الفصل 8: صمامات الفحص، والخزانات المُجمِّعة، والأسطوانات الهيدروليكية

صمام الفحص

تركيب صمام الفحص

يتكون صمام الفحص أساسًا من جسم الصمام مع منفذَي الدخول والخرج، وجزء متحرك مُحمَّل بزنبرك. ويمكن أن يكون الجزء المتحرك قرصًا أو لوحةً أو سدادةً — وفي الأنظمة الهيدروليكية يكون غالبًا كرةً أو مقعد سدادة.

كيف يعمل صمام الفحص

يمكن أن يتدفق السائل عبر صمام الاختيار في اتجاه واحد فقط — وهو الاتجاه الحر للتدفق. وعندما يرتفع ضغط النظام عند منفذ الدخول إلى درجة كافية لتغلب قوة النابض التي تُثبِّت القرص المُحكم (poppet)، فإن هذا القرص ينفصل عن مقعده ويسمح للسائل بالتدفق من خلاله. وهذا هو الاتجاه الحر للتدفق. أما عندما يحاول السائل التدفق عكسيًّا من منفذ الخرج، فإن القرص المُحكم يُدفع نحو مقعده مُغلِّقًا المسار تمامًا ومنع التدفق العكسي.

الشكل ٨-١: صمام الاختيار. يُحكِم القرص المُحكم المقعدَ المدعوم بنابض عند انعكاس اتجاه التدفق، ما يمنع التدفق العكسي تمامًا. ويعادل صمام الاختيار في الأنظمة الهيدروليكية شارعًا أحادي الاتجاه.

تطبيقات صمام الاختيار في الدوائر

يؤدي صمام الاختيار وظائف تحكم اتجاهية وضغطية معًا — فهو يسمح بمرور التدفق في اتجاه واحد فقط. وفي الأنظمة الهيدروليكية، تُستخدم صمامات الاختيار عادةً كصمامات تفافية، مما يسمح للسائل بالتدفق حول مكوِّن معين. فعلى سبيل المثال، يسمح وجود صمام اختيار متصل على التوازي مع صمام تحكم التدفق بمرور التدفق العكسي حول صمام تحكم التدفق.

يمكن لصمامات الفحص أيضًا عزل فرعٍ أو مكوِّنٍ ما في النظام. على سبيل المثال، في حالة المُجمِّع (الأساس المخزِّن للطاقة): يمنع صمام الفحص المُجمِّع من التفريغ العكسي عبر صمام التخفيف أو المضخة الهيدروليكية.

يُعدُّ صمام الفحص عمومًا جهازًا ذا تسرب منخفض جدًّا؛ بل ويمكن تصميمه ليكون خاليًا تمامًا من التسرب. ويمكن لصمام الفحص حمل حمولةٍ ما لفترةٍ طويلةٍ جدًّا، بل وقد تقترب من الأبدية. ومع ذلك، تذكَّر أن صمام الفحص هو صمام أحادي الاتجاه — ولإطلاق الحمولة، يجب دفع الجزء المتحرك بعيدًا عن مقعده. وهذا يتطلب نوعًا خاصًّا من صمامات الفحص يُسمَّى 'صمام الفحص المشغَّل بالقيادة'.

الشكل ٨-٢: ثلاث استعمالات شائعة لصمامات الفحص في الدوائر الهيدروليكية: تجاوز حول وحدة التحكم في التدفق، وعزل المُجمِّع، وعتبة ضغط مزودة بنابض.

الاحتفاظ بحمولة معلَّقة

معظم المكونات الهيدروليكية من النوع الحلزوني تحتوي على تدفق داخلي جانبي — وهذا لا يدل على انخفاض الجودة، إذ إن معظم هذا التدفق الجانبي مُصمَّم عمداً لتزييت المكوِّن. ومع ذلك، إذا احتاج النظام إلى أسطوانة تحمل حملاً معلقاً دون أن تنزلق أو تتحرك تدريجياً، فإن التسرب يصبح مشكلة. وفي هذه الحالة، يجب استخدام صمام تحقق ذي قدرة إغلاقية.

صمام تحقق يعمل بالضغط المساعد

يسمح صمام التحقق الذي يعمل بالضغط المساعد بتدفق حر في اتجاه واحد؛ وعندما يُطبَّق ضغط مساعد يدفع الجزء المتحرك بعيداً عن مقعده، يمكن للتدفق العكسي أيضاً أن يمر عبر الصمام.

البناء

وكالعادة في صمام التحقق القياسي، يتكون صمام التحقق الذي يعمل بالضغط المساعد من جسم صمام يحتوي على منفذَي دخول وخروج، وقمعة (جزء متحرك) مدعومة بمسبار نابض، تلامس مقعداً معيناً. وبإضافة إلى ذلك، يُركَّب في الجزء المقابل مباشرةً للمقعد قضيب دفع ومكبس مساعد ذي نابض لين مُثبَّتٌ على القمعة. ويؤثر الضغط المساعد القادم من منفذ الضغط المساعد على المكبس. كما يحتوي تجويف النابض عند المكبس على منفذ تصريف.

طريقة العمل

يسمح صمام الفحص ذو التحكم بال Pilot بتدفق حر من المدخل إلى المخرج بنفس الطريقة التي يعمل بها صمام الفحص العادي. أما التدفق الذي يحاول الدخول من المخرج فيُجبر على إغلاق القرص (poppet)، مما يغلق المسار. وعندما يؤثر ضغط تحكم كافٍ على مكبس التحكم، يتحرك المكبس ويضغط على قرص صمام الفحص، فيرفعه عن مقعده. وبشرط أن تكون القوة المؤثرة على مكبس التحكم كافية، يمكن للتدفق أن يمر من المخرج إلى المدخل.

الشكل ٨-٣: صمام فحص ذو تحكم خارجي (Pilot-operated check valve). وفي حالة عدم وجود ضغط تحكم، يعمل مثل صمام فحص عادي (يسمح بالتدفق الحر في اتجاه واحد فقط). أما عند تطبيق ضغط التحكم، فيُسمح أيضًا بالتدفق العكسي — ما يتيح إفلات الحمل.

تطبيق الدائرة

ويؤدي استخدام صمام فحص واحد ذي تحكم خارجي لسد التدفق من المنفذ B للأسطوانة إلى الاحتفاظ بالحمل معلّقًا طالما كانت أختام الأسطوانة فعّالة، دون وجود أي تسرب في المواسير أو الأسطوانة أو صمام الفحص. ولتخفيض الحمل، يكفي تطبيق ضغط التحكم من الخط A على مكبس التحكم.

يؤخذ ضغط التحكم للصمام المُحكَم بالتحكم من خط التشغيل للأسطوانة الهيدروليكية — وبشرط أن يكون الضغط في الخط (أ) مرتفعًا بما يكفي، يظل الصمام المفتوح مفتوحًا. وعند رفع الحمولة، يمر الزيت بسهولة عبر صمام الفحص لأن هذا هو اتجاه التدفق الحر.

في بعض الحالات، يجب تثبيت الأحمال المتصلة بقضيب المكبس الخاص بالأسطوانة بحيث لا تتحرك إطلاقًا. ولتحقيق ذلك، يمكن تركيب صمام فحص مُحكَم بالتحكم في كل خط تشغيل للأسطوانة — حيث تعمل صمامات الفحص المُحكَمة بالتحكم على عزل التدفق الخارج من الأسطوانة. وبشرط أن تظل ختمات الأسطوانة فعّالة ولا يحدث أي تسرب في أي مكان، يمكن إبقاء الحمولة في وضعها المطلوب.

مكثف هيدروليكي

يُخزِّن المُجمِّع الضغط الهيدروليكي. وهذا الضغط الهيدروليكي يمثل طاقة كامنة يمكن تحويلها إلى طاقة عمل (تدفق وضغط).

أنواع المُجمِّعات

يمكن تقسيم المكثِّفات إلى أنواع تعتمد على الجاذبية، وأنواع تعمل بالزنبرك، وأنواع تعمل بالسوائل/الغازات. وتختلف هذه الأنواع في الطريقة التي يحافظ بها المكثِّف على القوة العاملة المؤثرة على الزيت المخزَّن.

المكثِّف الذي يعتمد على الجاذبية

يستخدم المكثِّف الذي يعتمد على الجاذبية وزن جسمٍ ثقيلٍ يؤثِّر على مكبس أو ساق دفع للحفاظ على القوة العاملة المؤثرة على الزيت المخزَّن. ويمكن صنع هذا الوزن من أي مادةٍ ثقيلةٍ — مثل الحديد أو الخرسانة أو حتى الماء. وعادةً ما تكون المكثِّفات التي تعتمد على الجاذبية كبيرة جدًّا، وقد تصل سعتها أحيانًا إلى مئات الجالونات. وهي تخدم عدة أنظمة هيدروليكية في آنٍ واحد، وتُستخدم في مصانع الدرفلة والأنظمة الهيدروليكية المركزية.

والخاصية المرغوبة في المكثِّف الذي يعتمد على الجاذبية هي قدرته على تخزين الزيت عند ضغطٍ نسبيًّا ثابتٍ — سواء كان الخزَّان ممتلئًا تمامًا أو شبه فارغ، فإن الضغط المخزَّن يبقى عمليًّا دون تغيُّر. وذلك لأن القوة المؤثِّرة على الزيت هي قوة الجاذبية (أي الوزن)، وهي قوةٌ ثابتةٌ؛ فلا يتغيَّر مقدار القوة المؤثِّرة مهما اختلف حجم الزيت الموجود في المكثِّف.

تُعد إنتاج الصدمات سمة غير مرغوب فيها في المكثفات ذات التحميل بالجاذبية. وعندما يتوقف مكثف ذو تحميل بالجاذبية فجأةً أثناء خرج تدفق سريع، فإن قصور الوزن الثقيل يُحدث ارتفاعات كبيرة في الضغط داخل النظام. وقد يؤدي ذلك إلى تسرب في الأنابيب والتجهيزات، كما قد يسبب إجهادًا معدنيًّا يؤدي إلى فشل المكونات قبل أوانها.

الشكل ٨-٦: مكثف ذو تحميل بالجاذبية. ويُنتج الوزن الثابت ضغطًا ثابتًا بغض النظر عن حجم الزيت. ويُستخدم في الأنظمة الصناعية الكبيرة مثل أنظمة الهيدروليك في مصانع صهر الفولاذ.

مكثف ذو تحميل بالزنبرك

يستخدم المُجمِّع ذو النابض المضغوط نابضًا يعمل على مكبس للحفاظ على القوة المؤثرة على الزيت المخزن. وعادةً ما تكون المُجمِّعات ذات النابض المضغوط أصغر حجمًا من الأنواع التي تعتمد على الجاذبية، وتتسع لعدة جالونات فقط. وهي تخدم عادةً نظام هيدروليكي واحدًا، وتعمل غالبًا عند ضغط منخفض. وعندما يدخل زيت تحت ضغط إلى المُجمِّع ذي النابض المضغوط، فإن ضغط الزيت المخزن يتحدد وفق مقدار انضغاط النابض. فعندما يتحرك المكبس لأعلى ويضغط النابض بمقدار ١٠ بوصات (٢٥٫٤ سم)، يكون الضغط المخزن أعلى مما يكون عليه عندما يُضغط النابض بمقدار ٤ بوصات (١٠٫٢ سم).

لمنع تسرب الزيت من التراكم في تجويف النابض، يحتوي تجويف النابض على فتحة تصريف لتصريف التسرب. ولا ينبغي أن يتم تصريف المكثفات ذات النابض المضغوط خارجيًّا إلى الخزان، لأن ذلك يؤدي إلى رغوة الزيت. وبغض النظر عما إذا كانت نهاية أنبوب التصريف تقع فوق مستوى سائل الخزان أو تحته، فإن المكثف سيُحدث دائمًا رغوة أثناء التشغيل — وعندما يُخرج المكثف تدفقًا بسرعة، لا يستطيع الزيت الموجود فوق المكبس مجاراة حركة المكبس، ما يؤدي إلى تكوّن فراغ جزئي في تجويف النابض، وبالتالي انفصال الهواء عن الزيت. وعند إعادة شحن المكثف، يتحرك المكبس نحو الأعلى، دافعًا بالزيت المحتوي على فقاعات هواء عائدًا إلى الخزان. ووجود الفقاعات الهوائية في الخزان أمر غير مرغوب فيه، ولذلك لا يتم عادةً تصريف المكثفات ذات النابض المضغوط خارجيًّا.

بالنسبة للمكثفات ذات النابض المضغوط التي تحتوي على تصريف خارجي لتجويف النابض، فإنه عند تآكل ختم المكبس، يتطلب الأمر اتخاذ إجراء فوري. وفي حال عدم الإصلاح في الوقت المناسب، قد يلزم إجراء عملية تنظيف.

الشكل ٨-٧: مكثِّف ذو زنبرك مشدود. تزداد قوة الزنبرك — وبالتالي الضغط المخزَّن — كلما تحرك المكبّس نحو الأعلى. ويُستخدم في الأنظمة الصغيرة ذات الضغط المنخفض.

مكثِّف سائل/غاز

يُعدُّ مكثِّف السائل/الغاز النوع الأكثر استخدامًا في الأنظمة الهيدروليكية الصناعية. ويستخدم غازًا مضغوطًا للحفاظ على القوة التشغيلية المؤثرة في الزيت المخزَّن.

يُقسَّم مكثِّف السائل/الغاز إلى نوع المكبّس ونوع الغشاء ونوع الكيس المطاطي، وذلك حسب الجهاز المستخدم لفصل الغاز عن الزيت.

مُكَثِّف من النوع المكبس

يتكون مُجمِّع من النوع المكبسّي من برميل ومكبس قابل للحركة مزود بحلقات ختم مطاطية مرنة. ويُملأ الجزء العلوي من المكبس بالغاز المضغوط. وعند شحن الزيت في البرميل، ينضغط الغاز. وعند تصريف الزيت من المُجمِّع، تنخفض ضغط الغاز. وعندما يُصرَف كل الزيت، يصل المكبس إلى نهاية سكته ويُغلق منفذ التصريف، مما يحافظ على الغاز داخل المُجمِّع.

مُجمِّع من نوع الغشاء

يتكوّن المُجمِّع من نوع الغشاء على هيئة كرة تُشكَّل بتوصيل نصفَي كُرَتين معدنيتين معًا بواسطة مسامير. ويقسم الغشاء المطاطي الصناعي الفراغ الداخلي إلى جزأين — ويُملأ الغرفة العلوية بالغاز. وعند دخول زيت تحت ضغط إلى الغرفة الأخرى، ينضغط الغاز. وبمجرد تصريف كل الزيت، يغطي الغشاء منفذ التصريف ويحافظ على الغاز داخل المُجمِّع؛ كما لا يُدفع الغشاء خارج حدود سماكته.

مُجمِّع من نوع الكيس المطاطي

يتكون المُجمِّع من النوع الكيسي من غلاف معدني وكيس مطاطي صناعي داخلي. ويتم ملء الكيس بالغاز. وعندما يدخل الزيت إلى الغلاف، ينضغط الغاز الموجود داخل الكيس، فيتدفق الزيت خارج الغلاف. وعندما يتم تصريف كل الزيت، تحاول ضغطة الغاز دفع الكيس عبر منفذ الخرج — ولكن عندما يتلامس الكيس مع صمام المقعد عند المنفذ، يُغلَق الزيت الموجود داخل الغلاف تلقائيًّا.

الشكل ٨-٨: ثلاثة أنواع من المُجمِّعات السائلة/الغازية. وتستخدم جميعها النيتروجين المضغوط لتخزين الطاقة الهيدروليكية. وتفصل الأنواع الثلاثة — نوع المكبس (في الأعلى)، ونوع الغشاء (في الوسط)، ونوع الكيس (في الأسفل) — بين الغاز والزيت بطرق مختلفة.

تطبيقات دوائر المُجمِّعات

يمكن للمُجمِّعات أداء عدة وظائف في الأنظمة الهيدروليكية: تزويد التدفق، والحفاظ على الضغط، وامتصاص الصدمات.

تزويد التدفق

يُستخدم المُجمِّع لتوفير التدفق كأحد تطبيقاته. والمُجمِّع المشحون هو مصدر للطاقة الهيدروليكية الكامنة. وعندما يحتاج النظام إلى تدفقٍ أكبر مما يمكن أن يوفِّره المضخة، فيمكن الاستفادة من الطاقة المخزَّنة في المُجمِّع لتوليد تدفق النظام. فعلى سبيل المثال، إذا صُمِّمت آلة بحيث يكون وقت التشغيل الفعلي لها قصيراً جداً خلال دورة العمل الخاصة بها، فيمكن لمضخة صغيرة السعة أن تشحن المُجمِّع لفترة من الزمن. وعند تشغيل الآلة، يتحرَّك الصمام الاتجاهي إلى وضع التشغيل، فيُخرِج المُجمِّع على الفور زيتاً مضغوطاً إلى المحرك (الجهاز المنفِّذ) حسب الحاجة. وهذه الطريقة في استخدام المُجمِّع مع مضخة صغيرة تسمح بتخزين القدرة القصوى — أي أنها تحل محل التدفق/القدرة الكبيرة التي توفرها مضخة/محرّك كبير في فترة زمنية قصيرة، وذلك باستخدام مضخة/محرّك صغيرة تؤدي متوسط أداءٍ على مدى فترة أطول.

الحفاظ على الضغط

يمكن استخدام المُجمِّعات للحفاظ على الضغط. وعندما تكون المضخة/المحرّك تُخرِج تدفقاً إلى أجزاء أخرى من النظام، فيمكن للمُجمِّع الحفاظ على الضغط في أحد الفروع الدائرية.

عندما يتطلب النظام عودة أسطوانة التثبيت A، يجب أن تحافظ أسطوانة التثبيت B على الضغط. وعند تغيير صمام التوجيه A، ينخفض الضغط في خطوط المضخة الهيدروليكية وأسطوانة A بسرعة، بينما تحافظ الأكياس المُخزِّنة (الاكويمولاتور) على ضغط أسطوانة B، حيث تكون قد خزَّنت بالفعل كمية كافية من الزيت تحت الضغط لتعويض التسرب في خطوط أسطوانة B.

وفي تطبيق آخر، تتعرَّض أسطوانة تشغيلية قريبة من فرن لدرجة حرارة محيطة مرتفعة تؤدي إلى تمدُّد الزيت حراريًّا. وتقوم الأكياس المُخزِّنة (الاكويمولاتور) بامتصاص الزيادة في الحجم والحفاظ على الضغط عند مستوىٍ ثابت نسبيًّا. وفي غياب الأكياس المُخزِّنة، سيزداد الضغط في الخطوط بشكل غير خاضع للرقابة وقد يؤدي ذلك إلى انفجار هيكل المكوِّنات أو الأنابيب أو التوصيلات.

الشكل ٨-١٠: أكياس مُخزِّنة (اكويمولاتور) للحفاظ على الضغط. (أعلى الصورة): تحافظ على الضغط في فرع واحد من الدائرة بينما تخدم المضخة فرعًا آخر. (أسفل الصورة): تمتص التغيرات في الحجم الناتجة عن التمدُّد الحراري للزيت بالقرب من مصادر الحرارة.

امتصاص الصدمات

يمكن أيضًا استخدام مُجمِّعات السوائل/الغاز لامتصاص الصدمات الناتجة عن النظام. وقد تنتج الصدمة في نظام هيدروليكي عن عَمَلِية القصور الذاتي لحمولة متصلة بأسطوانة أو محرك، أو بسبب قطع التدفق فجأة أو التبديل السريع لاتجاه صمام التوجيه، ما يؤدي إلى حدوث صدمة ناتجة عن قصور السائل الذاتي. ويمكن لمُجمِّع موجود في الدائرة أن يمتص جزءًا من هذه الصدمة ويمنع انتشارها في جميع أنحاء النظام.

كما يمكن للقوى الميكانيكية الخارجية أن تُحدث صدمة هيدروليكية. فعند اتصال حمولةٍ ذات ميلٍ للارتداد بأسطوانة هيدروليكية، فإنها تدفع المكبس للخلف مُسبِّبةً بذلك صدمةً هيدروليكية. ويُسهم المُجمِّع الموجود في خط الأسطوانة، إذا تم شحنه بشكلٍ صحيح، في تقليل أثر الصدمة. أما إذا تم شحنه بشكلٍ غير صحيح، فقد يتسبب أيضًا في ارتفاع الضغط فوق الحد المسموح.

الشحن المتساوي الحرارة والشحن الأديابتي

بما أن مخزّنات السوائل/الغاز تستخدم الغاز المضغوط لتخزين ضغط الزيت، فإن خصائص الغاز تؤثر في أداء المخزّن. وعند شحن مخزّن السوائل/الغاز، يُضغط الغاز وترتفع درجة حرارته. وبثبات الضغط، يشغل الغاز الساخن حيّزًا أكبر من الغاز الأبرد.

يصف العملية المتساوية الحرارة حالة تشغيل المخزّن عندما تبقى درجة حرارة الغاز ثابتة. وخلال عملية الشحن، تعني التشغيل المتساوي الحرارة أن الغاز يُضغط ببطء كافٍ بحيث تتب рассى كل الحرارة الناتجة عن الانضغاط بالكامل. أما العملية الأدياباتية فتصف حالة تشغيل المخزّن عندما تتغير درجة حرارة الغاز. وخلال عملية الشحن، تعني العملية الأدياباتية أن الغاز يُضغط بسرعة كبيرة لدرجة أن كل الحرارة الناتجة تُحتفظ داخله.

للمخزّن السائل/الغازي الذي يُشحن إلى نفس الضغط، تسمح العملية المتساوية الحرارة بتخزين كمية أكبر من الزيت مقارنةً بالعملية الأدياباتية.

مثال عددي: يكون ضغط الغاز في مُجمِّع المكبس في البداية ٥٠٠ رطل/بوصة² (٣٤,٤٨ بار) ودرجة الحرارة ٧٠°ف (٢١°م). وإذا تم شحنه حتى ضغط ١٠٠٠ رطل/بوصة² (٦٨,٩٧ بار) عبر عملية أدياباتية (سريعة)، فإن درجة الحرارة والضغط يرتفعان معًا. وعند ضغط ١٠٠٠ رطل/بوصة² (٦٨,٩٧ بار)، يتوقف تدفق الزيت إلى المُجمِّع، وتكون درجة الحرارة ١٥٠°ف (٦٥,٦°م)، ويحتوي المُجمِّع على ١٣٥ بوصة³ (٢٢١٥,٦٥ سم³) من الزيت. أما إذا تم شحنه بشكل أيزوثيرمي (بطيء)، فتبقى درجة الحرارة ثابتة عند ٧٠°ف (٢١°م) طوال العملية؛ وعند ضغط ١٠٠٠ رطل/بوصة² (٦٨,٩٧ بار)، يتوقف تدفق الزيت، ويحتوي المُجمِّع على ١٥٠ بوصة³ (٢٤٥٨,٥ سم³) من الزيت.

الشكل ٨-١٢: الشحن الأيزوثيرمي مقابل الشحن الأدياباتي. فالشحن البطيء (الأيزوثيرمي) يخزن كميةً أكبر من الزيت مقارنةً بالشحن السريع (الأدياباتي) عند نفس الضغط النهائي، لأن درجة الحرارة تبقى أقل، وبالتالي يشغل الغاز حيّزًا أصغر.

التفريغ الأيزوثيرمي والأدياباتي

أثناء تصريف الزيت، يتمدد الغاز ويبرد. وعند ضغط ثابت، يشغل الغاز الأبرد حيزًا أقل من الغاز الأدفأ. وفي الواقع، تكون عملية تشغيل المكثِّف عادةً أدياباتية — وليس إيزوثيرمية. وفي الأقسام التالية، لا يُركَّز الاهتمام أساسًا على كمية الزيت التي يمكن أن يخزنها المكثِّف، بل على كمية الزيت التي يُخرِجها قبل أن ينخفض الضغط إلى مستوى أقل، وهي كمية تتأثر تأثرًا كبيرًا بضغط ما قبل الشحن.

ضغط ما قبل الشحن

عندما يكون المكثِّف فارغًا تمامًا من الزيت، فإن ضغط الغاز الذي يُحقن في مكثِّف السائل/الغاز يُسمى ضغط ما قبل الشحن. ويؤثر هذا الضغط تأثيرًا كبيرًا على الحجم الفعّال وأداء امتصاص الصدمات للمكثِّف.

تأثير ضغط ما قبل الشحن على الحجم الفعّال

تُستخدم مكثفات السوائل/الغاز لإنتاج تدفق النظام أو الحفاظ على الضغط، وعادةً ما تعمل ضمن نطاق الضغوط التشغيلية القصوى والدنيا. وعند شحن المكثف بالزيت بالكامل، يصل إلى أقصى ضغط تشغيلي. وعند الحاجة إليه، ينخفض الضغط التشغيلي، فيطلق المكثف الزيت حتى يصل إلى أدنى ضغط تشغيلي مسموح به. ويُعرف حجم الزيت الذي يُخرجه المكثف بين أقصى وأدنى ضغط تشغيلي بالحجم الفعّال.

يؤثر ضغط التحميل الأولي على الحجم الفعّال. فعلى سبيل المثال: يستخدم مكثف سائل/غاز سعته ٢٣١ بوصة مكعبة (٣٧٨٦ سم³) في نظامٍ ما مضخّة صغيرة لشحن الزيت حتى يصل إلى ضغط النظام المقدّر بـ ٢٠٠٠ رطل لكل بوصة مربعة (١٣٧,٩ بار). ولتوفير التدفق، يُسمح للضغط بالانخفاض إلى ١٥٠٠ رطل لكل بوصة مربعة (١٠٣,٤ بار). ويحدّد ضغط التحميل الأولي المختار كمية الزيت التي يزوّد بها المكثف النظام.

من جدول الأداء، يمكن لخزان التخزين ذي السعة 231 بوصة مكعبة (3,786 سم³) مع ضغط ما قبل الشحن المقداره 100 رطل/بوصة مربعة (6.89 بار) أن يخزن 210 بوصة مكعبة (3,441.9 سم³) من الزيت عند شحنة إيزوثيرمية بضغط 1,000 رطل/بوصة مربعة (الحد الأعلى = القيم الإيزوثيرمية). وعند ضغط 1,500 رطل/بوصة مربعة (103.4 بار)، يخزن 202 بوصة مكعبة (3,310.8 سم³)، مما يُوفِّر 8 بوصات مكعبة (131 سم³) بين الضغطين. ويُخزِّن خزان التخزين ذا ضغط ما قبل الشحن المنخفض كمية كبيرة من الزيت، لكنه يُوفِّر كمية ضئيلة جدًّا منه.

وبزيادة ضغط ما قبل الشحن إلى 1,000 رطل/بوصة مربعة (68.96 بار)، يخزن خزان التخزين 93 بوصة مكعبة (1,524.3 سم³) عند ضغط 2,000 رطل/بوصة مربعة (137.9 بار) و59.5 بوصة مكعبة (975 سم³) عند ضغط 1,500 رطل/بوصة مربعة (103.4 بار)، مما يوفِّر 33.5 بوصة مكعبة (594.1 سم³). وبذلك، فإن ارتفاع ضغط ما قبل الشحن يؤدي إلى تخزين كمية أقل من الزيت، لكنه يوفِّر كمية أكبر بكثير منه. أما عند ضغط ما قبل الشحن البالغ 1,400 رطل/بوصة مربعة (96.6 بار)، فإن كمية الزيت المخزَّنة تكون أدنى ما يمكن، بينما تكون كمية الزيت المُوفَّرة في المقابل أعلى ما يمكن.

الشكل ٨-١٣: جدول أداء خزان التخزين (سعة 231 بوصة مكعبة). فكلما زاد ضغط ما قبل الشحن، زادت كمية الزيت المُوفَّرة في كل دورة ضمن حدود الضغط المُعطاة، لكن الكمية الإجمالية المخزَّنة من الزيت تقل. ولذلك، يجب اختيار ضغط ما قبل الشحن استنادًا إلى الحجم الفعّال المطلوب، وليس استنادًا إلى السعة الإجمالية.

التحكم في إخراج الحجم الفعّال

يجب التحكم في إخراج الحجم الفعّال لمُجمِّع السوائل/الغاز بواسطة التدفق. وللحفاظ على الضغط، يُحدَّد التدفق المُتحكَّم فيه وفقًا للتسرب الذي يتطلّب التعويض عنه. أما بالنسبة للمُجمِّعات المستخدمة لتزويد الزيت تحت ضغط، فإن إخراج الحجم الفعّال يكون سريعًا جدًّا عند تغيُّر صمام التوجيه المنخفض في الدائرة. ولذلك، غالبًا ما تكون هذه المُجمِّعات مزوَّدة بصمامات تحكم في التدفق وصمامات تفريغ أحادية الاتجاه على منافذ الدخل/الخرج الخاصة بها.

عند استخدام مُجمِّع السوائل/الغاز كمогَّز اهتزازي، فإن الشحنة الأولية (Precharge) تُضبط عمومًا عند قيمة تزيد قليلًا عن أقصى ضغط تشغيلي في الدائرة (وتُضبط عادةً عند حوالي ١٠٠ رطل/بوصة مربعة أو ٦,٨٩٦ بار فوق أقصى ضغط تشغيلي، أي فوق قيمة ضبط صمام التفريغ). وإذا كان أقصى ضغط تشغيلي مُحدَّدًا بواسطة صمام التفريغ، فيمكن ضبط الشحنة الأولية عند قيمة تزيد حوالي ١٠٠ رطل/بوصة مربعة عن قيمة ضبط صمام التفريغ.

أثر الشحنة الأولية على امتصاص الصدمات

يؤثر ضغط ما قبل الشحن في مُجمِّع السوائل/الغاز على قدرته على امتصاص الصدمات. وفي النظام الهيدروليكي، تنتج الصدمة عن القوى الميكانيكية الخارجية المؤثرة على الأسطوانة أو المحرك، مما يؤدي إلى ارتفاع سريع في الضغط، أو ناتجة عن عطالة السائل عند إغلاق صمام هيدروليكي فجأة.

يمكن لمُجمِّع أن يمتص الجزء من زيت الضغط الناتج عن الصدمة الذي يمكن ضغطه ونقله. ويصبح الخط المزود بمُجمِّع قابلاً للانضغاط عند ضغط معين. فإذا كان ضغط ما قبل الشحن منخفضاً جداً، فإنه يخزن بالفعل كميةً من الزيت قبل وصول الصدمة، وبالتالي لا يمكنه امتصاص سوى ٤ بوصة مكعبة (٦٥,٦ سم³). أما إذا كان ضغط ما قبل الشحن ٢٥٠٠ رطل/بوصة مربعة (١٧٢,٤ بار) — أي مرتفعاً جداً — فإن الضغط يرتفع إلى نحو ٢٨٠٠ رطل/بوصة مربعة (١٩٣ بار) قبل امتصاص ٤ بوصة مكعبة. ولواقيات الصدمات، يكتسب ضغط ما قبل الشحن أهميةً بالغة.

فقدان ضغط ما قبل الشحن

يتم شحن مُجمِّع السوائل/الغازات بالغاز إلى ضغط ما قبل الشحن المناسب مرة واحدة فقط. وهذا يعني أنه لا يمكن الحفاظ على نفس ضغط ما قبل الشحن بشكل دائم. وعند تشغيل المُجمِّع، يتسرب الغاز المضغوط عبر صمام الغاز — وقد يحدث ذلك بسبب عطل في صمام الغاز أو سوء إغلاقه، أو بسبب مشكلة في جلوس الجزء المدبب من قلب الصمام داخل مقعد الصمام. كما ينخفض ضغط الغاز تدريجيًّا أثناء تصريف الزيت في المُجمِّعات ذات الكيس المطاطي (Bladder) والغشاء المطاطي (Diaphragm) — ويحدث هذا عادةً بشكل كارثي، ما يؤدي إلى تمزق مادة الغشاء المطاطي الاصطناعي. أما في المُجمِّعات ذات المكبس (Piston)، فيمكن للغاز المشحون أن يتسرب أثناء عملية التصريف عبر الأختام البالية من منطقة المكبس. والانخفاض التدريجي في ضغط ما قبل الشحن قد يشير إلى وجود مُجمِّع من نوع المكبس يعاني من درجة معينة من التآكل.

فحص ضغط ما قبل الشحن

إن ضغط ما قبل الشحن الصحيح أمرٌ بالغ الأهمية لأداء وحدة التخزين السائلة/الغازية، ولذلك يجب فحصه بانتظام. ويُحتاج إلى جهاز شحن مزوَّد بمقياس ضغط للتحقق من ضغط ما قبل الشحن. ويتكون هذا الجهاز أساسًا من قابض شحن، وصمام تفريغ، ومقياس ضغط.

خطوات الفحص: قم بتفريغ كل الزيت من وحدة التخزين، ثم أزل الغطاء الواقي (عادةً ما يكون موجودًا على صمام الغاز في الجزء العلوي). وعند سحب مقبض القابض بالكامل، تأكَّد من أن صمام التفريغ مغلق. وصل قابض الشحن بصمام غاز وحدة التخزين، وشَدِّ صامولة الجناح الخاصة بالقابض لضمان اتصال موثوق بصمام الغاز. ثم دوِّر المسمار الخاص بالقابض حتى يضغط تمامًا على نواة صمام غاز وحدة التخزين؛ وبعد ذلك اقرأ قيمة الضغط الظاهرة على مقياس الضغط — وهذه هي قيمة ضغط ما قبل الشحن لوحدة التخزين.

إذا كانت عملية ما قبل الشحن صحيحة، قم بتدوير مقبض الحامل للخارج لإغلاق صمام غاز المكثف، وافتح صمام التصريف لتفريغ ضغط جهاز الشحن، وافكّ صامولة الجناح الخاصة بالحامل، وأزل الجهاز من المكثف، ثم أعد تركيب الغطاء الواقي لصمام الغاز.

إذا كانت قيمة ما قبل الشحن مرتفعة جدًّا، فافتح صمام التفريغ لتصريف الضغط الزائد. وإذا احتجت إلى زيادة قيمة ما قبل الشحن، فقم أولًا بسحب مقبض القابض لإغلاق صمام غاز المكثِّف، ثم افتح صمام التفريغ لتخفيف الضغط عن جهاز الشحن، وبعد ذلك أغلق صمام التفريغ، ووصِّل جهاز الشحن بأسطوانة النيتروجين. ثم قم بتدوير مقبض القابض للداخل لضغط نواة صمام غاز المكثِّف تمامًا، وافتح صمام أسطوانة النيتروجين للسماح بدخول الغاز تدريجيًّا إلى المكثِّف. وعندما يُظهر المقياس الضغط المطلوب، أغلق صمام الغاز. وبمجرد أن يُظهر المقياس قيمة ما قبل الشحن الصحيحة، أغلق صمام أسطوانة النيتروجين، واسحب مقبض القابض لإغلاق صمام غاز المكثِّف، وافتح صمام التفريغ، ثم افصل أنبوب الشحن المرن وجهاز الشحن.

الشكل ٨-١٥: فحص ضبط قيمة ما قبل شحن المكثِّف. (أعلى) تسبِّب ختمات المكبس البالية فقدانًا تدريجيًّا لقيمة ما قبل الشحن. (أسفل) مجموعة شحن النيتروجين القياسية — استخدم دائمًا النيتروجين الجاف، ولا تستخدم أبدًا الهواء المضغوط.

تفريغ مضخة هيدروليكية في دائرة مكثف

في دائرة هيدروليكية نموذجية تحتوي على مكثف، وعندما يكون المكثف مشحونًا بالكامل ولا يعمل أي جزء من النظام، يجب تفريغ تدفق المضخة/المحرك إلى الخزان بأقل ضغط ممكن. وفي الدائرة الموضّحة، تُستخدم صمام تفريغ لهذا الغرض. وبمجرد أن يشحن المكثف حتى ضغط فتح صمام التفريغ، يفتح الصمام ويوجّه تدفق المضخة إلى الخزان.

عادةً ما يمكن أن يستمر هذا النوع من التفريغ لبضع ثوانٍ فقط، لأن هناك دائمًا تسربًا ما في الجزء اللاحق من صمام الاختيار. ويجب أن يعوّض المكثف هذا التسرب — وبالتالي ينخفض الضغط تدريجيًّا — ويبدأ صمام التفريغ في الإغلاق التدريجي، وتتقلص فتحة التوصيل إلى الخزان أكثر فأكثر، حتى ينخفض ضغط المكثف دون ضغط فتح الصمام. وعندما يغلق الصمام، يجب أن تولّد المضخة/المحرك طاقة أكبر لإعادة شحن المكثف حتى يصل إلى ضغط فتح صمام التفريغ.

لضمان تفريغ المضخة/المحرك بالكامل قبل إعادة شحن المجمع، يمكن استخدام مفتاح ضغط. وفي الدائرة، يقوم مفتاح الضغط باستشعار ضغط المجمع وإرسال إشارة كهربائية للتبديل عند نقطة ضغط مُحدَّدة. وتنتقل الإشارة الكهربائية إلى صمام كهرومغناطيسي ثنائي الاتجاه مغلق عادةً — ويمكن لهذا الصمام الكهرومغناطيسي التحكم في صمام أمان يعمل بواسطة قيادة فرعية لتفريغ النظام. وعندما يرتفع ضغط المجمع إلى قيمة ضغط مفتاح الضغط المُعدَّة مسبقًا، يرسل المرحل إشارةً إلى الصمام الكهرومغناطيسي لتفريغ صمام الأمان وتوجيه تدفق المضخة/المحرك إلى الخزان عبر صمام الأمان.

الشكل ٨-١٦: دوائر تفريغ المجمع. (أعلى) صمام تفريغ بسيط — يُفرِّغ إلى الخزان عندما يصل ضغط المجمع إلى القيمة المُحدَّدة، لكنه يميل إلى التكرار الدوري. (أسفل) مفتاح ضغط مع صمام أمان يعمل بواسطة قيادة فرعية — يضمن التفريغ الكامل والتحكم الدقيق في نطاق الضغط.

صمام تفريغ ذي فرق ضغط

بعد شحن المكثف، يمكن لصمام التفريغ ذي الفرق في الضغط أن يحل محل مفتاح الضغط والصمام الكهرومغناطيسي لتفريغ صمام التفريغ وتفريغ المضخة/المحرك. ويُعد صمام التفريغ ذا الفرق في الضغط صمامًا هيدروليكيًّا مصمَّمًا خصيصًا لتطبيقات المكثفات. وكما يوحي اسمه، يستخدم هذا الصمام فرق الضغط لتفريغ المضخة/المحرك.

البناء

يتكون صمام التفريغ ذا الفرق في الضغط من صمام تفريغ يعمل بالقيادة بواسطة الصمام القيادي، وصمام الاختيار، وساق تفاضلية، جميعها مجمَّعة داخل جسم صمام واحد. ويحتوي جسم الصمام على ثلاثة منافذ: منفذ الضغط، ومنفذ الإرجاع، ومنفذ المكثف.

طريقة العمل

داخل صمام التفريغ ذي الفرق في الضغط، يعمل صمام الاختيار وصمام التخفيف المُدار بواسطة الصمام التوجيهي بشكل طبيعي. ويمكن لزيت مخرج المضخة أن يملأ الخزان الهيدروليكي عبر صمام الاختيار. ويقع المكبس التفاضلي مقابل عمود صمام التخفيف التوجيهي ويمكنه التحرك بحرية داخل أسطوانته. وتتعرض طرفَّا المكبس للمساحة نفسها من الضغط. وعندما يتم شحن الخزان الهيدروليكي، يكون الضغط على جانبي المكبس متساويًا تقريبًا (مع تجاهل انخفاض الضغط عبر صمام الاختيار)، وبالتالي لا يتحرك المكبس. وعندما يصبح الضغط المؤثر على عمود الصمام التوجيهي كافيًا، يُدفع العمود بعيدًا عن مقعده — وكما هو معروف مسبقًا، فإن هذا التحرك التوجيهي يمكن أن يحدّ من الضغط داخل تجويف نابض الصمام الرئيسي. وبما أن تجويف نابض الصمام الرئيسي وطرف المكبس التفاضلي مرتبطان بقيود ضغطية، فإن المكبس يتحرك نحو عمود الصمام التوجيهي، ما يؤدي إلى دفع العمود بعيدًا تمامًا عن مقعده، وبالتالي يُفقد الضغط التحكّمي في تجويف نابض العمود الرئيسي، فيتم تفريغ صمام التخفيف، ويتم تفريغ المضخة/المحرك. وفي الوقت نفسه، يُغلق صمام الاختيار تلقائيًّا لمنع تصريف زيت الخزان الهيدروليكي عبر صمام التخفيف.

مساحة المكبس التفاضلي المعرضة للضغط أكبر بنسبة 15% من مساحة ساق صمام التحكم الرئيسي. وبما أن القوة تساوي الضغط مضروبًا في المساحة، فإن القوة التي تحافظ على ساق صمام التحكم الرئيسي بعيدًا عن مقعده تكون أكبر بنسبة 15% من القوة التي ترفع ساق صمام التحكم الرئيسي. وهذا يعني أن النابض يجب أن يتلقى قوةً تفوق 15% من مصدرٍ آخر لإعادة تثبيت ساق صمام التحكم الرئيسي في مقعده — أو يجب أن ينخفض ضغط النظام بنسبة 15% قبل أن يمكن إعادة تثبيت ساق صمام التحكم الرئيسي في مقعده.

وهذا يضمن أن صمام التفريغ ذا الفرق في الضغط يحافظ على المضخة/المحرك في حالة التفريغ بعد شحن المُجمِّع حتى ينخفض الضغط بنسبة ثابتة — وعادةً ما تكون هذه النسبة حوالي 15% من إعداد ضغط صمام التحكم الرئيسي. فعلى سبيل المثال، عند ضبط صمام التحكم الرئيسي عند 1000 رطل/بوصة مربعة (69 بار)، يحدث التفريغ في النطاق القياسي بين 1000 رطل/بوصة مربعة (69 بار) و850 رطل/بوصة مربعة (59 بار)؛ أما عند ضبط صمام التحكم الرئيسي عند 2000 رطل/بوصة مربعة (138 بار)، فإن نطاق التفريغ يكون بين 2000 رطل/بوصة مربعة (138 بار) و1700 رطل/بوصة مربعة (117 بار).

الأسطوانة الهيدروليكية — البناء التفصيلي والتشغيل

في أي تطبيق، ولإنجاز عمل مفيد بواسطة الطاقة الهيدروليكية، يجب تحويلها إلى طاقة ميكانيكية. وتقوم الأسطوانات الهيدروليكية بتحويل الطاقة الهيدروليكية إلى حركة ميكانيكية خطية.

بناء الأسطوانة

تتكوّن الأسطوانة الهيدروليكية من جسم أسطواني (برميل)، وبiston متحرك مزوَّد بأطواق ختم مرنة متصلة بقضيب المكبس، وغطاءين طرفيين. ويمكن تثبيت الغطاءين الطرفيين على البرميل بطريقة التوصيل بالخيوط أو بالشفّة أو بالسحب أو باللحام. وتستخدم الأسطوانات الهيدروليكية الصناعية عادةً وصلات قضيب المكبس المثبتة بالمسامير. وعندما يتحرك قضيب المكبس، يُشار إليه باسم «مجموعة ختم قضيب المكبس» أو «حلقة توجيه قابلة للفصل» التي تقوم بتوجيه ودعم قضيب المكبس.

يُسمّى الطرف الذي يحتوي على قضيب المكبس بـ«طرف القضيب»؛ أما الطرف الآخر الذي لا يحتوي على قضيب فيُسمّى بـ«الطرف الأعمى». وتوجد منافذ الدخول والخروج على غطائي طرفي القضيب والطرف الأعمى.

خواتم الإحكام

لضمان التشغيل السليم، يجب أن تكون أختام التوجيه الخاصة بالكبس والقضيب الكابسي في الأسطوانة الهيدروليكية موثوقةً تمامًا. ومن الأختام الشائعة المستخدمة في كوابس الأسطوانات الهيدروليكية: الأختام الشفوية، وحلقات الكبس المصنوعة من الحديد الزهر، أو وحدات الأختام أحادية الاتجاه أو ثنائية الاتجاه. ويجب التأكد من توافق مواد الأختام ومكوناتها مع سائل التشغيل والظروف التشغيلية.

إن ختم القضيب الكابسي متعدد الطبقات هو نوعٌ فعّالٌ من أختام القضيب الكابسي، ويتكوّن من ختم رئيسي يمتلك سطح ختم داخلي على شكل شفة، ومسحّة تتلامس باستمرار مع سطح القضيب الكابسي أثناء التشغيل وتزيل زيت التشغيل من سطحه. أما الختم الثانوي المقاوم للغبار فيجمع الزيت المتبقي الذي تركه الختم الرئيسي، وعند انكماش القضيب الكابسي يقوم بمسح أي أجسام غريبة عالقة على سطحه.

تصريف تجويف الختم

كما ورد أعلاه، يمكن أن يعود الزيت المتراكم في التجويف بين الختم الرئيسي وختم الغبار إلى فتحة الأسطوانة أثناء حركة الانسحاب — وهذا أمرٌ طبيعي. ومع ذلك، إذا كانت حركة الأسطوانة طويلة جدًّا (10 أقدام / 3.05 متر أو أكثر)، فقد يكون كمية الزيت المتراكمة في تجويف الختم كافية لتتجاوز سعة ختم قضيب المكبس. وفي هذه الحالة، وعند وجود زيت زائد في تجويف الختم، يجب تزويد تجويف ختم قضيب المكبس باتصال تصريف خارجي.

الشكل 8-18: تفاصيل تركيب الأسطوانة. ويحتوي غطاء طرف القضيب على مجموعة أختام قضيب المكبس. أما بالنسبة للأسطوانات ذات الحركة الطويلة، فيُضاف منفذ تصريف لمنع الزيت من إغراق الختم.

الصدم الهيدروليكي

عندما تدفع الطاقة الهيدروليكية مكبس الأسطوانة نحو نهاية الحركة (نهاية سفر الأسطوانة)، تتحول القصور الذاتي للزيت إلى صدم — ما يُعرف بـ«الصدم الهيدروليكي». وإذا كانت هذه الطاقة كبيرة بما يكفي، فقد يتسبب هذا الصدم في تلف الأسطوانات الهيدروليكية.

جهاز التخميد

لحماية الأسطوانات الهيدروليكية من الصدمات المفرطة، يمكن تركيب أجهزة امتصاص الصدمات. ويمكن لأجهزة امتصاص الصدمات إبطاء حركة مكبس الأسطوانة عند اقترابه من نهاية السكتة. ويمكن تركيب أجهزة امتصاص الصدمات في أحد طرفي الأسطوانة الهيدروليكية أو في كلا الطرفين.

تركيب جهاز امتصاص الصدمات

يتكون جهاز امتصاص الصدمات من صمام إبرة للتحكم في التدفق وسهم امتصاص صدمات مثبت على الطرف الأعمى للمكبس، بالإضافة إلى غلاف امتصاص صدمات مثبت على عمود المكبس. وتؤدي هذه الأجهزة دور السدادات عند كل طرف.

كيف يعمل جهاز امتصاص الصدمات

عندما يقترب مكبس الأسطوانة الهيدروليكية من نهاية الشوط، يُغلق مسمار التخميد أو غلاف التخميد المخرج العادي للزيت. وهذا يجبر الزيت على التدفق عبر صمام الإبرة فقط. ويتسرب جزء من زيت الضغط المُضبط عند صمام التفريغ عبر صمام الإبرة. أما التدفق المتبقي الذي يمر عبر صمام الإبرة فيحدد معدل تباطؤ الأسطوانة. وتحدد ضبطية صمام الإبرة معدل تباطؤ المكبس. وفي الشوط العائد، يدخل التدفق إلى الأسطوانة عبر صمام الاختيار الوحيد (غير الموضح في الرسم) ليتجاوز صمام الإبرة، وبالتالي لا يتأثر السرعة العكسية.

تعديل الشوط

في بعض الأحيان، يجب تحديد طول شوط الأسطوانة الهيدروليكية بواسطة تحكم خارجي. ويمكن تحقيق ذلك بتثبيت برغي توقف يمكن لفه داخل الأسطوانة أو خارجها على جسم الأسطوانة، مما يسمح بضبط طول الشوط مسبقًا. ويجب التحقق من أي نوع من أجهزة ضبط الشوط وفقًا لمتطلبات قوة التوقف والاصطدام والتأثير والآثار البُعدية.

الشكل ٨-١٩: وسائد الأسطوانة، ومُعدِّلات السكتة (المسافة)، وأنماط التثبيت، وأنواع الأحمال. وتُستخدم الوسائد لحماية الأسطوانة عند نهاية السكتة؛ بينما يُحدِّد نمط التثبيت مدى كفاءة الأسطوانة في تحمل حمولتها.

أنماط تثبيت الأسطوانات الهيدروليكية

تتوفر للأسطوانات الهيدروليكية العديد من أنماط التثبيت، ومنها: الألواح المفلنجية (Flanges)، والمحوران الدورانيان (Trunnions)، وتثبيتات الجوانب بواسطة المسامير (Side-lug mounts)، والبراغي المحورية (Centerline screws)، والحلقات المزدوجة ذات المسامير الجانبية (Double lug rings)، والقضبان الواصلة (Tie-rods)، وتثبيتات اللحام (Weld mounts). وتُعَدُّ تثبيتات المركز الجانبي (Center-lug mounts) أو تثبيتات اللحام (Weld mounts) تصميمًا ممتازًا جدًّا لأنها تؤدي إلى أقل درجة ممكنة من عدم انتظام تشغيل الأسطوانة.

الحركة الميكانيكية

يمكن للأسطوانات الهيدروليكية تحويل الطاقة الهيدروليكية إلى حركة ميكانيكية خطية أو مستقيمة. ومع ذلك، وبسبب اختيار الروابط الميكانيكية، يمكن لهذه الأسطوانات أيضًا توفير أنواع عديدة مختلفة من الحركات الميكانيكية.

أنواع الأحمال

يمكن للأسطوانات الهيدروليكية تحريك أنواع عديدة من الأحمال في تطبيقات متنوعة. وبشكل عام، تُسمَّى الأحمال التي تدفعها قضيب المكبس «أحمال دفع»، بينما تُسمَّى الأحمال التي تسحبها قضيب المكبس «أحمال سحب».

أنبوب التوقف

أنبوب التوقف هو غلاف معدني صلب يتم تركيبه على قضيب المكبس. وعندما يكون قضيب المكبس في الأسطوانة ذات السكتة الطويلة ممدودًا بالكامل، فإن أنبوب التوقف يفصل بين المكبس والغلاف التوجيهي بمسافة معينة. أما الغلاف التوجيهي لقضيب المكبس فهو عنصر احتكاك (محمل) يدعم قضيب المكبس أثناء تشغيل الأسطوانة، وقد صُمم ليتحمل حملاً معينًا. ويُعتبر الغلاف التوجيهي لقضيب المكبس — بالإضافة إلى كونه عمودًا — نقطة تحميل لقضيب المكبس أيضًا. وفي حالة الأسطوانات ذات السكتة الطويلة المتصلة بالأحمال، فإن قضيب المكبس الذي لا يمتلك دليلًا صلبًا يميل إلى الانحناء أو الهبوط عند امتداده الكامل، وقد يحدث انحناءٌ عند مستوى الغلاف التوجيهي، ما يؤدي إلى تحميل جانبي يُلحق الضرر بالغلاف التوجيهي لقضيب المكبس.

تتمثل وظيفة أنبوب التوقف في فصل المكبس والغلاف التوجيهي بمسافة معينة عند امتداد قضيب المكبس بالكامل، مما يقلل من الحمل الواقع على الغلاف التوجيهي لقضيب المكبس.

أنواع الأسطوانات

تتوفر الأسطوانات الهيدروليكية بأنواع عديدة. وفيما يلي بعض الأنواع الشائعة منها؛ وسيظهر بعضها أيضًا في دوائر التطبيقات المحددة في الدروس اللاحقة.

• أسطوانة ذات قضيب واحد: الأسطوانة بها قضيب مكبس يمتد من طرف واحد فقط.
• أسطوانة ذات قضيبين: الأسطوانة بها مكبس واحد وقضيب مكبس يمتد من كلا الطرفين.
• أسطوانة ثنائية التصرف: في هذا النوع، تؤثر الضغوط الهيدروليكية بالتناوب على جانبي مكبس الأسطوانة، مما يؤدي إلى امتداد وانكماش قضيب المكبس.
• أسطوانة تلسكوبية: جسم الأسطوانة يحتوي على أقسام متداخلة متعددة يمكنها توفير سكتة طويلة من طول مُجَمَّع قصير.
• أسطوانة ترادفية: تتكون الأسطوانة من أسطوانتين أو أكثر متصلة على التوالي. وتتصل قضبان المكابس معًا لتكوين قضيب مكبس مشترك. وتُركَّب ختمات قضيب المكبس بين الأسطوانات، ما يسمح لكل أسطوانة بالعمل كأسطوانة ثنائية التصرف.
• أسطوانة مزدوجة: تتكون الأسطوانة من برميلين على الأقل، ما يسمح لكل أسطوانة بالعمل كأسطوانة ثنائية التصرف.

الشكل ٨-٢٠ أنواع الأسطوانات الهيدروليكية. ويُعد كل نوع منها مناسباً لتطبيق معيّن: الأسطوانة التلسكوبية للسكتة الطويلة في المساحة المحدودة، والأسطوانة المتداخلة (التاندم) لتحقيق قوة عالية في قطر أسطواني محدود، والأسطوانة ذات القضيب المزدوج لتحقيق قوة/سرعة متساوية في كلا الاتجاهين.

عملية الأسطوانة ذات التأثير المزدوج وقضيب واحد

يُعَدُّ النوع الأكثر شيوعاً في الأنظمة الهيدروليكية الصناعية هو الأسطوانة ذات التأثير المزدوج وقضيب واحد. وللهذا النوع، تشمل النقاط الرئيسية التي يجب الانتباه إليها معدل التدفق المسموح به بالغالون لكل دقيقة (جِلم) والضغط المسموح به بالرطل لكل إنش مربع (.psi)، بالإضافة إلى القوة الميكانيكية الناتجة والحركة الخطية لقضيب المكبس.

مساحة المكبس ومساحة المكبس الفعّالة

تُناقَش مساحة المكبس ومساحة المكبس الفعّالة عادةً فيما يخص الأسطوانات ذات التأثير المزدوج وقضيب واحد. وتشير مساحة المكبس الكبيرة إلى المساحة الكاملة لمقطع المكبس العرضي المعرّض للضغط عند الطرف الأعمى للأسطوانة (الجانب الخالي من القضيب). أما المساحة الصغيرة الفعّالة (المساحة الحلقيّة) فهي تلك الجزء من مساحة المكبس المعرّض للضغط على جانب القضيب، وذلك لأن قضيب المكبس يحتل جزءاً من مساحة المكبس. وبالتالي، تكون المساحة الصغيرة الفعّالة عموماً أقل من المساحة الكبيرة.

سرعة امتداد قضيب المكبس

يتحدد معدل امتداد عمود المكبس في الأسطوانة الهيدروليكية وفقًا لسرعة ملء السائل لطرف الأسطوانة الأعمى. ويُعبَّر عن سرعة عمود المكبس عادةً بوحدة القدم/دقيقة أو المتر/دقيقة.

مثال: أسطوانة مساحة مكبسها ١٠ بوصة² (٦٤,٥ سم²) تتلقى تدفقًا قدره ٥ غالون/دقيقة (١٨,٩٥ لتر/دقيقة). إذن سرعة العمود = (٥ × ١٩,٢٥) ÷ ١٠ = ٩,٦٣ قدم/دقيقة (٤٩ ملم/ثانية). وبمضاعفة التدفق إلى الضعف (١٠ غالون/دقيقة أو ٣٧,٩ لتر/دقيقة)، تزداد سرعة العمود إلى الضعف لتصل إلى ١٩,٢٥ قدم/دقيقة (٩٧,٣٣ ملم/ثانية).

سرعة انقباض عمود المكبس

أثناء انقباض عمود المكبس، يدخل التدفق إلى طرف العمود. وبمعدل تدفق داخلي ثابت، تكون سرعة الانقباض أسرع من سرعة الامتداد — ويجب استخدام مساحة المكبس الصغيرة (الحلقية) في المعادلة.

مثال: تدفق قدره ١٠ جالون لكل دقيقة (٣٨ لترًا/دقيقة) يدخل الطرف المُزوَّد بالقضيب لأسطوانة مساحتها الكبيرة ١٠ بوصة مربعة (٦٥ سم²) ومساحتها الصغيرة ٨ بوصة مربعة (٥٢ سم²). سرعة الانكماش = (١٠ × ١٩,٢٥) ÷ ٨ = ٢٤,٠٦ قدم/دقيقة (٠,١٢ متر/ثانية).

وبنفس معدل التدفق الداخل، تنكمش الأسطوانة المزدوجة التأثير ذات القضيب الواحد أسرع مما تمتد به.

تدفق التصريف أثناء الانكماش

أثناء الانكماش، يدخل التدفق إلى طرف القضيب ويخرج من الطرف العمي (الجانب المقابل للقضيب). ويتعدى تدفق التصريف تدفق الإدخال — ويمكن حسابه باستخدام نفس المعادلة المستخدمة لحساب الجالون/دقيقة (لتر/دقيقة)، لكن مع استخدام مساحة المكبس الكبيرة. مثال: تدفق داخلي قدره ١٠ جالون/دقيقة إلى طرف القضيب بسرعة ٢٤,٠٦ قدم/دقيقة: التدفق الخارجي = (٢٤,٠٦ × ١٠) ÷ ١٩,٢٥ = ١٢,٥ جالون/دقيقة (٤٦ لتر/دقيقة).

العوامل المؤثرة في القوة الناتجة عن الأسطوانة

كما هو موضح، فإن القوة الناتجة عن الأسطوانة الهيدروليكية هي دالة على الضغط الهيدروليكي المؤثر على مساحة المكبس داخل الأسطوانة. وإذا كانت أسطوانة معينة بحاجة إلى توليد قوة خرج أكبر من أقصى قوة خرج متاحة حاليًا، فإن ذلك غالبًا ما يتطلب رفع الضغط إلى مستوى يتناسب طرديًّا مع هذه القوة المطلوبة. وفي بعض الحالات، لا تسمح ضغوط النظام وحجم الأسطوانة باستخدام أسطوانة أكبر — وهنا يمكن للأسطوانة الترادفية أن تحل هذه المشكلة.

دائرة الأسطوانة الترادفية

تتكوّن الأسطوانة الترادفية من أسطوانتين أو أكثر متصلة على التوالي. وتتصل قضبان المكابس معًا لتشكّل قضيب مكبس مشترك واحد. وتسمح الختمات الخاصة بقضيب المكبس بين الأسطوانات لكل أسطوانة بالعمل ثنائي الاتجاه (ثنائية الفعل). وعندما يكون حجم الأسطوانة مقيدًا بسبب المساحة المتاحة وحجم الجهاز، فإنه يمكن الحصول على نفس القوة الميكانيكية الخارجة حتى عند انخفاض ضغط المضخة أو المحرك نسبيًّا.

مثال: تسمح أكبر تركيبة ماكينة بمساحة سطح مكبس تبلغ 10 بوصة مربعة (64.5 سم²). وأقصى ضغط مطلوب للتغلب على مقاومة الحمل هو 500 رطل/بوصة مربعة فقط (34.48 بار). وعند إضافة ضغط قدره 500 رطل/بوصة مربعة (34.48 بار) على الجانب ذي المساحة الفعّالة البالغة 8 بوصات مربعة (51.6 سم²) مع وجود ضغط عكسي، فإن القوة الناتجة تكون 781 رطل/بوصة مربعة (53.86 بار). وفي دائرة التوازي المزدوجة التي تحتوي على أسطوانتين، تكون كل منهما عند ضغط 500 رطل/بوصة مربعة (34.48 بار) مع مساحة قدرها 10 بوصات مربعة ومساحة فعّالة قدرها 8 بوصات مربعة، وبالتالي يكون المخرج الكلي أكبر بكثير.