يتكون صمام التحكم الاتجاهي من جسم صمام ذي ممرات داخلية وجزء متحرك يُسمى البكرة. يمكن للبكرة توصيل الممرات الداخلية أو سدها. في معظم الصمامات الهيدروليكية الصناعية القياسية، تكون البكرة أسطوانية الشكل، ويُطلق على هذا النوع صمام التحكم الاتجاهي من نوع البكرة، أو ببساطة صمام البكرة. تُعد صمامات البكرة أكثر أنواع صمامات التحكم الاتجاهي استخدامًا في الأنظمة الهيدروليكية الصناعية. يشرح هذا الفصل أنواعها، وبنيتها، ومبادئ تشغيلها، وطرق التحكم بها.

صمام توجيه رباعي الاتجاهات

أول نوع من صمامات التوجيه التي يجب مراعاتها هو الصمام ذو الأربعة ممرات الداخلية: ممر للضغط، وممر للعودة (الخزان)، وممران للعمل. يُعرف هذا النوع بصمام التوجيه رباعي الاتجاهات، وقد سُمي بهذا الاسم نسبةً إلى الممرات الأربعة المختلفة في جسمه. يتحكم صمام التوجيه رباعي الاتجاهات في الأسطوانات الهيدروليكية أو المحركات الهيدروليكية لعكس اتجاه دورانها.

وظيفة الصمام رباعي الاتجاه في الدائرة الكهربائية

تتكون جميع الصمامات الاتجاهية من جسم الصمام وبكرة داخلية متحركة. للبكرة وضعان على الأقل - وضعان طرفيان. يُشار إلى هذين الوضعين في رمز الصمام الاتجاهي بمربعين منفصلين. في كل مربع، تُستخدم أسهم لتوضيح كيفية اتصال الممرات الداخلية لجسم الصمام عندما تكون البكرة في ذلك الوضع. عند تمثيل الصمام الاتجاهي برمز، يجب توصيل كلا المربعين معًا. عند وضعه في دائرة كهربائية، يجب توصيل مربع واحد فقط. بهذه الطريقة، عندما يتحرك المشغل في اتجاه معين، يظهر مسار التدفق الداخلي في الصمام الاتجاهي بوضوح. عندما يحتاج المربع الآخر في الرمز إلى إظهار حركة المشغل في الاتجاه المعاكس، ما عليك سوى إدخال المربع الآخر بسلاسة في الدائرة.

يُطلق على الصمام الاتجاهي الذي يحتوي على وضعين فقط للبكرة اسم صمام ثنائي الوضع.

الشكل 10-1: صمام توجيه رباعي الاتجاهات. يرمز المربعان إلى موضعَي البكرة. يتصل مربع واحد فقط بالدائرة في كل مرة؛ يؤدي تحريك البكرة إلى تبديل المربع النشط، مما يعكس اتجاه الأسطوانة.

وظيفة دائرة الصمام رباعي الاتجاهات

عندما تكون البكرة في أحد طرفيها، يتصل ممر الضغط بممر العمل A، ويتصل ممر الإرجاع بممر العمل B. وعندما تنتقل البكرة إلى الطرف الآخر، يتصل ممر الضغط بممر العمل B، ويتصل ممر الإرجاع بممر العمل A. ويؤدي تغيير موضع نهاية البكرة إلى تغيير اتجاه تدفق الزيت إلى الأسطوانة الهيدروليكية، مما يؤدي إلى تمديد أو تقليص القضيب.

صمام توجيه ثلاثي الاتجاهات

يحتوي الصمام الاتجاهي ثلاثي الاتجاهات على ثلاثة ممرات داخلية: ممر للضغط، وممر للرجوع، وممر للعمل. وظيفته هي: عندما يكون البكرة في أحد طرفي الصمام، فإنه يضغط على منفذ العمل؛ وعندما يكون في الطرف الآخر، فإنه يخفض الضغط على منفذ العمل. بعبارة أخرى، يقوم الصمام ثلاثي الاتجاهات بتبديل الضغط وخفض الضغط لمنفذ عمل واحد.

وظيفة دائرة الصمام ثلاثي الاتجاهات

يمكن لصمام ثلاثي الاتجاهات التحكم في المشغلات أحادية الفعل، مثل أسطوانات المكبس ذات الارتداد الزنبركي. في هذه التطبيقات، يقوم الصمام ثلاثي الاتجاهات في وضع معين بتغذية الطرف الحر لقضيب الأسطوانة بزيت الضغط؛ وعند تحويله إلى الوضع الآخر، يتم منع تدفق الزيت إلى المشغل، ويتصل ممر المشغل بممر الإرجاع داخل جسم الصمام، مما يسمح لقضيب الأسطوانة بالانكماش بفعل الجاذبية أو قوة الزنبرك.

عندما يكون الصمام ثلاثي الاتجاهات في الوضع الذي يربط ممر العمل بممر العودة، يمكن لأسطوانة المكبس المثبتة عموديًا أن تتراجع تحت تأثير الجاذبية، بينما يتراجع قضيب الأسطوانة ذو الزنبرك تحت تأثير قوة الزنبرك.

في التطبيقات الهيدروليكية الصناعية، نادراً ما تُستخدم الصمامات ثلاثية الاتجاهات. إذا لزم الأمر وظيفة ثلاثية الاتجاهات، فعادةً ما يتم استبدالها بصمام رباعي الاتجاهات مع إغلاق منفذ تشغيل واحد.

الشكل 10-3: صمام توجيه ثلاثي الاتجاهات يتحكم في أسطوانات أحادية الفعل (ذات إرجاع زنبركي). أحد الوضعين يضغط؛ والآخر يربط الأسطوانة بالخزان ويسمح للزنبرك بسحب القضيب.

صمام اتجاهي ثنائي الاتجاه

يحتوي الصمام الاتجاهي ثنائي الاتجاه على ممرين فقط، ويمكن توصيل هذين الممرين أو فصلهما بواسطة البكرة. عندما تكون البكرة في أحد طرفي الصمام، يكون ممر التدفق مفتوحًا؛ وعندما تكون في الطرف الآخر، يكون الممر مغلقًا.

وظيفة دائرة الصمام ثنائي الاتجاه

يعمل الصمام الاتجاهي ثنائي الاتجاه كمفتاح تشغيل/إيقاف في الدائرة الكهربائية. تُستخدم هذه الوظيفة في العديد من الأنظمة كآلية أمان، أو لعزل وتوصيل المكونات المختلفة داخل النظام.

تصنيفات ومواصفات الصمامات الاتجاهية

تتوفر صمامات التحكم الاتجاهي المستخدمة في الأنظمة الهيدروليكية الصناعية بأحجام أساسية متعددة: 1/4 بوصة، 3/8 بوصة، 1/2 بوصة، 3/4 بوصة، و1-1/4 بوصة (6.35 مم، 9.5 مم، 12.7 مم، 19.05 مم، و31.75 مم). في التطبيقات الصناعية، تُصنّف هذه الصمامات عادةً بناءً على متوسط سعة التدفق بدلاً من حجم المنفذ. على سبيل المثال، تتراوح السعات المقدرة بين: 3-10 جالون/دقيقة (11.37-37.9 لتر/دقيقة)، 10-20 جالون/دقيقة (37.9-45.48 لتر/دقيقة)، 40 جالون/دقيقة (75.8 لتر/دقيقة)، 80 جالون/دقيقة (303.2 لتر/دقيقة)، و160 جالون/دقيقة (379 لتر/دقيقة). عند التدفق المقدر، يبلغ انخفاض الضغط من النقطة P إلى A أو من B إلى T حوالي 40 رطل/بوصة مربعة (2.76 بار).

بكرة صمام التوجيه

بكرة صمام التوجيه رباعي الاتجاهات التي رأيناها عبارة عن عمود بثلاثة أقسام أسطوانية كبيرة القطر تُسمى "حواف". المسافة المتساوية بين هذه الحواف الثلاث تُحدد ما إذا كان الصمام ثلاثي الحواف. معظم صمامات التوجيه الهيدروليكية الصناعية تكون ثنائية أو رباعية الحواف. تستخدم صمامات التدفق المنخفضة عادةً بكرات ثنائية الحواف، بينما تُعد البكرات رباعية الحواف أكثر شيوعًا في صمامات التدفق العالية.

الشكل 10-5: بكرات صمامات التوجيه. تُستخدم بكرات ثنائية الأجزاء في الصمامات الصغيرة، بينما تُستخدم بكرات رباعية الأجزاء في الصمامات الكبيرة. يحدد عدد الأجزاء وموقعها الممرات المتصلة أو المغلقة في كل وضعية للبكرة.

صمام رباعي الاتجاهات مثبت على لوحة فرعية

يحتوي صمام التوجيه رباعي الاتجاهات الموصوف أعلاه على أربعة منافذ. عادةً ما يكون منفذا الضغط والرجوع على جانب واحد من جسم الصمام، بينما يقع منفذا التشغيل على الجانب المقابل. هذا الترتيب للمنافذ مشابه جدًا للرمز التوضيحي لصمام التوجيه. ولتسهيل التركيب، تستخدم معظم صمامات التوجيه الهيدروليكية الصناعية تصميمًا مثبتًا على لوحة فرعية: حيث يُثبّت جسم الصمام بمسامير على لوحة فرعية تتصل بخطوط النظام. تقع منافذ الصمام المثبتة على اللوحة الفرعية على السطح السفلي لجسم الصمام.

مشغلات الصمامات الاتجاهية

لقد رأينا أن بكرة صمام التوجيه يمكن وضعها في أحد طرفي الصمام. ويمكن تحريك البكرة بوسائل ميكانيكية أو كهربائية أو هيدروليكية أو هوائية أو يدوية.

التشغيل اليدوي

يُطلق على الصمام الاتجاهي الذي يُحرّك بقوة العضلات اسم الصمام اليدوي. وتتعدد أنواع أجهزة التشغيل اليدوي، بما في ذلك الروافع والأزرار الضاغطة ودواسات القدم. أما آلية التشغيل الميكانيكية الأكثر شيوعًا فهي عبارة عن دبوس كامة مُزوّد ببكرة في أعلاه؛ فعندما يتحرك الكامة الموجود على المُشغّل لأسفل ويصطدم بالبكرة، ينتقل الصمام إلى موضع آخر. في التشغيل اليدوي، يجب تحديد تسلسل عمل الصمام الاتجاهي والتحكم فيه بناءً على نية المُشغّل. أما إذا كان لا بد من تحريك الصمام الاتجاهي عند موضع مُحدد للمُشغّل، فيمكن استخدام صمام اتجاهي يعمل ميكانيكيًا.

التحكم بالبايلوت

يمكن أيضًا تحريك بكرات الصمامات الاتجاهية باستخدام ضغط هوائي أو هيدروليكي. في البكرات ذات الأربع نقاط، يؤثر الضغط على نقاط البكرة عند طرفيها. أما في البكرات ذات النقطتين، فيؤثر الضغط على مكبس توجيه واحد.

التحكم بالملف اللولبي (الكهرومغناطيسي)

الطريقة الأكثر شيوعًا للتحكم في صمام التوجيه هي باستخدام ملف لولبي (مغناطيس كهربائي). الملف اللولبي هو جهاز كهروميكانيكي يحول الطاقة الكهربائية إلى قوة وحركة ميكانيكية خطية. أما المشغل المقابل في النظام الهيدروليكي فهو الأسطوانة الهيدروليكية.

ملف لولبي جاف

من بين نوعي الملف اللولبي، يُعدّ النوع الجاف أقدم تصميم. يعمل هذا النوع وفقًا لمبادئ الكهرومغناطيسية الأساسية، ويتكون من قلب حديدي على شكل حرف "T"، وملف، وإطار على شكل حرف "C". ونظرًا لشكل القلب الحديدي والإطار المحيط بالملف، يُطلق على هذا النوع أحيانًا اسم المغناطيس الكهربائي "CT". يُعدّ الحديد موصلًا مغناطيسيًا جيدًا، بينما يتميز الهواء بموصلية مغناطيسية ضعيفة. ويتلخص مبدأ عمل الملف اللولبي الجاف في أن المجال المغناطيسي يسحب القلب الحديدي إلى داخل الملف، مما يقلل المقاومة المغناطيسية الكبيرة الناتجة عن الفجوة الهوائية في مركز الملف. ومع تحرك القلب الحديدي إلى الداخل، تتناقص الفجوة الهوائية تدريجيًا، وتزداد قوة الدفع الكهرومغناطيسية، وتكون القوة الكهرومغناطيسية داخل الملف أكبر منها خارجه.

ملف لولبي من النوع الرطب

يُعدّ الملف اللولبي الرطب تصميمًا حديثًا نسبيًا في مجال الهيدروليكا الصناعية. وبالمقارنة مع تصميمات الفجوة الهوائية، يتميز الملف اللولبي الرطب بقدرة أفضل على تبديد الحرارة والاستغناء عن موانع التسرب في قضبان الدفع التي قد تتسبب في تسربات في الملفات اللولبية الجافة، مما يُحسّن الموثوقية.

تصميم الملف اللولبي الرطب

يتكون الملف اللولبي الرطب من ملف، وإطار مستطيل، وقضيب دفع، وعضو دوار (قلب حديدي)، وأنبوب توجيه. يُغلف الملف داخل الإطار المستطيل، ويُحكم إغلاقهما معًا بالبلاستيك. يحتوي هذا التجميع على ثقب نافذ يمر عبر مركز الملف وجانبي الإطار، ويتناسب هذا الثقب مع أنبوب التوجيه. يحتوي أنبوب التوجيه على العضو الدوار. يُثبت أنبوب التوجيه بالضغط على جسم صمام التوجيه، ويتصل تجويفه الداخلي بممر عودة صمام التوجيه، مما يجعل العضو الدوار مغمورًا في زيت النظام، ولهذا يُطلق عليه اسم "العضو الدوار الرطب".

كيف يعمل الملف اللولبي الرطب

عند مرور التيار الكهربائي في الملف، يُولّد الملف مجالًا مغناطيسيًا، يتعزز بفعل المسار المغناطيسي الحديدي المستطيل المحيط بالملف والعضو الدوار في مركزه. عند تطبيق التيار على ملف العضو الدوار الرطب، يكون جزء من العضو الدوار المتحرك خارج الملف. يسحب المجال المغناطيسي الناتج عن التيار العضو الدوار إلى الداخل، ضاربًا قضيب الدفع المتصل ميكانيكيًا ببكرة الصمام، مما يؤدي إلى تحريك الصمام الاتجاهي. مع تحرك البكرة، يدخل العضو الدوار بالكامل في الملف، مركزًا المجال المغناطيسي للملف كليًا في المسار المغناطيسي الحديدي.

الحديد موصل مغناطيسي جيد، بينما يتميز الزيت المحيط بالعضو الدوار وقضيب الدفع بموصلية مغناطيسية ضعيفة للغاية. مبدأ عمل الملف اللولبي الرطب هو: يسحب المجال المغناطيسي العضو الدوار للداخل لتقليل الفجوة الهوائية الكبيرة في مركز الملف. ومع تحرك العضو الدوار للداخل، تتناقص الفجوة تدريجيًا، وتزداد قوة الدفع الكهرومغناطيسية، وعندما يكون العضو الدوار داخل الملف بالكامل، تصبح القوة الكهرومغناطيسية أكبر منها خارجه.

الشكل 10-9: ملف لولبي رطب. يتم غمر الجزء الدوار في زيت هيدروليكي (ومن هنا جاءت تسمية "رطب")، مما يلغي الحاجة إلى مانع التسرب الديناميكي لقضيب الدفع. يتميز هذا النوع بتبديد حرارة أفضل وموثوقية أعلى مقارنةً بالنوع الجاف.

طنين مكيف الهواء

في الولايات المتحدة، تُستخدم عادةً التيارات المترددة (AC) في أنظمة التحكم الصناعية. يتذبذب التيار المتردد الأمريكي بين الصفر وذروة موجبة، ثم يعود إلى الصفر ثم إلى ذروة سالبة، ثم يعود إلى الصفر مرة أخرى، بمعدل 60 هرتز. عندما يكون التيار في ذروة موجبة أو سالبة، يكون المجال المغناطيسي والقوة الكهرومغناطيسية في أقصى حالاتهما. ومع انخفاض التيار حتى يصل إلى الصفر، ينخفض المجال المغناطيسي والقوة أيضًا، مما يدفع الملف اللولبي (عادةً بكرة الصمام) إلى دفع القلب الحديدي أو العضو الدوار للخارج. وعندما يعود المجال والقوة إلى الارتفاع، يسحبان القلب الحديدي أو العضو الدوار إلى الداخل. هذه الحركة هي التي تُصدر صوت الطنين أو الأزيز أو الاهتزاز من الملف اللولبي - وهو ما يُعرف بصوت طنين التيار المتردد.

حلقة قصر الدائرة (ملف التظليل)

لتقليل طنين التيار المتردد وزيادة قوة دفع الملف اللولبي، تُستخدم حلقة قصر (ملف تظليل) للتعويض. في الملفات اللولبية الجافة، تكون حلقة القصر حلقة نحاسية مثبتة على الإطار ذي الشكل C. أما في الملفات اللولبية الرطبة، فتكون حلقة نحاسية عند طرف قضيب الدفع لأنبوب التوجيه. عند تشغيل الملف اللولبي، تحث الحلقة تيارًا يتأخر عن تيار التشغيل المطبق. وبهذه الطريقة، عندما يكون المجال المغناطيسي الرئيسي للملف في أدنى مستوياته، يكون المجال المغناطيسي لحلقة القصر كافيًا لتثبيت القلب الحديدي أو العضو الدوار، مما يقلل طنين التيار المتردد بشكل كبير.

التيارات الدوامية

يمكن للمجال المغناطيسي المتناوب النابض أن يُولّد تياراتٍ شاردة صغيرة في الملف اللولبي - وهي تيارات دوامية تتدفق في دوائر صغيرة ضمن المسار المغناطيسي الحديدي، مستهلكةً الطاقة ومولدةً الحرارة، مما يُقلل من قوة دفع الملف اللولبي. ولتقليل تأثير التيارات الدوامية، تُستخدم صفائح معدنية رقيقة لصنع الإطار C والقلب الحديدي للملف اللولبي الجاف. تُعزل الصفائح المعدنية عن بعضها البعض بطبقات من الأكسيد. يمر المجال المغناطيسي بسهولة على طول المسار المغناطيسي الطبيعي للصفائح، ولكن بفضل طبقات العزل، لا تستطيع التيارات الدوامية التدفق بين الصفائح. ولأن الإطار C مصنوع من تكديس الصفائح المعزولة معًا، يُطلق عليه عادةً اسم "مجموعة الإطار C". أما بالنسبة للملفات اللولبية الرطبة، فيتم تقليل التيارات الدوامية باستخدام صفائح حديدية معزولة للإطار المستطيل، ولكن هذا لا ينطبق على المحرك لأن الملفات اللولبية الرطبة أقوى من الملفات اللولبية الجافة. من وجهة نظر المتانة، فإن صنع المحرك من الصفائح ليس ممكناً - في الملفات اللولبية الرطبة، يكون المحرك قطعة صلبة.

تيار بدء التشغيل للملف اللولبي

يُنتج التيار المتردد في ملفات اللولب قوة كهرومغناطيسية تُحرك بكرة صمام التوجيه، ولكنه يُولد أيضًا حرارة، مما قد يؤدي في النهاية إلى احتراق ملف اللولب. كلما زاد التيار المار عبر ملف اللولب، زادت احتمالية تلفه. إذا لم يتحرك اللولب لإغلاق الفجوة الهوائية، فسيحمل الملف تيارًا عاليًا جدًا، مما يُسبب ارتفاع درجة حرارته. على عكس الأنظمة الهيدروليكية حيث يكون التدفق ثابتًا نسبيًا، يرتبط التيار في الأنظمة الكهربائية العادية بالمقاومة - فزيادة المقاومة تعني انخفاض التيار، وبالتالي انخفاض الحرارة. ولأن الحرارة تؤثر بشكل كبير على عمر ملف اللولب، فإن الهدف هو استخدام أقل قدر ممكن من التيار مع توليد قوة تحريك كافية. ويتحقق ذلك من خلال تصميم ملفات ذات مقاومة تيار متردد كافية (مقاومة تفاعلية).

تتكون المعاوقة من عنصرين: المقاومة الصافية لمادة الموصل لتدفق الإلكترونات - فالنحاس أقل مقاومة من الألومنيوم - وتأثير المعاوقة الناتج عن المجال الكهرومغناطيسي المحيط بملفات الملف. يعيق هذا المجال المغناطيسي أو يحد من التيار الداخل إلى الملف. وكلما اشتد المجال، قلّ التيار في ملفات الملف اللولبي.

عند تشغيل الملف اللولبي لأول مرة، يكون القلب الحديدي المتحرك أو العضو الدوار جزئيًا خارج الملف، مما يُنشئ فجوة هوائية كبيرة في مركز الملف. يكون المجال المغناطيسي ضعيفًا في هذا الوضع؛ وتأتي مقاومة التيار بشكل أساسي من مقاومة الموصل، مما يُنتج تيارًا عاليًا في لفائف الملف. مع تحرك القلب الحديدي أو العضو الدوار للداخل، تنغلق الفجوة الهوائية تدريجيًا، ويقل التيار. عندما يستقر القلب الحديدي أو العضو الدوار تمامًا، تكون المعاوقة في أقصى قيمة لها، ويكون تيار التيار المتردد في أدنى قيمة له.

يبلغ تيار بدء التشغيل الأقصى عند تنشيط الملف اللولبي عدة أضعاف تيار التثبيت عند استقراره الكامل. إذا حال عائق ميكانيكي دون استقرار القلب الحديدي أو المحرك بشكل كامل، يدخل تيار كبير جدًا إلى الملف، مما يُولّد حرارة هائلة. في الملفات اللولبية الجافة غير المغلقة، يؤدي ذلك إلى انصهار المكونات البلاستيكية عند طرف الملف؛ أما في الملفات اللولبية الجافة أو الرطبة المغلقة، فيؤدي ذلك إلى انتفاخ الغلاف البلاستيكي. في كلا النوعين، يحترق عازل السلك فورًا، وفي غضون دقيقة أو دقيقتين يحدث قصر في الدائرة الكهربائية للملف - وهذا ما يحدث عندما تمنع بكرة عالقة حركة الملف اللولبي.

الشكل 10-10: تيار بدء التشغيل مقابل تيار التشغيل المستمر لملف لولبي يعمل بالتيار المتردد. عند بدء التشغيل، تسمح الفجوة الهوائية الكبيرة بتيار بدء تشغيل عالٍ (يفوق تيار التشغيل المستمر بعدة مرات). بمجرد تثبيت الملف بالكامل، ترتفع المعاوقة وينخفض التيار. أما انحشار الملف (عدم إغلاق الفجوة) فيعني استمرار تيار بدء التشغيل، مما يؤدي حتمًا إلى احتراق الملف.

الملفات اللولبية ذات التصنيف المستمر

يمكن للملف اللولبي ذي القدرة المستمرة أن يبقى موصولاً بالتيار لفترة طويلة دون أن يسخن. وتكفي قدرة الملف اللولبي على تبديد الحرارة لتبديد معظم الحرارة المتولدة عن تيار التشغيل المنخفض المار عبر الملف. وتستخدم معظم صمامات التوجيه الهيدروليكية الصناعية ملفات لولبية ذات قدرة مستمرة.

قيود الملف اللولبي

تُعاني الصمامات الاتجاهية التي يتم التحكم فيها بواسطة الملف اللولبي من بعض القيود. أولًا، لا يُمكن استخدام الملفات اللولبية التقليدية في البيئات الرطبة أو القابلة للانفجار. ثانيًا، عندما يكون العمر التشغيلي للصمام الاتجاهي طويلًا جدًا، يُتجنب عادةً استخدام الملفات اللولبية التي يتم التحكم فيها كهربائيًا. ولعلّ أبرز عيوب الملفات اللولبية هو محدودية قوة التحويل التي يُمكنها توليدها. في الواقع، بالنسبة للصمامات الاتجاهية الكبيرة، تكون قوة التحويل المطلوبة كبيرة جدًا. بالنسبة للصمامات الكبيرة (1/4 بوصة أو 3/8 بوصة / 6.35 مم أو 9.5 مم)، يُركّب صمام اتجاهي يعمل بالملف اللولبي عادةً في الأعلى، وأثناء التحويل، يتم توجيه التدفق من الصمام الصغير إلى الجانب المقابل من بكرة الصمام الكبير. يُطلق على هذا النوع اسم صمام اتجاهي تجريبي يعمل بالملف اللولبي.

عطل في الصمام الكهرومغناطيسي

الحرارة هي السبب الرئيسي لفشل الملف اللولبي للصمامات الاتجاهية ذات التأثير المباشر، وعادة ما يكون ذلك بسبب انحشار الملف اللولبي، أو ارتفاع درجة الحرارة المحيطة، أو انخفاض الجهد (عدم كفاية قوة التحويل لتثبيت القلب الحديدي أو المحرك بالكامل).

تعطل الملف اللولبي

يؤدي انحشار البكرة إلى منع القلب الحديدي أو المحرك من الاستقرار بشكل كامل، مما يتسبب في سحب ملف اللولب تيار بدء تشغيل عاليًا باستمرار. لا يستطيع الملف اللولبي تبديد الحرارة الهائلة المتولدة، مما يؤدي في النهاية إلى احتراق الملف. على الرغم من أن التدفق المفرط عبر الصمام قد يتسبب في انحشار الملف اللولبي، إلا أن التداخل الميكانيكي مع حركة البكرة هو السبب الأكثر شيوعًا للانحشار. يمكن أن تتسبب الملوثات (مثل الرواسب، ورقائق المعدن، ورمل القلب، وشريط PTFE) في انحشار البكرة، أو قد تنحشر البكرة بسبب النتوءات الموجودة بين البكرة وجسم الصمام. يمكن أن تتراكم جزيئات أكسدة الزيت وورنيش الزيت على البكرة، مما يؤدي إلى اختفاء الفجوة بين البكرة وجسم الصمام - ويمكن إزالة ورنيش الزيت عن طريق التنظيف بالمذيبات. كما يمكن أن تتسبب لوحة التثبيت الملتوية في انحشار الملف اللولبي - فعند شد براغي التثبيت، قد ينحني جسم الصمام قليلاً، مما يحد من حركة البكرة ويؤدي إلى احتراق الملف. متطلبات استواء لوحة التثبيت عادة ما تكون في حدود 0.0003-0.0005 بوصة (0.00762-0.0127 مم).

في الملفات اللولبية الجافة، يحدث تآكل بين القلب الحديدي والإطار C عند سحب القلب داخل الملف. عند تفكيك هذا النوع من الملفات، يُنصح بإعادة تركيب القلب الحديدي في موضعه الأصلي. وإلا فلن يتمكن الجزء المتآكل من المحاذاة بشكل صحيح، ولن يستقر القلب الحديدي في مكانه بالكامل، وسيصدر الملف صوت طنين، مما يشير إلى قرب تعطلّه.

في بعض الأحيان، قد يتم تنشيط كلا الملفين اللولبيين في صمام اتجاهي ثنائي الملف اللولبي في آنٍ واحد، ما يعني أن أحد القلبين الحديديين أو المحرك يستقر تمامًا بينما يكون الآخر عالقًا. والنتيجة هي احتراق أحد ملفي الملف اللولبي. عادةً ما يكون سبب التنشيط المتزامن لكلا الملفين اللولبيين هو عطل في جهاز التحكم الكهربائي أو خطأ في التوصيلات الكهربائية.

ارتفاع درجة الحرارة المحيطة

عندما يسحب التيار قلب الملف اللولبي الحديدي أو عضوه الدوار، يجب تبديد الحرارة المتولدة من الملف. إذا كانت درجة حرارة الهواء المحيط مرتفعة للغاية، يصعب تبديد الحرارة وقد يحترق الملف. قد يحدث هذا أيضًا إذا كانت التهوية سيئة أو إذا كان الجهاز يعمل بالقرب من مصادر حرارة.

الجهد المنخفض

بالنسبة لملف لولبي يعمل بجهد 110 فولت وتردد 60 هرتز، عندما ينخفض جهد الخط إلى حوالي 100 فولت، تكون القوة الكهرومغناطيسية المتولدة غير كافية لتثبيت القلب الحديدي أو العضو الدوار بشكل كامل خلال الفترة الزمنية المحددة. ونظرًا لطول فترة تيار البدء، يعمل الملف اللولبي عند درجة حرارة أعلى، مما يؤدي في النهاية إلى تلفه. أحيانًا، تكون العلامات المبكرة لاحتراق الملف عبارة عن طنين أو اهتزاز. غالبًا ما تحدث مشاكل انخفاض الجهد في العديد من بيئات محطات الطاقة. في حال الاشتباه بانخفاض الجهد، يمكن لشركة الكهرباء تركيب عداد تسجيل يعمل على مدار 24 ساعة للتحقق من الظروف الفعلية.

صمام توجيهي ثلاثي الأوضاع

في الأمثلة السابقة، تمّت مناقشة صمام توجيهي ثنائي الوضع (بوضعين طرفيين). في بعض التطبيقات، يُستخدم صمام توجيهي ثلاثي الوضع. الوضع الثالث الأوسط هو وضع محايد أو انتقالي. يتكون الرمز الرسومي للصمام التوجيهي ثلاثي الوضع من ثلاثة مربعات - يمثل المربع الأوسط الوضع المركزي والوصلات الداخلية عندما يكون البكرة في المنتصف.

صمام ثلاثي الأوضاع مركزي بنابض

أكثر أنواع صمامات التوجيه ثلاثية الأوضاع شيوعاً هو النوع ذو الزنبرك المركزي. يحتوي هذا الصمام على زنبركات في كلا الطرفين لتثبيت البكرة في الوضع المركزي عندما لا يكون أي من الملفين اللولبيين مُفعّلاً.

الشكل 10-12: صمام توجيهي ثلاثي الأوضاع ذو زنبرك مركزي. تُبقي الزنبركات البكرة في المنتصف عند فصل الطاقة عن كلا الملفين اللولبيين. يحدد الوضع المركزي ما يحدث لحمل الأسطوانة عند توقف الآلة.

ظروف المركز

توجد أربعة تكوينات شائعة لوضعية المركز. ويحدد اختيار حالة المركز سلوك الدائرة عندما يكون صمام التوجيه في وضعية المركز (أي لا يتم تنشيط أي من الملفين اللولبيين):

الشكل 10-13: أربعة تكوينات لوضعية المركز. يعتمد الاختيار على متطلبات الدائرة: ما إذا كان يجب أن تبقى الأسطوانة في مكانها، أو أن تطفو بحرية، أو ما إذا كان يجب أن تفرغ المضخة عندما يكون الصمام في المنتصف.

صمامات اتجاهية تناسبية

تُبدّل الصمامات الاتجاهية القياسية بين وضعين منفصلين (مفتوح/مغلق). أما الصمامات الاتجاهية التناسبية فتسمح بوضع البكرة في أي مكان بين الفتح الكامل والإغلاق الكامل، مع علاقة سلسة بين إشارة الإدخال الكهربائية وموضع البكرة ومعدل التدفق. وهذا يتيح تحكمًا متغيرًا باستمرار في كل من الاتجاه ومعدل التدفق باستخدام صمام واحد.

صمامات توجيهية تعمل بالطيار

في التطبيقات ذات التدفقات الكبيرة حيث لا تكفي قوة الملف اللولبي لتحريك البكرة الرئيسية مباشرةً، يُستخدم تصميم يعمل بنظام التحكم التجريبي. يقوم صمام تحكم تجريبي صغير يعمل بملف لولبي بتوجيه ضغط التحكم التجريبي لتحريك البكرة الرئيسية الأكبر. يتيح هذا التصميم ثنائي المراحل للملفات اللولبية الصغيرة التحكم في معدلات تدفق عالية جدًا - حيث يقوم صمام التحكم التجريبي بالتبديل، بينما يقوم ضغط التحكم التجريبي بتحريك البكرة الرئيسية.

الشكل 10-14: صمام توجيهي يعمل بنظام التحكم التجريبي. يقوم صمام التحكم التجريبي الصغير الذي يعمل بالملف اللولبي (أعلى) بتوجيه ضغط التحكم التجريبي لتحريك البكرة الرئيسية الكبيرة (أسفل). يسمح هذا التصميم للملفات اللولبية الصغيرة بالتحكم في الصمامات الرئيسية ذات التدفق العالي.

صمامات اتجاهية تناسبية تعمل بالملف اللولبي

في جهاز التحكم، تدخل إشارة الانعكاس وإشارة الدخل في آنٍ واحد. تُحفّز إشارة "الخطأ" الناتجة بينهما جهاز التحكم على تنشيط أحد الملفين اللولبيين "أ" أو "ب" بشكل متناسب. عند تنشيط الملف اللولبي، يُحوّل الإشارة إلى قوة. يقوم الملف اللولبي المتناسب، الموجود في مركز جسم الصمام، بالإضافة إلى زنبرك التحيز لصمام التوجيه، بتحويل ضغط التحكم إلى موضع بكرة التوجيه. يتصل مستشعر الموضع LVDT مباشرةً ببكرة الصمام الرئيسية، وتتمثل وظيفته في توفير تغذية راجعة تلقائية لبكرة التوجيه.

صمام اتجاهي ذو فرق ضغط (للتحكم في محرك عزم الدوران)

صمام التوجيه التفاضلي للضغط هو صمام ثلاثي المراحل، حيث يمثل صمام التوجيه المرحلة الأولى، والصمام الرئيسي المرحلة الثانية. صمام التوجيه أكثر تعقيدًا، إذ يتكون من محرك عزم دوران، ونوابض، وأنابيب نفث، وبكرة قابلة للتعديل مزودة بأغطية طرفية للتوجيه ومحول إزاحة خطي تفاضلي (LVDT). أما المرحلة الثانية (الصمام الرئيسي) فهي مشابهة لصمامات التوجيه الأخرى التي تعمل بالتوجيه.

بناء صمام تجريبي للمرحلة الأولى

يتكون صمام التحكم من محرك عزم دوران، وأنبوب نفث، وبكرة مزودة بنابضين أيمن وأيسر، ومكونات مماثلة. يوجه أنبوب النفث ضغط التحكم إلى أي من طرفي البكرة. يشبه صمام التحكم في نوعه صمام التوجيه المركزي ذي النابض.

صمام المرحلة الثانية الرئيسي

المرحلة الثانية (الصمام الرئيسي) تشبه أنواع الصمامات الاتجاهية النسبية الأخرى ولن يتم تكرارها هنا.

تشغيل صمام التوجيه

يمر تيار إشارة التحكم الكهربائية عبر ملفات محرك العزم بين الملفين اللولبيين. وتحدد مقارنة الإشارات الكهربائية واختلافها اتجاه المجال المغناطيسي لمحرك العزم. وبناءً على الملف اللولبي ذي الإشارة الأقوى، يُوجَّه أنبوب النفث لضغط أحد طرفي بكرة التوجيه. في الوقت نفسه، يزيد خرج جهاز التحكم التدفق إلى أحد جانبي بكرة صمام التوجيه تدريجيًا حتى يصل إلى القيمة النسبية، ثم يزيد التدفق إلى ذلك الجانب تدريجيًا حتى الوصول إلى القيمة النسبية.

المفاهيم الأساسية - الفصل العاشر