شیر کنترل فشار هیدرولیک

در هر سیستم و مدار هیدرولیکی شیر های کنترل فشار هیدرولیک وجود دارند. عملکرد اصلی این نوع شیر ها محافظت از پمپ و مدار در برابر افزایش فشاری است که به صورت ناخواسته امکان بروز آن در مدار وجود دارد. عمده ترین و پرمصرف‌ترین شیر های کنترل فشار هیدرولیک رلیف ولو ها، ردیوسینگ ها، آنلودر ها و کانتربالانس ها می‌باشند که با توجه به نیاز مدار به کار گرفته می‌شوند. این نوع شیر ها مانند شیر های کنترل جریان با روش نصب به صورت سرراهی، بلوکی و زیرشیری تولید می‌شوند. از کمپانی های مطرح سازنده شیر کنترل فشار هیدرولیک می توان به دوپلوماتیک ایتالیا، رکسروت آلمان، کره آ چین نیوان ایران اشاره کرد.

شیر فشار شکن هیدرولیک چیست؟

فشار  هیدرولیک توسط یک محرک اولیه که عموماً الکتروموتور می باشد، پمپ هیدرولیک را به گردش در می آورد. طبق اصل سوم هیدرولیک، فشار در اثر مقاومت در مسیر به وجود می آید. به عبارت دیگر فشار هیدرولیک با مقاومت بار در برابر جریان پمپ هیدرولیک به وجود می آید. پمپ هیدرولیک نیز می باید این فشار به وجود آمده را تحمل کند. حال اگر شرایطی خاص و یا غیر قابل پیش بینی شده در مدار هیدرولیک به وجود آید، مانند شرایط زیر:

• در طول کارکرد زمانی مدار فعالیتی در مدار صورت نگیرد و پمپ نیز متوقف نشود.
• به هر دلیلی سیلندر در یک موقعیت نامطلوب متوقف شود.
• سیلندر می باید در انتهای کورس خود به مدت زمانی زیاد بماند.
• یک نیروی پیش بینی نشده و یک فشار مضاعف بر مدار تحمیل شود.

بنابراین در هر یک از شرایط فوق احتمال آسیب دیدن پمپ و سایر اجزا و تجهیزات، اتلاف توان و افزایش دما در مدار هیدرولیک بسیار زیاد می گردد. لذا می باید به نحوی ایمنی مدار به نحو قابل محسوسی افزایش داد که بهترین حالت بتوان حداکثر فشار سیستم و حداکثر جریان پمپ کنترل شود.

در یک سیستم هیدرولیک توان خروجی، تابعی از فشار و جریان روغن می باشد. بنابراین در راستای دستیابی به یک مدار هیدرولیکی به پارامترهای زیر بستگی دارد:

1. فشار سیستم
2. ابعاد و اندازه های سطح مقطع های مربوط به شیر ها و سیلندرها
3. مقدار دبی سیستم

حداکثر نیروی مورد نیاز توسط سیلندر تابعی از حداکثر فشار سیستم و سطح مقطع پیستون و میله پیستون بوده لذا جهت کنترل دقیق نیروی ایجاد شده در سیلندرها، بستگی به کنترل دقیق سطح فشار سیستم دارد. در نتیجه سایر اجزای مورد استفاده در مدار هیدرولیک را در مقابل تنش های غیرمجاز، محافظت می نماید. شیر های کنترل فشار فشار تجهیزاتی در سیستم های هیدرولیکی می باشند که به وسیله آنها می توان فشار سیستم را تعیین، محدود و یا کاهش داد. به طور کلی فشار سیستم یک مدار هیدرولیکی تحت تاثیر آنها قرار می گیرد.

این شیر ها همانند شیر های کنترل جهت به صورت نرمال باز و نرمال بسته نیز می توان تقسیم بندی نمود. هنگامی که جریان روغن از دهانه ورودی به شیر کنترل فشار وارد می شود از طرف دهانه خروجی نتواند خارج شود، فشار به قدری بالا می رود که شیر کنترل فشار در حالت عدم تعادل قرار گیرد.

از طرف دیگر شیر های کنترل فشاری که در حالت نرمال باز هستند، جریان روغن آنقدر از شیر عبور می کنند که شیر کنترل فشار به سمت تعادل حرکت نماید. در این حالت جلوی عبور یک قسمت از جریان یا کل آن را مسدود می نماید. از مهمترین شیر های کنترل فشار عبارتند از:

انواع شیر کنترل فشار هیدرولیک

• شیر اطمینان ساده
• شیر اطمینان ترکیبی
• شیر کاهنده فشار
• شیر بی بار کننده
• شیر متعادل کننده
• شیر ترتیبی
• سوئیچ فشاری

آنچه بین انواع شیر کنترل فشار هیدرولیک مشترک است نحوه عملکرد شیرهاست که همه آنها طبق تعادل ایجاد شده بین نیروی فنر و فشار روغن عمل می کنند. به طور کلی می توان به کمک شیر کنترل فشار هیدرولیک، فشار سیستم های هیدرولیک را تعیین، محدود و یا کاهش داد؛ به بیانی دیگر وظیفه شیر کنترل فشار هیدرولیک حفاظت از سیستم در برابر تغییرات ناگهانی فشار است. در زیر روند رخ داده در شیر کنترل فشار هیدرولیک را مشاهده می کنیم.

شیر های فشارشکن هیدرولیکی را میتوان به سه دستع تقسیم کرد:

1. سراهی
2. بلوکی 
3. زیر شیری

شیر اطمینان (Pressur Relief Valve)

شیر اطمینان یک نمونه پر کاربرد از انواع شیر کنترل فشار هیدرولیک است؛ که به طور معمول در هر سیستم هیدرولیک یافت می شوند. از شیرهای اطمینان برای مراقبت از پمپ و اجزاء سیستم در برابر افزایش فشار استفاده می شود. شیرهای اطمینان شیرهای نرمال بسته هستند و در هنگام رسیدن فشار به مقدار معین، جریان اضافی را از پمپ به مخزن بازگردانده و سطح فشار را در حد تنظیم شده نگه می دارد. این شیر یکی از اعضاء اصلی مجموعه سیستم هیدرولیک به حساب می آید و برای محدود کردن فشار در مدار هیدرولیک از این شیر استفاده می شود. ویژگی های این شیر عبارتند از:

1. در حالت عادی این شیر بسته است.
2. از دهانه ورودی فرمان می گیرد.
3. در مدار به صورت موازی قرار می گیرد.
4. در صورت باز شدن شیر، روغن خروجی به مخزن ارسال می شود.

به کمک پیچ تنظیم می توان به وسیله ی تغییر نیروی فشردگی فنر، فشاری را که شیر اطمینان در آن شروع به باز شدن می کند (فشار شکست) تنظیم نمود.

برای تخلیه کل جریان پمپ به مخزن باید ساچمه یا سوپاپ، تا حد مناسبی از جای خود حرکت کرده و مسیر را باز نماید (درست همانطور که در شکل مشخص شده است). بنابراین کل جریان پمپ در فشار بالاتر از حد تنظیمی در شیر اطمینان به مخزن تخلیه گشته و معرف حداکثر مقدار فشار موجود در مدار است.

محل نصب شیرهای اطمینان معممولا در نزدیکی خروجی پمپ ها است تا بتواند به عنوان یک شیر کنترل فشار هیدرولیک، فشار خروجی از پمپ را کنترل کند.

شیر های اطمینان وظیفه محافظت از مدار سیستم در مقابل فشار بیش از حد را بر عهده دارد. اگر باری که سیلندر جا به جا می نماید موجب افزایش مقاومت در مدار و در نتیجه فشار سیستم نیز به متناسب فشار به وجود آمده افزایش می یتبد. حال اگر سیلندر در یک موقعیت متوقف شود، فشار سیستم ناگهان به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد که اگر راهکاری اندیشه نشود، ممکن است به پمپ صدمه برساند. به عبارت دیگر شیر اطمینان فشار سیستم را در حد مطلوب و مجاز نگاه داشته و می تواند سیستم را از افزایش فشار بیش از حد مجاز تعریف شده که در اثر بارهای ناگهانی که به مدار تحمیل می شود، حفظ نماید. حداکثر فشار تنظیم شده در این شیر بیش از حداکثر فشار کار عملگر می باشد.

این نوع شیر به دو دسته مستقیم (Direct operated) و پیلوت دار (Pilot operated) تقسیم می شوند.

در مدار زیر شیر اطمینان که موازی با پمپ بسته شده است نشان داده شده است.

شیر اطمینان با کنترل مستقیم

نوع ساده برای سیستم هایی با دبی کم مورد استفاده قرار می گیرد. این شیر از اجزایی نظیر محفظه، مخروط (پاپت)، فنر، پیچ تنظیم کننده و مهره قفل کن تشکیل شده است. در تصاویر زیر نماد و ساختمان داخلی این نوع شیر نشان داده شده است.

هر گاه شیر اطمینان، روی هر عددی تنظیم شود، مدار هیدرولیک هیچگاه فشار کارکردی بیشتر از مقدار تنظیم شده، مشاهده نخواهد کرد.

در یک شیر اطمینان با تحریک مستقیم سوپاپ توسط نیروی فنر مکانیکی در جای خود نگاه داشته می شود. مقدار نیروی روی فنر توسط یک پیچ تنظیم تعیین می گردد. هنگامی که فشار سیستم به مقدار تنظیمی روی فنر برسد، فنر به تدریج به طرف بالا حرکت کرده و بخشی از جریان سیال از طریق شیر به مخزن تخلیه می گردد. با افزایش فشار مقدار جریان برگشتی به مخزن افزایش یافته تا نهایتاً هنگامی که فشار به مقدار فشار تعریف شده برسد، عبور کل جریان سوپاپ کاملاً مجرا را باز نموده و تمامی جریان پمپ به مخزن باز میگردد. باید توجه نمود که شیر اطمینان با تحریک مستقیم معمولاً در اندازه های کوچک در دسترس می باشد زیرا طراحی فنری که از قدرت کافی جهت نگاه داشتن سوپاپ در مقابل فشارها و جریان های بالا برخوردار باشد کار مشکلی است.

در هر سیستم هیدرولیکی یک شیر اطمینان باید به صورت موازی پمپ نصب شود تا در صورتی که فشار در مدار بالا رفت از پمپ محافظت نماید. از این شیر نیز می توان برای تنظیم حداکثر فشار استفاده نمود.

لازم به ذکر است که شیر های محدود کننده فشار با کنترل مستقیم فقط برای عبور جریان کم بوده و بری جرین های زیاد از آنجایی که شیر نیاز به فنر بزرگتر دارد باید از شیر کنترل فشار پایلوتی استفاده کرد.

شیر اطمینان با کنترل غیر مستقیم (پیلوت دار)

نوع پیلوت دار برای مدارهای هیدرولیکی با دبی زیاد استفاده می گردد. این شیر عملکرد نرمتری نسبت به نوع مستقیم دارد. ویژگی های رلیف ولو پیلوتی به شرح زیر است:

• در مدار به صورت موازی نصب می شود.
• این شیر به طور نرمال بسته می باشد.
• تحریک یا فرمان آن از پورت ورودی انجام می شود.
• خروجی آن به مخزن وصل می شود.

همچنین این قابلیت در شیر فشارشکن پیلوتی وجود دارد که برای ایجاد مسیر بای-پس در زمان توقف سیستم مورد استفاده قرار می گیرد.

نحوه کار فشارشکن پیلوتی

شیر اطمینان مجهز به خط خط پایلوت به گونه ای طراحی می شود که در مقابل فشارها و جریان های بالاتر بتواند حداکثر فشار سیستم را کنترل نماید و این در حالتی است که ابعاد آن نسبت به شیر اطمینان با تحریک مستقیم که همان دبی و در همان فشار از خود عبور دهد کوچکتر است.

این شیر از دو قسمت ساخته شده است. قسمت دوم خود شامل یک سوپاپ نرمال بسته است که توسط یک فنر غیرقابل تنظیم و سبک در محل خود نگاه داشته می شود. قسمت دوم به اندازه کافی بزرگ است که توسط یک فنر غیرقابل تنظیم و سبک در محل خود نگاه داشته می شود.

قسمت اول این شیر خود یک شیر اطمینان ساده است که در بخش فوقانی بدنه شیر اصلی تعبیه شده و شامل یک سوپاپ، فنر و پیچ تنظیم می باشد. قسمت دوم امکان تخلیه کل جریان سیال به مخزن را فراهم می کند.

• هنگامی که فشار سیستم از حد تنظیمی روی شیر اطمینان مستقیم قسمت اول کمتر باشد فشار در محفظه اصلی با فشار در خط اصلی پمپ یکسان است زیرا جریانی از گلوگاه کنترلی عبور نمی کند، بنابراین افت فشاری در دوطرف گلوگاه وجود ندارد.

• هنگامی که فشار در خط پمپ افزایش می یابد و مقدار آن به بیش از حد فشار خط فرمان در شیر اطمینان ساده قسمت اول می رسد سوپاپ این شیر از جای خود حرکت می کند. با حرکت سوپاپ شیر اطمینان واقع در بخش فوقانی شیر اطمینان مجهز به خط پایلوت بخشی از جریان روغن از طریق کلوگاه به مخزن تخلیه می گردد.
• عبور این جریان ضعیف از گلوگاه موجب افت فشار و در نتیجه اختلاف فشار بین خط پمپ و محدوده مجاور گلوگاه کنترلی می گردد. این عدم تعادل فشار موجب حرکت اسپول اصلی و جدا شدن آن از نشیمنگاه مربوطه می گردد. بدین ترتیب جریان پمپ مستقیماً به مخزن تخلیه می گردد و این در حالی است که نیازی به افزایش فشار مجدد جهت عبور کل جریان پمپ نمی باشد. هنگامی که فشار در خط پمپ به کمتر از میزان تنظیمی روی شیر اطمینان ساده واقع در بخش فوقانی کاهش یابد، شیر اطمینان پایلوتی بسته شده و سوپاپ اصلی به جای خود باز خواهد گشت.

شیر اطمینان ترکیبی

شیر اطمینان ترکیبی زیر مجموعه ای از شیر کنترل فشار هیدرولیک است. دلیل کاربرد زیاد شیرهای ترکیبی این است که آن ها دارای مشخصه هایی چون: عملکرد سریع، جلوگیری از افزایش فشار در خطوط طولانی و قابلیت میرا کردن ضربات هیدرولیکی هستند؛ مخصوصا در حالت هایی که به سطح فشار بالا و دقیق نیاز باشد کاربرد بیشتری دارند.

شیرهای اطمینان با مکانیزم ساچمه ای یا سوپاپی قادر هستند پاسخ سریعی به نوسانات فشار بدهند؛ زمان پاسخ سیستم چیزی حدود 25میلی ثانیه است.

از معایب این دسته از شیر کنترل فشار هیدرولیک که شیر اطمینان ترکیبی نام دارند؛ می توان به این مورد اشاره کرد که ضربات متوالی ساچمه یا سوپاپ باعث خرابی تدریجی نشیمنگاه شده و به مرور زمان منجر به ایجاد نشتی می شود؛ برای جلوگیری از این مشکل، شیرهای اطمینان ترکیبی را برای جریان های مداوم با نوسانات کم استفاده می کنند.

در حالت هایی که مدار دارای چند شیر اطمینان است و پمپ هم به سیستم جبران کننده فشار مجهز شده است؛ نباید فشارهای تنظیمی به یکدیگر نزدیک باشند چراکه ممکن است تداخل کاری بین آنها به وجود آید. باید توجه داشت که فشار تنظیمی برای شیر اطمینان اصلی که نزدیک پمپ نصب می شود معمولا 10% بالاتر از فشار کاری عادی سیستم در نظر گرفته می شود. شیرهای اطمینان برای جریان های تا 55 gpm و فشارهای حدی تا 5000 psi طراحی می شوند.

شیر کاهنده فشار (Pressure Reducing Valve)

شیرهای کاهنده فشار نمونه ای دیگر از شیر کنترل فشار هیدرولیک هستند که برای کاهش سطح فشار تا حد تعیین شده ای در مواضع خاصی از مدار مورد استفاده قرار می گیرند.

در این شیرها جریان اضافی به مخزن بر نمی گردد؛ بلکه با تنگ کردن گلوگاه، افت فشار در خروجی را ایجاد می کند. در این شیرها به دلیل استفاده از اثر گلوگاه، گرما تولید می شود؛ بنابراین مقدار این گرما در محاسبات مدار باید محاسبه شود و در صورت نیاز به دو سطح فشار متفاوت و همزمان، سیستم متشکل از دو پمپ مجزا عملکرد بهتری خواهد داشت و این امر به مقدار جریان و فشار سیال مورد نیاز و همچنین میزان تفاوت دو سطح فشار وابسته است.

دبی و فشار کاری تعریف شده برای شیرهای کاهنده فشار شامل دبی های کم تا 45 لیتر بر دقیقه و فشارهای تا 210 بار استفاده می شود.

شیر بی بار کننده (Unloading Valve)

نوع دیگری از شیر کنترل فشار هیدرولیک، شیرهای بی بار کننده هستند. این شیرها جریان ارسالی از پمپ های جا به جایی مثبت را در شرایطی که سیستم تحت بار نیست در فشار صفر به مخزن تخلیه می کند و به این ترتیب از مصرف توان و اتلاف حرارت ناشی از تخلیه سیال در فشار بالا از شیر اطمینان کاسته خواهد شد؛ البته حین تخلیه سیال ارسالی از طرف پمپ به مخزن باید میزان فشار فرمان برای غلبه بر نیروی فنر کافی باشد. نماد شماتیک این شیرها در شکل زیر آورده شده است.

شیر بی بار کننده یک شیر نرمال بسته است که برای پمپ امکان کار در حداقل بار را فراهم می کند. در بسیاری از سیستم های هیدرولیک طراحی به گونه ای است که عملگر در بخشی از کورس رفت که بدون درگیری با بار مقاوم طی می شود نیاز به جریان و سرعت بالا داشته و هنگام شروع و طی سیکل کاری به جریان پایین و فشار بالا نیازمند می باشد. در این نوع سیستم ها می توان از دو پمپ استفاده نمود که وارد عمل شدن پمپ کوچکتر (پمپ با دبی پایین و فشار بالا) هنگام درگیری با بار مقاوم سبب بی بار شدن پمپ بزرگتر (پمپ با دبی بالا و فشار پایین) می گردد و جریان خروجی پمپ بزرگتر بدون نیاز به تخلیه از طریق شیر اطمینان به مخزن تخلیه می شود و به این ترتیب با بی بار کردن پمپ جریان بالا طی سیکل کاری از اتلاف توان جلوگیری می شود.

شکل زیر کاربرد شیر بی بار کننده در سیستم را نشان می دهد که به عنوان یک شیر کنترل فشار هیدرولیک رفتار می کند.

شیر متعادل کننده (Counter Balance Valve)

نمونه ای دیگر از شیر کنترل فشار هیدرولیک، شیر تعادلی یا کانتر بالانس است. یکی از نکات حین کار با سیلندرهای عمودی بزرگ (مانند سیلندرهای پرس هیدرولیک) متعادل نگه داشتن وزنه متصل به سیلندر و کنترل مطلوب حرکت به وسیله فرمان های ارسالی از طرف مدار است. شیرهای متعادل کننده با تامین فشار کافی در زیر پیستون، وزنه را متعادل نموده و از حرکت خود به خود آن جلوگیری می کند. از این شیر برای ایجاد فشار جهت مقابله با نیروی گسیختگی مانند نیروی وزن قالب پرس استفاده می شود تا عملگر در اثر این نیرو حرکت سریع و خارج از کنترل نداشته باشد. شیر کانتر بالانس، یک شیر کنترل فشار نرمال بسته است که از آن به منظور متعادل نمودن بارهای متصل به سیلندر و یا بارهای هم جهت با حرکت استفاده می شود.

مطابق شکل زیر شیر متعادل کننده با خط فرمان مستقیم (متصل به ناحیه زیر پیستون) و یا غیر مستقیم (متصل به ورودی سیلندر) کنترل می شود.

در حالت خط فرمان مستقیم، پیستون در صورتی حرکت می کند که فشار خط فرمان از فشار تنظیمی شیر بیشتر شود؛ لازم به ذکر است که معمولا 10% بیشتر از فشار مورد نیاز برای متعادل نگه داشتن وزنه می باشد؛ البته این در حالتی است که در بالای پیستون فشار کافی برای حرکت توسط مدار تامین گردد. درصورتی که شیر متعادل کننده به خط فرمان غیر مستقیم وصل شود؛ به دلیل عدم اتصال خط فرمان به فشار عادی سیستم (به دلیل وجود وزنه) به فشارهای تنظیمی بسیار پایین تری نیاز می باشد.

از مهمترین عیوب این شیر، این است که از نیروی قابل دسترس در کورس رفت را می کاهد. زیرا مقداری از نیروی مفید در خلال عملیات مدار، صرف غلبه بر فشار تنظیمی در شیر کانتربالانس می گردد. به عنوان مثال مقداری از نیروی مفید یک پرس در طی عملیات شکل دهی صرف غلبه بر فشار تنظیمی در شیر متعادل کننده شده و تلف می شود؛ البته این عیب در بعضی از شیرها رفع شده است.

در مدار هایی مانند مدارهای دستگاه های پرس، استفاده از شیر کانتر بالانس باعث می شود که از وزن تجهیزات متحرک پرس کننده در اثر نیروی جاذبه زمین شتاب بیشتری می گیرند، جلوگیری نموده و این شتاب مازاد به وجود آمده را خنثی می نماید.

بنابراین در چنین مدارهایی، در صورت عدم استفاده از شیر کانتربالانس امکان سقوط بار و یا پیش افتادن آن از حرکت وجود دارد. در چنین شرایطی جریان خروجی پمپ، به حفظ موقعیت بار کمک نخواهد کرد. به منظور اجتناب از بروز عملکردهای بدون کنترل، یک شیر کانتربالانس در سمت خروجی سیلندر قرار داده می شود.

در حالت هایی که بار متصل به سیلندر ثابت نباشد و سیستم با نیروها و بارهای متغیر مواجه باشد، به جای استفاده از شیرهای متعادل کننده که به فشارهای خط فرمان متغیر نیاز دارند می توان از شیرهای یکطرفه مجهز به خط فرمان استفاده کرد.

شیر ترتیبی یا سکوئنس ولو (Pressure Sequence Valve)

ساختمان این شیر سباهت زیادی به شیر اطمینان دارد و در صورت توصیه سازنده می توان از آن به عنوان جایگزین استفاده کرد. کاربرد های این شیر عبارتند از:

1. کنترل ترتیب عملکرد دو شاخه موازی از یک مدار هیدرولیک به نحوی که یکی پس از دیگری به ترتیب انجام شود.
2. حصول اطمینان از تامین فشار به مقدار معین در یک قسمت از مدار قبل از شروع به کار قسمت دیگر

ویژگی های شیر ترتیبی

1. در حالت نرمال این شیر بسته است.
2. از پورت ورودی فرمان می گیرد.
3. در مدار به صورت سری قرار می گیرد.
4. خروجی روغن به قسمت دیگری از مدار ارسال می شود.
5. این شیر نیز همانند شیر اطمینان دارای دو نوع مستقیم و پیلوت دار می باشد.