ระบบโหลดเซนซิง

ระบบโหลดเซนซิง (Load Sensing System, LS) หรือที่เรียกว่าระบบรับรู้สัญญาณความดันของโหลด เป็นระบบควบคุมทางไฮดรอลิกส์ ซึ่งความดัน หรืออัตราการไหลเชิงปริมาตรของปัมป์สามารถปรับเปลี่ยนได้ตามสภาวะที่กำหนดโดยอุปกรณ์ทำงานปลายทาง.

ในวงจรไฮดรอลิกแบบดั้งเดิม อัตราการไหลเชิงปริมาตรที่ส่งจ่ายให้กับกระบอกสูบหรือมอเตอร์ไฮดรอลิก จะได้รับ การบังคับการไหลโดยวาล์วปลดความดัน หรือวาล์วควบคุมความดัน.

แต่ปัมป์ไฮดรอลิกซึ่งเป็นปัมป์แบบแทนที่ปริมาตรนั้นจะส่งจ่ายอัตราการไหลเชิงปริมาตรออกมาคงที่ ด้วยกำลังงานสูงสุดเสมอ แม้ว่าอัตราการไหลที่นำไปใช้งานจะถูกบังคับให้ลดลง จึงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานไปค่อนข้างมาก. อย่างไรก็ตาม ในอีกทางหนึ่ง ระบบโหลดเซนซิงนั้นจะควบคุมให้ปัมป์สร้างอัตราการไหลเชิงปริมาตรออกมาเฉพาะเท่าที่อุปกรณ์ทำงานปลายทางจำเป็นต้องใช้ในขณะนั้นเท่านั้น.

หลักการทั่วไป

ระบบโหลดเซนซิง (LS) สามารถออกแบบให้ใช้กับปัมป์แบบปริมาตรคงที่ในวงจรโอเพนเซนเตอร์ (open-center) หรือตำแหน่งกลางเปิดให้น้ำมันไหลกลับถัง หรือปัมป์แบบปรับปริมาตรได้ ในวงจรโคลสเซนเตอร์ (closed-center) ตำแหน่งกลางปิดก็ได้. อุปกรณ์ที่เรียกว่าวาล์วชดเชยความดัน (pressure compensator) ทำหน้าที่ควบคุมค่าความดันของปัมป์. เมื่ออุปกรณ์ทำงานปลายทางปิดการใช้งาน ปัมป์จะสร้างความดันเท่าที่จำเป็นต่อการกระตุ้นการทำงานของวาล์วชดเชยความดัน.

ดังนั้นในระบบวงจรตำแหน่งกลางเปิด การไหลส่วนเกินจะกลับสู่ถัง ส่วนในวงจรตำแหน่งกลางปิด วาล์วชดเชยความดันจะกระตุ้นลูกสูบควบคุมปริมาตรจุของปัมป์ให้ปัมป์ปรับค่าอัตราการไหลใหม่ตามความต้องการ.

ความดันด้านส่งของปัมป์จะสมดุล ณ จุดซึ่งค่าความดันแตกต่าง Δp ระหว่างความดันด้านส่งของปัมป์ กับความดันในช่องทางสัญญาณควบคุมความดันหรือความดันโหลดเซนซิง (LS) ของวาล์วชดเชยความดันจะมีค่าคงที่ตามที่กำหนดไว้เสมอ. ค่าของ Δp รวมทั้งความดันโหลดเซนซิง (LS) จะถูกกำหนดขึ้นโดยการปรับตั้งแรงต้านสปริงของวาล์วชดเชยความดัน.

ระบบโหลดเซนซิงในวงจรโอเพนเซนเตอร์

ถ้าหากเปิดวาล์วควบคุมเพื่อกระตุ้นอุปกรณ์ทำงานปลายทาง ความดันที่โหลดนั้นจะถูกส่งผ่านช่องทางโหลดเซนซิง (LS) ไปยังวาล์วชดเชยความดัน. ความดันโหลดเซนซิง (LS) นี้จะกระทำในทิศทางเดียวกับแรงต้านจากสปริงกด ทำให้ความดันที่ต้องใช้เพื่อกระตุ้นให้วาล์วชดเชยความดันเริ่มทำงานก็จะเพิ่มสูงขึ้น. ส่งผลให้ปัมป์ในระบบโอเพนเซนเตอร์ส่งจ่ายน้ำมันไฮดรอลิกไปยังอุปกรณ์ทำงานเพิ่มมากขึ้น และไหลกลับถังลดลง. ส่วนปัมป์แบบปรับปริมาตรได้ในระบบโคลสเซนเตอร์ จะปรับมุมเอียงเพิ่มปริมาตรจุ และส่งจ่ายอัตราการไหลออกมามากขึ้น. อัตราการไหลที่ปัมป์ส่งออกมาจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งค่าผลต่างของความดันกลับคืนสู่ค่าที่กำหนดไว้.

สำหรับระบบที่มีอุปกรณ์ทำงานปลายทางหลายตัว ช่องทางป้อนกลับความดันโหลดเซนซิง (LS) จะติดตั้งชัทเทิลวาล์ว ไว้เพื่อเลือกส่งสัญญาณจากโหลดที่มีค่าความดันสูงที่สุดในระบบ.

ตามปกติแล้วระบบโหลดเซนซิงของปัมป์แบบปรับปริมาตรได้ จะใช้งานร่วมกันกับ การควบคุมจำกัดกำลังงาน (horsepower limiting control) และระบบการจำกัดความดัน (pressure overriding cutoff). [2]

นอกจากการควบคุมด้วยไฮดรอลิกล้วนแล้ว ระบบโหลดเซนซิงยังสามารถควบคุมแบบไฮดรอลิกไฟฟ้า (electrohydraulic control) ได้ด้วย ซึ่งใช้วาล์วแบบพรอพอร์ชันแนลและปัมป์ไฮดรอลิกที่ควบคุมด้วยไฟฟ้า. เซนเซอร์ วัดความดันทำหน้าที่ตรวจวัดความดันในระบบแทนที่จะเป็นวาล์วชดเชยความดัน. ผลต่างความดัน ∆p จะถูกคำนวณโดยหน่วยควบคุมทางไฟฟ้า และส่งสัญญาณไปปรับการไหลของปัมป์ตามที่กำหนดไว้.

ขั้นตอนการทำงาน

ในรูปแสดงการทำงานของวงจรไฮดรอลิกใช้ปัมป์ปรับปริมาตรได้แบบโคลสเซนเตอร์ ที่มีกระบอกสูบ 2 ชุด ความดันของโหลดด้านท้ายกระบอกที่มีความดันสูงกว่าจากวาล์วควบคุมทิศทาง PV จะส่งผ่านชัทเทิลวาล์ว WV ไปยังเส้นทางโหลดเซนซิงของวาล์วควบคุม DR

การทำงานของวงจรโหลดเซนซิงที่ใช้ปัมป์แบบปรับปริมาตรได้

มอเตอร์ขับปัมป์หยุดทำงาน	มอเตอร์ทำงาน, วาล์วปิด	มอเตอร์ทำงาน, วาล์วเปิด

1. มอเตอร์ขับและปัมป์หยุดทำงาน.
   • ปัมป์จะถูกปรับตั้งปริมาตรส่งไว้ที่ค่าสูงสุดโดยแรงดันสปริงของลูกสูบควบคุม.
2. มอเตอร์ขับและปัมป์ทำงาน วาล์วควบคุมทิศทางยังปิดอยู่.
   • ปัมป์เริ่มส่งจ่ายการไหลของน้ำมันไฮดรอลิก แต่ทางส่งไปยังกระบอกสูบปลายทางถูกปิดไว้ ความดันของปัมป์จึงเพิ่มสูงขึ้น ขณะที่ความดันโหลดยังเป็นศูนย์. เมื่อความดันจากปัมป์สูงขึ้นเท่ากับแรงต้านสปริงของวาล์วชดเชยความดัน DR แกนวาล์ว DR จะเลื่อนไปเปิดช่องทางให้น้ำมันจากทางส่งปัมป์เข้าไปดันลูกสูบควบคุมปริมาตรจุ ให้ถอยกลับไปลดปริมาตรจุและอัตราการไหลของน้ำมันจากปัมป์ลง จนได้สมดุลระหว่างความดันทางส่งของปัมป์กับความดันที่ต้องใช้เพื่อกระตุ้นให้วาล์วชดเชยความดันทำงาน.
3. มอเตอร์ขับและปัมป์ทำงาน วาล์วควบคุมทิศทางตัวหนึ่งเปิดส่งน้ำมันไปยังกระบอกสูบ z2.
   • น้ำมันไฮดรอลิกจากปัมป์จะถูกส่งจ่ายไปยังกระบอกสูบทำงาน z2 ทำให้ความดันโหลดด้านท้ายกระบอกสูงขึ้นและส่งผ่านรูออริฟิสในวาล์วควบคุม PV, ชัทเทิลวาล์ว, และเส้นทางน้ำมันโหลดเซนซิงกลับไปยังวาล์วชดเชยความดัน DR. ความดันจากเส้นทางโหลดเซนซิงนี้ร่วมกับแรงต้านสปริงของวาล์วชดเชยความดันจะออกแรงต่อต้านกับความดันทางส่งของปัมป์ และดันแกนวาล์ว DR ให้เลื่อนเปิดช่องทางระบายความดันที่กดลูกสูบควบคุมปริมาตรของปัมป์ทิ้งไป ทำให้ปริมาตรจุของปัมป์เพิ่มขึ้น. ถ้าเปิดวาล์วควบคุมทิศทาง PV มากขึ้น ความดันในเส้นทางโหลดเซนซิง LS ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย และก็จะยิ่งทำให้วาล์ว DR เปิดมากขึ้นส่งผลให้ลูกสูบควบคุมของปัมป์ปรับปริมาตรจุของปัมป์ให้ผลิตอัตราการไหลออกมาสูงขึ้น. จนกระทั่งความดันลดเนื่องจากอัตราการไหลผ่านวาล์วควบคุมที่สูงขึ้น ทำให้ความดัน LS เริ่มลดลง แกนวาล์ว DR ก็จะเข้าสู่สภาวะสมดุล กลับสู่ตำแหน่งปิด ส่งความดันน้ำมันจากทางส่งปัมป์ไปดันลูกสูบควบคุมให้หยุดเพิ่มปริมาตรจุและอัตราการไหล.

ในระบบโหลดเซนซิงนี้ อัตราการไหลที่ปัมป์สร้างขึ้นจะเท่ากับการไหลเท่าที่อุปกรณ์ปลายทางต้องการใช้จริง และความดันที่ทางส่งปัมป์ก็จะขึ้นอยู่กับความดันของโหลด โดยจะสูงกว่าความดันโหลดเซนซิง LS เท่ากับแรงต้านของสปริง DR เท่านั้น

เครื่องจักรกลระบบไฮดรอลิก

เมื่ออุปกรณ์ทำงานปลายทางต้องการใช้ความดันที่น้อยกว่าค่าความดันสูงสุดของระบบที่ตั้งค่าไว้โดยวาล์วปลดความดัน และต้องการใช้อัตราการไหลที่น้อยกว่าความจุเต็มที่ของปัมป์ ก็จะสามารถลดกำลังงานของปัมป์ลงไปได้มากจากค่ากำลังงานสูงสุด (corner power) ทำให้ประสิทธิภาพของระบบโหลดเซนซิงสูงกว่าระบบไฮดรอลิกแบบดั้งเดิม ที่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนอัตราการไหลและความดันของปัมป์ไปตามความต้องการใช้งานจริง ระบบโหลดเซนซิงจึงได้รับการนำไปใช้งานในเครื่องจักรกลเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ที่ใช้ระบบไฮดรอลิกซึ่งมีโหลดเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา.

แหล่งข้อมูลอื่น

• Huzij R,Spano A,and Bennett S (2018), Modern Diesel Technology: Heavy Equipment Systems 3 edition , Delmar Cengage Learning; ISBN: 978-1337567589.