شیر کنترل جهت‌دار از بدنه‌ای تشکیل شده است که دارای مسیرهای داخلی و قطعه‌ای متحرک به نام «اسپول» می‌باشد. این اسپول می‌تواند مسیرهای داخلی را به هم متصل یا مسدود کند. در بیشتر شیرهای هیدرولیک صنعتی استاندارد، اسپول از نوع استوانه‌ای است — این نوع شیر را «شیر کنترل جهت‌دار اسپولی» یا به اختصار «شیر اسپولی» می‌نامند. شیرهای اسپولی رایج‌ترین نوع شیر کنترل جهت‌دار در سیستم‌های هیدرولیک صنعتی هستند. این فصل انواع، ساختار، اصول کارکرد و روش‌های کنترل آن‌ها را توضیح می‌دهد.

شیر جهت‌دار چهارراهی

اولین نوع شیر جهت‌داری که باید در نظر گرفته شود، شیری با چهار مسیر داخلی است: یک مسیر فشار، یک مسیر بازگشت (مخزن) و دو مسیر کار. این شیر، شیر جهت‌دار چهارراهی نامیده می‌شود — که نام آن بر اساس وجود چهار مسیر متفاوت در بدنهٔ شیر انتخاب شده است. شیر جهت‌دار چهارراهی، سیلندرهای هیدرولیکی یا موتورهای هیدرولیکی را کنترل کرده و جهت حرکت آن‌ها را معکوس می‌کند.

عملکرد شیر چهارراهی در یک مدار

تمام شیرهای جهت‌دار از بدنه‌ی شیر و سوپاپ متحرک داخلی تشکیل شده‌اند. سوپاپ حداقل دو موقعیت دارد — یعنی دو موقعیت انتهایی. این دو موقعیت در نماد گرافیکی شیر جهت‌دار با دو جعبه‌ی جداگانه نشان داده می‌شوند. در هر جعبه، فلش‌ها برای نشان دادن نحوه‌ی اتصال مسیرهای داخلی بدنه‌ی شیر زمانی که سوپاپ در آن موقعیت قرار دارد، به‌کار می‌روند. هنگام نمایش شیر جهت‌دار با استفاده از نماد گرافیکی، باید هر دو جعبه به‌هم متصل شوند. هنگام قرار دادن آن در مدار، دقیقاً یکی از جعبه‌ها باید در مدار اتصال یابد. با انجام این کار، هنگام حرکت اجرایی در یک جهت، مسیر جریان داخلی در شیر جهت‌دار به‌وضوح نشان داده می‌شود. هنگامی که جعبه‌ی دیگر نماد باید جهت حرکت اجرایی در جهت مقابل را نشان دهد، کافی است آن جعبه را به‌صورت نرم و بدون جهش در مدار قرار دهید.

شیر جهت‌داری که تنها دو موقعیت سوپاپ دارد، شیر دو موقعیتی نامیده می‌شود.

شکل ۱۰-۱: شیر جهت‌دار چهارراهی. نماد دو جعبه‌ای، دو موقعیت پیستون را نشان می‌دهد. تنها یکی از جعبه‌ها در هر زمان به مدار متصل می‌شود؛ جابجایی پیستون باعث تعویض جعبه‌ی فعال می‌شود و جهت حرکت سیلندر را معکوس می‌کند.

عملکرد مدار شیر چهارراهی

وقتی پیستون در یکی از انتهای مسیر قرار دارد، مسیر فشار به مسیر کار A وصل می‌شود و مسیر بازگشت به مسیر کار B وصل می‌شود. وقتی پیستون به انتهای دیگر مسیر منتقل می‌شود، مسیر فشار به مسیر کار B وصل می‌شود و مسیر بازگشت به مسیر کار A وصل می‌شود. تغییر موقعیت انتهایی پیستون، جهت جریان روغن وارد سیلندر هیدرولیکی را تغییر داده و باعث خروج یا بازگشت میله می‌شود.

شیر جهت‌دار سه‌راهی

شیر جهت‌دار سه‌راهی دارای سه مسیر داخلی است: مسیر فشار، مسیر بازگشت و یک مسیر کار. عملکرد آن این‌گونه است که هنگامی که پیستون در یکی از موقعیت‌های انتهایی قرار دارد، مسیر کار را تحت فشار قرار می‌دهد؛ و هنگامی که در موقعیت انتهایی دیگر قرار می‌گیرد، فشار مسیر کار را برداشته و آن را خالی می‌کند. به عبارت دیگر، شیر سه‌راهی، فرآیندهای تزریق فشار و تخلیه فشار را برای یک مسیر کار تکی جابه‌جا می‌کند.

عملکرد مدار شیر سه‌راهی

شیر سه‌راهی می‌تواند اجرایی‌کننده‌های تک‌عملی مانند سیلندرهای پیستونی با بازگشت فنری را کنترل کند. در این نوع کاربردها، شیر سه‌راهی در یکی از موقعیت‌ها روغن فشاردار را به انتهای سیلندر بدون میله هدایت می‌کند؛ و هنگامی که به موقعیت دیگر منتقل می‌شود، جریان روغن به اجرایی‌کننده قطع شده و مسیر اجرایی‌کننده به مسیر بازگشت داخل بدنه شیر متصل می‌شود، بنابراین میله سیلندر می‌تواند تحت تأثیر نیروی گرانش یا نیروی فنر منقبض شود.

وقتی شیر سه‌راهه در موقعیتی قرار دارد که مسیر کار را به مسیر بازگشت متصل می‌کند، سیلندر پلانجر نصب‌شده به‌صورت عمودی می‌تواند تحت تأثیر نیروی گرانش بازگردد، در حالی که میلهٔ سیلندر با بازگشت فنری تحت نیروی فنر باز می‌شود.

در کاربردهای هیدرولیک صنعتی، شیرهای سه‌راهه به‌ندرت یافت می‌شوند. اگر عملکرد سه‌راهه‌ای مورد نیاز باشد، معمولاً از یک شیر چهارراهه با یکی از پورت‌های کار مسدودشده استفاده می‌شود.

شکل ۱۰-۳: شیر جهت‌دهندهٔ سه‌راهه کنترل‌کنندهٔ سیلندرهای تک‌عملی (با بازگشت فنری) است. در یکی از موقعیت‌ها، فشار به سیلندر وارد می‌شود؛ و در موقعیت دیگر، سیلندر به مخزن متصل می‌شود و فنر باعث بازگشت میله می‌گردد.

شیر جهت‌دهندهٔ دوطرفه

شیر جهت‌دهندهٔ دوطرفه تنها دو مسیر دارد — این دو مسیر می‌توانند توسط شیرکش (اسپول) به‌هم متصل یا از هم جدا شوند. وقتی شیرکش در یکی از موقعیت‌های انتهایی قرار دارد، مسیر جریان از طریق شیر باز است؛ و وقتی در موقعیت انتهایی دیگر قرار دارد، مسیر بسته می‌شود.

عملکرد مدار شیر دوطرفه

شیر دوطرفه جهت‌دار به عنوان یک کلید روشن/خاموش در مدار عمل می‌کند. این عملکرد در بسیاری از سیستم‌ها به‌عنوان قفل ایمنی یا برای جدا کردن و اتصال اجزای مختلف درون سیستم استفاده می‌شود.

مشخصات و رده‌بندی شیرهای جهت‌دار

شیرهای کنترل جهتی مورد استفاده در هیدرولیک صنعتی در چند اندازه اصلی موجود هستند: ۱/۴ اینچ، ۳/۸ اینچ، ۱/۲ اینچ، ۳/۴ اینچ و ۱-۱/۴ اینچ (۶٫۳۵ میلی‌متر، ۹٫۵ میلی‌متر، ۱۲٫۷ میلی‌متر، ۱۹٫۰۵ میلی‌متر و ۳۱٫۷۵ میلی‌متر). در کاربردهای صنعتی، معمولاً این شیرها بر اساس ظرفیت جریان متوسط خود و نه بر اساس اندازه دریچه‌ها رده‌بندی می‌شوند. به‌عنوان مثال، ظرفیت‌های رده‌بندی‌شده عبارتند از: ۳ تا ۱۰ گالن در دقیقه (۱۱٫۳۷ تا ۳۷٫۹ لیتر در دقیقه)، ۱۰ تا ۲۰ گالن در دقیقه (۳۷٫۹ تا ۴۵٫۴۸ لیتر در دقیقه)، ۴۰ گالن در دقیقه (۷۵٫۸ لیتر در دقیقه)، ۸۰ گالن در دقیقه (۳۰۳٫۲ لیتر در دقیقه) و ۱۶۰ گالن در دقیقه (۳۷۹ لیتر در دقیقه). در ظرفیت رده‌بندی‌شده، افت فشار از P به A یا از B به T تقریباً معادل ۴۰ پوند بر اینچ مربع (۲٫۷۶ بار) است.

سوپاپ جهت‌دار

شیر جهت‌دار چهارراهی که مشاهده کردیم، یک محور با سه بخش استوانه‌ای با قطر بزرگ است که به آن‌ها «زمین‌ها» (lands) گفته می‌شود. فاصلهٔ برابر بین این سه زمین، این محور را به‌عنوان یک محور سه‌زمینی تعریف می‌کند. اکثر شیرهای هیدرولیکی صنعتی جهت‌دار از نوع دو‌زمینی یا چهارزمینی هستند. شیرهای جریان پایین‌تر معمولاً از محورهای دو‌زمینی استفاده می‌کنند؛ در حالی که محورهای چهارزمینی در شیرهای با نرخ جریان بالاتر رایج‌ترند.

شکل ۱۰-۵: محورهای شیرهای جهت‌دار. محورهای دو‌زمینی در شیرهای کوچک‌تر رایج‌اند؛ و محورهای چهارزمینی در شیرهای بزرگ‌تر. تعداد و موقعیت زمین‌ها تعیین می‌کند که در هر موقعیت محور، کدام مسیرها به یکدیگر متصل یا قطع می‌شوند.

شیر چهارراهی با نصب روی صفحهٔ زیرین

شیر جهت‌دار چهارراهی توصیف‌شده در بالا دارای چهار پورت است. معمولاً پورت فشار و پورت بازگشت در یک سمت بدنه شیر قرار دارند، در حالی که دو پورت کار در سمت مقابل بدنه قرار می‌گیرند. این چیدمان پورت‌ها بسیار نزدیک به نماد گرافیکی شیر جهت‌دار است. برای راحتی نصب، اکثر شیرهای جهت‌دار هیدرولیک صنعتی از طرح نصب‌شده روی صفحه زیرین (ساب‌پلیت) استفاده می‌کنند: بدنه شیر با پیچ‌ها به یک صفحه زیرین متصل می‌شود که به خطوط سیستم وصل است. پورت‌های شیر نصب‌شده روی صفحه زیرین در سطح پایینی بدنه شیر قرار دارند.

عملگرهای شیر جهت‌دار

مشاهده کردیم که سوپاپ داخلی (اسپول) شیر جهت‌دار می‌تواند در یکی از انتهای‌ها قرار گیرد. حرکت دادن اسپول می‌تواند به روش‌های مکانیکی، الکتریکی، هیدرولیکی، پنوماتیکی یا دستی انجام شود.

عملیات دستی

شیر جهت‌داری که توسط نیروی عضلانی به حرکت درمی‌آید، شیر دستی نامیده می‌شود. انواع مختلفی از وسایل کنترل دستی وجود دارد، از جمله اهرم‌ها، دکمه‌های فشاری و پدال‌های پا. رایج‌ترین مکانیزم مکانیکی عملیاتی، پین کام است که سر آن مجهز به غلطک می‌باشد؛ زمانی که کام روی عملگر به سمت پایین حرکت کرده و با غلطک برخورد می‌کند، سPOOL به موقعیت دیگری منتقل می‌شود. در کنترل دستی، ترتیب اجرای عملکرد شیر جهت‌دار و نحوه کنترل آن باید بر اساس قصد اپراتور تعیین شود. اگر لازم باشد شیر جهت‌دار در موقعیت خاصی از عملگر جابه‌جا شود، می‌توان از شیر جهت‌دار کنترل‌شده مکانیکی استفاده کرد.

کنترل پیلوت

انتقال سPOOL شیرهای جهت‌دار نیز می‌تواند با استفاده از فشار هوا یا فشار هیدرولیکی پایلوت انجام شود. در سPOOLهای چهارلندی، فشار پایلوت بر روی لند‌های سPOOL در هر دو انتهای موقعیت عمل می‌کند. در سPOOLهای دو لندی، فشار پایلوت بر روی یک پیستون پایلوت واحد اعمال می‌شود.

کنترل سولنوئیدی (الکترومغناطیسی)

روش متداول‌ترین برای کنترل شیر جهت‌دار، استفاده از سیلنوئید (الکترومغناطیس) است. سیلنوئید دستگاه الکترومکانیکی است که انرژی الکتریکی را به نیروی مکانیکی خطی و حرکت تبدیل می‌کند. اجرای متناظر در سیستم هیدرولیک، سیلندر هیدرولیکی است.

سیلنوئید نوع خشک

از دو نوع سولنوئید، نوع خشک از طراحی‌های اولیه‌تر است. این نوع بر اساس اصول پایه‌ای الکترومغناطیس کار می‌کند و از یک هسته آهنی به شکل «T»، یک سیم‌پیچ و یک قاب به شکل «C» تشکیل شده است. به دلیل شکل هسته آهنی و قاب اطراف سیم‌پیچ، این نوع گاهی اوقات «الکترومغناطیس CT» نامیده می‌شود. آهن رسانای مغناطیسی خوبی است، در حالی که هوا رسانای مغناطیسی ضعیفی دارد. اصل کار سولنوئید نوع خشک این است: میدان مغناطیسی هسته آهنی را به داخل سیم‌پیچ می‌کشد و مقاومت مغناطیسی بزرگ ناشی از فاصله هوایی در مرکز سیم‌پیچ را کاهش می‌دهد. هنگامی که هسته آهنی جابه‌جا می‌شود، فاصله هوایی تدریجی کاهش می‌یابد، نیروی هل دهنده الکترومغناطیسی افزایش می‌یابد و نیروی الکترومغناطیسی زمانی که هسته آهنی درون سیم‌پیچ قرار دارد، بیشتر از زمانی است که خارج از سیم‌پیچ قرار دارد.

سولنوئید نوع مرطوب

سولنوئید نوع مرطوب طراحی نسبتاً جدیدی در زمینه هیدرولیک صنعتی است. در مقایسه با طراحی‌های فاصله هوایی، مزیت سولنوئید مرطوب، دفع بهتر حرارت و حذف آب‌بند‌های میله هل‌دهنده است که می‌توانند باعث نشت در سولنوئیدهای خشک شوند و این امر قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد.

ساختار سولنوئید نوع مرطوب

سولنوئید نوع مرطوب از سیم‌پیچ، قاب مستطیلی، میله هل‌دهنده، آرماتور (هسته آهنی) و لوله راهنما تشکیل شده است. سیم‌پیچ در داخل قاب مستطیلی قرار گرفته و هر دو با پلاستیک در هم آب‌بند شده‌اند. این مجموعه دارای یک سوراخ عبوری در مرکز سیم‌پیچ و از دو طرف قاب است که بر روی لوله راهنما قرار می‌گیرد. لوله راهنما آرماتور را در خود جای می‌دهد. لوله راهنما به‌صورت فشاری روی بدنه شیر جهت‌دار نصب می‌شود؛ و فضای داخلی لوله راهنما به مسیر بازگشت شیر جهت‌دار متصل است، بنابراین آرماتور در روغن سیستم غوطه‌ور می‌شود — به همین دلیل به آن «آرماتور مرطوب» گفته می‌شود.

روش کار سولنوئید نوع مرطوب

هنگامی که جریان الکتریکی از سیم‌پیچ عبور می‌کند، سیم‌پیچ میدان مغناطیسی تولید می‌کند که توسط مسیر مغناطیسی آهنی مستطیلی اطراف سیم‌پیچ و آرماتور قرارگرفته در مرکز سیم‌پیچ تقویت می‌شود. هنگامی که جریان به سیم‌پیچ آرماتور مرطوب اعمال می‌شود، آرماتور متحرک بخشی از آن خارج از سیم‌پیچ قرار دارد. میدان مغناطیسی ایجادشده توسط جریان، آرماتور را به داخل سیم‌پیچ می‌کشد و با میله هل‌دهنده‌ای که به صورت مکانیکی به شیر جهت‌دار متصل است، برخورد می‌کند و باعث جابه‌جایی شیر جهت‌دار می‌شود. هنگامی که شیر جهت‌دار جابه‌جا می‌شود، آرماتور به‌طور کامل وارد سیم‌پیچ می‌شود و میدان مغناطیسی سیم‌پیچ را کاملاً در مسیر مغناطیسی آهنی متمرکز می‌کند.

آهن رسانای مغناطیسی خوبی است، در حالی که روغن احاطهکنندهٔ آرماتور و میلهٔ هلدهنده رسانایی بسیار ضعیف مغناطیسی دارد. اصل کار سولنوئید نوع مرطوب این است: میدان مغناطیسی آرماتور را به سمت داخل می‌کشد تا فاصلهٔ بزرگ هوا در مرکز سیمپیچ را کاهش دهد. هنگامی که آرماتور به سمت داخل حرکت می‌کند، این فاصله به تدریج کاهش می‌یابد، نیروی الکترومغناطیسی هلدهنده افزایش می‌یابد و زمانی که آرماتور کاملاً درون سیمپیچ قرار می‌گیرد، نیروی الکترومغناطیسی بیشتر از نیروی خارجی است.

شکل ۱۰-۹: سولنوئید نوع مرطوب. آرماتور در روغن هیدرولیک غوطهور شده است (بنابراین «مرطوب» نامیده می‌شود) که باعث حذف آببندی پویای میلهٔ هلدهنده می‌گردد. این نوع سولنوئید از نظر پراکنش حرارتی و قابلیت اطمینان، عملکردی بهتر نسبت به نوع خشک دارد.

هم‌زنی جریان متناوب

در ایالات متحده آمریکا، توان کنترل صنعتی معمولاً جریان متناوب (AC) است. جریان متناوب آمریکا در هر ثانیه ۶۰ بار (۶۰ هرتز) از صفر به حداکثر مثبت، سپس دوباره از طریق صفر به حداکثر منفی و در نهایت بازگشت به صفر می‌رود. وقتی جریان در حداکثر مثبت یا منفی قرار دارد، میدان مغناطیسی و نیروی الکترومغناطیسی نیز در حداکثر خود هستند. هنگامی که جریان از صفر عبور می‌کند و کاهش می‌یابد، میدان مغناطیسی و نیرو نیز کاهش یافته و باعث می‌شوند بار سولنوئیدی فنری (معمولاً شیر سولنوئیدی با فنر بایاس) هسته آهنی یا آرمیچر را بیرون هل دهد. هنگامی که میدان و نیرو دوباره افزایش می‌یابند، هسته آهنی یا آرمیچر را دوباره به داخل می‌کشند. این حرکت، صدای زوزه، غرش یا لرزش مشخص سولنوئید — یعنی «زوزه جریان متناوب» — را ایجاد می‌کند.

حلقه اتصال کوتاه (حلقه سایه‌انداز)

برای کاهش نویز جریان متناوب (AC) و افزایش نیروی هل دادن سولنوئید، از حلقه‌ی اتصال کوتاه (حلقه‌ی سایه‌انداز) برای جبران استفاده می‌شود. در سولنوئیدهای خشک، این حلقه اتصال کوتاه یک حلقه‌ی مسی متصل به قاب C شکل است. در سولنوئیدهای مرطوب، این حلقه یک حلقه‌ی مسی در انتهای میله‌ی هل‌دهنده‌ی لوله‌ی راهنماست. هنگامی که سولنوئید کار می‌کند، این حلقه جریانی القا می‌کند که نسبت به جریان کاری اعمال‌شده تأخیر دارد. بدین ترتیب، زمانی که میدان مغناطیسی اصلی سیم‌پیچ در حداقل خود قرار دارد، میدان مغناطیسی حلقه‌ی اتصال کوتاه برای نگه‌داردن هسته‌ی آهنی یا آرماتور کافی است و نویز جریان متناوب را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

جریان‌های گردابی

میدان مغناطیسی متناوب پالسی می‌تواند جریان‌های نشتی کوچکی را در سولنوئید ایجاد کند — این جریان‌ها، جریان‌های گردابی هستند که در مدارهای کوچکی در مسیر مغناطیسی آهن جریان می‌یابند و باعث مصرف توان و تولید گرما شده، نیروی فشار خروجی سولنوئید را کاهش می‌دهند. برای به حداقل رساندن اثرات جریان‌های گردابی، از ورق‌های نازک فلزی لامینه‌شده برای ساخت قاب C و هسته آهنی سولنوئید خشک استفاده می‌شود. این ورق‌های فلزی توسط لایه‌های اکسیدی از یکدیگر عایق‌بندی شده‌اند. میدان مغناطیسی به‌راحتی در طول مسیر مغناطیسی معمولی ورق‌های لامینه عبور می‌کند، اما به دلیل لایه‌های عایق، جریان‌های گردابی نمی‌توانند بین ورق‌ها جریان یابند. از آنجا که قاب C از روی هم‌گذاری ورق‌های لامینه‌شده و عایق‌بندی‌شده ساخته می‌شود، معمولاً به آن «ستک قاب C» گفته می‌شود. در سولنوئیدهای مرطوب، برای به حداقل رساندن جریان‌های گردابی از ورق‌های آهنی لامینه‌شده و عایق‌بندی‌شده برای قاب مستطیلی استفاده می‌شود، اما این روش برای آرمیچر قابل اعمال نیست، زیرا سولنوئیدهای مرطوب قدرتمندتر از سولنوئیدهای خشک هستند. از دیدگاه دوام، ساخت آرمیچر از ورق‌های لامینه‌شده امکان‌پذیر نیست — در سولنوئیدهای مرطوب، آرمیچر یک قطعهٔ یکپارچه است.

جریان ورودی سولنوئید

برق متناوب در سیم‌پیچ‌های سولنوئید نیروی الکترومغناطیسی تولید می‌کند که باعث جابه‌جایی شیر جهت‌دار (شیر توزیع‌کننده) می‌شود، اما همچنین حرارت تولید می‌کند و در نهایت منجر به سوختن سیم‌پیچ سولنوئید می‌گردد. هرچه جریان عبوری از سیم‌پیچ سولنوئید بیشتر باشد، احتمال خرابی سیم‌پیچ سولنوئید نیز بیشتر می‌شود. اگر سولنوئید به‌گونه‌ای حرکت نکند که فاصله هوایی را ببندد، سیم‌پیچ جریان بسیار بالایی را تحمل خواهد کرد و باعث گرم‌شدن بیش از حد می‌شود. برخلاف سیستم‌های هیدرولیکی که جریان نسبتاً ثابت است، در سیستم‌های الکتریکی معمولی جریان متناسب با مقاومت است — یعنی هرچه مقاومت بیشتر باشد، جریان کمتر و حرارت تولیدشده نیز کمتر خواهد بود. ازآنجاکه حرارت تأثیر قابل‌توجهی بر عمر خدماتی سولنوئید دارد، هدف این است که کمترین جریان ممکن را برای تولید نیروی جابه‌جایی کافی به‌کار برد. این امر با طراحی سیم‌پیچ‌هایی با امپدانس متناوب (مقاومت واکنشی) کافی حاصل می‌شود.

امپدانس دو مؤلفه دارد: مقاومت خالص ماده هادی در برابر جریان الکترون‌ها — مس مقاومت کمتری نسبت به آلومینیوم دارد — و اثر امپدانسی که توسط میدان الکترومغناطیسی اطراف پیچ‌های سیم‌پیچ ایجاد می‌شود. این میدان مغناطیسی جریان ورودی به سیم‌پیچ را محدود یا مسدود می‌کند. هرچه این میدان قوی‌تر باشد، جریان عبوری از سیم‌پیچ سولنوئید کمتر خواهد بود.

هنگامی که سولنوئید برای اولین بار روشن می‌شود، هسته آهنی متحرک یا آرماتور به‌صورت جزئی خارج از سیم‌پیچ قرار دارد و فاصله هوایی بزرگی در مرکز سیم‌پیچ ایجاد می‌کند. در این موقعیت، میدان مغناطیسی بسیار قوی نیست؛ بنابراین مقاومت در برابر جریان عمدتاً ناشی از مقاومت خالص هادی است و جریان شروع (جریان ورودی اولیه) بزرگی در سیم‌پیچ ایجاد می‌کند. هنگامی که هسته آهنی یا آرماتور به سمت داخل حرکت می‌کند، فاصله هوایی به‌تدریج کاهش می‌یابد و جریان کاهش می‌یابد. وقتی هسته آهنی یا آرماتور کاملاً در جای خود قرار می‌گیرد، امپدانس به حداکثر مقدار خود می‌رسد و جریان متناوب (AC) به حداقل مقدار خود می‌رسد.

جریان ورودی اوج هنگام تحریک اولیه سولنوئید چندین برابر جریان نگهدارنده در حالت کاملاً قرار گرفته است. اگر مانع مکانیکی مانع از قرار گرفتن کامل هسته آهنی یا آرماتور شود، جریان بسیار بزرگی وارد سیم‌پیچ می‌شود که منجر به تولید گرمای عظیمی می‌گردد. در سولنوئیدهای خشک غیرمحصور، این گرما باعث ذوب شدن قطعات پلاستیکی در انتهای سیم‌پیچ می‌شود؛ در سولنوئیدهای خشک محصور یا مرطوب، باعث حباب‌زدن درخته پلاستیکی می‌گردد. در هر دو نوع، عایق سیم بلافاصله می‌سوزد و در عرض یک یا دو دقیقه سیم‌پیچ اتصال کوتاه می‌شود — این دقیقاً همان اتفاقی است که هنگام قفل‌شدن شیر لغزنده (اسپول) و جلوگیری از تغییر وضعیت سولنوئید رخ می‌دهد.

شکل ۱۰-۱۰: جریان ورودی و جریان نگهدارنده در سولنوئید AC. هنگام تحریک اولیه، فاصله هوایی بزرگ اجازه عبور جریان ورودی بالا (چند برابر جریان نگهدارنده) را می‌دهد. پس از قرار گرفتن کامل، امپدانس افزایش یافته و جریان کاهش می‌یابد. در صورت قفل‌شدن شیر لغزنده (فاصله هوایی هرگز بسته نمی‌شود)، جریان ورودی به‌طور مداوم ادامه می‌یابد — و این امر سوختن قطعی سیم‌پیچ را تضمین می‌کند.

سولنوئیدهای با رتبه‌بندی مداوم

سولنوئید با رتبه‌بندی پیوسته می‌تواند برای مدت طولانی بدون افزایش دما به‌صورت فعال باقی بماند. توانایی سولنوئید در دفع حرارت به‌اندازه‌ای کافی است تا بیشتر گرمای تولیدشده توسط جریان نگهدارندهٔ کوچک‌تر از طریق سیم‌پیچ را دفع کند. اکثر شیرهای هیدرولیکی صنعتی جهت‌دهنده از سولنوئیدهای با رتبه‌بندی پیوسته استفاده می‌کنند.

محدودیت‌های سولنوئید

شیرهای جهت‌دار کنترل‌شده توسط سولنوئید محدودیت‌هایی دارند. اولاً، سولنوئیدهای معمولی نمی‌توانند در محیط‌های مرطوب یا انفجاری استفاده شوند. ثانیاً، زمانی که عمر خدماتی شیر جهت‌دار باید بسیار طولانی باشد، معمولاً از سولنوئیدهای کنترل‌شده الکتریکی نیز اجتناب می‌شود. شاید بزرگ‌ترین معایب سولنوئیدها این باشد که نیروی جابجایی تولیدشده توسط آن‌ها محدود است. در واقع، برای شیرهای جهت‌دار بزرگ‌تر، نیروی جابجایی مورد نیاز بسیار زیاد است. برای شیرهای بزرگ‌تر (۱/۴ اینچ یا ۳/۸ اینچ / ۶٫۳۵ میلی‌متر یا ۹٫۵ میلی‌متر)، معمولاً یک شیر جهت‌دار سولنوئیدی در بالای شیر نصب می‌شود و در حین جابجایی، جریان از شیر کوچک به سمت مربوطهٔ میلهٔ شیر بزرگ هدایت می‌شود. این نوع شیر را «شیر جهت‌دار پایلوتی عمل‌کرد سولنوئیدی» می‌نامند.

خرابی سولنوئید

گرما عامل اصلی خرابی سولنوئید شیرهای جهت‌دار مستقیم‌العمل است که معمولاً ناشی از قفل‌شدن سولنوئید، دمای محیطی بالا یا ولتاژ پایین (نیروی جابجایی ناکافی برای قرارگیری کامل هسته یا آرماتور آهنی) می‌باشد.

قفل‌شدن سولنوئید

یک سPOOL گیر کرده مانع از قرار گرفتن کامل هسته آهنی یا آرماتور می‌شود و باعث می‌شود کویل سولنوئید به‌طور مداوم جریان راه‌اندازی بسیار بالایی را مصرف کند. سولنوئید قادر به پراکنده‌سازی گرمای عظیم تولیدشده نیست و در نهایت کویل را می‌سوزاند. اگرچه جریان بیش از حد از طریق شیر می‌تواند سولنوئید را گیر اندازد، اما مداخله مکانیکی در حرکت سPOOL شایع‌ترین علت گیر کردن است. آلاینده‌ها (مانند لجن، ذرات فلزی، شن هسته‌ای و نوار پلی‌تترافلوئورواتن) می‌توانند سPOOL را گیر اندازند یا برآمدگی‌های موجود بین سPOOL و بدنه شیر می‌توانند سPOOL را گیر کنند. ذرات اکسیداسیون روغن و لاک روغن می‌توانند روی سPOOL تجمع یابند و فاصله بین سPOOL و بدنه شیر را از بین ببرند — تمیزکردن با حلال می‌تواند لاک روغن را از بین ببرد. صفحه نصبِ تاب‌خورده نیز می‌تواند باعث گیر کردن سولنوئید شود؛ زیرا هنگامی که پیچ‌های نصب سفت می‌شوند، بدنه شیر ممکن است کمی خم شود و حرکت سPOOL را محدود کند و در نهایت کویل را بسوزاند. معمولاً محدودیت تخت‌بودن صفحه نصب در محدوده ۰٫۰۰۰۳ تا ۰٫۰۰۰۵ اینچ (۰٫۰۰۷۶۲ تا ۰٫۰۱۲۷ میلی‌متر) است.

برای سولنوئیدهای خشک، هنگامی که هسته آهنی سولنوئید به داخل پیچه کشیده می‌شود، سایش بین هسته آهنی و قاب C ایجاد می‌شود. هنگام بازکردن این نوع سولنوئید، توصیه می‌شود هسته آهنی را در همان موقعیت اصلی‌اش نصب مجدد کنید؛ در غیر این صورت قسمت ساییده‌شده به‌درستی هم‌تراز نخواهد شد، هسته آهنی به‌طور کامل در جای خود قرار نمی‌گیرد و سولنوئید صدای زوزه‌ای ایجاد می‌کند — که نشانه‌ای از نزدیک بودن به خرابی است.

گاهی اوقات هر دو سولنوئید موجود در یک شیر جهت‌دار دو سولنوئیدی به‌صورت همزمان فعال می‌شوند — یعنی یکی از هسته‌های آهنی یا آرمیچر به‌طور کامل در جای خود قرار می‌گیرد در حالی که دیگری گیر کرده است. نتیجه این امر سوختن سیم‌پیچ یکی از سولنوئیدهاست. فعال‌شدن همزمان هر دو سولنوئید معمولاً ناشی از خرابی دستگاه کنترل الکتریکی یا اشتباه در سیم‌کشی است.

دمای محیط بالا

وقتی جریان هسته آهنی یا آرماتور سولنوئید را به داخل می‌کشد، گرمای تولیدشده باید از سیم‌پیچ دفع شود. اگر دمای هوا در اطراف بیش از حد بالا باشد، دفع گرما دشوار می‌شود و ممکن است سیم‌پیچ سوخته شود. این امر در صورتی که تهویه ضعیف باشد یا تجهیزات در نزدیکی منابع گرما کار کنند، رخ می‌دهد.

ولتاژ پایین

برای یک سولنوئید ۱۱۰ ولتی و ۶۰ هرتزی، وقتی ولتاژ خط به حدود ۱۰۰ ولت کاهش یابد، نیروی الکترومغناطیسی تولیدشده برای قرارگیری کامل هسته آهنی یا آرماتور در مدت زمان طراحی‌شده کافی نخواهد بود. به دلیل افزایش مدت زمان جریان ورودی اولیه، سولنوئید در دمای بالاتری کار می‌کند و در نهایت منجر به خرابی می‌شود. گاهی اوقات نشانه‌های اولیه سوختن سیم‌پیچ، صدای زوزه یا لرزش است. مشکلات ناشی از ولتاژ پایین در بسیاری از محیط‌های نیروگاهی مصرف‌کننده رخ می‌دهد. اگر کمبود ولتاژ احتمالی باشد، شرکت تأمین انرژی می‌تواند یک متر ثبت‌کننده ۲۴ ساعته نصب کند تا شرایط واقعی بررسی شوند.

شیر جهت‌دهنده سه‌وضعی

در مثال‌های قبلی، شیر جهت‌دهنده دوپوزیشنی (با دو موقعیت انتهایی) مورد بحث قرار گرفته است. در برخی کاربردها از شیر جهت‌دهنده سه‌پوزیشنی استفاده می‌شود. موقعیت سوم مرکزی، یک موقعیت خنثی یا انتقالی است. نماد گرافیکی شیر جهت‌دهنده سه‌پوزیشنی شامل سه جعبه است — جعبه مرکزی نشان‌دهنده موقعیت مرکزی و اتصالات داخلی هنگامی است که سPOOL در موقعیت مرکزی قرار دارد.

شیر جهت‌دهنده سه‌پوزیشنی با مرکزگیری فنری

شایع‌ترین نوع شیر جهت‌دهنده سه‌پوزیشنی، نوع مرکزگیری‌شده توسط فنر است. این شیر دارای فنرهایی در هر دو انتهای خود است که در صورت غیرفعال بودن هیچ‌یک از سولنوئیدها، سPOOL را در موقعیت مرکزی نگه می‌دارند.

شکل ۱۰-۱۲: شیر جهت‌دهنده سه‌پوزیشنی با مرکزگیری فنری. فنرها در صورت غیرفعال بودن هر دو سولنوئید، سPOOL را در موقعیت مرکزی نگه می‌دارند. موقعیت مرکزی تعیین می‌کند که هنگام ایستگاه ماشین چه اتفاقی برای بار سیلندر رخ می‌دهد.

شرایط مرکزی

چهار پیکربندی رایج برای موقعیت مرکزی وجود دارد. انتخاب شرایط مرکزی، رفتار مدار را هنگامی که شیر جهت‌دار در موقعیت مرکزی قرار دارد (هیچ‌یک از سولنوئیدها تحریک نشده‌اند) تعیین می‌کند:

شکل ۱۰-۱۳: چهار پیکربندی موقعیت مرکزی. انتخاب پیکربندی بستگی به نیازهای مدار دارد؛ مثلاً اینکه آیا سیلندر باید در موقعیت خود ثابت بماند، آزادانه شناور باشد یا اینکه آیا پمپ باید هنگام قرار گرفتن شیر در موقعیت مرکزی باربرداری شود.

شیرهای جهت‌دار تناسبی

شیرهای جهت‌دار استاندارد بین موقعیت‌های گسسته (باز/بسته) جابه‌جا می‌شوند. شیرهای جهت‌دار تناسبی اجازه می‌دهند که سوپاپ (اسپول) در هر موقعیتی بین کاملاً باز و کاملاً بسته قرار گیرد، به‌طوری که رابطه‌ای نرم و پیوسته بین سیگنال الکتریکی ورودی و موقعیت اسپول و دبی جریان وجود داشته باشد. این امکان کنترل پیوسته و متغیر جهت و نرخ دبی را با استفاده از تنها یک شیر فراهم می‌کند.

شیرهای جهت‌دار با عملکرد از طریق فشار پایلوت

برای کاربردهای با دبی بالا که نیروی سولنوئید برای جابجایی مستقیم شیر اصلی کافی نیست، از طراحی شیر کنترل‌شده توسط فشار پایلوت استفاده می‌شود. یک شیر پایلوت کوچک که توسط سولنوئید کنترل می‌شود، فشار پایلوت را هدایت کرده و باعث جابجایی شیر اصلی بزرگ‌تر می‌گردد. این طراحی دو مرحله‌ای امکان کنترل دبی‌های بسیار بالا را با استفاده از سولنوئیدهای کوچک فراهم می‌کند — شیر پایلوت عمل سوئیچینگ را انجام می‌دهد و فشار پایلوت کار جابجایی شیر اصلی را انجام می‌دهد.

شکل ۱۰-۱۴: شیر جهت‌دار کنترل‌شده توسط فشار پایلوت. شیر پایلوت کوچک که توسط سولنوئید کنترل می‌شود (بالا)، فشار پایلوت را به منظور جابجایی شیر اصلی بزرگ (پایین) هدایت می‌کند. این طراحی امکان کنترل شیرهای اصلی با دبی بالا را توسط سولنوئیدهای کوچک فراهم می‌کند.

شیرهای جهت‌دار سولنوئیدی تناسبی

در دستگاه کنترل، سیگنال معکوس‌سازی و سیگنال ورودی همزمان وارد می‌شوند. سیگنال «خطا» که بین این دو تولید می‌شود، باعث می‌شود دستگاه کنترل به‌صورت تناسبی سولنوئید «A» یا «B» را فعال کند. هنگامی که سولنوئید فعال می‌شود، سیگنال را به نیرو تبدیل می‌کند. سولنوئید تناسبی که در مرکز بدنه شیر قرار دارد، همراه با فنر تعادل شیر پایلوت، این فشار کنترلی را به موقعیت شیر پایلوت تبدیل می‌کند. سنسور موقعیت فشار (LVDT) مستقیماً به شیر اصلی متصل است و وظیفه آن ارائه بازخورد خودکار به شیر پایلوت است.

شیر جهت‌دهنده اختلاف فشار (کنترل موتور گشتاوری)

شیر جهت‌دهنده اختلاف فشار از نوع سه‌مرحله‌ای است — که در آن شیر پایلوت مرحله اول و شیر اصلی مرحله دوم را تشکیل می‌دهند. شیر پایلوت پیچیده‌تر است و شامل موتور گشتاوری، فنرها، لوله‌های جت، و یک شیر پایلوت قابل تنظیم با درپوش‌های انتهایی پایلوت و LVDT می‌باشد. مرحله دوم (شیر اصلی) مشابه سایر شیرهای جهت‌دهنده عمل‌کرد پایلوتی است.

ساختار شیر کنترل اولیه

شیر کنترل اولیه شامل موتور گشتاور، لوله جت، سوپاپ غلطکی با فنرهای چپ و راست و اجزای مشابه است. لوله جت فشار کنترل را به یکی از دو انتهای سوپاپ غلطکی هدایت می‌کند. شیر کنترل اولیه از نظر نوع مشابه شیر جهت‌دار با مرکزفشار فنری است.

شیر اصلی مرحله دوم

مرحله دوم (شیر اصلی) از نظر نوع مشابه سایر انواع شیرهای جهت‌دار نسبی است و در اینجا تکرار نمی‌شود.

عملکرد شیر کنترل اولیه

جریان سیگنال کنترل الکتریکی از طریق سیم‌پیچ‌های موتور گشتاور بین دو سولنوئید عبور می‌کند. مقایسه و تفاوت سیگنال‌های الکتریکی جهت میدان مغناطیسی موتور گشتاور را تعیین می‌کند. بسته به اینکه کدام سولنوئید سیگنال قوی‌تری دارد، لوله جت به سمت یکی از انتهای شیر اصلی پایلوت هدایت می‌شود تا فشار را در آن انتها اعمال کند. در همین حال، خروجی دستگاه کنترل جریان را به یک سمت از شیر جهت‌دار تا مقدار نسبی افزایش می‌دهد و به‌تدریج جریان را به آن سمت افزایش می‌دهد تا زمانی که مقدار نسبی مورد نظر حاصل شود.

مفاهیم کلیدی — فصل ۱۰