최신 유압 시스템에서는 유체가 회로를 통해 이동하는 속도를 제어하면 기계 작동 속도가 결정됩니다. 천천히 또는 빠르게 확장되는 유압 실린더를 볼 때, 그 속도 차이는 하나의 중요한 구성 요소인 유량 제어 밸브에서 비롯됩니다. 사용 가능한 다양한 유압식 유량 제어 밸브 유형을 이해하면 엔지니어가 다양한 하중에서 일관된 버킷 속도가 필요한 이동식 굴삭기이든 동기화된 다중 실린더 이동이 필요한 정밀 제조 시스템이든 특정 응용 분야에 적합한 솔루션을 선택하는 데 도움이 됩니다.
모든 유압식 유량 제어 밸브 유형의 기본 원리는 간단한 물리 방정식에서 시작됩니다. 오리피스를 통과하는 유량은 다음 관계를 따릅니다.
여기서 유량(Q)은 오리피스 면적(A)과 오리피스 양단의 압력 차이에 따라 달라집니다. 이 제곱근 관계는 문제를 야기합니다. 즉, 밸브 설정을 건드리지 않았더라도 부하 압력이 변하면 유량도 변합니다. 다양한 밸브 유형은 다양한 방식으로 이 문제를 해결하므로 작동 원리를 이해하는 것이 시스템 설계에 중요합니다.
기본 비보상 유량 제어 밸브
가장 간단한 유압식 유량 제어 밸브 유형은 유동 경로에 제한을 가하여 작동합니다. 이 밸브는 흐름을 제어하기 위해 오리피스 면적을 변경하지만 압력 변화를 보상하지는 않습니다. 이로 인해 고급 설계보다 정밀도가 떨어지지만 단순성과 저렴한 비용으로 인해 부하 압력이 상대적으로 일정하게 유지되거나 속도 정밀도가 중요하지 않은 응용 분야에 적합합니다.
니들 밸브와 정밀도의 장점
니들 밸브는 원뿔형 시트로 움직이는 테이퍼형 바늘 모양 요소가 특징입니다. 조정 스템의 가는 나사산을 사용하면 오리피스 개구부를 매우 작게 변경할 수 있습니다. 조정 손잡이를 한 바퀴 완전히 돌리면 바늘이 0.5mm만 움직일 수 있으므로 매우 작은 유속을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이로 인해 니들 밸브는 파일럿 회로, 게이지 댐핑 응용 분야 및 유속이 분당 0.1리터만큼 낮은 계측 라인에서 특히 유용합니다.
또한 원추형 형상은 대부분의 조정 범위에서 거의 선형에 가까운 흐름 특성을 제공합니다. 그러나 니들 밸브에는 한계가 있습니다. 오리피스 크기가 작다는 것은 유체 청결도가 ISO 4406 18/16/13 수준 아래로 떨어지면 막히기 쉽다는 것을 의미합니다. 또한 압력 보상이 부족하기 때문에 50bar 부하 압력에서 분당 2리터를 제공하도록 설정된 니들 밸브는 부하가 20bar로 떨어지면 분당 2.8리터를 제공할 수 있습니다. 이러한 40%의 속도 변화로 인해 가변 부하가 있는 시스템의 기본 속도 제어 장치로 적합하지 않습니다.
유압 서비스의 글로브 밸브
글로브 밸브에는 유체가 방향을 두 번 바꾸도록 하는 내부 흐름 경로가 있어 밸브 본체를 통해 Z자형 흐름 패턴을 만듭니다. 디스크 모양 또는 플러그 모양의 마개 요소는 흐름 흐름에 수직으로 위치합니다. 이 설계는 직선형 밸브에 비해 더 높은 압력 강하를 생성하지만 우수한 스로틀링 특성을 제공합니다.
유압 응용 분야에서 글로브 밸브는 일반적으로 니들 밸브보다 더 큰 유량(보통 분당 5~100리터)을 처리합니다. 조정은 니들 밸브보다 덜 정확하지만 더 견고한 구조로 인해 미립자 오염을 더 잘 처리할 수 있습니다. 기하학적 구조가 힘을 더욱 고르게 분산시키기 때문에 시트와 디스크가 침식 손상을 덜 받습니다. 그러나 모든 비보상 스로틀 밸브와 마찬가지로 글로브 밸브도 동일한 부하 민감도 문제를 안고 있습니다. 10톤의 부하를 미는 실린더는 동일한 밸브 설정에서도 5톤의 부하를 미는 것보다 느리게 움직입니다.
스로틀링용 V-노치 볼 밸브
표준 볼 밸브는 주로 온-오프 격리 장치로 사용되지만 V-노치 볼 밸브는 특히 유량 제어를 위한 발전을 나타냅니다. 원형 포트 대신 볼에는 V자 모양의 컷아웃이 포함되어 있습니다. 볼이 회전함에 따라 V-노치는 흐름 영역을 점진적으로 증가시켜 동일한 비율의 흐름 특성을 제공합니다. 이는 각 회전 각도가 고정된 증분보다는 현재 흐름에 비례하는 흐름 변화를 생성한다는 것을 의미합니다.
V-노치 디자인은 합리적인 조절 기능과 함께 큰 흐름 용량이 필요한 응용 분야에 적합합니다. 2인치 V-볼은 완전 개방 시 분당 200리터 이상을 처리할 수 있으며 최대량의 20%까지 제어 가능한 감소를 제공합니다. 단단한 금속-금속 또는 금속-탄성중합체 밀봉으로 완벽한 차단이 가능합니다. 그러나 이러한 밸브는 압력 민감도 제한을 공유합니다. 유량은 압력 차이의 제곱근에 따라 달라지므로 가변 부하에서 정밀 속도 제어에 적합하지 않습니다.
압력 보상형 유량 제어 밸브
유압 시스템이 부하 변화에 관계없이 일관된 액추에이터 속도를 요구하는 경우 압력 보상 유량 제어 밸브가 필요합니다. 이 밸브는 단순 스로틀링에 내재된 근본적인 문제를 해결합니다. 즉, 보조 제한 요소를 자동으로 조정하여 계량 오리피스 전체에 일정한 압력 강하를 유지합니다. 이 혁신은 본질적으로 압력에 민감한 장치를 진정한 유량 컨트롤러로 변환합니다.
압력 보상의 핵심은 메인 스로틀 오리피스와 직렬로 스프링 장착 보상기 스풀을 추가하는 데 있습니다. 이 보상기는 계량 섹션의 상류 및 하류 압력을 감지합니다. 부하 압력이 증가하면 보상기가 자동으로 약간 열려 메인 오리피스 전체의 압력 강하를 일정하게 유지하기 위해 자체 제한을 줄입니다. 반대로, 부하 압력이 떨어지면 보상기가 부분적으로 닫혀 유량 증가를 방지합니다.
양방향 압력 보상 밸브
양방향 압력 보상 유량 제어 밸브는 액추에이터 회로와 직렬로 연결됩니다. 밸브는 조정 가능한 주 오리피스와 모든 제어 흐름이 두 제한 장치를 모두 통과하도록 배열된 보상 요소로 구성됩니다. 보상 스프링은 일반적으로 메인 오리피스 전체에 걸쳐 5~10bar의 고정 차압을 설정합니다.
부하 변경에 응답하는 방법
분당 10리터를 실린더에 전달하도록 밸브를 설정했다고 상상해 보십시오. 초기 시스템 압력은 100bar이고 부하 압력은 80bar입니다. 보상기는 보상기와 메인 오리피스 사이의 압력이 정확히 90bar(80 + 10bar 스프링 설정)가 되도록 자체 조정됩니다.
이제 부하가 증가하여 실린더 압력이 90bar로 높아집니다. 보상이 없으면 흐름이 떨어집니다. 그러나 보상기는 하류 압력 상승을 즉시 감지하고 더 넓게 열립니다. 이는 보상기 자체의 압력 강하를 줄여 주 오리피스가 여전히 정확히 10bar를 볼 수 있도록 보장합니다. 유량은 분당 10리터로 유지됩니다.
양방향 보상 밸브의 한계는 에너지 효율성에서 나타납니다. 펌프가 밸브가 통과하는 것보다 더 많은 유량을 전달하는 경우 초과량은 시스템 릴리프 밸브를 통해 탱크로 반환되어야 합니다. 이 과잉 흐름은 전체 시스템 압력에서 릴리프 밸브를 통과하여 유압 동력을 직접 열로 변환합니다.
3방향 압력 보상 밸브
3방향 압력 보상 밸브는 과도한 펌프 흐름을 탱크로 직접 우회하는 세 번째 포트를 추가합니다. 고압 릴리프 밸브 위로 초과 흐름을 강제하는 대신, 3방향 밸브의 보상기는 부하 압력보다 약간 높은 지점에서 바이패스 포트를 통해 초과 흐름을 전환합니다. 이는 에너지 낭비를 획기적으로 줄여줍니다.
3방향 밸브의 보상기는 이중 기능을 수행합니다. 첫째, 양방향 밸브와 마찬가지로 계량 오리피스 전체에 걸쳐 일정한 차동을 유지합니다. 둘째, 펌프 유량이 설정된 유량을 초과하면 보상기는 과잉 유량을 바이패스 포트를 통해 보냅니다. 주요 차이점은 이러한 우회가 발생하는 압력입니다. 전환된 흐름은 릴리프 밸브 압력(200bar일 수 있음)이 아닌 부하 압력과 보상기 스프링 설정(일반적으로 10bar)에서 보상기를 통과합니다.
압력 보상형 유압식 유량 제어 밸브 유형 비교
여러 개의 유압 유량 제어 밸브가 단일 펌프에 연결되면 주 방향 밸브 스풀에 대한 압력 보상기의 위치가 중요해집니다. 사소해 보이는 이 설계 세부 사항은 펌프 흐름이 모든 액추에이터에 대해 불충분할 때 시스템이 원활하게 조정된 동작을 유지할지 여부를 결정합니다.
~ 안에사전 보상 시스템, 보상기는 방향 제어 스풀의 업스트림에 위치합니다. 각 밸브 섹션은 자체 유량을 독립적으로 보상합니다. 이는 펌프 용량이 총 수요를 초과할 때 완벽하게 작동합니다. 그러나 여러 기능을 동시에 작동하고 총 수요가 펌프 유량을 초과하는 경우 사전 보상된 밸브는 유량 포화를 나타냅니다. 부하 압력이 가장 낮은 액추에이터는 최대 흐름을 받는 반면, 부하가 높은 액추에이터는 속도를 늦추거나 완전히 정지합니다.
사후 보상 밸브(부하 감지 독립 계량 또는 LUDV 시스템이라고도 함) 보상기를 방향 밸브 하류에 배치합니다. 펌프 흐름이 포화되면 모든 보상기는 비례적으로 개구부를 줄입니다. 이러한 흐름 공유 동작은 속도 비율을 유지하면서 모든 액추에이터가 함께 속도를 늦추는 것을 의미합니다. 조정된 다축 제어가 필요한 이동식 기계의 경우 사후 보정이 필수적입니다.
| 밸브 종류 | 과잉 흐름 처리 | 에너지 효율성 | 일반적인 응용 분야 | 한정 |
|---|---|---|---|---|
| 양방향 보상 | 릴리프 밸브를 통한 복귀 | 낮음(발열량이 많음) | 가변 변위 펌프 시스템 | 고정 펌프를 사용한 연속 작동에는 적합하지 않습니다. |
| 3방향 보상 | 부하 압력에서 탱크로 우회 | 중간(감소된 열) | 고정 펌프 시스템, 연속 사용 | 일반적으로 미터인 전용 |
| 사전 보상됨 | 밸브 디자인에 따라 다름 | 중간 | 단일 액추에이터 또는 순차 작동 | 흐름 포화로 인해 액추에이터 반응이 고르지 않게 됩니다. |
| 사후 보상(LUDV) | 밸브 디자인에 따라 다름 | 중간에서 높음 | 모바일 장비, 멀티액추에이터 코디네이션 | 비용과 복잡성 증가 |
유량 분배기 및 결합기 밸브
유압 시스템이 정확히 동일한 속도로 움직이기 위해 두 개 이상의 액추에이터가 필요한 경우 단순한 병렬 연결은 작동하지 않습니다. 유체는 자연스럽게 저항이 가장 적은 경로를 따릅니다. 즉, 부하가 가장 낮은 액추에이터가 모든 흐름을 받는 반면 다른 액추에이터는 정지합니다. 흐름 분배기 밸브는 개별 부하 압력에 관계없이 흐름을 고정된 비율로 분할하도록 기계적 또는 수력학적으로 강제하여 이 문제를 해결합니다.
스풀형 흐름 분배기
스풀형 흐름 분배기는 압력 감지 및 가변 조절을 사용하여 출구 간 흐름의 균형을 맞춥니다. 밸브 본체 내부의 각 출구에는 모든 흐름이 통과해야 하는 고정 오리피스가 있습니다. 이러한 고정 오리피스 이후 각 분기의 압력은 균형 잡힌 스풀의 반대쪽 끝에 작용합니다. 하나의 분기가 더 많은 흐름을 받기 시작하면 고정 오리피스 전체의 압력 강하가 증가하여 스풀을 이동시키는 불균형이 발생합니다. 이 움직임은 흐름이 균등해질 때까지 낮은 흐름 측면을 열면서 높은 흐름 측면을 제한합니다.
고품질 스풀형 밸브의 분할 정확도는 전체 유량의 ±2.5~5%에 이릅니다. 이러한 정밀도로 인해 스풀 분배기는 동기화된 리프팅 플랫폼, 이중 실린더 프레스 및 실린더가 서로 밀리미터 이내의 끝 위치에 도달해야 하는 위치 지정 시스템에 적합합니다. 그러나 스풀형 분배기의 약점은 오염에 대한 민감성입니다. 여유 공간에 입자가 쌓이면 스풀이 달라붙어 동기화 정확도가 손상됩니다.
기어형 흐름 분배기
기어형 흐름 분배기는 용적 변위 원리를 사용하여 근본적으로 다른 접근 방식을 취합니다. 밸브는 공통 샤프트에 장착된 두 개 이상의 기어 섹션(기어 모터와 유사)으로 구성됩니다. 들어오는 흐름은 공통 입구로 들어가고 모든 기어 세트를 구동합니다. 샤프트가 모든 섹션을 기계적으로 연결하기 때문에 동일한 속도로 회전해야 합니다. 각 기어 섹션은 변위 설정에 비례하여 볼륨을 변위시켜 기어비에 정확한 비율로 유량을 분배합니다.
기어 디바이더는 ISO 4406 20/18/15까지 오염 수준을 견딜 수 있어 효율성과 견고성이 뛰어납니다. 컨베이어 드라이브에서 여러 유압 모터를 동기화하는 것과 같은 연속 작업 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 압력 강화라는 위험한 특성이 있습니다. 토출구 중 하나가 막히면 막힌 부분이 펌프 역할을 하여 매우 높은 압력이 발생하게 됩니다.기어 디바이더의 모든 출구에는 압력 릴리프 밸브가 있어야 합니다.
| 특성 | 스풀형 분배기 | 기어식 디바이더 |
|---|---|---|
| 작동 원리 | 가변 조절을 통한 압력 감지 | 기계적 커플링을 사용한 정변위 |
| 분할 정확도 | ±2.5% ~ ±5% | ±5% ~ ±10% |
| 오염 허용치 | ISO 4406 17/15/12 이상 | ISO 4406 20/18/15 허용 |
| 능률 | 75-85% (발열량) | 92-98% (최소 에너지 손실) |
| 중요한 안전 요구 사항 | 정상적인 시스템 보호를 넘어서는 없음 | 강화를 방지하기 위한 필수 출구 릴리프 밸브 |
고유량 응용 분야용 카트리지 및 로직 밸브
유압 시스템의 전력 규모가 확장됨에 따라 기존 스풀 밸브는 물리적으로 너무 커집니다. 카트리지 스타일 유량 제어 밸브는 밸브 기능을 천공된 매니폴드 블록에 삽입된 작은 논리 요소로 분리하여 이 문제를 해결합니다. 이 접근 방식은 크기와 무게를 획기적으로 줄이는 동시에 소형 패키지에서 훨씬 더 높은 유량을 가능하게 합니다.
양방향 카트리지 논리 요소
기본 양방향 카트리지 밸브는 나사형 또는 슬립인 하우징에 있는 포핏 요소로 구성됩니다. 제어를 위해 중첩 랜드를 사용하는 스풀 밸브와 달리 카트리지 밸브는 시트 유형 폐쇄를 사용합니다. 흐름 제어는 포핏이 시트에서 들어 올려지는 정도를 제한하여 이루어집니다. 파일럿 밸브는 상단 챔버의 압력을 제어합니다. 이 파일럿 압력을 조절함으로써 개구부 크기를 결정하는 포핏의 힘 균형을 제어할 수 있습니다.
장점은 상당합니다. 첫째, 흐름 용량이 극적으로 확장됩니다. 둘째, 누수 방지 시트 설계로 스풀 밸브 고유의 내부 누출을 제거합니다. 셋째, 단일 카트리지 본체는 상단에 장착된 파일럿 커버 어셈블리를 변경하는 것만으로 방향 밸브, 압력 밸브 또는 유량 밸브가 됩니다.
비례 및 서보 흐름 제어
유압 시스템이 PLC 또는 CNC 시스템과 통합되면 기계적 조정이 전자 명령 신호로 대체됩니다. 비례 및 서보 밸브는 전기 입력을 정밀한 유량 출력으로 변환합니다.
비례 유량 제어 밸브
비례 밸브는 수동 조정 나사를 비례 솔레노이드로 대체합니다. 손잡이를 돌리는 대신 제어 시스템은 밸브 스풀의 위치를 지정하기 위해 전자기력을 생성하는 전류 신호를 보냅니다. 최신 밸브는 중첩된 디더 주파수와 함께 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 사용합니다. 이 고주파 진동은 파일럿 스풀을 일정한 미세 동작으로 유지하여 정지 마찰을 깨고 히스테리시스를 1~2% 이하로 줄입니다.
높은 동적 응용 분야를 위한 서보 밸브
서보 밸브는 유압 제어 정밀도의 정점을 나타냅니다. 메인 스풀에 직접 작용하는 비례 솔레노이드를 사용하는 대신 서보 밸브는 토크 모터가 있는 2단계 설계를 사용합니다. 낮은 이동 질량과 최소한의 기계적 마찰은 서보 밸브에 탁월한 동적 반응을 제공합니다. 주파수 응답은 일반적으로 100Hz를 초과합니다. 이는 서보 밸브가 초당 100회 변화하는 명령 신호를 정확하게 재현할 수 있음을 의미합니다.
| 매개변수 | 비례밸브 | 서보 밸브 |
|---|---|---|
| 액추에이터 유형 | 비례 솔레노이드(직접 힘) | 유압 증폭 기능이 있는 토크 모터 |
| 주파수 응답 | 10~50Hz(-3dB점) | 100~200+Hz(-3dB 포인트) |
| Le nombre de Reynolds détermine si le débit traversant votre vanne est laminaire ou turbulent. Lors d'un fonctionnement avec de l'huile à haute viscosité à basse température, l'écoulement peut devenir laminaire, en particulier dans les vannes à pointeau dotées de passages longs et étroits. Dans des conditions laminaires, le débit devient inversement proportionnel à la viscosité, ce qui signifie que la vitesse de votre actionneur dérivera considérablement à mesure que le système se réchauffe. Les vannes de régulation de débit de précision modernes utilisent des orifices à arêtes vives pour forcer un écoulement turbulent même à des nombres de Reynolds modérés. Cette conception rend le coefficient de décharge Cd relativement constant sur une large plage de viscosité, minimisant ainsi la dérive thermique. | 1-2%(디더 포함); <0.5%(LVDT 포함) | <0.3% 일반 |
| 오염 민감도 | 보통(ISO 4406 18/16/13 필요) | 극한 (ISO 4406 14/12/09 필요) |
| 비용(상대적) | 보통의 | 비례보다 3~5배 높음 |
온도 효과 및 점도 고려 사항
유압식 유량 제어 밸브 유형은 온도에 따라 유체 점도가 크게 변하기 때문에 온도 변화에 다르게 반응합니다. 미네랄 기반 유압 오일은 일반적으로 온도가 섭씨 25도씩 올라갈 때마다 점도가 절반으로 감소합니다. 단순한 조절 밸브의 경우 이는 예열 후 장비가 위험할 정도로 빠르게 작동할 수 있음을 의미합니다.
날카로운 오리피스 디자인이 문제에 대응하십시오. 유체가 입구 모서리가 날카로운 오리피스를 통과할 때 흐름은 즉시 난류 영역으로 전환됩니다. 난류에서 배출계수는 본질적으로 점도와 무관합니다. 이것이 바로 압력 보상형 유량 제어 밸브가 측정 섹션에 날카로운 모서리의 오리피스를 보편적으로 사용하는 이유입니다.
비례 솔레노이드(직접 힘)
다양한 유압 유량 제어 밸브 유형 중에서 선택하려면 부하 특성, 정밀도 요구 사항, 듀티 사이클 및 에너지 효율성 요구 사항을 분석해야 합니다.
부하 유형 평가
저항 부하는 간단한 스로틀 밸브로 잘 작동합니다. 과도한 하중(예: 무거운 중량 낮추기)에는 카운터밸런스 밸브와 결합된 압력 보상 밸브가 필요합니다. 변동성이 큰 부하와 관련된 응용 분야의 경우 압력 보상이 필수입니다. 압력 보상 밸브만이 팔레트 무게가 200kg이든 800kg이든 상관없이 일관된 리프트 속도를 달성할 수 있습니다.
에너지 효율성 고려사항
비효율성 비용 계산
에너지 비용이 밸브 선택을 결정하는 요인이 됩니다. 매일 2교대로 작동하는 50마력 유압 시스템을 생각해 보세요. 효율성이 10% 향상될 때마다 연간 전기 비용이 약 3,000~4,000달러 절약됩니다.
- 간헐적인 작동:간단한 양방향 압력 보상 밸브는 적절하게 작동합니다.
- 중간 규모:열 발생을 줄이려면 3방향 압력 보상 밸브를 사용하십시오.
- 지속적인 의무:펌프 변위가 시스템 수요에 자동으로 조정되는 수요 부하 감지 시스템입니다.
결론
유압식 유량 제어 밸브 유형의 범위는 다양한 응용 분야 요구 사항을 해결하는 수십 년 간의 엔지니어링 발전을 반영합니다. 간단한 니들 밸브와 스로틀 밸브는 부하 안정성이 있는 저가형 응용 분야에 적합합니다. 압력 보상 밸브는 다양한 부하에서도 일관된 액추에이터 속도를 제공합니다. 유량 분배기 밸브는 다중 액추에이터 동기화 문제를 해결합니다.
이러한 유압식 유량 제어 밸브 유형과 작동 원리를 이해하면 엔지니어는 과도한 엔지니어링 없이 성능 요구 사항을 충족하는 시스템을 지정할 수 있습니다. 성공적인 유압 시스템 설계는 밸브 특성을 실제 작동 조건과 일치시켜 단순한 구매 가격이 아닌 부하 변화, 필요한 정밀도, 듀티 사이클, 오염 환경 및 총 소유 비용을 고려합니다.
