عند نقل الطاقة عبر سائل، يجب تحديد الاتجاه والحفاظ على التحكم الكامل المستمر. وبغياب التحكم الكامل، تصبح الطاقة عديمة الفائدة أو، بل وقد تتسبب في تلف الآلة. ومن أبرز مزايا التكنولوجيا الهيدروليكية قدرتها على استخدام صمامات التحكم الهيدروليكية للتحكم في الطاقة بشكلٍ نسبيٍّ سهل.

الصمامات التحكم الهيدروليكية

يُعد صمام التحكم الهيدروليكي مكوِّنًا ميكانيكيًّا يتكون من جسم الصمام ذي الممرات الداخلية التي يمكنها ربط تدفق السائل أو حجبه، وأجزاء داخلية متحركة. وتُستخدم الممرات الموجودة في الغلاف لنقل الزيت. أما حركة الأجزاء الداخلية المتحركة فهي التي تتحكم في أقصى ضغط، واتجاه تدفق السائل، ومعدل تدفقه في النظام.

التحكم في ضغط النظام

يمكن تطبيق الطاقة الهيدروليكية على أسطوانة هيدروليكية. وعندما يُحقَّق نجاح في الأداء، فإن العمل يُنفَّذ بمجرد اكتمال تمدد الأسطوانة بالكامل. وستستمر المضخة ذات الإزاحة الإيجابية في امتصاص طاقة إضافية من محركها الرئيسي. وهذا يؤدي إلى ارتفاع ضغط الزيت. (ملاحظة: أقل مقاومة موجودة في النظام تحدد الضغط الهيدروليكي المطبَّق.) ومع استمرار تمدد الأسطوانة، تصبح مقاومة النظام الميكانيكية هي أقل مقاومة.

ستقوم المضخة بإضافة ضغط إضافي للتغلب على هذه المقاومة. ويستخدم الناس صمامات التحكم في الضغط للحفاظ على ضغط النظام ضمن نطاق آمن.

صمام التحكم في الضغط

تعمل الأجزاء المتحركة الداخلية لصمام التحكم في الضغط استنادًا إلى الضغط. وعندما يصل ضغط النظام إلى قيمة محددة مسبَّقًا، تتصل الأجزاء المتحركة الداخلية أو تسد أحد المسارات داخل جسم الصمام، مما يؤدي إلى تدفق الزيت أو منعه من التدفق عبر ذلك المسار.

تركيب صمام التحكم في الضغط

تتكوّن صمام التحكم في الضغط من جسم صمام يحتوي على ممرات أولية وثانوية وأجزاء داخلية متحركة (الساق المزحوف). وتُسمى الاتصالات الخارجية بالممرات بالمنفذ الأولي والمنفذ الثانوي.

كيف يعمل صمام التحكم في الضغط

الجزء المتحرك الداخلي في صمام التحكم في الضغط يكون عادةً من النوع المزحوف. وعندما يكون الساق المزحوف في إحدى الوضعيتين الطرفيتين، تتصل الممرات الداخلية ويسمح بمرور التدفق. أما عندما يكون في الوضع الطرفي الآخر، فإن الممرات الداخلية تُغلق ويُقطَع التدفق عبر الصمام.

في صمام التحكم في الضغط، يُثبَّت الساق المزحوف بواسطة زنبرك في إحدى الوضعيتين الطرفيتين. وفي هذه الوضعية المغلقة الاعتيادية، تكون الممرات الداخلية مغلقةً ومسار التدفق عبر الصمام مغلقًا. ويُسمى هذا النوع بصمام التحكم في الضغط المغلق افتراضيًّا.

يكتشف صمام التحكم في الضغط الضغط عند قاع المكبس. ويتصل هذا الممر السفلي بالمنفذ الرئيسي. وعندما يرتفع ضغط النظام فوق قوة النابض، يتحرك المكبس ليُوصِل الممر الداخلي، مما يسمح بمرور التدفق عبر الصمام.

(الضغط الهيدروليكي المستخدم للتحكم في حركة المكبس يُسمى ضغط التوجيه. ويُطلق مصطلح التحكم بالتوجيه على استخدام ضغط التوجيه للتحكم في صمامٍ ما، وهو أكثر الطرق شيوعًا للتحكم في جميع أنواع الصمامات الهيدروليكية.)

إذا اتصل المنفذ الرئيسي لهذا النوع من صمامات التحكم في الضغط بجانب ضغط النظام، وارتفع ضغط المضخة المُطبَّق إلى مستوى مرتفع جدًّا، فيمكن حينها تحويل تدفق الزيت القادم من المضخة عبر هذا الصمام إلى خزان الزيت — ويُسمى هذا النوع من صمامات التحكم في الضغط المغلقة عادةً «صمام التفريغ».

الشكل ٧-٢: صمام تحكم في الضغط مغلق عادةً (عملية صمام التفريغ). ويُمسك النابض المكبس في وضع الإغلاق حتى يتجاوز ضغط النظام إعداد النابض، ثم ينتقل المكبس ويفتح مسارًا نحو الخزان.

الشكل ٧-٣: دائرة هيدروليكية بسيطة مع تحكم في الضغط (صمام تخفيف). وعندما يصل الأسطوانة إلى نهاية السكتة، يفتح صمام التخفيف ويُوجِّه تدفق المضخة عائدًا إلى الخزان، مما يحدّ من أقصى ضغط نظامي.

التحكم الاتجاهي للمحرِّكات

وبمجرد أن تصل الأسطوانة الهيدروليكية إلى أقصى امتداد لها، يجب سحبها مجددًا كي يتسنّى إنجاز العمل مرة أخرى. ولذلك، فإن الأسطوانات التي تحتاج إلى الحركة في اتجاهين عادةً ما تستخدم أسطوانات هيدروليكية ذات منفذين — أي أسطوانات ثنائية الفعل. ويجب عكس اتجاه التدفق في الوقت نفسه.

أسطوانة هيدروليكية مزدوجة التأثير

وتتمتّع الأسطوانة الهيدروليكية ثنائية الفعل بمنفذ واحد عند كل طرف من برميل الأسطوانة، مما يسمح بدخول الزيت والخروج منه، وبالتالي تمكين المكبس من الحركة في كلا الاتجاهين (ثنائية الفعل). وللتفرقة بين المنفذين في الأسطوانة ثنائية الفعل، نُسمّي أحد المنفذين «أ» والآخر «ب».

صمام التحكم الاتجاهي

وتؤدي الأجزاء المتحركة الداخلية لصمام التحكم الاتجاهي وظيفة ربط أو حجب المسارات الداخلية في جسم الصمام، وبالتالي التحكم في اتجاه تدفق الزيت.

بناء صمام التحكم الاتجاهي

يحتوي صمام التحكم الاتجاهي النموذجي على أربعة ممرات داخلية في جسم الصمام وساق انزلاقية (سبول) يمكنها ربط هذه الممرات أو عزلها.

كيف يعمل صمام التحكم الاتجاهي

عندما تكون الساق الانزلاقية في إحدى الوضعيتين الطرفيتين، يتصل ممر الضغط بممر العمل (أ)، ويتصل ممر الإرجاع بممر العمل (ب). وعند انتقال الساق الانزلاقية إلى الوضع الطرفي الآخر، يتصل ممر الضغط بممر العمل (أ)، ويتصل ممر الإرجاع بممر العمل (ب). ويؤدي تغيير اتجاه حركة الساق الانزلاقية إلى عكس اتجاه تدفق الزيت نحو الأسطوانة الهيدروليكية.

وعندما يمتد عمود الأسطوانة وينكمش تمامًا وفق المتطلبات، يُنفَّذ العمل المطلوب. وعند انتقال الساق الانزلاقية إلى الوضع الطرفي الآخر، يتدفق الزيت إلى الجانب الآخر من الأسطوانة — فينكمش عمود الأسطوانة.

الشكل ٧-٤: صمام التحكم الاتجاهي في دائرة أسطوانة مزدوجة التأثير. ويؤدي تحريك الساق الانزلاقية إلى عكس اتجاه تدفق الزيت، ما يؤدي بدوره إلى عكس اتجاه حركة الأسطوانة.

التحكم في سرعة المحركات

في العديد من التطبيقات، يجب التحكم في سرعة عمل المحركات (ال actuators)، وأحيانًا يتطلب الأمر تحكّمًا دقيقًا جدًّا في هذه السرعة. وكما وُضِح سابقًا، فإن سرعة المحركات (مثل الأسطوانات والمحركات الهيدروليكية) ترتبط ارتباطًا مباشرًا بمعدل حقن الزيت — أي أن سرعة المحرك تتحدد بمعدل التدفق الداخل إليه.

وبما أن إزاحة المضخة يمكن أن تكون ثابتة، فإنه من الممكن اختيار معدل تدفق المضخة استنادًا إلى سرعة المحرك المطلوبة. وهذه الطريقة مجدية فقط في الأنظمة التي تحتوي على محرك واحد.

وعادةً ما يحتوي النظام الهيدروليكي على أكثر من محرك. فإذا احتاج النظام إلى تشغيل كل أسطوانة هيدروليكية بشكل مستقل، فيجب اختيار معدل تدفق المضخة استنادًا إلى أكبر أسطوانة هيدروليكية تتطلب أعلى سرعة. وهذا يعني أن المحركات الأصغر ستتحرك بسرعة أكبر، وهو ما قد لا يكون مرغوبًا فيه. ولتقليل التدفق الداخل إلى هذه المحركات أو إلى أي محرك آخر، يجب استخدام صمام تحكم في التدفق.

صمام تحكم في التدفق

وعند استخدام صمام تحكم في التدفق، يكون من الممكن دائمًا تقليل التدفق القادم من المضخة إلى المحرك.

بناء صمام التحكم في التدفق

يتكون صمام التحكم في التدفق النموذجي من جسم الصمام وجزء متحرك. وفي المثال الذي نعرضه، يتكوّن الجزء المتحرك من إبرة ضبط ذات طرف مدبب. وبما أن الإبرة لا تتحرك فعليًّا أثناء التشغيل (إذ يتم ضبطها مسبقًا في موضع معين)، فإن من الأصح تسمية الأجزاء المتحركة لصمام التحكم في التدفق بـ"قابلة للضبط" بدلًا من "متحركة".

كيف يعمل صمام التحكم في التدفق

في النظام الهيدروليكي، يعمل صمام التحكم في التدفق دائمًا بالتزامن مع صمام التحكم في الضغط (صمام التفريغ). ويُشكّل صمام التحكم في التدفق مقاومةً، ما يؤدي إلى ارتفاع ضغط المضخة الهيدروليكية. وقد يتسبب هذا الضغط في توجيه جزء من تدفق المضخة لفتح صمام التفريغ، وبالتالي تقليل التدفق المار عبر صمام التحكم في التدفق والواصل إلى الجهة الفاعلة.

الشكل ٧-٥: دائرة التحكم في التدفق. ويُقيّد صمام الإبرة التدفق الواصل إلى الأسطوانة. أما التدفق الزائد من المضخة فيمرّ عبر صمام التفريغ إلى الخزان. وتحدد درجة فتح صمام الإبرة سرعة الأسطوانة.

نظام هيدروليكي بسيط

يمكن أن تشكّل جميع المكونات المذكورة أعلاه نظامًا هيدروليكيًّا بسيطًا. وبما أن الطاقة الهيدروليكية في هذا النظام قابلة للتحكم، فإن هذا النظام قادر على إنجاز أعمال مفيدة.

تُستخدم الأنظمة الهيدروليكية على نطاق واسع في مجالات عديدة، بدءًا من قطاع الفضاء والطائرات والمعدات العسكرية وصولًا إلى القطاعات الصناعية والآلات ذات الحركة الأرضية والمعدات الصلب. ومبدأ العمل الأساسي للأنظمة الهيدروليكية في جميع هذه التطبيقات هو نفسه الموصوف أعلاه. أما الاختلاف الوحيد بين مختلف «أنواع» الأنظمة الهيدروليكية فهو يكمن في المكونات المستخدمة.

وفي الفصول التالية، سنناقش بالتفصيل مختلف أنواع المكونات المستخدمة في الأنظمة الهيدروليكية الصناعية. ولتوضيح طريقة استخدام هذه المكونات، سنقوم أيضًا بتصميم بعض الدوائر الهيدروليكية الأساسية.

الرموز الرسومية الهيدروليكية

في المناقشات السابقة حول المكونات الهيدروليكية والأنظمة الأساسية، تم شرح كل شيء بطريقة رسومية — باستخدام المناظر العرضية لعرض الإجراءات الداخلية للمكونات بصريًّا. وهذه الطريقة مفيدة في توضيح المشكلات، لكنها غير عملية من منظور العمل اليومي.

وكغيرها من المجالات التقنية، تستخدم تقنية الهيدروليكا أيضًا رموزًا رسوميةً لتمثيل المكونات والأنظمة. ويمكن تمثيل جميع المكونات الهيدروليكية والأنظمة البسيطة التي ناقشناها سابقًا باستخدام الرموز الرسومية القياسية للهيدروليكا والهوائية وفق معياري ANSI Y32.10 أو ISO 1219.

وبالإضافة إلى المكونات التي سبق مناقشتها، تشمل المكونات التي تكوّن النظام الهيدروليكي أيضًا المحركات الكهربائية والمرشحات الهيدروليكية وغيرها. وعادةً ما يُدار النظام الهيدروليكي بواسطة محركات كهربائية. كما أنه، للحفاظ على مستوى معقول من النظافة، ينبغي أن تستخدم الأنظمة الهيدروليكية مرشحات هيدروليكية لحماية الزيت من التلوث.

الشكل ٧-٧ الرموز الرسومية القياسية للأنظمة الهيدروليكية (ANSI Y32.10 / ISO 1219). وتُستخدم هذه الرموز في جميع مخططات الدوائر الهيدروليكية بدلاً من الرسومات المقطعية.

الشكل ٧-٨ دائرة هيدروليكية بسيطة كاملة موضَّحة باستخدام الرموز الرسومية القياسية. وهذه هي الطريقة التي تُرسم بها الدوائر الهيدروليكية في الممارسة الهندسية.