شیر هیدرولیک

طرز کار شیر هیدرولیک

شیر برقی یک ابزار پرکاربرد در صنعت است که دارای اسپول یا هسته ی فرومغناطیسی است که قابلیت جابه جایی دارد و به صورت کلی میتوان آن را شبیه سیم پیچ دانست. طرز کار شیرهای هیدرولیک برقی وابسته به حرکت هسته یا همان اسپول است؛ به این ترتیب که با ایجاد جریان الکتریکی توسط بوبین یا سلونوئید میدان مغناطیسی ایجاد می شود و این میدان به پیستون یا هسته نیرو وارد می کند، نیرو باعث حرکت کردن اسپول می شود.

با توجه به طرز کاری که برای شیر هیدرولیک ارئه شد؛ سلونوئید یا بوبین مهم  ترین بخش شیر برقی است؛ چراکه وظیفه ی آن باز و بسته کردن پورت های شیر هیدرولیک است. سلونوئید ساختاری بسیار ساده داشته و از سه قسمت مهم قاب، سیم پیچ و سنبه تشکیل شده است. قاب سلونوئید از جنس فولاد است تا وقتی که جریان برق به سیم پیچ داده شد، خاصیت آهنربایی ایجاد شود و به کمک همین خاصیت آهنربایی، سنبه سلونوئید به قاب جذب شود و به این ترتیب به حرکت در بیاید.

انواع شیر هیدرولیک از نظر عملکرد

1. شیرهای کنترل جهت: مسیر حرکت سیال را تغییر می دهند.
2. شیرهای کنترل فشار: اصطلاحا به آنها رلیف ولو نیز می گویند و کنترل فشار سیستم را بر عهده دارند.
3. شیرهای کنترل جریان یا دبی متغیر: وظیفه ی کنترل دبی سیستم را دارند.

انواع شیر هیدرولیک از نظر نوع تحریک

1. تحریک دستی
2. تحریک سلونوئیدی
3. تحریک مکانیکی یا بادامکی
4. تحریک هوایی

شیر هیدرولیک برقی از پر کاربردترین دسته ی شیر هیدرولیک است و این شیرها به وسیله نیروی الکتریکی کار می کنند. مقدار جریان سیستم هیدرولیک به کمک شیر برقی قطع، وصل یا تنظیم می شود. شیرهای برقی خود به دو دسته شیر هیدرولیکی تک بوبین و شیر هیدرولکی دو بوبین تقسیم بندی می شوند و فرمان الکتریکی توسط سوکت به بوبین انتقال می یابد. داخل شیرهای برقی هیدولیک قطعه ای به نام اسپول وجود دارد که در طرفین آن دو واشر و دو فنر وجود دارد؛ به کمک تحریک الکتریکی رخ داده، اسپول تغییر حالت داده و این تغییر حالت می تواند منجر به جریان یا قطع جریان شود.

شیر برقی هیدرولیک دارای مدل های گوناگونی است؛ انواع مدل های شیر برقی در صنایعی چون سیمان، فولاد، خودروسازی و صنایع سنگین کاربرد دارند.

شیرهای هیدرولیک کنترل جهت

اولین دسته از شیر هیدرولیک،

است. این شیرها به منظور مدیریت بر جهت عبور سیال مورد استفاده قرار می گیرند و تعیین کننده مسیر عبور جریان سیال در مدار هستند. برای مثال می توانند جهت حرکت یک سیلندر یا موتور هیدرولیکی را تعیین کنند. این شیرها با توجه به وظایف خود به انواع یکطرفه، دوراهه، چند راهه و غیره تقسیم بندی می شوند. نام گذاری شیرهای کنترل جهت طبق تعداد موقعیت و دهانه های شیر انجام می شود و این نام گذاری به این ترتیب است که ابتدا تعداد دهانه ها و سپس تعداد موقعیت ها بیان می شود.

در زیر نحوه ی حرکت شیرهای کنترل جهت اسپولی با اسپول لغزنده را مشاهده می کنیم.

در شکل زیر نحوه ی حرکت شیر هیدرولیک کنترل جهت با تحریک برقی را مشاهده می کنیم. بوبین این شیرها با ایجاد میدان مغناطیسی، اسپول شیر را به حرکت در می آورد.

شیرهای هیدرولیک کنترل فشار

نوع دیگری از شیر هیدرولیک،

است. این گروه از شیر هیدرولیک، سیستم را در برابر تغییرات ناگهانی فشار حفاظت میکند؛ تغییرات ناگهانی به وجود آمده در اثر عوامل متعددی مانند کاهش میزان دبی یا افزایش ناخواسته آن، به دلیل باز و بسته شدن شیر به وجود می آید. تغییرات ناگهانی به وجود آمده در سیستم میتواند تغییرات آنی حتی تا 4 برابر فشار نرمال را در سیستم ایجاد کند؛ از آنجایی که افزایش فشار بیشتر از حد معین می تواند آسیب های جدی به شیر هیدرولیک بزند؛ لزوم استفاد از شیر کنترل فشار توجیه می شود. در یک سیستم هیدرولیک توان خروجی وابسته به فشار و جریان سیال است، بنابراین برای دست یابی به اهداف مورد نظر هنگام طراحی مدار، باید موارد زیر معین گردند:

• فشار سیستم
• پارامترهای هندسی و اندازه های مربوط به شیرها
• مقدار دبی سیستم

در شکل زیر یک شیر کنترل فشار هیدرولیکی را مشاهده می کنیم.

ماکزیمم نیروی قابل اعمال توسط سیلندر هیدرولیکی در شیر هیدرولیک کنترل فشار تابعی از حداکثر فشار سیستم و سطوح مقاطع پیستون و طول شافت می باشد؛ به همین دلیل کنترل دقیق سطح فشار سیستم، منجر به کنترل دقیق نیروهای تولید شده توسط عملگرها می شود و در نتیجه سیستم را در مقابل ایجاد تنش های غیر مجاز محافظت می کند.

کاربرد شیرهای هیدرولیک کنترل فشار

1. شیر اطمینان ساده: این شیرها موظف به مراقبت نمودن از خطوط لوله و سایر تجهیزات هیدرولیکی در مقابل افزایش فشار هستند.
2. شیر اطمینان ترکیبی: درست مانند شیر اطمینان ساده بوده با این تفاوت که دسترسی به سطح فشار دقیق را ممکن می سازد.
3. شیر کاهنده فشار: فشار کاهش یافته ای را در خروجی سیستم بدون توجه به فشار ورودی تامین می کنند.
4. شیر بی بار کننده: جریان خارج شده از پمپ های جابه جایی مثبت را در حالتی که سیستم هیدرولیک تحت بار نیست، در فشار صفر به مخزن تخلیه می کند و به این ترتیب از مصرف توان و تلفات حرارتی ناشی از تخلیه سیال از طریق شیر اطمینان در فشار بالا کاسته می شود.
5. شیر متعادل کننده: در برابر عبور جریان در یک جهت خاص مقاومت ایجاد می کند و در جهت دیگر اجازه ی عبور را می دهد.
6. شیر ترتیبی: همانطور که از نام این شیر مشخص است؛ جریان را در در مسیرهای مختلف و با ترتیب خاص هدایت می کند.
7. سوئیچ فشاری: این شیرها به کاهش یا افزایش فشار سیال حساس هستند.

شیرهای هیدرولیک کنترل جریان یا دبی متغیر

دسته ای دیگر از شیر هیدرولیک،

است. از شیرهای کنترل جریان جهت تنظیم سرعت سیلندرها و موتورهای هیدرولیکی به وسیله ی تغییر میزان دبی ورودی یا خروجی آنها استفاده می شود. ابزار اصلی برای این کنترل تغییر سطح عبور جریان در گلوگاه است که در شکل زیر این تغییر گلوگاه برای کنترل جریان نشان داده شده است.

لازم به ذکر است که درصورت عملکرد همزمان شیرهای کنترل جریان و کنترل فشار است که می توان بر اندازه ی دبی تاثیر گذاشت. یک شیر کنترل جریان قادر است با تنظیم دبی سیال، سرعت حرکت عملگرها را تحت کنترل قرار دهد.

دو روش اصلی برای تقسیم بندی شیر هیدرولیک کنترل جریان وجود دارد:

• بدون سیستم جبران کننده فشار

کاربرد این شیرها مربوط به حالتی است که فشار سیستم تقریبا ثابت بوده و تنظیم دقیق سرعت مد نظرمان نیست. ساده ترین نوع این شیرها محدود کننده های جریان هستند که با داشتن یک گلوگاه ساده شیر یک طرفه ساخته می شود.

• همراه با سیستم جبران کننده فشار

این شیرها به صورت اتوماتیک نسبت به تغییرات فشار تنظیم شده و همواره افت فشار را ثابت نگه می دارد؛ به این ترتیب میزان جریان عبوری از آنها ثابت خواهد ماند.
در شکل زیر مقدار تغییر افت فشار و جریان در دو حالت سیستم های با جبران کننده فشار و بدون جبران کننده فشار را برای شیر هیدرولیک کنترل جریان ترسیم کرده ایم. همانطور که با توجه به شکل نیز واضح است که در حالت جبران کننده فشار جریان خروجی ثابت می ماند.

روش های بهره برداری از شیر کنترل جریان هیدرولیک

سه روش به منظور بهره برداری از شیرهای کنترل جریان برای تعیین و کنترل سرعت سیال خروجی وجود دارد که این سه روش عبارت است از:

1. به کمک اندازه گیری مقدار جریان ورودی
2. به کمک اندازه گیری مقدار جریان خروجی
3. به کمک اندازه گیری مقدار جریان سرریز

در ادامه به معرفی و تشریح این سه مدل می پردازیم.

روش اندازه گیری مقدار جریان ورودی

در این روش شیر کنترل جریان بین پمپ و تحریک کننده هیدرولیکی قرار می گیرد و به این ترتیب مقدار روغنی که به تحریک کننده تزریق می شود را اندازه گیری می کند. آنچه در این روش رخ می دهد به این ترتیب است:

• جریان اضافی خارج شده از پمپ به کمک یک شیر فشار شکن به مخزن باز می گردد.
• یک شیر یک طرفه در مدار به طور موازی با شیر کنترل جریان در مدار نصب می شود تا امکان بازگشت آزادانه روغن فراهم شود.

در صورت تمایل برای کنترل سرعت تحریک کننده در دو جهت، لازم است شیر کنترل جریان را در قسمت خروجی پمپ و جایی درست قبل از شیر کنترل جریان نصب کرد. این سبک از اندازه گیری، روشی بسیار کارآمد و دقیق است. لازم به تاکید است که بیشتر از این روش در مواردی استفاده می شود که فشاری ایجاد شده و در برابر جابه جایی تحریک کننده هیدرولیکی مقاومت می کند. جک های عمودی، ماشین های تراش یا به طور کلی در سیستم هایی که هدف از استفاده ی آنها هل دادن یک قطعه کار است.

روش اندازه گیری مقدار جریان خروجی

در این روش همانطور که از نامش مشخص است، کنترل مقدار جریان در خروجی انجام می شود. باید شیر کنترل جریان را در نقطه ای از مدار هیدرولیک قرار داد که در شرایط ایجاد شده از خروج روغن موجود در تحریک کننده جلوگیری کند. نکته ی قابل توجه در این روش  توجه به دو مورد است؛ نکته ی اول اینکه به منظور ایجاد تعادل در سرعت تحریک کننده در هر دو جهت باید این شیر را در مسیر روغن خروجی از شیر کنترل جریان به سمت مخزن نصب کرد. مورد دوم اینکه در اغلب موارد تنها از یک جهت نیاز به کنترل سرعت تحریک کننده است که در این شرایط کافیست شیر کنترل جریان را بین تحریک کننده هیدرولیکی و شیر کنترل مسیر نصب کرد؛ طبق آنچه پیش تر گفته شد باید شیر یک طرفه ای هم برای جلوگیری از برگشت سریع پیستون در مدار قرار داد.

روش اندازه گیری مقدار جریان سریز

در این روش با کنترل و اندازه گیری جریان سرریز شده از خروجی پمپ که به مخزن هدایت می شود، میتوان سرعت جابه جایی تحریک کننده تحت کنترل قرار داد. از مزایای این روش کار کردن پمپ با فشاری است که به منظور انجام کار احتیاج است چراکه مازاد جریان سیال پمپ به کمک شیر کنترل جریان، کنترل شده و دیگر از طریق شیر فشار شکن به مخزن هدایت نمی شود. البته از معایب این روش، دقت پایین آن است؛ چراکه جریانی که اندازه گرفته می شود به سمت عضو تحریک شده ی دستگاه هدایت نمی شود، بلکه به سمت مخزن می رود.

لازم به تاکید است که از این روش نباید در مدارهایی که امکان جدا شدن یا رهاشدن قطعه کار در هنگام فعالیت دستگاه وجود دارد؛ استفاده کرد.

اجزای شیر هیدرولیک

شیر هیدرولیک شامل اجزای زیر است:

• سلونوئید
• بوبین (باکالیت یا فلزی)
• سوکت
• اسپول
• پورت ها
• بدنه شیر (شامل پورت های ورودی و خروج)
• سیل
• پکینگ

نمادهای ترسیمی شیر هیدرولیک

درک روابط میان اجزای یک سیستم صنعتی با کمک نمادهای ترسیمی ساده تر و سریع تر انجام می شود. در ادامه تعدادی از نمادهای تعریف شده در استاندارد ANSI که مربوط به شیر هیدرولیک است را آورده ایم.

شیر هیدرولیک یک طرفه: فقط سیال را در یک جهت عبور می دهد.

شیر هیدرولیک کنترل جریان: شیرآب منزل، یک نمونه از شیرهای کنترل جریان است.

نماد اصلی نشان دهنده شیر: همواره مربع به عنوان نماد نشان دهنده شیر مورد استفاده قرار می دهند.

شیر قطع و وصل با عملکرد دستی یا پایی (پدال) عمل می کند.

نحوه انتخاب شیر هیدرولیک

انتخاب صحیح شیر هیدرولیک از میان مجموعه محصولات موجود در بازار یکی از مهارت های بسیار کارآمد است؛ چراکه این انتخاب می تواند علاوه بر تاثیر مستقیم روی کارایی سیستم هیدرولیک، از لحاظ اقتصادی نیز با صرفه باشد. برای انتخاب مناسب یک شیر هیدرولیک توجه به مجموعه ای از نکات ضروری است تا شیر مطابق برنامه ی طراحی شده رفتار کند. تعدادی از این نکات عبارتند از:

• کاربرد شیر هیدرولیک در سیستم

همانطور که ذکر شد شیرها می توانند کنترل فشار، کنترل جریان و کنترل جهت سیال عبوری در سیستم را انجام دهند؛ برای انتخاب قطعا باید به کاربرد شیر در سیستم توجه کرد.

• ماهیت فیزیکی سیال عبوری از شیر هیدرولیک

نقش سیال در سیستم های هیدرولیکی در این است که انرژی تولید شده را به عملگرها (سیلندرها و هیدروموتورها) برساند. هر سیال هیدرولیک دارای مشخصه و ویژگی های خاص مربوط به خودش است؛ خواص متفاوت سیال های هیدرولیک به منظور کاربری های متفاوت آن ها است. با توجه به خواص سیال هیدرولیک با پایه نفتی، این دسته از سیال ها کاربرد بیشتری در سیستم هیدرولیک دارند.

سیال عبوری از شیرها می تواند مواردی مانند آب، نفت، گاز، پودر، انواع مواد شیمیایی و غیره باشد. لازم به ذکر است که سیال عبوری از شیرهای موجود در این بخش تنها روغن معدنی است و در صورت استفاده از سیال دیگری می تواند به شیر آسیب بزند و یا اگر آسیب جدی نزده باشد، شیر کارایی مناسب و کافی را نخواهند داشت.

• اندازه شیر هیدرولیک

عامل مهم دیگر برای انتخاب شیر هیدرولیک موضوع سایز آنهاست. اندازه ی شیرها برای عملکرد صحیح سیستم بسیار حائز اهمیت است؛ برای مثال اگر سایز شیر را کوچک انتخاب کنیم و فشار سیستم بالا باشد، شیر قادر به عبور کامل سیال نخواهد بود، برعکس اگر سایز شیر را بزرگتر انتخاب کنیم آنگاه علاوه بر هزینه ی اضافی تحمیل شده افت فشار چشمگیری مشاهده خواهیم کرد.

• فرمان شیر هیدرولیک در حالت نرمال

باید به این نکته توجه کرد که شیر هیدرولیک قبل از تحریک ممکن است در دوحالت نرمال باز و نرمال بسته موجود باشد، حین انتخاب آنها توجه به اینکه طراحی سیستم طبق چه حالتی از شیر بوده است حائز اهمیت است.

در نهایت مجموعه ای از این نکات و اطلاعات دقیق تر تحت عنوان کدفنی برای شیر هیدرولیک تعریف می شود که نحوه سفارش دهی با این کد بسیار راحت تر می شود.