎となります。新しいシステムを設計している場合でも、既存のインストールのトラブルシューティングを行っている場合でも、アップグレードするコンポーネントを選択している場合でも、これらの標準化されたシンボルとその意味を解釈できる機能により、システムの動作とパフォーマンス特性についての重要な洞察が得られます。これらの図は、単なる静的なコンポーネントのシンボルを表すだけでなく、電気油圧制御技術における数十年にわたるエンジニアリングの改良をカプセル化しています。